第十九章抗生素A

青霉素的过敏反应
• 发生率0.7-10%，占过敏病人的74%，过敏休克率为 0.04-0.05%
• 外源性过敏原 主要来自在生物合成时带入的残留量的蛋
白多肽类杂质；
• 内源性过敏原 来自于生产、贮存和使用过程中β-内酰胺
环开环自身聚合物。
• 控制杂质含量：杂质平均在21.44μg/g时，过敏反应率为0.2%;杂
CH3 + COOH
CH2OH β-lactamase
β-内酰胺酶的作用示意图
发现三苯甲基青霉素可耐酶 在6位侧链酰氨基上引入具有较大空间位阻的基团，阻止药 物与酶的活性中心作用
但抗菌作用低，无临床使用价值
HH H
N
S CH3
O
N
CH3
O
COOH
三苯甲基青霉素
H3CO
H3CO
OCH3
HH H
N
S
α
β
NH O
1、β-内酰胺类抗生素的分类
• 青霉素类—青霉烷 • 头孢菌素类—头孢烯 • 头霉素类—头孢烯 • 碳青霉烯类
4 65S
3 N O7 1 2 Penam
5 7 6S 4
8N
Fra Baidu bibliotek
3
O
12
C ef m
• 青霉烯类
• 氧青霉素类-氧青霉烷
• 单环β-内酰胺
65 4
4 6 5S
4 65O
32
3
7N
– β-内酰胺环为一个平面结构。但两个稠合环不共平面，青霉素沿N1C5轴折叠，头孢菌素沿N1-C6轴折叠.
β-内酰胺类抗生素的化学结构特点
• 手性: – 青霉素类抗生素的母核上有3个手性碳原子，具有活性的 绝对构型是2S，5R，6R – 头孢菌素类抗生素的母核上有2个手性碳原子，具有活性 的绝对构型是6R，7R
第一节 β-内酰胺抗生素 (β-Lactam Antibiotics)
一、基本结构特点和作用机制
• 定义：分子中含有由四个原子组成的β-内酰胺环的抗生 素
• β-内酰胺环的作用：
– 四元环角张力较大，其化学性质不稳定，易发生开 环导致失活；
– β-内酰胺环开环与细菌发生酰化作用，抑制细菌的 生长。
O
12
Carbapenem
3 7N
O 12 Penem
3 N
O7 1 2 Oxypenam
N O4 1
Monobactam
β-内酰胺类抗生素的基本结构
青霉素类
OH H H 4
65
S
H 3
7N
O
1
Penem
2
O
COOH
青霉烯类
头孢菌素类
碳青霉烯类
H3CO H 5
RCOHN 76
S
4
R1COHN 3 2 R2
第十九章 抗生素
Antibiotics
抗生素定义
• 是某些细菌、放线菌、真菌等微生物的次级代谢产物，或用 化学方法合成的相同结构或结构修饰物，在低浓度下对各种 病原性微生物或肿瘤细胞有选择性杀灭、抑制作用而对宿主 不产生严重毒性的药物。 – 抑制病原菌的生长–用于治疗细菌感染性疾病 – 具有抗肿瘤活性–用于肿瘤的化学治疗 – 免疫抑制、刺激植物生长作用
• 链霉素（1944年），氯霉素（1947年），金霉素（1948 年），土霉素（1950年），红霉素（1952年），卡那霉素 （1957年），头孢菌素C（1962年），庆大霉素（1964 年）。
抗生素的来源
• 微生物合成（发酵，提取纯化） 为我国抗生素的主要来源。
• 化学方法全合成 少数，如氯霉素。
N
S
CH3
O
N
O
COOH
β-lactamase sensitive
苯唑西林
以异恶唑环取代苯环，在其3位和5位分别以苯基和甲基取代
5位取代基对活性具有较大影响
耐酶、耐酸和抗菌作用增强
耐酶青霉素的一大进展
H3CO
OCH3
HH H
N
S CH3
O
N
CH3
O
COOH
O R1 N
R2
CH3
HH H
N
S
CH3
O
• 当时正值二战期间，青霉素的研制和生产转移到了美国。 青霉素的大量生产，拯救了千百万伤病员的生命，成为第 二次世界大战中与原子弹、雷达并列的三大发明之一。
• 这一造福人类的贡献使弗莱明、钱恩和弗洛里共同获得了 1945年诺贝尔医学与生理学奖。
A、青霉素G的化学性质
酸性条件：
青霉酸
青霉醛酸 青霉噻唑酸
• 取得重大进展 – 口服的耐酸青霉素 – 广谱青霉素 G+，G– 耐酶青霉素
• 主要原料 6-氨基青霉烷酸
HH
H2N
S CH3
N
CH3
O
COOH
6-Aminopenicillanic Acid, 6-APA
