微生物药物学重点

微生物药物学重点抗生素的定义（Waksman，1942）：抗生素是微生物在其代谢过程中所产生的、具有抑制它种微生物生长及活动甚至杀灭它种微生物性能的化学物质。抗生素的一般定义：“抗生素”是在低微浓度下有选择地抑制或影响它种生物机能的、是在微生物生命过程中产生的具有生物活性的次级代谢产物及其衍生物。抗生素与抗菌药物的区别：1.完全通过化学合成方法制备的磺胺类、氟喹诺酮类和恶唑烷酮类等抗细菌药物，以及像酮康唑类抗真菌药物被称之为抗菌药物，而不属于抗生素的范畴。2.而对于像磷霉素和氯霉素这些原来是来源于微生物的次级代谢产物，但由于结构简单而用化学合成的方法代替微生物发酵法来生产制备的品种，以及像源于微生物次级代谢产物硫霉素，后完全用化学合成方法制备的一系列碳青霉烯类β-内酰胺抗生素等，通常将其归纳在抗生素的范畴。微生物药物：由微生物（包括重组微生物）在其生命活动过程中产生的、在低微浓度下具有生理活性的次级代谢产物及其衍生物。初级代谢产物与次级代谢产物作为药物的差别1.初级代谢和次级代谢是完全不同的两个代谢系统；2.初级代谢物和次级代谢物的理化特性有着很大的区别，后者为小分子物质，其分子量小于3000，且化学结构多样性；3.次级代谢物对产生它的微生物的作用不明显或没有作用4.初级代谢物作为药物使用时尽管也有药理活性作用，但一般往往没有确定的作用靶点且更多的是作为辅助或营养药物，而次级代谢物具有确切的作用靶点和明显的治疗效果。广义的天然药物强调“来源于各种生物体的化合物”，可以是初级代谢产物也可以是次级代谢产物；而化学合成药物一般是指通过化学方法合成的小分子化合物。天然药物分类生物制品；生化药物；抗生素；微生物药物；植物药物；中草药；基因工程药物；生物技术药物等微生物药学研究的内容：微生物药学是药学的一个分支，它与生化药学一起构成微生物与生化药学二级学科。微生物药学的研究内容包括：微生物药物生物合成的代谢调控、产物的分离纯化、作用机制和耐药机制的研究、产生菌的菌种选育及寻找新微生物药物的方法和途径等。微生物产生拮抗作用的可能原因1、营养物质被消耗。2、培养基的理化性质被改变。3、微生物产生的酶的作用。4、产生毒物或抗生素。5、空间的争夺。1929年，Fleming偶尔发现音符型青霉菌对葡萄球菌有拮抗作用；1941年，美国政府邀请Chain和Florey到美国帮助开发青霉素的生产；链霉素发现者Worksman；继Fleming和Waksman后，在抗生素研究领域中作出卓越贡献的第三位科学家，微生物来源酶抑制剂筛选的先驱－－梅泽滨夫HamaoUmezawa。化学修饰的目的：1）扩展抗菌谱的修饰（氨苄西林与阿莫西林）2）增强抗菌活性的修饰（天然头孢菌素C、头霉素、头菌素）3）克服耐药性的修饰（降低底物对酶的结构适应性；消除钝化酶作用基团；增辟新作用点）（甲氧西林、萘夫西林）4）改善药物动力学性能的修饰（增强稳定性的修饰；改善吸收提高血药浓度的修饰；延缓消除半衰期的修饰）（四环素；红霉素；头孢菌素；）5）降低毒副反应的修饰（氨苄西林）6）适应制剂需要的修饰（红霉素）抗生素的结构修饰的重要性抗生素结构的适当修饰，可扩展天然抗生素的抗菌谱、增强抗菌活性、克服耐药性、改善药物动力学性能与降低毒副反应，但不是所有抗生素经过修饰都能如愿地得到良好的修饰物。有些天然抗生素仅经过微小的修饰，即全然丧失抗菌活性，而在众多的修饰物中性能都不如原天然物的实例亦不罕见。在筛选新抗生素困难重重的今天，对获得的天然物进行适当的修饰是必要的。寻找微生物药物的基本途径和方法当前寻找新微生物药物的主要途径（重要）1、建立新的筛选模型寻找微生物新药：从微生物代谢产物中寻找小分子量的酶抑制剂、免疫调节剂和受体拮抗剂或激活剂等生物活性物质，利用新的筛选模型，从已知的微生物次级代谢产物来筛选以上这些物质。