青霉素的研究进展

本科课程论文学院**学院专业制药工程课程药学史与方法论年级2012级学号*****姓名***指导教师***教授成绩青霉素的研发进摘要：青霉素是第一种能够治疗人类疾病的抗生素,在与细菌作斗争和保护人类健康中起重要作用。青霉素的出现，使人类终于有了对抗细菌感染的特效药，在二战时期欧洲战场上无数伤员因伤口感染化脓而死亡，当时的抗菌良药磺胺也无济于事，此时青霉素发挥了它的作用，挽救了成千上万伤员的生命。青霉素的发现，引发了医学界寻找抗菌素新药的高潮，人类进入了合成新药的时代。本文主要对青霉素的发现、发展、结构和分类,以及青霉素的作用机制、生产方法和使用现状等方面进行了介绍。关键词：青霉素；青霉素的结构、分类；抗菌作用机制；生产方法一、青霉素的开发历程1928年9月，细菌学家亚历山大•弗莱明在英国伦敦圣玛丽医院的一间实验室里发现，青霉菌具有强烈的杀菌作用，而且就连其培养汤也有较好的杀菌能力。于是他推论，真正的杀菌物质一定是青霉菌生长过程的代谢物，并将青霉菌分泌的抑菌物质称为青霉素[1]。并于1929年在《不列颠实验病理学杂志》上，发表了《关于霉菌培养的杀菌作用》的研究论文，介绍了青霉素的杀菌作用等性质，由当时提取的青霉素杂质较多，性质不稳定，疗效不太显著，人们没有给青霉素以足够的重视。1939年钱恩、弗洛里等人在检索文献时，意外地发现了弗莱明10年前发表的关于青霉素的文章。他们立刻把所有工作转到对青霉素的专门研究上来。到了年底，钱恩终于成功地分离出像玉米淀粉似的黄色青霉素粉末，并把它提纯为药剂。实验结果表面，黄色粉剂稀释三千万倍仍然有效且其抗菌作用比磺胺类药物还强9倍，比弗莱明当初提纯的青霉素粉末的有效率还高一千倍，而且没有明显的毒性。1940弗莱明动身赶到牛津会见钱恩和弗洛里，并毫不犹豫地把自己培养了多年的青霉素产生菌送给了弗洛里，利用这些产生菌，钱恩等人培养出效力更大的青霉素菌株。弗洛里等人四处奔波，希望英国的药厂能投产这一大有前途的新药，遗憾的是多数药厂都借口战时困难而置之不理。最后，他们带着满身的疲惫和残存的希望，远涉重洋，来到了美国，在美国，弗洛里等人终于得到了自己需要的帮助。1941年12月美国军方宣布青霉素为优先制造的军需品。伊利诺斯州皮奥里亚的一家工厂生产了第一批青霉素，但产量少得可怜，因为青霉素的生产工艺十分复杂。直到1942年，人们发现了一种来源广泛又非常便宜的营养液、和一种生产速度很快的金菌青霉素青霉菌，而且找到了一种更为有效的培养方法，使得青霉素的大规模生产变为可能。到1942年末，有二十余家美国公司开始大量生产青霉素。青霉素应用之初，不仅一般人对它表示怀疑，就连多数医务工作者也不相信它的药效。直到1944年，英美联军在诺曼底登陆，开始大规模地同德国法西斯作战，受伤士兵越来越多，对抗菌药物的需要尤为迫切。在这次战争中，磺胺药在医治重伤员时效果却不理想，而为数不多的青霉素填补了磺胺药的空白，显示了较大的威力，活生生的事实，使得医护人员不能不对青霉素刮目相看[2]。青霉素的发现是人类取得的一个了不起的成就，为表彰弗莱明等人对人类作出的杰出贡献，1945年的诺贝尔医学奖授予了弗莱明、弗洛里和钱恩三人。1953年5月，中国第一批国产青霉素诞生，揭开了中国生产抗生素的历史。目前，中国已成为世界上最大青霉素生产国，青霉素潜在产能10万吨，市场占有率达到80%以上。二、青霉素结构的确定自从青霉素被广泛应用以来,青霉素的结构便成为众多化学家追寻的问题，科学家相继从自然界中发现了6种青霉素（图一）。经过众多化学家的艰苦研究,从各种结构中筛选出了3种最为可能的结构(图2)。它们分别是噻唑烷-噁唑酮结构、三环结构和β-内酰胺结构。1949年将青霉素的结构确定为β-内酰胺结构，青霉素结构的确定距离弗莱明发现青霉素已经有21年[3]。为了纪念弗莱明发现青霉素,把他发现的青霉素命名为青霉素F。图1自然界中6种青霉素及人工合成青霉素V的结构图2青霉素的3种可能结构三、青霉素结构特点与性质青霉素是发现最早、最卓越的一种β-内酰胺类抗生素。