第八章抗生素

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1 第八章 抗生素 (Antibiotics)

2 一 抗生素的定义 : 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

3 抗生素的用途 : 在临床上, 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治疗大多数细菌感染性疾病 除了抗感染外, 某些抗生素还具有抗肿瘤抗肿瘤活性, 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具有免疫抑制和刺激植物生长作用 抗生素不仅用于医疗, 而且还用于农业 畜牧和食品工业等方面

4 抗生素的主要来源 : 生物合成 ( 发酵 ); 化学全合成或半合成

5 半合成抗生素 针对生物合成抗生素的化学稳定性 毒副作用 抗菌谱的特点等存在的问题, 通过结构改造, 试图增加稳定性, 降低毒副作用, 扩大抗菌谱, 减少耐药性, 改善生物利用度和提高治疗效力 20 世纪 90 年代后新上市的半合成 全合成抗菌素产品率以达到 100% %

6 二 抗生素的生物合成 : ( 一 ) 发酵 : 微生物在人工环境下进行新陈代谢, 产生抗生素的过程 生物合成的关键 有三大要素 : 优良菌种 : 天然菌种经过选育, 达到优质 高产的目的 ; 培养基 : 供给微生物生长发育和分泌抗生素的原料 ; 发酵条件 : 温度 P 值 通气 搅拌 消沫和防止杂菌污染等, 直接或间接影响发酵的成败

7 培养基 : 抗生素的生物合成 : 碳源 : 淀粉 葡萄糖 乳糖 ; 氮源 : 黄豆饼粉 玉米浆 蛋白胨 ; 无机盐类 : P Mg Mn Zn K 等微量元素离子 ; 前体 物质 : 引导主要产物的生成

8 抗生素的生物合成 : 前体 物质 : 微生物合成时产生的抗生素不是单一的, 而是许多结构近似的 族 如 : 天然青霉素中有 种制菌效力和毒性都不相同的化合物 ; 利用加入一些构成抗生素分子中某一组分的物质 前体物质,, 促进某一抗生素的生成 加入少量苯乙酸苯乙酸可以增加青霉素 G 的产量 ( 疗效好, 毒性低 )

9 ( 一 ) 发酵 : 抗生素的生物合成 : 优良菌种 : 天然菌种经过选育, 达到优质 高产的目的 ; 培养基 : 供给微生物生长发育和分泌抗生素的原料 ; 发酵条件 : 温度 P 值 通气 搅拌 消沫和防止杂菌污染等, 直接或间接影响发酵的成败

10 抗生素的生物合成 : ( 二 ) 提纯 : 溶媒法 : 在不同的 P 值, 用水 - 有机溶剂反复提取, 再回收溶剂得到产品 如 : 青霉素 四环素 红霉素 离子交换法 : 利用抗生素的盐可以解离成正负离子, 用离子交换树脂吸附, 再洗脱 如 : 链霉素 庆大霉素 沉淀法 : 将抗生素与有机或无机酸 碱或盐类, 形成不溶性的复盐, 从发酵液中沉淀出来 如 : 土霉素 吸附法 : 用活性碳 硅胶或 Al 2 吸附抗生素, 再进行洗脱, 得到产品

11 三 抗生素的分类 : 微生物学 : 以抗生素的产生菌分类, 与菌种有关 ; 医学 : 按临床用途分类 ; 药物化学 : 以化学结构分类

12 抗生素的分类 : β- - 内酰胺类 : 青霉素 头孢菌素 ; 四环素类 : 四环素 土霉素 ; 氨基糖甙类 : 链霉素 庆大霉素 卡那霉素 ; 大环内酯类 : 红霉素 麦迪霉素 ; 氯霉素类 : 其他类 : 免疫抑制 抗肿瘤 抗结核 抗病毒类抗生素

13 四 抗生素的抗菌谱 : 每种抗菌药物都有一定的抗菌范围抗菌范围, 称为抗菌谱

14 细菌的分类 : 1. 革兰氏分类 : 革兰氏试剂 -- 结晶紫和碘试剂 革兰氏阳性菌 : 染为蓝色 ; 革兰氏阴性菌 : 没有反应或呈粉红色 ; 革兰氏阴性菌细胞外多一层含脂多糖的膜壁, 能阻碍杀菌剂进入细胞膜, 难于杀死

