ชนกพร เผ าศิริ/ 2551) 1 -lactam...
TRANSCRIPT
(313 417 อ. ชนกพร เผาศิริ/ 2551) 1
N
S
OH
PhH2COCHN
H H
CH3
CH3
COOH
Penicillin G
N
S
OH
PhOH2COCHN
H H
CH3
CH3
COOH
Penicillin V
NAG NAM
AlaD-Glu
LysD-Ala
Gly
(Gly)3
Gly
NAG NAM NAG NAM
NAGNAM
AlaGlu-D
LysAla-D
Gly
(Gly)3 Gly
NAGNAMNAGNAM
AlaD-Glu
LysD-Ala
Gly
(Gly)3
Gly
-Lactam Antibiotics
ยาปฏิชีวนะในกลุมของ -lactam ท่ีสกัดไดจากรา Penicillium คือ Penicillin G และ Penicillin V ซ่ึงยับยั้งการสราง cell wall ของแบคทีเรียในขั้นตอนสุดทายโดยเอนไซม cell wall transamidase (CWT) ผนังเซลล (cell wall) จัดไดวาเปนส่ิงท่ีจําเปนตอการดํารงชีวิตของแบคทีเรียเพราะทําหนาท่ีเปน semipermeable barrier คืออนุญาตใหเฉพาะสารท่ีจําเปนตอการดํารงชีวิตของแบคทีเรียผานได นอกจากนี้ยังเปนผนังท่ีแข็งแรงและปองกนัความดนัออสโมติก (osmotic stress) ท่ีเกดิจากน้ําท่ีอยูรอบ ๆในส่ิงมีชีวติ (host) ท่ีแบคทีเรียไปอาศัยอยู และท่ีสําคัญคือปองกันไมใหเอนไซม protease จาก host เขามายอยสลายโปรตีนตาง ๆ ในเซลลของแบคทีเรียอีกดวย เนื่องจากวาส่ิงมีชีวิตเซลลเดียว (prokaryote) เทานั้นท่ีมี cell wall ในสัตวเล้ียงลูกดวยนมและคนซ่ึงถือวาเปน eukaryote ไมมี cell wall ดังนั้นเอนไซมตาง ๆ ท่ีใชในการสรางผนังเซลลจึงจัดไดวาเปนเปาหมายท่ีเหมาะสมในการออกแบบตัวยับยั้งเอนไซม (enzyme inhibitors) ซ่ึงจะสามารถนํามาใชเปนยาปฏิชีวนะได โดยสารดงักลาวจะสงผลขางเคียง (side effect) ตอคนคอนขางนอยเนื่องจากวาไมมีเอนไซมชนดิดังกลาวในคน แบคทีเรียท้ังท่ีเปน Gram-positive และ Gram-negative ตางก็มีผนังเซลล ดังนั้นยาปฏิชีวนะท่ีออกแบบใหยับ้ยั้งการสรางผนังเซลลก็จะออกฤทธ์ิกับแบคทีเรียท้ังสองกลุมแตจะนอยกวาในกรณขีอง Gram-negative ซ่ึงมีผนังเซลลท่ีบางกวาและซอนอยูใต outer membrane ผนังเซลลของแบคทีเรียประกอบไปดวยช้ันของ peptidoglycan หลาย ๆ ช้ันท่ีเช่ือมตอกันดวยพนัธะเปปไทด ในแตละช้ันของ peptidoglycan จะประกอบดวยหนวยท่ีซํ้า ๆ กันของ N-acetylglucosamine (NAG) และ N-acetylmuramic acid (NAM) ตอกันเปนสายโซโพลิเมอร และมี crosslink ระหวางสาย peptidoglycan แตละสายดวยพนัธะเปปไทดของกรดอะมิโน
(313 417 อ. ชนกพร เผาศิริ/ 2551) 2
NAG NAM
AlaD-Glu
LysD-Ala
D-Ala
GlyGly
GlyGly
Gly
L-alanineracemase
D-alanine D-alanyl-D-alanine
+ UDP-acetylmuramyl tripeptide
UDP-acetylmuramyl pentapeptide
ในการสรางผนังเซลลแบงออกเปนสามข้ันตอนหลัก ๆ และใชเอนไซมประมาณสามสิบ
เอนไซม ในแตละข้ันตอนกมี็ตัวยับยั้งแบคทีเรียท่ีใชเปนยาปฏิชีวนะได ข้ันตอนหลักในการสรางผนังเซลลคือ 1. การสรางสารต้ังตน UDP-acetylmuramyl-pentapeptide โดยแบคทีเรียจะรับเอากรดอะมิโน L-alanine จาก host มาเปล่ียนเปน D-alanine กอน ท้ังนี้เพื่อปองกนัการถูกยอยสลายโดยเอนไซมจาก host จากนั้นจึงเกิดการสรางไดเปปไทด D-Ala-D-Ala ซ่ึงจะรวมตัวกบั UDP tripeptide เกิดเปน UDP pentapeptide
ในข้ันแรกนี้พบวามียาปฏิชีวนะ cycloserine ซ่ึงจะจับกับเอนไซม alanine racemase แบบไมยอนกลับจึงจดัวาเปน suicide substrate คือเปนสารท่ีไปจับกับเอนไซมแลวทําใหเอนไซมไมสามารถทําหนาท่ีเดิมไดอีกตอไป 2. การสรางสายยาว peptidoglycan ซ่ึงประกอบดวยสวนท่ีเปนโปรตีนและน้ําตาล ในข้ันนีพ้บวา UDP-acetylmuramyl-pentapeptide จะถูกเปล่ียนไปเปน N-acetylmuramic acid (NAM) โดยท่ี NAM ซ่ึงเช่ือมอยูกับ phospholipids ใน plasma membrane (PM) ของแบคทีเรียจะจับกับ N-acetyl-glucosamine (NAG) แลวจะมี diphosphate phospholipids carrier เปนตัวพาสายยาวของpeptidoglycan ดังกลาวเพื่อนาํออกไปสูบริเวณ periplasmic space แลวจะมีเอนไซมท่ีช่ือ peptidoglycan synthetase ชวยในการสราง peptidoglycan เพิ่มเติมข้ึนจากสวนท่ีมีอยูกอนหนานี ้
ในข้ันนีพ้บวายาปฏิชีวนะ Vancomycin และ Teicoplanin สามารถจับกับสวนท่ีเปน D-Ala-D-Ala ของสาย peptidoglycan ทําใหเกิดความเกะกะจนเอนไซม peptidoglycan synthetase ไมสามารถทําการสรางผนังเซลลได
รูปสายยาวของ peptidoglycan หนึ่งสาย
(313 417 อ. ชนกพร เผาศิริ/ 2551) 3
-D-Ala
D-Ala
NAG NAM
NAM
AlaGlu-D
LysAla-D
Gly
(Gly)3 Gly
NAG
AlaD-Glu
LysD-Ala
Gly
(Gly)3
Gly
CWT
OH
NAG NAM
AlaD-Glu
LysD-Ala
Gly
(Gly)3
Gly
CWT
O
NH2
Crosslinked Strands
-D-Ala
RGlu-D
LysAla-D
Gly
(Gly)3 GlyCWT
OH
NH2
ROCHN
HN CH3
O
H CH3
COOHH CWT
O
ROCHN
O
H CH3
ROCHN
O
H CH3
RD-Glu
LysD-Ala
Gly
(Gly)3GlyHN
CWT
OH+
3. การสราง crosslink ของ peptidoglycan เอนไซม transpeptidase หรือ cell wall transamidase (CWT) จะทําหนาท่ีชวยในการสราง crosslink ระหวางสาย peptidoglycan ทําใหผนังเซลลมีความแข็งแรงมากยิ่งข้ึน ข้ันตอนของการเกิด crosslink เร่ิมจากกรดอะมิโน serine ในเอนไซม CWT ไปสรางพันธะโควาเลนตกบัสวนของ D-Ala-D-Ala ของ peptidoglycan สายท่ีหนึ่ง จากน้ันหมูอะมิโนของ peptidoglycan สายท่ีสองเขามาสรางพันธะเกดิเปน crosslink แลวทําใหไดเอนไซม CWT กลับคืนมา รูปแสดงการเกดิพันธะเปปไทดระหวาง peptidoglycan สองสาย
(313 417 อ. ชนกพร เผาศิริ/ 2551) 4
CWT
OH
N
S
OH
PhH2COCHN
H H
CH3
CH3
COOH
CWT
O
HN
S
OH
PhH2COCHN
H H
CH3
CH3
COOH
N
S
OPenam
N
S
OPenem
