第十章青霉素和頭孢菌素C

第十章青霉素和頭孢菌素C1第1頁(yè)，共68頁(yè)，2023年，2月20日，星期二第二節(jié)頭孢菌素C生產(chǎn)頭孢菌素簡(jiǎn)介一、頭孢菌素C生產(chǎn)菌種二、頭孢菌素C生物合成與代謝調(diào)控三、頭孢菌素C的發(fā)酵四、頭孢菌素C的分離純化工藝第2頁(yè)，共68頁(yè)，2023年，2月20日，星期二

可看作是由α-氨基已二酸、半胱氨酸、纈氨酸和醋酸四部分結(jié)合而成頭孢菌素C(CephalosporinC，簡(jiǎn)稱頭C或CPC)第3頁(yè)，共68頁(yè)，2023年，2月20日，星期二頭孢菌素C(CephalosporinC，簡(jiǎn)稱頭C或CPC)是由Newton和Abraham于1953年繼青霉素之后，在自然界中發(fā)現(xiàn)的第二種類型的β-內(nèi)酰胺抗生素，頭孢菌素C與青霉素類結(jié)構(gòu)的不同在于母核7-氨基頭孢烯酸(7-ACA)取代了6-氨基青霉烷酸(6-APA)，這種差異使頭孢類抗生素可以耐青霉素酶，在化學(xué)與生物學(xué)性質(zhì)上與青霉素有許多共同特征，抗菌作用機(jī)制也是抑制細(xì)菌細(xì)胞壁肽聚糖的合成，對(duì)人體安全低毒。由于頭孢菌素C抗菌活性低，在半合成青霉素啟示下，通過(guò)結(jié)構(gòu)改造獲得了很多更有效的半合成頭孢菌素，因此頭孢菌素C是目前各種半合成頭孢菌素的起始原料之一，目前臨床上應(yīng)用的都是它們的半合成衍生物。第4頁(yè)，共68頁(yè)，2023年，2月20日，星期二頭孢菌素的分類類別抗菌譜注射口服第一代Staphylococci(不包括MRSA)Streptococci(不包括Enterococci)Ecoli,Proteus,Klebsiella頭孢噻吩(Cephalothin)頭孢唑啉(Cefazolin)頭孢氨芐(Cephalexin)頭孢拉定(Cephradine)頭孢羥氨芐(Cefadroxil)第二代同第一代，另加Haemophilus(包括-內(nèi)酰胺酶產(chǎn)生菌)頭孢孟多(Cefamandole)頭孢呋肟(Cefuroxime)頭孢克洛(Cefaclor)頭孢丙烯(Cefprozil)頭孢呋肟(Cefuroxime)氯碳頭孢(Loracarbef)第二代同上另加Bacteroides頭孢西丁(Cefoxitin)

