содержание .. 1 2 ..

Лекции по фармацевтической химии - часть 1

Общая характеристика антибиотиков

Лекция

1. Антибиотики как лекарственные средства

Антибиотики как лекарственные средства являются одними из

представителей химиотерапевтических лекарственных средств.

Химиотерапия – лечение инфекционных заболеваний и злокаче-

ственных новообразований с помощью лекарственных средств, обла-
дающих специфическим этиотропным действием.

Химиотерапевтические средства действуют не на макроорганизм,

а на микроорганизм – возбудитель соответствующего заболевания (либо
на клетки злокачественных опухолей).

В зависимости от источника и способа получения химиотерапев-

тические лекарственные средства можно разделить на 2 группы:

антибиотики – вещества природного происхождения либо ве-

щества полученные путём модификации природных вещества;

синтетические химиотерапевтические средства (сульфанила-

миды, нитрофураны, хинолоны, нитроимидазолы и т.д.)

Антибиотики - вещества, синтезируемые микроорганизмами и

продукты модификации этих веществ, избирательно подавляющие рост
патогенных микроорганизмов, низших грибов, а также некоторых виру-
сов и клеток злокачественных новообразований.

В широком смысле слова антибиотиками называют низкомолеку-

лярные  эффекторы  изначально  природного  происхождения  (синтези-
руемые  не  только  микроорганизмами,  но  и  растениями,  животными),
способные  подавлять  рост  живых  клеток.  Антибиотики  растительного
происхождения называют фитонцидами.

Существуют различные гипотезы о физиологических функциях антибиоти-

ков, их месте в процессе метаболизма и эволюции. Некоторые исследователи счи-
тают антибиотики случайно возникшими соединениями, другие рассматривают их
как эффекторы дорибосомных систем матричного синтеза. В процессе эволюции ан-
тибиотики, по мнению данных исследователей, были вытеснены продуктами рибо-
сомального синтеза, но способность вмешиваться в биохимические процессы у них
сохранилась. Имеются сведения о присутствии фрагментов антибиотических моле-
кул в метеоритах.

Антибиотики являются одними из представителей вторичных ме-

таболитов  живых  клеток.  Первичными  метаболитами  называются  ве-
щества,  необходимые  для  роста  клетки  (аминокислоты,  моносахариды,
нуклеотиды,  витамины  и  т.д.).  Вторичные  метаболиты  представляют

собой низкомолекулярные соединения (антибиотики, алкалоиды, пиг-
менты и т.д.), образующиеся в клетках по завершении фазы роста. Ан-
тибиотики могут выполнять в продуцирующих их живых клетках сле-
дующие функции:

  средства нападения и защиты («химическое оружие» клетки);
  детоксикация вредных метаболитов;
  контроль некоторых реакций при обмене веществ;
  участие в процессе дифференцировки клеток;
  запасные питательные вещества.

Открытие антибиотиков является одним из важнейших достиже-

ний науки XX века. Антибиотики были одним из основных факторов,
приведших к демографическому взрыву на планете во второй половине
XX века.

Термин антибиоз ("анти" - против, "биос" - жизнь), как форма сосуществова-

ния микроорганизмов в природе, когда один организм убивает или подавляет разви-
тие "противника" был придуман ещё Л. Пастером. Термин «антибиотик» был пред-
ложен  З.Ваксманом  в 1942 году.  Первый  антибиотик – пенициллин – был  открыт
английским  учёным  А.  Флемингом.  Процесс  открытия  новых  антибиотических
структур продолжается и в настоящее время. Так, например, за 1946 – 1950 г.г. было
открыто  около 200 антибиотиков, 1965 – 1970 г.г. – 1000, 1980 – 1985 г.г. – 2000,
1995 – 2000 г.г. – 3000. Однако внедрение антибиотиков в практику падает. Если за
1945 – 1975 г.г.  практическое  значение  получили 1,6% обнаруженных  антибиоти-
ков, то в 1975 – 2000 – только 0,11%. В настоящее время известно около 12000 раз-
личных антибиотиков. Около 97% всех известных антибиотиков токсичны, в клини-
ке применяется лишь около 200 соединений.

9 10 11 12

Рис. 1.

