第2章-抗生素的作用机制(2012).ppt

1、生命科学技术学院 发酵工程教研室 关海燕 ,抗生素生产工艺,抗生素的作用机制 Mechanism of antibiotic,2020/8/6,1,2020/8/6,2,1928年 葡萄球菌 青霉菌 青霉素,学习目标,掌握抗生素的抗菌作用机制，病原菌的耐药机理及如何改变机体对抗生素的耐受性；,熟悉抗生素的抗菌谱，致使病原菌产生耐药性的途径；,了解临床常见耐药性病原菌。,主要内容,定义,重点,2020/8/6,4,4,细菌抗药性的控制,抗生素（antibiotics）是生物，包括微生物、植物和动物，在其生命活动过程中所产生，并在低浓度下能有选择性地抑制或杀灭其他微生物或肿瘤细胞的有机物质。,一、

2、定义,抗生素的生产目前主要用微生物发酵法进行生物合成法。很少数抗生素如氯霉素、磷霉素等亦可用化学合成法生产。此外还可将生物合成法制得的抗生素用化学或生化方法进行分子结构改造而制成各种衍生物，称半合成抗生素，如氨苄青霉素就是半合成青霉素的一种。,2020/8/6,5,1、-内酰胺类抗生素 ( -lactams antibiotic) 2、氨基糖苷类抗生素（Aminoglycoside antibiotics） 3、大环内酯类抗生素(Macrolide antibiotics) 4、四环类抗生素(tetracycline antibiotics) 5、多肽类抗生素 6、多烯类抗生素 7、蒽环类抗生

3、素 8、苯羟基胺类抗生素 9、环桥类抗生素 10、其他抗生素,按照化学结构分类,2020/8/6,6,抑制细胞壁的形成，导致细菌细胞破裂死亡; 哺乳动物的细胞没有细胞壁，不受这些药物的影响; 如青霉素类和头孢菌素类。,2020/8/6,7,原核细胞结构,真核细胞结构,2020/8/6,8,由于不同微生物之间的细胞化学结构和代谢的差异，不同的 抗生素的抗菌谱各异。,2020/8/6,9,抑制细胞壁的合成,影响胞浆膜的通透性,抑制DNA合成,抑制蛋白质合成,抑制RNA合成,影响叶酸代谢,抗生素的作用机制,抗生素在分子水平上干扰微生物细胞任一基本代谢的某一种机制,细菌细胞壁合成 细胞膜通透性 蛋白质

4、合成 核酸合成 能量代谢,主要作用于微生物的某一代谢环节,常用抗生素的作用靶位,2020/8/6,11,（一）抑制细胞壁的合成 （二）影响细胞膜的功能 （三）干扰蛋白质的合成 （四）抑制核酸的合成 （五）干扰细胞的能量代谢和电子传递体系,重点,为临床用药提供科学依据。 阐明抗生素作用机制，设计新的 筛选模型，研制新抗生素。,二、抗生素的作用机制,2020/8/6,12,13,(一)抑制细胞壁的合成,细胞壁的功能 2. 细菌细胞壁的组成 3. 肽聚糖的合成 4. 不同抗生素的作用原理,细胞工程,微生物学,（温习）,2020/8/6,保持细胞形态，维持细胞质高渗透压； 保护细菌（革兰氏阳性菌的细胞

5、壁能耐受20kg/cm2的压力）； 介导细胞间相互作用（侵入宿主）； 防止大分子入侵； 协助细胞运动和分裂； 物质交换作用。,1. 细胞壁的功能,2020/8/6,14,2. 细菌细胞壁组成 肽聚糖、菌壁酸或菌壁醛酸、脂多糖、脂蛋白、蛋白质、多糖等。主要成分是肽聚糖，由N-乙酰葡糖胺和N-乙酰胞壁酸构成双糖单元，以-1,4糖苷键连接成大分子。,2020/8/6,15,合成过程：依发生部位分成三个阶段： 细胞质阶段：合成派克（Park）核苷酸 细胞膜阶段：合成肽聚糖单体 细胞膜外阶段：交联作用形成肽聚糖,结构,3.肽聚糖的合成,2020/8/6,16,2020/8/6,17,第一阶段：合成派克核

