药物化学/抗菌药/Penicillin

结构

四环 β-lactam 与五环 thiazolidine 并在一起

历史

1877 年，Pasteur 和 Joubert 发现某些霉菌会分泌可以杀死细菌的毒素，不幸地是这些毒素对人体都太毒，所以没有进入临床应用，但这发现让人们知道霉菌会是开发抗生素的潜在来源。1928 年 Fleming 意外在暴露在空气中数周的培养皿里发现青霉菌菌落周围的细菌都死掉，Fleming 认为青霉菌会向周遭释放某种可以杀死细菌的物质，之后十年，Fleming 苦研从青霉菌的分泌物中分离可以杀死细菌的物质，证明此物质有抗菌特性，也对哺乳类细胞无害。不幸的是，Fleming 最终无法分离纯化出该物质，他结论该物质化性不稳定而无法应用在临床上。

直到 1938 年，牛津大学的 Howard Florey 和 Ernst Chain 利用冻干法和色层分析成功从青霉菌分泌物中分离具有抗菌活性的物质，penicillin。1941 年，Florey 和 Chain 利用青霉素萃取物进行第一个人体临床试验，并获得成功，此后美国将研究重心放在如何大量生产青霉素，并在 1944 年诺曼底登陆拯救许多受伤德士兵。

虽然青霉素在当时被广泛使用并治疗许多人，但它的化学结构一直是个谜团，在学术界众说纷纭。一直到 1945 年，Dorothy Hodgkins 利用 X 光绕射法才确定青霉素的结构，实验结果让学界十分惊讶，青霉素竟然是个有高张力的环结构，这也说明为何 Fleming 当时没办法成功分离出它。

1945 年，Fleming、Florey 和 Chain 因为对青霉素研究以及它对往后医疗造成极大的改变而获得诺贝尔生理及医学奖；1964 年，Dorothy Hodgkins 因为开创蛋白质晶体学获得诺贝尔化学奖。（小故事：在 Fleming 之前就已经很多科学家发现青霉菌有杀死细菌的特性，但最后只有 Fleming 得奖，是因为他在发表论文中特别提到“青霉素里面可能有会杀死细菌的物质”，这结论让后人积极寻找那个可以杀死细菌的物质，这告诉我们写论文时不要急于发表自己的发现，静下心想想这发现背后可能的原因，不要让诺贝尔奖与你擦身而过，好小编讲干话）

如此不稳定的高张力结构，让青霉素全合成变得十分困难，一直到 1957 年，Sheehan 才突破困难，然全合成过程十分繁复，没办法商业使用。但在几年后，Beechams 找到一个青霉素生合成中间体 6-aminopenicillanic acid (6-APA)，变成现今合成青霉素的起始物。

Penicillin 的物化特性

• β-lactam 的 amine 键非常不稳定，在水中就能慢慢断掉，碱性环境下能更快分解成 penicilloic acid，并马上脱羧酸化，留下 penilloic acid，令药物失活

＊在酸性下，会分解成 penicillamine, penilloic acid 和 penilloaldehyde，penilloic acid 去羧酸变成 penilloic acid

药物机转

正常情况下，细菌合成细胞壁的方式

Penicillin 干扰细胞壁的合成

构效关系

青霉素类药物构效关系简图

1. 具有环张力的 β-lactam 环必须存在
2. 自由型羧酸必须存在，通常保持离子态，以做钠或钾盐服用，另一用处是与目标酵素活化位之 lysine 的带有正电荷氮原子结合
3. 双环系统必须存在
4. 酰胺侧链必须存在
5. 硫原子通常存在但不是必要
6. 酰胺基相对于双环系统的立体组态是非常重要的

