青霉素的研究進(jìn)展

本科課程論文學(xué)院**學(xué)院專業(yè)制藥工程課程藥學(xué)史與方法論年級(jí)2023級(jí)學(xué)號(hào)*****姓名***指導(dǎo)教師***專家成績(jī)

青霉素的研發(fā)進(jìn)摘要：青霉素是第一種可以治療人類疾病的抗生素,在與細(xì)菌作斗爭(zhēng)和保護(hù)人類健康中起重要作用。青霉素的出現(xiàn)，使人類終于有了對(duì)抗細(xì)菌感染的特效藥，在二戰(zhàn)時(shí)期歐洲戰(zhàn)場(chǎng)上無數(shù)傷員因傷口感染化膿而死亡，當(dāng)時(shí)的抗菌良藥磺胺也無濟(jì)于事，此時(shí)青霉素發(fā)揮了它的作用，挽救了成千上萬傷員的生命。青霉素的發(fā)現(xiàn)，引發(fā)了醫(yī)學(xué)界尋找抗菌素新藥的高潮，人類進(jìn)入了合成新藥的時(shí)代。本文重要對(duì)青霉素的發(fā)現(xiàn)、發(fā)展、結(jié)構(gòu)和分類,以及青霉素的作用機(jī)制、生產(chǎn)方法和使用現(xiàn)狀等方面進(jìn)行了介紹。關(guān)鍵詞：青霉素；青霉素的結(jié)構(gòu)、分類；抗菌作用機(jī)制；生產(chǎn)方法青霉素的開發(fā)歷程1928年9月，細(xì)菌學(xué)家亞歷山大?弗萊明在英國(guó)倫敦圣瑪麗醫(yī)院的一間實(shí)驗(yàn)室里發(fā)現(xiàn)，青霉菌具有強(qiáng)烈的殺菌作用，并且就連其培養(yǎng)湯也有較好的殺菌能力。于是他推論，真正的殺菌物質(zhì)一定是青霉菌生長(zhǎng)過程的代謝物，并將青霉菌分泌的抑菌物質(zhì)稱為青霉素[1]KendallFH.MarvelsofScience:50Fascinating5-MinuteReads,Littleton.[1]KendallFH.MarvelsofScience:50Fascinating5-MinuteReads,Littleton.Colo：LibrariesUnlmited,19941939年錢恩、弗洛里等人在檢索文獻(xiàn)時(shí)，意外地發(fā)現(xiàn)了弗萊明2023前發(fā)表的關(guān)于青霉素的文章。他們立刻把所有工作轉(zhuǎn)到對(duì)青霉素的專門研究上來。到了年終，錢恩終于成功地分離出像玉米淀粉似的黃色青霉素粉末，并把它提純?yōu)樗巹?shí)驗(yàn)結(jié)果表面，黃色粉劑稀釋三千萬倍仍然有效且其抗菌作用比磺胺類藥物還強(qiáng)9倍，比弗萊明當(dāng)初提純的青霉素粉末的有效率還高一千倍，并且沒有明顯的毒性。1940弗萊明動(dòng)身趕到牛津會(huì)見錢恩和弗洛里，并毫不躊躇地把自己培養(yǎng)了數(shù)年的青霉素產(chǎn)生菌送給了弗洛里，運(yùn)用這些產(chǎn)生菌，錢恩等人培養(yǎng)出效力更大的青霉素菌株。弗洛里等人四處奔波，希望英國(guó)的藥廠能投產(chǎn)這一大有前程的新藥，遺憾的是多數(shù)藥廠都借口戰(zhàn)時(shí)困難而置之不理。最后，他們帶著滿身的疲倦和殘存的希望，遠(yuǎn)涉重洋，來到了美國(guó)，在美國(guó)，弗洛里等人終于得到了自己需要的幫助。1941年12月美國(guó)軍方宣布青霉素為優(yōu)先制造的軍需品。伊利諾斯州皮奧里亞的一家工廠生產(chǎn)了第一批青霉素，但產(chǎn)量少得可憐，由于青霉素的生產(chǎn)工藝十分復(fù)雜。