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1、微生物在药学中的应用第1页，本讲稿共98页 随着微生物学基础理论和实验技术的发展，微生物在药学领域应用越来越广。在医药生产中已广泛利用微生物发酵来制备各种药物，形成一门独立的微生物微生物药物药物学科。第2页，本讲稿共98页发酵（fermentation）：原来原来是指在厌氧条件下酵母菌分解碳水化合物释放能量以及得到产物的过程，但目前目前工业上把发酵扩展为利用培养微生利用培养微生物来制得产物的任何过程，物来制得产物的任何过程，其中也包括利用微生物的某些酶来转化某些物质使之成为所需物质的过程.。第3页，本讲稿共98页发酵（fermentation）：原来原来是指在厌氧条件下酵母菌分解碳水化合物释放
2、能量以及得到产物的过程，目前目前工业上把发酵扩展为利用培养微生物来制得产物利用培养微生物来制得产物的任何过程的任何过程，其中也包括利用微生物的某些酶来转化某些物质使之成为所需物质的过程.。第4页，本讲稿共98页发酵的分类：根据发酵时所需条件1、是否需要氧气 厌氧发酵与需氧发酵2、培养基的物理性状 固体发酵与液体发酵3、工艺 浅层发酵与深层发酵 现代生物技术的发展，使发酵工业的范畴突破了利用天然天然微生物的传统发酵，逐步建立起新型的发酵，可生产天然微生物所不能产生或产生很少不能产生或产生很少的特殊产物。第5页，本讲稿共98页本篇主要内容：1、介绍微生物发酵制品包括抗生素、维生素、氨基酸、酶和酶抑
3、制剂。2、微生物与药物变质的关系以及保证药物制剂质量所必需的各种微生物学检验法。如:抗生素效价的微生物学检定;药物抗菌活性的测定;第6页，本讲稿共98页 第十七章 抗生素共生现象：互相依存，作为整体 如：根瘤菌与豆科植物拮抗：生活在一起，一种生物产生物质抑制或杀灭另一种生物。抗生素就是拮抗现象的体现。Fleming于1929年首先发现从青霉菌中产生的青霉素（penicillin），Waksman于1944年发现从链霉菌中产生的链霉素（streotomycin）。第7页，本讲稿共98页 抗生素的现状目前从自然界发现和分离的抗生素已达10，000多种，实际应用于生产和医疗上的抗生素约有一百多种一百
4、多种，连同各种半合成衍生物及其盐类共约三百种。国外现有的主要抗生素在我国已有生产，其中的庆大霉素用我国自行分离的菌种生产。国外没有的抗生素 如创新霉素国外虽有，但我国发现新的成分或新的用途 如 平阳霉素（或博来霉素）第8页，本讲稿共98页 第一节 抗生素的概念和分类 一、抗生素的概念 抗生素是指青霉素、链霉素等一类化合物的总称，是人类控制、治疗感染性疾病，保障身体健康及用来防治动植物灾害的重要化合物。原始含义：是指那些由微生物产生的、能抑制其微生物生长的物质。习惯上：将那些由微生物产生的，极微量即具有选择性地抑制其他微生物或肿瘤细胞的天然有机化合物称为抗生素。第9页，本讲稿共98页确切的含义确
5、切的含义：抗生素抗生素是是生物（包括微生物、植物和动物）生物（包括微生物、植物和动物）在其生命活动中产生的（或由其他方法获在其生命活动中产生的（或由其他方法获得的），能在低浓度下有选择地抑制或影得的），能在低浓度下有选择地抑制或影响其他生物机能的有机物。响其他生物机能的有机物。第10页，本讲稿共98页几个注意点：确切含义是只有来自微生物的天然产物才能称为抗生素，而现在把经化学改造的天然来源的抗生素或微生物代谢的其他产物均称为半合成抗生素。抗生素：是一个低分子量（指一个分子有一定的化学结构，其相对质量最大可达数数千千）的微生物代谢产物，在低浓度（1mg/ml）时能抑制其他微生物生长。第11页，本
6、讲稿共98页医疗用抗生素需要以下要求：1、差异毒力大、差异毒力大 是指微生物或肿瘤细胞等靶体的抑制或杀灭作用，与是指微生物或肿瘤细胞等靶体的抑制或杀灭作用，与其对机体损害程度的差异比较。抗生素的差异毒力其对机体损害程度的差异比较。抗生素的差异毒力 愈愈大，则愈有利于临床应用。如青霉素能抑制细菌细胞大，则愈有利于临床应用。如青霉素能抑制细菌细胞壁的合成，而人及哺乳类动物细胞不具备细胞壁，因壁的合成，而人及哺乳类动物细胞不具备细胞壁，因而青霉素的差异毒力大。一般的化学消毒剂对微生物而青霉素的差异毒力大。一般的化学消毒剂对微生物和机体的毒力无明显差异。和机体的毒力无明显差异。2、生物活性强大、有不同