15 细菌的分类 : 2. 形态学分类 : 杆状菌 球状菌 螺旋状菌 弧状菌 可以有链状排列或束状排列

16 抗生素的抗菌谱 : 青霉素 :G+: + 敏感 ; 链霉素 :G-: - 敏感 ; 氯霉素 红霉素 四环素 :G+,: +,G-, 克立次体等敏感 选择性抗生素 : 既能消灭引起疾病的细菌, 又能将其他无影响的细菌留在体内 ; 广谱抗生素 : 无需化验即可处方, 方便 便宜

17 五 抗生素的主要作用机制 : 1. 抑制细菌细胞壁的合成 : 抑制细胞壁的合成会导致细菌细胞破裂死亡 至少包括青霉素类和头孢菌素类 哺乳动物的细胞没有细胞壁, 不受这些药物的影响 2. 与细胞膜相互作用 : 一些抗生素与细菌的细胞膜相互作用而影响膜的渗透性, 这对细胞具有致命的作用 包括多粘菌素和短杆菌素. 干扰蛋白质的合成 : 干扰蛋白质的合成意味着细胞存活所必须的酶 ( 蛋白质 ) 不能被合成 包括利福霉素类 氨基糖甙类 四环素类和氯霉素. 抑制核酸的转录和复制 : 抑制核酸的功能, 可以阻止细胞分裂和 ( 或 ) 所需的酶的合成 包括萘啶酸和二氯基丫啶 ( 抗肿瘤抗生素 )

18 六 抗生素的使用原则 : ( 补充材料 ) ( 一 ) 严格掌握适应症 凡属可用可不用的尽量不用, 而且除考虑抗生素的抗菌作用的针对性外, 还必须掌握药物的不良反应和体内过程与疗效的关系 ( 二 ) 发热原因不明者不宜采用抗生素 除病情危重且高度怀疑为细菌感染者外, 发热原因不明者不宜用抗生素, 因抗生素用后常使致病微生物不易检出, 且使临床表现不典型, 影响临床确诊, 延误治疗

19 六 抗生素的使用原则 : ( 补充材料 ) ( 三 ) 病毒性或估计为病毒性感染的疾病不用抗生素 抗生素对各种病毒性感染并无疗效, 对麻疹 腮腺炎 伤风 流感等患者给予抗生素治疗是有害无益的 咽炎 上呼吸道感染者 90% 以上由病毒所引起, 因此除能肯定为细菌感染者外, 一般不采用抗生素

20 六 抗生素的使用原则 : ( 补充材料 ) ( 四 ) 皮肤 粘膜局部尽量避免应用抗生素 因用后易发生过敏反应且易导致耐药菌的产生 除主要供局部用的抗生素如新霉素 杆菌肽外, 其它抗生素特别是青霉素 G 的局部应用尽量避免 在眼粘膜及皮肤烧伤时应用抗生素要选择适合的时期和合适的剂量

21 六 抗生素的使用原则 : ( 补充材料 ) ( 五 ) 严格控制预防用抗生素的范围 ( 六 ) 强调综合治疗的重要性 在应用抗生素治疗感染性疾病的过程中, 应充分认识到人体防御机制的重要性, 不能过分依赖抗生素的功效而忽视了人体内在的因素, 当人体免疫球蛋白的质量和数量不足 细胞免疫功能低下, 或吞噬细胞性能与质量不足时, 抗生素治疗则难以奏效 因此, 在应用抗生素的同进应尽最大努力使病人全身状况得到改善 ; 采取各种综合措施, 以提高机体低抗能力,

22 六 抗生素的使用原则 : ( 补充材料 ) 机体 抗菌药物及病原微生物的相互作用关系

23 抗生素的分类 : β- - 内酰胺类 : 青霉素 头孢菌素 ; 四环素类 : 四环素 土霉素 ; 氨基糖甙类 : 链霉素 庆大霉素 卡那霉素 ; 大环内酯类 : 红霉素 麦迪霉素 ; 氯霉素类 : 其他类 : 免疫抑制 抗肿瘤 抗结核 抗病毒类抗生素

