微生物在医药领域的应用

（二）教学要求
1．掌握抗生素的概念、特点和医用抗生素的特点。

2．熟悉抗生素的效价和单位表示方法。

3．了解抗生素效价的生物测定方法、微生物在其他药物生产中的应用。

微生物种类多、数量大、个体小、面积大、新陈代谢能力强、吸收多、转化快、生长旺、繁殖速度快，广泛应用于制药工业中。

如抗生素、维生素、氨基酸、酶及酶抑制剂以及微生态制剂都有是利用微生物发酵制成的。

利用“工程菌”作为制药工业的发酵产生菌可生产出更多低成本、高质量的药物，使得微生物在制药工业中的应用前景更加广阔。

抗生素：是生物在其生命活动过程中所产生的， 能在低微浓度下有选择地抑制或影响他种生物 功能的有机物质。

概
念 第一节、抗生素
很早以前，人们就发现某些微生物对另外一些微生物的生长繁殖有抑制作用，把这种现象称为抗生。

随着科学的发展，人们终于揭示出抗生现象的本质，从某些微生物体内找到了具有抗生作用的物质，并把这种物质称为抗生素，如青霉菌产生的青霉素，灰色链丝菌产生的链霉素都有明显的抗菌作用。

根据抗生素的生物来源分类： 1.细菌产生的抗生素：多黏菌素和短杆菌肽等 2.放线菌产生的抗生素：链霉素、四环素等 3.真菌产生的抗生素：青霉素和头孢霉素等、 4.植物和动物产生的抗生素：蒜素、鱼素等。

一、抗生素的分类 根据抗生素的化学结构分类 1.B-内酰胺类抗生素：青霉素、头孢霉素 2.氨基糖苷类抗生素：链霉素、卡那霉素 3.大环内酯类抗生素：红霉素、麦迪霉素 4.四环素类抗生素：金霉素、土霉素等 5.多肽类抗生素：多黏菌素、杆菌肽。

根据抗生素的作用机制分类 1.抑制细胞壁合成的抗生素：青霉素、环丝氨酸 2.影响细胞膜功能的抗生素：多黏菌素等 3.抑制核酸合成的抗生素：丝裂霉素C 等 4.抑制蛋白质合成的抗生素：链霉素、四环素等 5.抑制生物能作用的抗生素：抗霉素、短杆菌肽 根据抗生素的作用对象分类 1. 抗革兰氏阳性细菌的抗生素：青霉素、红霉素等 2. 抗革兰氏阴性细菌的抗生素：链霉素、多黏菌素等 3. 抗真菌的抗生素：灰黄霉素、制霉菌素等 4. 抗病毒的抗生素：四环霉素 5. 抗癌的抗生素：丝裂霉素、阿霉素等
抗生素种类产生菌化学结构作用对象作用机制
青霉素真菌产生β－内酰胺类抗G+细菌的影响细胞壁合成链霉素放线菌产生氨基糖甙类抗G－细菌影响蛋白质合成红霉素放线菌产生大环内酯类抗G+细菌的影响蛋白质合成多粘菌素细菌产生多肽类抗G－细菌影响细胞膜通透性四环素放线菌产生四环素类抗病毒影响蛋白质合成灰黄霉素真菌产生多烯类抗真菌、病毒影响核酸合成
二、医用抗生素的特点
1.差异毒力大
差异毒力：即抗生素对微生物或肿瘤细胞等靶体的抑制或杀灭作用，与对机体损害程度的差异比较。

由抗生素的作用机制决定，如青霉素类抗生素能抑制革兰阳性菌细胞壁生成，而人和动物的细胞没有细胞壁，所以说青霉素对人和动物没有作用，因此青霉素可以在临床上用于抗感染。

