抗生素专家讲座

抗生素专家讲座抗生素专家讲座第1页

抗生素应用于临床以来，对控制细菌性感染，保障人类健康起到了十分重大作用。不过伴随抗生素广泛使用，也产生了一些新问题。1、细菌耐药性普遍增加2、过敏反应时有发生3、因为菌群失调引发二重感染4、各种毒性与副反应抗生素专家讲座第2页

为了处理这些问题，除了从土壤、海洋等自然环境中继续寻找，分离更有效新抗生素外，对原有抗生素进行结构改造来探求含有更加好临床效果新衍生物也是一个主要方面。因为抗生素化学及生物化学进展，对它们作用机制与构效关系已能从分子水平上来进行讨论。所以上世纪六十年代以后，反抗生素结构改造研究十分活跃。抗生素专家讲座第3页抗生素结构改造主要有以下三种方法：

(1)生物合成法在微生物发酵制取抗生素过程中，加入一些“前体”物质来改变抗生素个别结构。如在青霉菌发酵过程，加入不一样乙酸衍生物，就可取得各种不一样酰基侧链青霉素。

(2)化学合成法这是指由较简单有机化合物为原料，经过一系列化学反应来合成抗生素及其衍生物。此法只限于一些结构较简单而化学性质又较稳定抗生素，如氯霉素、磷霉素等。天然抗生素化学结构往往比较复杂，而且不甚稳定，要普遍采取化学合成法来进行结构改造还有一定困难。抗生素专家讲座第4页

(3)半合成法这种方法或是以由生物合成所得天然抗生素或其类似物为原料，用化学合成方法改造其个别结构和制备一些新型衍生物；或是利用微生物一些酶作用，在抗生素分子中改变或引进取代基来取得新抗生素，以这些方法制得产品，都称为半合成抗生素。因在天然抗生素基础上进行结构改造，反应步骤少易于进行，又不受生物合成中微生物代谢限制，故为当前抗生素结构改造中用得最多方法。抗生素专家讲座第5页抗生素结构改造目标是寻找：

1、比原物质活性强

2、抗菌谱广

3、对耐药菌也有效

4、化学性能稳定

5、毒性及副作用较小

6、吸收快、血浓度高、排泄迟缓、有较长药效以及其它优越药理性能新化合物抗生素专家讲座第6页半合成青霉素抗生素专家讲座第7页

抗生素结构改造及其衍生物研究，早在抗生素发展早期就已开始，但真正决定性改变，是在1959年从发酵液中成功地分离出青霉素母核(6-APA)，并经过6-APA酰化反应合成了一系列新青霉素后才开始。青霉素是最早发觉和临床应用得最普遍一个高效低毒抗生素。伴随青霉素大量使用，细菌产生耐药现象日趋严重，尤其是金黄色葡萄球菌中耐药菌株蔓延，成为临床上一个严重问题。其次，临床上广泛使用苄青霉素（青霉素G）对酸不够稳定，抗菌谱不广（只限于对革氏阳性菌活性较高），以及轻易引发过敏反应等，均限制了它应用。抗生素专家讲座第8页青霉素化学结构：侧链酰基＋母核（6-APA）两个别结合而成母核个别含有一个噻唑环及一个

-内酰胺环

抗生素专家讲座第9页打开或改变噻唑环：依然能保留一个别活力

-内酰胺破坏：则完全失去抗菌作用扩充

-内酰胺：也一样是没有活性

在青霉素结构改造中，研究得最多还是侧链酰基改变。抗生素专家讲座第10页6-氨基青霉烷酸（6-APA)6-氨基青霉烷酸是青霉素母核，因为没有侧链，俗称无侧键青霉素。

6-氨基青霉烷酸为白色片状六面体结晶，熔点208~209℃，微溶于水，难溶于有机溶剂。对酸较稳定，易被强碱分解，使

-内酰胺环开裂，也能被青霉素酶所破坏，但比苄青霉素（青霉素G）稳定得多。6-氨基青霉烷酸本身抗菌活力较弱，易于酰化产生抗菌活力较强各种半合成新型青霉素。

6-氨基青霉烷酸工业生产方法，常见有两种。抗生素专家讲座第11页（一）青霉素酰基酶裂解法采取由微生物产生青霉素酰基酶裂解天然青霉素来大量制取6-APA。依据裂解底物不一样，可将青霉素酰基酶分成两大类。一类存在于霉菌、酵母菌及放线菌中，对苯氧甲基青霉素（青霉素V）裂解能力较强。另一类为细菌（绝大个别为革氏阴性细菌）产生酶，对苄青霉素（青霉素G）裂解能力很强。