7、的抗菌谱、生物活性强大、有不同的抗菌谱 是指在极微量的抗生素就对微生物具有抑制或杀灭是指在极微量的抗生素就对微生物具有抑制或杀灭作用。作用。第12页，本讲稿共98页抗菌作用的强弱用最低抑菌浓度（抗菌作用的强弱用最低抑菌浓度（MICMIC）来表示，）来表示，即能抑制微生物生长所需的最低浓度（以即能抑制微生物生长所需的最低浓度（以g/mlg/ml为单位），数值越小，则作用越强。为单位），数值越小，则作用越强。抗菌谱：是指抗生素所能抑制或杀灭微生物的范围抗菌谱：是指抗生素所能抑制或杀灭微生物的范围和所需剂量。范围广者称为广谱抗生素，范围窄和所需剂量。范围广者称为广谱抗生素，范围窄称为窄谱抗生素。称为
8、窄谱抗生素。良好的抗生素还应具有不易使病原菌产生抗药性，良好的抗生素还应具有不易使病原菌产生抗药性，毒副作用小，不易引起超敏反应，吸收快，血药浓毒副作用小，不易引起超敏反应，吸收快，血药浓度高，不易被血清蛋白结合而失活。度高，不易被血清蛋白结合而失活。第13页，本讲稿共98页 二、抗生素的分类二、抗生素的分类 目前尚无完善的系统分类方法目前尚无完善的系统分类方法 1、根据抗生素的产生来源、根据抗生素的产生来源（1）细菌产生的抗生素）细菌产生的抗生素 如多粘菌素和短杆菌肽如多粘菌素和短杆菌肽（2）放线菌产生的抗生素）放线菌产生的抗生素 主要来自链霉菌属主要来自链霉菌属 如如:链霉素、卡那霉素、四
9、环素链霉素、卡那霉素、四环素（3）真菌产生的抗生素）真菌产生的抗生素 如青霉菌属产生的青霉素，如青霉菌属产生的青霉素，头孢菌属产生的头孢菌素头孢菌属产生的头孢菌素（4）植物和动物产生的抗生素）植物和动物产生的抗生素 如如:地衣和藻类植物产生的地衣酸地衣和藻类植物产生的地衣酸 被子植物蒜被子植物蒜中制得的蒜素中制得的蒜素 动物脏器中制得的鱼素动物脏器中制得的鱼素第14页，本讲稿共98页2、根据抗生素的化学结构分类（1）-内酰胺类抗生素内酰胺类抗生素 如：青霉素、头孢菌素如：青霉素、头孢菌素 特点特点 分子中有一个含四个原子的酰胺分子中有一个含四个原子的酰胺环，化学上称为环，化学上称为-内酰胺环。
10、内酰胺环。来源来源 它们起初是从真菌产黄青霉菌和它们起初是从真菌产黄青霉菌和头孢菌属中发现，后来从放线菌的链霉头孢菌属中发现，后来从放线菌的链霉菌属和诺卡菌属及其某些革兰阴性菌中菌属和诺卡菌属及其某些革兰阴性菌中也发现。从生物合成角度看，被认为是也发现。从生物合成角度看，被认为是从氨基酸聚合而衍生的。从氨基酸聚合而衍生的。第15页，本讲稿共98页机制机制 抑制细菌细胞壁基本成分肽聚糖的合成，导致抑制细菌细胞壁基本成分肽聚糖的合成，导致不可逆转的破坏，具有杀菌作用。早期的青霉素只对不可逆转的破坏，具有杀菌作用。早期的青霉素只对革兰阳性和阴性菌有效。对真菌无用（细胞壁不含肽革兰阳性和阴性菌有效。对
11、真菌无用（细胞壁不含肽聚糖），对支原体无效（无细胞壁）聚糖），对支原体无效（无细胞壁）使用注意问题使用注意问题 除个别外，此类抗生素的毒性非常低。有时出现除个别外，此类抗生素的毒性非常低。有时出现极为严重的超敏反应极为严重的超敏反应。第16页，本讲稿共98页（2）四环类抗生素）四环类抗生素 如如 金霉素、土霉素和四环素金霉素、土霉素和四环素 特点特点 具有很广的抗菌谱及较好的治疗果具有很广的抗菌谱及较好的治疗果来源来源 不同种的链霉菌均能产生四环素类抗生素不同种的链霉菌均能产生四环素类抗生素结构特点结构特点 由乙酸和丙二酸单位缩合的键环化而形由乙酸和丙二酸单位缩合的键环化而形成；由四个环线形相
12、连而组成。成；由四个环线形相连而组成。作用特点作用特点 抑制核糖体蛋白的合成，其作用是可抑制核糖体蛋白的合成，其作用是可逆的，因此具有抑制作用。抗菌谱广即革兰阳性逆的，因此具有抑制作用。抗菌谱广即革兰阳性与阴性菌、立克次体、衣原体和某些原虫。与阴性菌、立克次体、衣原体和某些原虫。由于其理化性质（在中性由于其理化性质（在中性PH条件下不溶水）所条件下不溶水）所决定，天然产生的只能口服，化学半合成获得了决定，天然产生的只能口服，化学半合成获得了一些可用于注射的衍生物及作用周期较长的。一些可用于注射的衍生物及作用周期较长的。第17页，本讲稿共98页（3）氨基糖苷类抗生素（氨基环醇类）氨基糖苷类抗生素
