第八章 抗生素2002（课堂PPT）

1,第八章抗生素(Antibiotics),2,抗生素的定义：抗生素是某些微生物的代谢产物或合成的类似物，在小剂量的情况下能抑制微生物的生长和存活，而对宿主不会产生严重的毒性。,简介,3,在临床应用上，大多数抗生素是抑制病原菌的生长，用于治疗大多数细菌感染性疾病。除了抗感染的作用外，某些抗生素，还具有抗肿瘤活性，用于肿瘤的化学治疗；有些抗生素还具有免疫抑制和刺激植物生长作用。所以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。,抗生素的应用,4,抗生素的来源,生物合成（发酵）化学全合成半合成方法（半合成抗生素）,5,抗生素的分类,按结构分类:-内酰胺抗生素四环素类抗生素氨基糖甙类抗生素大环内酯类抗生素,6,按结构分类的优点：,1、对抗生素的化学特性，理化性质，稳定性有所了解2、进行结构修饰寻找新的半合成抗生素3、扩大临床应用,7,1、对抗生素的化学特性，理化性质，稳定性有所了解2、进行结构修饰寻找新的半合成抗生素3、扩大临床应用,8,第一节-内酰胺抗生素,9,-内酰胺抗生素的结构特征,-内酰胺抗生素是指分子中含有由四个原子环组成的-内酰胺环的抗生素。,10,-内酰胺抗生素的作用机制,-内酰胺环是该类抗生素发挥生物活性的必需基团，在和细菌作用时，-内酰胺环开环与细菌发生酰化作用，抑制细菌的生长。而同时由于-内酰胺是由四个原子组成，其分子张力比较大，使其化学性质不稳定易发生开环导致失活。,11,-内酰胺抗生素的分类,1、青霉素类（Penicillins）2、头孢菌素类（Cephalosporins）3、非经典的b-内酰胺抗生素类,12,青霉素类的发现与生产,青霉素类是霉菌属所产生的一类抗生素的总称，天然存在的抗生素共有7种，其中以青霉素G与青霉素V的效用最好，后者并能耐酸。本品用微生物合成制取。发酵时加入少量苯乙酸或苯乙酞胺作前体，可提高产量。,13,天然存在的青霉素,14,青霉素类的结构特征,由-内酰胺环、四氢噻唑环及酰基侧链构成,15,青霉素钠的结构与命名,6-苯乙酰胺基青霉烷酸又称苄青霉素、青霉素G。,16,结构特点,母核由-内酰胺环和五元的氢化噻唑环骈合而成二个环的张力都比较大,17,结构特点,易受亲核或亲电试剂进攻，使-内酰胺环破裂环中羰基和氮的孤对电子不能共轭来自细菌则产生药效来自其它情况则导致失效,18,发现,第一个用于临床的抗生素由青霉菌的培养液中分离而得,19,20,细心与协作精神的胜利青霉素的发现始于一个现象的意外观察，而我唯一的功劳仅是没有忽视观察。A.Fleming,21,细心与协作精神的胜利细心与协作精神的胜利化学家和经过生物学训练或具有生物学知识的行家之间的合作是非常关键之处，这也是在此之前对大批已知抑制剂的研究成果甚少的原因之所在。Florey,22,性状,有机酸（pKa2.652.70）不溶于水，可溶于有机溶媒（醋酸丁酯）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,23,稳定性,1强酸性2弱酸性3碱性或酶4胺和醇,24,强酸性,25,弱酸性,26,碱性条件或酶,27,胺和醇,胺和醇向-内酰胺环进攻生成青霉酰胺和青霉酸酯,28,注射给药,不能经口服给药胃酸导致-内酰胺环开环和侧链水解失去活性只能注射给药,29,作用机制,抑制细菌细胞壁的合成,30,细菌细胞壁,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,31,细菌细胞壁成分,主要成分粘肽网状结构的含糖多肽由N-乙酰胞壁酸，N-乙酰葡萄糖胺和多肽线型高聚物经交联而成,32,-内酰胺抗生素的作用机制,细菌细胞壁的结构,33,细菌细胞壁的合成,细菌细胞壁的合成,34,-内酰胺类抗生素的作用部位,抑制粘肽转肽酶不能进行转肽反应阻碍细胞壁的形成导致细菌死亡,35,青霉素和粘肽的末端结构类似取代粘肽的D-Ala-D-Ala，竞争性地和酶活性中心以共价键结合构成不可逆的抑制作用,36,-内酰胺抗生素的作用部位与选择性,-内酰胺类抗生素作用于细菌细胞壁，而哺乳动物无细胞壁，因而-内酰胺类抗生素对哺乳动物没有影响，其作用具有选择性。此外，G+比G-的细胞壁粘肽含量高，因此对G+的活性比较高，抗菌谱较窄,37,青霉素的吸收和排出与延长作用时间的方法,注射给药后，迅速吸收，同时很快以游离酸的形式经肾排出。为了延长其作用时间，可将青霉素和丙磺舒合用，也可将其和分子量较大的胺制成难溶性盐，也可将其羧基酯化。