2、扩大微生物来源寻找微生物新药：从海洋微生物、稀有放线菌和在极端环境下生长的微生物的次级代谢产物中来筛选新的生理活性物质。3、以微生物来源的生理活性物质为先导化合物，进行化学改造寻找效果更好的微生物药物：根据药物的构效关系以及体内代谢的特性，对已知次级代谢产物进行结构改造的目的，主要是筛选相对于母体化合物具有如下特点的微生物新药：扩大抗菌谱或作用范围、克服细菌的耐性或改善药物对作用靶的敏感性、改进对细胞的通透性、改善化学和代谢的稳定性、提高血浆和组织浓度、增强与宿主免疫系统的协调作用、能够制备成合适给药方式的结构状态，以及减少毒副作用等。4、应用次级代谢产物的生物合成原理，“创造”微生物新药：根据已知次级代谢产物的生物合成机理，通过改变培养基成分、控制发酵条件进行定向生物合成来寻找新的次级代谢产物；或是通过对已知抗生素产生菌进行诱变处理，使一些原先沉默的基因得以激活、或阻断某些生物合成途径中的某些基因而产生新的生物活性物质。5、利用基因工程技术构建能产生微生物新药的基因工程菌：随着对微生物次级代谢产物生物合成途径和代谢调控机制的深入了解，最终人类能够“理性化”地构建产生所需目的产物的基因工程菌。前体（precursor）：即在微生物培养过程中，外源添加的某一化学物质，通过微生物的代谢，能够将其整体地或部分地整合到某一特定的次级代谢产物的分子中去的化合物，如苯乙酸或苯乙酰胺及苯氧乙酸等）。微生物的次级代谢：微生物在一定生长时期（一般是稳定生长期），以初级代谢产物为前体，合成一些对微生物的生命活动没有明确功能物质的过程。微生物次级代谢的特征：1.次级代谢产物一般不在产生菌的生长期产生，而在随后的生产期形成；2.次级代谢以初级代谢产物为前体，并受初级代谢的调节；3.次级代谢酶的专一性低；4.种类繁多，结构特殊，含有不常见的化合物和化学键；如：抗生素、毒素、色素、生物碱。5.次级代谢产物的合成具有菌株特异性；一种微生物的不同菌株可以产生分子结构迥异的次级代谢物；不同种类的微生物也能产生同一种次级代谢物；6.次级代谢产物的合成比生长对环境因素更敏感。如菌体生长，磷酸盐浓度0.3～300mmol/L；产物合成，磷酸盐浓度0.1～10mmol/L；7.次级代谢酶在细胞中具有特定的位置和结构；8.由生长期向生产期过渡时，菌体形态会有所变化；9.次级代谢产物的合成过程是一类由多基因（基因簇）控制的代谢过程；这些基因不仅位于微生物的染色体中也位于质粒中，且后者的基因在次级代谢产物的合成过程中往往起主导作用。微生物次生代谢产物固有特性：1.特异性的微生物产生菌2.生理活性的多样性3.独特的化学结构第四章（#重要章节#主要掌握四种抗生素的作用机制和耐药机制）β-内酰胺类抗生素（β-lactams）：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。β-内酰胺类抗生素作用机制：青霉素等β-内酰胺类抗生素则以它们的结构与供体底物(D-丙氨酰-D-丙氨酸)结构相似(二者都有高度反应性的-C-N-键)而与转肽酶起作用,从而干扰了正常的转肽反应。然后导致细菌细胞壁不能正常合成，使细菌胞壁缺损，菌体膨胀裂解。β-内酰胺类抗生素耐药机制：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”（trappingmechanism）；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。（与细菌细胞壁的合成、维持以及肽聚糖结构特征的调节等有关的一组酶通常即被称之为PBPs）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。5.药物外排机制。细菌渗透性屏障是细菌对药物产生耐药性的普遍性机制（非特异性），而由PBPs-介导的和由β-内酰胺酶介导的耐药机制是细菌对β-内酰胺药物产生耐药性的特有机制（特异性）。