抗生素专家讲座第12页最常见是大肠杆菌酰基酶，大肠杆菌酰基酶依据反应pH不一样不但能水解青霉素为6-APA，也能催化相反反应，使6-APA与适当侧链结合为青霉素。所以，也可用来合成新型青霉素。青霉素6-APApH8pH5大肠杆菌酰基酶抗生素专家讲座第13页（二）化学裂解法它工艺原理是：先将青霉素羧基转变成酯或其它衍生物保护起来

再以氯化剂使侧链上酰胺功效团活化成偕氯代亚胺

然后在低温用醇类将偕氯代亚胺转变成轻易水解偕亚胺醚

最终水解得6-APA或其它衍生物抗生素专家讲座第14页几类主要半合成青霉素依据抗菌谱，半合成青霉素可分为四类：第一类主要抗革兰氏阳性菌，这些青霉素通常称为“窄谱青霉素”。第二类是对细菌产生青霉素酶较稳定青霉素，称为“青霉素酶稳定青霉素”，它们主要用来抗耐药菌株。第三类是“广谱青霉素”，它们抗菌谱既包含革氏阳性菌，也包含一个别革氏阴性菌，但对碌脓杆菌敏感性低。第四类是“抗绿脓杆菌青霉素”，这类青霉素抗菌谱比第三类更广，并对绿脓杆菌有抑制作用。抗生素专家讲座第15页1、窄谱青霉素这类青霉素以苯氧烷基青霉素为主，如苯氧乙基青霉素、苯氧丙基青霉素，它们均为青霉素V（苯氧甲基青霉素）同系物。它们生物与化学性质与青霉素V相同，主要对革氏阳性菌作用较强，与天然青霉素相比并没有突出优点。

抗生素专家讲座第16页2、青霉素酶稳定青霉素这类青霉素共同特点是因为侧链酰基上空间位阻而使得分子中

-内酰胺环不被青霉素酶所破坏，所以对耐药金黄色葡萄球菌有抑制或杀灭作用。这类青霉素在临床上应用有甲氧苯青霉素。乙氧萘青霉素、苯唑青霉素，邻氯苯唑青霉素，双氯苯唑青霉素等。抗生素专家讲座第17页3、广谱青霉素这类青霉素抗菌活性特点为：对革氏阳性菌和一个别革氏阴性菌都有活性。对链球菌、肺炎球菌、大肠杆菌，痢疾杆菌等有效。主要有氨苄青霉素及其相关化合物，如吡呋氨苄青霉素、缩酮氨苄青霉素、羟氨苄青霉素等。氨苄青霉素是第一个用于临床广谱半合成青霉素。抗菌范围大致与四环类抗生素和氯霉素相同，但毒性和副作用较二者为低。因为氨苄青霉素抗菌谱广，毒性低，在胆汁中浓度高，故广泛用于泌尿呼吸系统、胆道、肠道（伤寒、痢疾）等感染症治疗。氨苄青霉素是当前半合成青霉素中产量最大品种。抗生素专家讲座第18页4、抗绿脓杆菌青霉素这类青霉素抗菌谱更广，对各种变形杆菌及绿脓杆菌也有很好抑制作用，主要有羧苄青霉素及其一些衍生物和类似体。如羧苄青霉素茚满酯、羧苄青霉素苯酯、磺苄青霉素、羧噻吩青霉素等。羧苄青霉素对绿脓杆菌和变形杆菌抗菌作用比氨苄青霉素强，对耐药金葡菌无效，口服不吸收，仅用于肌注或静注。化学性质也不稳定，轻易脱羧变成苄青霉素。为了增加其稳定性及改进体内吸收情况，研制了一些酯化衍生物，其中羧苄青霉素茚满酯及苯酯已用于临床。这些酯类在体内快速水解成原来羧苄青霉素，口服吸收良好，血尿浓度较高，多用于治疗尿路感染。抗生素专家讲座第19页半合成头孢菌素抗生素专家讲座第20页

头孢菌素也是一类含有

-内酰胺结构抗生素，最早发觉天然头孢菌素是头孢菌素C，因为其毒性低，又有抗青霉素耐药金黄色葡萄球菌作用，故格外受到重视。对头孢菌素C深入研究，发觉它抗菌活力很低，仅为苄青霉素l／200。在青霉素结构改造启示下，也开展了对头孢菌素结构改造研究。