N
S
OCarbapenem
N
S
OCephem
N
S
OMonobactam
ข้ันตอนการสรางพันธะเปปไทดในข้ันสุดทายของการสังเคราะหผนังเซลล จะถูกยบัยั้งไดดวยยาปฏิชีวนะในกลุมของ -lactam เนื่องจากวาโครงสรางของสารดังกลาวมีความคลายคลึงกับสวนท่ีเปน D-Ala-D-Ala ของสาย peptidoglycan ซ่ึงจัดวาเปนซับสเตรท (natural substrate) ของเอนไซม CWT เม่ือมี -lactam อยูในระบบของแบคทีเรีย เอนไซมจึงเลือกท่ีจะเขาไปจับ -lactam เพราะความวองไวตอปฏิกิริยาเพ่ือใหเกิดการเปดวงและลดความเครียดของวงส่ีเหล่ียมใน -lactam มีมากกวาการเขาไปจับกับซับเสรตทในสวนของ D-Ala-D-Ala ท้ังนี้การจับของเอนไซมกับ -lactam เปนแบบท่ีไมยอนกลับ ทําใหการยับยั้งเอนไซมมีประสิทธิภาพมากจนทําใหแบคทีเรียไมสามารถดํารงชีวิตอยูตอไปได นอกจากเอนไซม CWT แลวยังพบวามีเอนไซมท่ีจําเปนตอการสรางผนังเซลลของแบคทีเรีย และจับกับยาปฏิชีวนะในกลุมของ -lactam ได ซ่ึงเรียกเอนไซมในกลุมนี้วา penicillin binding protein (PBP) ตามช่ือของ -lactam ท่ีคนพบเปนตัวแรก ซ่ึงพบวามี PBP อยูประมาณหกเอนไซม มีรายงานวา PBP บางชนิดมีความจําเปนตอการรักษารูปรางใหอยูในรูปแทงสําหรับแบคทีเรียในระหวางการสรางผนังเซลล นอกจากนี้ PBP มียังมีความสําคัญในชวงเวลาของการแบงเซลล ดังนั้นการยับยั้งการทํางานของเอนไซมในกลุม PBP ดวยยาปฏิชีวนะเพียงสารเดยีวทําใหการทําลายแบคทีเรียมีประสิทธิภาพดียิ่งข้ึน จากโครงสรางของ -lactam ท่ีวองไวตอปฏิกิริยากับนวิคลีโอไฟลมาก ทําใหโปรตีนหรือเอนไซมบางชนิดในรางกายของคนท่ีมีหมู OH (serine), SH (cysteine), NH2 (lysine) อยูสามารถทําจับกับ -lactam แลวทําใหเกดิ antigenic penicilloyl protein ซ่ึงกอใหเกิดอาการแพยาได พบวาประชากรโลกประมาณ 6-8% จะมีอาการดังกลาวได ยาในกลุมของของ -lactam ท่ีใชในปจจบัุนมีอยูหลายรูปแบบ พบวามีอยูหาระบบหลักของวง -lactam ท่ีมีฤทธ์ิทางชีวภาพ
(313 417 อ. ชนกพร เผาศิริ/ 2551) 5
N
S
OH
PhH2COCHN
H H
CH3
CH3
COOH
Penicillin G
OH-/ H2OHN
S
OH
PhH2COCHN
H H
CH3
CH3
COO
Bezylpenicilloic acid
O
H+/ H2O
N
S
H
H
CH3
CH3
COOH
Benzylpenillic acid
N
HOOC
PhH2C
+ Bezylpenicilloic acid
Zn2+, Cd2+,Cu2+, Pb2+
H2O
HN
S
OH
PhH2COCHN
H H
CH3
CH3
COO
Metallic salts of benzylpenicilloic acid
O
N
S
OH
PhOH2COCHN
H H
CH3
CH3
COOH
Penicillin V
เนื่องจากโครงสรางท่ีความวองไวตอปฎิกิริยาของวง -lactam ทําใหสารในกลุมนี้เกิดการสลายตัวในสภาวะตาง ๆ ไดคอนขางงายท้ังในสภาวะท่ีเปนเบสและเปนกรด การเก็บ -lactam ในสารละลายบัฟเฟอรท่ีมี pH อยูในชวง 6.0 – 6.8 จะชวยปองกันการสลายตัวได นอกจากนี้ระบบดังกลาวกค็วรที่จะไมมีโลหะไอออนใด ๆ ปะปนอยูเนื่องจากไอออนเหลานั้นสามารถทําหนาท่ีเปนกรดของลิวอิสและเรงปฏิกิริยาการสลายตัวของพันธะเอไมดได การที่ยาปฏิชีวนะมีความตานทานตอการสลายตัวในสภาวะท่ีเปนกรดออน ๆ ไดมีความสําคัญมาก เนื่องจากวาการจะใชยารักษาโรคโดยการรับประทานไดนัน้ อยางนอยยาชนิดนัน้ตองมีความตาน ทานการสลายตัวจากกรดได เพราะในกระเพาะอาหารมีความเปนกรดออน ๆ มิเชนนัน้แลวกต็องมีการใหยาโดยการฉีดเขาทางเสนเลือดเพียงอยางเดียว ซ่ึงก็เปนวิธีท่ีไมคอยสะดวกนัก หากตองทําบอยๆ สําหรับ -lactam ท่ีสกัดไดจากราและยังใชเปนยาปฏิชีวนะอยูในปจจุบันคือ Penicillin G และ Penicillin V นั้นพบวา Penicillin V มีความตานทานตอการสลายตัวในสภาวะท่ีเปนกรดไดดีกวา Penicillin G และสามารถใหยาโดยการรับประทานได ท้ังนี้จากโครงสรางของ Penicillin V ท่ี
แตกตาง Penicillin G ตรงท่ีมีการเพิ่มหมูดึง อิเล็กตรอนในตําแหนง ของ amide side-chain ซ่ึงสงผลใหมีการลดความเปนนิวคลีโอไฟลของ ออกซิเจนท่ีหมูเอไมดลง ทําใหการเปดวงของ -lactam เพื่อใหเกิดเปนอนุพันธของ penicillenic acid เปนไปไดยากข้ึน
(313 417 อ. ชนกพร เผาศิริ/ 2551) 6
Penicillin
N
S
OH
HN
H H
CH3
CH3
COOH
H+
(pKa = 2.5-3)
N
C
O
C
C
OR
HC NH CH CO2H
C CH3
CH3
HS
Penicillenic acid
H2O
N
CN
CHCH
CH
S
R
CO2H
CH3
CH3
CO2H
Penillic acid
HN
CHCH2
CH
S CH3
CH3
CO2H
ROCHN
Penilloic acid(major product)
HN
C C
C
OR
HC NH CH CO2H
C CH3
CH3
HSO
HO
Penamaldic acid
NH2 CH CO2H
C CH3
CH3
HS
Penicillamine(major product)
R CONH CH2CHO
Penicilloaldehyde (major product)
C
O
R
Ampicillin
N
S
OH
HN
H H
CH3
CH3
COOH
C
ONH2
การสลายตัวของ penicillin ท่ี pH = 3 ในการสลายตัวของ penicillin ไปเปน penicillenic acid ซ่ึงเปนสารมัธยันตรท่ีไมคอยเสถียรนั้นนาจะเกิดจากโปรโตเนชันท่ีไนโตรเจนของวง -lactam กอนจากนัน้ออกซิเจนท่ีอยูในรูปแอนไอออนของหมูเอไมดจึงเขาไปทําปฎิกิริยา nucleophilic attack ท่ีคารบอนิลของหมูเอไมดในวงของ -lactam เพื่อเปดวง จากน้ันอิเล็กตรอนคูโดดเดีย่วของไนโตรเจนจึงเขาไปสรางพันธะไพกับคารบอนในตําแหนง ทําใหเกิดเปน immine และ thiol ข้ึน แลวจึงเปล่ียนไปอยูในรูปของ enamine จากกลไกดังกลาวก็จะพบวาปจจัยท่ีทําใหเกดิการสลายตัวของวง -lactam คือความเปนนวิคลีโอไฟลของออกซิเจนแอนไออนท่ี amide side chain ในคารบอนตําแหนงท่ี 6 เม่ือเติมหมูท่ีดึงอิเล็กตรอนแบบ inductive ไดอยางเชนออกซิเจนเขาไปจึงทําใหความเปนนิวคลีโอไฟลของออกซิเจนแอนไออนลดลง และทําใหลดอัตราการสลายตัวของ Penicillin V ในสภาวะท่ีเปนกรดได
