Общие сведенья о пенициллине

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

"Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)"

Направленность Биотехнология

Факультет Химической и биотехнологии

Кафедра Молекулярной биотехнологии

Учебная дисциплина Химия биологически активных веществ

Курсовая работа

Тема: Пенициллин

Студент Уланова Я. К.

Курс 4 Группа 2892

Руководитель д. х. н., проффесор А.И. Гинак

Санкт-Петербург 2021



ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ

Министерство образования и науки Российской Федерации

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

"Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)"

Направленность Биотехнология

Факультет Химической и биотехнологии

Кафедра Молекулярной биотехнологии

Учебная дисциплина Химия биологически активных веществ

Курс 4 Группа 2892

Студент: Уланова Яна Константиновна.

Тема курсовой: Пенициллин

Исходные данные к работе (источники)

Арзамасцев А.П. Фармацевтическая химия, 2004

Журнал «Биология», № 19, 2000 г., раздел «История науки», автор: Р.А. Чаурина

Юрий Анатольевич Овчинников. Биоорганическая химия. Москва, "Просвещение" 1987.

Перечень вопросов, подлежащих разработке:

Введение

Теоретическая часть

Практическая часть

Вводы

Требования к аппаратному и программному обеспечению:

Требования к аппаратному обеспечению не предъявляются.

Программное обеспечение: операционная система Microsoft Windows, текстовый процессор Microsoft Office Word 2016.

Дата выдачи задания 09.11.2021

Срок представления работы к защите:

Заведующий кафедрой Д.О. Виноходов (подпись, дата) (инициалы, фамилия)

Лектор, должность А. И. Гинак (подпись, дата) (инициалы, фамилия)

Руководитель, должность А.И. Гинак (подпись, дата) (инициалы, фамилия)

Задание принял к выполнению Уланова Я. К. (подпись, дата) (инициалы, фамилия)



Содержание

Введение

1. Теоретическая часть

1.1 Краткая история исследования антибиотиков и история открытия пенициллина

1.2 Свойства и строение пенициллина

2. Практическая часть

2.1 Физико-химические свойства пенициллинов

3. Практическая часть

3.1 Производство пенициллина

Выводы

Список литературы



Введение

Биотехнология - наука, изучающая применение биологических организмов и продуктов их жизнедеятельности в производственных целях. Эта наука включает в себя молекулярную биологию, биохимию, биоинженерию и другие научные области, основанные на химии и биологии.

Ввиду больших возможностей для применения продуктов биотехнологии в различных областях, биотехнология тесно связана с пищевой промышленностью, сельским хозяйством, фармакологией, медициной и другими областями.

Один из самых ярких примеров применения биотехнологии в медицине - синтез антибиотиков и, в частности, пенициллина. Именно с его открытия началось массовое исследование антибиотиков.

В данной работе мы рассмотрим общие сведенья о пенициллине, историю открытия, рассмотрим их структуру, синтез, требования к питательной среде, а также технологию производства, оптимальные условия выделения, очистки и хранения этого вещества.



1. Теоретическая часть

1.1 Краткая история исследования антибиотиков и история открытия пенициллина

Пенициллин - антимикробный препарат, или антибиотик, открыток британским учёным Александром Флемингом в 1928 году.

Антибиотик - это препарат, препятствующий размножению микроорганизмов. Они делаться на два типа:

1) Бактериостатические - останавливают распространение микробов;

2) Бактерицидные - вызывают гибель микроорганизмов.

К антибиотикам относятся продукты растительного и животного происхождения, которыми люди пользовались за долго до открытия пенициллина. Например, в народной медицине чеснок или корень хрена являются известными противопростудными средствами, борющиеся против респираторной инфекции.

Научные исследования антибиотиков так же начались раньше 1928 года.

Одни из самых первых записей, связанных с изучением препаратов, останавливающих инфекции, датируются 1877 годом, за авторством Л. Пастером и С. Джеберт сообщили о ингибиторном свойстве некоторых сапрофитных бактерий на возбудитель сибирской язвы. [1]

Само название «антибиотики» зародилось позже, в 1889 году, когда французский микробиолог Вьюмен сформулировал следующее утверждение:

«Когда одно живое тело оказывает на расстоянии разрушительное действие на другое за счет выделяемых им химических веществ, то можно сказать, что происходит антибиоз (греч. anti - против и bios - жизнь)». Отсюда в дальнейшем и пошло название «антибиотики».[1]

Но целенаправленное массовое исследование антибиотиков началось именно после открытия пенициллина.

