第十章抗生素.ppt

三、半合成抗生素,抗生素應用于臨床以來，對控制細菌性感染，保障人類健康起到了十分重大的作用。但是隨著抗生素的廣泛使用，也產生了一些新的問題。1、細菌耐藥性普遍增長2、過敏反應時有發(fā)生3、由于菌群失調引起的二重感染4、各種毒性與副反應,為了解決這些問題，除了從土壤、海洋等自然環(huán)境中繼續(xù)尋找，分離更有效的新抗生素外，對原有抗生素進行結構改造來探求具有更好臨床效果的新衍生物也是一個重要的方面。由于抗生素化學及生物化學的進展，對它們的作用機制與構效關系已能從分子水平上來進行討論。因此上世紀六十年代以后，對抗生素結構改造的研究十分活躍。,抗生素結構改造主要有下列三種方法：(1)生物合成法在微生物發(fā)酵制取抗生素的過程中，加入一些“前體”物質來改變抗生素的部分結構。如在青霉菌的發(fā)酵過程，加入不同的乙酸衍生物，就可獲得各種不同?；鶄孺湹那嗝顾?。(2)化學合成法這是指由較簡單的有機化合物為原料，通過一系列的化學反應來合成抗生素及其衍生物。此法只限于一些結構較簡單而化學性質又較穩(wěn)定的抗生素，如氯霉素、磷霉素等。天然抗生素的化學結構往往比較復雜，并且不甚穩(wěn)定，要普遍采用化學合成法來進行結構改造還有一定困難。,(3)半合成法這種方法或是以由生物合成所得的天然抗生素或其類似物為原料，用化學合成方法改造其部分結構和制備一些新型衍生物；或是利用微生物某些酶的作用，在抗生素分子中改變或引進取代基來獲得新抗生素，以這些方法制得的產品，都稱為半合成抗生素。因在天然抗生素的基礎上進行結構改造，反應步驟少易于進行，又不受生物合成中微生物代謝的限制，故為目前抗生素結構改造中用得最多的方法。,抗生素結構改造的目的是尋找：1、比原物質活性強2、抗菌譜廣3、對耐藥菌也有效4、化學性能穩(wěn)定5、毒性及副作用較小6、吸收快、血濃度高、排泄緩慢、有較長藥效以及其他優(yōu)越藥理性能的新化合物,半合成青霉素,抗生素結構改造及其衍生物的研究，早在抗生素發(fā)展的初期就已開始，但真正決定性的變化，是在1959年從發(fā)酵液中成功地分離出青霉素母核(6-APA)，并通過6-APA的?；磻铣闪艘幌盗械男虑嗝顾睾蟛砰_始。青霉素是最早發(fā)現(xiàn)和臨床應用得最普遍的一種高效低毒抗生素。隨著青霉素的大量使用，細菌產生的耐藥現(xiàn)象日趨嚴重，尤其是金黃色葡萄球菌中的耐藥菌株的蔓延，成為臨床上一個嚴重的問題。其次，臨床上廣泛使用的芐青霉素（青霉素G）對酸不夠穩(wěn)定，抗菌譜不廣（只限于對革氏陽性菌活性較高），以及容易引起過敏反應等，均限制了它的應用。,青霉素的化學結構：側鏈?；负耍?-APA）兩部分結合而成母核部分含有一個噻唑環(huán)及一個-內酰胺環(huán),打開或改變噻唑環(huán)：仍然能保留一部分活力-內酰胺破壞：則完全失去抗菌作用擴大-內酰胺：也同樣是沒有活性的在青霉素結構改造中，研究得最多的還是側鏈?；母淖?。,6-氨基青霉烷酸（6-APA)6-氨基青霉烷酸是青霉素的母核，因為沒有側鏈，俗稱無側鍵青霉素。6-氨基青霉烷酸為白色片狀六面體結晶，熔點208209，微溶于水，難溶于有機溶劑。對酸較穩(wěn)定，易被強堿分解，使-內酰胺環(huán)開裂，也能被青霉素酶所破壞，但比芐青霉素（青霉素G）穩(wěn)定得多。6-氨基青霉烷酸本身抗菌活力較弱，易于酰化產生抗菌活力較強的各種半合成新型青霉素。