青霉素分子中有一个游离的羟基和酰胺侧链，氢化噻唑环与β-内酰胺合并构成其母核，称为6-氨基青霉烷酸（6-aminopenicillanicacid,简称6-APA）。青霉素的分子结构由侧链RCO—与母核6-APA两部分结合而成。β-内酰胺环是青霉素的结构活性中心，性质活泼，是分子中最不稳定部分，易发生水解和分子重排，导致β-内酰胺环的破坏而失去抗菌活性。青霉素分子中含有三个手性碳原子，故具有旋光性。青霉素中游离的羟基具有一定的酸性，能与无机碱或某些有机碱形成盐，青霉素几乎不溶于水但其盐极易溶于水。经过研究确定抗菌性能最好,也是我们现在最常用的青霉素是青霉素G。青霉素G，其化学名称为(2S,5R,6R)-3,3-二甲基-6-(2-苯乙酰氨基)-7-氧代-4-硫杂-1-氮杂双环[3.2.0]庚烷-2-甲酸。英文名称为(2S,5R,6R)-3,3-dimethyl-7-oxo-6-[(2-phenylacetyl)amino]-4-thia-1-azabicyclo[3.2.0]heptane-2-carboxylicacid。分子式为C16H18N2O44S,相对分子质量为334.4,比旋光度[α]D20为+269(c=1,甲醇)[4]，其结构式如图1所示。图3青霉素G四、青霉素的分类1928年发现青霉素到现在,已经过去了80多年，截止目前青霉素可分为三代：第一代青霉素指天然青霉素，如青霉素G、F、K等；第二代青霉素是指以青霉素母核－6－氨基青霉烷酸（6－APA）改变侧链而得到半合成青霉素，如甲氧氨苄青霉素、苯青霉素、羧苄青霉素；第三代青霉素是母核结构，它带有与青霉素相同的β－内酰胺环，但不具有四氢噻唑环，如硫霉素、奴卡霉素。青霉素按其特点可分为6类[5]：1.青霉素G类：如青霉素G钾、青霉素G钠、长效西林等。2.青霉素V类：如青霉素V钾等。3.抗假单胞菌青霉素：如羧苄西林、哌拉西林、替卡西林等。4.广谱青霉素：如氨苄青霉素、羟氨青霉素等。5.耐酶青霉素：如苯唑青霉素、氯唑青霉素等。6.氮咪青霉素：如美西林及其酯匹美西林等,其特点为较耐酶,对某些阴性杆菌如克雷伯氏菌、大肠杆菌和沙门氏菌有效,但对绿脓杆菌效果较差。五、青霉素的合成1579年3月J.C.Sheehan和R.K,Henry—logan发表了一篇题目为“青霉素v的全合成”的报导[6]。1945年以前，多数化学家接受青霉素的结构式是四氢噻吩-噁唑酮结构式，如图4所示，第一次成功合成青霉素[7]是依据四氢噻吩-噁唑酮结构式设计的。图4四氢噻吩-噁唑酮结构式青霉素（以苯甲基青霉素为代表）的一个主要降解反应是碱性水解,先生成D-苯甲基青霉酸（D-benzylpenicilloicacid），此化合物不稳定，在室温脱羧成D-苯甲基脱羧青霉酸，再经过氯化高汞水溶液的处理，打开四氢噻唑环，最后生成苯甲基青霉醛和青霉胺，过程如图5。图5苯甲基青霉醛和青霉胺合成过程首次苯甲基青霉素的合成是用青霉胺与4—甲氧甲亚基—2—苯甲基—5（4）—噁唑酮或4-乙氧甲亚基—2—苯甲基—5（4）—噁唑酮缩合而成。缩合分两步进行，首先在吡啶中和在三乙胺的存在下使ⅠXa与Ⅵ在00缩合10min,再低温析离后，再在吡啶中，在微量的吡啶酸存在下，加入少量的二乙胺，在1300加热7min，在这样的条件下所得到的产物中含有不超过0.1%的苯甲基青霉素的活性，如图6所示[8]。图6苯甲基青霉素的合成目前青霉素的生产方法主要是半合成法，利用微生物产生的青霉素酰化酶裂解青霉素G或V得到6-氨基青霉烷酸(6-aminopenicilanicacid,6APA)(图7),以其为原料,用化学或生物化学等方法将各种类型的侧链与其缩合,制成各类具有耐酶、耐酸或广谱抗菌性质的青霉素类抗生素。图76-氨基青霉烷酸的结构化学半合成法是先将各种前体羧酸转变为酰氯或酸酐,然后与6-氨基青霉烷酸于低温下缩合得到青霉素（图8）。