13、（氨基环醇类）来源来源 包括很广的由链霉菌、小单孢菌和芽孢杆菌包括很广的由链霉菌、小单孢菌和芽孢杆菌产生的物质。产生的物质。化学特征化学特征 具有环状氨基醇和与之相连的氨基糖。具有环状氨基醇和与之相连的氨基糖。葡萄糖是氨基醇和氨基糖的来源。葡萄糖是氨基醇和氨基糖的来源。作用机制作用机制 以不可逆的方式作用于核糖体而抑制蛋以不可逆的方式作用于核糖体而抑制蛋白质的合成，具有杀菌作用，主要作用革兰阳性白质的合成，具有杀菌作用，主要作用革兰阳性菌。菌。第18页，本讲稿共98页代表药物代表药物 链霉素（第一个发现，也是第一个对链霉素（第一个发现，也是第一个对抗生素有效的抗生素）、卡那霉素、庆大霉素、妥抗
14、生素有效的抗生素）、卡那霉素、庆大霉素、妥布拉霉素和丁安卡那霉素。布拉霉素和丁安卡那霉素。特点特点 由于分子内含许多羟基，此类抗生素水溶性非由于分子内含许多羟基，此类抗生素水溶性非常好，因而不能口服，主要的副作用为肾和耳毒性常好，因而不能口服，主要的副作用为肾和耳毒性。第19页，本讲稿共98页（4）大环内酯类抗生素）大环内酯类抗生素化学结构特点化学结构特点 具有一个由不少于具有一个由不少于12个碳原子，并由个碳原子，并由内脂基团使其环化。他们是链霉菌的典型产物，其生内脂基团使其环化。他们是链霉菌的典型产物，其生物合成是由一系列乙酸和丙酸单位缩合而成。物合成是由一系列乙酸和丙酸单位缩合而成。分类
15、与作用特点分类与作用特点 分两类分两类 a、抗细菌大环内酯类抗生素、抗细菌大环内酯类抗生素 由由14-16个碳原子构成的内酯环，至少有两个糖分个碳原子构成的内酯环，至少有两个糖分子；具有抑菌作用；抗菌谱局限于革兰阳性菌和子；具有抑菌作用；抗菌谱局限于革兰阳性菌和支原体；典型代表是红霉素、竹桃霉素；为改善支原体；典型代表是红霉素、竹桃霉素；为改善口服吸收率，还半合成了一些新的衍生物。口服吸收率，还半合成了一些新的衍生物。第20页，本讲稿共98页 b、抗真菌和抗原虫大环内酯类抗生素、抗真菌和抗原虫大环内酯类抗生素 特征特征 由约由约30个原子组成个原子组成内酯类，带有羟基内酯类，带有羟基取代基团包
16、含一系列共轭的双键，也称为多烯类化取代基团包含一系列共轭的双键，也称为多烯类化合物，只有静脉注射才有活性。合物，只有静脉注射才有活性。机制机制 通过干扰细胞膜甾醇类合成诱导细胞膜畸变，通过干扰细胞膜甾醇类合成诱导细胞膜畸变，因此对细菌无作用。毒副作用较大，因而只能有限的因此对细菌无作用。毒副作用较大，因而只能有限的用于最需要的病例。用于最需要的病例。代表药物代表药物 两性霉素两性霉素B第21页，本讲稿共98页 (5)肽类抗生素肽类抗生素 由氨基酸组成，经常形成环状结构；主要对革兰由氨基酸组成，经常形成环状结构；主要对革兰阳性菌。短肽菌肽主要干扰细菌细胞膜功能；杆阳性菌。短肽菌肽主要干扰细菌细胞
17、膜功能；杆菌肽主要抑制细胞壁肽聚糖的合成。菌肽主要抑制细胞壁肽聚糖的合成。代表药物代表药物 多黏菌素多黏菌素-对革兰阴性菌有效，作用对革兰阴性菌有效，作用于细胞膜；肽托霉素和雷膜拉宁于细胞膜；肽托霉素和雷膜拉宁对细胞壁合成对细胞壁合成抑制作用。抑制作用。第22页，本讲稿共98页（6）安莎霉素类）安莎霉素类 60年代末期投入临床使用，其典型结构是具有一年代末期投入临床使用，其典型结构是具有一条脂肪链，连接两个相对的芳香环，像是一条链子条脂肪链，连接两个相对的芳香环，像是一条链子上的两个篮子。它们由放线菌属的多种类群所构成，上的两个篮子。它们由放线菌属的多种类群所构成，由一系列乙酸和丙酸单位缩合而
18、成。由一系列乙酸和丙酸单位缩合而成。如利福霉素如利福霉素（对革兰阳性菌及分枝杆菌有极强的作用）、利福（对革兰阳性菌及分枝杆菌有极强的作用）、利福平（对分枝杆菌及葡萄球菌效果尤佳）。平（对分枝杆菌及葡萄球菌效果尤佳）。第23页，本讲稿共98页（7）糖肽类抗生素（二丙庚肽类）糖肽类抗生素（二丙庚肽类）代表药物为万古霉素和替考拉宁。主要对革兰阳代表药物为万古霉素和替考拉宁。主要对革兰阳性细菌有效，尤其是对耐性细菌有效，尤其是对耐-内酰胺类抗生素内酰胺类抗生素 的葡的葡萄球菌有效。萄球菌有效。第24页，本讲稿共98页（8）抗肿瘤抗生素）抗肿瘤抗生素 属于不同化学类别，但都以不同属于不同化学类别，但都以
19、不同机制作用于机制作用于DNA复制。复制。放线菌素放线菌素由酚恶嗪酮环组成带有二个相同的肽环，由酚恶嗪酮环组成带有二个相同的肽环，它们以其芳香环与它们以其芳香环与DNA碱基嵌合，而影响碱基嵌合，而影响DNA功能，功能，在其真核细胞中主要干扰在其真核细胞中主要干扰RNA合成。蒽环类化合物合成。蒽环类化合物（柔红霉素和阿霉素）（柔红霉素和阿霉素）具有四环结构带有一个取代的糖基，作用于拓扑异构具有四环结构带有一个取代的糖基，作用于拓扑异构酶，使酶，使DNA断裂。断裂。丝裂霉素丝裂霉素C具有三环结构，使二个具有三环结构，使二个DNA链中间形链中间形成共价键桥。成共价键桥。博来霉素博来霉素由轮生链霉菌产