6-氨基青霉烷酸工業(yè)生產的方法，常用的有兩種。,（一）青霉素酰基酶裂解法采用由微生物產生的青霉素?；噶呀馓烊磺嗝顾貋泶罅恐迫?-APA。根據(jù)裂解底物不同，可將青霉素酰基酶分成兩大類。一類存在于霉菌、酵母菌及放線菌中，對苯氧甲基青霉素（青霉素V）的裂解能力較強。另一類為細菌（絕大部分為革氏陰性細菌）產生的酶，對芐青霉素（青霉素G）的裂解能力很強。,最常用的是大腸桿菌?；?，大腸桿菌?；父鶕?jù)反應pH不同不僅能水解青霉素為6-APA，也能催化相反的反應，使6-APA與適當?shù)膫孺溄Y合為青霉素。因此，也可用來合成新型青霉素。,青霉素,6-APA,pH8,pH5,大腸桿菌?；?（二）化學裂解法它的工藝原理是：先將青霉素的羧基轉變成酯或其它衍生物保護起來再以氯化劑使側鏈上的酰胺功能團活化成偕氯代亞胺然后在低溫用醇類將偕氯代亞胺轉變成容易水解的偕亞胺醚最后水解得6-APA或其它衍生物,幾類重要的半合成青霉素根據(jù)抗菌譜，半合成青霉素可分為四類：第一類主要抗革蘭氏陽性菌，這些青霉素通常稱為“窄譜青霉素”。第二類是對細菌產生的青霉素酶較穩(wěn)定的青霉素，稱為“青霉素酶穩(wěn)定青霉素”，它們主要用來抗耐藥菌株。第三類是“廣譜青霉素”，它們的抗菌譜既包括革氏陽性菌，也包括一部分革氏陰性菌，但對碌膿桿菌敏感性低。第四類是“抗綠膿桿菌青霉素”，這類青霉素的抗菌譜比第三類更廣，并對綠膿桿菌有抑制作用。,1、窄譜青霉素這類青霉素以苯氧烷基青霉素為主，如苯氧乙基青霉素、苯氧丙基青霉素，它們均為青霉素V（苯氧甲基青霉素）的同系物。它們的生物與化學性質與青霉素V相似，主要對革氏陽性菌作用較強，與天然青霉素相比并沒有突出的優(yōu)點。,2、青霉素酶穩(wěn)定青霉素這類青霉素的共同特點是由于側鏈酰基上的空間位阻而使得分子中的-內酰胺環(huán)不被青霉素酶所破壞，因此對耐藥金黃色葡萄球菌有抑制或殺滅作用。這類青霉素在臨床上應用的有甲氧苯青霉素。乙氧萘青霉素、苯唑青霉素，鄰氯苯唑青霉素，雙氯苯唑青霉素等。,3、廣譜青霉素這類青霉素的抗菌活性特點為：對革氏陽性菌和一部分革氏陰性菌都有活性。對鏈球菌、肺炎球菌、大腸桿菌，痢疾桿菌等有效。主要有氨芐青霉素及其有關的化合物，如吡呋氨芐青霉素、縮酮氨芐青霉素、羥氨芐青霉素等。氨芐青霉素是第一個用于臨床的廣譜半合成青霉素。抗菌范圍大致與四環(huán)類抗生素和氯霉素相似，但毒性和副作用較兩者為低。由于氨芐青霉素抗菌譜廣，毒性低，在膽汁中的濃度高，故廣泛用于泌尿呼吸系統(tǒng)、膽道、腸道（傷寒、痢疾）等感染癥的治療。氨芐青霉素是目前半合成青霉素中產量最大的品種。,4、抗綠膿桿菌青霉素這類青霉素抗菌譜更廣，對各種變形桿菌及綠膿桿菌也有較好的抑制作用，主要有羧芐青霉素及其一些衍生物和類似體。如羧芐青霉素茚滿酯、羧芐青霉素苯酯、磺芐青霉素、羧噻吩青霉素等。羧芐青霉素對綠膿桿菌和變形桿菌的抗菌作用比氨芐青霉素強，對耐藥金葡菌無效，口服不吸收，僅用于肌注或靜注?；瘜W性質也不穩(wěn)定，容易脫羧變成芐青霉素。為了增加其穩(wěn)定性及改善體內吸收情況，研制了一些酯化衍生物，其中羧芐青霉素茚滿酯及苯酯已用于臨床。這些酯類在體內迅速水解成原來的羧芐青霉素，口服吸收良好，血尿濃度較高，多用于治療尿路感染。,半合成頭孢菌素,頭孢菌素也是一類具有-內酰胺結構的抗生素，最早發(fā)現(xiàn)的天然頭孢菌素是頭孢菌素C，由于其毒性低，又有抗青霉素耐藥金黃色葡萄球菌的作用，故格外受到重視。