克服细菌对β-内酰胺抗生素产生耐药性的对策一个好的β-内酰胺类抗生素，能够有效地抑制粘肽的合成，则必须具备以下三个条件：1)有好的渗透性，使药物能达到作用部位；2)对β-内酰胺酶稳定，使β-内酰胺环不被酶解；3)对靶酶，即对青霉素结合蛋白有高的亲和力，从而抑制PBPs的酶活力，使细菌生长抑制或死亡。克拉维酸对β-内酰胺酶的活性位点有高亲和力，能与催化中心相结合，以竞争性抑制剂的方式发挥作用。随后与酶分子中的丝氨酸的羟基发生反应，通过β-内酰胺羰基和β-内酰胺环打开而使酶酰化，从而抑制耐药性。β-内酰胺酶抑制剂以下两种：1.克拉维酸（clavulanicacid，棒酸）为氧青霉烷类广谱β-内酰胺酶抑制剂，抗菌谱广，但抗菌活性低。与多种β-内酰胺类抗菌素合用时，抗菌作用明显增强。2、舒巴坦（sulbactam，青霉烷砜）为半合成β-内酰胺酶抑制剂，对金葡菌与革兰阴性杆菌产生的β-内酰胺酶有很强且不可逆抑制作用，抗菌作用略强于克拉维酸，但需要与其他β-内酰胺类抗生素合用，有明显抗菌协同作用。β-内酰胺类抗生素代表药物：青霉素。氨基糖苷类抗生素：氨基糖苷类抗生素是由氨基糖与氨基环醇通过氧桥连接而成的苷类抗生素。有来自链霉菌的链霉素等、来自小单孢菌的庆大霉素等天然氨基糖苷类，还有阿米卡星等半合成氨基糖苷类。氨基糖苷类抗生素作用机制：氨基糖苷类抗生素对于细菌的作用主要是抑制细菌蛋白质的合成，此类药物可影响细菌蛋白质合成的全过程，妨碍初始复合物的合成，诱导细菌合成错误蛋白以及阻抑已合成蛋白的释放，从而导致细菌死亡。氨基糖苷类抗生素抑制蛋白质合成起始过程的位点有三个:一是特异性地抑制30S合成起始复合体的形成，如春日霉素；二是抑制70S合成起始复合体的形成和使fMet-tRNA从70S起始复合体上脱离，如链霉素、卡那霉素、新霉素、巴龙霉素、庆大霉素等；三是这类抑制70S合成起始复合体的抗生素也能引起密码错读。氨基糖苷类抗生素耐药性机制1.细菌产生一种或多种有关的钝化酶来修饰进入胞内的活性抗生素使之失去生物活性；2.氨基糖苷类抗生素的作用靶位核糖体或是与核糖体结合的核蛋白的氨基酸发生突变，而使进入胞内的活性抗生素不能与之结合或结合力下降。具有抗耐药菌作用的新的氨基糖苷类抗生素的研究开发应用化学修饰的方法对那些易被各种钝化酶作用的位点进行结构改造，能够得到一系列非常有效的新的氨基糖苷类抗生素。一、对钝化酶作用位点进行结构修饰（一）克服磷酸转移酶钝化作用的新药开发（二）克服酰基转移酶钝化作用的新药开发（三）克服核苷转移酶钝化作用的1-N-取代的新药开发（四）制备改变手性结构的衍生物（五）1-C取代衍生物（六）卤代衍生物（七）其它衍生物（取代从而降低钝化酶的敏感性）二、应用酶学方法研究开发新的氨基糖苷类抗生素（一）磷酸转移酶（氨基脱去；酶自杀性底物；酶抑制剂）（二）核苷酰转移酶（钝化作用）三、基于核糖体结构的新药设计以30S核糖体特别是A位点作为抗生素作用的靶位，进而有可能筛选和设计化合物，使之能有效地结合于细菌30S核糖体的A位点上，从而发现新的抗生素；氨基糖苷类抗生素代表药物：链霉素，庆大霉素，卡那霉素，妥布霉素，阿米卡星。MLS(macrolides-lincosamids-streptogramins)是一类包括十四、十五和十六元大环内酯类抗生素。MLS类抗生素的结构特性1、化学结构差异大，但其抗菌机制和细菌耐药性机制非常相似；2、抗菌谱较窄，对革兰氏阳性球菌（特别是葡萄球菌、链球菌和肠球菌）和杆菌以及革兰阴性球菌有效；3、这些药物尤其是氯林可霉素对厌氧菌也有效；4、革兰氏阴性杆菌通常对这类药物不敏感，但某些肠杆菌和嗜血杆菌在体外对阿齐霉素敏感。MLS类抗生素的作用机制大环内酯类抗生素对于50S大亚基形成的抑制作用是特异性的，即30S亚基