第八章 抗生素 (Antibiotics)
定义
抗生素是 微生物 （细菌、放线菌、真菌等）的 次级代谢产物,或 化学合成 的 相同结构或结构修饰物,在 低微浓度 下对各种 病原性微生物或肿瘤细胞 有 选择性杀灭、抑制作用 。
共生拮抗 —— 自然现象，进化产物。
分类 —— 不同的目的和需要
根据抗生素的生物来源
根据抗生素作用对象分类
根据抗生素化学结构分类
根据抗生素作用机制分类根据抗生素的生物来源
细菌,多肽类抗生素、多粘菌素、（短）杆菌肽。
真菌,青霉素、头孢菌素、灰黄霉素。
放线菌,数量多范围广，四环素类，大环内酯类，
氨糖类。
植物,黄连素、常山碱、白果酸等。
动物,红血球素、鱼素等。
根据抗生素作用对象
抗 G+菌,青霉素、万古霉素、杆菌肽、林可霉素。
抗 G-菌,链霉素、多粘菌素等。
广谱,四环素类、头孢类、红霉素、氯霉素、卡那霉素。
抗真菌,制霉菌素、灰黄霉素、两性霉素等。
抗肿瘤,丝裂霉素、博来霉素、阿霉素等。
抗病毒：抗原虫 阿糖腺苷、他利霉素、盐霉素、阿弗米丁
抗结核分枝杆菌,链霉素、环丝氨酸、利福霉素等。
根据化学结构分类
β -内酰胺：青霉素类、头孢类、棒酸类、单环 β -内酰胺类
四环素类：四环素、金霉素、强力霉素等。
氨糖类：卡那霉素、链霉素、庆大霉素、西素米星等
大环内酯类：红霉素、麦迪霉素、螺旋霉素等。
多烯大环类：制霉菌素、两性霉素 B等。
聚醚多肽类：多肽菌素、放线菌素、杆菌肽等。
苯烃基胺类：氯霉素、甲砜霉素等。
蒽环类及其它：阿霉素、磷霉素、环丝氨酸等。
根据抗生素作用机制分类
抑制细胞壁合成：青霉素类、头孢菌素类、万古霉素。
影响细胞膜功能：多粘菌素、制霉菌素、两性霉素 B等
抑制和干扰蛋白质合成：四环类、氨基糖苷类、大环内酯类
抑制细胞核酸合成：利福霉素类、丝裂霉素、博来霉素等。
抑制细菌生物能：竹桃霉素、短杆菌素。
耐药性
1）突变产生（天然）耐药性 —— 染色体遗传基因介导的耐药。
2）质粒介导（获得）耐药性。
1,天然耐药性 —— X射线、氮芥等物理、化学因素诱发突变。
遗传基因 DNA自发变化，此种情况为多。
基因突变率极低，每分裂 105～ 109代才有一次突变出现。
突变产生的耐药性一般只对一种或两种类似的药物耐药，且比较稳定。其生长、分裂变慢，与其他细菌的竞争力减弱，
在临床上居次要地位。
2.质粒介导的（获得）耐药性
耐药质粒分 —— 结合型 (conjugative plasmid)和非结合型 (nonconjugative plasmid)两种。在微生物间通过转化 (transformation)、转导 (transduction)、接合
(conjugation)、易位 (translocation)或转座
(transposition)等方式转移。
转座方式可使耐药因子增多，是造成多重耐药性的重要原因，并易于传播，在临床上占有重要的地位。
质粒是染色体外的 DNA，耐药质粒广泛存在于革兰阳性菌和阴性菌中，几乎所有致病菌均可具有耐药质粒，通过耐药质粒传递的耐药现象最为常 。
细菌对抗生素的耐药机制
产生水解酶或钝化酶来水解或修饰进入细菌胞内的抗生素使之失去生物活性；
抗生素作用的靶位突变使抗生素无法发挥作用或与抗生素的亲和力下降；
细菌细胞膜渗透性的改变，或其他有关特性如细菌菌膜（ biofilm）的形成，使抗生素无法进入胞内；
依赖于能量的主动转运（主动外排,active
efflix）机制，即能够将已经进入胞内的药物泵出胞外。
β -内酰胺类抗生素（ β -Lactam Antibiotics）
定义 —— 分子中含有 β -内酰胺环的抗生素
青霉素类、头孢菌素类、单环 β -内酰胺类、
青霉烯类、碳青霉烯类及 β -内酰胺酶抑制剂。
开发最早、品种最多、临床应用最广、研究最活跃。
抗菌作用机理
1,与青霉素结合蛋白 (PBPs)结合，抑制粘肽合成酶，阻碍细胞壁粘肽合成。
2,激活细菌自溶酶。
PBPs是一组位于细菌内膜、具有催化作用的酶，参与细胞壁合成、形态维持和糖肽结构调整功能。不同细菌其细胞膜上的 PBPs组成和数量不同，不同的 β -内酰胺类抗生素可与不同的 PBPs结合。
粘肽结构 —— 网状结构的肽聚糖聚多糖 ( G l y c a n )
肽
L - A l a
D - G l u
---------------------------------------------------------------------------
O
H O H
2
C
O
O
C
N H
CH
3 N H C O C H
3
O
O
CH
3
H
CO
NH
H
C O O H
CH
2
CH
2
C O N H C O N H
CH
2
CH
2
CH
2
H
NH
2
H
H
C H
3
C O N H
H
C H
3
H
C O O H
O
OH
N H C O C H
3
H O H
2
C
L - L y l
D - A l a D - A l a