7-氨基头孢霉烷酸（简称7-ACA）是头孢菌素母核。

抗生素专家讲座第21页12345678抗生素专家讲座第22页对头孢菌素结构改造，除改变7位酰基侧链外，因为3位乙酰氧甲基在体内易被酶水解成3-羟甲基衍生物，使活性大大降低，因而也研究了对3位改造。所以，当前大多数半合成头孢菌素均为母核7-ACA中7位氨基及3位乙酰氧甲基进行化学改造制得衍生物。许多试验表明，改变7位酰氨基会影响头孢菌素抗菌谱，而改变3位取代基，则将使其抗菌活性、药理性能以及抗菌谱扩充等方面趋于愈加完善。抗生素专家讲座第23页几类主要半合成头孢菌素半合成头孢菌素我国称先锋霉素，是一些在7-ACA7位氨基及3位乙酰氧甲基进行化学改造制得衍生物，它们特点是：(1)抗菌谱较广，对厌气菌有高效(2)对酸及对各种细菌产生

-内酰胺酶比很多半合成青霉素稳定(3)引发过敏反应普通比青霉素类低（约为青霉素G1／4）(4)对细菌作用机制和青霉素类相同，也是抑制细菌细胞壁合成，故毒性也很低抗生素专家讲座第24页第一代头孢菌素14种，注射剂7种，口服剂7种；第二代头孢菌素10种，注射剂6种，口服剂4种；第三代头孢菌素22种，注射剂14种，口服剂8种；第四代头孢菌素……抗生素专家讲座第25页半合成氨基糖苷类抗生素抗生素专家讲座第26页

链霉素、卡那霉素、庆大霉素等氨基糖苷类抗生素普通对革氏阴性菌有很好抗菌活性，不过它们毒牲及副作用也较大，耐药菌也日益增多。氨基糖苷类抗生素结构改造，以卡那霉素改造研究得最多，取得了很好结果。抗生素专家讲座第27页

卡那霉素是1957年发觉一个广谱氨基糖苷类抗生素，有A、B、C三种组分，其中A为主要组分，而B组分活性最高。卡那霉素对耐药金黄色葡萄球菌、革兰氏阴性菌及结核分枝杆菌有效，且毒性较低，所以，应用范围也较广，普通用来治疗革氏阴性菌感染。

抗生素专家讲座第28页卡那霉素化学结构式

R1R2卡那霉素A-NH2-OH卡那霉素B-NH2-NH2卡那霉素C-OH-NH2抗生素专家讲座第29页

值得注意是和前面讨论

-内酰胺类抗生素结构改造不一样，对卡那霉素结构改造是在研究细菌对卡那霉素耐药机制基础上进行。对它们结构改造，往往都从细菌耐药机制为依据，有放矢地进行。所以，即使半合成化合物为数不多，但有效新衍生物却不少。抗生素专家讲座第30页

1965年发觉各种耐药菌对卡那霉素及其它氨基糖苷类抗生素失活反应，主要是由三种不一样类型酶所引发：

(1)氨基糖苷乙酰转移酶

(2)氨基糖苷磷酸转移酶

(3)氨基糖苷腺苷转移酶。这些酶能纯化几个结构相近抗生素，它们统称为氨基糖苷转移酶。抗生素专家讲座第31页氨基糖苷乙酰转移酶氨基糖苷腺苷转移酶氨基糖苷磷酸转移酶3

5

2

氨基糖苷转移酶对卡那霉素作用部位抗生素专家讲座第32页

这些酶随细菌种类而异，其中和耐药性关系最大是氨基糖苷磷酸转移酶。依据钝化酶作用原理，最先考虑是保护或除去轻易被酶攻击部位，可能会提升卡那霉素活性，扩充抗菌谱，所以为了预防卡那霉素3