Доли различных групп антимикробных химиотерапевтических средств в

ГФ X (незакраш) и BP 2001 (закраш)

1) пенициллины; 2) цефалоспорины; 3) другие беталактамиды; 4) аминоциклитолы;

5) макролиды; 6) тетрациклины; 7) амфениколы; 8) другие антибиотики; 9) хинолоны и

фторхинолоны; 10) сульфаниламиды; 11) нитрофураны; 12) другие синтетические АХТС

Общая характеристика антибиотиков

2. Классификация антибиотиков по химическому
строению, механизму и направленности действия

В зависимости от химического строения различают следующие

группы антибиотиков (табл. 1)

Таблица 1

Классификация антибиотиков по химической структуре

Группа

антибиотиков

Описание химической структуры и представители

1 2

Беталактамиды

Антибиотики, в молекуле которых присутствует

β-

лактамный цикл.

бициклические:

производные 6-аминопеницил-

лановой кислоты (пенициллины); производные 7-
аминоцефалоспорановой кислоты (цефалоспорины) и
др.;

моноциклические: монобактамы и др.;

Макролиды и
азалиды

Антибиотики, содержащие в молекуле лактонное кольцо,
в состав которого входят 14 – 16 атомов. У азалидов
(азитромицин) в цикле присутствует атом азота.

14-членные макролиды (эритромицин, олеандоми-

цин, кларитромицин, рокситромицин и др.)

15-членные азалиды (азитромицин);
16-членные макролиды (спирамицин и др.)

Аминогликозиды
(аминоциклитолы)

Антибиотики, в молекулах которых присутствует струк-
тура циклогексана с OH- и NH

- или гуанидино-

заместителями с гликозидными заместителями по одной
или нескольким OH-группам

производные D-стрептидина (стрептомицин);
производные 2-дезокси-D-стрептамина (канами-

цин, гентамицин, амикацин т.д.)

А.К. Лекции по фармацевтической химии

Окончание табл. 1

1 2

Тетрациклины

Антибиотики, в молекулах которых присутствует час-
тично гидрированное ядро тетрацена

тетрациклин, окситетрациклин, доксициклин и т.д.

Амфениколы

Практическое значение имеет хлорамфеникол (левоми-
цетин), который по химической структуре относится к
нитрофенилалкиламинам

NHCOCHCl

Антибиотики другой
структуры

линкозамиды (линкомицин, клиндамицин);
анзамицины (рифампицин) - антибиотики, содер-

жащие  в  молекулах  ароматическое  ядро  (как  правило,
нафталиновое),  к  которому  в  двух  положениях  присое-
динена  алифатическая  цепь,  состоящая  из 15 – 20 ато-
мов углерода

антрациклины (рубомицин, доксорубицин, карми-

номицин) – гликозиды, в которых агликоном является
замещённый тетрагидронафтаценхинон;

полиеновые антибиотики (нистатин, леворин) –

макролиды, молекулы которых содержат систему со-
пряжённых двойных связей;

гликопептиды (ванкомицин) и др.

В зависимости от типа действия различают следующие группы

антибиотиков:

бактерицидные – вызывающие гибель микроорганизмов (

β-

лактамные антибиотики, аминогликозиды);

бактериостатические – нарушающие способность микроорга-

низмов к делению (макролиды, аминогликозиды, тетрациклины)

У некоторых антибиотиков тип действия зависит от концентра-

ции. Так, аминогликозиды и левомицетин в малых дозах обладают бак-
териостатическим действием, в больших – бактерицидным.

Спектром действия антибиотика называют набор микроорганиз-

мов, на которые антибиотик способен оказывать влияние. В зависимо-
сти от спектра действия антибиотики могут быть:

влияющие преимущественно на грамположительные микроор-

ганизмы (бензилпенициллин, эритромицин);

Общая характеристика антибиотиков

влияющие преимущественно на грамотрицательные микроор-

ганизмы (уреидопенициллины, монобактамы);

широкого спектра действия (тетрациклины, аминогликозиды)
противотуберкулёзные антибиотики (стрептомицин, рифампи-

цин);

  противогрибковые антибиотики (нистатин, грамицидин);
  антибиотики, влияющие на простейших (трихомицин);
  противоопухолевые антибиотики (адриамицин, оливомицин)

В зависимости от механизма действия выделяют группы анти-

биотиков, вызывающие:

нарушение биосинтеза пептидогликанов клеточной стенки бак-

терий (

β-лактамные антибиотики, ванкомицин);

повреждение клеточной мембраны (грамицидин);
нарушение биосинтеза нуклеиновых кислот (противоопухоле-

вые антибиотики);

нарушение отдельных процессов трансляции (аминогликозиды,

тетрациклины, макролиды, хлорамфеникол);

нарушение энергетического обмена (олигомицин).

