第2章 抗生素的作用机制(2012)

生命科学技术学院发酵工程教研室关海燕[e-mail]《抗生素生产工艺》抗生素的作用机制Mechanismofantibiotic2020/1/2412020/1/2421928年葡萄球菌青霉菌青霉素学习目标掌握抗生素的抗菌作用机制，病原菌的耐药机理及如何改变机体对抗生素的耐受性；熟悉抗生素的抗菌谱，致使病原菌产生耐药性的途径；了解临床常见耐药性病原菌。主要内容抗生素的作用机制2细菌耐药机制3331定义重点2020/1/2444细菌抗药性的控制抗生素（antibiotics）是生物，包括微生物、植物和动物，在其生命活动过程中所产生，并在低浓度下能有选择性地抑制或杀灭其他微生物或肿瘤细胞的有机物质。一、定义抗生素的生产目前主要用微生物发酵法进行生物合成法。很少数抗生素如氯霉素、磷霉素等亦可用化学合成法生产。此外还可将生物合成法制得的抗生素用化学或生化方法进行分子结构改造而制成各种衍生物，称半合成抗生素，如氨苄青霉素就是半合成青霉素的一种。2020/1/2451、β-内酰胺类抗生素(β-lactamsantibiotic)2、氨基糖苷类抗生素（Aminoglycosideantibiotics）3、大环内酯类抗生素(Macrolideantibiotics)4、四环类抗生素(tetracyclineantibiotics)5、多肽类抗生素6、多烯类抗生素7、蒽环类抗生素8、苯羟基胺类抗生素9、环桥类抗生素10、其他抗生素按照化学结构分类2020/1/246•抑制细胞壁的形成，导致细菌细胞破裂死亡;•哺乳动物的细胞没有细胞壁，不受这些药物的影响;•如青霉素类和头孢菌素类。2020/1/247原核细胞结构真核细胞结构2020/1/248由于不同微生物之间的细胞化学结构和代谢的差异，不同的抗生素的抗菌谱各异。2020/1/249抑制细胞壁的合成影响胞浆膜的通透性抑制DNA合成抑制蛋白质合成抑制RNA合成影响叶酸代谢抗生素的作用机制抗生素在分子水平上干扰微生物细胞任一基本代谢的某一种机制细菌细胞壁合成细胞膜通透性蛋白质合成核酸合成能量代谢主要作用于微生物的某一代谢环节常用抗生素的作用靶位2020/1/2411（一）抑制细胞壁的合成（二）影响细胞膜的功能（三）干扰蛋白质的合成（四）抑制核酸的合成（五）干扰细胞的能量代谢和电子传递体系重点为临床用药提供科学依据。阐明抗生素作用机制，设计新的筛选模型，研制新抗生素。二、抗生素的作用机制2020/1/241213(一)抑制细胞壁的合成1.细胞壁的功能2.细菌细胞壁的组成3.肽聚糖的合成4.不同抗生素的作用原理《细胞工程》—《微生物学》（温习）2020/1/24•保持细胞形态，维持细胞质高渗透压；•保护细菌（革兰氏阳性菌的细胞壁能耐受20kg/cm2的压力）；•介导细胞间相互作用（侵入宿主）；•防止大分子入侵；•协助细胞运动和分裂；•物质交换作用。1.细胞壁的功能细胞壁缺陷，导致细胞不能抵抗低渗环境。2020/1/24142.细菌细胞壁组成肽聚糖、菌壁酸或菌壁醛酸、脂多糖、脂蛋白、蛋白质、多糖等。主要成分是肽聚糖，由N-乙酰葡糖胺和N-乙酰胞壁酸构成双糖单元，以β-1,4糖苷键连接成大分子。2020/1/2415合成过程：依发生部位分成三个阶段：细胞质阶段：合成派克（Park）核苷酸细胞膜阶段：合成肽聚糖单体细胞膜外阶段：交联作用形成肽聚糖结构3.肽聚糖的合成2020/1/24162020/1/2417第一阶段：合成派克核苷酸类脂载体：细菌萜醇Park核苷酸掺入细胞膜接上N-乙酰葡糖胺和甘氨酸五肽“桥”肽聚糖单体第二阶段：肽聚糖单体的合成2020/1/2418第三阶段：交联作用2020/1/24192020/1/24204.抑制细菌细胞壁肽聚糖合成的抗生素•环丝氨酸—抑制UDP-NAM五肽的合成2020/1/2421•万古霉素、杆菌肽2020/1/2422—通过与末端为D-Ala-D-Ala的多肽形成化学复合物，阻断二糖五肽与胞壁受体结合。