24 第二节 β- 内酰胺抗生素 (β-lactam Antibiotics) 概述

25 β- 内酰胺抗生素 2 1 β- - 内酰胺类抗生素是指分子中含有 β - 内酰胺环的抗生素 最大的一类抗生素, 临床应用最多, 是本章介绍的重点

26 抗生素之父 - 弗莱明 1929 年, 英国医生 Fleming( ( 弗莱明 ) 发现青霉素的代谢产物有明显的抑制革兰氏阳性菌的作用

27 青霉素 C 190 年, 由于第二次世界大战的爆发, 英 美 德加紧研究大量生产青霉素 191 年开始, 青霉素 G 广泛应用于临床 190 年起研究了一系列广谱 耐酸 耐酶的半合成青霉素

28 头孢菌素 RC X 8 A X = - or -C Cephalosporins C 19 年,Brotzu, 发现头孢菌素 ; 192 年出现第一代头孢菌素 头孢菌素也发展为第二代 第三代和第四代头孢菌素

29 常用 β- 内酰胺类抗生素的基本结构 : RC X RC X 8 A X = - or -C Penicillins C X = - or -C Cephalosporins C Carbapenem Penem xypenam Monobactam

30 - 位酰胺基侧链 青霉素 β- 内酰胺环稠合五元的氢化噻唑环 C 2- 位羧基 β- 内酰胺环不是正方形, 与稠合环不共平面

31 头孢菌素 β- 内酰胺环稠合六元的氢化噻嗪环 - 位酰胺基侧链 RC X 8 A β- 内酰胺环不是正方形, 与稠合环不共平面 X = - or -C Cephalosporins C 2- 位羧基

32 一 青霉素及半合成青霉素 ( 一 ) 青霉素 G(Benzylpenicillin) 青霉素从青霉菌培养液中提炼得到, 共有 种 其中青霉素 G 的作用最强, 产量最高, 加入苯乙酸或苯乙酰胺苯乙酸或苯乙酰胺作为前体, 可以提高产量

33 1. 青霉素 G(Benzylpenicillin) 有 个手性碳原子,8, 个旋光异构体中只有 2,R R,R 具有活性 全合成困难 C

34 青霉素 G 2 C C 由 β- - 内酰胺环 四氢噻唑环及酰基侧链组成, 还可以看作 - - 氨基青霉烷酸 (-APA( APA) ) 的苯乙酰化产物

35 青霉素 G C (2,R,R)-,-- 二甲基 --(- -(2- 苯乙酰氨基 )-- - 氧代 硫杂 氮杂双环 [.2.0[.2.0] ] 庚烷 甲酸 苄青霉素 西林类

36 青霉素立体图像

37 2. 青霉素 G 的理化性质 : 1. 两个环的张力都比较大 2. β- 内酰胺环中的羰基和氮原子的孤对电子不能共轭 C β- - 内酰胺环是该类化合物结构中最不稳定的部分 ; 在酸 碱或 β- - 内酰胺酶存在下, 均易发生水解和分子重排反应, 使 β- - 内酰胺环破坏而失去抗菌活性 ; 金属离子 温度和氧化剂可以催化上述分解反应

38 不稳定性 : 酸性 碱性 酶

39 不耐酸 : + or gcl 2 + C 青霉酸 C 青霉醛酸 - C 2 强酸或氯化高汞 青霉醛

40 不耐酸 : C - + C : C 稀酸溶液中 (P=.0) C 青霉二酸 + 2 青霉醛 C 青霉胺 胃酸的酸性很强, 可以使青霉素失活, 所以青霉素 G 不能口服, 需肌肉注射

41 不耐酶 ( 碱性条件下也不稳定 ): - / 2 或青霉素酶 C 青霉酸 C gcl 青霉醛 C 青霉胺

42 青霉素 G 的理化性质 : C 游离的青霉素 G 是一个有机酸 (PKa( PKa=2.~2.0), 不溶于水, 溶于有机溶剂 ; 临床上用其钠盐 钾盐或普鲁卡因盐 青霉素 G 的钠盐或钾盐为白色结晶性粉末, 水溶液室温下不稳定, 制成粉针剂, 注射前用水现配现用