直到1942年，人們發(fā)現(xiàn)了一種來源廣泛又非常便宜的營(yíng)養(yǎng)液、和一種生產(chǎn)速度不久的金菌青霉素青霉菌，并且找到了一種更為有效的培養(yǎng)方法，使得青霉素的大規(guī)模生產(chǎn)變?yōu)橐苍S。到1942年末，有二十余家美國(guó)公司開始大量生產(chǎn)青霉素。青霉素應(yīng)用之初，不僅一般人對(duì)它表達(dá)懷疑，就連多數(shù)醫(yī)務(wù)工作者也不相信它的藥效。直到1944年，英美聯(lián)軍在諾曼底登陸，開始大規(guī)模地同德國(guó)法西斯作戰(zhàn)，受傷士兵越來越多，對(duì)抗菌藥物的需要尤為迫切。在這次戰(zhàn)爭(zhēng)中，磺胺藥在醫(yī)治重傷員時(shí)效果卻不抱負(fù)，而為數(shù)不多的青霉素填補(bǔ)了磺胺藥的空白，顯示了較大的威力，活生生的事實(shí)，使得醫(yī)護(hù)人員不能不對(duì)青霉素刮目相看[2][2]江濱、李桂東、韓濤《發(fā)現(xiàn)與發(fā)展—造福人類的青霉素》《醫(yī)藥歷史》2023青霉素的發(fā)現(xiàn)是人類取得的一個(gè)了不起的成就，為表彰弗萊明等人對(duì)人類作出的杰出奉獻(xiàn)，1945年的諾貝爾醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)授予了弗萊明、弗洛里和錢恩三人。1953年5月，中國(guó)第一批國(guó)產(chǎn)青霉素誕生，揭開了中國(guó)生產(chǎn)抗生素的歷史。目前，中國(guó)已成為世界上最大青霉素生產(chǎn)國(guó)，青霉素潛在產(chǎn)能10萬噸，市場(chǎng)占有率達(dá)成80%以上。青霉素結(jié)構(gòu)的擬定自從青霉素被廣泛應(yīng)用以來,青霉素的結(jié)構(gòu)便成為眾多化學(xué)家追尋的問題，科學(xué)家相繼從自然界中發(fā)現(xiàn)了6種青霉素（圖一）。通過眾多化學(xué)家的艱苦研究,從各種結(jié)構(gòu)中篩選出了3種最為也許的結(jié)構(gòu)(圖2)。它們分別是噻唑烷-噁唑酮結(jié)構(gòu)、三環(huán)結(jié)構(gòu)和β-內(nèi)酰胺結(jié)構(gòu)。1949年將青霉素的結(jié)構(gòu)擬定為β-內(nèi)酰胺結(jié)構(gòu)，青霉素結(jié)構(gòu)的擬定距離弗萊明發(fā)現(xiàn)青霉素已有2023[3]李鵬,李廣洲.[3]李鵬,李廣洲.化學(xué)教育,2023(7):1圖1自然界中6種青霉素及人工合成青霉素V的結(jié)構(gòu)圖2青霉素的3種也許結(jié)構(gòu)青霉素結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與性質(zhì)青霉素是發(fā)現(xiàn)最早、最卓越的一種β-內(nèi)酰胺類抗生素。青霉素分子中有一個(gè)游離的羥基和酰胺側(cè)鏈，氫化噻唑環(huán)與β-內(nèi)酰胺合并構(gòu)成其母核，稱為6-氨基青霉烷酸（6-aminopenicillanicacid,簡(jiǎn)稱6-APA）。青霉素的分子結(jié)構(gòu)由側(cè)鏈RCO—與母核6-APA兩部分結(jié)合而成。β-內(nèi)酰胺環(huán)是青霉素的結(jié)構(gòu)活性中心，性質(zhì)活潑，是分子中最不穩(wěn)定部分，易發(fā)生水解和分子重排，導(dǎo)致β-內(nèi)酰胺環(huán)的破壞而失去抗菌活性。青霉素分子中具有三個(gè)手性碳原子，故具有旋光性。青霉素中游離的羥基具有一定的酸性，能與無機(jī)堿或某些有機(jī)堿形成鹽，青霉素幾乎不溶于水但其鹽極易溶于水。