Цефалоспорины (Лекция 12)

Цефалоспорины – антибиотики, образуемые грибами из рода Cephalosporium. Основной продуцент этих антибиотиков – гриб С. acremonium, позднее переименованный в Acremonium chrysogenum, был выделен в 1945 г. Впервые сообщение о цефалоспорине было сделано в 1948 г. Джузеппе Бротцу. В культуральной жидкости гриба он обнаружил три варианта цефалоспорина: Р, N и С. Цефалоспорин С – главный антибиотик, на основе которого впоследствии были созданы многочисленные полусинтетические препараты с весьма ценными свойствами.

По биологическим свойствам эти антибиотики несколько отличаются от пенициллина. Цефалоспорины подавляют развитие грамположительных и грамотрицательных бактерий, но антибиотическая активность их гораздо ниже, чем у пенициллина.

По химическому строению антибиотики принадлежат к группе (β-лактамных соединений, близких к пенициллинам, в биосинтезе основного (цефемового) ядра которых участвуют две аминокислоты: L-цистеин и L-валин.

БИОСИНТЕЗ

При развитии гриба как на синтетической, так и на натуральной среде неопределенного состава образуются три формы антибиотика: цефалоспорин С, цефалоспорин N (пенициллин N) и цефалоспорин Р.

При добавлении к синтетической среде D-L-метионина или D-L-норлейцина не позднее чем через 24 ч после начала развития гриба, т.е. в период максимального роста организма, а не в период биосинтеза антибиотика, наблюдается максимальное образование цефалоспорина С. Исключение из среды указанных аминокислот снижает биосинтез антибиотика. Лизин подавляет выработку цефалоспорина, тогда как близкие к нему -N-ацетил-L-лизин и -амино-н-капроновая кислота стимулируют биосинтез антибиотика. Одновременное добавление к среде D-L-метионина (0,3%) и L-лизина (0,2%) повышает выход цефалоспорина С на 40%.

По-видимому, основная роль метионина состоит в том, что аминокислота является источником серы для биосинтеза молекулы антибиотика.

Лучшими источниками углерода для биосинтеза оказались крахмал и декстрины.

МЕХАНИЗМ БИОСИНТЕЗА ЦЕФАЛОСПОРИНА

В процессе развития A. chrysogenum наряду с цефалоспорином С продуцируется пенициллин N, причем биосинтез последнего идет тем же путем, что и образование изопенициллина N в процессе биосинтеза бензилпенициллина. Следовательно, первичные стадии биосинтеза пенициллина и цефалоспорина идентичны.

Сравнивая схемы биосинтеза цефалоспорина и пенициллина, было установлено, что пути образования молекул антибиотиков до стадии биосинтеза изопенициллина N одинаковы. И лишь после его появления пути биосинтеза молекул цефалоспорина и пенициллина расходятся.

Пенициллин N способен превращаться в цефалоспорин. При этом первым продуктом реакции является дезацетоксицефалоспорин. Далее продуцент цефалоспорина образует фермент, гидроксилирующий дезацетоксицефалоспорин в деацетилцефалоспорин который в результате ацетилирования ферментом ацетил-Ко-трансферазой превращается в цефалоспорин С.

ПОЛУСИНТЕТИЧЕСКИЕ АНАЛОГИ ЦЕФАЛОСПОРИНА

Методом смешанного (биологического и химического) синтеза получено большое число (более 30 тыс.) аналогов цефалоспорина с весьма разнообразными спектрами биологического действия. Многие из этих соединений имеют важное практическое (клиническое) значение.

В результате химической модификации основного ядра цефалоспорина – 7-аминоцефалоспорановой кислоты

удалось получить ценные лечебные препараты.

7-Аминоцефалоспорановую кислоту легко получают в результате отщепления остатка аминоадипиновой кислоты от молекулы цефалоспорина С под действием фермента ацилазы или химическим путем.

Модификация основного ядра цефалоспорина может происходить с двух сторон молекулы. Химическим или биокаталитическим (под действием фермента эстеразы) путем можно отщепить правую ацетокси-группировку (-ООС-СН₃) 7-аминоцефалоспорановой кислоты с образованием 7-аминодезацетоксицефалоспорановой кислоты

На основе 7-аминоцефалоспорановой и 7-аминодезацетокси-цефалоспорановой кислот удалось получить большое число полусинтетических антибиотиков, широко применяющихся в медицинской практике.

Первые полусинтетические цефалоспорины (цефалоридин и цефалотин) были синтезированы в 60-х гг. Позднее были получены полусинтетические цефамицины (цефотетан, цефокситин и др.). К настоящему времени полусинтетических цефалоспоринов насчитывается уже более 30 тыс., из них около 100 внедрены в медицинскую практику. Эти препараты имеют различную антимикробную активность, отличаются стабильностью к действию β-лактамаз и эффективностью при лечении тех или иных заболеваний. В зависимости от названных свойств и времени их получения цефалоспорины подразделяют на четыре поколения.