3. Способы получения антибиотиков

Различают три возможных способа получения антибиотиков: био-

синтез; химическая или биотехнологическая модификация природных
антибиотиков и химический синтез.

Большинство антибиотиков обладает сложной химической струк-

турой, поэтому их полный химический синтез очень трудоёмок и эко-
номически невыгоден. Исключение составляют хлорамфеникол и неко-
торые другие вещества, имеющие относительно простое химическое
строение.

Основным путём получения большинства антибиотиков является

биотехнологический способ. Антибиотики продуцируются плесневыми
грибами, актиномицетами, эубактериями и другими микроорганизмами
(табл. 2).

Таблица 2

Продуценты некоторых антибиотиков

Антибиотик

Продуцент

Пенициллин

Penicillium chrysogenum, P. notatum

Цефалоспорин

Cephalosporum acremonium

Стрептомицин

Streptomyces globisporus streptomycini

Эритромицин

S. erythreus

Тетрациклин

S. aureofaciens, S. rimosus

А.К. Лекции по фармацевтической химии

Один и тот же вид микроорганизмов может синтезировать не-

сколько антибиотиков. Например, Streptomyces griseus синтезирует бо-
лее 50 антибиотиков.

Существует несколько вариантов биотехнологического получения

природных и полусинтетических антибиотиков.

1. Прямая ферментация микроорганизма-продуцента с веще-

ством,  являющимся  метаболическим  предшественником  получае-
мого  антибиотика  и  стимулирующим  процесс  его  биосинтеза.  На-
пример,  биосинтез  бензилпенициллина  ведут  в  присутствии  фенилук-
сусной  кислоты,  макролидов – в  присутствии  пропионовой  кислоты  и
пропилового спирта.

2. Использование для биосинтеза антибиотиков микроорга-

низмов-мутантов,  у  которых  блокированы  определённые  фермен-
ты, участвующие в синтезе антибиотика. Если в среду, содержащую
такой  микроорганизм  ввести  аналог  предшественника  антибиотика,  то
при  этом  можно  получить  модифицированный  антибиотик.  Мутацион-
ный биосинтез используется, например, для получения полусинтетиче-
ских пенициллинов и цефалоспоринов.

Большинство антибиотиков получают при глубинной аэробной

ферментации периодического действия в асептических условиях.

Процесс биосинтеза антибиотиков состоит из двух этапов (рис.

1. Накопление достаточного количества биомассы, которая

выращивается на среде для роста микроорганизмов. Данный этап
должен протекать быстро, а питательная среда должна быть дешёвой.

2. Активный синтез антибиотика. На данном этапе фермента-

цию  ведут  на  продуктивной  среде.  Так  как  антибиотики  являются
вторичными  метаболитами,  их  биосинтез  происходит  не  в  фазе  роста
клетки,  а  в  стационарной  фазе  (идиофазе).  Любые  механизмы,  тормо-
зящие  пролиферацию  и  активный  рост,  активируют  процесс
образования антибиотиков.

ферментер для
роста культуры

биореактор

выделение и очистка

антибиотика

накопление

биомассы

активный

биосинтез

Рис. 2. Принципиальная схема биосинтеза антибиотиков

Общая характеристика антибиотиков

Завершающими этапами получения антибиотиков являются ста-

дии  выделения  и  очистки.  Данные  процессы  определяются  природой
антибиотика,  характером  производства  и  целями  дальнейшего  исполь-
зования  антибиотиков.  Для  выделения  и  очистки  антибиотиков  приме-
няют следующие методы:

  экстракция органическими растворителями;
  сорбция;
  осаждение и перекристаллизация из различных сред;
  ионообменная хроматография и др.

Выделенные и очищенные антибиотики подвергают лиофильной и

распылительной сушке.

4. Особенности стандартизации антибиотиков

Для оценки качества антибиотиков применяют:

хроматографические методы (ВЭЖХ, ТСХ);
спектроскопические

методы

(ИК-спектроскопия,

УФ-

спектроскопия);

биологические методы;
химические методы (идентификация с помощью химических

реакций, количественное определение титриметрическими методами и
т.д.).