位上羟基被磷酸化而失活，合成了3-去氧卡那霉素A，结果3-去氧卡那霉素A含有卡那霉素一样活性，并可抑制耐药菌及绿脓杆菌。依据一样构想又合成了3

4

-双去氧卡那霉素B，它抗菌活性与卡那霉素B相比，对耐药大肠杆菌提升了16~32倍，对绿脓杆菌活性提升了8~32倍。抗生素专家讲座第33页

卡那霉素结构改造另一路径借助于丁酰苷菌素化学结构启发。丁酰苷菌素是1971年发觉一个氨基糖苷类抗生素，有A、B两种成份，其中丁酰苷菌素B活性较高，它化学结构和核糖霉素很相同，仅在2-脱氧链霉胺个别多一个4-氨基-2-羟基丁酸（简称AHB）侧链。丁酰苷菌素B抗菌作用不但含有广谱性和对绿脓杆菌有效，而且对核糖霉素耐药菌也有很高活性，由此可见，丁酰苷菌素侧链AHB基团存在和抗绿脓杆菌及对一些耐药菌作用有亲密关系。抗生素专家讲座第34页R1R2R3丁腺苷菌素A-OH-H-CO-CHOH-CH2-CH2NH2(AHB)丁腺苷菌素B-H-OH-CO-CHOH-CH2-CH2NH2(AHB)核糖霉素-H-OH-H-CO-CHOH-CH2-CH2NH2抗生素专家讲座第35页

将AHB侧链连接到卡那霉素，制得丁胺卡那霉素。

丁胺卡那霉素化学结构图抗生素专家讲座第36页

丁胺卡那霉素抗菌活性比卡那霉素A强，不但对绿脓杆菌有高效，并对大多数氨基糖苷转移酶有很好稳定性。故对卡那霉素、庆大霉素等耐药菌都有效，是一个很好半合成卡那霉素。抗生素专家讲座第37页四、抗生素作用机制抗生素专家讲座第38页

上世纪五十年代以来，伴随分子生物学快速发展，抗生素作用机制研究已深入到分子水平，一些主要抗生素作用机制基础得到说明。抗生素专家讲座第39页

依据抗生素对细胞不一样结构或不一样成份作用，可将抗生素作用机制分为：1、影响细胞壁合成2、影响细胞膜功效3、抑制核酸生物合成4、抑制蛋白质生物合成抗生素专家讲座第40页（一）影响细胞壁生成抗生素

1、肽聚糖前体合成葡萄糖葡萄糖-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ATPADP谷氨酸谷氨酰胺ATPADP+PiNH3乙酰CoACoA抗生素专家讲座第41页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UTPPPi丙酮酸-UDP-N-乙酰葡萄糖胺移位酶还原酶抗生素专家讲座第42页磷霉素磷酸烯醇式丙酮酸抗生素专家讲座第43页UDP-N-乙酰胞壁酸依次连接L-丙氨酸

D-谷氨酸

L-赖氨酸

2D-丙氨酸UDP-N-乙酰胞壁酸-五肽（UDP-NAMA-五肽）抗生素专家讲座第44页D-环丝氨酸D-丙氨酸抗生素专家讲座第45页2、线性肽聚糖链形成转移至细胞生长点，肽聚糖延长一个二糖单位，释放出P-P-C55-脂UMPUDP-NAGUDP-NAMA-五肽+P-C55-脂

（聚异戊烯醇磷酸脂）NAMA-五肽-P-P-C55-脂NAG-NAMA-五肽-P-P-C55-脂UDP抗生素专家讲座第46页

杆菌肽可与P-P-C55-脂结合，使P-P-C55-脂不能脱磷酸再生为P-C55-脂。抗生素专家讲座第47页-NAG-NAMA-L-AlaD-GluL-Lys---(GLY)5---D-AlaD-Ala-NAG-NAMA-L-AlaD-GluL-LysD-AlaD-AlaD-Glu-NAG-NAMA-L-AlaL-Lys—(GLY)5—D-Ala-NAG-NAMA-L-AlaD-GluL-LysD-Ala+2D-Ala+转肽酶3、肽聚糖交链抗生素专家讲座第48页青霉素作用是抑制转肽反应转肽酶与一条肽聚糖链上五肽第四个氨基酸即D-丙氨酸结合，同时使第五个氨基酸（亦为D-丙氨酸）从肽链上脱离，然后与另一条肽聚糖链上肽链末端甘氨酸连接，释出转肽酶。青霉素和头孢菌素竞争性地与转肽酶结合，使酶不能与肽聚糖链上D-丙氨酸结合，因而使肽聚糖链之间交联停顿。抗生素专家讲座第49页青霉素D-丙氨酰-D-丙氨酸抗生素专家讲座第50页（二）影响细胞膜功效抗生素

有些抗生素以影响细菌细胞膜功效而产生抗菌作用，如属于多肽类抗生素多粘菌素B及E、短杆菌素S等，属于多烯类抗生素两性霉素B、制霉菌素等影响真菌细胞膜功效。抗生素专家讲座第51页