通過研究擬定抗菌性能最佳,也是我們現(xiàn)在最常用的青霉素是青霉素G。青霉素G，其化學(xué)名稱為(2S,5R,6R)-3,3-二甲基-6-(2-苯乙酰氨基)-7-氧代-4-硫雜-1-氮雜雙環(huán)[3.2.0]庚烷-2-甲酸。英文名稱為(2S,5R,6R)-3,3-dimethyl-7-oxo-6-[(2-phenylacetyl)amino]-4-thia-1-azabicyclo[3.2.0]heptane-2-carboxylicacid。分子式為C16H18N2O44S,相對(duì)分子質(zhì)量為334.4,比旋光度[α]D20為+269(c=1,甲醇)[4]MilneGWA.Drugs:Synonyms&Properties.[4]MilneGWA.Drugs:Synonyms&Properties.2ndEd.NewYork:Wiley,2023圖3青霉素G青霉素的分類1928年發(fā)現(xiàn)青霉素到現(xiàn)在,已通過去了80數(shù)年，截止目前青霉素可分為三代：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）改變側(cè)鏈而得到半合成青霉素，如甲氧氨芐青霉素、苯青霉素、羧芐青霉素；第三代青霉素是母核結(jié)構(gòu)，它帶有與青霉素相同的β－內(nèi)酰胺環(huán)，但不具有四氫噻唑環(huán)，如硫霉素、奴卡霉素。青霉素按其特點(diǎn)可分為6類[5][5]劉磊.許家喜.青霉素與人類健康.大學(xué)化學(xué),2023(4):25青霉素G類：如青霉素G鉀、青霉素G鈉、長(zhǎng)效西林等。青霉素V類：如青霉素V鉀等。抗假單胞菌青霉素：如羧芐西林、哌拉西林、替卡西林等。廣譜青霉素：如氨芐青霉素、羥氨青霉素等。耐酶青霉素：如苯唑青霉素、氯唑青霉素等。氮咪青霉素：如美西林及其酯匹美西林等,其特點(diǎn)為較耐酶,對(duì)某些陰性桿菌如克雷伯氏菌、大腸桿菌和沙門氏菌有效,但對(duì)綠膿桿菌效果較差。青霉素的合成1579年3月J.C.Sheehan和R.K,Henry—logan發(fā)表了一篇題目為“青霉素v的全合成”的報(bào)導(dǎo)[6]SheehanJC,Henery-LoganKR.JAmChemSoc,1957,79:1262。1945年以前，多數(shù)化學(xué)家接受青霉素的結(jié)構(gòu)式是四氫噻吩-噁唑酮結(jié)構(gòu)式，如圖[6]SheehanJC,Henery-LoganKR.JAmChemSoc,1957,79:1262[7]V.duVigneaud,F.H.Carpentar,R.W.Holley,A.H.Livermore,andJ.R.Rachele,Reference[4],Chapter28,1018頁圖4四氫噻吩-噁唑酮結(jié)構(gòu)式青霉素（以苯甲基青霉素為代表）的一個(gè)重要降解反映是堿性水解,先生成D-苯甲基青霉酸（D-benzylpenicilloicacid），此化合物不穩(wěn)定，在室溫脫羧成D-苯甲基脫羧青霉酸，再通過氯化高汞水溶液的解決，打開四氫噻唑環(huán)，最后生成苯甲基青霉醛和青霉胺，過程如圖5。圖5苯甲基青霉醛和青霉胺合成過程初次苯甲基青霉素的合成是用青霉胺與4—甲氧甲亞基—2—苯甲基—5（4）—噁唑酮或4-乙氧甲亞基—2—苯甲基—5（4）—噁唑酮縮合而成?？s合分兩步進(jìn)行，一方面在吡啶中和在三乙胺的存在下使ⅠXa與Ⅵ在00縮合10min,再低溫析離后，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加熱7min，在這樣的條件下所得到的產(chǎn)物中具有不超過0.1%的苯甲基青霉素的活性，如圖6所示[8][8]張傍.