การเติมหมูอะมิโนในตําแหนง คารบอน ของเอไมด อยางเชนในโครงสรางของ ampicillin ชวยเพิ่มความเสถียรของ -lactam ในสภาวะท่ีเปนกรดไดดีเชนกัน
(313 417 อ. ชนกพร เผาศิริ/ 2551) 7
Methicillin
N
S
OH
HN
H H
CH3
CH3
COOH
C
O
OCH3
OCH3
N
S
OH
ROCHN
H H
CH3
CH3
COOH
Penicillin
HN
S
OH
ROCHN
H H
CH3
CH3
COOH
Penicilloic acid
OH
H+/ pH =3
โดยพบวาในสภาวะท่ีเปนกลางหรือเปนกรดเล็กนอย หมูอะมิโนจะอยูในรูปของ ammonium ion ซ่ึงเปนหมูท่ีดึงอิเล็กตรอนอยางแรง ผลของความเกะกะไมสามารถอธิบายความเสถียรในสภาวะท่ีเปนกรดของ -lactam เหลานีไ้ดเนื่องจาก Methacillin ซ่ึงมีหมู methoxy ท่ีใหอิเล็กตรอนแทนท่ีในวงเบนซีนกลับมีความวองไวตอกรดมากกวา Penicillin G ในสภาวะของกรดท่ีแรงจะไมพบการสลายตัวของ penicillin ไปเปนสารมัธยันตร penicilloic acid โดยจะพบเฉพาะในสภาวะท่ีเปนกรดออนหรือเปนเบสเทานั้น แตก็มีการศึกษาพบวา penicilloic acid จะอยูในสภาวะท่ีสมดลุกับ penamaldic acid และจะเกดิปฎิกิริยา decarboxylation ใหได penilloic acid ในสภาวะท่ีเปนกรด ยาปฎิชีวนะ Penicillin G และ Penicillin V ซ่ึงคนพบในยคุแรก ๆ ยังคงมีการใชอยูในปจจุบัน แตก็พบกับปญหาซ่ึงทําใหตองมีการพัฒนายาในกลุมนีใ้หมีประสิทธิภาพยิ่งข้ึน ปญหาดังกลาวคือการดื้อตอยา ปจจยัท่ีสงผลใหเกิดการดื้อยาของแบคทีเรียประกอบดวย 1. การเกิด mutation ของ PBP ซ่ึงรวมท้ัง cell wall transpeptidase ดวย ปรากฏการณดังกลาวทําใหความสามารถในการเขาไปจบักับเอนไซมของยาในกลุม -lactam มีประสิทธิภาพนอยลงไป 2. การลดลงของ Bioavailability ของยา ในการออกฤทธ์ิตานแบคทีเรียอยางมีประสิทธิภาพ ตองมีปริมาณของยาในระบบชีวภาพหรือในแบคทีเรียท่ีมากพอ ในแบคทีเรียท่ีเปนชนิด Gram-negative มีขบวนการในการยับยั้งการเขาถึงผนังเซลลของแบคทีเรีย โดยการสราง Lipopolysaccharide (LPS) ไวรอบๆ peptidoglycan โดย LPS จะเปนตัวคอยควบคุมหรือกันไมใหยาเขาไปในระบบได จึงตองมีการพัฒนาอนุพนัธของ Penicillin ซ่ึงจะสามารถผานเขาไปในเซลลไดงายข้ึน นอกจากนีแ้บคทีเรียยังไดพัฒนาระบบท่ีจะคอยขับยาปฎิชีวนะออกมาโดยใชพลังงานเขาชวย
(313 417 อ. ชนกพร เผาศิริ/ 2551) 8
N
S
OH
ROCHN
H H
CH3
CH3
COOH
penicillin pharmacophore
HN
S
OH
ROCHN
H H
CH3
CH3
COOHOH
-lactamase
penicilloic acid
3. การหล่ังเอนไซม -lactamase เพื่อมาทําลายพันธะ C-N ของเอไมดในวง -lactam ของยาปฏิชีวนะ การพัฒนาตัวเองของแบคทีเรียเร่ิมจากการไดมาซ่ึงยีนสําหรับ -lactamase แลวก็ผลิตออกมาในปริมาณท่ีมาก ๆ ข้ึน ซ่ึงเปนกลไกท่ีเปนเร่ืองปรกติสําหรับแบคทีเรียในกลุมของ Staphylococcus aureus และก็ไดมีการพัฒนากลไกในแบบเดยีวกันกับแบคทีเรียในตระกลูอ่ืน อีกดวย ในแบคทีเรียท่ีเปน Gram-positive จะมีการปลอยเอนไซม -lactamase ออกมายังบริเวณรอบ ๆ แบคทีเรีย ทําใหเกิดไฮโดรไลซิสของวง -lactam กอนท่ียาจะเขาถึงแบคทีเรีย สวนแบคทีเรีย Gram-negative จะเกดิไฮโดรไลซิสข้ึนบริเวณ periplasmic space ซ่ึงอยูกอนช้ันของ peptidoglycan
นอกจากเอนไซม -lactamase หรือ penicillinase ท่ีสามารถทําลายโครงสรางของการออกฤทธ์ิทางเภสัชวิทยาของของยาในกลุม -lactam แลว กย็ังมีเอนไซม acylase ท่ีจะทําปฏิกิริยาไฮโดรไลซิสท่ีบริเวณ amide sidechain ซ่ึงเปนข้ันตอนท่ีสามารถทําใหการออกฤทธ์ิของ -lactam ลดลงไดเชนกัน ซ่ึงจะไปลดความเสถียรของ -lactam ลง ถึงแมจะไมไดทําลายโครงสรางของวง -lactam โดยตรงก็ตาม การพัฒนาอนพุันธุของ penicillin เพื่อใหตานทานตอเอนไซม -lactamase ไดคือการเพิ่มความ เกะกะบริเวณ amide sidechain ท่ีคารบอนตําแหนงท่ีหก ทําใหเอนไซม -lactamase ไมสามารถเขาถึงวง -lactam ตัวอยางเชน methacillin ซ่ึงสามารถตานทานเอนไซม -lactamase ได อยางไรก็ตามการปรับเปล่ียนโครงสรางในลักษณะน้ีก็สงผลใหความสามารถในการท่ี methacillin ไปจับกับเอนไซมในกลุมของ PBP ไดนอยลงเชนกัน ยาปฎิชีวนะ oxacillin cloxacillin และ dicloxacillin เปนการปรับเปล่ียนโครงสรางโดยใชหลักการของ bioisosteric ซ่ึงเปนการแทนที่หมู benzyl ดวยวง isoxazoyl หลักการของ bioisosteric คือการใชหมูแทนท่ีท่ีมีคุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมี ซ่ึงรวมไปถึงทางอิเล็กทรอนิกท่ีคลายคลึงกัน ท้ังนี้เพื่อเปนการทดลองเพ่ือเพิ่มฤทธ์ิทางชีวภาพหรือลดผลขางเคียงท่ีไมตองการ และปจจัยดานอ่ืนๆ ในคุณสมบัติของยา พบวายาปฏิชีวนะท้ังสามสารออกฤทธ์ิยับยั้งแบคทีเรียท่ีไมไดผลิตเอนไซม -lactamase ไดไมคอยดีนัก แตมีฤทธ์ิยับยั้งแบคทีเรียท่ีผลิต เอนไซม -lactamase ไดคอนขางดี แสดงใหเห็นวายาดังกลาวสามารถจับกับเอนไซม -lactamase ไดดกีวา PBP นอกจากนี้ยังพบวายา cloxacillin และ dicloxacillin มีความตานทานตอปฎิกิริยาไฮโดรไลซิสในสภาวะท่ีเปนกรดไดดีเนื่องจากมีหมูแทนท่ีท่ีมีคา EN ท่ีสูงเปนหมูแทนท่ีในวงแอโรมาติก การปรับปรุงโครงสรางของ penicillin มีอีกเหตุผลคือเพิม่ความหลกหลายในการออกฤทธ์ิของยาตอแบคทีเรียหลาย ๆ species (broad spectrum antibiotics) โดยเฉพาะแบคทีเรียในกลุม Gram-negative ซ่ึงมีผนังเซลลท่ีนอยและอยูถัดจากช้ัน
(313 417 อ. ชนกพร เผาศิริ/ 2551) 9
N
S
OH
ROCHN
H H
CH3
CH3
COOH
penicillin pharmacophore
R
OCH3
OCH3
methicillin
R
Oxacillin; X = Y = HCloxacillin; X = H, Y = ClDicloxacillin; X = Y = Cl
X
Y
ON
