3β内酰胺类抗生素55精选文档.ppt

1,第3章-内酰胺类抗生素,第一节-内酰胺类抗生素概述（一）定义和理化性质,分子中含有-内酰胺环并具有抗菌作用的一类化学物质。这一-内酰胺环的酰胺键由于经受较大的张力，易受亲核试剂的攻击，因而对酸不稳定。但如果-位碳或N位上有较大的取代基或亲电子基团，则可增加环的稳定性。,-内酰胺抗生素的作用机制是抑制细菌细胞壁肽聚糖生物合成中的转肽（交联）反应，破坏细胞壁的稳定性，造成细胞破裂，原生质体泄漏而死亡，因而具有杀菌作用。-内酰胺抗生素的毒副作用很低，主要问题是过敏反应，特别是青霉素G，过敏反应发生率约为5%。-内酰胺抗生素给药后主要分布在细胞间质和组织间液中，大部分通过肾尿排泄。,2,第一节 重要-内酰胺类抗生素概述（二）一、特性:二、命名,青核青霉烷酸 6-氨基青霉烷酸青霉素G(苄青霉素)Na盐、K盐头核头孢霉烷酸7-氨基头孢霉烷酸头孢菌素C三、物理性质-内酰胺环：伸缩震动频率，由振动频率分析其结构稳定性。头孢菌素C 在260nm处有一吸收峰。（特征）立体结构,3,第二节 青霉素理化性质,基本性质：1，旋光性；2，pKa值2.76（25），可与NEP（N-乙基六氢吡啶）成盐而从溶媒中析出（可算特征反应，但青霉素X除外）。青霉素族抗生素：加工成普鲁卡因青霉素或苄星青霉素（二苄基乙二胺，长效）。单位表示法：1667/mg（理论值），1u=0.5999.（0.6）ug.一、稳定性：1、稳定：纯净干品相当稳定，150 1.5hr 效价不降。青G Na、K、普，有效期三年。pH=66.5最稳定（以57为好）；在非极性溶媒中稳定；在缓冲力强溶液中稳定。2、不稳定：过酸过碱、热等均不稳定。二、溶解度1、青霉素盐在极性溶剂中溶解度大。（水中20mg/ml）2、青霉素游离酸在非极性溶剂中溶解度大。3、若非极性溶媒含水量上升，青霉素碱金属盐溶解度大大上升。三、紫外吸收青G：在252、257、264nm处有弱吸收峰，是侧链苯乙酰胺基引起的。,4,四、降解反应,5,6,五、过敏反应综合以上的反应特性，可以看出测定青霉素的方法有：1、碘量法；2、比色法：与羟胺反应生成氧肟酸进而与高价Fe3形成紫色复合物；3、生物法；4、HPLC法等。,7,第三节 青霉素生产（菌种与发酵）,8,二、青霉素发酵工艺流程,9,3、发酵工艺过程及要点：种子：（固）斜面：相对湿度、无菌度、时间、外观。（液）种子：菌浓、无菌度、残糖、pH、镜检、菌丝形态等。,10,三、培养基：1、碳源：乳糖、葡萄糖、蔗糖、淀粉、油脂（天然）。（从经济上考虑，主要为葡萄糖母液和工业用葡萄糖。）（葡萄糖应注意葡萄糖效应：阻遏、抑制抗生素的合成。）2、氮源：氨基酸、玉米浆、花生粉、豆粉、玉米胚芽粉、尿素等。3、前体：苯乙酸、苯乙酰胺、苯乙胺等。（苯乙酸酯、醇类，以1.251.5为宜，如苯乙酸月桂醇酯。）4、无机盐：S（降低时产量降倍）、P（降低时产量降1倍）、Ca、Mg、K（K:Ca:Mg=30:20:41）、Fe,11,四、菌体生长代谢期：为方便生产可分为三个代谢期（也有人以菌丝形态分为五个期）。1、生长繁殖期：孢子发芽，分枝旺盛，菌浓增加快，染色深。2、分泌期：菌丝生长趋于减弱，补料加以调控，加入前体，保证产单位。3、菌丝自溶期：菌丝衰老（应在此之前做好放罐，保证提炼不乳化）。五、培养条件控制1、加糖控制：糖浓度下降0.6%，pH上升后，开始补加：072hr，控制下降0.60.8（一个班次68h）；72hr放罐，控制下降0.81.0；每小时以下降0.070.15计。2、补料及添加前体：（少量多次，或连续滴加）（加入大苏打Na2S2O3可减少前体毒性）进罐812小时液面稳定后补前料；单位上升到2500u/ml以上时，补前体0.05 0.08%）；NH3氮浓度0.010.05%。