抗药性

物理屏障

Penicillin 必须穿过细菌的细胞壁，到达细胞膜的表面才能遇到 transpeptidase enzyme 并抑制它。革兰氏阳性菌的细胞壁比革兰氏阴性菌还厚，但因为细胞壁是多孔物，penicillin 能轻易穿过这厚实的细胞壁，到达发挥药效的地方，这也是为何 penicillin G 对革兰氏阳性菌的活性这么高；然革兰氏阴性菌的细胞壁外还有一层疏水的脂多糖，使得极性分子像是 penicillin 会被拒之门外，难以穿过细胞壁，但也不是 penicillin 对所有的革兰氏阴性菌都无效，因为在疏水的脂多糖层上有许多蛋白质通道叫 porins，可以让水或是营养物质穿过并到达细菌本体，某些革兰氏阴性菌上的 porins 的专一性没那么高，能让 penicillin 混过去，通常，如果药物分子太大、带有负电，或是偏疏水性，都无法通过 porins，而较小的偏亲水性且是两性离子的药物较容易通过 porins，不过，如果药物通过 porins 穿过细胞壁的速度很慢，也会使药物浓度不足以有效抑制 transpeptidase enzyme 而影响抑菌效果

β-lactamase

是细菌获得对 penicillin 抗药性的主要原因。β-lactamase 由 transpeptidase 突变来的，因此在结构上十分接近，他们在 active site 上都有 serine 可以攻击及开环 β-lactam，与之形成酯键，但与 transpeptidase 不同的是，β-lactamase 有能力水解这酯键，使 penicillin 去活化，β-lactamase 平均每秒能水解 1000 个 penicillin 分子。有些革兰氏阴性菌会释放 β-lactamase 到细菌周围，penicillin 还没到达细胞膜之前就被 β-lactamase 水解；因为现在 penicillin 大量被使用，95% 的 S. auereus （革兰氏阳性菌）都会释放 β-lactamase

Transpeptidase enzyme 大量表现

有些革兰氏阴性菌会产生过量的 transpeptidase enzyme 让 penicillin 不足以有效抑制所有的酵素

Transpeptidase enzyme 对 penicillin 的亲和力

Transpeptidase enzyme 有很多种类，不同种的 transpeptidase 对于 β-lactam 的亲和力也不同，在不同菌株的分布或比例也不同。早期 S. auereus 菌株的 transpeptidase 对于 penicillin 有很高的亲和力，容易被药物抑制，但近年对 penicillin 有抗性的菌株，产生一种称为 penicillin binding protein 2a (PBP2a) 的 transpeptidase，其对于 penicillin 有很低的亲和力，在肠球菌与肺球菌上有很同样的问题

转运到细胞外

有些革兰氏阴性菌的 outer membrane 上分布可以把 penicillin 转运到外面的蛋白通道，降低药物在细菌内的浓度与药效

突变与基因转移

突变能影响上述所有的机制使得细菌对 β-lactam 产生抗性。细菌之间的基因转移，也会让其他细菌获得或加强对药物的抗性

代表药物

Acid-resistant penicillins

如前所述，penicillin G 在酸性下容易被分解，原因有以下几个：

• 环张力：penicillin 由一个四环与五环构成，因此角张力与 torsional 张力特别大，在酸性下开还能缓解张力

• β-lactam 羰基的高反应性：一般三级 amide 因为羰基和氮之间共振，使 C=N-R 呈 120^o，亦降低 amide 的反应性；β-lactam 如果共振的话，C=N-C 会因为结构呈 90^o，角张力太大，因此氮上孤对电子不太会与羰基共振，使羰基比一般三级胺更亲电性

• acyl 侧链的影响：acyl 上的 NH 也会参与酸催化

因此如果要开发对酸有抗性的 penicillin，就要针对以上三种因素做结构修饰，然而第一点与第二点因为跟药物本身的抗菌活性有关，无法做任何的修改，现在只能对第三点做修饰。如果要降低 acyl 上 NH 的影响，就要在旁边（R group）接上拉电子基，拉走羰基上的电子（密度）。像是 Phenoxymethylpenicillin (penicillin V)有个氧在 acyl side chain，在酸性下能比 penicillin G 更稳定，因此可以口服

β-Lactamase-resistant penicillins

在 1960 年，因为世界广泛使用 penicillin G，对 penicillin 有抗性的 S. aureus 越来越严重，有必要开发对 β-lactamase 有抗性的 penicillin。策略就是在 R group 接上立体障碍较大的基团，阻止 β-Lactamase 接近药物，但基团太大可能会阻碍 penicillin 作用在 transpeptidase enzyme