Пеницилл (также пеницимллий или пеницимллиум) - род грибов- аскомицетов (сумчатые грибы с разъединённым на части грибницей (мицелием) и специфическими органами спороношения - асками (или сумками) [2]

Этот род включает в себя, например, Penicillium roqueforti и P. Camemberti, которые используются в сыроварении. Один из наиболее распространённых видов рода - Penicнllium chrysуgenum, который, собственно, продуцирует пенициллин.

Александром Флемингом же обнаружил штамм плесени Penicillium Notatum, поразивший некоторые колонии стафилококковых культур, оставленные им в лабораторных чашках. Около пятен плесени Александр заметил область, в которой бактерий не было. Это позволило ему сделать вывод о том, что плесень вырабатывает убивающее бактерии вещество.

Однако, он не предал важного значения этому случайному случаю и не стал развивать проект. Вместо него, это сделали Говард Флори и Эрнст Чейн. В 1940 г. они выделили препарат в чистом виде и изучили его терапевтические свойства. [3]

В СССР пенициллин появился несколько позже, в 1943 году. Так как Америка и Англий, которые уже имели пенициллин для внутреннего использования, отказывались продавать его СССР под разными предлогами, разработку отечественного препарата поручили советской учёной Зинаиде Виссарионовне Ермольевой. Ввиду активных боевых действий, разработка антибиотика происходила в подвале бомбоубежища. Многочисленная серия опытов дала результат лишь на 92-й раз - из плесени, соскобленной со стен бомбоубежища. Так появился препарат «Крустозин», который был выведен из штампа Penicillium crustosum. [4]

В 1943 году прошли его клинические испытания на тяжелораненых. «Первый советский пенициллин-крустозин, который мы получили в нашей лаборатории, творил чудеса. Он значительно задерживал рост микробов, вызывающих заражение крови, воспаление лёгких и газовую гангрену», - писала Зинаида Виссарионовна.

В 1944 году в Москву приехал создатель американского пенициллина профессор Говард Флори. На Западе ещё не знали о разработке советского пенициллина, и Флори по секрету рассказал Ермольевой о создании им чудодейственного препарата и даже предложил на пробу несколько его доз. Зинаида Виссарионовна спокойно сообщила ему о том, что она получила пенициллин самостоятельно.

Флори предложил провести сравнительные испытания американского и советского препаратов. В Яузском госпитале отобрали 12 тяжелораненых, и шесть из них получали импортный антибиотик, а шесть - отечественный пенициллин-крустозин. Клинические испытания показали, что наш препарат является более эффективным при меньшей дозировке. [4]

1.2 Свойства и строение пенициллина

Пенициллины -- антимикробные препараты, относящиеся к классу в-лактамных антибиотиков. Бета-лактамы - это лактам (циклический амид) содержащие гетероциклическое кольцо из трёх атомов углерода и одного атома азота.

Бета-лактамы являются наиболее многочисленной группой из применяемых в клинической практике противомикробных лекарственных средств. К бета-лактамам относятся пенициллины, цефалоспорины, карбапенемы и монобактамы.



Кроме бета-лактамного кольца, пенициллин содержит тиазолидиновое кольцо. Любые превращения, приводящие к расщеплению одного из этих циклов приводят к утрате антимикробной активности.

Изображение сверху, это -- 6-аминопенициллановая кислота (6-АПК) Основой молекулы всех.

Исходя из этого, общая формула пенициллинового ряда выглядит следующим образом:



Основу пенициллиновых молекул составляет четырехчленное В-лактамное кольцо, соединенное с пятичленным тиазолиновым циклом, а радикал R («боковая цепь») может быть различным.

Наиболее активный и, по факту, единственный природный пенициллин -- бензилпенициллин:



2. Практическая часть

2.1 Физико-химические свойства пенициллинов

Пенициллины представляют собой твёрдые вещества белого цвета (табл. 1). Растворимость в воде и других растворителях зависит от того, в какой форме (кислотной или солевой) находится вещество и от природы катиона, входящего в состав солевой формы.

Химические свойства: [5]



Для пенициллинов характерны:

1) Кислотные свойства пенициллинов обусловлены карбоксильной группой. Величина pKa (константа кислотности ) данной группы приблизительно равна 2,5. Аминопенициллины являются амфолитами (в зависимости от условий проявляют кислотные или основные свойства).