可以说一种抗生素它的差异毒力越大，越有利于临床的应用。

一般的化学消毒剂对微生物和机体的毒力无明显差异。

2.生物活性强
生物活性即抗菌活性是指药物抑制或杀灭微生物的能力。

一种抗生素它的抗菌活性强弱我们常常以最低抑菌浓度（MIC）来衡量。

MIC是指抗生素能抑制微生物生长的最低浓度，以μg∕ml来表示。

MIC值越小，表示抗生素的作用越强。

3.有不同的抗菌谱
由于各种抗生素对微生物的作用方式不同，因而每种抗生素都有特定的抗菌谱。

抗菌谱是指抗生素所能抑制或杀灭微生物的范围和所需剂量。

抗菌谱广的我们称之为广谱抗生素，对多种病原菌有抑制和杀灭作用。

抗菌范围窄的称为窄谱抗生素，比如青霉素就是窄谱抗生素，主要抑制革兰氏阳性菌，而抗癌抗生素的抗瘤范围我们称之为抗瘤谱。

4.不易使病原菌产生耐药性
某些病原菌耐药现象日趋来重，它们引起的疾病常成为临床治疗的难题。

因些一个优良的抗生素应不易使病原菌产生耐药性。

其他：良好的抗生素副作用小、不易引起超敏感反应，吸收快，血浓度高，不易被血清蛋白结合而失活等特性。

三、寻找新抗生素的基本程序 抗生素获得的几条途径：
①从自然界分离并筛选新抗生素产生菌。

②改造现有的抗生素的产生菌，再经筛选获得新抗生
素产生菌。

③对已知的抗生素进行结构改造，经筛选后获得新的
半合成抗生素。

④新的筛选方法，应用定向生物合成和突变生物合成
的原理等。

⑤现代分子生物学技术设计产生新抗生素。

新抗生素产生菌的常规分离和筛选过程
1.土壤微生物的分离
2.筛选
3.早期鉴别
4.分离精制
5.临床前试验研究和临床试用 采土，以春秋两季采土为宜，取5~10cm 深处的土壤，以无菌生理盐水适当稀释进行涂布法分离。

抗菌抗生素：一般采用琼脂扩散法筛选法。

抗肿瘤抗生素可以采用精原细胞核分裂抑制法、噬菌体法、实验动物模型体内筛选取法等。

抗病毒抗生素可采用组织培养法、噬菌体模型 法、体内筛选法等。

抗生素产生菌的鉴别、抗生素的鉴别。

将可能产生新抗生素的放线菌进行扩大培养，然后选择合适的方法将有效抗生素从培养液中提取出来，加以精制纯化。

经临床前试验研究后，被审查合格的抗生素方可进入临床试验阶段。

四、抗生素的制备
获取菌种孢子制备种子制备发酵发酵液预处理提取及精制成品检验成品包装
（1）菌种：菌种都是从自然界分离、纯化及选育后获得的。

这些菌种通常采用砂土管或冷冻干燥管保存。

要经常进行菌种选育工作，用人工方法加以纯化和育种，才能保持菌种的优良性状不变。

菌种制备要保持严格的无菌状态。

（2）孢子制备：将保藏的菌种进行培养，制备大量孢子供下一步植被种子使用。

需氧发酵制备孢子一般是在摇瓶内进行，通过振荡，外界空气与培养液进行自然交换获得氧气。

培养基要含有生长因子和微量元素，且碳源或氮源不宜过多，从而保证生产大量的孢子。

还要严格控制培养基的pH、培养温度、培养时间等条件。

（3）种子制备：使有限数量的孢子萌发、生长、繁殖产生足够量的菌丝体，供发酵培养所用。

在种子罐内微生物菌丝大量生长、繁殖，因而缩短了下一步发酵罐内菌丝生长的时间。

种子罐中的培养液要尽可能与发酵液一致。

而且要有易吸收的碳源和氮源。

微生物的发酵
目前应用微生物工业把发酵由微生物扩大到植物、动物，因此工业微生物学家将所有通过微生物或其他生物细胞（动、植物细胞）或经过生物工程改造了的“工程菌”的培养来制备工业产品或转化某些物质的过程，统称为发酵。