多粘菌素可与细菌细胞膜紧密而持久地结合，引发细胞膜损坏，功效改变。这种结合是与多粘菌素分子结构相关，多粘菌素中脂肪酸侧链穿过细胞膜极性区进入脂质非极性区，多粘菌素分子中多肽环不进入脂质内。

抗生素专家讲座第52页这种结合造成细菌细胞膜结构和功效改变，从而破坏了细菌细胞正常代谢。抗生素专家讲座第53页

影响真菌细胞膜功效抗生素主要为多烯族抗生素，如两性霉素B、制霉菌素，前者为七烯类抗生素，后者为四烯类抗生素。这些抗生素都有抗真菌作用，多烯族抗生素能够与细胞膜固醇类成份结合，改变细胞膜功效。真菌和哺乳动物细胞膜中均含有固醇，而细菌细胞膜中则不含固醇，多烯族抗生素与真菌细胞膜固醇结合，引发细胞膜透性改变，使细胞内容物漏出，造成病菌死亡，而对细菌无抗菌作用。抗生素专家讲座第54页*两性霉素B（多烯大环内酯类抗生素）O

胆固醇抗生素专家讲座第55页（三）抑制核酸生物合成抗生素

影响DNA模板功效抗生素

DNA复制和转录均以DNA为模板，许多抗生索能够影响DNA模板功效而产生抗菌或抗癌作用，这些抗生素有是直接与DNA形成复合物，有是破坏DNA结构。抗生素专家讲座第56页丝裂霉素C

丝裂霉素C是一个抗肿瘤抗生素，也有抗菌作用，临床上用于治疗白血病、肉瘤等。丝裂霉素C在不抑制RNA和蛋白质生物合成浓度即可抑制DNA合成，故认为此抗生素是DNA合成一个选择性抑制剂。丝裂霉素C本身并无活性，进入细胞内还原成为有活性衍生物，这种有活性衍生物含有与烷化剂相同作用，可使DNA分子中鸟嘌呤或胞嘧啶发生烷化。另外，丝裂霉素C还可引发DNA解聚，这可能是因为此种抗生素增强DNA降解酶活性所致。抗生素专家讲座第57页博来霉素博来霉素中有16种组分，其中以博来霉素A2、B2为主要组分。博来霉素有抗菌和抗癌作用，对人类鳞状细胞癌和何杰金氏病有效。博来霉素对DNA作用主要是引发DNA单链断裂，亦即可使DNA一条链上脱氧核糖和磷酸连接个别断裂，形成缺口，但对rRNA和tRNA则无此种作用，故对DNA作用是特异。另外，博来霉素还抑制DNA连接酶和DNA聚合酶活性，干扰DNA复制。抗生素专家讲座第58页柔红霉素柔红霉素是一个含有抗肿瘤作用和一定抗菌作用抗生素，临床用于治疗各种类型急性白血病。柔红霉素作用机理是：与DNA结合而抑制DNA和RNA合成，同时尚可抑制DNA指导RNA聚合酶活性。柔红霉素以其分子嵌入DNA双螺旋碱基对之间，象一个碱基对一样，在DNA分子中占据相同空间，因而使嵌入部位双螺旋发生弯曲，DNA立体化学构型改变，造成立体障碍，破坏DNA模板功效，抑制DNA复制和转录。抗生素专家讲座第59页抑制RNA合成抗生素有些抗生素可直接作用于RNA聚合酶，抑制RNA合成。利福霉素为一组抗生素，其中利福霉素B比较稳定。利福平是利福霉素B半合成衍生物。这些抗生素对革兰氏阳性菌和阴性菌都有较强抗菌作用，临床主要用于治疗结核病，也可治疗其它细菌感染性疾病。利福霉素和利福平对原核细胞RNA合成有选择性抑制作用，低浓度即可抑制细菌RNA聚合酶，但高浓度对DNA聚合酶几乎无作用，而且抑制真核细胞RNA聚合酶浓度比抑制原核细胞此种酶浓度大100~10000倍，故对动物RNA合成影响较小。抗生素专家讲座第60页

利福霉素和利福平特异地抑制RNA合成起始步骤，这些抗生素与RNA聚合酶

亚单位结合，形成稳定复合物，使三磷酸嘌呤核苷不能结合于DNA上，从而抑制RNA合成过程中第一个磷酸二酯键形成。不过，它们并不影响RNA聚合酶与DNA模板结合和RNA链延长，故对RNA合成起始抑制作用有高度选择性。抗生素专家讲座第61页（四）抑制蛋白质合成