20、生的由轮生链霉菌产生的9肽混合物，以类酶肽混合物，以类酶反应使反应使DNA链断裂。链断裂。第25页，本讲稿共98页（9）其他抗生素）其他抗生素 氯霉素：抑制蛋白质合成，有抑菌作用，氯霉素：抑制蛋白质合成，有抑菌作用，对革兰阴性细菌尤其沙门菌有很好的效果。对革兰阴性细菌尤其沙门菌有很好的效果。林可霉素：抑制蛋白质合成。林可霉素：抑制蛋白质合成。新生霉素：抑制新生霉素：抑制DNA回旋酶的一个单位，回旋酶的一个单位，作用革兰阳性菌和变形杆菌。作用革兰阳性菌和变形杆菌。灰黄霉素：可以在体内应用的抗真菌抗生素，灰黄霉素：可以在体内应用的抗真菌抗生素，由真菌产生，具有芳香环结构，生物合成是由乙由真菌产生，
21、具有芳香环结构，生物合成是由乙酸和丙二酸单位缩合而成，抑制细胞支架的形成。酸和丙二酸单位缩合而成，抑制细胞支架的形成。第26页，本讲稿共98页 第二节第二节 抗生素产生菌的分离和筛选抗生素产生菌的分离和筛选目前新抗生素的获得途径：目前新抗生素的获得途径：1、从自然界分离筛选新抗生素产生菌、从自然界分离筛选新抗生素产生菌 从土壤到海洋从土壤到海洋 一般常见到极端微生物一般常见到极端微生物 从微生物到植物、海洋生物。从微生物到植物、海洋生物。2、改造现有的已知抗生素的产生菌，再经筛选获得新得、改造现有的已知抗生素的产生菌，再经筛选获得新得抗生素产生菌。抗生素产生菌。3、从已知的抗生素进行结构改造，
22、经筛选获得新的、从已知的抗生素进行结构改造，经筛选获得新的半合成抗生素。半合成抗生素。第27页，本讲稿共98页 4、采用新的筛选方法、采用新的筛选方法 如：应用定向生物合成和突变生物合成的原理，如：应用定向生物合成和突变生物合成的原理，以及培养超敏细菌以寻找微量的抗生素，选用新以及培养超敏细菌以寻找微量的抗生素，选用新的肿瘤模型来筛选抗肿瘤的抗生素。的肿瘤模型来筛选抗肿瘤的抗生素。第28页，本讲稿共98页5、采用现代分子生物学技术产生新抗生素、采用现代分子生物学技术产生新抗生素（1）基因克隆产生新抗生素：首先获得某）基因克隆产生新抗生素：首先获得某已知抗生素的结构基因，然后通过一定已知抗生素的
23、结构基因，然后通过一定的载体将基因片段导入特定的另一种抗的载体将基因片段导入特定的另一种抗生素产生菌中，则可能产生完全符合人生素产生菌中，则可能产生完全符合人们设计要求的新抗生素。们设计要求的新抗生素。（2）沉默基因的激活：）沉默基因的激活：引入抗生素生物引入抗生素生物合成的调控基因，有可能激发抗生素产合成的调控基因，有可能激发抗生素产生菌处于休眠状态或沉默状态的基因系生菌处于休眠状态或沉默状态的基因系统，从而开启另一结构抗生素的生物合统，从而开启另一结构抗生素的生物合成开关，得到新抗生素。成开关，得到新抗生素。第29页，本讲稿共98页绝大多数抗生素的原始产生菌是从自然界分离筛选绝大多数抗生素
24、的原始产生菌是从自然界分离筛选获得，以传统的分离土壤放线菌为例，获得，以传统的分离土壤放线菌为例，说明新抗生说明新抗生素产生菌的常规分离和筛选过程。素产生菌的常规分离和筛选过程。第30页，本讲稿共98页一、土壤微生物的分离一、土壤微生物的分离1、采土、采土 以春、秋两季采土为宜。去除表土，以春、秋两季采土为宜。去除表土，采取采取5-10cm深处深处的土壤，装入无菌容器的土壤，装入无菌容器。2、分离菌株、分离菌株 将将2-4克土壤均匀散布水中克土壤均匀散布水中待其沉降，上清部分经适当稀释后（待其沉降，上清部分经适当稀释后（一般一般为为10-3-104），涂布于适宜培养基中，并培），涂布于适宜培养
25、基中，并培养至单菌落出现，挑取单个菌落移种纯养至单菌落出现，挑取单个菌落移种纯培养，根据菌落的特征，初步排除相同培养，根据菌落的特征，初步排除相同菌。菌。第31页，本讲稿共98页二、筛选二、筛选 ：是指从大量待筛选微生物中，尽快地鉴：是指从大量待筛选微生物中，尽快地鉴别出有实用价值的抗生素产生菌的实验过程。别出有实用价值的抗生素产生菌的实验过程。1、筛选模型：、筛选模型：是指筛选工作中所使用的实验菌。为了避免感染病原是指筛选工作中所使用的实验菌。为了避免感染病原菌的危险，尽可能选用非致病的、且能代表某些类型菌的危险，尽可能选用非致病的、且能代表某些类型致病菌的微生物作为实验菌。致病菌的微生物作
