生化—抗生素

    第一节 概述

    一、发现

    一类微生物抑制或杀死其他种类微生物的作用称为拮抗作用。拮抗作用是微生物界的普遍现象，早在微生物发现之前，人们已经利用拮抗作用治病，如我国人利用豆腐上的霉治疗疮，美洲人用发霉的面包治疗伤口化脓等。

    随着微生物学的发展，人们认识到了拮抗作用的本质，开始有意识地研究。本世纪初，已经分离出多种抗生素，但其效率不高，毒性较大，没有实用价值。1929年，英国人flemming在培养葡萄球菌时，发现从空气中落到培养基上的一种青霉菌能抑制其周围的葡萄球菌生长。他进一步研究发现青霉菌分泌一种抗菌物质，能抑制葡萄球菌生长，于是把它命名为青霉素。他没有进行动物试验，青霉素也没有用于临床。直到1940年，牛津大学研究小组提出“青霉素是一种化学治疗剂”，才将它应用于临床。同年，瓦克斯曼发现链霉素，抗生素时代开始，陆续发现了许多抗生素，成功地治疗了肺炎、结核等传染病，使人类寿命显著提高。此后三十年间，发现的抗生素有数千种，有上百种被广泛应用，抗生素已经成为一个独立的工业部门。

    二、概念

    抗生素是能以低浓度抑制或影响活的机体生命过程的次级代谢产物及其衍生物。

    抗生素的概念是不断扩大的，最初只包括对微生物的作用，现在已经有抗肿瘤、抗真菌、抗病毒、抗原虫、抗寄生虫以及杀虫、除草的抗生素。近年来把来源于微生物的酶抑制剂也包括在抗生素中，总数已超过9000种。

    三、作用机理

    （一）作用特点

    1选择性作用 一种抗生素只对一定种类的微生物有作用，即抗菌谱。青霉素一般只对革兰氏阳性菌有作用，多粘菌素只对革兰氏阴性菌有作用，它们的抗菌谱较窄。氯霉素、四环素等对多种细菌及某些病毒都有抑制作用，称为广谱抗生素。

    2选择性毒力 抗生素对人和动物的毒力远小于对病菌的毒力，称为选择性毒力。通常抗生素可在极低浓度下有选择地抑制或杀死微生物。选择性毒力是化学治疗的基础。

    3耐药性 细菌在抗生素的作用下，大批敏感菌被抑制或杀死，但也有少数菌株会调整或改变代谢途径，变成不敏感菌，产生耐药性。

    a机理：

    a酶促破坏：如β-内酰胺酶（青霉素酶）使青霉素水解，氨基环醇类抗生素常被钝化，如磷酸化、酰苷酰化、n-乙酰化等。

    b细菌改变敏感部位：链霉素通过与30s亚基结合而抑制蛋白质合成，某些细菌小亚基上的蛋白发生突变，不与链霉素结合，产生耐药性。

    c降低细胞膜的通透性：细菌可以合成抗生素透过的阻碍物，可以发生突变使抗生素不被转运，也可以产生将抗生素运出体外的拮抗系统。

    b产生与传播：耐药性的产生是由于突变造成的，抗生素的作用是将未突变的微生物杀死，从而使突变体被选择出来。有些耐药性基因位于抗性质粒上，可以通过细菌的接合而传播。

    c对策：除寻找新的抗生素以外，在临床上应该合理使用抗生素，避免滥用，防止耐药菌的产生。也可通过耐药机理的研究寻找对策，如用抑制剂抑制青霉素酶。

    （二）作用机理

    1抑制核酸的合成 有些抗生素可抑制核酸的合成，其抑制机理是多种多样的。例如，博莱霉素可引起dna链的断裂；丝裂霉素c能与dna形成交联，抑制dna的复制；利福霉素则通过与细菌rna聚合酶的结合来抑制转录反应。