Gl cN A cM ur N A c
( Pep t i de )
N-乙酰葡糖胺（ Glc-NAc）和 N-乙酰胞壁酸（ Mur-NAc）
转肽反应
G l y c a n - L - A l a - D - G l u- C O R
1
L - L y s - D - A l a
D - G l u- C O R
1
L - L y s - D - A l a - ( Pept i de )
G l y c a n - L - A l a D - A l a - C O 2 H
N
O
R
N
O
O
O
( a ) 粘 肽 末 端 构 象
N
O
N
O
O
O
S
( b ) 青 霉 素 构 象耐药机制
1,?-内酰胺酶的水解机制
2,?-内酰胺酶的牵制机制
3,PBPs发生改变
4,细菌细胞壁或外膜通透性改变
5,细菌自溶酶减少抗菌作用影响因素
1,穿透屏障
2,酶水解屏障
3,和 PBPs 的亲和力一、青霉素类
C O O H
N
S C H 3
C H 3O
O C H 2 C O N H
N
S
C H 3
C H 3
C O O H
O
C H 2 O C H N
C O O H
N
H
S C H 3
C H 3
O
H 2 N H
青霉素 G 6-氨基青霉烷酸 青霉素 V（ Penicillin V）
3个手性碳原子，绝对构型为 3S,5R,6R
可供化学修饰的部位
N
SN H
O
C O O H
C H
3
C H
3
H
RCO
6β氨基,6α位及 3位羧基
6β氨基为最主要修饰部位 6α位引入甲氧基、甲酰胺，增加 β-内酰胺环空间位阻，不易为酶所水解，耐酶抗生素。
3位羧基根据前药原理将其酯化以克服羧基亲水性强、
口服吸收差的不足，提高口服吸收和生物利用度。
构效关系
1、酰基 α 位连接吸电子基团－耐酸
N
H
S C H 3
C H 3
O
H
NC
O
R
H N
H
S C H 3
C H 3
O
N
CRH +
H H
C O O H C O O H
HCN
3
HC
N 3
阿度西林（ Azidocillin）
2、引入空间位阻大的基团，可保护 β -内酰胺环免遭酶的水解
C O O H
N
S C H 3
C H 3O
NH CN
美西林（ Mecillinam）
C O O H
N
H
S C H 3
C H 3O
H
N
R 2
C
O
R 1
化合物编号药物名称 R1 R2
4 阿度西林 H
5 甲氧西林 H
6 萘夫西林 H
8 苯唑西林 H
9 三苯甲基青霉素 H
HCN
3OCH3
OCH3 OC2H5
N O CH3
C3
酰基 α 位引入亲水性极性基团
分子极性,细胞膜的通透性,易于透过 G-菌的细胞膜，成为广谱青霉素，
C O O H
N
H
S C H 3
C H 3
O
H
N
R 2
C
O
R 1
10 氨苄西林 H
11 羧苄西林 H
12 磺苄西林 H
CHNH2
CHCOOH
CHSO3H
杂环替代苯环抗 G-菌活性增强。
13 替卡西林 H
14 美洛西林 H
15 阿帕西林 H
16 哌拉西林 H
S
CHCOOH
N N C O N H
O
H 3 C O 2 S HCC
6 H 5N
N
H O
C O N H HC
C 6 H 5NNC
2 H 5 C O N H
O O
HC
C 6 H 5
C O O H
N
H
S C H 3
C H 3O
H
N
R 2
C
O
R 1
二、头孢菌素类（ Cephalosporins）
基本骨架头孢烯，四元的 β -内酰胺环和六元的氢化噻嗪环骈合而成。四元环骈六元环稠合体系,β -内酰胺环张力比青霉素类的小,3，
4位的双键可与环氮原子的未共用电子对共轭，
头孢菌素类比青霉素类相对稳定。
N
S
C O O H
C H 2 O C O C H 3
C H ( C H 2 ) 3 C O H N
O
H 3 N +
- O O C
1 9
H H
N
S
C O O H
C H 2 O C O C H 3
H 2 N
O
2 0
H H
头孢菌素的分类及特征药 物 抗 菌 谱 对?-内酰胺酶 稳定性肾毒性 临床用途第一代
~噻吩,~唑啉
~氨苄,~拉啶
G+菌 部分稳定 较大 耐药金葡菌感染第二代
~呋辛,~孟多 ~
克洛
G+菌,G-菌厌氧菌 稳定 低 G
-菌感染第三代
~噻腭,~他定
~曲松,~哌酮
G+菌,G-菌厌氧菌、绿脓杆菌 较高稳定 无尿路感染严重感染第四代
~吡腭,~匹罗 G
-杆菌 较高稳定 无 替代第三代用于 G-菌感染
1．可供化学修饰的部位
N
S
C O O H
C H 2 O C O C H 3O
R C O N H
H
1) 7β氨基上的酰基侧链，决定了头孢菌素类抗生素的抗菌活性、抗菌谱、酶稳定性，对药物在体内的吸收、分布、代谢等也有一定的影响。
2) 3位基团的改变，主要扩大抗菌谱及影响药物的吸收、分布、代谢，可提高抗菌活性。