26、为实验菌。第32页，本讲稿共98页 表表17-1常用的实验菌和代表的致病微生物常用的实验菌和代表的致病微生物 实验菌实验菌 代表的致病微生物代表的致病微生物 金黄色葡萄球菌金黄色葡萄球菌 革兰阳性球菌革兰阳性球菌 枯草芽孢杆菌枯草芽孢杆菌 革兰阳性杆菌革兰阳性杆菌 耻垢分支杆菌耻垢分支杆菌 结核分枝杆菌结核分枝杆菌 大肠埃希菌大肠埃希菌 革兰阴性杆菌革兰阴性杆菌 白假丝酵母菌白假丝酵母菌 酵母状真菌酵母状真菌 曲霉曲霉 丝状真菌丝状真菌 噬菌体噬菌体 病毒、肿瘤细胞病毒、肿瘤细胞第33页，本讲稿共98页2、筛选方法、筛选方法 抗菌抗生素一般采用琼脂扩散法。抗菌抗生素一般采用琼脂扩散法。先制备含
27、实验菌的平板，然后以无菌滤纸片蘸取各放先制备含实验菌的平板，然后以无菌滤纸片蘸取各放线菌的摇瓶培养发酵液或切取一定大小的放线菌琼线菌的摇瓶培养发酵液或切取一定大小的放线菌琼脂培养块，置于含菌平板上，培养后观察有无抑菌脂培养块，置于含菌平板上，培养后观察有无抑菌圈产生。圈产生。第34页，本讲稿共98页 三、早期鉴别 经过筛选的阳性菌应进一步做抗菌谱和抗药谱的测经过筛选的阳性菌应进一步做抗菌谱和抗药谱的测定，对有价值的产生菌必须从产生菌及自该菌产生的抗定，对有价值的产生菌必须从产生菌及自该菌产生的抗生素两方面进行鉴定。生素两方面进行鉴定。1、抗生素产生菌的鉴别、抗生素产生菌的鉴别 通过形态、培养、
28、生化反应通过形态、培养、生化反应等实验对抗生素产生菌进行初步的分类鉴定。等实验对抗生素产生菌进行初步的分类鉴定。第35页，本讲稿共98页2、抗生素的鉴别、抗生素的鉴别常用理化方法如：常用理化方法如：纸层析法纸层析法 测定抗生素的极性和在测定抗生素的极性和在 各种溶媒中的溶解度。各种溶媒中的溶解度。纸电泳法纸电泳法 判断抗生素是酸性、碱性、判断抗生素是酸性、碱性、中性或两性。中性或两性。薄层层析法薄层层析法、高效液相层析法、紫外分光光度法等方、高效液相层析法、紫外分光光度法等方法测定新抗生素的理化性质和结构。法测定新抗生素的理化性质和结构。第36页，本讲稿共98页 四、分离精制四、分离精制 将可
29、能产生新抗生素的放线菌进行扩大培养，然后选将可能产生新抗生素的放线菌进行扩大培养，然后选择合适的方法从培养液中提取有效抗生素，进一步精择合适的方法从培养液中提取有效抗生素，进一步精制纯化。在此过程中，须跟综测定抗生素的生物活性。制纯化。在此过程中，须跟综测定抗生素的生物活性。第37页，本讲稿共98页 五、临床前实验研究临床前实验研究 如：进行动物毒性实验（急性、亚急性、慢性）如：进行动物毒性实验（急性、亚急性、慢性）动物治疗保护性实验动物治疗保护性实验 临床前药效实验和药理实验（抗生素在体内吸临床前药效实验和药理实验（抗生素在体内吸收、分布、排泄），经系列实验认为确有前途的收、分布、排泄），经
30、系列实验认为确有前途的新抗生素经有关部门审查合格后方可进行临床实新抗生素经有关部门审查合格后方可进行临床实验。验。国家制定了药品临床前研究质量管理规范国家制定了药品临床前研究质量管理规范，（简称，（简称GLP）。）。第38页，本讲稿共98页 六、临床实验六、临床实验 药品临床实验管理规范简称药品临床实验管理规范简称GCP，是临床实验的全，是临床实验的全过程，包括方案设计、组织实施、监视、审核、记录、过程，包括方案设计、组织实施、监视、审核、记录、分析、总结和报告的标准。分析、总结和报告的标准。第39页，本讲稿共98页 第三节第三节 抗生素的制备抗生素的制备 抗生素的制备分为抗生素的制备分为发酵
31、和提取发酵和提取两个阶段。两个阶段。抗生素的发酵：是指抗生素产生菌在一定培养基抗生素的发酵：是指抗生素产生菌在一定培养基条件下生物合成抗生素的过程，该过程又分为菌条件下生物合成抗生素的过程，该过程又分为菌体生长和抗生素生物合成两个部分。体生长和抗生素生物合成两个部分。发酵后存在于发酵液中的抗生素需用一系列物理发酵后存在于发酵液中的抗生素需用一系列物理和化学方法进行提取和精制，得到抗生素成品。和化学方法进行提取和精制，得到抗生素成品。第40页，本讲稿共98页抗生素生产大致分为二个阶段抗生素生产大致分为二个阶段：发酵和提取发酵和提取一般流程一般流程如下：如下：菌种菌种孢子制备孢子制备种子制备种子制