Важнейшим методом анализа, который используется как для

идентификации,  так  и  контроля  чистоты  и  количественного  определе-
ния  антибиотиков  является  ВЭЖХ.  Обычно  используется  обращённо-
фазовый вариант ВЭЖХ со спектрофотометрическим детектированием.
Для идентификации антибиотиков также используется  ТСХ и  спектро-
скопические методы (ИК- и УФ-спектроскопия), а для количественного
определения – УФ-спектроскопия.

Количественное определение некоторых антибиотиков, для кото-

рых  ВЭЖХ-определение  затруднено,  проводят  микробиологическим
методом. Примером таких антибиотиков являются аминогликозиды (ка-
намицин,  гентамицин  и  т.д.).  Данные  вещества  не  поглощают
электромагнитное  излучение  ближнего  УФ-диапазона  и  поэтому  не
могут  быть  непосредственно  (т.е.  без  дополнительного  превращения  в
другие

соединения)

определены

методом

ВЭЖХ

со

спектрофотометрическим детектированием.

Микробиологический метод количественного определения анти-

биотиков основан на способности антибиотиков угнетать рост микроор-
ганизмов. Активность исследуемого антибиотика оценивают путём
сравнения угнетение роста чувствительных микроорганизмов, вызван-

А.К. Лекции по фармацевтической химии

ного известными концентрациями исследуемого антибиотика и госу-
дарственного стандартного образца данного антибиотика.

Существует две разновидности микробиологического определения

активности антибиотиков:

метод диффузии в агар;
турбидиметрический метод.

Метод диффузии проводят на твёрдых средах. Среды засевают

определённым количеством указанных в НД тест-микроорганизмов. Да-
лее на поверхность среды наносится раствор исследуемого антибиотика
и стандартного образца. После инкубирования в течение определённого
времени измеряют диаметр зон угнетения роста тест-микроорганизмов,
вызванного исследуемым антибиотиком и ГСО

Определение активности антибиотиков турбидиметрическим ме-

тодом проводится аналогично, но в жидкой среде, находящейся в про-
бирке. О степени угнетении роста микроорганизма судят по величине
мутности среды.

Многие антибиотики являются смесями веществ, поэтому для ха-

рактеристики  количественного  содержания  действующего  вещества  в
образце  антибиотика,  кроме  обычных  параметров  (масса,  массовая  до-
ля) используют единицы действия (ЕД). Такой подход был особенно ак-
туален в период до начала широкого использования ВЭЖХ для количе-
ственного  определения  антибиотиков.  Единицей  действия  называется
минимальная  масса  антибиотика,  которая  подавляет  развитие  тест-
микроорганизма в определённом объёме питательной среды. Обычно 1
ЕД соответствует 1 мкг чистого антибиотика (стрептомицин, тетрацик-
лин), хотя бывают и исключения, например, 1 ЕД натриевой соли бен-
зилпенициллина соответствует 0,5958 мкг данного вещества.

ЛИТЕРАТУРА

1. Егоров Н.С. Основы учения об антибиотиках. – М.: Высшая школа, 1986.
2. Егорова Т.А., Клунова С.М., Живухина Е.А. Основы биотехнологии. – М.: Акаде-

мия, 2003.

3. Никитин А.В. Антибиотики и макроорганизм // Антибиотики и химиотерапия. –

1999. – Т. 44, № 12. – С. 31 – 36.

4. Ныс П.С., Бартошевич Ю.Э. Основы разработки биокаталитических процессов

трансформации и синтеза беталактамных антибиотиков // Антибиотики и химиотерапия. –
1999. – Т. 44, № 12. – С. 19 – 36.

5. Сидоренко С.В. Происхождение, эволюция и клиническое значение антибиоти-

корезистентности // Антибиотики и химиотерапия. – 1999. – Т. 44, № 12. – С. 19 – 36.

6. Чарушин В.Н. Химия в борьбе с инфекционными заболеваниями // Соросовский

образовательный журнал. – 2000. – Т. 6, № 3. – С. 64 – 72.

7. Marzo A., Dal Bo L. Chromatography as an analyrical tool for selected antibiotic

classes: a reappraisal addressed to pharmacokinetic application // J. Chromatogr. A. – 1998. – Vol.
812. – P. 17 – 34.

содержание .. 1 2 ..