内酰胺类抗生素_17课件

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1、第四章 -内酰胺类抗生素,青霉素,2,概述,1,4.1 概述,发展概况,2,临床应用的主要-内酰胺类抗生素及其生物活性,3,-内酰胺类抗生素的特性和作用机制,1,4.1.1 -内酰胺类抗生素的特性和作用机制,1.结构特性,4.1.1 -内酰胺类抗生素的特性和作用机制,青霉素与头孢菌素结构这类抗生素都含有一个四元内酰胺环，并通过氮原子和相邻的碳原子与另一个杂环相稠合，这两个杂环可以是五元环也可以是六元环。它们结构上的共同特点是：与内酰胺环中氮原子相邻的碳原子上有一氨基；与内酰胺环中氮原子相对的碳原子上有一氨基。按一种简化的方法可将未取代的两个稠环系统，分别称为青核(penam)与头核(cepha

2、m)，于是青霉素可称为6-酰胺-2-二甲基青核-3-羧酸。头孢菌素可称为3-乙酰氧甲基-7-酰胺头核-4-羧酸。,4.1.1 -内酰胺类抗生素的特性和作用机制,2.物理性质,4.1.1-内酰胺类抗生素的特性和作用机制,4.作用机制 -内酰胺类抗生素的作用机制是通过抑制肽聚糖转肽酶及D-丙氨酸羧肽酶的活性抑制肽聚糖合成，从而干扰细胞壁合成。这种干扰是不可逆的，且杀菌浓度和抑菌浓度很接近。由于动物细胞没有细胞壁，更不含肽聚糖结构，因而对动物细胞的合成没有影响。这种优良的选择性毒性，使-内酰胺类抗生素成为一类高效、安全的抗细菌感染药物。,4.1.1 -内酰胺类抗生素的特性和作用机制,3.化学性质 -

3、内酰胺类抗生素通常很活泼，它们的化学性质大都和-内酰胺环有关，由于为稠环系统，故环的应力增加，因而反应性能更强。在很多情况下，内酰胺环中羰基的反应性能和羧酸酐相似，很易被亲核试剂和亲电试剂作用，使内酰胺环打开而失去活性。与青霉素相比头孢菌素较不易发生开环反应，故可以把甲醇作为重结晶的溶剂。头孢菌素对酸也较稳定。,4.1.2 发展概况,4.1.2 发展概况,4.1.3 临床应用的主要-内酰胺类抗生素及其生物活性,临床应用的-内酰胺抗生素分为青霉素、头孢菌素和新型-内酰胺三类，它们绝大多数都是由天然-内酰胺抗生素半合成得到的。 苄青霉素(青霉素G)和青霉素V(苯氧甲基青霉素)是仅有的直接用于临床的

4、天然-内酰胺抗生素。它们对革兰阳性细菌有很强的抗菌活性，而对革兰阴性细菌无活性，容易受-内酰胺酶作用而失活，因而对耐药菌株无效。通过侧链的化学改造，可获得一系列广谱甚至对绿脓杆菌有效或耐-内酰胺酶的半合成青霉素。目前在临床上应用的主要有氨苄西林(广谱)、替卡西林(抗绿脓杆菌)、甲氧西林(耐青霉素酶)、氯唑西林(耐青霉素酶)等。,4.1.3 临床应用的主要-内酰胺类抗生素及其生物活性,典型的天然头孢菌素为头孢菌素C和7-甲氧头孢菌素C(头霉素C)。它们都具有广谱抗细菌作用，且对青霉素酶稳定；后者还能耐受头孢菌素酶。由于天然物的抗菌活性不高，或抗菌谱不够理想，故临床上应用的都是它们的半合成衍生物，

5、如头孢力行(口服)、头孢克洛(口服)、头孢唑啉(注射)、头孢西丁(注射，耐-内酰胺酶)、头孢他啶(注射，耐-内酰胺酶，抗绿脓杆菌)等。,4.1.3 临床应用的主要-内酰胺类抗生素及其生物活性,许多天然存在的碳青霉烯对革兰阳性和阴性细菌有广谱抗菌活性，并对-内酰胺酶高度稳定。但和其他-内酰胺不同，它们易被哺乳动物肾脏中的二肽酶水解失活。硫霉素是这类抗生素的最优秀代表，它具有极强及极广泛的抗菌活性。它的亚氨基衍生物亚氨青霉烯(imipenem)与二肽酶抑制剂(cilastatin)的复合制剂已广泛用于重症细菌感染的临床治疗中。,4.1.3临床应用的主要-内酰胺类抗生素及其生物活性,克拉维酸是链霉菌