CH3
COOH
carbenicillin
S
COOH
ticarcillin
N
S
OH
ROCHN
H H
CH3
CH3
COOH
penicillin pharmacophore
R
Ampicillin; X = HAmoxicillin; X = OH
X
H2N
D-configuration
ของ plasma membrane และ periplasmic space ลงมา ยาดังกลาวจะตองสามารถเคล่ือนท่ีผานท้ังสองบริเวณเพื่อมาออกฤทธ์ิยับยั้งการสรางผนังเซลลได
Carbenicillin และ ticarcillin เปนยาปฏิชีวนะท่ีออกฤทธ์ิกับแบคทีเรียในกลุมของ Gram-negative ไดดกีวา เนื่องจากความมีข้ัวของหมูคารบอกซิล ทําใหยาท้ังสองสารสามารถเคล่ือนท่ีผาน plasma membrane และ periplasmic space เพื่อไปยับยั้งการสรางผนังเซลลไดดีกวาโมเลกุลท่ีมีข้ัวนอยกวาอยาง penicillin G
ยาปฏิชีวนะในกลุมของ Ampicillin และ Amoxicillin ซ่ึงมีหมูอะมิโนท่ี –คารบอน และมีความเปนข้ัวมากข้ึน จะทําใหยาในกลุมนีอ้อกฤทธ์ิไดดกีับแบคทีเรียในกลุม Gram-negative ดวย นอกจากนี้การเพิ่มไครัลคารบอนใหเปน D-isomer พบวามีฤทธ์ิท่ีดีกวา L-isomer หรือโมเลกุลท่ีไมมีไครัลคารบอนท่ีตําแหนง อยาง penicillin G ประมาณแปดเทา
(313 417 อ. ชนกพร เผาศิริ/ 2551) 10
N
O
OH
H
COOH
clavulanic acid
OH
-lactamase
OH
N
S
OH
H
COOH
OO
Amoxicillin
N
S
OH
HN
H H
CH3
CH3
COOH
C
ONH2
HOSulbactam
Augmentin
N
O
OH
H
COOH
clavulanic acid
OH
N
S
OH
H
COOH
sulbactam
OO
ท้ังนี้พบวาการเพ่ิมความเปน broad spectrum antibiotics ของ Ampicillin และ Amoxicillin ไมเกี่ยวของกับการตานทานตอเอนไซม -lactamase โดยพบวา ยาท้ังสองสารจะวองไวตอ -lactamase มากกวา penicillin G
ในการรักษาโรคติดเช้ือจากแบคทีเรียจึงไมมีประสิทธิภาพมากนักหากใช -lactam antibiotic เพียงอยางเดยีว จนกระท่ังมีการคนพบผลิตภัณฑทางธรรมชาติจากแบคทีเรียท่ีสามารถจับกับเอนไซม -lactamase ไดคือ clavulanic acid ซ่ึงตอมาก็ไดมีการพัฒนาโครงสรางของ -lactamase inhibitors สารใหม ๆ ข้ึนมาอีกเชน sulbactam สารท่ีจัดเปน -lactamase inhibitors ถือไดวาเปนยาปฏิชีวนะท่ีมีฤทธ์ิคอนขางออน แตสารเหลานีจ้ะทําหนาท่ีในการปองกันยาปฏิชีวนะท่ีแทจริงจากปฏิกิริยาไฮโดรไลซิสในแบคทีเรียได ดงันั้นในปจจุบันจึงมีการใชยาท้ังสองประเภทในลักษณะผสมกัน อยางเชน ยาท่ีมีช่ือทางการคาวา Augmentin หรือ Amoxy จะมีสวนผสมของ amoxicillin กับ sulbactam หรือ clavulanic acid ผสมอยู
(313 417 อ. ชนกพร เผาศิริ/ 2551) 11
N
O
H
COOH
thienamycin
S
H
HO
CH3
H
NH2
N
O
H
COOH
imipenem
S
H
HO
CH3
H
HN
NH
-lactamase
H2C
OC N
CH
C
C
XR
COOHOH
-lactamase
H2C
C HN
CH
C
C
XR
COOHO
O
I
-lactamase
H2C
C N
CH
C
C
XR
COOHO
O inactivation
-lactamase
HC
C HN
CH
C
C
XR
COOHO
O
H2O
H2O
-lactamase
OH
+ hydrolysis products
-lactamase
H2C
C N
CH
C
CH
XR
COOHO
O
IIH2O
นอกจากนี้ยังมีการคนพบผลิตภัณฑทางธรรมชาติท่ีเปน -lactamase inhibitors เพิ่มข้ึนอีกคือสาร thienamycin ซ่ึงสกัดไดจาก Streptomyces cattlea สาร thienamycin เปนสารท่ีมีโครงสรางนาสนใจตรงท่ีวามีฤทธ์ิเปนสารตานแบคทีเรียท่ีดีมาก ท้ังยังเปนสารยับยั้งเอนไซม -lactamase ท่ีดมีาก ๆ ดวยเชนกัน โดยจะเห็นไดวาในโครงสรางของ thienamycin นั้นมีอะตอมของซัลเฟอรอยูขางนอกวงหาเหล่ียม แตพบวา thienamycin ไมเคยถูกใชเปนยาปฏิชีวนะ เนื่องจากวาในสภาวะท่ีเปนสารละลายน้ีจะเกิดการสลลายตัวไดงายมากและหมดฤทธ์ิไปในท่ีสุด แตเม่ือมีการปรับเปล่ียนโครงสรางไปเปน imipenem แลวพบวาสารนีส้ามารถซึมผานผนังเซลลของแบคทีเรียไดดี มีความเสถียรและยับยั้งเอนไซม -lactamase หลาย ๆ เอนไซมได กลไกในการยบัยั้งเอนไซม -lactamase ของ-lactamase inhibitors
(313 417 อ. ชนกพร เผาศิริ/ 2551) 12
N
O
OH
H
COO-K+
clavulanate potassoim
OH
N
O
H
COO-
imipenem
S
H
HO
CH3
H
HN
NH2+
CNH
O
C CH(CH2)2SCH2CH
HOOC
NH3+
COO-
cilastatin
จากกลไกในการยับยั้งเอนไซม -lactamase โดยพบวา active site ของเอนไซมจะเกีย่วของกับกรดอะมิโน serine ทําใหสามารถแบง -lactamase inhibitors ออกไดเปนสองกลุมข้ึนอยูกับลักษณะของการจับกับเอนไซม กลุมแรกจัดเปน Class I อยางเชน clavulanic acid ซ่ึงมีอะตอมของออกซิเจนเปนองคประกอบของวงหาเหล่ียม เม่ือเกิดการจับกับเอนไซม ทําใหมีการเปดออกของวงหาเหล่ียมแลวทําใหอยูในรูปของ imine และ acylenzyme intermediate ซ่ึงสามารถเกิดการสลายตัวไดจากปฏิกิริยาไฮโดรไลซิสเพื่อใหไดเอนไซมกลับคืนมาพรอมกับผลิตภัณฑท่ีไมสามารถทําหนาท่ีเปน antibiotic ไดอีกตอไป หรืออาจจะเปนไดวา imine intermediate ของเอนไซมท่ีเกิดข้ึนจะเกิดการ tautomerize ไปเปน enamine intermediate ซ่ึงมีความเสถียรและทําใหเอนไซม -lactamase ไมสามารถทําหนาท่ีไดอีกตอไป การที่สารยับยั้งเอนไซมมีการจับกับเอนไซมแลวไดเปน acylenzyme intermediate ท่ีมีความเสถียรไดนั้น มีช่ือเรียกขบวนการเชนนี้วา transient inhibition หรือการยับยั้งแบบช่ัวคราว เพื่อจะเปดโอกาสให -lactam antibiotics ตัวอ่ืน ๆ ไปจับกับเอนไซมท่ียับยัง้การสรางผนังเซลลได จะเหน็ไดวาการยับยั้งเอนไซมของ Class I เปนการทําใหเอนไซมไมสามารถทําหนาท่ีไดอยางถาวร สวนในการยับยั้งของ Class II อยางเชน thienamycin จะจบักับเอนไซมแลวทําใหอยูในรูปของ cyclic imime acylenzyme intermediate ซ่ึงถือวาเปน transient inhibition เชนกัน