第三代同第二代，另加除Pseudomonas以外的其它大多數(shù)G(-)桿菌頭孢他美(Cefotaxime)頭孢曲松(Ceftriaxone)頭孢泊肟(Cefpodoxime)頭孢布烯(Ceftibuten)頭孢克肟(Cefixime)第三/四代同上另加Pseudomonas頭孢他啶(Ceftazidime)頭孢吡肟(Cefepime)頭孢匹羅(Cefpirome)第5頁(yè)，共68頁(yè)，2023年，2月20日，星期二頭孢菌素C的工業(yè)生產(chǎn)生產(chǎn)菌種：枝頂頭孢（Cephalosporiumacremonium），又稱產(chǎn)黃枝頂孢（Acremoniumchrysogenum）。生產(chǎn)流程：枝頂頭孢斜面培養(yǎng)搖瓶培養(yǎng)種子罐發(fā)酵過(guò)濾超濾吸附解吸吸附解吸鋅絡(luò)合結(jié)晶過(guò)濾干燥頭孢菌素鋅鹽第6頁(yè)，共68頁(yè)，2023年，2月20日，星期二一、頭孢菌素C生產(chǎn)菌種(一)菌種來(lái)源1945年，意大利的Brotzu從撒丁島城市排污口附近的海水中發(fā)現(xiàn)一株頂頭孢霉(Cephalosporiumacremonium)，并證明它的代謝產(chǎn)物具有廣譜抗細(xì)菌作用。1953年，Abraham從這一霉菌的發(fā)酵液中分離出三種化合物，即頭孢菌素C、N和P。頭孢菌素P活性中等，但耐藥性發(fā)展非常迅速；頭孢菌素N活性極差；只有頭孢菌素C(CephalosporinC)抗菌譜廣，毒性小而發(fā)展起來(lái)。第7頁(yè)，共68頁(yè)，2023年，2月20日，星期二一、頭孢菌素C生產(chǎn)菌種(二)菌種選育頂頭孢霉M8650是用于工業(yè)生產(chǎn)的原始親株，全世界所有高產(chǎn)菌株差不多都是由它反復(fù)誘變、篩選得到的。通過(guò)誘變?cè)谕耆囵B(yǎng)基上獲得蛋氨酸營(yíng)養(yǎng)缺陷株，然后轉(zhuǎn)入加有各種含硫化合物(如硫酸鹽)以代替蛋氨酸的基本培養(yǎng)基，可以篩選出不需要加入蛋氨酸的高產(chǎn)突變株，從而降低發(fā)酵成本。由于擴(kuò)環(huán)和羥化是頭孢菌素C生物合成途徑的限速步驟，因此可以用現(xiàn)代基因工程技術(shù)構(gòu)建含有擴(kuò)環(huán)／羥化酶基因的質(zhì)粒，將其轉(zhuǎn)入工業(yè)生產(chǎn)菌株中，以獲得顯著提高頭孢菌素C生產(chǎn)能力的基因工程菌。第8頁(yè)，共68頁(yè)，2023年，2月20日，星期二Cephalosporiumacremonium的氣生菌絲和孢子囊第9頁(yè)，共68頁(yè)，2023年，2月20日，星期二Cephalosporiumacremonium的菌絲和節(jié)孢子節(jié)孢子第10頁(yè)，共68頁(yè)，2023年，2月20日，星期二一、頭孢菌素C生產(chǎn)菌種(三)菌種保存采用冷凍干燥法或液氮法。由于保存的大部分是營(yíng)養(yǎng)菌絲，長(zhǎng)期保存后生命力的恢復(fù)較差，故經(jīng)過(guò)保存的菌株應(yīng)對(duì)存活細(xì)胞進(jìn)行計(jì)數(shù)。并在搖瓶及中試條件下進(jìn)行生產(chǎn)能力試驗(yàn)，挑選復(fù)壯的菌落作為生產(chǎn)用種子。一般選擇含麥芽提取物和優(yōu)質(zhì)蛋白胨的固體培養(yǎng)基較為合適。第11頁(yè)，共68頁(yè)，2023年，2月20日，星期二二、頭孢菌素C生物合成與代謝調(diào)控

(一)生物合成概述頭孢菌素C也是由L-α-氨基己二酸、L-半胱氨酸和L-纈氨酸經(jīng)三肽途徑生物合成的。而且，在異青霉素N之前和青霉素的生物合成途徑一樣。在頂頭孢霉中，異青霉素N在異構(gòu)酶的作用下，將異青霉素N轉(zhuǎn)化為青霉素N，再由擴(kuò)環(huán)酶(脫乙酰氧頭孢菌素C合成酶)催化擴(kuò)環(huán)生成脫乙酰氧頭孢菌素C，最后通過(guò)羥化和轉(zhuǎn)乙?；磻?yīng)得到頭孢菌素C。擴(kuò)環(huán)和羥化是頭孢菌素C生物合成中的關(guān)鍵反應(yīng)和限速階段。在頂頭孢霉中，催化這一反應(yīng)的是一種叫做擴(kuò)環(huán)／羥化酶的雙功能酶，它需要Fe2+、分子氧、α-酮戊二酸及還原劑(如抗壞血酸或二硫蘇糖醇)作為輔助因子。第12頁(yè)，共68頁(yè)，2023年，2月20日，星期二頭孢菌素C的生物合成途徑第13頁(yè)，共68頁(yè)，2023年，2月20日，星期二二、頭孢菌素C生物合成與代謝調(diào)控

(二)頂頭孢霉的硫代謝硫可以通過(guò)兩種途徑由頂頭孢霉摻入頭孢菌素C分子中。一種是和青霉素發(fā)酵一樣的硫酸鹽還原途徑，另一種是蛋氨酸的逆轉(zhuǎn)硫途徑。野生頂頭孢霉菌株不能利用硫酸鹽，故只能以蛋氨酸為基質(zhì)，主要通過(guò)逆轉(zhuǎn)硫途徑提供硫。通過(guò)突變篩選獲得的能有效利用硫酸鹽的工業(yè)生產(chǎn)菌株，可在不加蛋氨酸的情況下高效地合成頭孢菌素C。第14頁(yè)，共68頁(yè)，2023年，2月20日，星期二二、頭孢菌素C生物合成與代謝調(diào)控

