第七章 内酰胺类抗生素及细菌耐药性

耐药菌名称 革 兰 阳 性 菌 枯草芽孢杆菌 产气夹膜梭菌 南非肺炎链球菌
PBPs改变情况 PBP2亲和力下降 PBP１亲和力下降
PBP2a亲和力下降
新出现PBP2a’（为高分子量PBP2a） PBP2b丧失 PBP1a和PBP1b亲和力下降
美国肺炎链球菌 屎链球菌 S.faurens 屎链球菌 革 兰 阴 性 菌 奈瑟氏淋球菌 铜绿假单胞菌 大肠埃希氏菌 嗜血流感菌
一、PBPs与β-内酰胺酶


与细菌细胞壁的合成、维持以及肽聚糖结构特征 的调节等有关的一组酶通常即被称之为PBPs; PBPs确实具有很多功能，它们具有转肽酶 (transpeptidase)、转葡基酶 (transglycosylase)和羧肽酶 (carboxypeptidase)活性; PBPs大多定位在细菌的内膜，在细胞周质中可以 发挥它们的活性。
DD-羧肽酶
D R
D
A
DD-转肽酶
Ala ~CONHR'
H2O R
D Ala + R'-NH2
内肽酶
β-内酰胺类抗生素的作用机制
转肽反应包括两个步骤： 首先是转肽酶与酰基-D-丙氨酰-D-丙氨酸 供体底物形成酰基-D-丙氨酰酶中间体，同时释 出1分子D-丙氨酸； 然后这个中间体将酰基D-丙氨酰基因转给 一个带有游离氨基酸的受体底物。 青霉素等β-内酰胺类抗生素则以它们的 结构与供体底物(D-丙氨酰-D-丙氨酸)结构相似 (二者都有高度反应性的-C-N-键)而与转肽酶起 作用,从而干扰了正常的转肽反应。
第二阶段 随着对细菌细胞壁的分离和粘肽组成的认识 开始，人们观察到在青霉素的作用下，细菌 细胞变成了球形，很类似受溶菌酶作用而产 生的原生质体，由此认为青霉素必定影响了 细胞壁的合成。 Park及其同事则观察到受抑制的葡萄球菌累 积了尿核苷，推测这是由于青霉素阻断了细 菌细胞壁合成的某一步。
β-内酰胺类抗生素的作用机制
青霉素(A)和D-丙氨酰-D-丙氨酸(B)的立体模式
H3C CH3 S C O O N RCNH H N
H O O O H RCNH CH3 O H3C N H C
O O
A
B
β-内酰胺类抗生素的作用机制
近年来对细菌细胞膜进行了深入研 究，发现细菌的细胞膜上有特殊的蛋白质 分子，能与β-内酰胺类抗生素结合，被称 之为青霉素结合蛋白(Penicillin Bonding Protein，PBP)，它具有很高的转肽酶和羟 肽酶活力，是这类抗生素抑制作用的靶蛋 白。
三种不同细菌的细胞壁结构比较
耐酸
耐酸
二、β-内酰胺类抗生素的作用机制
第一阶段 从Fleming观察到青霉素抑杀革兰氏阳性细 菌要比革兰氏阴性细菌列为有效开始，至 1945年观察到青霉素对细菌的形态学的效 应为止，人们得出的结论是青霉素必定干 扰了细菌细胞的表面结构。
β-内酰胺类抗生素的作用机制
三、β-内酰胺酶介导的细菌对β-内酰胺类 抗生素产生耐药性的作用机制 在耐药性革兰阳性菌如葡萄球菌中的 β-内酰胺酶是以胞外酶的形式分泌至胞外 来破坏这类抗菌药物，或是细菌含有的转 肽酶不能与这类药物结合而产生耐药性。
三、β-内酰胺酶介导的细菌对β-内酰胺 类抗生素产生耐药性的作用机制
在革兰阴性菌中，这类抗菌药物透过 细菌细胞外膜的孔蛋白进入细菌的周质， 而在细胞周质中的β-内酰胺酶能够破坏已 经进入胞内的这类药物，致使药物不能与 PBPs结合而产生耐药性。
二、由PBPs-介导的细菌 对β-内酰胺类抗生素产生耐药性的作用机制 青霉素作为转肽反应中的底物结构类似物 与转肽酶形成一种不可逆的青霉素-酶复合 物。由于转肽酶的测定非常困难，因此通 常用青霉素结合蛋白（PBPs）来表征; 细菌在不同细胞周期合成肽聚糖的过程 中，有多种不同功能的转肽酶-PBPs。
PBP1和PBP1亲和力下降 PBP2b含量降低 新出现PBP2’
新出现缓慢反应的或可诱导的 PBPs 同上 具有缓慢反应的PBPs PBP2 亲和力降低、外膜蛋白缺 失 对所有PBPs的亲和力降低
PBP3 中的四Βιβλιοθήκη Baidu氨基酸被取代、亲和力降 低
一些 β-内 酰胺 抗生素 耐药性 细菌与 PBPs的 改变 情况
青霉烷
氧青霉烷
SCH2R
青霉烯
碳青霉烯
头孢烯
氧头孢烯
N O O R C H N COOH R
碳头孢烯
N O O R C H N X COOH R
单环内酰胺
N O SO3H
第二节
β-内酰胺类抗生素的作用机制
一、细菌细胞壁结构


