Сначала возникла гипотеза, что антибактериальные свойства пронтозила связаны с его способностью окрашивать клетки. Однако вскоре исследователи поняли, что антибактериальные свойства вещества никак не связаны с его окрашивающей способностью. В организме человека молекула пронтозила расщепляется с образованием сульфаниламидного соединения, и именно сульфаниламид обладает активностью антибиотика.
Вот почему пронтозил красный не работал в пробирке (invitro), но проявлял активность в организме (invivo). Выяснилось, что сульфаниламид эффективно побеждает не только стрептококковую инфекцию, но и другие болезни, такие как пневмония, скарлатина и гонорея. Узнав об антибактериальном действии сульфаниламида, химики быстро начали синтезировать родственные соединения в надежде на то, что небольшие модификации в структуре молекулы позволят повысить эффективность препарата и ослабят нежелательное побочное действие. Очень важно было узнать, что активным веществом является не пронтозил красный. Как видно из формулы, пронтозил — более сложное вещество, чем сульфаниламид, и его труднее синтезировать и модифицировать.
В 1935–1946 годах было получено более пяти тысяч производных сульфаниламида. Некоторые из них оказывали более мощное антибактериальное действие, чем сульфаниламид, но в качестве побочного действия вызывали аллергические реакции (сыпь и повышение температуры), а также повреждали почки. Лучшие результаты были достигнуты в тех случаях, когда один из атомов водорода в группе SO2NH2 заменяли другой группой.
Полученные таким образом молекулы относятся к семейству антимикробных средств, называемых сульфаниламидными препаратами. Вот некоторые представители этого большого семейства.
Сульфапиридин — средство от пневмонии
Сульфатиазол — средство от желудочно-кишечных инфекций
Сульфацетамид — средство от инфекций мочевыводящих путей
Сульфаниламидные препараты вскоре стали называть чудодейственными средствами и волшебными лекарствами. Сегодня, когда существует множество лекарств против инфекционных заболеваний, такой восторг может показаться преувеличенным, однако успехи в медицине, достигнутые в начале XX века с помощью этих препаратов, казались фантастическими. В частности, только в Соединенных Штатах количество смертельных случаев пневмонии сократилось на двадцать пять тысяч в год.
Во время Первой мировой войны от раневых инфекций умирало примерно столько же солдат, сколько погибало на полях сражений. Основной проблемой в окопах и военных госпиталях была так называемая газовая гангрена. Ее вызывает вирулентный штамм бактерий рода Clostridium (которые также ответственны за смертельно опасную пищевую инфекцию ботулизм). Газовая гангрена обычно развивается в глубоких ранах, возникающих в результате разрыва бомб и снарядов, когда ткани оказываются пробитыми или раздавленными. Эти бактерии быстро развиваются при отсутствии кислорода. В результате жизнедеятельности бактерий из ран начинает выделяться гной и зловонные пузырьки газа.
До появления антибиотиков газовую гангрену лечили только одним способом: ампутацией конечности выше участка повреждения. Если ампутация оказывалась невозможной, неизбежно наступала смерть. Во время Второй мировой войны от ампутации (не говоря уже о смерти) были спасены тысячи раненых благодаря появлению эффективных антибиотиков сульфапиридина и сульфатиазола.
Теперь мы знаем, что бактерицидное действие этих веществ объясняется размером и формой молекулы сульфаниламида, не позволяющей бактериям синтезировать необходимое им питательное вещество — фолиевую кислоту. Фолиевая кислота (один из витаминов группы В) нужна и для роста клеток человеческого организма. Этого вещества много в таких пищевых продуктах, как листовые овощи (название как раз и происходит от слова foliage — листва), цветная капуста, пшеница, дрожжи, говядина, печень. В организме человека фолиевая кислота не синтезируется, так что мы должны получать ее с пищей. Напротив, некоторые бактерии не нуждаются в источнике фолиевой кислоты, так как могут синтезировать ее самостоятельно.
Молекула фолиевой кислоты довольно крупная и сложная:
Молекула фолиевой кислоты. Остаток n-аминобензойной кислоты заключен в рамку.
