藥物化學/抗菌藥/Penicillin

結構

四環 β-lactam 與五環 thiazolidine 併在一起

歷史

1877 年，Pasteur 和 Joubert 發現某些黴菌會分泌可以殺死細菌的毒素，不幸地是這些毒素對人體都太毒，所以沒有進入臨床應用，但這發現讓人們知道黴菌會是開發抗生素的潛在來源。1928 年 Fleming 意外在暴露在空氣中數週的培養皿裡發現青黴菌菌落周圍的細菌都死掉，Fleming 認為青黴菌會向周遭釋放某種可以殺死細菌的物質，之後十年，Fleming 苦研從青黴菌的分泌物中分離可以殺死細菌的物質，證明此物質有抗菌特性，也對哺乳類細胞無害。不幸的是，Fleming 最終無法分離純化出該物質，他結論該物質化性不穩定而無法應用在臨床上。

直到 1938 年，牛津大學的 Howard Florey 和 Ernst Chain 利用凍乾法和色層分析成功從青黴菌分泌物中分離具有抗菌活性的物質，penicillin。1941 年，Florey 和 Chain 利用青黴素萃取物進行第一個人體臨床試驗，並獲得成功，此後美國將研究重心放在如何大量生產青黴素，並在 1944 年諾曼第登陸拯救許多受傷的士兵。

雖然青黴素在當時被廣泛使用並治療許多人，但它的化學結構一直是個謎團，在學術界眾說紛紜。一直到 1945 年，Dorothy Hodgkins 利用 X 光繞射法才確定青黴素的結構，實驗結果讓學界十分驚訝，青黴素竟然是個有高張力的環結構，這也說明為何 Fleming 當時沒辦法成功分離出它。

1945 年，Fleming、Florey 和 Chain 因為對青黴素研究以及它對往後醫療造成極大的改變而獲得諾貝爾生理及醫學獎；1964 年，Dorothy Hodgkins 因為開創蛋白質晶體學獲得諾貝爾化學獎。（小故事：在 Fleming 之前就已經很多科學家發現青黴菌有殺死細菌的特性，但最後只有 Fleming 得獎，是因為他在發表論文中特別提到「青黴素裡面可能有會殺死細菌的物質」，這結論讓後人積極尋找那個可以殺死細菌的物質，這告訴我們寫論文時不要急於發表自己的發現，靜下心想想這發現背後可能的原因，不要讓諾貝爾獎與你擦身而過，好小編講幹話）

如此不穩定的高張力結構，讓青黴素全合成變得十分困難，一直到 1957 年，Sheehan 才突破困難，然全合成過程十分繁複，沒辦法商業使用。但在幾年後，Beechams 找到一個青黴素生合成中間體 6-aminopenicillanic acid (6-APA)，變成現今合成青黴素的起始物。

Penicillin 的物化特性

• β-lactam 的 amine 鍵非常不穩定，在水中就能慢慢斷掉，鹼性環境下能更快分解成 penicilloic acid，並馬上脫羧酸化，留下 penilloic acid，令藥物失活

＊在酸性下，會分解成 penicillamine, penilloic acid 和 penilloaldehyde，penilloic acid 去羧酸變成 penilloic acid

藥物機轉

正常情況下，細菌合成細胞壁的方式

Penicillin 干擾細胞壁的合成

構效關係

青黴素類藥物構效關係簡圖

1. 具有環張力的 β-lactam 環必須存在
2. 自由型羧酸必須存在，通常保持離子態，以做鈉或鉀鹽服用，另一用處是與目標酵素活化位之 lysine 的帶有正電荷氮原子結合
3. 雙環系統必須存在
4. 醯胺側鏈必須存在
5. 硫原子通常存在但不是必要
6. 醯胺基相對於雙環系統的立體組態是非常重要的

