Penisilin
Farmakoloji > Etki mekanizması

Ana madde: Beta-laktam antibiyotikler
Penisilin, bakteriyel hücre duvarının yapısal bileşeni olan peptidoglikanların sentezinin tamamlanmasını engelleyerek bakterileri öldürür. Özellikle hücre duvarı biyosentezindeki son adım sırasında peptidoglikanların çapraz bağlanması için gerekli olan enzimlerin aktivitesini inhibe eder. Bunu, penisilin moleküllerinde bulunan bir yapı olan β-laktam halkası ile penisilin bağlayıcı proteinlere bağlanarak yapar. Bu, daha az çapraz bağ nedeniyle hücre duvarının zayıflamasına neden olur ve doğru ozmotik gradyanı koruyamadığı için suyun kontrolsüz bir şekilde hücre içine akması anlamına gelir. Bu da hücrenin parçalanması ve ölümüyle sonuçlanır.
Bakteriler peptidoglikan hücre duvarlarını sürekli olarak yeniden şekillendirir, büyüdükçe ve bölündükçe eş zamanlı olarak hücre duvarının bölümlerini inşa eder ve yıkarlar. Peptidoglikan biyosentezinin son aşamalarında, dördüncü ve beşinci amino asitlerin her ikisinin de D-alanil-D-alanin olduğu üridin difosfat-N-asetilmuramik asit pentapeptit (UDP-MurNAc) oluşur. D-alanin transferi DD-transpeptidaz enzimi (penisilin bağlayıcı proteinler bu türdendir) tarafından yapılır (katalize edilir). Bakteri hücre duvarının yapısal bütünlüğü UDP-MurNAc ve N-asetil glukozaminin çapraz bağlanmasına bağlıdır. Penisilin ve diğer β-laktam antibiyotikler, konformasyonel benzerlikler nedeniyle UDP-MurNAc'da D-alanin-D-alanin (dipeptit) analoğu olarak hareket eder. DD-transpeptidaz daha sonra UDP-MurNAc yerine penisilinin dört üyeli β-laktam halkasını bağlar. Sonuç olarak, DD-transpeptidaz inaktive olur, UDP-MurNAc ve N-asetil glukozamin arasındaki çapraz bağların oluşumu engellenir, böylece hücre duvarı üretimi ve yıkımı arasında bir dengesizlik gelişerek hücrenin hızla ölmesine neden olur.
Peptidoglikan çapraz bağları hidrolize eden enzimler çalışmaya devam ederken, bu tür çapraz bağları oluşturanlar çalışmaz. Bu durum bakterinin hücre duvarını zayıflatır ve ozmotik basınç giderek dengelenemez hale gelir ve sonuçta hücre ölümüne (sitoliz) neden olur. Buna ek olarak, peptidoglikan öncüllerinin birikmesi, hücre duvarının peptidoglikanlarını daha da sindiren bakteriyel hücre duvarı hidrolazlarının ve otolizinlerin aktivasyonunu tetikler. Penisilinlerin küçük boyutları, hücre duvarının tüm derinliğine nüfuz etmelerini sağlayarak etkilerini arttırır. Bu durum, her ikisi de penisilinlerden çok daha büyük olan glikopeptit antibiyotikler vankomisin ve teikoplanin ile tezat oluşturmaktadır.
Gram-pozitif bakteriler hücre duvarlarını kaybettiklerinde protoplast olarak adlandırılırlar. Gram negatif bakteriler hücre duvarlarını tamamen kaybetmezler ve penisilin ile tedavi edildikten sonra sferoplast olarak adlandırılırlar.
Penisilin, aminoglikozitlerle sinerjik bir etki gösterir, çünkü peptidoglikan sentezinin inhibisyonu, aminoglikozidlerin bakteri hücre duvarına daha kolay nüfuz etmesine ve hücre içindeki bakteriyel protein sentezini bozmasına izin verir. Bu da duyarlı organizmalar için MBK'nin düşmesine neden olur.
Penisilinler, diğer β-laktam antibiyotikler gibi, sadece siyanobakteriler de dahil olmak üzere bakterilerin bölünmesini değil, aynı zamanda glokofitlerin fotosentetik organelleri olan siyanellerin bölünmesini ve briyofitlerin kloroplastlarının bölünmesini de engeller. Buna karşılık, oldukça gelişmiş damarlı bitkilerin plastitleri üzerinde hiçbir etkileri yoktur. Bu da kara bitkilerinde plastid bölünmesinin evrimine ilişkin endosimbiyotik teoriyi desteklemektedir.
Bazı bakteriler β-laktam halkasını parçalayan ve β-laktamaz adı verilen enzimler üreterek bakterileri penisiline dirençli hale getirir. Bu nedenle, bazı penisilinler antibiyotiğe dirençli bakterilere karşı veya bağışıklık sistemi baskılanmış hastalarda kullanılmak üzere modifiye edilir veya diğer ilaçlarla birlikte verilir. Penisilinin yanında β-laktamaz inhibitörleri olan klavulanik asit veya tazobaktam kullanımı β-laktamaz üreten bakterilere karşı penisilin aktivitesi sağlar. β-Laktamaz inhibitörleri β-laktamaza geri dönüşümsüz olarak bağlanarak antibiyotik molekülü üzerindeki beta-laktam halkalarını parçalamasını engeller. Alternatif olarak flukloksasilin, beta-laktam halkasını β-laktamazdan koruyan bir açil yan zinciri nedeniyle β-laktamaz üreten bakterilere karşı aktiviteye sahip modifiye bir penisilindir.