32、备发酵发酵发酵液预处发酵液预处理及压滤理及压滤提取及精制提取及精制成品检验成品检验成品包装成品包装第41页，本讲稿共98页 一、发酵阶段（一）现代抗生素发酵的一般特点 1、需氧发酵 抗生素产生菌多为需氧菌，需要在发酵的过程中不断通入无菌空气无菌空气，并进行机械搅拌，以提供足够氧来进行生物代谢和生物合成。2、深层发酵（或为沉没发酵），在大型发酵罐内进行，可进行较大规模的生产。3、纯种发酵 在纯种培养的抗生素发酵工业中，应防止杂菌及噬菌体污染。第42页，本讲稿共98页(二）一般生产流程抗生素发酵阶段一般主要包括：孢子制备、种子制备和发酵，这是进行微生物逐步扩大培养过程。1、孢子制备 目的是将沙土管
33、保存的菌种进行培养，以制备大量孢子供下一步种子制备之用，一般于试管、扁瓶或摇瓶内进行。2、种子制备 目的是使有限数量的孢子发芽繁殖，获得足够菌丝体菌丝体以供发酵之用。在种子罐内进行。通过种子制备，可以缩短发酵罐内菌丝体繁殖生长的时间，增加抗生素合成的时间。一般通过种子罐1-3次，再移种到发酵罐中，分别为二级、三级和四级发酵。第43页，本讲稿共98页 3、发酵 关键阶段 目的是在人工培养条件下使菌丝体产生大量的抗生素。在发酵罐内进行。发酵注意事项：1、无菌操作 污染杂菌主要是种子和空气过滤系统污染，各部件渗漏及操作。在发酵的各阶段各阶段应取样进行杂菌检查。2、营养需要 发酵培养基应供给微生物生产
34、繁殖以及生物合成所需的营养，其原料应尽可能价廉，来源要广。3、pH值：加入使培养基pH值恒定的化合物：硫酸铵、硝酸钠。第44页，本讲稿共98页4、温度 酶的催化需要合适的温度。可通过罐的夹套或蛇管导入冷水或热水以控制罐温。5、前体前体 前体前体是抗生素分子的前身或其组成的一是抗生素分子的前身或其组成的一部分部分，直接参与抗生素的生物合成而自身无显著，直接参与抗生素的生物合成而自身无显著变化。在一定条件下，加入前体可控制抗生素的变化。在一定条件下，加入前体可控制抗生素的合成方向，并增加产量。合成方向，并增加产量。如：在青霉素如：在青霉素G的生产中常加入苯乙酸或苯乙酰胺的生产中常加入苯乙酸或苯乙酰
35、胺作为前体；作为前体；在红霉素生产中添加丙酸、丙醇盐作为前体。在红霉素生产中添加丙酸、丙醇盐作为前体。但前体一般对产生菌有一定的毒性。但前体一般对产生菌有一定的毒性。第45页，本讲稿共98页6、通气、搅拌及消沫、通气、搅拌及消沫 发酵过程中利用溶解氧，因此必发酵过程中利用溶解氧，因此必须不断经空气过滤系统输入无菌空气，同时在发酵罐内须不断经空气过滤系统输入无菌空气，同时在发酵罐内设置搅拌和挡板以增加通气效果。为防止泡沫造成的逃设置搅拌和挡板以增加通气效果。为防止泡沫造成的逃液和渗漏，需用消沫浆或消沫剂。液和渗漏，需用消沫浆或消沫剂。7、发酵终点判断、发酵终点判断 定期取样，测定抗生素含量、发酵
36、液定期取样，测定抗生素含量、发酵液的的pH值、含糖量和含氮量、菌丝含量及形态观察。值、含糖量和含氮量、菌丝含量及形态观察。放罐应在产量的高峰期，过早或过迟都会影响抗放罐应在产量的高峰期，过早或过迟都会影响抗生素含量。生素含量。第46页，本讲稿共98页二、发酵液预处理及提取阶段二、发酵液预处理及提取阶段 预处理时应尽可能使抗生素转入以后要处理的相中预处理时应尽可能使抗生素转入以后要处理的相中（多数是液相），可用调节（多数是液相），可用调节pH值呈酸性或碱性的方值呈酸性或碱性的方法。法。预处理的主要任务是除去发酵液内的杂质（预处理的主要任务是除去发酵液内的杂质（Ca、Mg、Fe）及蛋白质，并经过过
37、滤，使菌丝与滤液）及蛋白质，并经过过滤，使菌丝与滤液分开，便于进一步提取。分开，便于进一步提取。第47页，本讲稿共98页常用的提取方法主要有四类常用的提取方法主要有四类：1、溶媒萃取法、溶媒萃取法 是用一种溶剂将物质从另一种溶剂是用一种溶剂将物质从另一种溶剂中提取出来的方法，这两种溶剂不能互溶或只部中提取出来的方法，这两种溶剂不能互溶或只部分互溶，能形成便于分离的两相。分互溶，能形成便于分离的两相。目前微生物制药生产中常用的提取方法。目前微生物制药生产中常用的提取方法。先进的萃取设备：先进的萃取设备：ABE-216萃取机萃取机 2、离子交换法、离子交换法 离子树脂交换法是应用离子交换树离子树脂