3) 1位的硫原子，利用电子等排原理以氧原子、碳原子替代，可提高其化学稳定性，改变药物代谢等的特征，提高抗菌活性。
构效关系 （ 1） 7β 氨基上的酰基侧链
酰基 α 位引入基团的极性与抗绿脓杆菌活性成正比。
头孢孟多（ 23）、
第三代的头孢哌酮（ Cefoperazone,31）
头孢磺啶（ Cefsulodin,32），
头孢孟多 CHOH N
NN
N
C H 3
C H 2S
头孢哌酮 NNC 2 H 5 C O N H
O O
HCH O
N
NN
N
C H 3
C H 2S
头孢磺啶 CHSO
3
H 2 C N + C O N H 2
构效关系 （ 1） 7β 氨基上的酰基侧链
头孢呋辛（ 25）酰基 α 位顺式甲氧亚氨基增加了空间位阻，对 β -内酰胺酶稳定。而头孢替安（ 24）侧链中氨基噻唑可增强对革兰阴性菌细胞膜的渗透性，对革兰阴性菌抗菌活性强。
O CNOCH3
S
N CN O C H 3H 2N
S
N CN O C ( C H 3 ) 2 C O OH 2 N NH2C
头孢呋辛 － CH2OCONH2 1980
头孢噻肟 － CH2OCOCH3 1980
头孢他啶 1983
头孢替安 NSH 2 N C H 2 NNN N
C H 2 C H 2 N ( C H 3 ) 2
C H 2 S 1981
7β 氨基上的酰基侧链
2-(2-氨基噻唑 -4-基 )-(Z)-2-甲基亚胺基乙酰基侧链（氨噻肟侧链）综合了头孢呋辛、头孢替安侧链的优点，在提高对 β -内酰胺酶的稳定性、增强抗革兰阴性菌活性的同时，氨噻肟侧链的导入还增加了药物对 PBPs的亲和力，成为研究开发第三和第四代头孢菌素时最常选用的酰基侧链。
S
N CN O C H
3
H 2 N
S
N
C
N O H
H 2 N
S
N
C
C H C H 2 C O O H
H 2 N S
N
C
C H C H 2 C H 3
H 2 N
构效关系 （ 2） 3位
头孢 3位的乙酰氧甲基，体内被非特异性酯酶代谢失活的位点。
3位被氢、甲基、乙烯基和卤素等取代改善药物的药物动力学特性，提高口服吸收率，原药型口服头孢菌素。
3位各种杂环的引入使极性、电性分布、亲脂性发生变化，抗菌谱扩大，抗菌活性增强，并具有良好的药物动力学特性。
3位引入带正电荷的具氮鎓离子结构的杂环，使分子结构中存在正负二种离子，对细菌细胞壁、细胞外膜具有极强的穿透力，与
β -内酰胺酶的亲和力很低，对多种 β -内酰胺酶高度稳定，抗菌谱更广，活性更强。第四代头孢菌素的特征第四代头孢菌素
N
S
C O O
R 2
R 1 C O H N
O
H H
S
N CN O C H 3H 2 N N+H2C
S
N CNOCH3H 2N NN
CH2CH2OH
H2C NH2
S
N CNOCH3H 2N N+H2CH3C
NS
N CNOCH3H2N NN NH2C
化合物编号 药物名称 R1 R2 上市年份
28 头孢匹罗 1992
29 头孢噻利 1998
38 头孢吡肟 1994
39 头孢唑兰 1995
邻苯二酚结构
邻苯二酚结构可与铁离子螯合，类似于细菌为摄入铁离子而分泌的铁离子螯合物（ siderophore-like
moieties）。引入邻苯二酚结构有可能使细菌错误识别，借助细菌的铁离子转运系统进入细菌体内，克服细菌因细胞膜通透性降低而产生的耐药性，对耐药菌有效。
C
O H
O H
O
OC C
C H 2
H
H
N
S
C O O H
C O N H
O
H HN
S
C
N O C ( C H 3 ) 2 C O O H
H 2 N
N
S
C O O H
C H 2 R
C O H N
O
H HN
S
C
N
H 2 N
O
H C C O O H
O H
O H
M - 1 4 6 5 9
B R L - 5 7 3 4 2
N
N
N
N
C O O HS
H 3 C
N N H C H 3S
4 0
4 2
R =
R =
构效关系 （ 3） 1位
用生物电子等排体 -O-,-CH2- 替代，分别称氧头孢菌素（ Oxacephalosporins）和碳头孢烯（ Carbacephems）
类。氟氧头孢（ Flomoxef,43）由于 1位氧原子的体积、
二面角比硫原子小，母环张力大，抗菌活性增强。
氯碳头孢（ Loracarbef,44） 1位为亚甲基，化学稳定性好，改善了药物动力学特性，提高了抗菌活性。氯碳头孢为口服头孢菌素，于 1992年上市 。
N
O
C O O H
C F 2 H S C H 2 C O H N
O
O C H 3
N
N N
NS
C H 2 C H 2 O H
N
C O O H
C l
O
C H
N H 2
C O N H
（ 4） 7α 位及 4位羧基
头孢菌素 7α 位及 4位羧基的化学修饰及构效关系与青霉素的 6α 位及 3位羧基基本相同。
天然的 7α -甲氧基头孢菌素称为头霉素类。
