Антибиотики пенициллинового ряда (Лекция 11)

Антибиотиками называют соединения, вырабатываемые и выделяемые микроорганизмами и обладающие способностью тормозить или полностью подавлять развитие других микроорганизмов. Такое явление наблюдал Флеминг в 1929 г. на плесневом грибке Penicillium notatum Westling, но только почти 10 лет спустя Флори оценил его практическое значение, и дальнейшие исследования привели к получению первого антибиотика – пенициллина.

Изучение химической структуры пенициллина проводилось одновременно английскими и американскими исследователями в период Второй мировой войны, окончательно структура подтверждена лишь в 1949 г (Crowfaot et al.).

Основным ядром молекулы антибиотика является бициклическая структура, состоящая из β-лактамного и тиазолидинового колец:

Все пенициллины представляют собой сложные соединения структурообразующим фрагментом которых является молекула 6-АПК. Между собой они различаются природой остатка R:

Пенициллин	R
I или F (2-пентенилпенициллин)
II или G (бензилпенициллин)
III или X (п-оксибензилпенициллин)
IV или K (н-гептилпенициллин)
дигидро-F (н-амилпенициллин)
V (феноксиметилпенициллин)

При обработке горячими разбавленными минеральными кислотами пенициллины расщепляются на D-β,β-диметилцистеин и нестойкие пенальдиновые кислоты. Пенальдиновые кислоты декарбоксилируются до пениллоальдегидов, которые после окисления гидролитически распадаются на глицин и карбоновые кислоты RCOOH:

Такое расщепление доказывает, что пенициллины являются вторичными метаболитами аминокислот смешанного типа.

Образование пенициллинов можно представить как результат конденсации D-β,β-диметилцистеина с N-ацильными производными серинальдегида в пенициллоиновые кислоты (тиоаминоацетали), которые затем ангидризуются в лактамы.

Пенициллоиновые кислоты в свою очередь можно получить из пенициллинов при обработке щелочью или ферментом пенициллиназой (гидролитическое расщепление β-лактамного кольца). Пенициллиназа (пенициллин-(β-лактамаза), вызывающий у бензилпенициллина гидролитическое расщепление (β-лактамного кольца с образованием биологически неактивной бензилпенициллоиновой кислоты:

Резистентность некоторых штаммов к пенициллину обусловлена именно способностью выделять этот фермент.

Синтез пенициллина V был осуществлен Шиханом и Генери-Логаном. Синтез заключался в конденсации D-пеницилламина с трет-бутиловым эфиром фталимидомалонового полуальдегида, образовавшееся на первой стадии соединение гидролизовано до амина и затем превращено в пенициллин V, как показано на схеме:

БИОСИНТЕЗ ПЕНИЦИЛЛИНА

В целом биосинтез пенициллина G (Бензилпенициллина) включает три основные стадии. Первая заключается в конденсации трех аминокислот L-α-аминоадипиновой кислоты, L-цистеина, L-валина с образованием трипептида известного как ACV. Перед конденсацией в трипептид L-валин претерпевает эпимеризацию и становится D-валином. Реакция образования трипептида и эпимеризации катализируется ферментом ACVS – ACV синтетазой.

Вторая стадия биосинтеза заключается в окислении ACV-трипептида в результате чего происходит циклизация и образуется изопенициллин N, реакция катализируется изопенициллин N синтетазой. Изопенициллин N промежуточный продукт и не обладает антибиотической активностью.

Заключительная стадия биосинтеза заключается в обмене боковой цепи (-аминоадипил) на фенилацетил, в результате чего изопенициллин N превращается в пенициллин G. Реакция катилизируется коэнзимом изопенициллин N ацетилтрансферазой (IAT).

ПУТИ БИОСИНТЕЗА МОЛЕКУЛЫ ПЕНИЦИЛЛИНА

Направленный биосинтез того или иного типа пенициллина обеспечивается добавлением к среде для культивирования P. chrysogenum фенилуксусной кислоты или ее производных, а также других соединений – предшественников молекулы пенициллина. Следовательно, эти соединения, включающиеся в боковую цепь молекулы пенициллина, определяют направленность биосинтеза антибиотика. Установлены пути биосинтеза основной бициклической структуры пенициллина – 6-аминопенициллановой кислоты и всей молекулы антибиотика.

Молекула пенициллина образуется из L-цистеина, L-валина и неполярных карбоновых кислот – предшественников бокового радикала молекулы пенициллина. Кроме указанных соединений обязательным компонентом биосинтеза пенициллина является L--аминоадипиновая кислота (L--AAK), которая образуется из кетоглутарата и ацетил-КоА при участии фермента гомоцитрат-синтетазы по следующей схеме:

Однако в первой фазе развития P. chrysogenum на этой стадии биосинтеза может происходить ингибирование фермента гомоцитрат-синтетазы конечным продуктом метаболизма лизином:

Первым этапом биосинтеза молекулы пенициллина следует считать образование трипептида: L--аминоадипил-L-цистеинил-D-валина (ACV). В начале процесса образуется дипептид (L--аминоадипил-L-цистеин), который затем, взаимодействуя с L-валином, образует трипептид. ACV-трипептид превращается в изопенициллин N через моноциклический β-лактам:

Этот трипептид рассматривается в качестве основного промежуточного соединения в процессе биосинтеза β-лактама молекулы антибиотика.