    2抑制蛋白质的合成 蛋白质的合成十分复杂，因此抑制的作用点也很多。

    （1）抑制氨基酸的活化。例如，吲哚霉素是色氨酸的类似物。

    （2）抑制蛋白质合成的起始。如氨基环醇类抗生素。链霉素与小亚基结合。

    （3）抑制肽链的延伸。如四环素，封闭小亚基的氨酰位点。氯霉素主要是与细菌核糖体的50s亚基结合而抑制肽酰基转移反应。

    （4）使翻译提前终止。如嘌呤霉素。

    3改变细胞膜的通透性 多肽抗生素如多粘菌素e、短杆菌素s等具有表面活性剂的作用，能降低细菌细胞膜的表面张力，改变膜的通透性，甚至破坏膜的结构。这样细胞内物质外泄，使细菌死亡。

    4干扰细胞壁的形成 青霉素、头孢菌素等可干扰细胞壁的形成，使细菌变形，甚至破裂、死亡。

    5干扰细菌的能量代谢。如抗霉素a、寡霉素等，是氧化磷酸化的抑制剂。

    四、来源

    （一）微生物来源

    抗生素的来源广泛，但最主要的是微生物，特别是土壤微生物，占70％左右。有应用价值的抗生素几乎都是微生物产生的。

    1放线菌目 是抗生素的主要来源，已知的抗生素中有45％是放线菌产生的。其中主要集中在链霉菌属，其次是小单孢菌属和诺卡氏菌属。此外，近年来有许多新抗生素来源于这三个属以外，即所谓稀有放线菌属。链霉菌属发现最早，研究最多，常见的链霉素、土霉素、四环素等都来自链霉菌属。

    2细菌 对细菌的研究比放线菌长，但一直因为毒性较大而应用不多。芽孢杆菌属的多粘芽孢杆菌和枯草杆菌，假单孢菌属的绿脓杆菌和肠道细菌是主要来源。芽孢杆菌产生的多数是肽类，如多粘菌素和短杆菌肽等。其中多粘菌素类是重要的抗革兰氏阴性细菌的抗生素之一。这些抗生素肾毒性较大，主要作为局部用药。

    3真菌 主要来自不完全菌纲曲霉菌科的青霉属和曲霉属，以β内酰胺类为主。

    （二）非微生物来源

    植物中，长春花碱等用于抗肿瘤，从卫矛科植物中提取出的美登素对有丝分裂有显著的抑制作用。

    近年来，人们开始从海洋生物中寻找抗生素。从海绵动物门中得到了多种新颖独特的抗微生物、抗肿瘤、抗病毒的化合物，如具有抗病毒作用的核苷类化合物等。

    此外，化学诱变、基因工程技术等技术已经用于菌种改良，半合成抗生素已经大规模生产。

    第二节 重要抗生素简介

    一、β-内酰胺类抗生素

    主要包括青霉素和头孢菌素两大类。有天然的和半合成的两类，都有一个β内酰胺环。可通过抑制转肽酶干扰细胞壁的合成。主要抗革兰氏阳性菌，但有些经过改造的可抗阴性菌。青霉素的使用使人类寿命出现第二次飞跃（牛痘为第一次），提高了20岁。1980年全世界抗生素总产量为25000吨，其中青霉素17000吨，头孢1200吨。下面简单介绍青霉素的一些特点。

    1结构 由母核与侧链构成，侧链决定其特异性。母核包括β内酰胺环和四氢噻唑环。

    2理化性质 是一元酸，可成盐。其盐易溶于水，酸易溶于有机溶剂。医药上常用钾盐和钠盐，为白色结晶或粉末。水溶液不稳定，极易失效。不耐热，一般冰箱保存。其盐的结晶纯品干燥时可室温保存数年。

    酸、碱、重金属及青霉素酶可使其β内酰胺环破裂，导致失效。青霉素酰化酶可使其侧链裂解下来，得到6-氨基青霉烷酸(6-apa)。它是青霉素半合成的母核，在上面再连接其他侧链，即可得到不同的青霉素。

    3改造 对青霉素的改造主要有三种方法：改造母核、更换侧链、与其他物质结合（通过羧基成盐）。

    更换侧链有生物合成法和半合成法，前者是在发酵液中加入各种侧链前体，后者是在母核上人工连接各种侧链。半合成以前多采用化学法，由于三废污染较大，现在采用酶促合成，用大肠杆菌或巨大芽孢杆菌的青霉素g酰化酶裂解廉价的青霉素g，再用黑色假单孢杆菌的青霉素酰化酶催化苯甘氨酸与母核的缩合，即可得到广谱的氨苄青霉素。因为第二步的酶不催化苯乙酸的缩合，所以第一步反应后不必分离，可直接进行缩合反应。