3、pH、温度、通气搅拌、泡沫（pH7或pH6可能是发酵异常的信号）。4、染菌处理。,12,青霉素发酵过程主要变量的典型变化曲线,13,补充：发酵代谢中间调控：1、PHNH2-N 低，pH低时：？；NH2-N 高，pH低时：？；NH2-N 高，pH高时：？；（若加糖后，NH2-N和pH仍不降低，则补？，促进菌体生长代谢。）NH2-N低，pH高时：？,14,补充：发酵代谢中间调控：1、PHNH2-N 低，pH低时：通NH3H2O；NH2-N 高，pH低时：可加CaCO3 则pH上升（若C下降，则补醋酸钠）；NH2-N 高，pH高时：加糖，则pH、NH2-N都下降；（若加糖后，NH2-N和pH仍不降低，则补P，促进菌体生长代谢。）NH2-N低，pH高时：则加生理酸性物质【如(NH4)2SO4】。(NH4)2SO42 NH3+H2SO4 NaNO34H2NH3+2H2O CH3COONa2O22CO2+H2O+NaOH,15,2、溶氧浓度变化及其控制与判断CL（溶氧）变化与前体、设备和工艺等因素有关。A.正常CL要熟悉才能比较。一般是（如下图所示）补料时CL突然上升，然后又下降到新的低谷。,B.异常CL可能原因：染菌：CL迅速下降，借助镜检、无试可以判断；染噬菌体：CL上升，Cc下降，发酵液迅速转稀，应及早处理，严防扩大；代谢异常：可能是有机酸大量积累，CL不足引起的；控制失灵：自动加油、通气。一旦失灵则导致CL剧变。油一次性加入，则CL大跌等（又如通NH3后，若CL下降，说明呼吸代谢得到改善，可大胆通。若CL上升，则越通越坏）。（提高CL的方法有哪些？）,16,3、泡沫：前期（潜伏期），CL高，菌未生长，泡沫高，通气搅拌、蛋白等均是气泡产生的原因，属正常现象，可适当减小通气和搅拌。潜伏期后，若泡沫仍然居高不下，说明代谢异常，应采取加大通气，提高搅拌，补加促进剂（如P），提高温度，促进生长等措施。4、补糖：若pH下降，糖耗快，引起C点低，说明代谢旺盛，溶氧不够，应以提高CL为主（如加大气量，提高搅拌），不可补C。若补C，则随后pH更低，直至发酵出现异常。5、补N控制：也应参照以上原则进行。,17,补充节：-内酰胺抗生素生物合成与代谢调控,生物合成的-内酰胺抗生素（一）,18,生物合成的-内酰胺抗生素（二）,19,青霉素与头孢菌素的生物合成途径（一）,20,青霉素与头孢菌素的生物合成途径（二）,21,青霉素与头孢菌素的生物合成途径（三）,22,青霉素和头孢菌素C生物合成涉及的基因和酶,23,青霉素生物合成中副产物的生成,6-APA羧化生成8-HPA(8-羟基青霉咪唑酸，8-hydroxypenillic acid)+CO2 L-氨基己二酸环化生成OPC(6-氧哌啶-2-羧酸,6-oxopiperidine-2-carboxylate)+H2O 青霉素水解生成青霉噻唑酸和青霉酮酸,左：咪唑烷酮型，右：咪唑啉型,24,青霉素生物合成中副产物的生成,25,由葡萄糖生物合成青霉素V的理论转化得率,a.Jorgensen H et al.,1995；b.Hersbach GJM et al.,1984.OPC：L氨基己二酸环化成6氧哌啶2羧酸（OPC）,26,棒酸的生物合成途径,CEAS=羧乙基精氨酸合成酶，-LS=-内酰胺合成酶，CAS=棒胺酸合成酶（包括CAS1和CAS2两个同功酶），PAH=原棒胺酸脒基水解酶，CAD=棒醛脱氢酶。,27,生物合成中的调控反应碳源调控（葡萄糖效应）：代谢快的碳源 青霉素、头孢菌素、棒酸发酵NH4+调控：NH4+青霉素、头孢菌素发酵氨基酸调控：赖氨酸 青霉素、头孢菌素发酵，蛋氨酸 头孢菌素发酵pH调控（影响通透酶）磷酸盐调控（一般与碳源调控相联系）注：“”表示抑制或阻遏，“”表示促进或刺激。