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抗菌机理
抗生素的作用机制
i.干扰细菌细胞壁的合成细菌细胞壁具有维持细菌正常外形的功能,若出现缺损,则细菌便膨胀、变形、破裂、自溶而死亡。
细胞壁的主要成分是胞壁黏肽,由N-乙酰葡萄糖氨(NAG)和与五肽相连的N-乙酰胞壁酸(NAM)重复交联而成,其生物合成包括胞浆内、胞浆膜和胞浆外三个阶段。
磷霉素、环丝氨酸可阻碍胞浆内前体N-乙酰胞壁酸的形成;万古霉素和短杆霉素可抑制胞浆膜阶段的黏肽合成;而青霉素和头孢菌素类β-内酰胺抗生素则对胞浆膜外黏肽的交联过程具有阻断作用,能抑制黏肽转肽酶的作用,使细胞壁产生缺陷导致细菌死亡。
ii.损伤细菌细胞膜细菌细胞膜主要由类脂质和蛋白质成分组成,具有半透膜的性质,起着渗透屏蔽和运输物质的作用。
多黏菌素B能与细胞膜上的磷脂结合,制霉菌素和两性霉素B可与真菌细胞膜上的类醇类结合,使细胞膜的完整性受损,通透性增加,导致菌体内蛋白质、核苷酸、氨基酸等重要物质外漏,从而使细菌死亡。
iii.抑制细菌蛋白质的合成细菌的核蛋白体为70s,有30s和50s亚基组成,不同于真菌细胞的核蛋白,后者为80s,由40s和60s两个亚基组成。
某些抗生素对细菌的核蛋白体具有高度的选择性。
氯霉素、林可霉素和大环内酯类抗生素能与50s亚基结合;氨基糖苷类抗生素以及四环素类抗生素均能与30s亚基结合,从而抑制细菌蛋白质的合成,影响和终止细菌的生长繁殖。
iv.抑制细菌核算的合成利福平能抑制DNA依赖的RNA聚合酶,影响mRNA的转录。
灰黄霉素的化学结构类似于鸟嘌呤,能进入DNA分子干扰DNA的合成。
β-内酰胺类抗生素的分类
β-内酰胺类抗生素是指分子中含有四个原子组成的β-内酰胺环的抗生素。
β-内酰胺环是该类抗生素发挥生物活性的必需基团,和细菌作用时β-内酰胺环开环与细菌发生酰化作用,抑制细菌的生长。
而同时由于β-内酰胺环由四个原子组成,分子张力比较大,使其化学性质不稳定,已发生开环而导致失活。
β-内酰胺类抗生素的基本母核有以下几类:
临床上β-内酰胺类抗生素的常见药物的基本结构有:
β-内酰胺类抗生素的化学结构特点
i.分子内有一个四元β-内酰胺环,除单环β-内酰胺外,该四元环通过N原子和临近的第三碳原子与另一个五元环或六元环相稠合。
ii.除单环β-内酰胺外,与β-内酰胺环稠合的环上都有一个羧基。
iii.所有β-内酰胺类抗生素的β-内酰胺环羰基α-碳都有一个酰胺基侧链。
iv.β-内酰胺环为一个平面结构,但是两个稠合环不共面。
v.青霉素类抗生素的母核上有3个手性碳原子,8个旋光异构体中只有绝对构型为(2S,5R,6R)具有活性。
头孢霉素类抗生素的母核上有2个手性碳、4个旋光异构体、绝对构型为(6R,7R)。
β-内酰胺类的抗菌活性不仅与母核的构型有关,而且还与酰胺基上的取代基的手性碳原子有关,旋光异构体间的活性有很大的差异。
此类药物的典型代表是青霉素和头孢菌素。
青霉素的构效关系
i.6位的侧链酰胺基团主要决定抗菌谱。
改变极性,使之易于透过细胞膜可扩大抗菌谱。