2.1 耐酸青霉素
• 天然青霉素V，抗菌活性低，但是具有耐酸性的特点，不 易被胃酸破坏，可以口服
COOH
β-lactamase
β-lactamase
HH H
H2O R N
S CH3
O HN O OH
CH3 + COOH
CH2OH β-lactamase
二、青霉素类(Penicillins)
• 1、天然青霉素
– 从青霉素培养液和头孢菌素发酵液中得到 – 青霉素G (苄青霉素，Penicillin G)：作用最强，产量最高
N
CH3
O
COOH
苯唑西林 氯唑西林 氟氯西林 双氯西林
R1=H R2=H R1=H R2=Cl R1=F R2=Cl R1=Cl R2=Cl
抗生素不仅用于医疗，而且还应用于农业、畜牧和食品工业 方面
发展史
• 古时候，祖先就有豆腐霉素治疗疱、痈的记录。
• 数世纪前，欧洲、南美也有用发霉的面包治疗溃疡、肠道 感染。
• 1929年，Fleming报告当葡萄球菌培养的平板上污染了青霉 菌以后，有部分溶解葡萄球菌落的现象。
• 1940年，Florey和Chain联合有关的基础和临床研究结果， 发现可以供临床使用的青霉素。
稀酸条件下侧链羰基氧首先对β-内酰胺环羰基碳作亲核进攻， β-内酰胺环破裂。侧链引入吸电子基可阻止环裂解。
④ 开环的中间体自身聚合成高分子聚合物（内源性过敏原）。
B、临床应用及特点
• 主要用于革兰氏阳性球菌等引起的全身或严重的局 部感染。
• 缺点： – 不能经口服给药，只能注射给药，常用钠盐或钾盐。水 溶液在室温下易分解，用粉针，注射前新鲜配制. – 体内作用时间短，每天至少注射两次；肌注疼痛 – 耐药性：长期使用过程中，细菌逐渐产生一些分解酶， 如β-内酰胺酶，产生耐药性 – 抗菌谱窄：只对革兰氏阳性菌及少数革兰氏阴性菌效果 好，对大多数阴性菌则无效。 – 某些病人中易引起过敏反应，严重时会导致死亡
N
S CH3
O
N
O
Benzylpenicillin
CH3 COOH
环中羰基和氮的孤对电子不能共轭
β-内酰胺环中羰基和氮的孤对电子不能共轭,易受亲核 或亲电试剂进攻，使β-内酰胺环破裂
• 1929年，弗莱明发表论文报告了他的发现。 • 1935年，英国病理学家弗洛里和侨居英国的德国生物化
学家钱恩合作，重新研究青霉素的性质、分离和化学结构， 终于解决了青霉素的浓缩问题。
质平均在51.24μg/g时，过敏反应率为0.43%;杂质平均在76.7μg/g时， 过敏反应率为0.74%。
• 交叉过敏反应
延长作用时间的方法： 普鲁卡因青霉素、苄星西林
• 与分子较大的胺制成难溶性盐，肌注后可缓慢吸 收，作用时间延长
• 生物利用度降低，不用于严重感染
2、半合成青霉素
• 青霉素对酸不稳定、抗菌谱 窄、耐药性的问题—1950s 始
细胞壁生物合成示意图
NAG
NAM n
A
A：丙氨酸，E 谷氨酸 K赖氨酸 G甘氨酸
E
D
K
GG
G
G
GR
G 转肽酶
NAG
NAM A
A
D
A
CH2OH O
CH2OH O
D
OH
OH
O
OH
OH
OH
NHAc
NHAc
n
NAG
H3C C COOH
H
NAM
E DK
G
G
G
G GR
G
A
D
NAG = N-acetyglucosamine,N-乙酰 葡萄糖胺
• 主要包括： –细菌PBPs发生改变，与药物亲和力降低； –细菌细胞壁通透性发生改变或者主动泵出药物，使药物 不能发生作用；
–产生β-内酰胺酶，破坏β-内酰胺类抗生素分子。
β-内酰胺酶的作用示意图
HH H
RN
S CH3
O
N
O
CH3
CH2OH
COOH
HH H
RN
S CH3
O HN
CH3
CH2O O
3、作用机制和选择性
• 细胞壁是包裹在细胞外 面的一层刚性结构 – 决定着微生物细胞的 形状 – 保护不因内部高渗透 压而破裂
细菌
细胞壁富含多层较厚的粘肽，围绕在细胞膜的外围。细胞 壁的合成包括：肽链的增长和肽链的交联 革兰阳性菌的肽聚糖由聚糖支架、四肽侧链和五肽交联桥 三部分组成
聚糖支架：N-乙酰葡萄糖胺 (NAG)；N-乙酰胞壁酸 (NAM)；
• 氧原子的存在，可降低羰基上氧的电子云密度，阻碍了青 霉素的电子转移，不能生成青霉二酸，所以对酸稳定