D-Ala-D-Ala万古霉素•ß-内酰胺类抗生素—阻止肽聚糖链的交叉连接，细胞不能形成坚韧的细胞壁，在不利的渗透压环境中极易破裂而死亡。2020/1/2423青霉素β-内酰胺环结构与D-丙氨酸末端结构相似，从而能占据D-丙氨酸的位置与转肽酶结合，并将酶灭活，肽链之间无法彼此连接，抑制了细胞壁的合成。2020/1/2424（一）抑制细菌细胞壁的合成（二）影响细胞膜的功能（三）干扰蛋白质合成（四）抑制核酸的合成（五）干扰细胞的能量代谢和电子传递体系重点2020/1/2425抗生素的作用机制26(二)影响细胞膜的功能1.细胞膜2.细胞膜的功能3.不同抗生素的作用原理《细胞工程》（温习）2020/1/241.细胞膜由类脂质和蛋白质分子构成的半透膜，不单是细胞的物理屏障，也是在细胞生命活动中有复杂功能的重要结构。2020/1/24272.细胞膜功能选择性地控制细胞内、外的营养物质和代谢产物的运送；是维持细胞内正常渗透压的屏障；膜上含有氧化磷酸化或光合磷酸化等能量代谢的酶系，是细胞的产能场所；鞭毛着生点和提供其运动所需的能量等。细胞膜通透性增加，营养成份外泄，细胞功能受损。2020/1/24283.不同抗生素的作用原理（1）多粘菌素－属多肽类抗生素分子内含有碱性亲水基团与亲脂性脂肪酸链膜细胞蛋白质或磷脂形成复合物插入细胞膜的脂肪链中细胞膜通透性增加，胞内成份外泄，细菌死亡2020/1/2429注：革兰氏阴性菌细胞壁和细胞膜中脂质含量多，故多粘菌素类抗生素对革兰氏阴性菌作用强。(2)两性霉素B抗真菌药物，用于深部真菌感染。新型隐球菌、白色念珠菌和酵母菌敏感。和真菌细胞膜上麦角固醇结合改变膜的通透性，胞内成份外泄，抑制真菌的生长。细菌细胞膜不含固醇，故无作用。2020/1/2430（一）抑制细菌细胞壁的合成（二）影响细胞膜的功能（三）干扰蛋白质的合成（四）抑制核酸的合成（五）干扰细胞的能量代谢和电子传递体系重点2020/1/2431抗生素的作用机制1.细菌蛋白质的合成通过核糖体及某些细胞质蛋白的催化达到。核糖体的功能：将载有遗传信息的mRNA翻译成蛋白质。核糖体70S由50S：5S、23S、30S＋30S：16SrRNA、20S哺乳动物核糖体80S：60S＋40S此类药物具有高度的选择性2020/1/24322.代表药物（1）四环类抗生素与核糖核蛋白体30S亚基的16SrRNA形成可逆复合物。阻断蛋白质合成的肽链的延长。2020/1/2433四环类抗生素吸收后广泛分布于各组织中，并能沉积于骨及牙组织内。2020/1/2434（2）大环内酯类抗生素与核糖核蛋白体的50S亚单位相结合，抑制肽酰基转移酶，影响核糖核蛋白体的移位过程，妨碍肽链增长，抑制细菌蛋白质的合成，系抑菌剂。抗菌谱和青霉素相似，对青霉素产生耐药性的菌株，对本品敏感。2020/1/2435（一）抑制细菌细胞壁的合成（二）影响细胞膜的功能（三）干扰蛋白质合成（四）抑制核酸的合成（五）干扰细胞的能量代谢和电子传递体系重点2020/1/2436抗生素的作用机制Reversetranscription阻碍核酸的合成，主要通过抑制DNA或RNA的合成，抑制微生物的生长。抗肿瘤抗生素的作用大多抑制DNA、RNA合成。(1)博莱霉素•抑制DNA连接酶和DNA聚合酶，干扰DNA复制。•既能在单链又能在双链DNA上产生多个断点，并释放出单个核苷酸。2020/1/2438代表药物(2)利福霉素•直接作用于RNA聚合酶，特异性抑制RNA合成的起始步骤，对DNA聚合酶无影响。2020/1/2439(3)阿霉素•可抑制RNA和DNA的合成，对RNA的抑制作用最强，抗瘤谱较广。•其生物学效应复杂多样，可致DNA断裂、抑制DNA复制、染色体交换率增高、染色体畸变等。