6、的代谢产物，它本身的抗菌活性很弱，但有很强的-内酰胺酶抑制活性，与对-内酰胺酶敏感的-内酰胺抗生素合用有很好的协同作用。克拉维酸与阿莫西林(羟氨苄青霉素)或替卡西林(羧噻吩青霉素)的复合制剂已被广泛用于临床。,4.1.3 临床应用的主要-内酰胺类抗生素及其生物活性,单菌胺(monobactam)是由细菌产生的单环-内酰胺抗生素的总称。所有天然存在的单菌胺都是3-氨基2-氧1-氮杂环丁烷磺酸的N酰基衍生物，一般抗菌活性不强，通过侧链改造可以使活性显著增强。第一个临床应用的单菌胺衍生物是注射用氨曲南(aztreonam)，它对革兰阴性细菌有很强的活性，对-内酰胺酶高度稳定，但对革兰阳性细菌和厌氧菌

7、的活性较弱。单菌胺一般由氨基酸合成得到。,4.2 青霉素,青霉素的理化性质,2,青霉素的发酵生产,3,青霉素的生物合成与理论产量,4,青霉素的提取和精制,5,质量检定,6,天然存在的青霉素,1,4.2.2 青霉素的理化性质,1.稳定性,4.2.1 天然存在的青霉素,青霉素是一族抗生素的总称，当发酵培养基中不加侧链前时，会产生多种N酰基取代的青霉素混合物，它们合称为青霉素族抗生素。,4.2.2 青霉素的理化性质,2.溶解度,4.2.2 青霉素的理化性质,3.降解反应,4.2.2 青霉素的理化性质,青霉噻唑酸或其酯在醇溶液中或有HgCl2存在时，会异构化成为青霉胺缩醛酸()或其相应的酯。,4.2.

8、2 青霉素的理化性质,青霉素的碱性降解产物青霉噻唑酸能和4分子碘起作用。,4.2.2 青霉素的理化性质,青霉烯酸在室温下，在95%乙醇溶液中会转变成青霉酸。,4.2.2 青霉素的理化性质,根据上述反应，显然如果6-酰基位上有吸电子基团则会阻碍降解反应，因而青霉素V和氨苄西林对酸较稳定，宜于口服。,4.2.2 青霉素的理化性质,在激烈的水解条件下，例如在稀酸溶液中，加热至100，则青霉素最终分解为青霉胺(，penicillamine)和青霉醛酸(，penaldic acid)，后者失去CO2变成青霉醛(，penilloaldehyde)。,4.2.2 青霉素的理化性质,青霉素水溶液在贮存过程中会

9、形成青霉烯酸。,4.2.2 青霉素的理化性质,4.2.2 青霉素的理化性质,4.紫外吸收光谱,4.2.2 青霉素的理化性质,5.过敏反应 引起青霉素过敏的物质现在还不十分明了，可能是由于青霉素的降解产物(如青霉烯酸、青霉噻唑酸等)或它们与蛋白质结合的产物(即毒霉噻唑蛋白)，也可能是青霉素分子本身的聚合物。曾用葡萄糖凝胶从青霉素钾盐成品中分离出青霉噻唑蛋白等聚合物。对于青霉素致敏原因目前正大力开展研究，以期采取措施，消除过敏。,4.2.3 青霉素的发酵生产,1.青霉素生产菌种 最早发现产生青霉素的原始菌种是Fleming分离的点青霉(Penicillium notatum)。 后来找到另一种适合

10、深层培养的产黄青霉菌(P.chrysogenum)MinnR-B(生产能力120U/mL)及NRRL1951(生产能力100U/mL)，后者经X射线、紫外线诱变处理得到生产能力较高的变种，如NRR1951变异系谱的Q-176菌株。 目前青霉素生产菌种有形成绿色孢子和黄色孢子两种产黄青霉菌株。,4.2.3 青霉素的发酵生产,2.菌种保存 青霉素生产菌种一般在真空冷冻干燥状态下，保存其分生孢子。也可以用甘油或乳糖溶液作悬浮剂，在-70冰箱或液氮中保存孢子悬浮液或营养菌丝体。对冷冻营养菌丝体进行保存可避免分生孢子传代时可能造成的变异，一般来说，分生孢子传代比菌丝传代更容易发生变异。,4.2.3 青霉

11、素的发酵生产,3.青霉素的发酵生产 （1）发酵生产流程,4.2.3 青霉素的发酵生产,在沉没培养条件下，青霉素产生菌在生长发育过程中，其细胞会明显的变化，按其生长特征可以划分为六个生长期：第期分生孢子发芽，孢子先膨胀，再形成小的芽管，原生质未分化，有小空胞；第期菌丝增殖，原生质的嗜碱性很强，在期末有类脂肪小颗粒；第期形成脂肪粒，积累贮藏物，没有空胞，原生质嗜碱性仍强；第期脂肪粒减少，形成中小空胞，原生质嗜碱性减弱；第期形成大的空胞，其中含有一个或数个中性红染色的大颗粒，脂肪粒消失；第期细胞内看不到颗粒，并出现个别自溶的细胞。,4.2.3 青霉素的发酵生产,（2）工艺要点 生产孢子的制备：将砂土