6、苷酸,类脂载体：细菌萜醇,Park核苷酸掺入细胞膜,接上N-乙酰葡糖胺和甘氨酸五肽“桥”,肽聚糖单体,第二阶段：肽聚糖单体的合成,2020/8/6,18,第三阶段：交联作用,2020/8/6,19,2020/8/6,20,4.抑制细菌细胞壁肽聚糖合成的抗生素,环丝氨酸抑制UDP-NAM五肽的合成,2020/8/6,21,万古霉素、杆菌肽,2020/8/6,22,通过与末端为D-Ala-D-Ala的多肽形成化学复合物，阻断二糖五肽与胞壁受体结合。,D-Ala-D-Ala,-内酰胺类抗生素阻止肽聚糖链的交叉连接，细胞不能形成坚韧的细胞壁，在不利的渗透压环境中极易破裂而死亡。,2020/8/6,23

7、,青霉素-内酰胺环结构与D-丙氨酸末端结构相似，从而能占据D-丙氨酸的位置与转肽酶结合，并将酶灭活，肽链之间无法彼此连接，抑制了细胞壁的合成。,2020/8/6,24,（一）抑制细菌细胞壁的合成 （二）影响细胞膜的功能 （三）干扰蛋白质合成 （四）抑制核酸的合成 （五）干扰细胞的能量代谢和电子传递体系,重点,2020/8/6,25,抗生素的作用机制,26,(二)影响细胞膜的功能,细胞膜 2. 细胞膜的功能 3. 不同抗生素的作用原理,细胞工程（温习）,2020/8/6,1.细胞膜,由类脂质和蛋白质分子构成的半透膜，不单是细胞的物理屏障，也是在细胞生命活动中有复杂功能的重要结构。,2020/8/

8、6,27,2.细胞膜功能,选择性地控制细胞内、外的营养物质和代谢产物的运送； 是维持细胞内正常渗透压的屏障； 膜上含有氧化磷酸化或光合磷酸化等能量代谢的酶系，是细胞的产能场所； 鞭毛着生点和提供其运动所需的能量等。,2020/8/6,28,3.不同抗生素的作用原理（1）多粘菌素属多肽类抗生素,分子内含有碱性亲水基团与亲脂性脂肪酸链,2020/8/6,29,注：革兰氏阴性菌细胞壁和细胞膜中脂质含量多，故多粘菌素类抗生素对革兰氏阴性菌作用强。,(2)两性霉素B,抗真菌药物，用于深部真菌感染。 新型隐球菌、白色念珠菌和酵母菌敏感。 和真菌细胞膜上麦角固醇结合改变膜的通透性，胞内成份外泄，抑制真菌的生

9、长。 细菌细胞膜不含固醇，故无作用。,2020/8/6,30,（一）抑制细菌细胞壁的合成 （二）影响细胞膜的功能 （三）干扰蛋白质的合成 （四）抑制核酸的合成 （五）干扰细胞的能量代谢和电子传递体系,重点,2020/8/6,31,抗生素的作用机制,1.细菌蛋白质的合成,通过核糖体及某些细胞质蛋白的催化达到。 核糖体的功能：将载有遗传信息的mRNA翻译成蛋白质。 核糖体70S由50S：5S、23S、30S 30S：16SrRNA、20S,哺乳动物核糖体80S：60S40S 此类药物具有高度的选择性,2020/8/6,32,2.代表药物（1）四环类抗生素,与核糖核蛋白体30S亚基的16S rRNA

10、形成可逆复合物。 阻断蛋白质合成的肽链的延长。,2020/8/6,33,四环类抗生素,吸收后广泛分布于各组织中，并能沉积于骨及牙组织内。,2020/8/6,34,（2）大环内酯类抗生素,与核糖核蛋白体的50S亚单位相结合，抑制肽酰基转移酶，影响核糖核蛋白体的移位过程，妨碍肽链增长，抑制细菌蛋白质的合成，系抑菌剂。 抗菌谱和青霉素相似，对青霉素产生耐药性的菌株，对本品敏感。,2020/8/6,35,（一）抑制细菌细胞壁的合成 （二）影响细胞膜的功能 （三）干扰蛋白质合成 （四）抑制核酸的合成 （五）干扰细胞的能量代谢和电子传递体系,重点,2020/8/6,36,抗生素的作用机制,阻碍核酸的合成，

11、主要通过抑制DNA或RNA的合成，抑制微生物的生长。 抗肿瘤抗生素的作用大多抑制DNA、RNA合成。,(1)博莱霉素 抑制DNA连接酶和 DNA聚合酶，干扰 DNA复制。 既能在单链又能在双链DNA上产生多个断点，并释放出单个核苷酸。,2020/8/6,38,代表药物,(2)利福霉素 直接作用于RNA聚合酶，特异性抑制RNA合成的起始步骤，对DNA聚合酶无影响。,2020/8/6,39,(3)阿霉素 可抑制RNA和DNA的合成，对RNA的抑制作用最强，抗瘤谱较广。,其生物学效应复杂多样，可致DNA断裂、抑制 DNA复制、染色体交换率增高、染色体畸变等。,（一）抑制细菌细胞壁的合成 （二）影响细

