青霉素药理学论文

β-内酰胺类抗生素——青霉素制药工程一班：尹丽华20096507022012-5-923β-内酰胺类抗生素——青霉素摘要：本文主要对青霉素的发现、组成、作用机理、合成、一些缺点、现状及其发展前景做了简单的介绍。关键词：青霉素、组成，作用机理，合成，缺点，发展现状，应用前景一、青霉素的发现，发展与应用20世纪40年代以前，人类一直未能掌握一种能高效治疗细菌性感染且副作用小的药物。那时流行着许多传染病，如猩红热、白喉、脑膜炎、淋病、梅毒等，严重地威胁着人们的生命。为了改变这种局面，科研人员进行了长期探索，然而在这方面所取得的突破性进展却源自一个意外发现。亚历山大·弗莱明由于一次幸运的过失而发现了青霉素。在1928年夏弗莱明外出度假回来后，无意间注意到一个与空气意外接触过的金黄色葡萄球菌培养皿中长出了一团青绿色霉菌。在用显微镜观察这只培养皿时弗莱明发现，霉菌周围的葡萄球菌菌落已被溶解。这意味着霉菌的某种分泌物能抑制葡萄球菌。鉴定表明，该霉菌为青霉菌，因此弗莱明将其分泌的抑菌物质称为青霉素。此后，在长达四年的时间里，弗莱明对这种特异青霉菌进行了全面的专门研究。然而遗憾的是，由于弗莱明不懂生化技术，无法把青霉素提取出来。而在当时的技术条件下，即使对于专门的生化学家来说，提取青霉素也是一个重大的难题。但是弗莱明并没有失掉信心，他坚信青霉素拯救生命的价值。因此，他继续将青霉菌菌株一代代地培养，并于1939年毫不犹豫地将菌种提供给准备系统研究青霉素的澳大利亚病理学家弗洛里和生物化学家钱恩。利用这些产生菌，钱恩等人培养出效力更大的青霉素菌株。经过一年多的辛勤努力，七、八十种病菌的试管实验和动物试验，都证明青霉素对引起4多种疾病的病菌都有较大的杀伤作用。他们还利用冷冻干燥法提取了青霉素晶体。青霉素再次发现之后，它的命运仍十分坎坷。MRC和牛津大学不仅拒绝为钱恩申请青霉素的专利保护，而且又拒绝了钱恩组建试验工厂以进一步探索工业化生产青霉素条件的要求。弗洛里等人四处奔波，希望英国的药厂能大量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。农业部和私人工业也在全力以赴地寻找成批生产这种新药的方法。然而在青霉素应用之初，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。加之当时磺胺类药物仍占有主导地位，青霉素的发展命运曲折。但是青霉素在治疗战伤方面的奇妙作用，引起多方人士的关注，活生生的事实，使得医护人员不能不对它刮目相看。到1942年末，美国制药企业已开始对青霉素进行大批量生产。到了1943年，制药公司已经发现了批量生产青霉素的方法。此后，在短短二十余年内。人们又陆续地发现了氯霉素、金霉素等数十种各有功效的抗菌素。抗菌素的广泛应用，虽然充分地展示了它的神奇的功效，然而，也尖锐地暴露出它的问题。在全世界服用青霉数总数超过亿剂后，青霉素引起了第一例死亡。后来，人们发现，青霉素类抗生素常见的过敏反应在各种药物中居首位，发生率最高可达5％～10％，而且某些细菌逐渐对青霉素产生了耐药性。尽管如此，青霉素的偶然发现仍然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做出的杰出贡献，1945年的诺贝尔医学奖授予了弗莱明、弗洛里和钱恩三人。二、青霉素的种类抗生素原称抗菌素，是指由细菌、放线菌、真菌等微生物经培养而得到的在一定浓度下对病原体有抑制和杀灭作用的一种产物，而青霉素类抗生素是β-内酰胺类中一大类抗生素的总称，目前已发展了三代：第一代青霉素指5天然青霉素，如青霉素Ｇ（苄青霉素）；第二代青霉素是指以青霉素母核——６－氨基青霉烷酸（６－ＡＰＡ）改变侧链而得到的半合成青霉素，如甲氧苯青霉素、羧苄青霉素、氨苄青霉素；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。