β-内酰胺类抗生素
β_内酰胺类抗生素
CHCOOH 青霉胺
H3C
SH NH2
某些重金属离子（铜、锌等）、温度和氧化剂都可对上述分解和分子重排起催化作用。
2. 不耐酶，碱性条件下不稳定
RCONH2 O
S N
RCONH2
S
CH3
OH-
CH3 或青霉素酶
HOOC HN
CH3 CH3
-CO2
COOH
Penilloic 青霉酸
COOH
RCONH2CH2
二、β-内酰胺类抗生素作用机制
β-内酰胺类抗生素的作用靶点是青霉结合蛋白 （PBPs），包括转肽酶、转糖酶、羧肽酶和内肽 酶等。
β-内酰胺类药物的杀菌作用是通过与PBPs作用而 抑制细菌细胞壁的生物合成。
细菌细胞壁的结构
细菌细胞壁的合成
线状聚糖链短肽
╳
β-内酰胺类抗生素
网状多肽
大肠杆菌肽聚糖的结构
3. 广谱青霉素
RCONH
O
R= HOOCCHCH2CH2CH2
Penicillin N
S N
CH3 CH3
COOH
R= R= HO
H2N
H C
NH2
H C
NH2
氨苄西林(Ampicillin) 阿莫西林（ Amoxicillin）
H
R=
C
羧苄西林（Carbenicillin）
COOH
R= C2H5 N
Antibiotics） 6. 其他类（Miscellaneous Antibiotics）
第一节 β-内酰胺类抗生素
一、基本结构和特征
6 5 S1
αβ
O7 7
2
N
43 1
6S 2
β 内胺类抗生素
G+菌和G—菌的细胞壁结构不同
青霉素作用机制 1. 与PBPs结合
不良反应
1. 局部刺激症状
如注射部位疼痛、红肿、硬结等，以钾 盐为重，钾盐大量静注易致高钾血症。
2. 过敏反应
发生率高，皮肤过敏反应、血清病样反应 多见
速发型：过敏性休克、荨麻疹、血管神经性水肿 不良反应 过敏性休克 迟发型：斑丘疹、接触性皮炎、血清病样反应
一般较轻，停药或服用抗组胺药可消失，严 重的为过敏性休克。 3. CNS 脑脊液中浓度高时可引起痉挛、癫痫发作、 青霉素脑病，甚至昏迷死亡
• ⑤青霉素现配现用 • ⑥做好急救准备。一旦出现过敏性休克立 即停药并皮下或i.m0.1%AD0.5~1.0mg， 严重者静注或心内注射，必要时可加用糖 皮质激素和抗组织胺药。 • 吸氧、人工呼吸、同时输液，给予升压 药等。
二、半合成青霉素
• 半合成青霉素 以6-APA为母核加入不同的侧链合成 • 特点 耐酸、耐酶、广谱、抗铜绿假单孢菌 • 与青霉素相比较 对同一敏感细菌的抗菌强度不如青 霉素，且与青霉素之间有交叉过敏反应。
--G+杆菌：破伤风、白喉、炭疽杆菌；还有鼠咬热。
（治疗破伤风、白喉时需加用抗毒血清以中和外毒素， 因主要是外毒素所致症状） --螺旋体（回归、梅毒及钩端）
--放线菌: 大剂量，长疗程 2. 对脑膜炎双球菌有效，但预防时用SD或SMZ， 或利福平。 3. 预防感染性心内膜炎的发生.