(三)生物合成的調(diào)控較高的葡萄糖濃度不影響異青霉素N合成酶，主要阻遏擴(kuò)環(huán)酶的生成。只有當(dāng)葡萄糖接近耗盡時(shí)，頭孢菌素C才大量合成。高濃度的磷酸鹽助長(zhǎng)這種碳源阻遏。限制碳源流加的補(bǔ)料發(fā)酵可顯著提高頭孢菌素C的產(chǎn)率，減少青霉素N的積累，即使在高濃度磷酸鹽存在下也不例外。在分批和補(bǔ)料分批發(fā)酵中，用代謝慢的植物油做碳源也可以避免碳源阻遏。第15頁(yè)，共68頁(yè)，2023年，2月20日，星期二二、頭孢菌素C生物合成與代謝調(diào)控

(三)生物合成的調(diào)控在頂頭孢霉的發(fā)酵液中存在乙酰酯酶，能將頭孢菌素C水解生成脫乙酰頭孢菌素C。后者的抗菌活性很弱，且影響頭孢菌素C的分離和提純，應(yīng)當(dāng)在發(fā)酵過(guò)程中盡量減少它的生成。對(duì)于某些菌株，碳源的存在可抑制乙酰酯酶的活性，故在發(fā)酵液中保持一定的碳源濃度對(duì)于防止頭孢菌素C的水解，降低脫乙酰頭孢菌素C的含量是一個(gè)決定性因素。另外，避免發(fā)酵過(guò)程中溫度和pH的異常升高，對(duì)減少脫乙酰頭孢菌素C的生成也有一定的作用。第16頁(yè)，共68頁(yè)，2023年，2月20日，星期二二、頭孢菌素C生物合成與代謝調(diào)控

(三)生物合成的調(diào)控蛋氨酸在頭孢菌素C的發(fā)酵中不僅起著供硫體的作用，而且還有某種不明機(jī)制的誘導(dǎo)調(diào)控作用。已知蛋氨酸能調(diào)節(jié)細(xì)胞的生長(zhǎng)，促進(jìn)細(xì)胞的呼吸和形態(tài)分化，從而強(qiáng)化頭孢菌素C的生物合成。第17頁(yè)，共68頁(yè)，2023年，2月20日，星期二三、頭孢菌素C的發(fā)酵

(一)發(fā)酵培養(yǎng)基頭孢菌素C發(fā)酵過(guò)程中的物質(zhì)消耗

物質(zhì)名稱消耗量(kg/m3發(fā)酵液)物質(zhì)名稱消耗量(kg/m3發(fā)酵液)氧80~160玉米漿50~75豆油70~130無(wú)機(jī)鹽17~23糖30~120氨10~20第18頁(yè)，共68頁(yè)，2023年，2月20日，星期二三、頭孢菌素C的發(fā)酵

(一)發(fā)酵培養(yǎng)基玉米漿已被證明是一種優(yōu)良的氮源，它提供各種豐富的氨基酸、肽、蛋白質(zhì)和微量元素，起始用量一般為2～6g(N)／L。其他氮源有花生餅粉、硫酸銨、氨、尿素等。當(dāng)基礎(chǔ)培養(yǎng)基中的氮源消耗到一定程度時(shí)，要不斷補(bǔ)入硫酸銨或氨，以維持發(fā)酵液中銨氮含量在0．5～0．7g／L之間。補(bǔ)氨還能起到控制pH的作用(一般在6～7之間)。第19頁(yè)，共68頁(yè)，2023年，2月20日，星期二三、頭孢菌素C的發(fā)酵(一)發(fā)酵培養(yǎng)基碳源可以使用葡萄糖、糊精、淀粉或植物油。植物油通常作為流加碳源，而其他加入基礎(chǔ)培養(yǎng)基中。當(dāng)培養(yǎng)基中含有豐富的玉米漿時(shí)，其中所含的有機(jī)酸可以作為前期菌絲生長(zhǎng)的優(yōu)良碳源，就沒(méi)有必要加大其他糖類。流加用的植物油若為豆油，應(yīng)以卵磷脂含量低者為好，為此可將新鮮豆油放置一段時(shí)間使卵磷脂大部分沉淀后再使用。除了碳、氮源外，通常還要添加無(wú)機(jī)鹽以滿足菌絲生長(zhǎng)對(duì)Mg2+、PO43-等的需要，特別是當(dāng)采用含有機(jī)物少的稀薄培養(yǎng)基時(shí)。對(duì)于某些不能利用硫酸根的菌株來(lái)說(shuō)，還必須加入蛋氨酸。第20頁(yè)，共68頁(yè)，2023年，2月20日，星期二三、頭孢菌素C的發(fā)酵