（一）抑制细菌细胞壁的合成（二）影响细胞膜的功能（三）干扰蛋白质合成（四）抑制核酸的合成（五）干扰细胞的能量代谢和电子传递体系重点2020/1/2440抗生素的作用机制电子传递链的抑制剂NADHFMNFe-SCytc1O2CytbCytcCytaa3Fe-SFMNFe-S琥珀酸复合物II复合物IV复合物I复合物III鱼藤酮安密妥抗霉素A氰化物CO抗霉素A的抑制部位NADFPQbcaa3NADFPQbcaa3呼吸链的比拟图解2020/1/2441这类抗生素大多毒性较强，限制了临床上的广泛使用。2020/1/2442抗霉素A抑制细胞色素b和细胞色素c1间的电子传递。阻抑电子传递体系放出的自由能形成的高能中间体向ATP生成的过程。抗霉素主要用于农药,不能人用。1-抑制细胞壁合成：环丝氨酸、万古霉素、杆菌肽、青霉素类、头孢菌素类；2-DNA促旋酶抑制剂：喹诺酮类；3-RNA聚合酶抑制剂：利福平；4-50S蛋白质合成抑制剂：大环内酯类、氯霉素、林可霉素类；5-30S蛋白质合成抑制剂：四环类、氨基糖苷类；6-tRNA合成抑制剂：Mupirocin；7-氯霉素酰基转移酶；8-抑制细胞膜合成：多粘菌素类；9-细胞周质空间：β-内酰胺酶、氨基糖苷类钝化酶；10-抑制叶酸代谢：磺胺类。THFA：四氢叶酸；DHFA：二氢叶酸；PABA：对氨基苯甲酸2020/1/2443抗生素的作用机制三、细菌耐药机制2020/1/2444数据表明：上世纪五六十年代青霉素一次剂量是2万～4万单位，现在需用几十万、几百万单位。葡萄球菌、肠道革兰氏阳性杆菌、结核杆菌、痢疾杆菌之所以长久地肆虐人类，就是耐药性不断增强的结果。动物使用抗生素，通过食物链进入人体。抗生素不合理使用细菌耐药性又称为抗药性，指微生物或肿瘤细胞与药物多次接触后，对药物的敏感性下降甚至消失，致使药物对耐药菌的疗效降低或无效，是微生物对药物所具有的相对抗性。2020/1/2445耐药性细菌耐药性固有耐药性（intrinscresistance)：由细菌的基因所决定，亦称天然耐药性。肠道阴性杆菌对青霉素、铜绿假单胞杆菌对氨苄西林以及链球菌属对庆大霉素均属天然耐药。获得耐药性（aquiredresistance)：指细菌在接触抗生素后，通过某种机制，产生不被药物杀灭的抵抗力。获得耐药性大多由质粒介导，但也可由染色体介导。获得耐药性随着许多新抗生素的不断开发和应用变得愈来愈复杂。这种耐药菌的传代、扩散以及不断变异形成高度和多重耐药。2020/1/2446细菌耐药机制（一）产生抗菌药物灭活酶或钝化酶（二）抗菌药物作用靶位改变（三）细菌细胞膜通透性改变，抗菌药物不易进入（四）细菌将抗菌药物泵出细菌细胞外（五）其他机制2020/1/2447水解酶如β-内酰胺酶可水解β-内酰胺类抗菌药物活性分子从而使细菌具有耐药性;钝化酶又称合成酶可催化某些基团结合到抗生素的OH基或NH2基上，使其不易与细菌体内的核蛋白体结合，从而引起耐药性。细菌通过产生灭活酶来破坏进入胞内的各种抗菌药物，是大多数耐药菌所具有的耐药机制。2020/1/24481、β-内酰胺酶能够破坏具有β-内酰胺结构抗生素的灭活酶。β-内酰胺酶可水解β-内酰胺类抗菌药物活性分子从而使细菌具有耐药性。具有不同特性的β-内酰胺酶细菌对不同结构的β-内酰胺抗生素的耐受性不同。在所研究的革兰氏阳性细菌、革兰氏阴性细菌、分枝杆菌中都发现有不同特性的β-内酰胺酶。2020/1/24492、氨基糖苷类抗生素钝化酶作用机制是对这些抗菌药物分子中某些保持抗菌活性所必须的基因进行修饰，使其与作用靶位核糖体的亲和力大为降低。包括氨基糖苷酰基转移酶、氨基糖苷腺苷转移酶或氨基糖苷核苷转移酶和氨基糖苷磷酸转移酶等。2020/1/24503、MLS类抗生素钝化酶MLS类抗生素即为大环内酯类-林可霉素-链阳性菌素类抗生素，这类抗生素尽管在化学结构上的差异很大，但其对细菌的作用机制基本相同。已经发现了很多作用于MLS类抗生素活性分子的钝化酶。在乳酸杆菌中发现有大环内酯类抗生素钝化酶存在，但其作用机制和相应的基因结构等还了解得不多。