微生物发酵的一般工艺
微生物发酵的一般工艺也就是利用深层培养，进行微生物发酵生产所需要产品的过程。

微生物发酵一般分发酵与提取2个阶段。

其生产的一般工艺流程如下。

微生物发酵的一般工艺（示意图）
发酵注意因素
无菌操作
营养需要
PH
温度
前体
发酵终点判断
前体是抗生素分子的前身或其组成部队分，直接参与抗生素的生物合成而自身无显著变化。

加入前体可控制抗生素的合成方向，并增加产量。

发酵过程中通过定期取样分析，测定抗生素含量、发酵液PH、含糖量和含氮量、
菌丝含量及形态观察等，据此判断合适的和罐时间。

提取阶段
（1）发酵液预处理
多数发酵产品如抗生素存在于发酵液内，有些存在于菌丝内。

发酵液预处理包括除去发酵液内的杂质离子（Ca2+、Mg2+、Fe3+等）以及蛋白质，并利用板框压滤机，使菌丝与滤液分开，便于进一步提取。

（2）提取与精制
提取方法是根据产品的理化性质决定的。

目前常用的提取方法有吸附法、溶媒萃取法、离子交换法和沉淀法。

（3）成品检验
经过发酵与提取得到的成品，应根据药典标准进行检测，检测的项目根据产品的性质而定。

如抗生素一般要进行效价测定、毒性试验、无菌试验、热原质试验、水分测定等。

（4）成品分装
五、抗生素的效价和单位
1.效价
效价是指在同一条件下比较抗生素的被检品和标准品的抗菌活性，从而得出被检品的效价，我们用百分比来表示表示：
效价＝被检品的抗菌活性∕标准品的抗菌活性
标准品：是指与商品同质的、纯度较高的抗生素，每毫克含有一定量的单位，可用作效价测定的标准。

2、单位
抗生素的国际单位：指经国际协议，每毫克含一定单位的国际标准品，其单位即为国际单位（IU ） 质量单位，是指以抗生素的生物活性部分为重量作为单位1μg＝1U 1mg ＝1000U 。

对于不同盐类的同一抗生素而言，只要它们的单位相同，实际有效含量是一致的。

抗生素单位的含义分类
①质量单位 ②类似质量单位 ③质量折算单位 ④特定单位 ⑤标量法 类似质量单位，是以特定的抗生素盐类纯品的质量为单位，包括非活性部分的质量。

质量折算单位，与原始的生物活性相当的纯抗生素实际质量为1U 加以折算。

1个青霉素单位系指在50ml 肉汤培养基内完全抑制金黄色葡萄球菌生长的最小青霉素量为U 。

这个
量相当于青霉素G 钠盐0.5988μg ，1mg=1670U 。

以特定的一批抗生素样品的某一质量作为一定单位，经有关的国家机构认可而定。

指抗生素制剂标签上所标示的抗生素含量。

原则上以质量表示，但少数成份不清的抗生素，或照顾用药习惯，仍沿用单位表示。

六、抗生素的作用机制
1、抑制细胞壁的合成
磷霉素
环丝氨酸：抑制五肽的形成
万古霉素：阴断二糖五肽与胞壁受体结合
杆菌肽：影响肽聚糖的形成
β-内酰胺类抗生素如青霉素和头孢菌素，抑制肽聚糖合成交联中所需的转肽酶反应，使肽聚糖三维结构不能形成。

2、影响细胞膜的功能
多黏菌素、两性霉素
3、干扰蛋白质合成
氨基糖苷类、四环素类、大环内酯类以及其他一些抗生素
4、抑制核酸的合成
博莱霉素、利福平、利福霉素、氟哌酸、氧氟沙星、阿霉素等。