抗藥性

物理屏障

Penicillin 必須穿過細菌的細胞壁，到達細胞膜的表面才能遇到 transpeptidase enzyme 並抑制它。革蘭氏陽性菌的細胞壁比革蘭氏陰性菌還厚，但因為細胞壁是多孔物，penicillin 能輕易穿過這厚實的細胞壁，到達發揮藥效的地方，這也是為何 penicillin G 對革蘭氏陽性菌的活性這麼高；然革蘭氏陰性菌的細胞壁外還有一層疏水的脂多醣，使得極性分子像是 penicillin 會被拒之門外，難以穿過細胞壁，但也不是 penicillin 對所有的革蘭氏陰性菌都無效，因為在疏水的脂多醣層上有許多蛋白質通道叫 porins，可以讓水或是營養物質穿過並到達細菌本體，某些革蘭氏陰性菌上的 porins 的專一性沒那麼高，能讓 penicillin 混過去，通常，如果藥物分子太大、帶有負電，或是偏疏水性，都無法通過 porins，而較小的偏親水性且是兩性離子的藥物較容易通過 porins，不過，如果藥物通過 porins 穿過細胞壁的速度很慢，也會使藥物濃度不足以有效抑制 transpeptidase enzyme 而影響抑菌效果

β-lactamase

是細菌獲得對 penicillin 抗藥性的主要原因。β-lactamase 由 transpeptidase 突變來的，因此在結構上十分接近，他們在 active site 上都有 serine 可以攻擊及開環 β-lactam，與之形成酯鍵，但與 transpeptidase 不同的是，β-lactamase 有能力水解這酯鍵，使 penicillin 去活化，β-lactamase 平均每秒能水解 1000 個 penicillin 分子。有些革蘭氏陰性菌會釋放 β-lactamase 到細菌周圍，penicillin 還沒到達細胞膜之前就被 β-lactamase 水解；因為現在 penicillin 大量被使用，95% 的 S. auereus （革蘭氏陽性菌）都會釋放 β-lactamase

Transpeptidase enzyme 大量表現

有些革蘭氏陰性菌會產生過量的 transpeptidase enzyme 讓 penicillin 不足以有效抑制所有的酵素

Transpeptidase enzyme 對 penicillin 的親和力

Transpeptidase enzyme 有很多種類，不同種的 transpeptidase 對於 β-lactam 的親和力也不同，在不同菌株的分佈或比例也不同。早期 S. auereus 菌株的 transpeptidase 對於 penicillin 有很高的親和力，容易被藥物抑制，但近年對 penicillin 有抗性的菌株，產生一種稱為 penicillin binding protein 2a (PBP2a) 的 transpeptidase，其對於 penicillin 有很低的親和力，在腸球菌與肺球菌上有很同樣的問題

轉運到細胞外

有些革蘭氏陰性菌的 outer membrane 上分佈可以把 penicillin 轉運到外面的蛋白通道，降低藥物在細菌內的濃度與藥效

突變與基因轉移

突變能影響上述所有的機制使得細菌對 β-lactam 產生抗性。細菌之間的基因轉移，也會讓其他細菌獲得或加強對藥物的抗性

代表藥物

Acid-resistant penicillins

如前所述，penicillin G 在酸性下容易被分解，原因有以下幾個：

• 環張力：penicillin 由一個四環與五環構成，因此角張力與 torsional 張力特別大，在酸性下開還能緩解張力

• β-lactam 羰基的高反應性：一般三級 amide 因為羰基和氮之間共振，使 C=N-R 呈 120^o，亦降低 amide 的反應性；β-lactam 如果共振的話，C=N-C 會因為結構呈 90^o，角張力太大，因此氮上孤對電子不太會與羰基共振，使羰基比一般三級胺更親電性

• acyl 側鏈的影響：acyl 上的 NH 也會參與酸催化

因此如果要開發對酸有抗性的 penicillin，就要針對以上三種因素做結構修飾，然而第一點與第二點因為跟藥物本身的抗菌活性有關，無法做任何的修改，現在只能對第三點做修飾。如果要降低 acyl 上 NH 的影響，就要在旁邊（R group）接上拉電子基，拉走羰基上的電子（密度）。像是 Phenoxymethylpenicillin (penicillin V)有個氧在 acyl side chain，在酸性下能比 penicillin G 更穩定，因此可以口服

β-Lactamase-resistant penicillins

在 1960 年，因為世界廣泛使用 penicillin G，對 penicillin 有抗性的 S. aureus 越來越嚴重，有必要開發對 β-lactamase 有抗性的 penicillin。策略就是在 R group 接上立體障礙較大的基團，阻止 β-Lactamase 接近藥物，但基團太大可能會阻礙 penicillin 作用在 transpeptidase enzyme