(二)通氣與攪拌三肽的環(huán)化、青霉素N的擴(kuò)環(huán)和脫乙酰氧頭孢菌素C的羥化都是氧化反應(yīng)，要求較高的氧傳遞速率。溶氧濃度低于25％飽和度，產(chǎn)率將顯著降低。溶氧的耗盡先是導(dǎo)致中間產(chǎn)物青霉素N的積累，隨后整個(gè)生物合成過(guò)程減慢。一般要求攪拌輸入功率為4kw／m3(發(fā)酵液)以上。第21頁(yè)，共68頁(yè)，2023年，2月20日，星期二三、頭孢菌素C的發(fā)酵(二)通氣與攪拌根據(jù)溶氧的變化情況，可將發(fā)酵過(guò)程分為兩個(gè)階段。第一階段是菌絲量高速增長(zhǎng)、溶氧迅速下降的生長(zhǎng)階段。這一階段必須在溶氧成為限制因子之前結(jié)束，它可以通過(guò)使碳源成為限制因子來(lái)達(dá)到。在第二階段即產(chǎn)物合成階段，要嚴(yán)格控制油的流加，使溶氧始終保持在25％飽和度以上。發(fā)酵液中含有過(guò)多的油，一方面會(huì)提高比生長(zhǎng)率而加速氧的消耗，另一方面又會(huì)增加傳氧阻力而降低氧傳遞速率，兩者同時(shí)導(dǎo)致溶氧下降。一旦加油過(guò)多，可以通過(guò)提高攪拌轉(zhuǎn)速和發(fā)酵溫度，以加速氧的傳遞和油的消耗，避免溶氧過(guò)分下降。第22頁(yè)，共68頁(yè)，2023年，2月20日，星期二三、頭孢菌素C的發(fā)酵

(三)菌絲生長(zhǎng)速率葡萄糖作為生長(zhǎng)限制基質(zhì)進(jìn)行的恒化器實(shí)驗(yàn)表明，菌絲比生長(zhǎng)率與抗生素比生產(chǎn)率成反比。但用豆油作為生長(zhǎng)限制基質(zhì)時(shí)，比生長(zhǎng)率則與比生產(chǎn)率成正比；比生長(zhǎng)率由0．01／h提高到0．04／h，比生產(chǎn)率增加到2倍。因此，在前一種情況下，與其說(shuō)是生長(zhǎng)率的影響，不如說(shuō)是葡萄糖的碳源調(diào)控在起作用。第23頁(yè)，共68頁(yè)，2023年，2月20日，星期二三、頭孢菌素C的發(fā)酵

(四)菌絲形態(tài)在頭孢菌素C發(fā)酵過(guò)程中，頂頭孢霉呈現(xiàn)明顯的形態(tài)分化。在快速生長(zhǎng)期，菌體以細(xì)長(zhǎng)的絲狀為主；隨著營(yíng)養(yǎng)的消耗和比生長(zhǎng)率的下降，菌絲開(kāi)始膨脹、斷裂，最后形成單細(xì)胞的節(jié)孢子。這種節(jié)孢子可以生成芽管，發(fā)育成新的菌絲，產(chǎn)生新的生長(zhǎng)循環(huán)。蛋氨酸的加入及碳源的限制可以促進(jìn)這種形態(tài)分化，而形態(tài)分化是頭孢菌素C生物合成啟動(dòng)的關(guān)鍵要素。第24頁(yè)，共68頁(yè)，2023年，2月20日，星期二Cephalosporiumacremonium的菌絲和節(jié)孢子節(jié)孢子第25頁(yè)，共68頁(yè)，2023年，2月20日，星期二頂頭孢霉菌株形成節(jié)孢子能力與頭孢菌素C生產(chǎn)能力的關(guān)系在菌株選育過(guò)程中，隨著菌株生產(chǎn)能力的提高，形成節(jié)孢子的能力呈增加的趨勢(shì)。第26頁(yè)，共68頁(yè)，2023年，2月20日，星期二三、頭孢菌素C的發(fā)酵