例如芳环乙酰氨基的α位上引入-NH2、-COOH和SO3H等亲水性基团可扩大菌谱,增强亲水性有利于革兰氏阴性菌的抑制作用并能增强对青霉素结合蛋白的亲和力。
ii.在分子中适当的部位增加立体位阻的基团,如在侧链引入立体位阻较大的基团和在6位引入甲氧基或甲酰胺基,其因立体位阻的影响降低了钝化酶对结构的适应性,保护β-内酰胺环不被β-内酰胺酶进攻,而得到耐酶抗生素。
iii.青霉素噻唑环上的羧基是基本活性基团,虽然可以被硫代酸或酰胺取代,但其活性降低,当羧基被还原为醇时失去抗菌活性。
iv.青霉烷酸分子中的3个手性碳的构型对其活性是至关重要的,但是噻唑环上2个甲基不是保持活性的必需基团。
图2-3细菌细胞壁的生物合成示意图
细胞壁的主要成份是肽聚糖,而肽聚糖通过一种叫做青霉素结合蛋白(PBPs)交叉连接,而形成细胞壁的。
近年来发现许多细菌的细胞壁上存在一些能与青霉素类或者是头孢菌类相结合的特殊蛋白质分子,称为青霉素结合蛋白(PBPs),在细菌生长、繁殖中发挥着重要的作用。
因此是β-内酰胺类抗生素的主要靶点,不同细菌的细胞膜上PBPs的数量和组成不同,不同的青霉素有不同的PBPs结合部位,因而造成各种药物的抗菌敏感不同,产生不同的抗菌作用。
青霉素结合蛋白分两类:
一类是大分子量(60000~140000)具有转肽酶和转糖基酶活性,参与细菌细胞壁的合成,主要存在革兰氏阳性菌中。
另一类是小分子量(4000~5000),具有羧肽酶活性,与细菌细胞分裂和维持形态有关,主要存在于革兰氏阴性菌中。
表2-2革兰氏阴性菌和阳性菌成分的比较
项目
革兰氏阳性菌
革兰氏阴性菌
细胞壁
厚度
厚(20~80nm)
薄(8~11nm)
层次
1
2
肽聚糖厚度
厚
薄
磷壁酸
有
无
外膜
无
有
孔蛋白
无
有
脂蛋白
无
有
周知空间
无
有
溶质通透性
强
弱
肽聚糖
四肽尾中Lys
有
无
四肽尾中m-DAP
无
有
Gly五肽等肽桥
有
无
细胞
细胞硬度
硬实
柔软
产芽孢
部分
不产
鞭毛基体
有2个环
有4个环
对理化因子的抗性
对机械力
抗性强
抗性弱
青霉素、磺胺
敏感
较抗
链霉素、氯霉素、四环素
较抗
敏感
阴离子去污剂
敏感
较抗
碱性染料处理
敏感
较抗
溶菌酶处理
形成原生质体
形成球状体
其他
产毒素
以外毒素为主
以内毒素为主
金黄色葡萄球菌具有典型的肽聚糖,它的肽聚糖厚度约20~80nm,由40层左右的网状分子交织成的网套覆盖在整个细胞上。
肽聚糖是由肽和聚糖两部分组成,其中肽有四肽尾和肽桥两种,聚糖则由N-乙酰葡萄糖胺和N-乙酰胞壁酸通过β-1,4-糖苷键相互连接。
四肽尾是由4个氨基酸分子按L型和D型交替方式连接形成。
金黄色葡萄球菌的四肽尾为L-Ala→D-Glu→L-Lys→D–Ala。
肽桥为甘氨酸五肽,它起着连接前后两个四肽分子的桥梁作用。
大肠杆菌的肽聚糖仅由1~2层肽聚糖网状分子组成,约占细胞壁总重的10%,故对机械强度抵抗力较革兰氏阳性菌弱,其结构单体与革兰氏阳性菌基本相同,差别在于四肽尾第三个氨基酸不是L–Lys,而是被一种只有原核微生物细胞壁上才有的内消旋二氨基庚二酸(m-DAP)所代替。
前后两单体之间是由甲四肽尾的第四个氨基酸-D-Ala的羧基与乙四肽尾的的第三个氨基酸-m-DAP的氨基直接相连,因而只形成稀疏、机械强度较差的肽聚糖网套。