จากข้ันตอนการยับยั้งของเอนไซมท้ังสองลักษณะไมสามารถระบุไดแนชัดวาการยบัยั้งในแบบของ Class I หรือ Class II จะมีประสิทธิภาพมากวากนั ท้ังนี้ตองข้ึนกับปจจัยอ่ืน ๆ เกี่ยวกับโครงสรางของสารนั้น ๆ อีกดวย ยกตัวอยางเชน clavulanic acid ซ่ึงนํามาใชทางเภสัชในรูปของเกลือ clavulanate potassium โดยพบวาสารนี้มีความเสถียร ในสภาวะท่ีเปนกรด (สังเกตวาในโครงสรางไมมีหมูแทนท่ี ท่ีเปน amide sidechain ในคารบอนตําแหนงท่ี 6) ยาในช่ือของ Augmentin ท่ีเกิดจากผสมกนัของ amoxicillin กับ clavulanate potassium ใชในการรักษาโรคติดเช้ือบริเวณผิวหนัง ระบบทางเดินหายใจ หู และระบบทางเดินปสสวะ ยา Primaxin ซ่ึงประกอบดวย imipenem ซ่ึงอยูในรูปของ zwiterrian ion ในสภาวะท่ีเปนกลาง ผสมกับ cilastatin ใชในการรักษาโรคติดเช้ือไดหลากหลายชนิดมากกวา Augmentin รวมท้ังการติดเช้ือในระบบสืบพนัธุ
(313 417 อ. ชนกพร เผาศิริ/ 2551) 13
oxyanion hole
NH
NHO
N
Ser70
O HLys73
H2N
O Ser130H
Class A -lactamase
oxyanion hole
NH
NHO
N
Ser64
O H
Tyr150
H2N Lys315
Class C -lactamase
O H
ความสามารถในการยับยั้งเอนไซม -lactamase ของ imipenem มีเพิ่มข้ึนมาจากโครงสรางท่ีเปนวง -lactam ธรรมดาก็คือมีการมีพันธะคูในวง cyclopentene ท่ีเช่ือมอยูกับวง -lactam ทําใหเพิ่มความความเครียดของโครงสรางมากข้ึน imipenem จึงมีความวองไวตอปฏิกิริยาการเปดวงมากข้ึนเชนกัน สาร cilastatin จัดวาเปนตัวยับยั้งการทํางานของเอนไซม dehydropeptidase-1 ซ่ึงหล่ังออกมาจากตับ การศึกษาพบวา imipenem จะสลายตัวไดงายมากจากเอนไซมชนิดนี้ วิธีรักษาโรคโดยใชหลักการของ drug combination จะชวยให imipenem สามารถทําหนาท่ีเปน antibitotic ไดอยางสมบูรณข้ึน จากการศึกษารายละเอียดของเอนไซม -lactamase (Nat. Prod. Rep. 1999, 16, 1-19) ใหลึกยิ่งข้ึนไป พบวาสามารถแบงประเภทของเอนไซมไดเปน Class A, B, C และ D โดยขึ้อยูกับลําดับของกรดอะมิโนในเอนไซม ท้ังนี้เอนไซมท่ีมีการศึกษามากที่สุดคือ Class A และ C ซ่ึงเปนเอนไซมท่ีอยูในแบคทีเรียท่ีกอใหเกดิโรคท่ีสําคัญ ๆ ในคน ลักษณะบริเวณ active site ของเอนไซมท้ังสองกลุมมีความตางกันในสวนของกรดอะมิโนขางเคียงนอกจาก serine ท่ีทําหนาท่ีในการเปดวงของ -lactam ใน Class A -lactamase กรดอะมิโน Lys73 จะทําหนาท่ีเปนเบสเพ่ือจะดึงโปรตรอนออกจาก หมูไฮดรอกซิลของ Ser70 จากนั้นออกซิเจนแอนไอออนก็จะทําหนาท่ีเปดวง โดยไนโตรเจนจะไดรับโปรตรอนจาก Ser130 ใน Class C -lactamase กรดอะมิโน Tyr150 จะถูก deprotonate ให phenoxide anion ซ่ึงทําหนาท่ีไฮโดรไลซพันธะเอไมดได จากโครงสรางใน active site ของเอนไซมท้ังสองกลุมช้ีใหเหน็วาวงแหวนส่ีเหล่ียมของ -lactam ไมไดมีผลตอการจับกับเอนไซม จึงไดมีการพัฒนาสารยับยั้งเอนไซมข้ึนมา
(313 417 อ. ชนกพร เผาศิริ/ 2551) 14
Phosphonic acid derivatives
R C N
O H
CH2 P
O
O
X
N
S
OH
HN
H H
CH3
CH3
COOH
COOH
carbenicillin
S
COOH
ticarcillin
C
O
N
S
OH
HN
H H
CH3
CH3
COOH
C
O
ใหมท่ีมีโครงสรางแตกตางกันไปจากเดิม เพื่อลดปญหาของการดื้อยาจากการใชสารท่ีมีโครงสรางเดิม ๆ เปนเวลานาน ๆ กลุมวิจัยของ Pratt และ Govardhan (J. Org. Chem. 2006, Synthesis and evaluation of ketophosphonates as -lactamase inhibitors) พบวาสารประกอบเปปไทดท่ีเปนโซตรง (RO(หรือS)-CO-AA-R’-COOH) สามารถถูกไฮโดรไลซไดดวยเอนไซม -lactamase ในกลุม A B และ C จึงไดทําการศึกษาเพิ่มเติมพบวา สารท่ีมีโครงสรางท่ี เปนอนุพันธุของ phosphonic acid มีฤทธ์ิในการยับยั้ง เอนไซม Class C -lactamase ได เม่ือ X เปน leaving group ท่ีดี และ X จะถูกแทนท่ีดวยออกซิเจน จาก serine เม่ือทดลองโดยใช X-ray crystallography ทําใหสรุปไดวาคุณภาพท่ีดีของ leaving group มีความ สําคัญมากกวาความคลายคลึงกันในโครงสรางของสารยับยั้งเอนไซมกบัซับเสตรทของเอนไซม แบบฝกหัดท่ี 1 1. carbenicillin และ ticarcillin ควรมีความเสถียรในสภาวะท่ีเปนกรดหรือไม หากไมเสถียรควรจะมีการสลายตัวใหผลิตภัณฑท่ีมีโครงสรางอยางไรบาง 2. สารท้ังสองชนิดควรมีความตานทานตอเอนไซม -lactamase หรือไม แบบฝกหัดท่ี 2 ในสภาวะท่ีเปนกลางของสารละลายน้ํา โครงสรางของ Ampicillin และ Amoxicillin ควรมีลักษณะอยางไร และสารท้ังสองควรละลายนํ้าไดดีหรือไม
(313 417 อ. ชนกพร เผาศิริ/ 2551) 15
N
O
HN
H H
cephalosporin C
C
ONH2
HOOCS
COOH
O
O
CH3
NO
HN
H H
C
ONH2
HOOCS
COOH
O
O
CH3
ต้ังแตเร่ิมมีการคนพบ penicillin ซ่ึงสามารถยับยั้งการสังเคราะหผนงัเซลลไดนั้น มีการศึกษาเกีย่วกับ structure activity relationship (SAR) ของสารในกลุมนี้คอนขางนอย เพื่อปรับเปล่ียนโครงสรางของ penicillin กอนนําออกสูทองตลาด ตางจาก -lactam antibiotics ในกลุมถัดไปคือ cephalosporins ซ่ึงตองใช SAR คอนขางมากกวาจะพบสารท่ีสามารถในในการรักษาไดด ี สาร Cephalosporin C เปนสารท่ีสกัดไดจาก Cephalosporium acremonium ซ่ึงพบวาเปนสารตานแบบออน ๆ ตอแบคทีเรียท่ีดื้อตอยา penicillin จากโครงสรางท่ีเปนหกเหล่ียมเช่ือมอยูกับวง -lactam นาจะสงผลใหโครงสรางของ Cephalosporin C มีความเครียดและวองไวตอปฎิกิริยาการเปดวงนอยกวากรณขีอง penicillin แตท้ังนี้การทีมี่พันธะคูในวงหกเหล่ียม (เพิ่มความเครียด) และมีหมู acetoxy ซ่ึงเปนหมูหลุดออกท่ีด ีและตออยูกับคารบอนบน C3 ทําใหโครงสรางดังกลาวเปนเสมือนแหลงรวมของอิเล็กตรอนและมีความวองไวตอนวิคลีโอไฟลมากข้ึน กลไกของการยับยั้งการสังเคราะหผนังเซลลของแบคทีเรียกเ็กดิไดในลักษณะเดียวกนักับ penicillin แบบฝกหัดท่ี 3 1. แสดงผลิตภัณฑท่ีเปนไปไดท้ังหมดจากการสลายตัวของ สาร Cephalosporins ในสภาวะท่ีเปนกรด (กําหนดหมูแทนท่ีของเอไมดท่ีตําแหนง C7 เปน R) 2. แสดงกลไกในการจับกนัระหวาง Cephalosporins กับเอนไซม -lactamse