(五)發(fā)酵終點(diǎn)的確定頭孢菌素C不穩(wěn)定，分子中的β-內(nèi)酰胺環(huán)以5×10-3／h的一級(jí)反應(yīng)速率非酶降解，故隨著發(fā)酵液中頭孢菌素C濃度的提高，絕對(duì)降解量逐漸加大。同時(shí)，由于乙酰酯酶的存在，部分頭孢菌素C被轉(zhuǎn)化為脫乙酰頭孢菌素C，而且后者比前者穩(wěn)定，因而后者占發(fā)酵總產(chǎn)物的比例將越來(lái)越高。β-內(nèi)酰胺環(huán)降解后的產(chǎn)物及脫乙酰頭孢菌素C含量的增加，將對(duì)頭孢菌素C的回收造成不利的影響。另外，隨著發(fā)酵時(shí)間的延長(zhǎng)，由于菌絲形態(tài)的變化及自溶，發(fā)酵液將變得難以過(guò)濾。應(yīng)綜合考慮，把握終點(diǎn)，達(dá)到最大生產(chǎn)效益。第27頁(yè)，共68頁(yè)，2023年，2月20日，星期二頭孢菌素C的工業(yè)生產(chǎn)工藝控制點(diǎn)：發(fā)酵液殘油：微量，但離心后肉眼可見(jiàn)；銨氮：0.5~0.7g/L；pH：~6.5。原料消耗：物質(zhì)名稱消耗量(kg/m3發(fā)酵液)物質(zhì)名稱消耗量(kg/m3發(fā)酵液)氧80~160玉米漿50~75豆油70~130無(wú)機(jī)鹽17~23糖30~120氨10~20第28頁(yè)，共68頁(yè)，2023年，2月20日，星期二四、頭孢菌素C的分離純化工藝頭孢菌素C(簡(jiǎn)稱頭C)為氨基酸，通常為內(nèi)銨鹽，水溶性很大，化學(xué)穩(wěn)定性較差，并且在生物合成過(guò)程中常伴隨產(chǎn)生性質(zhì)相近的頭孢菌素C(CPC)、脫乙酰氧頭孢菌素C(DOCPC)、脫乙酰頭孢菌素C(DCPC)和青霉素N等多種頭C類似物，這些都給頭C的分離純化帶來(lái)較大困難。雖然吸附法、溶媒提取法、離子交換法及沉淀法都可用來(lái)分離頭C，但上述任何一種單一的傳統(tǒng)方法，均達(dá)不到滿意的效果。第29頁(yè)，共68頁(yè)，2023年，2月20日，星期二目前主要采用多種分離純化方法相結(jié)合的生產(chǎn)工藝。即先用大孔網(wǎng)狀吸附劑從發(fā)酵液中初步分離出頭C，然后經(jīng)離子交換法純化，最后采用絡(luò)鹽沉淀法進(jìn)行結(jié)晶。第30頁(yè)，共68頁(yè)，2023年，2月20日，星期二(一)發(fā)酵液預(yù)處理發(fā)酵終了時(shí)，按頭C游離酸計(jì)，一般CPC含量為18～20mg／ml，還含有5％～15％的DCPC及微量DOCPC。先使發(fā)酵液冷卻至15℃以下，再用硫酸酸化至pH2．5～3．0，放置一定時(shí)間，使DCPC內(nèi)酯化而易于與頭C分離。然后板框或真空鼓式過(guò)濾機(jī)過(guò)濾，并用水頂洗濾渣。收集、合并濾液和洗液于低溫(10℃)下保存。第31頁(yè)，共68頁(yè)，2023年，2月20日，星期二(二)吸附與解吸用大孔網(wǎng)狀吸附劑吸附濾液和洗液中的頭C。濾液在進(jìn)入吸附柱之前一定要強(qiáng)調(diào)澄明，以免污染樹(shù)脂。國(guó)外常用AmberliteXAD-2、XAD-4及DiaionHP-20等。國(guó)產(chǎn)大孔網(wǎng)狀吸附劑有SKC-02、SIP-1300、312等，其性能與XAD-4相似。頭C的最適吸附pH應(yīng)為2．5～3．0，XAD-4的吸附容量為15～20g／L樹(shù)脂。吸附完畢，需用2～4倍吸附體積去離子水洗滌，除去SO42-等陰離子，以免干擾后工序離子交換樹(shù)脂的純化。然后用15％～25％乙醇，丙酮或異丙醇水溶液來(lái)解吸。收集解吸液收率約為90％。第32頁(yè)，共68頁(yè)，2023年，2月20日，星期二(三)純化用離子交換樹(shù)脂純化解吸液中的頭C。