5、干扰的能量代谢和电子传递体系
素养性太强，限制了在临床上的应用。

七、细菌的耐药性
1、耐药性的概念
耐药性是指在微生物或肿瘤细胞多次与药物接触发生敏感性降低的现象，是微生物对药物所具有的相对抗性。

耐药性增强，则敏感性降低。

2、耐药性产生机制
①细菌耐药性产生的遗传机制：耐药性可由染色体或
质粒或两者兼有介导。

②细菌耐药性产生的生化机制：
a.产生使抗生素结构改变的酶，即钝化酶。

b.作用靶位的改变，不能与细菌结合或能结合形成复
合体但靶位仍能保持其功能。

c.细胞通透性的改变，使药物进入细胞内减少。

3、细菌耐药性产生的防止对策
①合理使用抗生素，可不用抗生素时尽可能不用，并
注意防止交叉耐药性，同时主张联合用药。

②寻找新药。

努力寻找具有新的化学结构的新抗生素
和改造现有的抗生素，以及新的酶抑制剂。

③加强抗药机制的研究，了解细菌耐药性的本质，以
便有针对地解决耐药菌对人类的危害。

第二节、其他发酵产品 1.维生素 （1）维生素C （2）维生素B2 （3）维生素B12
2.氨基酸
（1）谷氨酸
（2）赖氨酸
谷氨酸是制造味精的原料，味精就是谷氨酸钠盐。

另外，谷氨酸在医疗上可以用于肝昏迷、神经衰弱、配制营养注射液等。

谷氨酸产生菌主要是棒状杆菌属、短杆菌属和节杆菌属，谷氨酸产生菌的共同特点是革兰氏阳性短杆菌，无鞭毛，无芽胞，生长需要适量生物素，而且需要氧气，也就是说都是需氧菌。

3酶制剂及酶抑制剂
（1）酶制剂
①透明质酸酶
②天冬酰胺酶
③胶原酶
④消化酶
⑤青霉素酰化酶
⑥青霉素酶
我们在医药方面常用的微生物酶制剂有：
1.促消化酶类：我们利用微生物生产的种进消
化的酶类有蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶和纤维素酶等，能够治疗消化不良、急慢性肠胃炎、食欲不振等疾病。

2.消炎酶类：这类酶制剂中常用的比如溶菌酶，具有抗菌、抗病毒、抗炎症、促进组织修复等作用，临床上用于五官科各种粘膜炎症或者龋齿等。

3.抗肿瘤酶类：酶能治疗某些肿瘤，比如大肠杆菌产生的天冬酰胺酶就是一种抗白血病的药物。

它的主要作用是水解天冬酰胺成为天冬胺酸和氨。

4. 与血液有关的酶类：是由乙型溶血性链球菌产生的链激酶和链道酶，我们习惯上称为“双链酶”。

链激酶能激活血浆中的溶纤维蛋白酶原转变成溶纤维蛋白酶，链道酶可以溶解纤维蛋白凝块，所以临床上“双链酶”用于治疗脑血栓及溶解其他部分的血凝块。

5.其他药用酶类：我们临床上用的其他的药用酶类还有很多种，比如青霉素酶能分解青霉素，能治疗青霉素引起的过敏反应，也可以用于青霉素类药物的无菌检验。

葡萄糖酶能防止龋齿。

（2）酶抑制剂
酶抑制剂是一类主要由微生物产生的小分子生物活性物质，能抑制酶的活性，增强机体免疫力，调节代谢，以达到治疗某些疾病的目的，也可用于某些抗药性细菌感染的治疗。

目前发现由微生物产生的酶抑制剂有几十种，抑肽素是一种由链霉菌产生的蛋白酶抑制剂，可以用来治疗胃溃疡，它能与胃蛋白酶形成复合物从而抑制胃蛋白酶的作用。

泛涎菌素是淀粉酶的特异性抑制剂，可以用来防止肥胖症、糖尿病等。

小奥德国蘑酮具有降血压的作用。

4.微生物态制剂
是在微生态学理论指导下，调整生态生调保持微生态平衡，提高宿主健康水平或增进健康状态的生理性活菌制品及其代谢产物：益生菌、益生无、合生素。

目前应用于微生态的细菌主要有乳杆菌、双歧杆菌、肠杆菌、大肠埃希菌、蜡样芽孢杆菌等。

5、核酸制剂：觅苷酸为强力味精，和辅酶A可治疗心脏病。

ATP可治疗代谢紊乱等。

6、生物碱：如麦角碱和安沙美登素等都受到医药界的重视。

7、螺旋藻：含有丰富的营养成分和多种生物活性物质，可作为蛋白补充剂。