В табл. приведено строение наиболее ценных полусинтетических цефалоспоринов, полученных на основе 7-аминоцефалоспорановой и 7-аминодезацетоксицефалоспорановой кислот

Полусинтетические антибиотики цефалоспоринового ряда.

Цефалотин – (6R-транс)-3-[(ацетилокси)метил]-8-оксо-7-[(2-тиенилацетил)амино]-5-тиа-1-азабицикло[4.2.0]окт-2-ен-2-карбоновая кислота.

Получают прямым взаимодействим хлорангидрида 2-тиенилксусной кислоты с 7-аминоцефалоспорановой кислотой в присутствии бикарбоната натрия.

Цефапирин – (6R-транс)-3-[(ацетилокси)метил]-8-оксо-7-[[(4-пиридинилтио)ацетил] амино]-5-тиа-1-азабицикло[4.2.0]окт-2-ен-2-карбоновая кислота.

Получают ацилированием 7-аминоцефалоспорановой кислоты хлорангидридом 4-пиридилтиоуксусной кислоты. Последний получают последовательным взаимодействием 4-хлорпиридина с меркаптоуксусной кислотой в присутствии щелочи. Далее полученную кислоту переводят в хлорангидрид взаимодействием с пятихлористым фосфором.

Альтернативным способом получения цефапирина является ацилирование 7-амино-цефалоспорановой кислоты бромангидридом бромуксусной кислоты с получением бромацетильного производного, который далее вводят во взаимодействие с 4-меркаптопиридином в присутствии триэтиламина с получением целевого цефапирина.

Цефазолин – (6R-транс)-3[[(-5метил-1,3,4-тиадиазол-2-ил)тио]метил]-8-оксо-7-[(1H-тетразол-1-илацетил)амино]-5-тиа-1-азабицикло[4.2.0]-окт-2-ен-2-карбоновая кислота.

Получают взаимодействием 7-аминоцефалоспорановой кислоты со смешанным ангидридом который получают взаимодействием тетразолилуксусной кислоты с пивалиновой (триметилуксусной) кислотой. Далее проводят взаимодействие с 2-меркапто-5-метил-1,3,4-тиадиазолом в результате чего происходит замещение 3-ацетоксильной группы на меркаптотиадиазольную с получением цефазолина. Существенным структурным отличием данного препарата от рассмотренных ранее цефалоспоринов I поколения является замена 3-ацетоксиметильной группы на 1,3,4-тиадиазол-2-илтиометильную.

Цефуроксим – карбамат (Z)-моно(О-метилоксима) (6R,7R)-7-[2-(2-фурил)глиоксил-амидо]-3-(гидроксиметил)-8-оксо-5-тиа-1-азабицикло[4.2.0]окт-2-ен-2-карбоновой кислоты.

Получают исходя из 2-ацетилфурана Окислением последнего азотистой кислотой получают 2-фурилглиоксалевую кислоту, взаимодействием которой с О-метилгидроксиламином получают соответствующий оксим. Далее взаимодействием с хлорангидридом щавелевой кислоты в диметилформамиде ее трансформируют в смешанный ангидрид и вводят во взаимодействие с бензгидриловым эфиром 7-аминоцефалоспорановой кислоты. Полученный продукт подвергают ферментативному гидролизу в щелочной среде, при котором не затрагивается бензгидрильиая защита, а гидролизуется лишь уксуснокислая часть молекулы в положении С₃ фрагмента аминоцефалоспорановой кислоты. Образовавшийся продукт со свободной гидроксиметильной группой подвергают действию хлорсульфоизоцианата с промежуточным получением соответствующего N-хлорсульфонил-уретана, который гидролизуется водой до уретана. Наконец, снятием бензгидрильной зашиты трифторуксусной кислотой получают искомый цефуроксим.

Другим, кажущимся несколько более простым, способом получения цефуроксима является прямое ацилирование 7-амино-3-аминокарбонилоксиметил-3-цефем-4-карбоновой кислоты хлорангидридом син-2-метоксимино-2-(2-фурил)уксусной кислоты, получаемым взаимодействием соответствующей кислоты с пятихлористым фосфором.

Цефотаксим – α-О-метилоксим ацетата (6R,7R)-7-[2-(2-амино-4-тиазолил)глиоксил-амидо]-3-(гидроксиметил)-8-оксо-5-тиа-1-азабицикло[4.2.0]окт-2-ен-2-карбоновой кислоты.

