פניצילינים (Penicillins) הינם קבוצה של חומרים אנטיביוטיים. הפניצילינים משתייכים לקבוצה רחבה של חומרים אנטיביוטיים. המשותף לחומרים אלו הוא שיש בהם מבנה הנקרא טבעת בטא-לקטאם. טבעת זו הינה חלק מרכזי במולקולה, ולמעשה הגורם לפעילות האנטיביוטית. פניצילין הייתה אחת מהתרופות האנטיביוטיות הראשונות בשימוש האדם, והראשונה שבודדה מיצור חי – עובש מהסוג פניציליום (Penicillium).
חומרים אנטיביוטיים (אנטי-בקטריאליים) הם חומרים הקוטלים או מעכבים התרבות חיידקים, ולעתים טפילים מסוימים – אך אינם יעילים כנגד נגיפים (וירוסים). לכן, לא נהוג לרשום אותם כטיפול למחלות נגיפיות כגון צינון או שפעת. עם-זאת, רופאים לעתים כן רושמים טיפול אנטיביוטי כנגד מחלות אלו על-מנת למנוע מצב של זיהום חיידקי משני כתוצאה מהיחלשות הגוף בעת התמודדות עם גורם המחלה הנגיפי.
על-מנת להבין את מנגנון הפעולה של קבוצת תרופות הבטא-לקטאם יש להבין תחילה את מבנה דופן תא החיידק בעת חלוקה: מרכיב מרכזי בדופן התא של מרבית החיידקים הוא פפטידוגליקן (Peptidoglycan) – מבנה מורכב ורציף של סוכרים שביניהם מחברות שרשרות קצרות של חומצות אמיניות. כאשר החיידק מתחלק, ישנו שלב קריטי בו מולקולת הפפטידוגליקן גדלה מסביב לאיזור החלוקה, ומפרידה את התא המתחלק לשני תאים שונים. אנזימים מיוחדים בתא החיידק, המכונים טרנס-פפטידזות (Transpeptidases) "מגשרים" בין חלקי המולקולה וכך מחזקים  אותה.
כאן נכנסות לפעולה התרופות הבטא-לקטאמיות: צורתן המרחבית מאפשרת להן להיקשר לאותם אנזימים. באופן זה, האנזימים אינם מתפקדים, והפפטידוגליקן נבנה באופן פגום – בזמן שהתא עצמו ממשיך בפעולת החלוקה. כתוצאה מחדירת מים לתא (הגדלת הלחץ האוסמוטי), הדופן הפגום קורס ותא החיידק למעשה נשאר ללא דופן, ולכן פגיע מאד. (ראו איור)

אופן חלוקת התא, עם וללא נוכחות אנטיביוטיקה. האיור מבוסס על איור בויקיפדיה האנגלית.

השם "בטא-לקטאם" הוא מונח בכימיה אורגנית, המתאר מבנה בו שלושה אטומי פחמן (C) ואטום חנקן (N) אחד קשורים זה לזה בטבעת מרובעת – כאשר אחד הפחמנים שלצד החנקן קשור בקשר כפול לאטום חמצן (O). מבנה זה הוא מקרה פרטי של טבעות לקטאם: הסימון "בטא" מורה על שני פחמנים הנמצאים בין החנקן לפחמן הקשור לחמצן. בטבעת גאמא-לקטאם יהיו שלושה פחמנים בין אטומים אלו, בטבעת דלתא-לקטאם ארבעה פחמנים וכו' (ראו איור).

טבעות לקטאם: התחילית (בטא, גאמא, דלתא) מעידה על מספר הפחמנים בטבעת, שבין אטום החנקן (N) ואטום הפחמן (C) הקשור לאטום החמצן (O) (האטומים הנ"ל מסומנים בקו מקווקוו).

עמידות של חיידקים לחומרים אנטיביוטיים היא נושא מורכב, אשר מעסיק רבות את עולם הרפואה והמדע בשנים האחרונות: ככל שאנחנו משתמשים יותר בתרופות אנטיביוטיות, כך עולה הסבירות שיוצרו זנים של חיידקים העמידים לתרופות אלה. כבר עכשיו ידועים זני חיידקים אשר עמידים למספר גדול של תרופות אנטיביוטיות ומספרם הולך וגדל. המשמעות של תופעה זו היא שכבר כיום אנחנו חסרי יכולת טיפול במספר זנים של חיידקים אשר בעבר יכולנו לטפל בהם – והם מעמידים את חייהם של אנשים רבים בסכנה: ארגון ה-CDC האמריקאי (המרכז לניטור ומניעת מחלות) מעריך כי בכל שנה מתים לפחות 23,000 איש בארה"ב לבדה כתוצאה מזיהום חיידקי בזנים העמידים לתרופות אנטיביוטיות.
מנגנון אחד בו מתרחשת עמידות של חיידקים לצרופות אנטיביוטיות היא יצירה של אנזימים אשר מפרקים את טבעות הבטא-לקטאם, ובכך למעשה מונעים את פעולת האנטיביוטיקה. אנזימים אלו נקראים בכלליות "בטא-לקטמאזות". על-מנת להימנע מהרס מולקולות האנטיביוטיקה על ידי בטא-לקטמאזות, חלק מהתרופות האנטיביוטיות הנרשמות כיום מכילות חומר נוסף, אשר נועד לפרק את האנזימים הללו לפני שהם מספיקים לפרק את מולקולות האנטיביוטיקה: התרופה האנטיביוטית אוגמנטין היא שילוב של אמוקסיצילין (ממשפחת הפניצילינים), ביחד עם חומצה קלאבולנית (Clavulanic acid) אשר מעכבת את פעילות הבטא-לקטמאזות.
על-מנת להיאבק בתופעת העמידות לתרופות אנטיביוטיות, חוקרים, רופאים ומומחים בתחום הבריאות מציעים להימנע משימוש בתרופות אנטיביוטיות שלא לצורך (למשל בטיפול במחלות נגיפיות כאשר אין צורך בטיפול מנע נגד חיידקים), וכן עידוד המחקר בתחום, מעקב אחרי התפתחות זנים חדשים של חיידקים עמידים, וכמובן שמירה על היגיינה נאותה אשר תמנע התפשטות של מחלות.

מולקולת פניצילין-G, אנטיביוטיקה ממשפחת הבטא-לקטאם בעלת יכולת קטילה ועיכוב גדילה של טווח רחב של חיידקים. שימו לב לטבעת הבטא-לקטאם המסומנת בקו מקווקוו

קריאה נוספת:

1. סר אלכסנדר פלמינג - מגלה הפניצילין. מתוך "חיידקים נגיפים ושאר ירקות - בלוג של ביולוג"
2. 1940-2025 (?) העידן האנטיביוטי חלק ב': אנטיביוטים הפוגעים בבניית הדופן החיידקית. מתוך "חיידקים נגיפים ושאר ירקות - בלוג של ביולוג"