,38,青霉素的临床应用,主要用于革兰氏阳性菌，如链球菌、葡萄球菌、肺炎球菌等引起的全身或严重的局部感染。,39,青霉素的过敏反应,-内酰胺抗生素在临床使用时，对某些病人中易引起过敏反应，严重时会导致死亡。-内酰胺抗生素的过敏原有外源性和内源性，外源性过敏原主要来自-内酰胺抗生素在生物合成时带入的残留量的蛋白多肽类杂质；内源性过敏原可能来自于生产，贮存和使用过程中-内酰胺环开环自身聚合，生成的高分子聚合物。,40,青霉素的过敏源,Benzylpenicillin中过敏原的主要抗原决定簇是青霉噻唑基，由于不同侧链的Penicillins都能形成相同结构的抗原决定簇青霉噻唑基，因此Penicillins类抗生素之间能发生强烈的交叉过敏反应。,41,半合成青霉素,为了克服青霉素G的不稳定性、抗菌谱窄、过敏反应和耐药性等缺点，开展了半合成青霉素的研究。青霉素的结构改造是半合成的起点。青霉素酰胺侧链很重要，它可增加对酶或酸的稳定性，或扩大抗菌谱，降低与蛋白的结合率，游离酸基的酯化可改变吸收和溶解性质。,42,半合成青霉素的分类,耐酸的半合成青霉素耐青霉素酶的半合成青霉素广谱的半合成青霉素(G+,G-),43,耐酸的半合成青霉素,根据青霉素V侧链酰胺碳具有吸电子基能耐酸的启示，合成了它的一些同系物。例如，喷沙西林、丙匹西林和叠氮西林都能耐酸，不易被胃液破坏，适于口服上述耐酸青霉素的酰胺侧链的碳都具有吸电子基，由于吸电子基的诱导效应，阻碍了电子转移，不能生成青霉二酸，故对酸稳定,44,耐青霉素酶的半合成青霉素,苯唑西林钠(OxacillinSodium),45,耐酶半合成青霉素的设计原理,人们发现侧链含三苯甲基时，对青霉素酶稳定。人们设想可能是由于三苯甲基有较大的空间位阻，阻止了化合物与酶活性中心的结合。又由于空间阻碍限制酰胺侧链R与羧基间的单键旋转，从而降低了Penicillin分子与酶活性中心作用的适应性，加之R基比较靠近-内酰胺环，也可能有保护作用。,46,苯唑西林钠的研究,Oxacillin是利用生物电子等排原理发现的。以异噁唑取代Meticillin的苯环，同时在C-3和C-5分别以苯基和甲基取代，其中苯基兼有吸电子和空间位阻的作用。因此侧链含有苯甲异噁唑环的Penicillin的发现，认为是耐酶青霉素的一大进展，这类化合物不仅能耐酶，还能耐酸，抗菌作用也比较强。,47,甲氧西林和苯唑西林结构比较,48,Oxacillin在弱酸条件，微量铜离子的催化下，发生分子重排，生成苯唑青霉烯酸。在339nm波长处有最大吸收峰。,49,广谱的半合成青霉素,側链为对羟基苯甘氨酸，有一个手性碳原子，临床用其右旋体，其构型为R-构型,阿莫西林(Amoxicillin),50,青霉素V(PenicillinV),51,Penicillins的构效关系,52,Penicillins的构效关系,53,Penicillins的构效关系,54,Penicillins的构效关系,55,Penicillins的构效关系,56,半合成青霉素的合成原料-6APA,1959年从青霉素发酵液中分离得到6-氨基青霉烷酸(6-APA)，它是青霉素抗生素的基本结构。6-APA本身抑菌力效力低，无实用价值，但作为半合成青霉素的原料，却具有重要的意义。例如把各种类型的侧链酸与6-APA缩合，便可得到各种半合成青霉素，为寻找新的青霉素开拓了广阔的途径。,57,6-APA现用化学法成固定化酶法裂解青霉素G制取，远较发酵法有实用价值。将青霉素酰化酶通过化学键进行固定化后，再用来裂解青霉素制备6-APA的方法，可用于批量进行大规模生产。,6-APA的合成,58,半合成青霉素的合成,得到6-APA后，再与相应的侧链酸进行缩合，即可制得各种半合成青霉素。其缩合方法通常有下述三种：(1)酰氯法将各种侧链酸变为酰氯，在低温、中性或近于中性(pH6.5-7.0)的条件下进行。(2)酸酐法将各种侧链酸变为酰酸酐或混合酸酐。(3)DCC法将侧链羧酸直接与6-APA在有机溶剂中缩合，以DCC为缩合剂。,59,临床上半合成青霉素衍生物钠盐的制备,60,头孢菌素及半合成头孢菌素,61,头孢菌素C(CephalosporinC),62,CephalosporinC的结构特点,Cephalosporins的母核是四元的-内酰胺环与六元的氢化噻嗪环骈合而成。四元环骈六元环”的稠合体系受到的环张力比青霉素母核的“四元环骈五元环”体系的环张力小。结构中C-2-C-3的双键可与N-1的未共用电子对共轭，比Penicillins更稳定。