调控反应的控制：用流加方法控制效应物在发酵液中的残留浓度,28,第四节 青霉素提炼,29,第五节 青霉素溶媒萃取收率计算（pH-收率关系）,30,第六节 半合成青霉素,31,附：青霉素发展途径图解,32,33,“青霉素发展图”是从6-APA的发现到酰化等引入侧链，前后经历了多年的研究，主要是对侧链进行化学改造，合成了上万个衍生物，取得了惊人的进展和改进，除了过敏反应未得到克服外，抗菌谱窄、不耐酸、不耐酶的缺点基本上得到克服，典型代表如上图。1耐酸青霉素：青霉素遇酸分解为无活性的青霉烯酸及青霉酸，这主要是涉及侧链酰胺基的电子转移。因此侧链R的性质对反应的产生有重要影响。很明显，假如侧链有吸电子基团存在，防止电子转移，势必增加化合物对酸的稳定性。Abraham比较了Pen-G及Pen-V对酸稳定性的差异，解释了后者稳定的原因在于吸电子基团的存在，第一次指出了侧链吸电子基团对青霉素稳定性的影响。凡是侧链-位有吸电子基团存在的青霉素衍生物，均对酸稳定，肠胃道能吸收者都可以口服，若取代基极性很强，亲脂性差（如-COOH,-SO3H），则口服不吸收。,34,青霉素G与青霉素V的结构比较,35,2耐酶青霉素：细菌对青霉素产生耐药性的主要原因是：产生-内酰胺酶，将内酰胺环水解为青霉噻唑酸，其水解过程青霉素必须与酶活性中心相结合，因此，如果侧链增大（取代苯、萘、异噁唑等），产生立体效应，阻碍了酶与底物的结合，则青霉素不被水解，保持其抗菌活力。不言而喻，如果侧链取代基不大，则不起阻碍作用，如氨苄青霉素及其脂类衍生物、苯氧乙基青霉素等，虽然耐酸，但不耐酶，故对产-内酰胺酶的细菌无效。3窄谱青霉素：只对G有效（如青霉素G及以后对付耐药的金黄色葡萄球菌而发展起来的苯唑青霉素、氯苯唑青霉素和甲氧青霉素等）或对G有效（如氮卓脒青霉素），故称窄谱青霉素。氨卓脒青霉素抗G很弱，但它的强抗G作用打破了过去认为6-位酰胺基是青霉素抗菌作用必备条件的老框框，同时它对细菌细胞糖肽合成的转肽酶没有作用，提出了青霉素作用机制的新问题。,36,4广谱青霉素：主要是受青霉素N的启发。青N与青G有相同的母核，青N抗G+比青G弱（差），但抗G比青G强很多倍。因而推测侧链氨基存在对G的作用具有重要意义。从而揭开了合成侧链含有氨基的青霉素衍生物（如氨卞青霉素及其一系列-氨基取代物）的序幕。随后还在除氨基以外苯核（特别是杂环）侧链的-位引入电负性强的官能团，如-COOH，-SO3H等，发现也能增加抗G细菌的能力。如磺氨苄青霉素、羧苄青霉素、羧噻吩青霉素等。,37,第七节 非典型-内酰胺类抗生素,一、头霉素及其7-甲氧基头孢菌素,1971年从链霉素中发现头孢菌素C结构类似物头霉素A、B和C。A、B总是一同产生，他们对活性较高。头霉素C产生菌在自然界中很罕见，且产A、B菌从不产生C，反之亦然。而头霉素C抗较弱，但抗较强，并对耐药的大肠杆菌和变形杆菌有效。7-位的甲氧基最具特色，对-内酰胺酶都有高度的稳定性。为头孢菌素的改造开创了一种新类型：-甲氧基头孢菌素；如噻吩甲氧头孢菌素、氰唑甲氧头孢菌素等。它们对有较强的抗菌作用，对产生的各类-内酰胺酶均很稳定，临床上用来治疗一些对氨苄青霉素及其他耐头孢菌素的引起的严重感染。,38,二、棒酸和青霉烷砜,1976年由英国Beecham公司从棒状链霉菌发酵液中分离得到。棒酸本身抗菌活性很弱，但与其它-内酰胺类抗生素合用有协同作用，能保护这些抗生素免受产酶细菌钝化而大大减少剂量，提高疗效。棒酸与羟氨苄青霉素按1:2比例制成的口服制剂，效果良好，可治疗呼吸道感染、尿路感染及其它感染（俗称奥格门汀Augmentin）。