對頭孢菌素C的進一步研究，發(fā)現(xiàn)它的抗菌活力很低，僅為芐青霉素的l200。在青霉素結構改造的啟示下，也開展了對頭孢菌素結構改造的研究。7-氨基頭孢霉烷酸（簡稱7-ACA）是頭孢菌素母核。,1,2,3,4,5,6,7,8,對頭孢菌素的結構改造，除改變7位?；鶄孺溚?，由于3位的乙酰氧甲基在體內易被酶水解成3-羥甲基衍生物，使活性大大降低，因而也研究了對3位的改造。因此，目前大多數(shù)半合成頭孢菌素均為母核7-ACA中的7位氨基及3位乙酰氧甲基進行化學改造制得的衍生物。許多實驗表明，改變7位酰氨基會影響頭孢菌素的抗菌譜，而改變3位取代基，則將使其抗菌活性、藥理性能以及抗菌譜的擴大等方面趨于更加完善。,幾類重要的半合成頭孢菌素半合成頭孢菌素我國稱先鋒霉素，是一些在7-ACA的7位氨基及3位的乙酰氧甲基進行化學改造制得的衍生物，它們的特點是：(1)抗菌譜較廣，對厭氣菌有高效(2)對酸及對各種細菌產生的-內酰胺酶比很多半合成青霉素穩(wěn)定(3)引起的過敏反應一般比青霉素類低（約為青霉素G的14）(4)對細菌的作用機制和青霉素類相同，也是抑制細菌細胞壁的合成，故毒性也很低,第一代頭孢菌素14種，注射劑7種，口服劑7種；第二代頭孢菌素10種，注射劑6種，口服劑4種；第三代頭孢菌素22種，注射劑14種，口服劑8種；第四代頭孢菌素,半合成氨基糖苷類抗生素,鏈霉素、卡那霉素、慶大霉素等氨基糖苷類抗生素一般對革氏陰性菌有較好的抗菌活性，但是它們的毒牲及副作用也較大，耐藥菌也日益增多。氨基糖苷類抗生素的結構改造，以卡那霉素的改造研究得最多，取得了較好的成果。,卡那霉素是1957年發(fā)現(xiàn)的一種廣譜氨基糖苷類抗生素，有A、B、C三種組分，其中A為主要組分，而B組分的活性最高?？敲顾貙δ退幗瘘S色葡萄球菌、革蘭氏陰性菌及結核分枝桿菌有效，且毒性較低，因此，應用范圍也較廣，一般用來治療革氏陰性菌感染。,卡那霉素化學結構式,R1R2卡那霉素A-NH2-OH卡那霉素B-NH2-NH2卡那霉素C-OH-NH2,值得注意的是和前面討論的-內酰胺類抗生素的結構改造不同，對卡那霉素的結構改造是在研究細菌對卡那霉素耐藥機制的基礎上進行的。對它們的結構改造，往往都從細菌耐藥機制為依據(jù)，有的放矢地進行。因此，雖然半合成的化合物為數(shù)不多，但有效的新衍生物卻不少。,1965年發(fā)現(xiàn)各種耐藥菌對卡那霉素及其他氨基糖苷類抗生素的失活反應，主要是由三種不同類型的酶所引起：(1)氨基糖苷乙酰轉移酶(2)氨基糖苷磷酸轉移酶(3)氨基糖苷腺苷轉移酶。這些酶能純化幾種結構相近的抗生素，它們統(tǒng)稱為氨基糖苷轉移酶。,氨基糖苷乙酰轉移酶,氨基糖苷腺苷轉移酶,氨基糖苷磷酸轉移酶,3,5,2,氨基糖苷轉移酶對卡那霉素的作用部位,這些酶隨細菌的種類而異，其中和耐藥性關系最大的是氨基糖苷磷酸轉移酶。根據(jù)鈍化酶的作用原理，最先考慮的是保護或除去容易被酶攻擊的部位，可能會提高卡那霉素的活性，擴大抗菌譜，因此為了防止卡那霉素3位上的羥基被磷酸化而失活，合成了3-去氧卡那霉素A，結果3-去氧卡那霉素A具有卡那霉素同樣的活性，并可抑制耐藥菌及綠膿桿菌。根據(jù)同樣設想又合成了34-雙去氧卡那霉素B，它的抗菌活性與卡那霉素B相比，對耐藥大腸桿菌提高了1632倍，對綠膿桿菌的活性提高了832倍。