,63,C-位乙酰氧基和C-2-C-3双键以及-内酰胺环形成一个较大的共轭体系，当受到亲核试剂对-内酰胺羰基的进攻时，C-3位乙酰氧基是一个较好的离去基团带着负电荷离去，导致-内酰胺环开环，Cephalosporins失活。CephalosporinC-3位的乙酰氧基进入体内后，易被体内的酶水解，而代谢失活。,CephalosporinC的结构特征分析,64,65,66,头孢菌素类结构改造位置与结果,67,半合成Cephalosporins衍生物分类,第一代对革兰氏阴性菌的-内酰胺酶的抵抗力较弱，较易产生耐药性。第二代对革兰氏阳性菌的抗菌效能与第一代相近或较低，而对革兰氏阴性菌的作用较为优异。主要特点为：抗酶性能强，抗菌谱广。第三代对革兰氏阳性菌的抗菌效能普遍低于第一代(个别品种相近)，对革兰氏阴性菌的作用较第二代更为优越。第四代的3位含有带正电荷的季铵基团，增加了药物对细胞膜的穿透力，具有较强的抗菌活性。,68,头孢氨苄(Cefalexin),69,头孢噻肟钠(CefotaximeSodium),70,在光照的情况下，顺式异构体会向反式异构体转化,71,Cephalosporins的构效关系,72,Cephalosporins的构效关系,73,Cephalosporins的构效关系,74,半合成头孢菌素的方法,CephalosporinC也可以通过裂解方法得到7-氨基头孢烷酸(7-ACA)，其裂解方法有二种，化学裂解法和酶水解法。化学方法比较复杂，收率低；酶法难度比较大，尽管其原理和PenicillinG裂解原理相似，但由于CephalosporinC的侧链结构的特点，使其不易被酶所水解。,75,半合成头孢菌素的方法,Cefalexin的母核为去乙酰氧基头孢霉烷酸(7-ADCA)，可由CephalosporinC或7-ACA来制备通常比较困难，工业生产上则利用来源较为广泛的Penicillin为原料，通过扩环的方式来制备。,76,77,78,79,头霉素C(CephamycinC),对革兰氏阴性菌的作用较强，但对革兰氏阳性菌的活性较差。对-内酰胺酶稳定,80,氧头孢烯类,Cephalosporins母核的硫原子被氧原子或次甲基取代后，其活性不会显著降低，其中氧原子取代的Cephalosporins为氧头孢烯类，是非天然的-内酰胺抗生素,81,三、非经典的-内酰胺抗生素及-内酰胺酶抑制剂,82,非经典的-内酰胺抗生素,碳青霉烯、青霉烯、氧青霉烷和单环-内酰胺抗生素通常称为非经典的-内酰胺抗生素。-内酰胺酶抑制剂也属于非经典-内酰胺抗生素。,83,-内酰胺酶抑制剂,-内酰胺酶是细菌产生的保护性酶，使某些-内酰胺抗生素在未到达细菌作用部位之前将其水解失活，这是细菌产生耐药性的主要机理。-内酰胺酶抑制剂是针对细菌对-内酰胺抗生素产生耐药机理而研究发现的一类药物。它们对-内酰胺酶有很强的抑制作用，本身又具有抗菌活性。,84,1.氧青霉烷类,克拉维酸(ClavulanicAcid)从链霉菌(StreptomycesClavuligerus)得到的非经典的-内酰胺抗生素，也是第一个用于临床的-内酰胺酶抑制剂。,85,2.青霉烷砜类,舒巴坦(Sulbactam)为不可逆竞争性-内酰胺酶抑制剂。Sulbactam和-内酰胺酶发生不可逆的反应使酶失活，当抑制剂去除后，酶的活性也不能恢复。其作用比较显著。Sulbactam对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌都有作用，当与Ampicillin合用时，能显著提高抗菌作用。,86,舒它西林(Sultamicillin),Sulbactam口服吸收很少，通常将其与Ampicillin以1:2的形式混合，形成易溶于水的粉末供注射使用。但这种混合物不太稳定，极易破坏失效。为了改变其口服吸收能力，将Ampicillin与Sulbactam以1:1的形式以次甲基相连形成双脂结构的前体药物，称为舒它西林(Sultamicillin)。,87,3.碳青霉烯类,沙纳霉素(Thienamycin)是七十年代中期Merck公司的研究人员在筛选能作用于细胞壁生物合成的抑制剂的过程中，从链霉菌Streptomycescattleya发酵液中分离得到的第一个碳青霉烯化合物。,88,亚胺培南(Imipenem),Imipenem比Thienamycin稳定，抗菌活性和抑酶作用均比Thienamycin强，尤其对脆弱杆菌、绿脓杆菌有高效。Imipenem单独使用时，在肾脏受肾肽酶