,39,三、硫霉素及有关化合物碳青霉稀衍生物,1976年美国Merck公司从牛链霉菌发酵液中发现的一种活性很强的广谱抗生素和-内酰胺酶抑制剂硫霉素。硫霉素对杆菌和球菌均有很强的活力及广泛的抗菌谱，对某些厌气菌也呈现卓越的活性，其作用等于或超过半合成青霉素、某些第三代头孢菌素及氨基糖苷类抗生素。主要优点：对庆大及羧苄青霉素耐药的绿脓杆菌以及其它有抗菌活性，对拟杆菌有较强活性，对大多数-内酰胺酶稳定，对各种和产生的-内酰胺酶有抑制作用，但抑制活性不及橄榄酸。缺点：稳定性很差，在溶液、组织和体液中很快分解，但通过化学改造，可增强稳定性。,40,四、诺卡菌素和其它单环-内酰胺抗生素,优点：1、诺卡菌素对和绿脓杆菌、变形杆菌及大肠杆菌有广泛的抗菌活性。但对金黄色葡萄菌无效，对细菌产生的-内酰胺酶稳定；、体内活性高于体外，毒性低，无交叉免疫反应（对-内酰胺抗生素而言）；、在酸性或碱性溶液中稳定，即使pH 12 25放置80hr仅失活力，此为其最显著特征。半合成衍生物氨噻羧单胺菌素比“头孢孟多”还优。对呼吸道感染作用与T0b相似，但肾毒性较低，是有发展前途的抗生素。,41,五、化学合成制备新的母核衍生物,集众多-内酰胺之优点设计出了新的母核衍生物羟羧氧酰胺菌素：优点:1、广谱、对难控制的病原菌有高效；2、对-内酰胺酶很稳定；3、对脆性拟杆菌比头孢哌酮，氰唑头孢菌素有效，对G较头孢、噻吩甲氧头孢强10100倍；、在高浓度时对绿脓杆菌也有效。碳头孢稀类新衍生物也正在发展之中。,42,第八节 头孢菌素,一、理化性质：1、头孢菌素C C16H21O8N3=415.442、pK值：侧链羧基11时迅速失活。在260nm处有紫外吸收。,43,二、头孢菌素C的一般反应性能：,44,三、头孢菌素结构与活性（药效）的关系（构效关系）,1、3-位取代3-位乙酰氧基被硫代杂环或季胺基取代能增强抗G和G菌的活性。这是因为杂环等通过共轭传递诱导效应或形成共轭体系，使-内酰胺环羰基电子云密度减少，从而增加了药物与酶的酰化反应能力。取代基的吸电子能力越强，抗G菌强度越大。3-位取代对药代动力学的影响有决定性意义。若杂环上有酸性基团（-OH、-COOH、-SO3H）存在，将提高与血清的结合，延长半衰期。3-位乙酰氧基被亲脂性基团取代（CH3、Cl等），促进肠道迅速吸收药物，这类药都可以口服。3-位乙酰氧基若被含有酸性或碱性基团的杂环化合物取代，口服则不吸收，必须静滴或肌注给药。,45,46,四、不同代头孢菌素类的结构,47,头孢菌素发展的途径,48,五、半合成头孢菌素代的划分,1、以抗菌范围和抗菌能力来分类第一代头孢：抗菌谱略有差异，但对同样的微生物都有不同程度的抗菌性（主要是广谱化）；第二代头孢：抗菌谱比第一代广得多，抗菌活力也稍强，但抗绿脓杆菌能力很弱；第三代头孢：抗G能力比第一代、第二代强，对绿脓杆菌有中等到强的抑制能力。但抗金黄色葡萄球菌、表皮葡萄球菌能力则不及第一、二代。从本质上看，是由于第三代头孢菌素对大多数-内酰胺酶不敏感，所以对该酶的产生菌自然就敏感了。第四代头孢：最大特点是高度耐酶能力，对绝大部分G有高度抗菌活性，尤其是对绿脓杆菌的作用超过了所有的头孢菌素，并稍强于Tob、庆大霉素和丁卡。似乎是治疗对氨基环醇类抗生素产生耐药的绿脓杆菌感染的最好药物。“代”的表示法只是相对的，每代之间难免有些交叉。如噻甲羧肟头孢菌素（ceftazidine即GR20263）有人认为属第三代，有人认为属第四代。同代之间的抗菌作用也不尽相同。,49,2、按化学结构分类：第一代：含7-ACA核的为第一代；第二代：含头霉素C核（7-甲氧基的7-ACA）的为第二代；第三代：7-ACA中的S被O取代的1-氧-头孢霉素为第三代。