頭C分子具有兩個(gè)羧基和一個(gè)氨基，由于氨基堿性較弱，不能用陽(yáng)離子交換樹(shù)脂處理，用強(qiáng)堿性樹(shù)脂，吸附雖好，但解吸困難。故采用弱堿性陰離子交換樹(shù)脂來(lái)分離純化頭C，常用AmberliteIRA-68、AmberliteIR-4B及國(guó)產(chǎn)醫(yī)工-82、330等。預(yù)先用醋酸溶液處理樹(shù)脂使成醋酸型，再開(kāi)始吸附。330樹(shù)脂對(duì)CPC的交換容量為60～80g／L樹(shù)脂。吸附完畢，用去離子水洗滌樹(shù)脂，然后以1.5％～2.5％的醋酸鈉(鉀)水溶液解吸。解吸收率一般也有90％左右。第33頁(yè)，共68頁(yè)，2023年，2月20日，星期二(四)沉淀結(jié)晶頭C可與二價(jià)重金屬離子Cu2+、Zn2+、Ni2+、Co2+、Fe2+、pb2+等形成l∶l摩爾比的難溶性絡(luò)鹽微晶沉淀。利用這一原理，在頭C二次解吸液中直接進(jìn)行沉淀結(jié)晶。其中以鋅鹽用得最普遍。將CPC濃度為30～50mg／mL的離子交換解吸液，放入結(jié)晶罐中冷卻至5℃，加入醋酸鋅攪拌使溶解，然后再加入結(jié)晶液體積30％的乙醇或丙酮，即逐漸析出頭C鋅鹽微晶沉淀。結(jié)晶收率為85％～90％。此法簡(jiǎn)單，收率也好，但由于重金屬鹽的選擇性較差，需在一定濃度下才能析出絡(luò)鹽結(jié)晶，因此，此法只能用于經(jīng)過(guò)純化后的頭C水溶液。第34頁(yè)，共68頁(yè)，2023年，2月20日，星期二(四)沉淀結(jié)晶頭C鋅鹽含2分子結(jié)晶水[C16H20O8N3SZn·2H2O]，為淡黃色微晶性粉末，不溶于水及氯仿、甲醇、乙醇等有機(jī)溶劑，其CPC游離酸，Zn2+及水分三種含量的理論值分別為80．30%、12．69％及6．98％。該工藝的特點(diǎn)是將大孔吸附劑法、離子交換法及沉淀法三者合理地結(jié)合起來(lái)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，使頭C的分離純化在收率與質(zhì)量上達(dá)到較為滿意的結(jié)果。發(fā)酵液至頭C鋅鹽總收率一般為65％～70％。從質(zhì)量上看，發(fā)酵液中CPC的純度為60％～65％，經(jīng)過(guò)大孔網(wǎng)狀吸附劑分離的一次解吸液CPC純度可提高至75％～80％，在弱堿性樹(shù)脂離子交換純化后的二次解吸液CPC純度已達(dá)90%以上。第35頁(yè)，共68頁(yè)，2023年，2月20日，星期二四.頭孢菌素類及半合成頭孢菌素類（一）天然頭孢菌素——頭孢菌素C1.結(jié)構(gòu)：頭孢菌素C的化學(xué)結(jié)構(gòu)中母核是由氫化噻嗪環(huán)與β-內(nèi)酰胺環(huán)稠合而成，7位上有D-α-氨基己二單酰胺基側(cè)鏈。第36頁(yè)，共68頁(yè)，2023年，2月20日，星期二2.穩(wěn)定性：四、六元環(huán)稠合C2、C3雙鍵3.特點(diǎn)：抗菌活性比較低；但對(duì)酸比較穩(wěn)定，可以口服，毒性較小，與青霉素很少或無(wú)交叉過(guò)敏反應(yīng)。抗菌譜廣，對(duì)革蘭陰性菌有抗菌活性。第37頁(yè)，共68頁(yè)，2023年，2月20日，星期二4.結(jié)構(gòu)改造：對(duì)頭孢菌素C進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造，增強(qiáng)抗菌活性，擴(kuò)大抗菌譜，發(fā)展了第一、二、三、四…代頭孢菌素。第38頁(yè)，共68頁(yè)，2023年，2月20日，星期二頭孢菌素可進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造的部位有以下四處：