,卡那霉素結構改造的另一途徑借助于丁酰苷菌素化學結構的啟發(fā)。丁酰苷菌素是1971年發(fā)現(xiàn)的一種氨基糖苷類抗生素，有A、B兩種成分，其中丁酰苷菌素B的活性較高，它的化學結構和核糖霉素很相似，僅在2-脫氧鏈霉胺部分多一個4-氨基-2-羥基丁酸（簡稱AHB）的側鏈。丁酰苷菌素B的抗菌作用不僅具有廣譜性和對綠膿桿菌有效，而且對核糖霉素耐藥菌也有很高的活性，由此可見，丁酰苷菌素的側鏈AHB基團的存在和抗綠膿桿菌及對一些耐藥菌的作用有密切的關系。,-CO-CHOH-CH2-CH2NH2,將AHB側鏈連接到卡那霉素，制得丁胺卡那霉素。,丁胺卡那霉素化學結構圖,丁胺卡那霉素抗菌活性比卡那霉素A強，不僅對綠膿桿菌有高效，并對大多數(shù)氨基糖苷轉移酶有很好的穩(wěn)定性。故對卡那霉素、慶大霉素等耐藥菌都有效，是一個較好的半合成卡那霉素。,四、抗生素的作用機制,上世紀五十年代以來，隨著分子生物學的迅速發(fā)展，抗生素作用機制的研究已深入到分子水平，一些重要抗生素的作用機制基本得到闡明。,根據(jù)抗生素對細胞的不同結構或不同成分的作用，可將抗生素的作用機制分為：1、影響細胞壁的合成2、影響細胞膜的功能3、抑制核酸的生物合成4、抑制蛋白質的生物合成,（一）影響細胞壁生成的抗生素,1、肽聚糖前體的合成,葡萄糖,葡萄糖-6-磷酸,果糖-6-磷酸,葡萄糖胺-6-磷酸,N-乙酰葡萄糖胺-6-磷酸,ATP,ADP,谷氨酸,谷氨酰胺,ATP,ADP+Pi,NH3,乙酰CoA,CoA,N-乙酰葡萄糖胺-6-磷酸,N-乙酰葡萄糖胺-1-磷酸,UDP-N-乙酰葡萄糖胺（UDP-NAG）,UDP-N-乙酰葡萄糖胺+磷酸烯醇式丙酮酸,UDP-N-乙酰胞壁酸,UDP-N-乙酰葡萄糖胺-磷酸烯醇丙酮酸,UTP,PPi,丙酮酸-UDP-N-乙酰葡萄糖胺移位酶,還原酶,磷霉素,磷酸烯醇式丙酮酸,UDP-N-乙酰胞壁酸,依次連接L-丙氨酸D-谷氨酸L-賴氨酸2D-丙氨酸,UDP-N-乙酰胞壁酸-五肽（UDP-NAMA-五肽）,D-環(huán)絲氨酸,D-丙氨酸,2、線性肽聚糖鏈的形成,轉移至細胞生長點，肽聚糖延長一個二糖單位，釋放出P-P-C55-脂,UMP,UDP-NAG,UDP-NAMA-五肽+P-C55-脂（聚異戊烯醇磷酸脂）,NAMA-五肽-P-P-C55-脂,NAG-NAMA-五肽-P-P-C55-脂,UDP,桿菌肽可與P-P-C55-脂結合，使P-P-C55-脂不能脫磷酸再生為P-C55-脂。,+,2D-Ala,+,轉肽酶,3、肽聚糖的交鏈,青霉素的作用是抑制轉肽反應轉肽酶與一條肽聚糖鏈上五肽的第四個氨基酸即D-丙氨酸結合，同時使第五個氨基酸（亦為D-丙氨酸）從肽鏈上脫離，然后與另一條肽聚糖鏈上的肽鏈末端甘氨酸連接，釋出轉肽酶。青霉素和頭孢菌素競爭性地與轉肽酶結合，使酶不能與肽聚糖鏈上的D-丙氨酸結合，因而使肽聚糖鏈之間的交聯(lián)停止。,青霉素,D-丙氨酰-D-丙氨酸,（二）影響細胞膜功能的抗生素,有些抗生素以影響細菌細胞膜的功能而產生抗菌作用，如屬于多肽類抗生素的多粘菌素B及E、短桿菌素S等，屬于多烯類抗生素的兩性霉素B、制霉菌素等影響真菌細胞膜的功能。,多粘菌素可與細菌細胞膜緊密而持久地結合，引起細胞膜損壞，功能改變。這種結合是與多粘菌素分子結構有關，多粘菌素中的脂肪酸側鏈穿過細胞膜極性區(qū)進入脂質的非極性區(qū)，多粘菌素分子中的多肽環(huán)不進入脂質內。