43 . 青霉素 G 的抗菌机制 : 青霉素 G 和所有 β- - 内酰胺抗生素的作用机制认为是 : 抑制细菌细胞壁的合成

44 粘肽 ( 网状结构的含糖多肽 ) - 乙酰胞壁酸 细菌细胞壁结构 : - 乙酰葡萄糖胺 多肽线性高聚物交联

45 细胞壁生物合成示意图 粘肽转肽酶 β- 内酰胺类抗生素的作用部位主要是抑制粘肽转肽酶, 使其催化的转肽反应不能进行, 从而阻碍细胞壁的形成, 导致细菌死亡

46 β- 内酰胺类抗生素与粘肽转肽酶 结构和粘肽的末端相似相似, 构象相似 ; 可以取代粘肽的末端氨基酸, 竞争性的和酶活性中心以共价键结合, 构成不可逆抑制不可逆抑制转肽酶的活性 2 2 D- 丙胺酰 -D- 丙氨酸 (D-Ala-D-Ala) C C

47 . 青霉素 G 的药理作用 : 细胞壁是细菌细胞所特有的, 而哺乳动物细胞无细胞壁, 因而 β- - 内酰胺类抗生素对哺乳动物无影响, 具有较高的选择性 革兰氏阳性菌的细胞壁粘肽含量比革兰氏阴性菌高, 所以 β- - 内酰胺类抗生素对革兰氏阳性菌活性较高 同时也造成了抗菌谱窄的问题 青霉素使用一段时间后, 抗菌作用下降, 产生耐药性耐药性 主要原因是某些耐药菌能产生一种 β- - 内酰胺酶的物质, 这种酶能使 β- - 内酰胺环开环降解, 失去抗菌活性 青霉素的过敏反应过敏反应非常普遍, 临床应用中需严格按要求进行皮试后再使用

48 青霉素的过敏原 : 外源性 : 青霉素生产过程中, 裂解生成青霉噻唑酸, 与蛋白质结合形成抗原, 引起过敏 内源性 : 青霉素 β- - 内酰胺环开环后, 形成各种衍生物, 进而形成二聚体 三聚体 四聚体和五聚体, 聚合程度越高, 过敏反应越强 抗原决定簇是青霉噻唑基, 不同侧链的青霉素会引起强烈的交叉过敏反应

49 青霉素的过敏原 : C C C

50 . 青霉素 G 的药理作用 : 临床上主要用于革兰氏阳性菌, 如链球菌 葡萄球菌 肺炎球菌等所引起的全身或严重的局部感染

51 青霉素 G 存在问题 : 对酸不稳定, 不能口服, 只能注射给药 ; 抗菌谱较窄, 对革兰氏阳性菌效果较好 ; 有耐药性 ; 有严重的过敏反应等 ( 二 ) 半合成青霉素

52 ( 二 ) 半合成青霉素 按性能分为 : 耐酸青霉素 ; 耐酶青霉素 ; 广谱青霉素 ; 青霉素与 β- - 内酰胺酶抑制剂的复合物

53 1. 耐酸青霉素 : 青霉素 G( 苄青霉素 ) C δ + 青霉素 V( 苯氧甲基青霉素 ) C 在青霉菌的培养液中加入 -( -(2-- 羟乙基苯氧基 ) 乙酰胺作为前体, 则能产生青霉素 V 青霉素 V 的抗菌活性较低, 但具有耐酸性质, 不易被胃酸破坏, 可以口服

54 1. 耐酸青霉素 : δ + 非奈西林 C 青霉素 V( 苯氧甲基青霉素 ) C 丙匹西林 C 同系物原理 ( 化学结构类似, 性质类似 )