7α -甲氧基的引入提高了对 β -内酰胺酶的稳定性，半合成头霉素类抗生素对 β -内酰胺酶的稳定性较多数头孢菌素为强，
4位羧基是抗菌活性的必需基团，依据前药原理将其酯化后可改善口服吸收效果，成为口服头孢菌素，
GCLE的合成
N
S
C H
2
C O N H
O
C O O K
1,氧 化
2,酯 化
N
S
C H
2
C O N H
O
C O O C H
2
O
A r S O
2
N H
4 N
S
C H
2
C O N H
O
C O O C H
2
S O
2
A r
- e
N
S
C H
2
C O N H
O
C O O C H
2
S O
2
A r
C l
N
S
C H
2
C O N H
O
C O O C H
2
C l
N H
3
D M F
5 2 5 3
5 4 5 1
O C H
3
O C H
3
O C H
3
O C H
3
N
S
C O O H
C H 3
H 2 N
O
N
SC H 2 C O N H
O
C O O C H 2
C l
O C H 3
从 GCLE制备 3位含不同基团的头孢菌素
N
S
H N
O
C O O C H
2
C l
O C H
3
R C O
N
S
H N
O
S R
1
R C O
N
S
H N
O
N R
3
R C O
C O O H
C O O
N
S
N H
O
R C O
C O O H
R
2
G C L E
单环 β -内酰胺类
单环 β -内酰胺（ Monocyclic β -Lactam）是 β -
内酰胺类母核结构最简单、易于全合成的一类。
1976年从 Nocardia uniformis 的代谢产物中分离得到诺卡霉素（ Nocardicins）共有 A~G 7种成分，
以诺卡霉素 A抗菌活性最强。
H O 2 C O
N
O H
H 2 N
H
N
O N
O
O H
C O O H
单环菌素 （ Monobactams,
Monocyclic bacterially produced beta-
lactam antibiotics）
1980年 Takeda和 Squibb的研究人员，用 β -内酰胺超敏株，分别从细菌的代谢物中发现了一类新的单环 β -内酰胺抗生素，包括磺酰胺菌素（ sulfazecin）和异磺酰胺菌素（ isosulfazecin）
H O O C
N
H
C H 3
H
N
N H 2
N
S O 3 N aO
O
O
O C H 3
磺酰胺菌素 * D型 3-氨基单环菌素酸（ 3-AMA）
异磺酰胺菌素 * L型
H 2 N
N
S O 3 N aO
H
单环菌素类抗生素结构
C(CH3)2COOHCH2 OOH
化合物编号药物名称 R1 R2 R3 R4
59 氨曲南 － C(CH3)2COOH CH3 H － SO3H
60 卡芦莫南 － CH2COOH － CH2OCONH2 H － SO3H
62 替吉莫南 － CH2COOH CH3 CH3 － SO3H
63 肟莫南 CH3 CH3 H － OCH2COONa
64 格洛莫南 CH3 CH3 H － OCH2CO2CH2CO2C(CH3)3
C O N H
N
O R 4
R 2
R 3N
SH 2 N
C
N
O R 1
构效关系
（ 1） 3β 氨基上的酰基侧链与头孢菌素基本一致
（ 2） 3α 位天然的单环菌素常具有 3α 甲氧基及 3α
甲酰胺基,3α 位甲氧基或甲酰胺基取代虽可增强对 β -内酰胺酶的稳定性，但化学稳定性却下降
（ 3） 4位
4位引入烷基 1～ 4个碳原子甲基上的氢原子被电负性大的杂原子，如氟、氧原子等基团取代，
由于吸电子作用，可活化 β -内酰胺环，增强抗菌活性。
（ 4） 1位
除磺酰基外，活化 β -内酰胺环的基团有硫酸基－
OSO3H、羧甲氧基－ OCH2COOH、膦酰基,
甲膦酸基等 。
四唑基及磺酰胺甲酰基也能活化 β -内酰胺环,1位通过碳氮键连接四唑基及磺酰胺甲酰基的化合物，
P
O OCH
3
O
P
O
O C H 3O
N
O
H
N
F
N
N
N
N H
N
S
N
H 2 N
C O 2 H
O
O
N
O
H
N
N
S
N
H 2 N
O
O
C O 2 H
N
O
S
N
N
H N
H
N
O O
O
O
O H
O
四,青霉烯和碳青霉烯类
在自然界中尚未被发现，为全合成产物。
1975年 Woodward设计合成了青霉烯类化合物，
以青霉素 V为原料将头孢菌素结构中的双键引入到青霉素的母核中，增大 β -内酰胺环的反应性，提高抗菌活性。
因反应性太高，极不稳定，未能显示良好的生物活性。
N
S
C H 3
C O O H
O
O C H 2 C O N H
化学修饰与构效关系
3位的 S构型是必需的。可供化学修饰的部位有 3β 氨基、
3α 位,4位及 1位。
3β 氨基上的酰基侧链，决定了单环菌素类的抗菌活性及抗菌谱。
4位取代基的引入及 1位带负电荷的吸电子基团的改变对抗菌活性及 β -内酰胺酶稳定性有明显影响。