β-Лактам образуется в результате замыкания кольца между С₃-цистеином и NH-группой валина. Этот процесс – первая стадия циклизации ACV-трипептида в первичный антибиотик – изопенициллин N.

Первоначально возникновение основного ядра молекулы пенициллина – 6-аминопенициллановой кислоты (6-АПК) – было показано при культивировании гриба в среде, не содержащей предшественника, а затем 6-АПК выделили из культуральной жидкости продуцента пенициллина и определили ее строение.

Позднее многие исследователи искали у P. chrysogenum фермент, превращающий молекулу 6-АПК в пенициллин, т.е. осуществляющий ее ацилирование. В результате в 1968 г. появилось сообщение о том, что в мицелии гриба найден фермент пе-нициллинацилтрансфераза, способный переносить ацильную группу разных пенициллинов на 6-АПК. Образование фермента совпадает с периодом активного биосинтеза пенициллина, следовательно, фермент непосредственно участвует в этом процессе.

Таким образом, можно утверждать, что изопенициллин N и 6-АПК и есть непосредственные предшественники процесса образования пенициллина.

На основе данных о механизме биосинтеза молекулы пенициллина весь процесс можно представить схемой:

ПОЛУСИНТЕТИЧЕСКИЕ АНТИБИОТИКИ ПЕНИЦИЛЛИНОВОГО РЯДА

Наиболее широко в медицинской практике применяются полусинтетические пенициллины, полученные на основе 6-амино-пенициллановой кислоты. Из общего количества природного пенициллина, выпускаемого промышленностью (около 17 тыс. т), примерно 35% используется непосредственно в медицинской практике, а около 65% идет на получение 6-аминопенициллановой кислоты.

6-АПК в настоящее время получают гидролизом пенициллина G при помощи иммобилизованного фермента пенициллинамидазы. Ферментативный метод гидролиза по сравнению с кислотным имеет ряд преимуществ: более высокий выход и чистоту целевого продукта.

Далее для получения производных 6-аминопенициллановую кислоту подвергают химическому ацилированию и получают соответствующие аналоги пенициллина, обладающие иными свойствами, чем природные пенициллины. В результате поиска удалось получить около 50 тыс. полусинтетических пенициллинов, из них около 35 антибиотиков применяются в клинической практике. Наиболее ценными с практической точки зрения полусинтетическими препаратами пенициллина следует считать амоксициллин, ампициллин, диклоксациллин, метициллин, нафциллин, оксациллин:

Название пенициллина	Строение радикала (R)
Амоксициллин
Ампициллин
Диклоксациллин
Метициллин
Нафциллин
Оксациллин

СИНТЕЗ АМПИЦИЛЛИНА

Ампициллин (синонимы: пенбритин, бинотал, BRL1341) относят к пенициллинам широкого спектра действия. Препарат активен в отношении грамположительных и грамотрицательных микробов и применяется при лечении больных пневмонией, абсцессом легких, перитонитом, холециститом, пиолонефритом, сепсисом и другими инфекциями, вызванными чувствительными к нему микроорганизмами. Он кислотостоек, но легко расщепляется пенициллиназой. Эпимер ампициллина, приготовленный из L(+)--аминофенилуксусной кислоты, в 2-4 раза менее активен, чем ампициллин.

Синтез ампициллина оказался довольно сложным, однако интерес к нему настолько велик, что вскоре было разработано несколько способов его получения.

Впервые ампициллин получен конденсацией смешанного ангидрида -карбобензокси-аминофенилуксусной кислоты с 6-АПК.

при этом образуется -(карбобензоксиамино)-бензилпенициллин. Карбобензоксигруппу удаляли гидрированием в присутствии палладиевого или платинового катализатора. Этот способ не нашел применения ввиду быстрого отравления катализатора.

Известен также синтез ампициллина из хлорангидрида -азидофенилуксусной кислоты и 6-АПК:

с последующим гидрированием -азидобензилпенициллина в присутствии палладия на угле.

Из 4-фенилоксазолидин-2,5-диона:

Из 4-фенилтиазолидин-2,5-диона и 6-АПК

Кроме того, описан синтез из хлоргидрата тиофенилового эфира -аминофенил-уксусной кислоты:

Из хлоргидрата хлорангидрида -аминофенилуксусной кислоты:

Особый практический интерес представляет синтез ампициллина по схеме:

Защита с аминогруппы снимается гидролизом разбавленными кислотами.