55 1. 耐酸青霉素 : 青霉素 G( 苄青霉素 ) C 阿度西林 C 阿度西林 : 引进吸电子的 - 也可以使青霉素耐酸

56 2. 耐酶青霉素 : C β- 内酰胺酶 增加 β- - 内酰胺环侧链的空间位阻, 使 β- - 内酰胺环不易被进攻而破裂, 成为耐酶青霉素

57 2. 耐酶青霉素 : Ph Ph Ph C C 三苯甲基青霉素 三苯甲基青霉素, 围绕酰胺键有三个苯基, 空间阻碍使 β- - 内酰胺酶不易接近分子中的 β- - 内酰胺环 对 β- - 内酰胺酶很稳定, 但抗菌作用低, 不能用于临床

58 2. 耐酶青霉素 : C C C C 甲氧西林 ( 甲氧苯青霉素 ) 甲氧西林 ( 甲氧苯青霉素 ) 第一个用于临床的耐酶青霉素 但对酸不稳定, 不能口服给药, 必须大剂量注射给药才能保持活性, 抗菌活性较低

59 2. 耐酶青霉素 : C 苯唑青霉素 C 苯唑西林 : 侧链含有苯甲异噁唑环, 不仅能耐酶, 还能耐酸, 同时抗菌作用较强 可以通过口服和注射给药, 但在血清中半衰期较短 尽管在体外的活性比甲氧西林强 10 倍, 但在体内的治疗剂量与甲氧西林相似 临床主要用于耐青霉素 G 的金黄色葡萄球菌和表皮葡萄球菌的周围感染

60 . 广谱青霉素 : 青霉素对革兰氏阳性菌的作用较强, 对革兰氏阴性菌的效用较差 研究发现, 在酰基的 α- - 位引入亲水性基团,, 2 -C-,, 使之易于透过细菌细胞膜, 扩大抗菌谱 ; 引进基团的亲水性越强, 对革兰氏阴性菌的作用越强, 对绿脓杆菌也有效, 有利于口服吸收 C

61 氨苄西林 2 C C 侧链是苯甘氨酸, 对阳性菌 阴性菌都有强效, 但口服效果差

62 C 阿莫西林 侧链是对羟基苯甘氨酸, 口服吸收效果好 和氨苄西林的抗菌谱相同, 对革兰氏阳性菌和抗菌作用与青霉素 G 相同或稍低 ; 对革兰氏阴性菌如淋球菌 流感杆菌 百日咳杆菌 大肠杆菌等的作用较强 临床主要用于泌尿系统 呼吸系统 胆道等的感染 使用后易产生耐药性 2 C

63 羧苄西林 磺苄西林 C 羧苄西林 C 磺苄西林 C 羧苄西林引进羧基 ; 磺苄西林引进磺酸基 ; 进一步扩大抗菌谱, 对绿脓杆菌和变形杆菌也有较强的作用

64 匹氨西林 2 氨苄西林 C 2 匹氨西林 CC 2 CC(C ) 由于 2- - 位羧基亲水性强, 口服吸收效果差 ; 应用前药原理, 将羧基酯化 ; 在体内的抗菌作用比氨苄西林强 2~ 倍, 而且血药浓度高, 半衰期长

65 替莫西林 C C C 对 - - 位的化学修饰, 引进甲氧基, 增加空间位阻, 使 β- - 内酰胺酶不易降解 β- - 内酰胺环, 提高药物对酶的稳定性, 成为广谱耐酶双重作用的抗生素 对革兰氏阳性菌无效, 但对革兰氏阴性菌效果很强, 是半衰期最长的一种长效耐酶的青霉素类抗生素

66 . β- 内酰胺酶抑制剂 : C β- 内酰胺酶 细菌对青霉素 ( 包括头孢菌素 ) 产生耐药性的主要原因是 β- - 内酰胺酶的生成, 这种酶作用于所有 β- - 内酰胺类抗菌素具有的特征性的 β- - 内酰胺环上, 水解 β- - 内酰胺环, 生成没有抗菌活性的化合物