所有的细菌都具有环绕着细胞膜的细胞壁。 细胞壁的主要功能是：保持细胞形态，以及保护 细胞免受由于环境渗透压变化造成的细胞溶解。 传统地可以把细菌分为革兰阳性菌、革兰阴性菌 和耐酸菌三种。 在这三种细菌的细胞壁中都具有肽聚糖组分，其 由N-乙酰胞壁酸（N-acetylmuramic acid，NAM）） 和N-葡萄糖胺（N-acetylglucosamine，NAG）构 成。NAM 和NAG紧密连接成线状，线与线之间通过 连接在NAM 和NAG上的内肽桥的连接成片状，片与 片的堆积成为细胞壁的肽聚糖。
β-内酰胺酶耐药性的发展
1、 1940年首次在大肠埃希氏菌中确定β-内酰 胺酶。随后这种酶在许多其它细菌中被检测 到。 2、1944年明确了产生β-内酰胺酶(青霉素酶) 是金葡菌对青霉素耐药的机理。当时这种耐 药菌的产酶水平较低,但随着青霉素的广泛应 用,产酶水平和机率都随之增加。 3、20世纪50年代末在医院分离到的大多数金葡 菌产生这种酶。
第八章 ß-内酰胺类抗生素 第一节 β-内酰胺类抗生素的基本结构 特征
O R C NH S N O O N O OH S H 3C N O OH SR H3C N O R C O H N COOH X S N O O R C H N X O COOH R COOH COOH COOH CHCH2OH CH3 CH3
PBP3a和PBP3b亲和力降低
具有嵌入结构的青霉素 耐药脑膜炎双球菌PBP2的基因结构
具有嵌入结构的7种不同国家和地区来源的青霉素 耐药脑膜炎球菌PBP2的基因结构
三、β-内酰胺酶介导的细菌对β-内酰胺 类抗生素产生耐药性的作用机制 除了上面所阐述的由PBPs-介导的对β内酰胺药物的耐药机制外，细菌产生β-内酰 胺酶是导致细菌对这一类抗菌药物产生耐药性 的又一重要原因（可以说是最重要的原因）。 细菌渗透性屏障是细菌对药物产生耐药 性的普遍性机制（非特异性），而由PBPs-介 导的和由β-内酰胺酶介导的耐药机制是细菌 对β-内酰胺药物产生耐药性的特有机制（特 异性）。
耐酸菌（如铜绿假单胞菌合分支杆菌）的肽聚糖层比较薄，其外膜 结构也与革兰阴性菌不同，由被称之为分支酸的蜡脂组成。 这种分支酸与aribanogalactan糖脂可以调节阻止某些药物或化学物 质穿过细胞壁，使细胞具有较高的抗性。
Mycolic Acids of M. tuberculosis
Mycolic Acids of M. tuberculosis

二、由PBPs-介导的细菌 对β-内酰胺类抗生素产生耐药性的作用机制



由PBPs-介导的β-内酰胺类抗菌药物的耐药性是 由多种因素决定的，因为这种药物有多个作用靶 位。因此，只有当所有的β-内酰胺类药物作用靶 位的亲和力降低时细菌才能达到对药物较高的耐 药性。 例如，淋病奈瑟氏菌具有三种PBPs：PBP1和PBP2 是细菌生存所必须的酶，因而这两种酶的任一种 的失活将导致细菌死亡；而PBP3是一种低分子量 酶，它的失活并不会引起细菌死亡。 淋病奈瑟氏菌的耐药性发展一方面是使具有最高 亲和力的高Mr-PBP2的亲和力下降，另一方面是使 PBP1的亲和力下降。
β-内酰胺酶的作用特征
1、分布： β-内酰胺酶广泛分布于革兰氏阳性和阴性菌 及放线菌和分支杆菌中；它们既能在细菌壁外,也 能在细菌壁内起作用。 2、存在形式： 在革兰氏阳性细菌中,如金葡菌,这种酶分泌于 细胞外,即为胞外酶,使菌体细胞上的抗生素失去活 性；而在革兰氏阴性细菌中,β-内酰胺酶常存在于 细胞周质内，即为胞内酶,该处也有青霉素靶酶,在 这种情况下,抗生素在周质中被广泛灭活,而在细菌 壁外的灭活是微不足道的。 在有些情况下,产生β-内酰胺酶的遗传信息存 在于染色体中；而在另一些情况下则存在于质粒中。
第三节 细菌对β-内酰胺类抗生素 产生耐药性的作用机制
细菌对β-内酰胺类抗生素产生耐药性的作用机制
1、破坏β-内酰胺类抗生素分子的β-内酰 胺； 2、抗生素作用靶位PBPs亲和力发生改变； 3、以及药物外排机制。
细菌对β-内酰胺类抗生素产生耐药性的作用机制
一、PBPs与β-内酰胺酶