12、胞膜的功能 （三）干扰蛋白质合成 （四）抑制核酸的合成 （五）干扰细胞的能量代谢和电子传递体系,重点,2020/8/6,40,抗生素的作用机制,电子传递链的抑制剂,NADH,FMN,CoQ,Fe-S,Cyt c1,O2,Cyt b,Cyt c,Cyt aa3,Fe-S,FMN,Fe-S,琥珀酸,复合物 II,复合物 IV,复合物 I,复合物 III,抗霉素 A的抑制部位,NAD FP Q b c aa3,NAD FP Q b c aa3,呼吸链的比拟图解,2020/8/6,41,这类抗生素大多毒性较强，限制了临床上的广泛使用。,2020/8/6,42,抗霉素A 抑制细胞色素b和细胞色素c1间的

13、电子传递。 阻抑电子传递体系放出的自由能形成的高能中间体向ATP生成的过程。 抗霉素主要用于农药,不能人用。,1-抑制细胞壁合成：环丝氨酸、万古霉素、杆菌肽、青霉素类、头孢菌素类； 2-DNA促旋酶抑制剂：喹诺酮类； 3-RNA聚合酶抑制剂：利福平； 4-50S蛋白质合成抑制剂：大环内酯类、氯霉素、林可霉素类； 5-30S蛋白质合成抑制剂：四环类、氨基糖苷类； 6-tRNA合成抑制剂：Mupirocin； 7-氯霉素酰基转移酶； 8-抑制细胞膜合成：多粘菌素类； 9-细胞周质空间：-内酰胺酶、氨基糖苷类钝化酶； 10-抑制叶酸代谢：磺胺类。 THFA：四氢叶酸； DHFA：二氢叶酸；PABA：

14、对氨基苯甲酸,2020/8/6,43,抗生素的作用机制,三、细菌耐药机制,2020/8/6,44,数据表明： 上世纪五六十年代青霉素一次剂量是2万4万单位，现在需用几十万、几百万单位。 葡萄球菌、肠道革兰氏阳性杆菌、结核杆菌、痢疾杆菌之所以长久地肆虐人类，就是耐药性不断增强的结果。 动物使用抗生素，通过食物链进入人体。,抗生素不合理使用细菌耐药性,又称为抗药性，指微生物或肿瘤细胞与药物多次接触后，对药物的敏感性下降甚至消失，致使药物对耐药菌的疗效降低或无效，是微生物对药物所具有的相对抗性。,2020/8/6,45,耐药性,细菌耐药性,固有耐药性（intrinsc resistance)： 由细

15、菌的基因所决定，亦称天然耐药性。肠道阴性杆菌对青霉素、铜绿假单胞杆菌对氨苄西林以及链球菌属对庆大霉素均属天然耐药。 获得耐药性（aquired resistance)： 指细菌在接触抗生素后，通过某种机制，产生不被药物杀灭的抵抗力。获得耐药性大多由质粒介导，但也可由染色体介导。获得耐药性随着许多新抗生素的不断开发和应用变得愈来愈复杂。这种耐药菌的传代、扩散以及不断变异形成高度和多重耐药。,2020/8/6,46,细菌耐药机制,（一）产生抗菌药物灭活酶或钝化酶 （二）抗菌药物作用靶位改变 （三）细菌细胞膜通透性改变，抗菌药物不易进入 （四）细菌将抗菌药物泵出细菌细胞外 （五）其他机制,2020/

16、8/6,47,水解酶 如-内酰胺酶可水解-内酰胺类抗菌药物活性分子从而使细菌具有耐药性; 钝化酶又称合成酶 可催化某些基团结合到抗生素的OH基或NH2基上，使其不易与细菌体内的核蛋白体结合，从而引起耐药性。,细菌通过产生灭活酶来破坏进入胞内的各种抗菌药物，是大多数耐药菌所具有的耐药机制。,2020/8/6,48,1、-内酰胺酶,能够破坏具有-内酰胺结构抗生素的灭活酶。-内酰胺酶可水解-内酰胺类抗菌药物活性分子从而使细菌具有耐药性。 具有不同特性的-内酰胺酶细菌对不同结构的-内酰胺抗生素的耐受性不同。 在所研究的革兰氏阳性细菌、革兰氏阴性细菌、分枝杆菌中都发现有不同特性的-内酰胺酶。,2020/