(313 417 อ. ชนกพร เผาศิริ/ 2551) 16
NO
HN
H H
C
O
R1
S
R2
COOH
12
3
45
67
8
First Generation R1 R2 Acid Resistant -lactamseresistance
Cephalexin
Cephradine
Cefadroxil
Cefaclor
Cephalothin
Cephapirin
Cefazoin
CH
NH2
CH
NH2
CH
NH2
CH
NH2
HO
CH3
CH3
CH3
Cl
S CH2
CH2OCOCH3
N S CH2
N
NN CH2
CH2OCOCH3
NN
S CH3H2CS
Yes
Yes
Yes
Yes
No
No
No
Poor
Poor
Poor
Poor
Poor
Poor
Poor
การปรับปรุงโครงสรางของ Cephalosporin C เกิดจากวิธีการแบบ semisynthesis โดยการเติมหมูแทนท่ีในสวนของเอไมดท่ีคารบอนตําแหนงท่ีเจด็และท่ีคารบอนท่ีตําแหนงท่ีสาม สามารถแบงสารออกไดเปนสามกลุมตามคุณสมบัติท่ีไดรับการพัฒนาข้ึนกอนนําออกสูทองตลาด จากการทดลองของ Cephalosporins พบวาไมมีปฎิกิริยาการเปดวงของ -lactam จากออกซิเจนแอนไออนท่ีหมูเอไมดในคารบอนตําแหนงท่ีเจ็ด เพื่อใหไดเปนวง oxazolone เชนเดยีวกันกับการเกิดเปน penicillanic acid จากปฎิกิริยาของ penicillin G ในสภาวะที่เปนกรด แตพบวาในสภาวะท่ีเปนเบสหรือเปนกลาง หมูอะมิโนท่ี -carbon ของหมูเอไมดท่ี C7 อยางเชนในโครงสรางของ cephradine หรือ cefadroxil จะทําหนาท่ีเปนนิวคลีโอไฟลแลวเปดวงของ -lactam ไดเปนอนุพันธุของ diketonpiperazine
(313 417 อ. ชนกพร เผาศิริ/ 2551) 17
NO
HN
H H
C
O
R1
S
R2
COOH
12
3
45
67
8
Second Generation R1 R2 Acid Resistant -lactamseresistance
Cefamandole
Cefonacid
Ceforanide
Cefuroxime
Cefoxitin
CH
OH
CH
OH
CH2
No
Poor-Average
CH2NH2
OC
NOCH3
SCH2
N N
NNCH3
CH2S
N N
NNCH2CO2H
CH2S
N N
NNCH2CO2H
CH2S
CH2OCONH2
CH2OCONH2
No
No
No
No
Average
Poor-Average
Good
Good
Third Generation R1 R2 Acid Resistant -lactamseresistance
Moxalactam
Cefotetan
Cefotaxime
Cefoperazone
CH
CO2H
CH
GoodN N
NNCH3
CH2S
N N
NNCH3
CH2SNo
NoHO
S
O
X
S
SH2NOC
H2NOC
S
NH2N C
NOCH3
CH2OCONH2 S
SN N
NNCH3
CH2SCH
NH
HO
C O
N
NCH2CH3
O
O
No
No
Good
Good
Good
(313 417 อ. ชนกพร เผาศิริ/ 2551) 18
azthreonam
N
S
+H3N
C CONH
N
CH3
OSO3
-
NOC
CH3
CH3
HOOC
norcardin A
N
OCH
COOH
OHOCHNC
NOH
HOOCHC(H2C)2O
H2N
carumonam
N
O
NHO
SO3H
NH2
OO
N
S
NH2N
O
COOH
N
NH
O
C6H5
NH2
O Cl
COOH
Lorabid
N
ONH
O
COOH
O
COOH
Latamoxef
S
NN
NN
OMe
HO
นอกจากนี้ยังมีการสังเคราะห -lactam antibiotics ท่ีมีโครงสรางเปน monobactam เพิ่มเติม ยกตัวอยางเชน Azthreonam Nocardin A และ Carumonan ท้ังสองสารมีฤทธ์ิในการตานทานเอนไซม -lactamase ไดคอนขางดีซ่ึงสารเหลานี้ลวนมีโครงสรางอยางเดียวท่ีเหมือนกันกับสาร -lactam antibiotics สารอ่ืน ๆ คือวง -lactam ดงันั้นจึงสรุปไดวาโครงสรางท่ีมีผลตอฤทธ์ิทางชีวภาพ (pharmacological activity) ของสารในกลุม -lactam antibiotics ท้ังหมดคือ วง -lactam ไมใชหมูแทนท่ีท่ีตําแหนงท่ีสองหรือหก หรือโครงสรางท่ีเปนวงของ thiazolidine แตอยางใด ท้ังยังมีการสังเคราะหยาในกลุมอ่ืน ๆ ท่ีใหผลในการรักษาท่ีดีเชนกนั เชน Latamoxef และ Lorabid
(313 417 อ. ชนกพร เผาศิริ/ 2551) 19
penicillin V
N
O
HN
O
PhO
H H
S
CO2H
HN
O
HN
O
PhO
H H
S
CO2HOH
HN
O
HN
O
PhO
H H
S
CO2HOtBu
N
O
O CHO
CO2tBu
tbutyl phthalimido- malonaldehyde
D-penicillaminehydrochloride
HCl .H2N
HS CH3
CH3
CO2H
(+/_) valine
H3CCO2H
CH3
NH2
ClCH2COCl
(78-79%)H3C
CO2H
CH3
HN O
Cl
Ac2O
(75%)
N
O
O
CH3
H3C
H3C
1. HCl, H2O, reflux
MeOH (75%)
Me
O
NH
CO2Me
MeHSMe
2. Acetone
(100%)NH
S
CO2H
CH3
CH3
H3C
H3C
HCO2H, Ac2O
(74%)N
S
CO2H
CH3
CH3
H3C
H3C
CHO
isopropylidene-DL-penicillamine
N-formyl isopropylideneDL-penicillamine
การสังเคราะห -lactam antibiotics การสังเคราะห penicillin มีความทาทายเนือ่งจากโครงสรางท่ีมีไครัลคารบอนถึงสามตําแหนง การสังเคราะหโดยกลุมวจิัยของ Sheehan, J. C. แหง MIT ในชวง 1957 (Sheehan, J. C. The Enchanted Ring: The untold Story of penicillin, 1982) นํามาซ่ึงปฎิกิกริยาท่ีนาสนใจและสามารถนํามาประยกุตใชในการสังเคราะหในยุคปจจบัุนได
(313 417 อ. ชนกพร เผาศิริ/ 2551) 20
1. brucine
3. conc. HCl
2N HCl
(99%)N
S
CO2H
CH3
CH3
H3C
H3C
CHO
N-formyl isopropylideneDL-penicillamine
2. resolution
N
S
CO2H
CH3
CH3
H3C
H3C
CHO
N-formyl isopropylideneD-penicillamine
HCl-H2N
HS
CO2H
CH3
CH3
hydrochloride
D-penicillamine
Brucine
NO
O
MeO
MeO
N
H
H
H
H
NaOAc,HCl-H2N
HS
CO2H
CH3
CH3
hydrochloride
D-penicillamine
+
N
O
O
BuO2tC
CHO
tButyl phthalimido
malonaldehydate
EtOH, H2O
D-+ (D-
HNO
N H HS
CO2HOtBu
O
O
1. N2H4
2. HCl, H2O
HNO
ClHH2N H HS
CO2HOtBu
PhOCH2COCl
Et3N (70%)HNO
NH H HS
CO2HOtBu
O
PhO
1. HCl, CH2Cl22. pyr., acetone, H2O
HNO
NH H HS
CO2HOH
O
PhO 1. KOH
2.