38、交换法是应用离子交换树脂作为吸附剂，将发酵液中物质选择性地吸附至离脂作为吸附剂，将发酵液中物质选择性地吸附至离子交换树脂上，然后用合适的洗脱剂将抗生素从树子交换树脂上，然后用合适的洗脱剂将抗生素从树脂上洗脱下来，达到分离、浓缩、提纯的目的。由脂上洗脱下来，达到分离、浓缩、提纯的目的。由于费用较低，成为提取主要方法。如：链霉素和卡于费用较低，成为提取主要方法。如：链霉素和卡那霉素的生产。那霉素的生产。第48页，本讲稿共98页3、沉淀法、沉淀法 是利用等电点或能与酸、碱、金属盐类形是利用等电点或能与酸、碱、金属盐类形成不溶性或溶解度极小的复盐沉淀出抗生素。此法简成不溶性或溶解度极小的复盐沉淀出抗生
39、素。此法简便、经济。如：四环素便、经济。如：四环素4、吸附法、吸附法 是利用适当的吸附剂，在一定的是利用适当的吸附剂，在一定的PH条件下，使发酵液中抗生素被吸附剂吸附，然后条件下，使发酵液中抗生素被吸附剂吸附，然后再以适当的洗脱剂将吸附的抗生素从吸附剂上洗再以适当的洗脱剂将吸附的抗生素从吸附剂上洗脱下来，达到浓缩和提纯目的。脱下来，达到浓缩和提纯目的。随着大网格聚合物吸附剂的合成成功，吸附法得随着大网格聚合物吸附剂的合成成功，吸附法得到新的发展。到新的发展。第49页，本讲稿共98页抗生素提取得到粗品后应加以精制，上述方法均可使用。一般用多级溶剂萃取或多级吸附、洗脱或薄层层一般用多级溶剂萃取或多
40、级吸附、洗脱或薄层层析、柱层法、葡聚糖凝胶过滤等。因一般抗生素析、柱层法、葡聚糖凝胶过滤等。因一般抗生素的稳定性差，应避免常压蒸馏、升华、过酸或过的稳定性差，应避免常压蒸馏、升华、过酸或过碱等方法。碱等方法。第50页，本讲稿共98页 第四节第四节 抗生素的生物合成机制抗生素的生物合成机制 一、次级代谢产物的概念一、次级代谢产物的概念 次级代谢产物：是指那些由微生物合成的，但对微次级代谢产物：是指那些由微生物合成的，但对微生物的生长、繁殖无明显影响的各种代谢产生物的生长、繁殖无明显影响的各种代谢产 物，如物，如抗生素。抗生素。特点：特点：1、对微生物的生长、繁殖无明显影响。、对微生物的生长、繁殖
41、无明显影响。初级代谢产物往往是微生物生长所初级代谢产物往往是微生物生长所 不可缺少的物质。不可缺少的物质。2、与初级代谢紧密相连、与初级代谢紧密相连 先有微生物生长，后有抗生素的合成。先有微生物生长，后有抗生素的合成。3、在一定条件下能大量合成。、在一定条件下能大量合成。第51页，本讲稿共98页二、抗生素生物合成的代谢途径二、抗生素生物合成的代谢途径 1、抗生素生物合成的大致步骤、抗生素生物合成的大致步骤 属于次级代谢物属于次级代谢物营养物摄入细胞营养物摄入细胞转化为初级代谢各中间产物转化为初级代谢各中间产物合合成小分子的抗生素前体物质成小分子的抗生素前体物质前体物质经修饰、前体物质经修饰、碳
42、架重排等碳架重排等进入各抗生素所特有的合成途径进入各抗生素所特有的合成途径聚合或装配，合成抗生素。聚合或装配，合成抗生素。2、抗生素合成的有关代谢途径、抗生素合成的有关代谢途径 脂肪酸代谢脂肪酸代谢 氨基盐代谢氨基盐代谢糖代谢糖代谢嘌呤及嘌呤及嘧啶代谢嘧啶代谢 芳香族生物合成芳香族生物合成一碳单位的甲基一碳单位的甲基库库 大多数抗生素前体物质是经多条途径合成。大多数抗生素前体物质是经多条途径合成。第52页，本讲稿共98页三、抗生素的生物合成及调控1、青霉素的生物合成 通过氨基己二酸途径（AAA）第53页，本讲稿共98页第54页，本讲稿共98页 -酮戊二酸+乙酰CoA 高枸橼酸 高顺乌头酸 高异
43、枸橼酸 -氨基己二酸（-AAA）-AA-半缩醛 L-AA-L-cys 酵母氨酸 L-AA-L-cys-D-val L-AA-6-APA赖氨酸 苯乙酸 6-APA 青霉素G 第55页，本讲稿共98页2、青霉素生物合成的调控、青霉素生物合成的调控 青霉素生物合成的过程与一般次级代谢产物的生物青霉素生物合成的过程与一般次级代谢产物的生物合成一样，同样受酶及外界的调控。合成一样，同样受酶及外界的调控。（1）赖氨酸对青霉素生物合成的反馈抑制作用）赖氨酸对青霉素生物合成的反馈抑制作用 由于初级代谢产物赖氨酸与青霉素具有共同由于初级代谢产物赖氨酸与青霉素具有共同的前体的前体-AAA，因此赖氨酸对代谢途径的反
44、馈抑制作，因此赖氨酸对代谢途径的反馈抑制作用，使得共同中间体的合成也受到抑制，因而青霉素用，使得共同中间体的合成也受到抑制，因而青霉素的合成受抑制。的合成受抑制。第56页，本讲稿共98页（2）糖分解代谢物的阻抑作用）糖分解代谢物的阻抑作用 在青霉素的生物合成中，加入过量的葡萄糖能抑制在青霉素的生物合成中，加入过量的葡萄糖能抑制青霉素的合成，而加入乳糖就无此影响。青霉素的合成，而加入乳糖就无此影响。因为葡萄糖的分解产物阻抑青霉素合成中的关键因为葡萄糖的分解产物阻抑青霉素合成中的关键酶（酰基转移酶）的产生，导致青霉素不能合成。酶（酰基转移酶）的产生，导致青霉素不能合成。而乳糖氧化缓慢，它被水解为可