图8青霉素的半合成法随着酶催化法合成青霉素工业发展日趋成熟，现在利用酰胺酶裂解青霉素成6-氨基青霉烷酸的逆反应,在pH5和适宜的温度下,可使6—氨基青霉烷酸和侧链缩合成相应的新青霉素[9]。六、青霉素的抗菌作用机制黏肽是细菌细胞壁的主要成分,是细菌细胞壁中最坚硬的一层，它的存在可以维持细菌细胞的外形,保持细菌细胞壁的通透性。黏膜是敏感细菌细胞壁的基础成分，青霉素的主要作用就是抑制黏膜的合成，使细菌不能形成黏肽，最终导致细胞壁不能形成，使细菌体无法生成保护屏障，内外渗透导致菌体肿胀、破裂而被杀灭。青霉素的结构同黏肽的末端结构丙氨酰丙氨酸相似,青霉素通过取代丙氨酰丙氨酸与酶的活性中心结合（图9），使组成黏肽的多肽不能交联形成网状的黏肽,从而导致细菌细胞壁不能形成，最终引起细菌被溶解而死亡[10]。由于细菌与哺乳动物的细胞壁有区别,而青霉素对菌体细胞壁的选择性很强,所以对人而言，青霉素的毒性不大，青霉素对真菌无效，因为真菌没有细胞壁。图9青霉素的抗菌作用机制七、青霉素抗生素的耐药性青霉素的药效高、毒副作用小且价格便宜,成为人们杀菌治病的首选药物。在上个世纪的50年代，也就是青霉素开始大量在临床上使用时，一个病人每一次注射青霉素只需要20万单位，而到了90年代，一个病人每一次注射的青霉素需要80～100万单位，青霉素用量几乎增加了近5倍，导致这种现象的原因是细菌对青霉素出现了耐药性[11][12]。有些致病菌不仅能够耐药，而且还产生了破坏青霉素的能力，能够将青霉素的母核破坏，使其丧失杀菌活性。细菌对青霉素类抗生素产生耐药性主要表现在以下3个方面[13]：1.PBPS亲和力下降PBPS是与细菌细胞壁合成、维持以及肽聚糖结构特征的调节等有关的一组酶。某些细菌通过改变PBPS亲和力，改变菌体内青霉素结合蛋白与药物的亲合力，使菌体内的青霉素结合蛋白参与细菌的正常分裂繁殖活动受到抑制，从而使其对β-内酰胺类药物的敏感度降低，产生耐药性。2.β-内酰胺酶细菌对青霉素类抗菌药的主要耐药机制还是β-内酰胺酶胺酶，青霉素类药物在这类酶的作用下，使β-内酰胺环水解开环，而β-内酰胺环是与PBPS结合的活性功能部位，因此β-内酰胺环的破坏使其失去了干扰细菌细胞壁合成的功能，细菌产生β-内酰胺酶导致细菌对青霉素抗菌药物产生耐药性。3.通透性某些细菌通过改变菌体外膜的通透性,减少菌体内药物的蓄积，从而使自身产生耐药性。八、青霉素的结构改造随着细菌对青霉素类抗生素耐药性的产生，科学家们致力于青霉素结构的研究，希望通过改变青霉素的化学结构从而减少细菌对青霉素的耐药性。在研究青霉素的化学结构与药效关系中，发现青霉素母核6-APA是由一个四元环与一个五元环并在一起所组成的分子活性部分，它是青霉素抗菌活性的关键部位，如果四元环被破坏，青霉素就失去了抗菌活性。另一部分是与之连接的侧链RCO—，研究发现改变侧链的结构，可以增加耐受致病菌破坏的能力和增加母核的稳定性，通过对青霉素的侧链结构改造，可以达到提高青霉素药效和治疗作用的目的[14]。致病菌对经过改装的青霉素的破坏和耐受能力降低，容易被杀死，与原来的青霉素相比，因为侧链改变了，原来对青霉素有抗性的致病菌对它有些“面生”不怎么认得，于是被稀里糊涂地杀死了。九、青霉素的生产方法天然青霉素主要通过发酵来生产，分为菌种发酵和提取精制两个步骤；半合成青霉素则是以6APA为中间体与多种化学合成有机酸进行酰化反应，制得各种类型的半合成青霉素。在对青霉素合成途径研究时发现，青霉素的合成与赖氨酸合成有关系，赖氨酸生物合成的一个中间体α-氨基己二酸参与青霉素合成，赖氨酸在合成过程中，如果合成多了，会对其本身的高柠檬酸合成酶产生反馈抑制作用，从而减少α-氨基己二酸的生成，间接地抑制青霉素的合成。所以在青霉素发酵过程中加入α-氨基己二酸，可减少赖氨酸的抑制作用，而提高青霉素的产量。近十多年来，基因工程和代谢工程的发展，使青霉素产量得到很大的提高。目前青霉素合成途径与代谢途径的关系已经研究的十分清楚。人们可