天然的青霉素共有7种，其中以青霉素G效用较好，含量也比其它青霉高。三、青霉素的作用机理青霉素霉素的抗菌作用是：低浓度时抑菌，高浓度时杀菌，但机理却比较复杂。已发现所有细菌以及衣原体等的细胞膜上均具有一些能与青霉素和其它β-内酰胺类抗生素结合的蛋白，即青霉素结合蛋白（penicillinbindingproteins,PBPs）。这些存在于细菌细胞内膜上的青霉素结合蛋白是青霉素作用的靶分子。PBPs系分子量为4万到12万的膜蛋白，是细菌细胞壁合成过程中不可或缺的具有催化活性的D,D-肽酶，如转肽酶、羧肽酶、肽链内切酶等，它们是在细菌生长过程中起重要作用的蛋白质。不同细菌PBPs种类及数量有很大差异，例如金黄色葡萄球菌有4种PBPs，大肠杆菌则至少有7种。青霉素和其它β-内酰胺类抗生素作为PBPs底物的结构类似物，竞争性地与酶活性位点共价结合，从而抑制PBPs，干扰细菌细胞壁的合成，以达到杀灭细菌的作用。细菌对β-内酰胺类的敏感性主要由于其PBPs对这类药物具有高亲和力，各种PBPs与不同β-内酰胺类的亲和力有所不同。大肠杆菌E的高分子量PBPs(PBP1a和1b)包含有与肽多糖合成有关的转肽酶，而其它的PBPs对维持细菌杆状形态和菌体分裂间隔形成是必需的。6PBPs中最重要的一种PBP即为转肽酶，转肽酶的抑制可导致球形细胞形成，并迅速溶解。然而其它的PBPs活性的抑制可能使溶解延迟(PBP2)，或产生线状细菌(PBP3)。青霉素β-内酰胺环中的酰胺键可使转肽酶乙酰化而失活，从而阻碍细菌细胞壁黏肽合成，在使细菌合成细胞壁缺损的同时，还使细菌细胞壁中的自溶酶抑制剂失活，使自溶酶活化，从而导致菌体细胞裂解。细菌细胞壁具有保护和维持细菌正常形态的功能，主要成分为胞壁黏肽(mucopeptide,也称肽聚糖，peptidoglycan)，是由两股改变氨基糖的线性多糖链(N-乙酰葡萄糖胺，N-acetylglucosamine,GNAC；N-乙酰胞壁酸，N-acetylmuranicacid,MNAC)通过肽链交联而成。1革兰阳性细菌细胞壁有50-100个分子厚，而革兰阴性细菌仅1-2个分子厚。其生物合成可分为3个阶段：①胞质内黏肽前体的形成；②胞质膜上为乙酰胞壁五肽与乙酰葡萄糖胺连接；③在细胞膜外，通过转肽作用完成交叉连接过程。青霉素含有高活性β-内酰胺环，与连接MNAC的五肽的最后二肽（即D-丙氨酰-D-丙氨酸）结构相似，转肽酶与β-内酰胺环的酰胺键共价结合，形成乙酰化转化酶，使转肽作用不能进行，交叉联结受阻，致细胞壁缺损，而失去保护屏障。由于菌体内渗透压高，在等渗环境中水分不断渗入，致细胞肿胀、变形，在自溶酶激活影响下，细菌破裂溶解而死亡。四、青霉素的性质1.青霉素结构中2位有羧基，具有酸性（pKa2.65~2.70），不溶于水，可溶于有机溶剂。临床以其钾盐或钠盐供药用，称为青霉素钠7（BenzylpenicillinSodium）、青霉素钾（BenzylpenicillinPotassium），青霉素的钠盐或钾盐均易溶于水，但是其钠盐或钾盐的水溶液在室温下不稳定，易被水解失效，因此注射用青霉素为其钠盐或钾盐的灭菌粉末。2.β-内酰胺环是β-内酰胺类抗生素活性必须的基团，在与细菌作用时，β-内酰胺环开环与细菌发生酰化反应，抑制细菌的生长。青霉素的作用机制是抑制细菌细胞壁的合成。3.β-内酰胺环为四元环，张力较大，化学性质不稳定，以致易被裂环导致失去活性。这是因为青霉素结构中的母核是由四元的β-内酰胺环及五元的氢化噻唑环稠合而成，两个环不在一个平面上，致使β-内酰胺环中的羰基与氮原子的孤电子对不能共轭，羰基的碳原子易受亲核性或亲电性试剂进攻，使β-内酰胺环裂环，裂环反应在碱性条件下或在β-内酰胺酶作用下，以及在酸性条件下，均可发生。4.青霉素在碱性条件下或在β-内酰胺酶作用下，β-内酰胺环裂环生成青霉酸，青霉酸在加热时失去二氧化碳，生成青霉噻唑酸，遇二氯化汞进一步分解生成青霉胺和青霉醛。5.