作用机制
β-内酰胺类抗生素
抗生素(Antibiotics)•抗生素是某些微生物的代谢产物或合成的类似物，在小剂量的情况下能抑制微生物的生长和存活，而对宿主不会产生严重的毒性。
•在临床应用上，大多数抗生素是抑制病原菌的生长，用于治疗大多数细菌感染性疾病。
•除了抗感染的作用外，某些抗生素，还具有抗肿瘤活性，用于肿瘤的化学治疗；•有些抗生素还具有免疫抑制和刺激植物生长作用。
所以抗生素不仅用于医疗，而且还应用于农业、畜牧和食品工业方面。
β-内酰胺抗生素四环素类抗生素氨基糖甙类抗生素大环内酯类抗生素抗生素 结构分类第一节β-内酰胺抗生素(β-Lactam Antibiotics)β-内酰胺抗生素的结构特征由四个原子环组成的β-内酰胺环青霉素类(Penicillins)头孢菌素类(Cephalosporins)N SHXACOOHRCONHOCephalosporinsX = H- or CH 3COO-34567812碳青霉烯(Carbapenem)N O 1234 567 Carbapenem青霉烯(Penem)NS O1234567Penem氧青霉烷(Oxypenam)N OO1234567Oxypenam单环的β-内酰胺(Monobactam)N O1234Monobactam青霉素(Benzylpenicillin)NHOS HO OH H N H OPenicillins类化合物的化学性质β-内酰胺环和五元的氢化噻唑环骈合而成，二个环的张力都比较大β-内酰胺环中羰基和氮原子的孤对电子不能共轭，易受到亲核性或亲电性试剂的进攻如β-内酰胺酶)的作用下 NHO S HO OH H NH O NH O S H O OH H N H H OOH-CO 2NH O SOH H N H HO HgCl 2NH O CHO COOH SH NH 2OH - or Enzyme Penicillonic Acid Penilloic AcidPenilloaldehyde +Penicillamine如β-内酰胺酶)的作用下NHO S HO OH H NH O如β-内酰胺酶)的作用下NHO S HOOH H N H O OH - or EnzymeBenzylpenicillin 遇到胺和醇时NHOS HO OH H N H O NHOS HO OHH N H H ONHOS HO OHH N H H O NHR ORRNH2ROHAmide of Penicilloic AcidEster of Penicilloic AcidBenzylpenicillin 在酸性条件下NHO S HO OH H NH O NH O S OH H N H H O NH OCHONH O CHO HOOC -CO 2Penilloic Acid Penilloaldehyde +H + or HgCl 2Penaldic Acd在稀酸溶液中(pH 4.0)室温条件下NHOS HO OHH N H O H+H +N S OHH N H H O SOH N H O O O N Penillic AcidH +pH=4.0HOOC NHO CHO COOH SH NH 2Penilloaldehyde +Penicillamineβ-内酰胺抗生素的过敏反应严重时会导致死亡外源性过敏原内源性过敏原Benzylpenicillin的过敏原青霉噻唑基Penicillins类抗生素之间能发生强烈的交叉过敏反应β-内酰胺抗生素的作用机制细菌细胞壁的结构细菌细胞壁的合成耐青霉素酶的半合成青霉素耐酸的半合成青霉素广谱的半合成青霉素耐酸的半合成青霉素NHOS H OOH H NH ORPhenethillin R = C 6H 5OCH(CH 3)-Propicillin R = C 6H 5OCH(C 2H 5)-Azidocillin R = C 6H 5OCH(N 3)-耐青霉素酶的半合成青霉素N HOSH OOH HNH ONO耐酶半合成青霉素的设计原理较大的空间位阻，阻止了化合物与酶活性中心的结合限制酰胺侧链R与羧基间的单键旋转降低了Penicillin分子与酶活性中心作用的适应性苯唑西林钠的研究•Oxacillin甲氧西林和苯唑西林结构比较NHOSHOOHHNH ONONHOS H OOHHNHOOCH 3OCH 3NHOSH OOHH NH ON ONONOOHSOHN HHOpH 3.8, Cu +(Rearrangement)Oxacillin 在弱酸条件，微量铜离子的催化下，发生分子重排，生成苯唑青霉烯酸。