(100%)
N C N
NO
NH H HS
CO2K
O
PhO
(10-12 %)
(313 417 อ. ชนกพร เผาศิริ/ 2551) 21
HNO
NH H HS
CO2HOH
O
PhO 1. KOH
2.
N C N
HN
O
H HS
CO2K
N
OPhO
HN
O N
S
OCOOH
Penicillin G
Me3SiCl/TEA
HN
O N
S
OCOOSiMe3
PCl5, pyridine
N
Cl N
S
OCOOSiMe3
BuOHN
OBu N
S
OCOOSiMe3
H3O+
H2N
N
S
OCOOH
6-aminopenicillanic acid (6-APA)
HN
N
S
OCOOH
Methicillin
OMe
OMe
O
HN
N
S
OCOOH
Cloxacillin
Cl
O
N
O
HN
N
S
OCOOH
Ampicillin
N3
O
Pd/C, H2
อนุพันธุอ่ืน ๆ ของ penicillin จะไดมาโดยวธีิ semisynthesis จาก penicillin
(313 417 อ. ชนกพร เผาศิริ/ 2551) 22
H2N
N
S
OCOOH
6-aminopenicillanic acid (6-APA)
1. HONO
2. Br2 N
S
OCOOH
Br
Br
KMnO4
N
S
OCOOH
Br
Br OOPd/C, H2
N
S
OCOOH
OO
Sulbactam
N N
NN
CH3
N N
NN
CH3
HN
N
O
Cephalosporin C
H HS
OAc
CO2H
OHOOCNH2
1. NOCl
2. H3O+
H2N
N
O
7-aminocephalosporanic acid (7-ACA)
H HS
OAc
CO2H
HN N
NN
S
CH3
H2N
N
O
H HS
CO2H N N
NN
S
CH3
1.
2. Zn
Ph
OCOCHCl2
COCl
HN
N
O
H HS
CO2H N N
NN
S
CH3
O
OH
Cefamandole
S
COCl
HN
N
O
H HS
OAc
CO2H
S
O
Cephalothin
N
HN
N
O
H HS
CO2
S
O N
Cephaloridine
(313 417 อ. ชนกพร เผาศิริ/ 2551) 23
N
S
OCOOPNB
O
NCS
2. TiCl4
Cefaclor
HN
O
ON
S
O
COOPNB
O
HN
O
PhO Cl
ZnCl2
N
S
O
COOPNB
O
HN
O
PhO
1. PCl5/ pyr.
N
S
O
COOPNB
HN
O
PhO
OH
1. O3
2. Hydrolysis
N
S
O
COOPNB
H2N
Cl
Ph
NHtBoc
CO2H1.
2. TFA
3. H3O+
N
S
O
COOH
HN
ClO
NH2
BnNH2
2. Pd/C, H2
1. HCl
O
CO2Et CO2Et
NHBn
CO2Et CO2Et
O
ONBn
CO2Et CO2Et
O
NaCNBH4
NHBn
CO2Et CO2Et
OH
O
O
CO2H
NH2
BnOH
HClCO2H NH2
CO2Bn
OH
การสังเคราะห imipenem
(313 417 อ. ชนกพร เผาศิริ/ 2551) 24
CO2H NH2
CO2Bn
OH
DCC
NH
CO2Bn
OH
O
2. Pd/C, H2
1. TMSCl
N
CO2H
OH
O TBDMS
O
O
O
O
1. CDI2. PNBOH3. HCl
NH
OH
O
O
CO2PNB
DEAD
PPh3
NH
OH
O
O
CO2PNB
TsN3
NH
OH
O
O
CO2PNBN2
Rh(OAc)2
NH
OH
O
O
CO2PNB
N
OH
O
O
CO2PNB
(PhO)2POCl
2. NaOH3. HCl
N
OH
O
OPO(OPh)2
CO2PNB
i-Pr2NEt
HS
HN
N
H
SiMe3N
OH
O
CO2H
S
HN
NH
H
Imipenem
1.
(313 417 อ. ชนกพร เผาศิริ/ 2551) 25
1. SOCl2/ MeOH
2. NH3OH
H2N
O
BzOCOCl
PySO3
OH
NH2
H2N
O
OH
NH2
BzOCOHN
O
OH
MsCl
NH2
BzOCOHN
O
OSO2CH3
NHSO3
BzOCOHN
O
OSO2CH3KHCO3
NBu4NSO3
BzOCOHN
O
Pd/C, H2
NSO3H
BzOCOHN
O
N
S
H2N
N
CO2H
O
CO2Bz
1. DCC
2. TFA
N
S
H2N
N
C
O
CO2H
NSO3H
HN
OO
aztreonam
การสังเคราะห imipenem
(313 417 อ. ชนกพร เผาศิริ/ 2551) 26
(L-AAA)L--Aminoadipic Acid
H2NCOOH
COOH
L-Cysteine
H2NSH
COOH
L-Valine
H2N
COOH
NAD+
NH2 NH2HO2C
L-Lys
NH2 OHO2C
-aminoadipic acid-semialdehyde
(L-AAA)L--Aminoadipic Acid
H2NCOOH
COOHNHO2C
piperideine-
6-carboxylic acid
การผลิต Penicillinในระบบอุตสาหกรรม (Ref : Elander, R. P Appl. Microbiol. Biotechnol. 2003, 61, 385-392)
เร่ิมจากการหมักจุลินทรีย Penicillium chrysogenum มีการควบคุมท้ังในเร่ืองของอุณหภูมิ, pH, การละลายของ O2, CO2, glucose หรือ sucrose, แอมโมเนยี เปนตน สารต้ังตนเชน phenylacetic acid (สําหรับสังเคราะห Penicillin G) หรือ phenoxyacetic acid (สําหรับสังเคราะห Penicillin V) ถูกเติมเขาไปในระบบ หลังจากการหมักสมบูรณ สารผสมท้ังหมดจะถูกสกัดท่ีสภาวะท่ีเปนกรดโดย organic solvents ( amyl, butyl หรือ isobutyl acetate) สารพวก pigments และ impurities ถูกกําจัดออกไปโดย activated charcoal แลวทําการตกผลึก Penicillin โดยการเติม potassium acetate แลวลางดวย organic solvent ใหบริสุทธ์ิ
วิถีชีวสังเคราะหของ Penicillin ไดมีการศึกษาจนไดรูเอนไซมท่ีเกี่ยวของในแตละข้ันตอนแลว สารต้ังตนท่ีใชในการสังเคราะห Penicillin ประกอบดวย กรดอะมิโนสามชนิดคือ กรดอะมิโน L-AAA สังเคราะหไดจากกรดอะมิโน L-Lysine โดยใชเอนไซม transamidase ใหไดเปน aminoadipic acid semialdehyde จากน้ันเปนปฎิกิริยา addition และตามดวย hydrolysis ของ imine ไดเปน aminoadipic acid
(313 417 อ. ชนกพร เผาศิริ/ 2551) 27
HO2C
NH2R
H
N
C
OH
HO
PO
CH3
PLP
-H2O
N
HC
OH
N
PO
CH3
CO2HR
H
H N
HC
OH
N
PO
CH3
CO2HR
H
H
N
H2C
OH
N
PO
CH3
CO2HR
+H2O
N
H2C
OH
O
PO
CH3
CO2HR
NH2
ACV
H2N
COOH
NH
SH
ONHO
COOH
Module1 Module2 Module3 release
A PCP C A PCP C A PCP C E TE
A: adenylation domain