定义
抗生素是 微生物 （细菌、放线菌、真菌等）的 次级代谢产物,或 化学合成 的 相同结构或结构修饰物,在 低微浓度 下对各种 病原性微生物或肿瘤细胞 有 选择性杀灭、抑制作用 。
共生拮抗 —— 自然现象，进化产物。
分类 —— 不同的目的和需要
根据抗生素的生物来源
根据抗生素作用对象分类
根据抗生素化学结构分类
根据抗生素作用机制分类根据抗生素的生物来源
细菌,多肽类抗生素、多粘菌素、（短）杆菌肽。
真菌,青霉素、头孢菌素、灰黄霉素。
放线菌,数量多范围广，四环素类，大环内酯类，
氨糖类。
植物,黄连素、常山碱、白果酸等。
动物,红血球素、鱼素等。
根据抗生素作用对象
抗 G+菌,青霉素、万古霉素、杆菌肽、林可霉素。
抗 G-菌,链霉素、多粘菌素等。
广谱,四环素类、头孢类、红霉素、氯霉素、卡那霉素。
抗真菌,制霉菌素、灰黄霉素、两性霉素等。
抗肿瘤,丝裂霉素、博来霉素、阿霉素等。
抗病毒：抗原虫 阿糖腺苷、他利霉素、盐霉素、阿弗米丁
抗结核分枝杆菌,链霉素、环丝氨酸、利福霉素等。
根据化学结构分类
β -内酰胺：青霉素类、头孢类、棒酸类、单环 β -内酰胺类
四环素类：四环素、金霉素、强力霉素等。
氨糖类：卡那霉素、链霉素、庆大霉素、西素米星等
大环内酯类：红霉素、麦迪霉素、螺旋霉素等。
多烯大环类：制霉菌素、两性霉素 B等。
聚醚多肽类：多肽菌素、放线菌素、杆菌肽等。
苯烃基胺类：氯霉素、甲砜霉素等。
蒽环类及其它：阿霉素、磷霉素、环丝氨酸等。
根据抗生素作用机制分类
抑制细胞壁合成：青霉素类、头孢菌素类、万古霉素。
影响细胞膜功能：多粘菌素、制霉菌素、两性霉素 B等
抑制和干扰蛋白质合成：四环类、氨基糖苷类、大环内酯类
抑制细胞核酸合成：利福霉素类、丝裂霉素、博来霉素等。
抑制细菌生物能：竹桃霉素、短杆菌素。
耐药性
1）突变产生（天然）耐药性 —— 染色体遗传基因介导的耐药。
2）质粒介导（获得）耐药性。
1,天然耐药性 —— X射线、氮芥等物理、化学因素诱发突变。
遗传基因 DNA自发变化，此种情况为多。
基因突变率极低，每分裂 105～ 109代才有一次突变出现。
突变产生的耐药性一般只对一种或两种类似的药物耐药，且比较稳定。其生长、分裂变慢，与其他细菌的竞争力减弱，
在临床上居次要地位。
2.质粒介导的（获得）耐药性
耐药质粒分 —— 结合型 (conjugative plasmid)和非结合型 (nonconjugative plasmid)两种。在微生物间通过转化 (transformation)、转导 (transduction)、接合
(conjugation)、易位 (translocation)或转座
(transposition)等方式转移。
转座方式可使耐药因子增多，是造成多重耐药性的重要原因，并易于传播，在临床上占有重要的地位。
质粒是染色体外的 DNA，耐药质粒广泛存在于革兰阳性菌和阴性菌中，几乎所有致病菌均可具有耐药质粒，通过耐药质粒传递的耐药现象最为常 。
细菌对抗生素的耐药机制
产生水解酶或钝化酶来水解或修饰进入细菌胞内的抗生素使之失去生物活性；
抗生素作用的靶位突变使抗生素无法发挥作用或与抗生素的亲和力下降；
细菌细胞膜渗透性的改变，或其他有关特性如细菌菌膜（ biofilm）的形成，使抗生素无法进入胞内；
依赖于能量的主动转运（主动外排,active
efflix）机制，即能够将已经进入胞内的药物泵出胞外。
β -内酰胺类抗生素（ β -Lactam Antibiotics）
定义 —— 分子中含有 β -内酰胺环的抗生素
青霉素类、头孢菌素类、单环 β -内酰胺类、
青霉烯类、碳青霉烯类及 β -内酰胺酶抑制剂。
开发最早、品种最多、临床应用最广、研究最活跃。
抗菌作用机理
1,与青霉素结合蛋白 (PBPs)结合，抑制粘肽合成酶，阻碍细胞壁粘肽合成。
2,激活细菌自溶酶。
PBPs是一组位于细菌内膜、具有催化作用的酶，参与细胞壁合成、形态维持和糖肽结构调整功能。不同细菌其细胞膜上的 PBPs组成和数量不同，不同的 β -内酰胺类抗生素可与不同的 PBPs结合。
粘肽结构 —— 网状结构的肽聚糖聚多糖 ( G l y c a n )
肽
L - A l a
D - G l u
---------------------------------------------------------------------------
O
H O H
2
C
O
O
C
N H
CH
3 N H C O C H
3
O
O
CH
3
H
CO
NH
H
C O O H
CH
2
CH
2
C O N H C O N H
CH
2
CH
2
CH
2
H
NH
2
H
H
C H
3
C O N H
H
C H
3
H
C O O H
O
OH
N H C O C H
3
H O H
2
C
L - L y l
D - A l a D - A l a