β-内酰胺酶是引起细菌对β-内酰胺类抗生素耐 药性的主要原因，有许多结构与功能不同的β-内 酰胺酶。已有研究表明有四种结构类别的β-内酰 胺酶（A、B、C和D），其中三种为活性-位点丝氨 酸酶（active-site serine enzyme），另一类 （B类）为锌-依赖性酶（受EDTA抑制）。 从结构研究可以证明β-内酰胺酶来源于细菌细胞 壁合成酶，即所谓的青霉素结合蛋白 (penicillin-binding proteins,PBPs)。
第三阶段 开始于1957年，人们阐明了粘肽的结 构及其生物合成，并确定青霉素是抑制了 粘肽生物合成的最后一步(转肽反应)。
β-内酰胺类抗生素的作用机制
各种青霉素类、头孢菌素类和非典型的β内酰胺类抗生素都能抑制粘肽合成的转肽 反应而使两条聚糖链不能连接成交链结构。
交链系统酶促反应
R H2 O
R D Ala D Ala R'-NH2 D A
β-内酰胺酶耐药性的发展
1957年,随着青霉素母核6-APA被分离,出现了半合 成青霉素,β-内酰胺酶作为一种耐药机理具有了重要 意义。 例如,广谱青霉素类,氨苄青霉素和羧苄青霉素以 及后来的羟氨苄青霉素和替卡西林,对金葡菌和肠杆菌 科的许多细菌产生的β-内酰胺酶是不稳定的,这些产 生β-内酰胺酶的菌株对这些广谱抗生素产生了耐药性。 拟杆菌属也产生β-内酰胺酶,对氨苄青霉素和羟 氨青霉素耐药。
β-内酰胺酶的作用特征
3、传递： 质粒的复制可以很快地从一个细菌细胞 传递到另一个细菌细胞,这种传递不仅可发 生于同种细菌间,而且也可发生在不同种细 菌间甚至不同的属间。因此,就产生了在不 相关的细菌间耐药性散播的可能性。
β-内酰胺酶的分类
Richmond和Sykes分类法（表）: 这种分类系统的依据有3点: 一是这种酶对不同β-内酰胺类抗生素的水 解速度； 二是对β-内酰胺酶抑制剂的敏感度； 三是这种酶的产生是由质粒介导的还是由 染色体介导的。 由此可将β-内酰胺酶分成如下5种类型:
β-内酰胺酶耐药性的发展 1、在1961年氨苄青霉素首次应用时,在英国医院 分离的大肠埃希氏菌耐药菌株占15%～20%,而近 年来在医院内和医院外这些耐药菌株已高达 40%； 2、今天所产生的β-内酰胺酶粘膜炎布兰汉氏球 菌比十年前更为常见，最近从各个不同国家分离 出的这种耐药菌的比例已从38%上升到78%；
β-内酰胺酶耐药性的发展
3、另外,自半合成青霉素出现以来,过去β-内酰胺 酶呈阴性的某些病原菌中也已出现了产生β-内酰 胺酶菌株 4、1974年,首次在流感嗜血杆菌中发现了产生β-内 酰胺酶的耐药菌； 5、1976年,第一次报告在淋球菌中有产生β-内酰胺 酶的菌株；近来又在粪链球菌及脑膜炎双球菌中 也出现了产生β-内酰胺酶的菌株。
三、β-内酰胺酶介导的细菌对β-内酰胺 类抗生素产生耐药性的作用机制 β-内酰胺酶既能够存在于革兰氏阳性菌也 能够存在于革兰氏阴性菌中，因而它对细菌的耐 药性似乎所作的贡献更大； 由PBPs介导的细菌耐药性仅存在于革兰氏阳 性菌。因此，革兰氏阳性菌对β-内酰胺类抗菌 药物的耐药性主要由β-内酰胺酶和PBPs的亲和 力降低或产生新的PBPs所致； 而革兰氏阴性菌对β-内酰胺类抗菌药物的 耐药性主要由β-内酰胺酶和细胞膜渗透性屏障 （药物难以透过或极慢透过孔蛋白）所致。
肽聚糖片的形成
革兰阳性菌肽聚糖细胞壁的形成
脂膜酸
磷壁(酸)质
肽聚糖
质膜
革兰阴性菌的细胞表面结构
孔蛋白
质莫空间
肽聚糖
质膜 磷脂
脂多糖的构成
Side chain
核心多糖
Core polysaccharide
核心多糖
lipid
类脂树胶甘露聚糖 分支酸 半乳糖体
细胞质膜
耐 酸 菌 的 表 面 结 构