12、孢子用甘油、葡萄糖和蛋白胨组成的培养基进行斜面培养后，移到大米或小米固体培养基上，于25培养7天，孢子成熟后进行真空干燥，并以这种形式低温保存备用。,4.2.3 青霉素的发酵生产,生产种子的制备：种子制备时以每吨培养基不少于200亿孢子的接种量，接种到以葡萄糖、乳糖和玉米浆等为培养基的一级种子罐内，于(271)培养40h左右，控制通气量为13m3/(m3min)，搅拌转速为300350r/min。一级种子长好以后，按10%接种量移种到以葡萄糖、玉米浆等为培养基的二级种子罐内，于（251)培养1014h，便可作为发酵罐的种子。培养二级种子时，通风比为（11）（15）m3/(m3min)，搅拌转速

13、为250280r/min。,4.2.3 青霉素的发酵生产,种子质量要求：菌丝稠密，菌丝团很少，菌丝粗壮，有中小空胞，处在第期。在最适生长条件下，到达对数生长期时菌体量的倍增时间约为67h。菌种保存时间过长、上一级种子生长不良、原材料质量发生波动等，都将影响菌体生长速度，使倍增时间延长。在工业生产中，培养条件及原材料质量均应严格控制，以保持种子质量的稳定性。,4.2.3 青霉素的发酵生产,发酵生产,4.2.3 青霉素的发酵生产,（3）影响发酵产率的因素及发酵过程控制 基质浓度的影响 目前，糖浓度的检测尚难在线进行，故葡萄糖的流加不是根据糖浓度控制，而是间接根据pH值、溶氧或CO2释放率予以调节。

14、,4.2.3 青霉素的发酵生产,前体的影响及控制 苯乙酸或其衍生物苯乙酰胺、苯乙胺、苯乙酰甘氨酸等均可作为青霉素G的侧链前体。青霉菌可将前体直接结合到产物分子中，也可作为养料和能源利用，即氧化为二氧化碳和水。,4.2.3 青霉素的发酵生产,pH值的影响及控制 青霉素发酵的最适pH值，一般认为是6.56.9，应尽量避免超过7.0，因为青霉素在碱性条件下不稳定，容易加速水解。,4.2.3 青霉素的发酵生产,温度的影响及控制 青霉素发酵的最适温度随所用菌株的不同可能稍有差异，对菌丝生长和青霉素合成来说，最适温度是不一样的。一般生长的适宜温度为27，而分泌青霉素的适宜温度是在20左右。 生产上采用变温

15、控制法，使之适合不同发酵阶段的需要。 康斯坦丁尼德斯(Constantinides)等对青霉素分批发酵进行了研究和计算，并以所得数据进行发酵试验：开始56h维持在272，然后直线下降到187维持到184h，最后24h回复到272培养。采用这种变温培养方法比常温25培养，可增加16%产量。,4.2.3 青霉素的发酵生产,溶氧的在线控制 对于青霉素发酵来说，溶氧浓度是影响发酵过程的重要因素。当溶氧浓度降到30%饱和度以下时，青霉素产量急剧下降；低于10%饱和度时，则造成不可逆转的损失。发酵液中溶氧浓度过高，说明菌丝生长不良或加糖率过低，使呼吸强度下降同样影响生产能力的发挥。 溶氧浓度是氧传递与氧消

16、耗的动态平衡点，而氧消耗与糖消耗成正比，故溶氧浓度也可作为葡萄糖流加控制的参考指标之一。,4.2.3 青霉素的发酵生产,补料的影响及控制 发酵过程中除以中间补糖控制糖浓度及pH值外，补加氮源亦可提高发酵单位。在基础料中加入0.05%尿素，并在补糖时再补加二次尿素，可以扭转发酵液浓度转稀、pH值低和单位增长慢的情况。 在发酵过程中与料液一起补入表面活性剂如新洁尔灭5010-6，或聚氧乙烯、山梨糖醇酐、单油酸酯、单月桂酸酯和三油酸酯等非离子表面活性剂也能增加青霉素的产量。,4.2.3 青霉素的发酵生产,在青霉素发酵过程中加入少量可溶性高分子化合物如4010-6聚乙烯醇、聚丙烯酸钠、聚二乙胺或聚乙烯吡咯烷酮(PVP)能使青霉素产率增加38%。这些物质能够提高产量的原因是：当发酵罐使用较大的搅拌功率和较快的搅拌速度时，这些高分子化合物能使邻近搅拌液的液体速度梯度降低，避免打断菌丝，而且在