青霉素—盤尼西林的合成.化學(xué)通報(bào).1958圖6苯甲基青霉素的合成目前青霉素的生產(chǎn)方法重要是半合成法，運(yùn)用微生物產(chǎn)生的青霉素?；噶呀馇嗝顾谿或V得到6-氨基青霉烷酸(6-aminopenicilanicacid,6APA)(圖7),以其為原料,用化學(xué)或生物化學(xué)等方法將各種類型的側(cè)鏈與其縮合,制成各類具有耐酶、耐酸或廣譜抗菌性質(zhì)的青霉素類抗生素。圖76-氨基青霉烷酸的結(jié)構(gòu)化學(xué)半合成法是先將各種前體羧酸轉(zhuǎn)變?yōu)轷Ｂ然蛩狒?然后與6-氨基青霉烷酸于低溫下縮合得到青霉素（圖8）。圖8青霉素的半合成法隨著酶催化法合成青霉素工業(yè)發(fā)展日趨成熟，現(xiàn)在運(yùn)用酰胺酶裂解青霉素成6-氨基青霉烷酸的逆反映,在pH5和適宜的溫度下,可使6—氨基青霉烷酸和側(cè)鏈縮合成相應(yīng)的新青霉素[9][9]戴紀(jì)剛,張國(guó)強(qiáng),黃小兵,等.中國(guó)醫(yī)史雜志,1999,29(2):88青霉素的抗菌作用機(jī)制黏肽是細(xì)菌細(xì)胞壁的重要成分,是細(xì)菌細(xì)胞壁中最堅(jiān)硬的一層，它的存在可以維持細(xì)菌細(xì)胞的外形,保持細(xì)菌細(xì)胞壁的通透性。黏膜是敏感細(xì)菌細(xì)胞壁的基礎(chǔ)成分，青霉素的重要作用就是克制黏膜的合成，使細(xì)菌不能形成黏肽，最終導(dǎo)致細(xì)胞壁不能形成，使細(xì)菌體無法生成保護(hù)屏障，內(nèi)外滲透導(dǎo)致菌體腫脹、破裂而被殺滅。青霉素的結(jié)構(gòu)同黏肽的末端結(jié)構(gòu)丙氨酰丙氨酸相似,青霉素通過取代丙氨酰丙氨酸與酶的活性中心結(jié)合（圖9），使組成黏肽的多肽不能交聯(lián)形成網(wǎng)狀的黏肽,從而導(dǎo)致細(xì)菌細(xì)胞壁不能形成，最終引起細(xì)菌被溶解而死亡[10]WaxmanDJ,StromingerJL.AnnRevBio[10]WaxmanDJ,StromingerJL.AnnRevBiochem,1983,52(5):825圖9青霉素的抗菌作用機(jī)制青霉素抗生素的耐藥性青霉素的藥效高、毒副作用小且價(jià)格便宜,成為人們殺菌治病的首選藥物。在上個(gè)世紀(jì)的50年代，也就是青霉素開始大量在臨床上使用時(shí)，一個(gè)病人每一次注射青霉素只需要20萬單位，而到了90年代，一個(gè)病人每一次注射的青霉素需要80～100萬單位，青霉素用量幾乎增長(zhǎng)了近5倍，導(dǎo)致這種現(xiàn)象的因素是細(xì)菌對(duì)青霉素出現(xiàn)了耐藥性[11]果振強(qiáng).[11]果振強(qiáng).當(dāng)代醫(yī)學(xué),2023(5):99[12]PoolK.JAntimicrobChemother,1994,34:453有些致病菌不僅可以耐藥，并且還產(chǎn)生了破壞青霉素的能力，可以將青霉素的母核破壞，使其喪失殺菌活性。細(xì)菌對(duì)青霉素類抗生素產(chǎn)生耐藥性重要表現(xiàn)在以下3個(gè)方面[13][13]張國(guó)紅.青霉素類抗生素的合理應(yīng)用.獸藥應(yīng)用.2023(3)PBPS親和力下降PBPS是與細(xì)菌細(xì)胞壁合成、維持以及肽聚糖結(jié)構(gòu)特性的調(diào)節(jié)等有關(guān)的一組酶。