青霉素在酸性条件下不稳定，分解反应比较复杂。在稀酸性溶液中（pH4.0）室温下，经分子内重排反应，生成青霉二酸，在进一步分解生成青霉醛和青霉胺。在强酸性条件下或在二氯化汞作用下，先生成青霉酸和青霉醛酸，青霉醛酸不稳定，分解放出二氧化碳，生成青霉醛。五、青霉素的不良反应青霉素常见的不良反应有：81、过敏反应：较常见，包括荨麻疹等各类皮疹、白细胞减少、间质性肾炎、哮喘发作等和血清病型反应；2、毒性反应：少见，但静脉滴注大剂量本品或鞘内给药时，可因脑脊液浓度过高导致抽搐、肌肉阵挛、昏迷及严重精神症状等；3、赫氏反应和治疗矛盾：用青霉素治疗梅毒等疾病时可由于病原体死亡致症状加剧，称赫氏反应。治疗矛盾也见于梅毒患者，系治疗梅毒病灶消失过快，而组织修补相对较慢或病灶部位纤维组织收缩，妨碍器官功能所致；4、二重感染：可出现耐青霉素金葡菌、革兰阴性杆菌或念珠菌等二重感染；5、应用大剂量青霉素钠可因摄入大量钠盐而导致心力衰竭。六、青霉素的发展现状青霉素是目前常用的抗生素之一，具有疗效高，毒性低，但较易发生过敏反应的特点。对青霉素过敏的人接触该药后，无论是任何年龄，性别，给药途径（注射，口服，外用等），剂量和制剂均可发生过敏反应。其发生率高达3%-6%，因此在使用各种剂型的青霉素制剂前，必须先做过敏试验。试验结果为阴性方可用药。曾用过青霉素，停药3天后再用药者，或使用中更换药物批号时，须重新做过敏试验。如已知患者有青霉素过敏史，不得再做过敏试验。实验结果为阳性者禁用青霉素。从医学角度考虑造成过敏性休克的主要原因与体内IgE的作用有关，由新生儿自身合成IgE的能力极差，而且免疫球蛋白IgA、IgM、IgE均不能透过胎盘及乳汁进入小儿体内，出生后28天的新生儿内IgE的含量仅为成人的91-15%，即使用了青霉素也不会出现过敏反应，因此有在排除母亲为高敏体质的新生儿用药不需皮试的例子但是为了医生自己和患者的安全，还需做过敏试验。七、青霉素的应用前景青霉素虽然具有高效低毒的特点，但由于β-内酰胺环的高度不确定性，在酸、碱条件下或β-内酰胺酶存在下，均已发生水解和分子重排，一旦β-内酰胺环被破坏，青霉素立即失去抗菌活性。金属离子、温度和氧化剂均可催化其分解。通过合成耐酸、碱、酶的半合成青霉素，这些问题目前已基本得到解决。但即使这样仍有过敏反应及耐药问题，从抗菌方面虽已获得不少对革兰氏阴性细菌抗菌能力较强的广谱青霉素，然而因为革兰氏阴性细菌产生的β-内酰胺酶种类繁多，半合成的青霉素对青霉素型β-内酰胺酶耐受性较好，但抵御头孢菌素型的β-内酰胺酶的能力却比头孢菌素差，这和β-内酰胺环接有五元环的青霉素比接六元环的头孢菌素更容易被酶水解有关。所以至今还没有找到对所有β-内酰胺酶都稳定的半合成青霉素，在这方面就不得不让位给半合成头孢菌素了。Woodward教授合成青霉烯核，被认为是抗菌作用强的基本结构。美国先令公司据此合成的乙硫青霉烯(sch29.482)便是一个证据（见下图）。它的抗菌谱和氧哌羟苯唑青霉素相似，抗革兰氏阴性细菌与其它第三代头孢菌素不相上下，对革兰氏阳性细菌的活性较后者为优，对β-内酰胺酶有高度稳定性，比氧哌羟苯唑头孢菌素和氧哌嗪青霉素稳定。抗菌基本结构青霉烯核的发现为合成广谱，耐酶的新型青霉素开辟了新的方向。10青霉素本身结构尽管仍存在一定的局限性，但发展的前途还是广泛的。值得注意的是近年来也报道了一些对真菌、病毒及肿瘤有效的衍生物，这使我们对青霉素的前景充满了期待与希望。[参考文献]：[1]方舟子《科学史上著名公案——青霉素的发现》《经济观察报》2008年393期[2]江滨、李桂东、韩涛《发现与发展——造福人类的青霉素》《医药历史》2000年[3]Eiks,J,RecentAdvanceintheChemistryofβ-lactamAntibiotics.TheChemicalSocietyBarlingtonHouse(1977)[4]Selwen,s,TheBeta-lactamAntibio