,這種結合造成細菌細胞膜結構和功能的改變，從而破壞了細菌細胞的正常代謝。,影響真菌細胞膜功能的抗生素主要為多烯族抗生素，如兩性霉素B、制霉菌素，前者為七烯類抗生素，后者為四烯類抗生素。這些抗生素均有抗真菌作用，多烯族抗生素可以與細胞膜的固醇類成分結合，改變細胞膜功能。真菌和哺乳動物細胞膜中均含有固醇，而細菌細胞膜中則不含固醇，多烯族抗生素與真菌細胞膜的固醇結合，引起細胞膜透性改變，使細胞內容物漏出，導致病菌死亡，而對細菌無抗菌作用。,*兩性霉素B（多烯大環(huán)內酯類抗生素）O膽固醇,（三）抑制核酸生物合成的抗生素,影響DNA模板功能的抗生素DNA的復制和轉錄均以DNA為模板，許多抗生索可以影響DNA的模板功能而產生抗菌或抗癌作用，這些抗生素有的是直接與DNA形成復合物，有的是破壞DNA的結構。,絲裂霉素C絲裂霉素C是一種抗腫瘤抗生素，也有抗菌作用，臨床上用于治療白血病、肉瘤等。絲裂霉素C在不抑制RNA和蛋白質生物合成的濃度即可抑制DNA的合成，故認為此抗生素是DNA合成的一種選擇性抑制劑。絲裂霉素C本身并無活性，進入細胞內還原成為有活性的衍生物，這種有活性的衍生物具有與烷化劑相似的作用，可使DNA分子中的鳥嘌呤或胞嘧啶發(fā)生烷化。此外，絲裂霉素C還可引起DNA解聚，這可能是由于此種抗生素增強DNA降解酶活性所致。,博來霉素博來霉素中有16種組分，其中以博來霉素A2、B2為主要組分。博來霉素有抗菌和抗癌作用，對人類鱗狀細胞癌和何杰金氏病有效。博來霉素對DNA的作用主要是引起DNA單鏈斷裂，亦即可使DNA一條鏈上的脫氧核糖和磷酸連接部分斷裂，形成缺口，但對rRNA和tRNA則無此種作用，故對DNA的作用是特異的。此外，博來霉素還抑制DNA連接酶和DNA聚合酶的活性，干擾DNA的復制。,柔紅霉素柔紅霉素是一種具有抗腫瘤作用和一定的抗菌作用的抗生素，臨床用于治療各種類型的急性白血病。柔紅霉素的作用機理是：與DNA結合而抑制DNA和RNA的合成，同時尚可抑制DNA指導的RNA聚合酶的活性。柔紅霉素以其分子嵌入DNA雙螺旋的堿基對之間，象一個堿基對一樣，在DNA分子中占據(jù)相同的空間，因而使嵌入部位的雙螺旋發(fā)生彎曲，DNA立體化學構型改變，造成立體障礙，破壞DNA的模板功能，抑制DNA的復制和轉錄。,抑制RNA合成的抗生素有些抗生素可直接作用于RNA聚合酶，抑制RNA合成。利福霉素為一組抗生素，其中利福霉素B比較穩(wěn)定。利福平是利福霉素B的半合成衍生物。這些抗生素對革蘭氏陽性菌和陰性菌均有較強的抗菌作用，臨床主要用于治療結核病，也可治療其它細菌感染性疾病。利福霉素和利福平對原核細胞RNA合成有選擇性抑制作用，低濃度即可抑制細菌RNA聚合酶，但高濃度對DNA聚合酶幾乎無作用，而且抑制真核細胞RNA聚合酶的濃度比抑制原核細胞此種酶的濃度大10010000倍，故對動物RNA合成影響較小。,利福霉素和利福平特異地抑制RNA合成的起始步驟，這些抗生素與RNA聚合酶的亞單位結合，形成穩(wěn)定復合物，使三磷酸嘌呤核苷不能結合于DNA上，從而抑制RNA合成過程中第一個磷酸二酯鍵的形成。但是，它們并不影響RNA聚合酶與DNA模板的結合和RNA鏈的延長，故對RNA合成起始的抑制作用有高度選擇性。,（四）抑制蛋白質合成的抗生素,許多抗生素均可作用于核糖體，以抑制蛋白質的合成，它們作用于蛋白質合成的不同階段。