某些細(xì)菌通過改變PBPS親和力，改變菌體內(nèi)青霉素結(jié)合蛋白與藥物的親合力，使菌體內(nèi)的青霉素結(jié)合蛋白參與細(xì)菌的正常分裂繁殖活動(dòng)受到克制，從而使其對(duì)β-內(nèi)酰胺類藥物的敏感度減少，產(chǎn)生耐藥性。β-內(nèi)酰胺酶細(xì)菌對(duì)青霉素類抗菌藥的重要耐藥機(jī)制還是β-內(nèi)酰胺酶胺酶，青霉素類藥物在這類酶的作用下，使β-內(nèi)酰胺環(huán)水解開環(huán)，而β-內(nèi)酰胺環(huán)是與PBPS結(jié)合的活性功能部位，因此β-內(nèi)酰胺環(huán)的破壞使其失去了干擾細(xì)菌細(xì)胞壁合成的功能，細(xì)菌產(chǎn)生β-內(nèi)酰胺酶導(dǎo)致細(xì)菌對(duì)青霉素抗菌藥物產(chǎn)生耐藥性。3.通透性某些細(xì)菌通過改變菌體外膜的通透性,減少菌體內(nèi)藥物的蓄積，從而使自身產(chǎn)生耐藥性。青霉素的結(jié)構(gòu)改造隨著細(xì)菌對(duì)青霉素類抗生素耐藥性的產(chǎn)生，科學(xué)家們致力于青霉素結(jié)構(gòu)的研究，希望通過改變青霉素的化學(xué)結(jié)構(gòu)從而減少細(xì)菌對(duì)青霉素的耐藥性。在研究青霉素的化學(xué)結(jié)構(gòu)與藥效關(guān)系中，發(fā)現(xiàn)青霉素母核6-APA是由一個(gè)四元環(huán)與一個(gè)五元環(huán)并在一起所組成的分子活性部分，它是青霉素抗菌活性的關(guān)鍵部位，假如四元環(huán)被破壞，青霉素就失去了抗菌活性。另一部分是與之連接的側(cè)鏈RCO—，研究發(fā)現(xiàn)改變側(cè)鏈的結(jié)構(gòu)，可以增長(zhǎng)耐受致病菌破壞的能力和增長(zhǎng)母核的穩(wěn)定性，通過對(duì)青霉素的側(cè)鏈結(jié)構(gòu)改造，可以達(dá)成提高青霉素藥效和治療作用的目的[14][14]孫萬儒.話說青霉素.今日科苑.2023致病菌對(duì)通過改裝的青霉素的破壞和耐受能力減少，容易被殺死，與本來的青霉素相比，由于側(cè)鏈改變了，本來對(duì)青霉素有抗性的致病菌對(duì)它有些“面生”不怎么認(rèn)得，于是被稀里糊涂地殺死了。青霉素的生產(chǎn)方法天然青霉素重要通過發(fā)酵來生產(chǎn)，分為菌種發(fā)酵和提取精制兩個(gè)環(huán)節(jié)；半合成青霉素則是以6APA為中間體與多種化學(xué)合成有機(jī)酸進(jìn)行酰化反映，制得各種類型的半合成青霉素。在對(duì)青霉素合成途徑研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，青霉素的合成與賴氨酸合成有關(guān)系，賴氨酸生物合成的一個(gè)中間體α-氨基己二酸參與青霉素合成，賴氨酸在合成過程中，假如合成多了，會(huì)對(duì)其自身的高檸檬酸合成酶產(chǎn)生反饋克制作用，從而減少α-氨基己二酸的生成，間接地克制青霉素的合成。所以在青霉素發(fā)酵過程中加入α-氨基己二酸，可減少賴氨酸的克制作用，而提高青霉素的產(chǎn)量。近十?dāng)?shù)年來，基因工程和代謝工程的發(fā)展，使青霉素產(chǎn)量得到很大的提高。目前青霉素合成途徑與代謝途徑的關(guān)系已經(jīng)研究的十分清楚。人們可采用基因缺失的辦法將消耗合成青霉素原料和干擾青霉素合成的代謝旁路的關(guān)鍵基因敲掉，或克制相關(guān)基因的表達(dá)，提高青霉素原料的運(yùn)用率，減少副產(chǎn)物的生成，進(jìn)一