Получают ацилированием 7-аминоцефалоспорановой кислоты в присутствии дициклогексилкабодиимида 2-(2-амино-4-тиазолил)-2-метоксиминоуксусной кислотой, защищенной по аминогруппе тритильной защитой. После снятия тритильной зашиты с образовавшегося продукта действием разбавленной муравьиной кислоты получают целевой цефотаксим.

Необходимый для данного синтеза, а также для синтеза ряда других антибиотиков цефалоспоринового ряда этиловый эфир 2-(2-амино-4-тиазолил)-2-метоксиминоуксусной кислоты получают исходя и ацетоуксусного эфира.

Нитрозированием эфира азотистой кислотой получают изонитрозоацетоуксусный эфир, метилированием гидроксильной группы которого диметилсульфатом в присутствии поташа получают этиловый эфир 2-ацетил-2-метоксиминоуксусной кислоты. Бромируя полученный метиловый эфир оксима молекулярным бромом в хлористом метилене в присутствии п-толуолсульфокислоты получают 4-бром-2-метоксиминоацетоуксусный эфир. Взаимодействием последнего с тиомочевиной по классической схеме получения тиазолов из -бром-карбонильных соединений и тиоамидов получают этиловый эфир 2-(2-амино-4-тиазолил)-2-метоксиминоуксусной кислоты. Взаимодействием последнего с трифенилхлорметаном в присутствии триэтиламина ставят тритильную защиту аминогруппы с получением этилового эфира 2-(2-тритиламино-4-тиазолил)-2-метоксиминоуксусной кислоты, который гидролизуют в кислоту с помощью гидроксида натрия. Полученную кислоту, как уже было отмечено, используют для синтеза ряда антибиотиков цефалоспоринового ряда.

Лекция 13 (Вторичные метаболиты триптофана)

Вторичные метаболиты гетероциклической аминокислоты – триптофана. Биохимические превращения триптофана. Химические синтезы вторичных метаболитов триптофана: серотонина, мексамина, мелатонина. Синтетические лекарственные средства – аналоги триптаминов и триптаминовых алкалоидов.

Биосинтез триптофана нами рассматривался ранее. Его катаболизм (процесс метаболического распада) в тканях животных может быть изображен схемой:

Один ряд реакций (начинающийся со стадии а) осуществляется бактериями кишечника. Индол, получающийся путем β-элиминирования, гидроксилируется и превращается в индоксил. Последний, частично поступает в кровь и экскретируется с мочой в виде индоксилсульфата.

В клетках животных основной катаболический путь триптофана начинается с действия триптофан-2,3-диоксигеназы (стадия б).

Гидролитическое удаление формиата из продукта действия триптофандиоксигеназы приводит к образованию кинуренина – соединения, на которое могут действовать несколько ферментов. Кинурениназа расщепляет его на антранилат и аланин, а переаминирование приводит к образованию циклической кинуреновой кислоты. Последняя в результате необычной реакции отщепления гидроксила превращается в хинальдиновую кислоту, один из главных продуктов, экскретируемых с мочой.

Другой существенный путь метаболизма кинуренина состоит в его гидроксилировании с превращением в 3-оксикинуренин (стадия в), который может подвергаться переаминированию с образованием циклической ксантуреновой кислоты или же расщеплению кинурениназой с образованием 3-оксиантранилата. В последнем под действием диоксигеназы происходит размыкание цикла с последующим распадом до глутарил-СоА.

У животных функционирует и другой путь, имеющий существенное значение для питания. Альдегид, образующийся в реакции дециклизации, может вновь замкнуться (стадия г) в пиридиновое ядро хинолиновой кислоты. Последняя в ходе реакции, сопровождающейся декарбоксилированием, соединяется с фосфорибозильной группой молекулы PRPP(5'-фосфорибозил-1'-пирофосфата), образуя мононуклеотид никотиновой кислоты. Аденилилирование дает дезамино-NAD, который превращается в NAD путем аминирования карбоксильной группы за счет глутамина.

Как показано в схеме, для формирования NAD может быть использована и свободная никотиновая кислота.

У растений, по-видимому, существует другой путь синтеза хинолината – из аспартата и триозофосфата, – который служит основным способом природного синтеза никотиновой кислоты.

Триптофан служит предшественником множества алкалоидов и других метаболитов. Некоторые из них приведены на схеме:

Алкалоид гармин, обнаруженный в растениях некоторых семейств, может образовываться из триптофана и ацетальдегида (или пирувата) тем же путем, какой показан для образования папаверина.

Гидроксилирование триптофана приводит к 5-окситриптофану, который путем декарбоксилирования превращается в серотонин, важный нейромедиатор. Серотонин встречается как у растений, так и у животных. Он может подвергаться ацетилированию и метилированию в мелатонин – гормон эпифиза. Некоторые характерные растительные метаболиты получаются непосредственно из серотонина; в частности, таким путем в грибах Psilocybe aztecorum образуется псилоцибин – вещество, вызывающее галлюцинации. Важный гормон растений индолил-3-ацетат (ауксин) образуется путем окислительного декарбоксилирования α-кетокислоты, соответствующей триптофану. Промежуточным соединением может служить соответствующий альдегид. Продукт его восстановления индолил-3-этанол так же присутствует в растениях и является активным метаболитом.