17、8/6,49,2、氨基糖苷类抗生素钝化酶,作用机制是对这些抗菌药物分子中某些保持抗菌活性所必须的基因进行修饰，使其与作用靶位核糖体的亲和力大为降低。 包括氨基糖苷酰基转移酶、氨基糖苷腺苷转移酶或氨基糖苷核苷转移酶和氨基糖苷磷酸转移酶等。,2020/8/6,50,3、MLS类抗生素钝化酶,MLS类抗生素即为大环内酯类-林可霉素-链阳性菌素类抗生素，这类抗生素尽管在化学结构上的差异很大，但其对细菌的作用机制基本相同。 已经发现了很多作用于MLS类抗生素活性分子的钝化酶。在乳酸杆菌中发现有大环内酯类抗生素钝化酶存在，但其作用机制和相应的基因结构等还了解得不多。,2020/8/6,51,细菌耐药机制,

18、2020/8/6,52,（一）产生抗菌药物灭活酶或钝化酶 （二）抗菌药物作用靶位改变 （三）细菌细胞膜通透性改变，抗菌药物不易进入 （四）细菌将抗菌药物泵出细菌细胞外 （五）其他机制,1、靶酶(靶蛋白)被修饰或改变,细菌获得了一种能够编码产生新的抗菌药物作用的靶酶基因，这种具有新特性的靶酶与抗生素的亲和力往往比正常靶酶要低得多。 如-内酰胺类抗生素耐药的细菌除了由于产生大量的-内酰胺酶使进入胞内的抗生素被破坏所致外，还可由于青霉素结合蛋白发生了改变使其与这类抗生素的亲和力降低，或者出现了新的青霉素结合蛋白所致。,2020/8/6,53,2、靶核糖体被修饰或改变,细菌通过改变或修饰药物作用的靶核

19、糖体，使其某些碱基发生突变或是使与核糖体结合的核蛋白的某些氨基酸发生突变，导致药物无法与其结合而发挥抑制细菌蛋白合成的作用从而产生耐药性。 链霉素作用于核糖体30S亚基，导致基因密码的错读，引起mRNA翻译起始的抑制和异常校读。,2020/8/6,54,细菌耐药机制,2020/8/6,55,（一）产生抗菌药物灭活酶或钝化酶 （二）抗菌药物作用靶位改变 （三）细菌细胞膜通透性改变，抗菌药物不易进入 （四）细菌将抗菌药物泵出细菌细胞外 （五）其他机制,1、细菌外膜渗透性降低,外膜的对抗菌药物原来敏感的细菌可以通过降低外膜的渗透性而发展成为耐药性。 如原来允许某种抗菌药物通过的孔蛋白通道由于细菌发生

20、突变而使该孔蛋白通道关闭或消失，抗菌药物无法进入细菌胞膜内发挥作用从而产生很高的耐药性。 绿脓杆菌对-内酰胺类耐药，细菌外膜限制抗生素分子渗入膜内。,2020/8/6,56,2、细菌菌膜形成的耐药性机制,抗菌药物不能透过整个菌膜，因而难以对包裹在菌膜深处的细菌发挥作用; 菌膜对抗菌药物敏感性降低，其原因在于细菌形成菌膜后处于营养限制状态，其代谢能力极低，而抗菌药物往往对处于代谢旺盛期的细菌是敏感的; 推测在菌膜内的细菌具有一种独特的生物学特性，从而能够抵御抗菌药物的作用。,2020/8/6,57,细菌耐药机制,2020/8/6,58,（一）产生抗菌药物灭活酶或钝化酶 （二）抗菌药物作用靶位改变

21、 （三）细菌细胞膜通透性改变，抗菌药物不易进入 （四）细菌将抗菌药物泵出细菌细胞外 （五）其他机制,细菌主动药物转运系统： 第一类为主要易化家族，与哺乳动物的葡萄糖易化转运器具有同源性; 第二类为耐药小节分裂家族，它也包括转运钙离子、镍离子的转运器; 第三类为链霉素耐药或葡萄球菌多重耐药家族，由比较小的含有四个跨膜螺旋的转运器组成; 第四类为ATP组合盒（ATP-binding cassette(ABC)转运器，包括两个跨膜区和两个ATP结合亚单位。,细菌通过外泵系统的作用将已经进入胞内的药物泵至胞外从而产生耐药性。,2020/8/6,59,革兰氏阴性菌对喹诺酮类抗菌药物产生耐药性的外排机制示意图,如图所示的外排转运器通常为MF和RND家族。这一转运器与辅助蛋白如EmrA、AcrA、EnvC、和MexA等连