Gl cN A cM ur N A c
( Pep t i de )
N-乙酰葡糖胺（ Glc-NAc）和 N-乙酰胞壁酸（ Mur-NAc）
转肽反应
G l y c a n - L - A l a - D - G l u- C O R
1
L - L y s - D - A l a
D - G l u- C O R
1
L - L y s - D - A l a - ( Pept i de )
G l y c a n - L - A l a D - A l a - C O 2 H
N
O
R
N
O
O
O
( a ) 粘 肽 末 端 构 象
N
O
N
O
O
O
S
( b ) 青 霉 素 构 象耐药机制
1,?-内酰胺酶的水解机制
2,?-内酰胺酶的牵制机制
3,PBPs发生改变
4,细菌细胞壁或外膜通透性改变
5,细菌自溶酶减少抗菌作用影响因素
1,穿透屏障
2,酶水解屏障
3,和 PBPs 的亲和力一、青霉素类
C O O H
N
S C H 3
C H 3O
O C H 2 C O N H
N
S
C H 3
C H 3
C O O H
O
C H 2 O C H N
C O O H
N
H
S C H 3
C H 3
O
H 2 N H
青霉素 G 6-氨基青霉烷酸 青霉素 V（ Penicillin V）
3个手性碳原子，绝对构型为 3S,5R,6R
可供化学修饰的部位
N
SN H
O
C O O H
C H
3
C H
3
H
RCO
6β氨基,6α位及 3位羧基
6β氨基为最主要修饰部位 6α位引入甲氧基、甲酰胺，增加 β-内酰胺环空间位阻，不易为酶所水解，耐酶抗生素。
3位羧基根据前药原理将其酯化以克服羧基亲水性强、
口服吸收差的不足，提高口服吸收和生物利用度。
构效关系
1、酰基 α 位连接吸电子基团－耐酸
N
H
S C H 3
C H 3
O
H
NC
O
R
H N
H
S C H 3
C H 3
O
N
CRH +
H H
C O O H C O O H
HCN
3
HC
N 3
阿度西林（ Azidocillin）
2、引入空间位阻大的基团，可保护 β -内酰胺环免遭酶的水解
C O O H
N
S C H 3
C H 3O
NH CN
美西林（ Mecillinam）
C O O H
N
H
S C H 3
C H 3O
H
N
R 2
C
O
R 1
化合物编号药物名称 R1 R2
4 阿度西林 H
5 甲氧西林 H
6 萘夫西林 H
8 苯唑西林 H
9 三苯甲基青霉素 H
HCN
3OCH3
OCH3 OC2H5
N O CH3
C3
酰基 α 位引入亲水性极性基团
分子极性,细胞膜的通透性,易于透过 G-菌的细胞膜，成为广谱青霉素，
C O O H
N
H
S C H 3
C H 3
O
H
N
R 2
C
O
R 1
10 氨苄西林 H
11 羧苄西林 H
12 磺苄西林 H
CHNH2
CHCOOH
CHSO3H
杂环替代苯环抗 G-菌活性增强。
13 替卡西林 H
14 美洛西林 H
15 阿帕西林 H
16 哌拉西林 H
S
CHCOOH
N N C O N H
O
H 3 C O 2 S HCC
6 H 5N
N
H O
C O N H HC
C 6 H 5NNC
2 H 5 C O N H
O O
HC
C 6 H 5
C O O H
N
H
S C H 3
C H 3O
H
N
R 2
C
O
R 1
二、头孢菌素类（ Cephalosporins）
基本骨架头孢烯，四元的 β -内酰胺环和六元的氢化噻嗪环骈合而成。四元环骈六元环稠合体系,β -内酰胺环张力比青霉素类的小,3，
4位的双键可与环氮原子的未共用电子对共轭，
头孢菌素类比青霉素类相对稳定。
N
S
C O O H
C H 2 O C O C H 3
C H ( C H 2 ) 3 C O H N
O
H 3 N +
- O O C
1 9
H H
N
S
C O O H
C H 2 O C O C H 3
H 2 N
O
2 0
H H
头孢菌素的分类及特征药 物 抗 菌 谱 对?-内酰胺酶 稳定性肾毒性 临床用途第一代
~噻吩,~唑啉
~氨苄,~拉啶
G+菌 部分稳定 较大 耐药金葡菌感染第二代
~呋辛,~孟多 ~
克洛
G+菌,G-菌厌氧菌 稳定 低 G
-菌感染第三代
~噻腭,~他定
~曲松,~哌酮
G+菌,G-菌厌氧菌、绿脓杆菌 较高稳定 无尿路感染严重感染第四代
~吡腭,~匹罗 G
-杆菌 较高稳定 无 替代第三代用于 G-菌感染
1．可供化学修饰的部位
N
S
C O O H
C H 2 O C O C H 3O
R C O N H
H
1) 7β氨基上的酰基侧链，决定了头孢菌素类抗生素的抗菌活性、抗菌谱、酶稳定性，对药物在体内的吸收、分布、代谢等也有一定的影响。
2) 3位基团的改变，主要扩大抗菌谱及影响药物的吸收、分布、代谢，可提高抗菌活性。