PCP: peptidyl carrier protein domainC: condensation domainE: epimerization domainTE: thioesterase domain
S
O
CO2H
H2N
S
O
H2N HS
S
O
H2N
D
O2
NH
S
NHO
COOH
D
Fe
O
EnzNH
S
NO
COOH
D
Fe
OH
Enz
isopenicillin N
เอนไซม transamidase จะใช pyridoxal 5’ phosphate เปน coenzyme
(313 417 อ. ชนกพร เผาศิริ/ 2551) 28
NH
SH
NH
O
O O
OH
H3C CH3
PO
PO
O
O
O
O
ON
N
N
N
OHO
PO
O O
H2N
Coenzyme A
CysteaminePantathenic acid A
cyl c
arri
er
isopenicillin N
N
O
HN
O
H H
S
CO2H
CO2H
H2N
hydrolysis
PhCH2COSCoA
N
O
HN
O
H H
S
CO2Hpenicillin G
N
O
H2N H H
S
CO2H
6-aminopenicillinic acid(6-APA)
ในระบบชีวภาพจะทําการกระตุนกรดคารบอกซิลใหอยูในรูปของ thioester โดยใช coenzyme A
(313 417 อ. ชนกพร เผาศิริ/ 2551) 29
isopenicillin N
N
O
HN
O
H H
S
CO2H
CO2H
H2N
epimerase
penicillin N
N
O
HN
O
H H
S
CO2H
CO2H
H2N
N
O
HN
O
H HS
O2/2-oxoglutarate
N
O
HN
O
H HS
OH
O2/2-oxoglutarate
acetyl-CoA
N
O
HN
O
H HS
OAc
cephalosporin C deacetylcephalosporin C
FeII
O2H
His
Glu O
OHis
COOH
O
RH2
H2O
5-Coordinatespecies
O2
CO2
FeIV
O
His
Glu OR
OR'His
RH2
FeIII
OH
His
Glu OR
OR'His
RH
Rebound
H-abstraction
FeII
His
Glu OR
OR'HisROH
FeII
OH2
His
Glu OR
OR'HisR (=)
วิถีชีวสังเคราะหของ cephalosporin จะเกี่ยวของกับการสังเคราะหของ penicillin โดยมีข้ันตอนของการขยายวงแหวนหาเหล่ียม ซ่ึงอาจจะเกิดผานกลไกของอนุมูลอิสระ ตามดวยปฏิกิริยาไฮดรอกซิลเลชัน ของหมูเมทิล
(313 417 อ. ชนกพร เผาศิริ/ 2551) 30
N
N
N
N
H2C NH
OH
H2N
C
O
NH CH
CH2
CH2
COOH
COOH
6-Methylpterin p-aminobenzoic acidGlutamate
Pteroylglutamic acid (folic acid)
NH2
CO OH
p-aminobenzoic acid(PABA)
NH2
SO NH2
O
sulfanilamide
(pKa = 10.4)
Sulfonamide Antibiotics
สารในกลุมนีจ้ะทําหนาท่ียบัยั้งเอนไซมท่ีใชในการสราง Pteroglutamic acid (folic acid) โดยเอนไซมท่ีถูกยับยั้งจะเปนเอนไซมท่ีช่ือ dihydropteroate synthetase ซ่ึงจะเปนเอนไซมท่ีทําหนาท่ีนําเอาโครงสรางของ PABA (p-aminobenzoic acid) เขาไปรวมในโครงสรางของกรดโฟลิก กรดโฟลิกหรือวิตามินบีหก มีความสําคัญในการแบงเซลลหรือการเจริญเติบโตของท้ังแบคทีเรียและสัตวเล้ียงลูกดวยนม ในขณะท่ีแบคทีเรียตองสังเคราะหกรดโฟลิกข้ึนเองจากกรดอะมิโนท่ีดึงไปจาก host ในสัตวเล้ียงลูกดวยนมจะไดรับกรดโฟลิกมาจากอาหาร ดังนั้นสารยับยั้งเอนไซมท่ีใชในการสังเคราะหกรดโฟลิกในแบคทีเรียจึงจดัไดวาเปนสารปฎิชีวนะท่ีไมสงผลกระทบตอมนุษย เนื่องจากโครงสรางของยาท่ีไมซับซอนมากนัก การสังเคราะหยาในกลุมนี้จึงไมมีปฎิกิริยาท่ีหลากหลายข้ันตอน การรักษาโรคจากเช้ือแบคทีเรียบางอยาง เชน โรคติดเช้ือของแผลเปนหนอง (ulcerative colitis) สามารถทําไดโดยการใชยา sulfasalazine หรือ olsalazine นอกจากนี้ยังมียาในกลุมท่ีเปนยาขับปสสาวะเชน chlorphenamide ท้ังยังมียาจําพวกท่ีใชรักษาโรคเบาหวานในกลุมของ sulfonylureas ซ่ึงมีกลไกในการออกฤทธ์ิตางจากยาท่ีเปนยาปฎิชีวนะ
(313 417 อ. ชนกพร เผาศิริ/ 2551) 31
NH
H3C
O
Acetanilide
HSO3ClNH
H3C
O
SO2Cl
1) NH3
2) H3O+1) RNH2
2) H3O+
H2N SO2NHR H2N SO2NH2
Sulfanilamide
H2N SO2NH2
Sulfanilamide
N
H2N
H2N SHN
O
O N
HONO
HO2C
HO
N SHN
O
O N
N
HO2C
HO
Sulfasalazine (Prodrug for Ulcerative Colitis)
NH2
HO2C
HO
4-Aminosalicyclic acid (Active metabolite)
NH2HO
Olsalazine
H3CO2C
NHO
H3CO2C
OH
CO2CH3
N
1. HNO2
2. methyl salicylate3. H3O+
(313 417 อ. ชนกพร เผาศิริ/ 2551) 32
Cl
HSO3Cl
Cl
SO2Cl
SO2Cl
NH3
Cl
SO2NH2
SO2NH2
Chlorphenamide
1) HSO3Cl
Furosemide
2) NH3Cl Cl
CO2H
Cl Cl
CO2HH2NO2S
2,4-Dichlorobenzoic acid
ONH2
Cl NH
CO2HH2NO2S
O
Cl F
CN
Benzonitrile
Cl NH
S
N N
NH
N
Azosemide
แบบฝกหัดท่ี 4 จงออกแบบขั้นตอนในการสังเคราะห azosemide จาก benzonitrile พรอมท้ังระบุรีเอเจนตท่ีเหมาะสมดวย (ขอสังเกต: tetrazole ถือวาเปน bioisosteric ของ carboxyl เนื่องจากมีคา pKa ใกลเคียงกัน)
(313 417 อ. ชนกพร เผาศิริ/ 2551) 33
HNC
O
H3C
2-Phenyl ethylamine
1) HSO3Cl
2) NH33) OH-
H2N
S
O
O
NH2
Cl COCl
OCH3
NH
S
O
O
NH2
O
Cl
OMe
N C O
S
O
O
NH C
O
HN
Glyburide (Micronase)
H3C SO2NH2 H3C S
O
O
NH C
O
OC2H5
Tolazamide
C
O
Cl OC2H5
NH2N
H3C S
O
O
NH C
O
HN
N