Рассмотрим часть структуры в рамке. В тех бактериях, которые сами синтезируют фолиевую кислоту, эта часть молекулы образуется из n-аминобензойной кислоты. Таким образом, для таких бактерий n-аминобензойная кислота является важным компонентом пищи.
Интересно, что форма и размер молекул n-аминобензойной кислоты и сульфаниламида очень похожи, и именно это сходство является причиной антимикробных свойств сульфаниламида. Расстояние между атомами водорода NH2-групп и кислородом, связанным двойной связью, в этих молекулах различается не более чем на 3 % (на рисунке эти фрагменты отмечены скобками). Ширина молекул тоже практически одинаковая.
Сульфаниламид
n-аминобензойная кислота
Бактериальные ферменты, участвующие в синтезе фолиевой кислоты, по-видимому, не могут отличить молекулу n-аминобензойной кислоты от похожей молекулы сульфаниламида. В результате бактерии безуспешно пытаются использовать сульфаниламид вместо n-аминобензойной кислоты и в итоге погибают из-за недостатка фолиевой кислоты. Люди получают фолиевую кислоту с пищей и поэтому не страдают от приема сульфаниламида.
Теоретически сульфаниламидные препараты не являются антибиотиками. По определению антибиотики — это “вещества микробного происхождения, которые обладают противомикробной активностью даже в очень низких концентрациях”. Сульфаниламид не синтезируется в живых клетках. Это искусственное вещество, которое правильнее назвать антиметаболитом — химическим соединением, ингибирующим рост микробов. Однако в настоящее время антибиотиками называют все вещества (как природные, так и созданные искусственно), которые уничтожают бактерий.
Хотя сульфаниламиды не были первыми искусственными антибиотиками (это был полученный Эрлихом сальварсан), это первая группа веществ, которая нашла широкое применение. Эти лекарства не только спасли жизнь сотен тысяч раненых солдат и больных пневмонией. Они также способствовали значительному снижению смертности от родильной горячки, вызванной стрептококковой инфекцией. Однако в последнее время применение сульфаниламидных препаратов стало сокращаться по целому ряду причин: из-за долгосрочного побочного действия, возникновения устойчивых к сульфаниламидным препаратам бактерий и появления новых, более мощных препаратов.
Самые первые антибиотики, относящиеся к группе пенициллина, до сих пор широко применяются. В 1877 году Луи Пастер доказал, что с помощью одного микроорганизма можно уничтожить другой. Он также продемонстрировал, что рост штамма возбудителя сибирской язвы в моче можно предотвратить путем добавления некоторых распространенных бактерий. Позднее Джозеф Листер, убедивший медицинское сообщество в антисептических свойствах фенола, занялся изучением плесеней и, по-видимому, с помощью компресса с экстрактом пенициллиновой плесени вылечил одного из своих пациентов от хронического абсцесса.
Несмотря на все эти положительные результаты, систематическое изучение плесневых грибков началось только после того, как в 1928 году шотландский врач Александер Флеминг, работавший в госпитале св. Марии при Лондонском университете, обнаружил, что плесень рода Penicillium заражала культуру стафилококковых бактерий. Он обнаружил, что в присутствии плесени колонии бактерий становились прозрачными и распадались: происходил так называемый лизис. В отличие от своих предшественников, Флеминг заинтересовался этим обстоятельством и продолжил эксперименты с плесенью. Он предположил, что некие выделяемые плесенью вещества подавляют рост стафилококка, и эксперименты подтвердили эту гипотезу. Профильтрованная среда, в которой росла плесень Penicilliumnotatum, весьма эффективно подавляла рост стафилококков, росших на стеклянных чашках. Экстракт плесени убивал бактериальные клетки даже при разведении в восемьсот раз. Инъекция мышам этого экстракта, который Флеминг назвал пенициллином, не оказывала токсического действия. В отличие от фенола пенициллин не вызывал раздражения кожи и мог быть нанесен прямо на поврежденный участок тела. Кроме того, он оказался более мощным ингибитором роста бактерий, чем фенол. Пенициллин действовал против многих видов бактерий, включая те, что вызывают менингит, гонорею и стрептококковые инфекции, в том числе острый фарингит.