3) 1位的硫原子，利用电子等排原理以氧原子、碳原子替代，可提高其化学稳定性，改变药物代谢等的特征，提高抗菌活性。
构效关系 （ 1） 7β 氨基上的酰基侧链
酰基 α 位引入基团的极性与抗绿脓杆菌活性成正比。
头孢孟多（ 23）、
第三代的头孢哌酮（ Cefoperazone,31）
头孢磺啶（ Cefsulodin,32），
头孢孟多 CHOH N
NN
N
C H 3
C H 2S
头孢哌酮 NNC 2 H 5 C O N H
O O
HCH O
N
NN
N
C H 3
C H 2S
头孢磺啶 CHSO
3
H 2 C N + C O N H 2
构效关系 （ 1） 7β 氨基上的酰基侧链
头孢呋辛（ 25）酰基 α 位顺式甲氧亚氨基增加了空间位阻，对 β -内酰胺酶稳定。而头孢替安（ 24）侧链中氨基噻唑可增强对革兰阴性菌细胞膜的渗透性，对革兰阴性菌抗菌活性强。
O CNOCH3
S
N CN O C H 3H 2N
S
N CN O C ( C H 3 ) 2 C O OH 2 N NH2C
头孢呋辛 － CH2OCONH2 1980
头孢噻肟 － CH2OCOCH3 1980
头孢他啶 1983
头孢替安 NSH 2 N C H 2 NNN N
C H 2 C H 2 N ( C H 3 ) 2
C H 2 S 1981
7β 氨基上的酰基侧链
2-(2-氨基噻唑 -4-基 )-(Z)-2-甲基亚胺基乙酰基侧链（氨噻肟侧链）综合了头孢呋辛、头孢替安侧链的优点，在提高对 β -内酰胺酶的稳定性、增强抗革兰阴性菌活性的同时，氨噻肟侧链的导入还增加了药物对 PBPs的亲和力，成为研究开发第三和第四代头孢菌素时最常选用的酰基侧链。
S
N CN O C H
3
H 2 N
S
N
C
N O H
H 2 N
S
N
C
C H C H 2 C O O H
H 2 N S
N
C
C H C H 2 C H 3
H 2 N
构效关系 （ 2） 3位
头孢 3位的乙酰氧甲基，体内被非特异性酯酶代谢失活的位点。
3位被氢、甲基、乙烯基和卤素等取代改善药物的药物动力学特性，提高口服吸收率，原药型口服头孢菌素。
3位各种杂环的引入使极性、电性分布、亲脂性发生变化，抗菌谱扩大，抗菌活性增强，并具有良好的药物动力学特性。
3位引入带正电荷的具氮鎓离子结构的杂环，使分子结构中存在正负二种离子，对细菌细胞壁、细胞外膜具有极强的穿透力，与
β -内酰胺酶的亲和力很低，对多种 β -内酰胺酶高度稳定，抗菌谱更广，活性更强。第四代头孢菌素的特征第四代头孢菌素
N
S
C O O
R 2
R 1 C O H N
O
H H
S
N CN O C H 3H 2 N N+H2C
S
N CNOCH3H 2N NN
CH2CH2OH
H2C NH2
S
N CNOCH3H 2N N+H2CH3C
NS
N CNOCH3H2N NN NH2C
化合物编号 药物名称 R1 R2 上市年份
28 头孢匹罗 1992
29 头孢噻利 1998
38 头孢吡肟 1994
39 头孢唑兰 1995
邻苯二酚结构
邻苯二酚结构可与铁离子螯合，类似于细菌为摄入铁离子而分泌的铁离子螯合物（ siderophore-like
moieties）。引入邻苯二酚结构有可能使细菌错误识别，借助细菌的铁离子转运系统进入细菌体内，克服细菌因细胞膜通透性降低而产生的耐药性，对耐药菌有效。
C
O H
O H
O
OC C
C H 2
H
H
N
S
C O O H
C O N H
O
H HN
S
C
N O C ( C H 3 ) 2 C O O H
H 2 N
N
S
C O O H
C H 2 R
C O H N
O
H HN
S
C
N
H 2 N
O
H C C O O H
O H
O H
M - 1 4 6 5 9
B R L - 5 7 3 4 2
N
N
N
N
C O O HS
H 3 C
N N H C H 3S
4 0
4 2
R =
R =
构效关系 （ 3） 1位
用生物电子等排体 -O-,-CH2- 替代，分别称氧头孢菌素（ Oxacephalosporins）和碳头孢烯（ Carbacephems）
类。氟氧头孢（ Flomoxef,43）由于 1位氧原子的体积、
二面角比硫原子小，母环张力大，抗菌活性增强。
氯碳头孢（ Loracarbef,44） 1位为亚甲基，化学稳定性好，改善了药物动力学特性，提高了抗菌活性。氯碳头孢为口服头孢菌素，于 1992年上市 。
N
O
C O O H
C F 2 H S C H 2 C O H N
O
O C H 3
N
N N
NS
C H 2 C H 2 O H
N
C O O H
C l
O
C H
N H 2
C O N H
（ 4） 7α 位及 4位羧基
头孢菌素 7α 位及 4位羧基的化学修饰及构效关系与青霉素的 6α 位及 3位羧基基本相同。
天然的 7α -甲氧基头孢菌素称为头霉素类。
7α -甲氧基的引入提高了对 β -内酰胺酶的稳定性，半合成头霉素类抗生素对 β -内酰胺酶的稳定性较多数头孢菌素为强，