HH H
N O
S CH3
O
N
CH3
O
COOH
Phenoxymethylpenicillin
A、青霉素G的化学性质
酸性条件：
青霉酸
青霉醛酸 青霉噻唑酸
青霉二酸 青霉醛
青霉胺
耐酸青霉素
• 设计并合成了在酰氨基的α位引入吸电子基团的化合物 • 非奈西林、丙匹西林和阿度西林，口服吸收良好。
CH3
O
N
O
CH3
COOH
methicillin 甲氧西林
OCH2CH3
HH H N
O
N
O
Nafcillin 萘夫西林
S
CH3
CH3
COOH
β-lactamase resistant
OCH3
HH H
N
S
H3CO CH3
O
N
CH3
O
COOH
HH H
N
S
CH3
O
N
CH3
OCH3 O
COOH
OCH3
HH H
• 半合成 在来源上所占比例逐渐上升。
半合成抗生素
增加稳定性 降低毒副作用 扩大抗菌谱 减少耐药性 改善生物利用度 提高治疗效力
抗生素的作用机制
分类
• 抗生素的种类繁多，结构比较复杂，多种分类方法 (产生菌、抗菌谱、化学结构)
• 按照化学结构可分为： – β-内酰胺抗生素 – 四环素类抗生素 – 氨基糖苷类抗生素 – 大环内酯类抗生素 – 其他类(如：氯霉素类抗生素)
– G+的细胞壁粘肽含量比G-高 – 青霉素对G+的活性比较高
• 由于人体细胞没有细胞壁，药物对人体细胞不起作用， 具有很大的选择性，因此，该类药物是毒性很小的抗生 素，这是优于其他抗生素的优点。
4、β-内酰胺类抗生素的耐药性及耐药机制
• 原因：抗菌药物的滥用，导致对细菌产生巨大的选择压力 （selective pressure），使那些原来只占极小比例的耐药 菌（10-6~10-9，自发突变频率），迅速繁殖。
HH H
RN
S CH3
O
N
CH3
O
COOH
2.2 耐酶青霉素
细菌产生β-内酰胺酶使青霉素分解失去活性
HH H
RN
S CH3
O
N
O
CH3
CH2OH
COOH
HH H
RN
S CH3
O HN
CH3
CH2O O
COOH
β-lactamase
β-lactamase
HH H
H2O R N
S CH3
O HN O OH
A=ala;E=glu;K=lys;G=gly; NAM= N-acetylmuramic acid,N-乙酰壁氨酸
β-内酰胺类抗生素作用机制
青霉素结合蛋白
(Penicillin Bonding Proteins，PBPs)
• 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，具有很高的转肽酶和 羟肽酶活力，是β-内酰胺类抗生素抑制作用的靶蛋白。
N O8 1
3 2 CH2A
N O 4 1 R3
COOH Oxacephems
Monobactam
头霉素类
单环β-内酰胺类
2、β-内酰胺类抗生素的化学结构特点
• β-内酰胺环，与另一个五元环或六元环稠合（单环β-内酰胺除外） • 羧基，与β-内酰胺环稠合的环上都有一个羧基 • 酰氨基侧链，β-内酰胺环羰基α-碳上 • 立体化学:
青霉二酸 青霉醛
青霉胺
碱性条件：
青霉酸
青霉噻唑酸
青霉醛
青霉胺
在碱性条件下与弱酸性条件下，生成的终产物相同， 但中间产物不同。
C-X杂键断裂：
HH H
N
S CH3
O
N
O
Benzylpenicillin
CH3 COOH
① 任何条件下首先断裂的键位（β-内酰胺键）。
② 任何条件下分解的最终产物是青霉胺和青霉醛。
• 所有细菌都含有多种青霉素结合蛋白，不同菌属的细胞膜上 PBPs的数量和组成不同，不同的-内酰胺类抗生素通过与不 同的PBP蛋白结合而产生不同的抗菌活性。因此造成各种药 物的抗菌敏感性和作用不同。与不同PBP结合的抗生素可联 合应用，往往产生协同作用。
选择性
• 哺乳动物细胞无细胞壁 • 细菌细胞有细胞壁
青霉素G 青霉素X 青霉素V
青霉素F
双氢青霉素F
青霉素N
青霉素K
青霉素G
• Benzylpenicillin 苄青霉素 • （2S, 5R, 6R）-3,3-二甲基-6-（2-苯乙酰氨基）-7-氧代-
4-硫杂-1-氮杂双环[3.2.0]庚烷-2-甲酸 • 由β-内酰胺环、四氢噻唑环及酰胺侧链构成
HH H