β--内酰胺类抗生素
一、-内酰胺类抗生素的共性
5 . 细菌产生耐药性的机制相同
（一）产生水解酶 （二）酶与药物牢固结合 （三）靶位结构改变 （四）胞壁外膜通透性改变 （五）自溶酶缺少
（一）产生水解酶 最常见的机制
金葡菌、大肠杆菌 铜绿假单胞 菌
青霉素酶 -内酰胺酶
（二）酶与药物牢固结合 牵制机制
青霉素 头孢菌素
广谱青霉素 2~3代头孢菌素
7
（一）天然青霉素
青霉素 G（Penicillin G）
第一个用于临床的抗生素
结构：侧链中含有苄基，故又名苄青霉素
性质：不稳定 （1）水溶液易失效并产生致敏物，故用前配制 （2）易被酸、碱、醇、重金属离子破坏，避免合用
特点：不耐酸、不耐酶、窄谱
青霉素的抗菌特点
对革兰阳性菌作用强，对革兰阴性菌作 用弱； 对繁殖期细菌作用强，对静止期细菌作 用弱； 对哺乳动物毒性小
-内酰胺类抗生素
（-lactam antibiotics）
讲授内容
一、 -内酰胺类抗生素的共性 二、细菌的耐药性 三、青霉素类抗生素 四、头孢菌素类抗生素 五、非典型-内酰胺类抗生素
β-内酰胺类抗生素（-Lactam antibiotics）
系指化学结构中具有β-内酰胺环的一大类抗生素. 临床最为常用的药物是：
O
HO
酰胺酶 作用点
青霉素酶作用点
R1 C O
NH 7 O
1
S
6
2
N
3
5 4 R2
COO-
一、-内酰胺类抗生素的共性
2. 有交叉过敏反应
完全交叉过敏
天然青霉素
半合成青霉素
头孢菌素类
一、-内酰胺类抗生素的共性
β-内酰胺类抗生素
β-内酰胺类抗生素（β-lactams）系指化学结构中具有β-内酰胺环的一大类抗生素，包括临床最常用的青霉素与头孢菌素，以及新发展的头霉素类、硫霉素类、单环β-内酰胺类等其他非典型β-内酰胺类抗生素。此类抗生素具有杀菌活性强、毒性低、适应症广及临床疗效好的优点。本类药化学结构，特别是侧链的改变形成了许多不同抗菌谱和抗菌作用以及各种临床药理学特性的抗生素。
耐药机制 细菌对β-内酰胺类抗生素耐药机制可概括为： ① 细菌产生β-内酰胺酶（青霉素酶、头孢菌素酶等）使易感抗生素水解而灭活； ② 对革兰阴性菌产生的β-内酰胺酶稳定的广谱青霉素和第二、三代头孢菌素，其耐药发生机制不是由于抗生素被β-内酰胺酶水解，而是由于抗生素与大量的β-内酰胺酶迅速、牢固结合，使其停留于胞膜外间隙中，因而不能进入靶位（PBPs）发生抗菌作用。此种β-内酰胺酶的非水解机制又称为“牵制机制”（trapping mechanism）； ③ PBPs靶蛋白与抗生素亲和力降低、PBPs增多或产生新的PBPs均可使抗生素失去抗菌作用。例如MRSA（methicillin resistant Staphylococcus aureus）具有多重耐药性，其产生机制是PBPs改变的结果，高度耐药性系由于原有的PBP2与PBP3之间产生一种新的PBP2'（即PBP2a），低、中度耐药系由于PBPs的产量增多或与甲氧西林等的亲和力下降所致； ④ 细菌的细胞壁或外膜的通透性改变，使抗生素不能或很少进入细菌体内到达作用靶位。革兰阴性菌的外膜是限制β-内酰胺类抗生素透入菌体的第一道屏障。 近年研究已证实抗生素透入外膜有非特异性通道与特异性通道两种。大肠杆菌K-12外膜有亲水性的非特异性孔道蛋白（porin）为三聚体结构，有二个孔道蛋白，即OmpF与OmpC，其合成由OmpB3基因调控。OmpF的直径为1nm，许多重要的β-内酰胺类抗生素大多经过此通道扩散入菌体内。鼠伤寒杆菌OmpF与OmpC缺陷突变株对头孢噻啶的通透性要比野生株小10倍，因而耐药。仅含微量OmpF与OmpC的大肠杆菌突变株，对头孢唑啉、头孢噻吩的透入也较野生株成倍降低，其MIC明显增高，也出现耐药。绿脓杆菌对β-内酰胺类抗生素耐药性的产生已证明是由于外膜非特异性孔道蛋白OprF缺陷而引起的。革兰阴性外膜的特异性通道，在绿脓杆菌耐亚胺培南的突变株已证明系由于外膜缺失一种分子量为45～46kD蛋白OprD。如将此OprD重组于缺陷OprD的突变株外膜蛋白脂质体中，又可使亚胺培南透过性增加5倍以上，其MIC也相应地降低，于是细菌的耐药性消除。 ⑤ 由于细菌缺少自溶酶而出现细菌对抗生素的耐药性，即抗生素具有正常的抑菌作用，但杀菌作用差。