4位羧基是抗菌活性的必需基团，依据前药原理将其酯化后可改善口服吸收效果，成为口服头孢菌素，
GCLE的合成
N
S
C H
2
C O N H
O
C O O K
1,氧 化
2,酯 化
N
S
C H
2
C O N H
O
C O O C H
2
O
A r S O
2
N H
4 N
S
C H
2
C O N H
O
C O O C H
2
S O
2
A r
- e
N
S
C H
2
C O N H
O
C O O C H
2
S O
2
A r
C l
N
S
C H
2
C O N H
O
C O O C H
2
C l
N H
3
D M F
5 2 5 3
5 4 5 1
O C H
3
O C H
3
O C H
3
O C H
3
N
S
C O O H
C H 3
H 2 N
O
N
SC H 2 C O N H
O
C O O C H 2
C l
O C H 3
从 GCLE制备 3位含不同基团的头孢菌素
N
S
H N
O
C O O C H
2
C l
O C H
3
R C O
N
S
H N
O
S R
1
R C O
N
S
H N
O
N R
3
R C O
C O O H
C O O
N
S
N H
O
R C O
C O O H
R
2
G C L E
单环 β -内酰胺类
单环 β -内酰胺（ Monocyclic β -Lactam）是 β -
内酰胺类母核结构最简单、易于全合成的一类。
1976年从 Nocardia uniformis 的代谢产物中分离得到诺卡霉素（ Nocardicins）共有 A~G 7种成分，
以诺卡霉素 A抗菌活性最强。
H O 2 C O
N
O H
H 2 N
H
N
O N
O
O H
C O O H
单环菌素 （ Monobactams,
Monocyclic bacterially produced beta-
lactam antibiotics）
1980年 Takeda和 Squibb的研究人员，用 β -内酰胺超敏株，分别从细菌的代谢物中发现了一类新的单环 β -内酰胺抗生素，包括磺酰胺菌素（ sulfazecin）和异磺酰胺菌素（ isosulfazecin）
H O O C
N
H
C H 3
H
N
N H 2
N
S O 3 N aO
O
O
O C H 3
磺酰胺菌素 * D型 3-氨基单环菌素酸（ 3-AMA）
异磺酰胺菌素 * L型
H 2 N
N
S O 3 N aO
H
单环菌素类抗生素结构
C(CH3)2COOHCH2 OOH
化合物编号药物名称 R1 R2 R3 R4
59 氨曲南 － C(CH3)2COOH CH3 H － SO3H
60 卡芦莫南 － CH2COOH － CH2OCONH2 H － SO3H
62 替吉莫南 － CH2COOH CH3 CH3 － SO3H
63 肟莫南 CH3 CH3 H － OCH2COONa
64 格洛莫南 CH3 CH3 H － OCH2CO2CH2CO2C(CH3)3
C O N H
N
O R 4
R 2
R 3N
SH 2 N
C
N
O R 1
构效关系
（ 1） 3β 氨基上的酰基侧链与头孢菌素基本一致
（ 2） 3α 位天然的单环菌素常具有 3α 甲氧基及 3α
甲酰胺基,3α 位甲氧基或甲酰胺基取代虽可增强对 β -内酰胺酶的稳定性，但化学稳定性却下降
（ 3） 4位
4位引入烷基 1～ 4个碳原子甲基上的氢原子被电负性大的杂原子，如氟、氧原子等基团取代，
由于吸电子作用，可活化 β -内酰胺环，增强抗菌活性。
（ 4） 1位
除磺酰基外，活化 β -内酰胺环的基团有硫酸基－
OSO3H、羧甲氧基－ OCH2COOH、膦酰基,
甲膦酸基等 。
四唑基及磺酰胺甲酰基也能活化 β -内酰胺环,1位通过碳氮键连接四唑基及磺酰胺甲酰基的化合物，
P
O OCH
3
O
P
O
O C H 3O
N
O
H
N
F
N
N
N
N H
N
S
N
H 2 N
C O 2 H
O
O
N
O
H
N
N
S
N
H 2 N
O
O
C O 2 H
N
O
S
N
N
H N
H
N
O O
O
O
O H
O
四,青霉烯和碳青霉烯类
在自然界中尚未被发现，为全合成产物。
1975年 Woodward设计合成了青霉烯类化合物，
以青霉素 V为原料将头孢菌素结构中的双键引入到青霉素的母核中，增大 β -内酰胺环的反应性，提高抗菌活性。
因反应性太高，极不稳定，未能显示良好的生物活性。
N
S
C H 3
C O O H
O
O C H 2 C O N H
化学修饰与构效关系
3位的 S构型是必需的。可供化学修饰的部位有 3β 氨基、
3α 位,4位及 1位。
3β 氨基上的酰基侧链，决定了单环菌素类的抗菌活性及抗菌谱。
4位取代基的引入及 1位带负电荷的吸电子基团的改变对抗菌活性及 β -内酰胺酶稳定性有明显影响。