革兰氏阳性菌在合成肽聚糖之前,短肽事先在一系列酶的作用下对四肽尾的氨基酸修饰上一丙氨酸残基,赖氨酸修饰上一甘氨酸五肽,修饰完毕后不同黏肽短链之间在黏肽转肽酶的作用下通过甘氨酸五肽相互结合形成网状结构,如下图:
路线2-4金黄色葡萄球菌细胞壁的合成示意图
β-内酰胺类抗生素是通过抑制黏肽转肽酶活性,竞争性的与黏肽转肽酶的活性中心以共价键结合,对其进行酰化反应,形成不可逆的抑制,由于细胞缺乏黏肽转肽酶的催化,短肽不能转变成链状结构,因而无法合成细胞壁,因此细胞壁不能定性和承受细胞内的高渗透压,引起溶菌,造成细菌的死亡。
青霉素结合蛋白
青霉素结合蛋白简图
通过抑制D-丙氨酰-D-丙氨酸转肽酶(黏肽转肽酶),从而抑制细菌细胞壁的合成。
黏肽是细菌细胞壁的主要成分,是一些具有网状结构的含糖多肽,由N-乙酰葡萄糖胺和N-乙酰胞壁酸交替连接成线状聚糖链短肽,这些高聚物需要在黏肽转肽酶的催化作用下进行转肽反应,完成高聚物转化成交联结构,于是合成细菌细胞壁。
由于β-内酰胺类药物的结构与黏肽D-丙氨酰-D-丙氨酸的末端结构类似,空间构象也类似,使酶识别错误,所以β-内酰胺类药物可抑制黏肽转肽酶的活性。
青霉素竞争性的与黏肽转肽酶的活性中心以共价键结合,对其进行酰化反应,形成不可逆的抑制。
由于细菌缺乏黏肽转肽酶的催化,短肽不能转变成链状结构,因而无法合成细胞壁。
细菌不能定型和承受细胞内的高渗透压,引起溶菌,造成细菌的死亡。
由于人体细胞没有细胞壁,药物对人体细胞不起作用,具有良好的选择性,因此β-内酰胺类抗生素是毒性很小的抗生素。
路线2-5化合物对细胞壁的抑制作用
最后,简单的用一些数学公式来粗略计算析晶时间和丁醇用量的,以往我们生产时每结晶罐总亿在1600十亿左右,体积在1800L,稀释到4方,稀释丁醇2200左右,析晶前一般再补加600L,所以析晶前共需要2800丁醇,到放料共需要使用丁醇约在4800L,从开始流出冷凝液到开始第一次补加丁醇这个时间段用时t1,结晶罐冷凝液流出速度200L/20min所以从开流出冷凝液到析晶大约需要t1+(600/200)*20,如果某批结晶液总亿在1900十亿,体积2000L,那么的可以大致判断析晶时间和总共需要使用丁醇体积:
1丁醇使用体积计算式4800/1600*1900=5700L。
2析晶时间计算:
首先判断析晶前需要使用丁醇体积,1)、4000-2000=2000(丁醇稀释体积)。
2)、2800/1600*1900=3325L(析晶前需要使用丁醇体积),所以需要在析晶前共沸过程中需要补加3325-2000=1325L,如果某结晶罐冷凝液流出速度是300/20min,那么的补加1325L需要花费时间是1325/300*20=89min,所以在开始流出冷凝液计时,再过大约t1+89min左右就可能有晶体析出。
3放料时间:
(5700-3325)/300*20=159min,所以在养晶结束后159min之后大致可以放料。
以上公式只是大致判断,结合自己的生产经验就可以做到更准确。
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