    羧基上的改造，主要是与钾、钠、铵或某些有机碱成盐。钾盐和钠盐易溶于水，适于肌肉或静脉注射，作用快；普鲁卡因青霉素复盐难溶，肌注可起缓释作用，延长其在血液中的持久性。

    母核的改造，除直接重排噻唑环外，还可用其他结构相似的母核。

    头孢菌素与青霉素相似，其母核为7-氨基头孢烷酸(7-aca)，含有二氢噻嗪环。头孢菌素较耐酸和重金属，毒性低，但天然头孢活性较低，常用半合成进行改造。

    二、多肽类抗生素

    绝大多数肽类抗生素是由细菌或放线菌产生的，特别是芽孢杆菌属，能极为专一地产生肽类抗生素。菌株往往合成一系列很相似的抗生素，相互只差几个氨基酸。

    肽类抗生素只有一小部分呈线状，其余都是大的环状化合物，称为环状肽。有些完全由氨基酸以肽键构成，称为纯肽；有些含有非氨基酸成分，称为杂肽。

    与其他肽或蛋白质相比，肽类抗生素有以下特点：

    1常出现特殊氨基酸，而某些普通氨基酸（组氨酸、甲硫氨酸等）却很少见。常有d-氨基酸、β-氨基酸、不饱和的、n-甲基化的、带有复杂杂环的氨基酸。

    2常有非氨基酸成分，如脂肪酸、脂肪胺、羟基酸、糖、杂环和金属等。

    3有特殊结构，如4－16个残基组成的大环、大环上附加的小环等，却没有游离的氨基和羧基。

    4分子量小，在300－3000之间，平均1000。

    5彼此之间非常相似。

    6能抵御酶的进攻。

    7不是由核糖体合成，而是由特殊的酶合成。

    博莱霉素是线状肽中研究较多，有临床价值的代表。它是碱性水溶性糖肽复合物，起抗癌作用。优点是对骨髓细胞无毒，无免疫原性。缺点是抗癌谱窄（鳞状细胞癌、恶性淋巴肉瘤），肺毒性较大。经多种改造，可降低毒性及扩大抗癌谱。它有选择地与dna结合，从而抑制有丝分裂，使dna双链结构不稳定，并引起单链断裂。它还抑制dna连接酶的作用，促进dna酶的活性，并进行dna的降解。

    多粘菌素是环状肽的代表，含脂肪酸。碱性，抗革兰氏阴性菌，不诱导细菌耐药性的发展。各种组分抗菌谱几乎无差别。有轻微毒性，主要是肾毒性和神经毒性。多粘菌素b和e毒性较低，首先应用。主要机制是引起细菌细胞膜损伤，使胞内物质泄漏。

    三、氨基环醇类

    含有环己醇及氨基糖，又称氨基糖苷类。抗菌能力强，作用广泛，临床上用于治疗细菌感染。链霉素、卡那霉素等都属于此类。可影响核糖体与信使rna及转运rna的结合，使蛋白质合成停止。

    极性强，易溶于水。一般呈碱性，可成盐。无色，有旋光性。通常对热、稀酸、稀碱稳定。抗菌谱较广，细菌能产生抗药性主要原因是产生钝化酶，如乙酰转移酶、磷酸转移酶、核苷酸转移酶等，将药物酰化、磷酸化等。有交叉耐药现象，即一种酶抑制多种药物。

    对肾脏及听觉有害，有累积性，长期使用可引起耳聋。毒性与氨基有关，氨基越多，毒性越大。

    四、安莎霉素类

    含安莎桥链结构，即以一个脂肪链连接芳香核的两个不相邻位置。根据芳香核的不同，可分为苯安莎霉素和萘安莎霉素。前者如有极高抗白血病活性的美登素，后者主要有抗结核的利福霉素。利福霉素作用于细菌的rna多聚酶，对动物酶几乎无作用。美登素可抑制微管形成，从而抑制真核细胞有丝分裂。