这种分类便于掌握结构特征，但与上一种分类法（抗菌分类）相比，却有较大的弊病。因为母核相同（即同代）的头孢菌素抗菌活性却有明显的差别，而结构上差别较大的（即所谓不同代）却有相似的抗菌谱。因此从临床应用角度上看，以抗菌范围分类较为合理和适用。,50,六、头孢菌素C的发酵与精制,1、发酵（菌种：顶头孢霉菌）,发酵同样可分为三个代谢阶段：（1）生长繁殖期；（2）头C积累期；（3）菌丝自溶期。,2、头孢菌素C的提取头C为氨基酸类化合物，通常以两性离子存在于水溶液中，且发酵液中伴有青霉素、DCPC、DOCPC、氨基酸与色素等杂质。因此从发酵液中提取头C较复杂而困难。根据原理可分为4钟方法：,51,（1）离子交换法：弱碱性树脂提取头C（弱碱性阴树脂330或Amberlite IRA-68或Amberlite IR-4B等）。发酵液草酸酸化pH45过滤强酸H型阳离子树脂pH2.83.0 静置34小时（破坏青霉素）330树脂吸附（至此收率一般为4050）头C的Na、K盐水溶性大，结晶收率低。因此也可改用锌盐沉淀结晶，或在解析液中加入酰化剂，将头C转成N-酰化衍生物，再用溶媒提取精制。此法因滤液中存在杂质和无机盐会严重影响它的交换容量。虽经多次改进提高，但产品质量与收率仍然不理想。但具有操作简便、设备简单、节约溶媒等优点。,52,（2）大孔树脂吸附法：大孔树脂吸附作用主要基于范德华力。根据吸附理论中的盐析作用原理，发酵液中的无机离子和极性物质不但不干扰吸附过程，反而促使非极性有机大分子更好地被吸附，这一点比阴离子树脂可取，从而改善和提高了对头C的提取和纯化效果。但有些杂质和色素不易分离，一般需再经弱碱性阴树脂进一步纯化。常用的非离子型大孔树脂有Amberlite XAD-2，XAD-4及DiaionHP-20等。如：发酵液酸化（H2SO4）至pH2.52.8破坏青霉素N过滤滤液 Amberlite XAD-4大孔树脂吸附（静态吸附置4hr）20%丙酮水溶液解吸再经 Amberlite IRA-68吸附醋酸盐缓冲液洗脱加入锌沉淀结晶以上步骤可制得含95%以上的头C锌盐，收率自发酵液计算一般可达70%以上。优点：无需考虑极性物质与无机离子的干扰而省去脱盐操作，且选择性优良，解析纯度比离子交换法提高。缺点：树脂用量大（为发酵液体积的一半）。树脂怕污染，严重时不易再生，丙酮、乙醇等亲水有机溶媒需要回收，影响经济效益。尽管如此，因质量和收率比较理想，目前国内外企业仍然乐于采用此法。,53,（3）溶媒提取法：（头C 侧链形成内盐，水溶性很大）一般要在发酵滤液中加入能掩蔽侧链氨基的试剂，如酰氯、酸酐、异氰酸酯等。转成头C的N-酰化衍生物。然后才能在酸性下用与水不互溶的溶剂甲基异丁基酮、正丁醇或乙酸乙酯提取。如用对-硝基苯甲酰氯酰化滤液中的头C，经甲基异丁基酮酸化提取，转成N-(对-硝基苯甲酰)头C钠盐结晶，自滤液计算收率为90%。因发酵液杂质多，酰化剂用量大（一般为79克分子），耗费多，且提取溶媒多为亲水性，损耗大，故虽然收率高、质量好，但经济效益难以补偿。所以工厂采用的不多。,54,4、络盐沉淀法利用头C可与2价重金属离子Ca2+、Zn2+、Ni2+、Co2+、Fe2+、Pb2+等形成11克分子的难溶性络盐微晶沉淀的原理，从头C发酵液中提取头C盐。如：头C滤液调pH降至5.5醋酸锌搅拌溶解加入水溶液体积30%左右的乙醇或丙酮，头C锌盐微晶便沉淀析出，收率90%以上。优点：简便、收率好。缺点：重金属盐选择性较差，且需在一定浓度下才能析出络盐微晶。因此，多半以半纯化的头C水溶液为原料，且与其它方法结合使用。,55,Difficult!Trublesome!Take olive!明知征途有艰险，越是艰险越向前！,56,第3章 思考题,