（Ⅰ）7位酰胺側(cè)鏈。是決定抗菌譜的基團(tuán)，可擴(kuò)大抗菌譜，提高活性。

（Ⅱ）7α-氫原子。以甲氧基取代可以增加

β-內(nèi)酰胺環(huán)的穩(wěn)定性。

（Ⅲ）氫化噻唑環(huán)中的硫原子。對(duì)抗菌活性有影響。

（Ⅳ）3位上的取代基。影響藥物的藥代動(dòng)力學(xué)性質(zhì)，提高活性。第39頁(yè)，共68頁(yè)，2023年，2月20日，星期二Ⅰ部位是7位酰胺基取代基R：

7位側(cè)鏈上引入親脂性基團(tuán)，如苯環(huán)、噻吩、含氮雜環(huán)，并在3位引入雜環(huán)，可擴(kuò)大抗菌譜，并增強(qiáng)抗菌活性，如：頭孢噻吩（Cefalothin）、頭孢噻啶（Cefaloridine）和頭孢唑林（Cefazolin）等。

第40頁(yè)，共68頁(yè)，2023年，2月20日，星期二頭孢噻吩頭孢噻啶頭孢唑啉第41頁(yè)，共68頁(yè)，2023年，2月20日，星期二7位酰胺基的α－位引入親水性基團(tuán)－SO3H，－NH2，－COOH，可擴(kuò)大抗菌譜，得到廣譜頭孢菌素。如果同時(shí)改變3位上的取代基，用-CH3、-Cl或含氮雜環(huán)取代，除改進(jìn)口服吸收外還擴(kuò)大了抗菌譜。如：頭孢氨芐（Cefalexin）、頭孢羥氨芐(Cefadoxil)、頭孢拉定(Cefradine)、頭孢克洛（Cefaclor）、頭孢哌酮（Cefoperazone），頭孢磺啶（Cefsulodin）等。

第42頁(yè)，共68頁(yè)，2023年，2月20日，星期二頭孢氨芐頭孢羥氨芐頭孢拉啶第43頁(yè)，共68頁(yè)，2023年，2月20日，星期二頭孢克洛頭孢哌酮頭孢磺啶第44頁(yè)，共68頁(yè)，2023年，2月20日，星期二具有7位順式－甲氧亞氨基－2－氨基噻唑側(cè)鏈，可提高藥物對(duì)β-內(nèi)酰胺酶的穩(wěn)定性，增強(qiáng)對(duì)革蘭氏陰性菌外膜的滲透，從而擴(kuò)大了抗菌譜。許多第三代頭孢菌素都具有氨基噻唑側(cè)鏈，如：頭孢克肟（Cefixime）、頭孢噻肟、頭孢甲肟（Cefmenoxime）等。第45頁(yè)，共68頁(yè)，2023年，2月20日，星期二頭孢甲肟頭孢噻肟頭孢克肟第46頁(yè)，共68頁(yè)，2023年，2月20日，星期二Ⅱ部位：

引入7α-甲氧基，增加了藥物對(duì)－內(nèi)酰胺酶的穩(wěn)定性，頭孢西丁（Cefoxitin）等一系列頭霉素對(duì)β－內(nèi)酰胺酶非常穩(wěn)定。第47頁(yè)，共68頁(yè)，2023年，2月20日，星期二Ⅲ部位S：

氫化噻唑環(huán)中的硫原子用生物電子等排體-O-取代，稱為氧頭孢菌素（Oxacefalosprin）；用生物電子等排體-CH2-取代時(shí)，稱為碳頭孢烯（Carbacephem）類。碳頭孢烯是一類新的β-內(nèi)酰胺抗生素，不但活性強(qiáng)，而且有廣譜、耐酶、長(zhǎng)效作用。氯碳頭孢是用碳取代頭孢克羅中硫原子的化合物。拉他頭孢（Latamoxef）是第一個(gè)用于臨床的氧頭孢烯。第48頁(yè)，共68頁(yè)，2023年，2月20日，星期二Ⅳ部位：

如有-CH3、-Cl、雜環(huán)等基團(tuán)時(shí)可增強(qiáng)抗菌活性，并改善藥物在體內(nèi)的吸收、分布等藥物代謝動(dòng)力學(xué)性質(zhì)，如頭孢曲松、頭孢克肟、頭孢他啶。第四代頭孢菌素特點(diǎn)是3位含有帶正電荷季銨，增加了藥物對(duì)細(xì)胞膜的穿透力，如頭孢匹羅、頭孢吡肟、頭孢克定等。第49頁(yè)，共68頁(yè)，2023年，2月20日，星期二頭孢曲松頭孢他啶頭孢克肟第50頁(yè)，共68頁(yè)，2023年，2月20日，星期二（二）半合成頭孢菌素1.頭孢氨芐第51頁(yè)，共68頁(yè)，2023年，2月20日，星期二化學(xué)名：(6R,7R)-3-甲基-7-[(R)-2-氨基-2-苯乙酰氨基]-8-氧代-5-硫雜-1-氮雜雙化[4.2.0]辛-2-烯-2-甲酸一水合物。又名先鋒霉素Ⅳ，頭孢力新第52頁(yè)，共68頁(yè)，2023年，2月20日，星期二2.頭孢噻肟鈉：第53頁(yè)，共68頁(yè)，2023年，2月20日，星期二性質(zhì)：結(jié)構(gòu)中7位側(cè)鏈上的甲氧肟基呈順式構(gòu)型，順式異構(gòu)體的抗菌活性強(qiáng)于反式異構(gòu)體。在光照下，順式異構(gòu)體向反式異構(gòu)體轉(zhuǎn)化，因此應(yīng)避光保存。