β-内酰胺类抗生素
青霉素V 特点：耐酸，可口服
二、耐酶青霉素类 特点：改变青霉素化学结构的侧链，通过 其空间位置障碍作用保护了β-内酰胺环， 使其不易被青霉素酶水解。 耐酶、耐酸、作用弱于青霉素G
三、广谱青霉素类 特点：耐酸、可口服、对G+、G-都有杀菌 作用，疗效与青霉素G相当，不耐酶。
四、抗铜绿假单胞菌广谱青霉素类 特点：广谱，对铜绿假单胞菌有强大作用。 羧苄西林 哌拉西林
（二）头孢菌素类：根据抗菌谱、耐药性、肾 毒性分类 1、第一代头孢菌素：头孢拉定、头孢氨苄等 2、第二代头孢菌素：头孢呋辛、头孢克洛等 3、第三代头孢菌素：头孢哌酮、头孢噻肟等 4、第四代头孢菌素：头孢匹罗等
（三）其他β-内酰胺类：碳青霉烯类、头 霉素类、氧头孢烯类、单环- β-内酰胺类 （四） β-内酰胺酶抑制药：棒酸、舒巴坦 类 （五） β-内酰胺类抗生素的复方制剂
二、抗菌作用机制：作用于青霉素结合蛋白 （PBPS），抑制细菌细胞壁的合成，菌体失去 渗透屏障而膨胀、裂解，同时借助细菌的自溶 酶溶解而产生抗菌作用。 PBPS分类 1、大分子量，具有转肽酶和转糖基酶活性，参 与细菌细胞壁合成。 2、小分子量，具有羧肽酶活性，与细菌细胞分 裂和维持形态有关。
三、耐药机制 1、产生水解酶 2、与药物结合 3、改变PBPS 4、改变菌膜通透性 5、增强药物外排（外排系统：转运子、外膜蛋 白、附加蛋白） 6、缺乏自溶酶
β-内酰胺类抗生素
β-内酰胺类抗生素：化学结构中含有β-内 酰胺环的一类抗生素。包括青霉素类、头 孢菌素类、非典型β-内酰胺类和β-内酰胺 酶抑制剂抗生素分类 （一）青霉素类按抗菌谱和耐药性分为5类： 1、窄谱青霉素类：青霉素G、青霉素V等 2、耐酶青霉素类：甲氧西林、氯唑西林、氟氯 西林等 3、广谱青霉素类：氨苄西林、阿莫西林等 4、抗铜绿假单孢菌广谱青霉素类：羧苄西林、 哌拉西林等 5、革兰阴性菌青霉素类：美西林、匹美西林等
第39章β-内酰胺类抗生素
第39章β-内酰胺类抗生素β-内酰胺类抗生素是指化学结构中含有β-内酰胺环的一类抗生素。
包括青霉素、头孢菌素、非典型β-内酰胺类和β-内酰胺酶抑制剂等。
该类抗生素抗菌活性强、抗菌谱广、毒性低，临床使用时疗效高、适应症广，且品种多，故颇受重视。
第一节分类、抗菌作用和耐药机制一、β-内酰胺类抗生素分类（一）青霉素类按抗菌谱和耐药性分为5类1．窄谱青霉素类以注射用青霉素G和口服用青霉素V为代表2．耐酶青霉素类以注射用甲氧西林和科普副、注射用氯唑西林、氟氯西林为代表。
3．广谱青霉素类以注射、口服氨苄西林和口服用阿莫西林为代表。
4．抗铜绿假单胞菌广谱青霉素类以注射用羧苄西林、哌拉西林为代表。
5．革兰阴性菌青霉素类以注射用美西林和口服用匹美西林为代表。
（二）头孢菌素类按抗菌谱、耐药性和肾毒性分为一、二、三、四代。
1．第一代头孢菌素以注射、口服用头孢拉定和口服用头孢氨苄为代表。
2．第二代头孢菌素以注射用头孢呋辛和口服用头孢克洛为代表。
3．第三代头孢菌素以注射用头孢哌酮、头孢噻肟和口服用头孢克肟为代表。
4．第四代头孢菌素以注射用头孢匹罗为代表。
（三）其他β-内酰胺类包括碳青霉烯类、头霉素类、氧头孢烯类、单环β-内酰胺类。
（四）β-内酰胺酶抑制药包括棒酸和舒巴坦类。
（五）β-内酰胺类抗生素的复方制剂。
二、抗菌作用机制β-内酰胺类抗生素的作用主要是作用于青霉素结合蛋白（PBPs），抑制细菌细胞壁的合成，菌体失去渗透屏障而膨胀、裂解，同时借助细菌的自溶酶溶解而产生抗菌作用。
哺乳动物的细胞没有细胞壁，所以，β-内酰胺类抗生素对人和动物的毒性很小。
因β-内酰胺类抗生素对已合成的细胞壁无影响，故对繁殖期的细菌的作用比静止期强。