67 . β- 内酰胺酶抑制剂 : C β- 内酰胺酶 β- - 内酰胺酶抑制剂可以解决 β- - 内酰胺类抗菌素的耐药性问题

68 . β- 内酰胺酶抑制剂 : 从结构上分为两类 : 氧青霉素类 C 青霉烷砜类 C

69 克拉维酸 C 2 C 19 年,Brown, 从棒状链霉菌的发酵液中分离得到 ; 具有独特的抑制 β- - 内酰胺酶的作用, 是第一个报道的 β- - 内酰胺酶抑制剂

70 克拉维酸 C 2 C 又称棒酸 与 β- - 内酰胺类抗生素联合使用, 起协同作用, 可使阿莫西林增效 10 倍, 使头孢菌素类增效 2~8 倍 白色结晶性粉末, 具有强的引湿性, 吸水后分解变色 口服吸收良好, 但也可以注射给药

71 舒巴坦 C 一种青霉烷砜类青霉烷砜类广谱酶抑制剂, 口服吸收差, 一般注射给药 ; 酶的抑制活性比克拉维酸差, 但化学结构稳定

72 β- 内酰胺酶抑制剂和 β- 内酰胺类抗生素复合剂型 克拉维酸 - 阿莫西林 (1:2):( 安灭菌, 奥格门丁 (Augmentin( Augmentin); 舒巴坦钠 - 氨苄西林 (1:2):( 舒氨西林 可以克服耐药性, 是目前研究的热点

73 . 半合成青霉素的一般方法 : 2 C C 以 - - 氨基青霉烷酸 (-APA( APA) ) 为基本母核, 再接上各种酰胺侧链

74 -APA 的获得方法 : C 青霉素酰化酶 2 - APA C 从不加前体的青霉素发酵液中分离得到, 大量的 -APA 还是从青霉素 G 用酶解或化学裂解的方法获得

75 侧链的接入的四种方法 : 酰氯法 : C 酸酐法 : DCC DCC 法 :,-: - 二环己碳二亚胺为缩合剂, 将侧链酸与 -APA 在有机溶剂中进行缩合, 收率高, 步骤短, 但成本高 固相酶法 : 将具有催化活性的酶, 固定在一定空间内, 催化侧链酸与 -APA 直接缩合, 工艺简单, 收率高, 但要保证酶的催化活性较困难

76 苯唑西林 ( 酰氯法 ) Cl APA C Cl C C Ca C T.M. 强碱易导致分解 苯唑青霉素 C

77 苯唑西林 ( 酰氯法 ) C 2. Cl C Cl 2 C Cl C C C 2 CC 2 - C CCC 2 CC 2-2 CC 2 C C C C C C 1. a 2. Cl C C C 2 Cl C C Cl -APA 合成取代异噁唑酸的通用方法

78 氨苄西林 ( 酸酐法 ) 与氨基缩合, 保护氨基 C C CCC 2 CCC 2 D(-)- C 2 C CC 2 CC 2 C C C (C ) CCCl C C C C(C ) D(-)-α- 氨基苯乙酸 D(-)- D(-)- C - APA C D(-)- C CCC 2 2 / Pd - C 或 - 2 C D(-)- 氨苄西林 C 除去保护基

79 阿莫西林 以 D(-) 对羟基 -α-- - 氨基苯乙酸为原料, 可以按氨苄西林的方法合成 也可以用酰氯法合成

80 二 头孢菌素及半合成头孢菌素类 ( 一 ) 头孢菌素 C(Cephalosporin Cephalosporin C) C 头孢菌素比青霉素化学结构稳定 - 氨基头孢霉烷酸 (-ACA) C

81 头孢菌素 C

82 头孢菌素 C 的药理作用 : 过敏反应低 ; 抗菌谱较广, 对革兰氏阴性菌对革兰氏阴性菌具有活性, 能抑制产生青霉素酶的金黄色葡萄球菌 ; 抗菌效力比较低 ; 可以口服, 但口服吸收差 ; 毒性较小

83 头孢菌素 C 的结构改造 : 2)- 位氢原子, 以甲氧基取代可增加 β- 内酰胺环的稳定性 ; )- 位酰胺基的取代基, 抗菌谱的决定基团, 可扩大抗菌谱, 提高活性 ; ) 影响抗菌效力, 可以提高活性 ; C ) 既能提高活性, 又能影响药物代谢动力学性质

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