頭孢噻肟為第三代半合成頭孢菌素。7位側(cè)鏈上引入順式甲氧肟取代基，由于空間位阻作用，阻礙酶分子接近β-內(nèi)酰胺環(huán)，保護(hù)β-內(nèi)酰胺環(huán)不易被酶破壞。第54頁(yè)，共68頁(yè)，2023年，2月20日，星期二（三）半合成頭孢菌素的方法：7-ACA為合成中間體縮合方法同半合成青霉素第55頁(yè)，共68頁(yè)，2023年，2月20日，星期二1.內(nèi)酰胺環(huán)是活性必須；二個(gè)手性中心是活性必須。2.3-位被甲基、氯、含氮雜環(huán)取代，活性增加或改變體內(nèi)藥代動(dòng)力學(xué)。3.2-的羧基是活性必須，2-3位雙鍵位移失活。（四）構(gòu)效關(guān)系：第56頁(yè)，共68頁(yè)，2023年，2月20日，星期二4.7-位側(cè)鏈?zhǔn)墙Y(jié)構(gòu)修飾的主要部位，能產(chǎn)生各式各樣的作用。5.7-位α-H用α－甲氧基取代，可提高對(duì)酶的穩(wěn)定性。6.5-位的S可被C、O取代，不喪失活性。第57頁(yè)，共68頁(yè)，2023年，2月20日，星期二五.非經(jīng)典的β-內(nèi)酰胺抗生素及

β-內(nèi)酰胺酶抑制劑碳青霉烯、青霉烯、氧青霉烷、單環(huán)β-內(nèi)酰胺抗生素β-內(nèi)酰胺酶抑制劑也屬于非經(jīng)典的β-內(nèi)酰胺抗生素。β-內(nèi)酰胺酶是細(xì)菌產(chǎn)生的保護(hù)性酶。第58頁(yè)，共68頁(yè)，2023年，2月20日，星期二1.氨曲南屬于單環(huán)β-內(nèi)酰胺抗生素。對(duì)需氧的革蘭氏陰性菌包括綠膿桿菌有很強(qiáng)的活性，對(duì)需氧的革蘭氏陽(yáng)性菌和厭氧菌作用較小，對(duì)各種β－內(nèi)酰胺酶穩(wěn)定，能透過(guò)血腦屏障，副作用小。臨床主要用于呼吸道感染、尿路感染、軟組織感染、敗血癥等，療效良好。第59頁(yè)，共68頁(yè)，2023年，2月20日，星期二值得注意的是氨曲南耐受性好，副作用發(fā)生機(jī)會(huì)小，未發(fā)生過(guò)過(guò)敏反應(yīng)，而且與青霉素和頭孢菌素不發(fā)生交叉性過(guò)敏反應(yīng)，從而為尋找無(wú)過(guò)敏反應(yīng)的、高效、廣譜β－內(nèi)酰胺酶抗生素的一個(gè)新方向。第60頁(yè)，共68頁(yè)，2023年，2月20日，星期二

2.舒巴坦（Sulbactam）為不可逆競(jìng)爭(zhēng)性-內(nèi)酰胺酶抑制劑，舒他西林是氨芐西林與舒巴坦以亞甲基相連形成的雙酯結(jié)構(gòu)，是一個(gè)前藥，在體內(nèi)經(jīng)代謝分解出氨芐西林和舒巴坦，具有抗菌和抑制-內(nèi)酰胺酶雙重作用。第61頁(yè)，共68頁(yè)，2023年，2月20日，星期二3.克拉維酸(ClavulanicAcid)，又稱棒酸。屬氧青霉素類，是β-內(nèi)酰胺酶抑制劑，它僅有微弱的抗菌活性，但能與多數(shù)的β-內(nèi)酰胺酶生成不可逆的結(jié)合物，具有廣譜抑酶作用。常與青霉素類藥物配伍使用，提高療效，例如阿莫西林-克拉維酸鉀片。第62頁(yè)，共68頁(yè)，2023年，2月20日，星期二第三節(jié)半合成青霉素和頭孢菌素的生產(chǎn)一、6-氨基青霉烷酸（6-APA）的酶法生產(chǎn)工藝原理：青霉素G6-APA苯乙酸青霉素酰胺酶作用點(diǎn)第63頁(yè)，共68頁(yè)，2023年，2月20日，星期二一、6-氨基青霉烷酸（6-APA）的酶法生產(chǎn)工藝流程：E.coli或Bacillusmegaterium培養(yǎng)青霉素酰胺酶分離、純化酶包埋6-AP