45、利用的单糖的速而乳糖氧化缓慢，它被水解为可利用的单糖的速度恰好符合青霉生长后期合成青霉素的需要。度恰好符合青霉生长后期合成青霉素的需要。第57页，本讲稿共98页 第五节第五节 抗生素的主要作用机制抗生素的主要作用机制 一、抑制细胞壁的合成 多种抗革兰阳性菌的抗生素，主要与抑制肽聚糖的多种抗革兰阳性菌的抗生素，主要与抑制肽聚糖的合成有关，而肽聚糖合成的阻断，就使得合成有关，而肽聚糖合成的阻断，就使得 细胞壁无法完全形成。细胞壁无法完全形成。第58页，本讲稿共98页肽聚糖的合成以大肠埃希菌，其肽聚糖的生物合成分为肽聚糖的合成以大肠埃希菌，其肽聚糖的生物合成分为三个阶段：三个阶段：1、基本单元的形成
46、、基本单元的形成 肽聚糖是由肽聚糖是由N-乙酰胞壁酸乙酰胞壁酸（MurNAc）、）、N-乙酰葡萄糖胺（乙酰葡萄糖胺（GlcNAc）及短肽侧）及短肽侧链组成。它的前体物质是链组成。它的前体物质是UDP-MurNAc-五肽和五肽和UDP-GlcNAc。UDP-GLcNAc由糖酵解的中间产物由糖酵解的中间产物6-磷酸果磷酸果糖生成，糖生成，UDP-GlcNAc与磷酸烯醇式丙酮酸缩合，双键与磷酸烯醇式丙酮酸缩合，双键还原形成还原形成UDP-MurNAc，L-Ala、D-Glu和间和间-DAP相相继加到继加到UDP-MurNAc上，生成中间物胞壁酰三肽。所上，生成中间物胞壁酰三肽。所有的反应均在细胞质内
47、。有的反应均在细胞质内。第59页，本讲稿共98页 2、单体的形成及跨膜转运、单体的形成及跨膜转运 3、肽聚糖链的组装及三维结构的构建、肽聚糖链的组装及三维结构的构建 合成的最后几步是由几种酶催化完成；合成的最后几步是由几种酶催化完成；转糖基酶转糖基酶 转肽酶转肽酶 D-羧肽酶羧肽酶 内肽酶内肽酶 反应发生在细胞质膜外表面反应发生在细胞质膜外表面.第60页，本讲稿共98页 金黄色葡萄球菌 五肽中第三位氨基酸是Lys，而不是DAP；第二位氨基酸是Gln，而不是Glu。二糖五肽合成后，五个Gly分子通过肽键连接在Lys的-NH2上 转肽反应在五肽次末端D-Ala的羧基和末端Gly的氨基之间。第61页
48、，本讲稿共98页抑制细胞壁肽聚糖合成的抗生素有：抑制细胞壁肽聚糖合成的抗生素有：1）环丝氨酸）环丝氨酸 2）万古霉素和杆菌肽）万古霉素和杆菌肽3）-内酰胺类抗生素，如青霉素和头孢菌素内酰胺类抗生素，如青霉素和头孢菌素第62页，本讲稿共98页二、影响细胞膜的功能二、影响细胞膜的功能 作用于细菌细胞膜抗生素对细菌有较强的杀伤作用，作用于细菌细胞膜抗生素对细菌有较强的杀伤作用，如：多黏菌素，属多肽类抗生素，分子内含碱性如：多黏菌素，属多肽类抗生素，分子内含碱性 亲水性亲水性（多肽）基团与亲脂性脂肪酸链。亲水性基团可以与细（多肽）基团与亲脂性脂肪酸链。亲水性基团可以与细菌细胞膜磷脂上的磷酸基形成复合物
49、，而亲脂链可以插菌细胞膜磷脂上的磷酸基形成复合物，而亲脂链可以插入细胞膜上的脂肪链之间，因而解聚细胞膜的结构，使入细胞膜上的脂肪链之间，因而解聚细胞膜的结构，使细菌细胞膜的通透性增加，导致细菌细胞内的主要成分细菌细胞膜的通透性增加，导致细菌细胞内的主要成分如氨基酸、核酸和钾离子等渗漏，细菌因而死亡。如氨基酸、核酸和钾离子等渗漏，细菌因而死亡。第63页，本讲稿共98页短杆菌肽：为多肽类抗生素，对革兰阳性菌有较强短杆菌肽：为多肽类抗生素，对革兰阳性菌有较强的杀菌作用，其分子的氨基酸侧链也有亲水性和输的杀菌作用，其分子的氨基酸侧链也有亲水性和输水性两种基团，也可与细胞膜的脂蛋白或脂质结合，水性两种基
50、团，也可与细胞膜的脂蛋白或脂质结合，影响细菌细胞膜的通透性和其他功能。影响细菌细胞膜的通透性和其他功能。两性霉素两性霉素B是一种抗真菌的抗生素，对新型隐球菌和是一种抗真菌的抗生素，对新型隐球菌和白假丝酵母菌等具有良好的抗菌作用，其作用机白假丝酵母菌等具有良好的抗菌作用，其作用机制主要是能和敏感菌细胞膜上的甾醇部分结合而制主要是能和敏感菌细胞膜上的甾醇部分结合而改变了膜的通透性，使细胞内钾离子和其他成分改变了膜的通透性，使细胞内钾离子和其他成分渗出膜外，从而抑制了真菌的生长。渗出膜外，从而抑制了真菌的生长。第64页，本讲稿共98页 三、干扰蛋白质合成三、干扰蛋白质合成 抑制蛋白质合成过程的抗生素