三、耐药机制细菌对β-内酰胺类抗生素产生的耐药机制有：1．产生水解酶2．与药物结合3．改变PBPs4．改变菌膜通透性5．增加药物外排在细菌的胞浆膜上存在主动外排系统，是一组跨膜蛋白，有三部分组成：①转运子负责将药物泵出②外膜蛋白药物泵出的通道③附加蛋白负责将药物由转运子传递至外膜通道。
β-内酰胺类抗生素
G+ G-
抗对 酶
菌稳 作定 用性
第一代头孢菌素 第二代头孢菌素 第三代头孢菌素 第四代头孢菌素
抗对
肾
菌 作
毒 性
用
β-内酰胺类抗生素
第一代 第二代 第三代
• 注射用:头孢噻吩、头孢唑啉 • 口服：头孢氨苄、头孢拉定（注射）
• 注射用：头孢孟多、头孢呋辛 • 口服：头孢呋辛酯、头孢克洛
• 注射用：头孢噻肟、头孢哌酮、头 孢曲松、头孢他定
及
广谱青霉素类
作
用
头孢菌素类
特
点
分 类
新型的β-内 对酰青胺霉抗素生过素敏类者可以用阿莫西林吗？
β-内酰胺类抗生素
按
青霉素类
结
构 及
头孢菌素类
作
头霉素类
用
特
氧头孢烯类
点分Biblioteka 新型的β-内碳青霉烯类：亚胺培南
类 酰胺抗生素类
单环β-内酰胺类
β-内酰胺酶抑制剂：克、舒
β-内酰胺类抗生素
几种ß-内酰胺类ß-内酰胺酶 抑制剂复方: 氨苄西林-舒巴坦 替卡西林-克拉维酸 哌拉西林-他唑巴坦 头孢哌酮-舒巴坦
N1 2
CH3 CH3 COOH
H HS RCOHN 7 6 5 4
O 8 N1 2 3
CH2A
COOH
均含有β-内酰胺环，但此环可被β-内酰胺酶水解 而失去活性，这正是细菌耐药的原因。
机制类似---抑制细菌细胞壁的合成。
β-内酰胺类抗生素
窄谱青霉素类：青霉素G
按
青霉素类 耐酸青霉素类
结 构
耐酸耐酶青霉素
A.林可霉素
B
C.红霉素
D
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1 碳源分解代谢物阻碍 2 赖氨酸的反馈调节 3 L-甲硫氨酸对头孢菌素C形成的促进作 L-甲硫氨酸对头孢菌素C 用 4 在头孢菌素C的合成过程中，扩环和羟 在头孢菌素C 化是其中的关键反应和限速阶段 5 结氨酸是青霉素生物合成的前体物
课程：生物工程产品工艺学
标题： β-内酰胺类抗生素 导师 主讲
β-内酰胺类抗生素
β-抗生素是一类中还要的抗生素，包括青霉 素、头孢菌素、头霉素、硫霉素、克拉维 酸及单环β 酸及单环β-内酰胺类等。 此类抗生素具有杀菌活性强、毒性低、适 应证广及临床疗效好的优点
主要特征和结构
他们的主要特征是在分子结构中有一个具 有抗菌活性的四元的β 有抗菌活性的四元的β-内酰胺环结构，及 其母核结构。 其化学结构，特别是侧链的改变形成了许 多不同抗菌谱和抗菌作用以及各种临床药 理学特性的新抗生素。
β-内酰胺类抗生素的生物合成及调 控
青霉素和头孢菌素的生物合成途径： 青霉素和头孢菌素的生物合成的第一步是由L 青霉素和头孢菌素的生物合成的第一步是由L-α氨基己二酸、L 半胱氨酸和L 氨基己二酸、L-半胱氨酸和L-结氨酸合成三肽 ACV分子，该反应由acvA(pcbAB)基因编码的 ACV分子，该反应由acvA(pcbAB)基因编码的 acvA(pcbAB) ACV合成酶(ACVS)催化；第二步则是由 ACV合成酶(ACVS)催化；第二步则是由 ipnA(pcbC)基因编码的异青霉素合成酶(IPNS) ipnA(pcbC)基因编码的异青霉素合成酶(IPNS) 催化生成异青霉素(IPN),IPN是青霉素和头孢菌 催化生成异青霉素(IPN),IPN是青霉素和头孢菌 素生物合成途径的分支点。然后IPN分别沿不同 素生物合成途径的分支点。然后IPN分别沿不同 途径合成青霉素和头孢菌素。
物理特性
β-内酰胺类抗生素大多是白色或类白色结 晶或无定型粉末，通常熔点不明显，温度 升高时会分解。分子结构上含有不对称碳 原子，故具有旋光性。
化学特性
β-内酰胺类抗生素母核上上都带有一个羧基，其 盐类易溶与极性溶剂，尤其是水。当它们以游离 酸形式存在时，易溶于醚、酯等有机溶剂中，如 氯仿是多种青霉素游离酸的良好溶剂。 由于β 由于β—内酰胺类抗生素的环较小，故通常都很活 泼。在很多情况下，内酰胺环中羰基的反应性能 和羧基酐相似，易与亲核试剂和亲电试剂作用， 使环打开而失去活性。