Многие годы алкалоид грамин из ячменя рассматривали как биохимический курьез, поскольку в его молекуле атом азота отделен от индольного кольца только одним атомом углерода. Теперь его считают, продуктом распада триптофана, происходящего в результате PLP(пиридоксальфосфат)-зависимой реакции, сходной с реакцией, катализируемой серин-трансоксиметилазой. Другие алкалоиды образуются более традиционными путями. Конденсация изопентильной группы с индольным ядром триптамина лежит в основе образования лизергиновой кислоты.

Индольное кольцо триптофана можно отчетливо различить в структуре резерпина из Rauwolfia Serpentina;

это соединение представляет большой интерес для медицины, поскольку оно понижает кровяное давление, освобождая нервные ткани от избытка серотонина, дофамина и норадреналина. Резерпин содержит еще и бензольное кольцо, образующееся из триптофана в процессе, проходящем через расширение кольца.

Синтезы вторичных метаболитов триптофана

путем создания индольного ядра с боковой аминоалкильной цепью в ходе реакции

Для синтеза биологически активных производных индола по реакции Джеппа-Клингемана используют 2-алкилацетоуксусный эфир, содержащий функциональную группу в алкильном заместителе.

Кроме защищенной аминогруппы были использованы диметиламино-, карбэтокси-, цианогруппы и галоген производные.

Подобным образом был получен серотонин (20).

Описанный синтез 5-гидрокситриптамина пригоден для работы с относительно большими количествами и использует в качестве исходных соединений легко доступные исходные вещества.

Этил--ацетил--фталимидовалерат, получают с 96% выходом из 3-фталимидопропилбромида и ацетоуксусного эфира. Затем проводят конденсацию с п-бен­зилоксифенилдиазоний хлоридом в присутствии ацетата натрия; образующийся фенилгидразон (90%) циклизуется при насыщении кипящего этанольного раствора хлористым водородом, давая этил-5-бензилокси-3-(2’-фталимидоэтил)индол-2-карбоксилат с выходом 51-58%.

Щелочной гидролиз эфира дает 98% выход дикислоты, которая при 240-250, циклизуясь, повергалась сопутствующему декарбоксилированию и дегидратации, давая 5-бензилокси-3-(2’-фталимидоэтил)индол с выходом 84%.

5-Бензилокси-3-(2’-фталимидоэтил)индол был превращен в 5-бензилокситриптамин с выходом до 73% действием гидразин гидрата в кипящем этаноле. Восстановительное дебен­зилирование в присутствии палладия на угле дало 5-гидрокситриптамин.

Несмотря на легкую доступность исходных соединений и высокие выходы на отдельных стадиях метод имеет ограничения при синтезе триптаминов с некоторыми заместителями в бензольном кольце, например нитрогруппа. Более удобный и универсальный метод использует в качестве исходных соединений соответствующим образом замещенные гидразины и -фталимидомасляный альдегид:

В качестве циклизующего агента предлагается использовать кипящий раствор сульфосалициловой кислоты в уксусной кислоте. Применение этого реагента обеспечивает условия, при которых гидразон вступает в реакцию практически мгновенно, а выделяющееся тепло отводится за счет теплоты испарения растворителя. Это дает возможность регулировать интенсивность процесса скоростью прибавления гидразона и применять значительные загрузки последнего. При охлаждении фталимидотриптамины выделяются в довольно чистом состоянии. Декарбоксилирование при этом способе не требуется. Фта­лимидная защитная группа удаляется гидразинолизом в достаточно мягких условиях.

При получении исходных фенилгидразинов восстановлением диазониевых солей сульфитом натрия, стадия гидролиза дисульфокислоты может быть совмещена с образованием гидразона:

-Фталимидомасляный альдегид синтезируют из -аминомасляной кислоты путем фталилирования и превращения в хлорангидрид с последующим восстановлением по Розенмунду. Вместо альдегида можно использовать его ацеталь, например, диметиловый. Условия проведения реакции и выходы при этом не изменяются.

Синтетические лекарственные средства – аналоги триптаминов.

Суматриптан

Препарат разработан Glaxo Group в 1989 для лечения мигрени. Описанный в патенте (U.S. Patent 4,785,016) синтез протекает по схеме:

Лекция 14

Простагландины – низкомолекулярные биорегуляторы производные арахидоновой кислоты. Полный синтез простагландинов, как основа химического производства лекарственных средств.