β-内酰胺酶及其抑制剂研究进展

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图3　　碳青霉烯类β-内酰胺酶抑制剂的作用机制
图4　　舒巴坦的作用机制
　　1987年报道了6-杂环亚甲基青霉烷砜的合成,它
们对产生β-内酰胺酶的革兰氏阴性菌和阳性菌有很强
文章编号: 1001-8751(2001)02-0049-08
β-内酰胺酶及其抑制剂研究进展
郑卫　　综述
(福建省微生物研究所,　福州350007)
　　摘要:　细菌产生的耐药性已经对β-内酰胺类抗生素构成严重威胁。β-内酰胺酶作用下的水解开环是造成这
类抗生素失活的主要原因。因此,开发β-内酰胺酶抑制剂是解决细菌对这类药物耐药性的关键所在。本文介绍了各
种β-内酰胺酶,包括金属β-内酰胺酶的分类、丝氨酸β-内酰胺酶抑制剂(氧青霉烷、青霉烷、碳青霉烯、青霉烯和单
环β-内酰胺类)以及金属β-内酰胺酶抑制剂的研究进展及其作用机制。
关键词:　β-内酰胺酶;　抑制剂;　作用机制
中图分类号:　Q556+. 4;　R977. 3　　　文献标识码:　A
收稿日期: 2000-01-13
作者简介:郑卫,男,生于1957年,博士,副研究员,主要从事微生物药物的分离纯化和化学结构改造工作。
　　青霉素和头孢菌素等β-内酰胺类抗生素的发现和
使用为本世纪人类抵抗细菌感染作出了巨大贡献。但
是,随着这些抗生素的广泛、大量使用,细菌对它们产
生了耐药性。其耐药机制涉及以下3个途径: (1)改变
参与细菌细胞壁合成的蛋白酶的分子结构,从而降低
它们与β-内酰胺类抗生素的亲和性; (2)改变细胞膜和
细胞壁的结构,使药物难以进入细胞体内; (3)产生β-
内酰胺酶使β-内酰胺类抗生素开环失活,这是细菌对
β-内酰胺类抗生素产生耐药性的主要原因。本文主要
对近几年来关于β-内酰胺酶的分类以及β-内酰胺酶抑
制剂的作用机制和研究进展作一介绍。
1　β-内酰胺酶
有证据表明β-内酰胺酶在β-内酰胺类抗生素使用
以前就已存在,对β-内酰胺酶和参与细菌细胞壁肽聚
糖代谢的D-丙氨酰-D-丙氨酸肽酶进行X射线晶体学
等研究后发现,虽然这两种酶的催化特性和总的氨基
酸顺序不同,但它们的三维空间结构十分相似,在丝氨
酸活性位点附近的氨基酸顺序也基本相同。这为β-内
酰胺酶来源于对青霉素敏感的D-丙氨酰-D-丙氨酸肽
酶的假设提供了有力的证据,它们应同属于庞大的以
丝氨酸为亲核试剂的酶家族。
β-内酰胺类抗生素的广泛使用刺激了细菌产生β-
内酰胺酶的能力,迄今为止报道的β-内酰胺酶已超过
190种。它们在来源、底物、抑制剂、结构等方面存在许
多差异,从而给β-内酰胺酶的系统分类带来困难。至今
已有7种酶分类法的报道。1968年Sawai以血清法区
分青霉素酶和头孢菌素酶。1973年Richmond和Sykes
主要根据酶的底物特性将革兰氏阴性菌来源的β-内酰
胺酶分为5类, 1976年Sykes和Matthew按质粒编码
和染色体编码酶对此分类做了修改。1980年Ambler
在氨基酸序列分析的基础上将β-内酰胺酶按分子结构
分为4类,A类为青霉素酶,B类为金属β-内酰胺酶,C
类为头孢菌素酶,D类为苯唑西林酶。1981年M it-
suhashi和Inoue按青霉素酶、头孢菌素酶和头孢呋辛
酶重新进行分类。1989年Bush按底物、抑制剂和分子
结构对所有细菌来源的β-内酰胺酶进行分类, 1995年
Bush, Jacoby和Medeiros在此基础上增加了β-内酰胺
酶抑制剂亲和力降低的酶和能水解碳青霉烯、被克拉
维酸微弱抑制的含丝氨酸的β-内酰胺酶(表1)。
表1将酶分为4组,第1组为不被克拉维酸抑制
的头孢菌素酶;第2组为通常能被活性位点诱导的抑
制剂抑制的β-内酰胺酶,结构上属于Ambler分类中
的A和D类;第3组为不被所有β-内酰胺酶抑制剂
(乙二胺四乙酸和对氯苯甲酸汞除外)抑制的金属β-内
酰胺酶;第4组为不被克拉维酸抑制的青霉素酶。
由于β-内酰胺类抗生素分子中存在环张力,因此
在β-内酰胺酶作用下容易开环,导致失活。除金属β-内
酰胺酶外(其分类及作用机制等本文将另外介绍),β-
内酰胺酶先与β-内酰胺类抗生素结合形成非共价键的
M ichaelis复合体,然后在丝氨酸亲核试剂进攻下β-内
酰胺开环生成酰化的酶产物,水解后又得到活性酶并
留下失活的开环产物。但另一方面,如果酰化的酶产物
不被水解,而是经过重排等转化为失活的酶产物,这种
β-内酰胺类化合物就可以作为β-内酰胺酶抑制剂,与
β-内酰胺酶敏感性抗生素联合使用,以解决β-内酰胺
酶产生菌的耐药性问题(图1)。这种酶抑制剂在使酶
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成(图7)。
2.3.3　6-螺环氧青霉烷　1988年报道了卤代的6-螺
图5　　2-β-烯取代基青霉烷砜的作用机制
图6　　6-(2-吡啶)-亚甲基青霉烷砜的作用机制
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