2) Способность к реакциям SN (Реакции нуклеофильного замещения -- реакции замещения, в которых атаку осуществляет нуклеофил -- реагент, несущий неподеленную электронную пару) - К имеющим практическое значение реакциям нуклеофильного замещения с участием пенициллинов относятся гидролиз данных веществ и образование гидроксамовых кислот.

Гидролиз пенициллинов может происходить в присутствии ферментов в-лактамаз (разрушение в-лактамного цикла) и амидаз (гидролиз амидной связи в 6-м положении), а также кислот и щелочей. При действии в-лактамаз микроорганизмов пенициллины превращаются в неактивные пенициллоиновые кислоты. Гидролиз бензилпенициллина под действием амидаз используется для получения полусинтетических пенициллинов

В щелочной среде вначале происходит расщепление в-лактамного цикла, а затем декарбоксилирование и расщепление тиазолидинового цикла.

3) Восстановительные свойства, обусловленные атомом серы - Пенициллины реагируют с аммиачным раствором оксида серебра, реактивами Фелинга, Несслера и т.д. При взаимодействии пенициллинов с окислителями образуются сульфоксиды, сульфоны, кроме того, происходит расщепление тиазолидинового кольца и окисление продуктов, содержащих альдегидные и меркаптогруппы.

4) Реакции в ацильном остатке. Пенициллины вступают в реакции с реактивом Марки (концентрированную серную кислоту с добавлением формалина в соотношении 25:1, либо 1 капля формалина на 1 миллилитр серной кислоты)



3. Практическая часть

3.1 Производство пенициллина

Производство пенициллина очень важная задача, ввиду его высокой эффективности. Пенициллин получают путем микробиологического синтеза. Аппаратурно-технологическая схема получения пенициллина. [7]

Сам процесс можно разделить на следующие этапы:

1) Подготовка питательной среды.

2) Процесс ферментации.

3) Удаление мицелия из метаболической жидкости и очистка концентрированного пенициллина.

4) Получение готового продукта.

Условия культивирования пинициллинов следующие: [8]

Продуцент - Penicillium chrysogenum. Это один из наиболее продуктивных продуцентов, даёт, в среднем 900 оксф. ед. на 1 мл. Второй по продуктивности является штамм Penicillium notatum. Эти два штамма наиболее часто используются как продуценты. [9]

Для получения пенициллина вначале размножают споры. Их можно выращивать на агаризированных средах. в состав которых входят, например, 0,5% мелассы, 0,5% пептона, 0,4% поваренной соли, 0,01% однозамещенного фосфата калия и 0,005% сульфата магния. Споры выращивают при температуре 25--27°С 4--5 сут. [10]

Затем полученный споровый материал используют для засева инокуляторов (1--3 флакона на аппарат, где мицелий размножают до количества 5--10% от объема посевных ферментеров.)

Состав питательной среды для мицелия должен включать кукурузный экстракт, гидрол, лактозу и минеральные соли, в качестве углеводов лучше использовать сахарозу или смесь лактозы с глюкозой. Однако, глюкоза стоит добавлять очень осторожно, т.к она снижает биосинтез антибиотика. Растительное сырье характеризуется не только наличием органического азота, оно содержит дополнительный углерод, входящий в состав аминокислот, полипептидов и белков, а также минеральные элементы, витамины и ростовые вещества.

Наиболее благоприятное значение рН для роста мицелия лежит между 6,0-6,5. При более кислом или более щелочном рН рост и развитие микроорганизма замедляются.

Продуценты пенициллина являются типичными аэробами и требуют для своего роста и развития наличия кислорода. Для получения высокопродуктивного посевного мицелия наряду с оптимальной питательной средой необходимо обеспечить и достаточное снабжение гриба. В процессе производства пенициллина выращивание посевного мицелия осуществляют при непрерывном перемешивании и бесперебойной подаче воздуха в аппараты в количестве 1,2-1,5 объема воздуха на 1 объем среды в минуту. [7]

Обязательным компонентом является предшественник, химическая структура которого сходна с соответствующим данному антибиотику радикалу в положении 6. В частности, при производстве бензилпенициллина предшественником служит фенилуксусная кислота или ее производные, в частности - её амид.

;

Процесс ферментации осуществляется в строго стерильной, глубинной, аэробной и периодической культуре и носит выраженный двухфазный характер. Первая фаза сбалансированного роста (тропофаза) характеризуется быстрым накоплением биомассы продуцента на фоне исчерпания углеродного субстрата, а также азота, фосфатов и др. Первая стадия производства полусинтетических пенициллинов состоит из биосинтеза 6-АПК. [11] антибиотик пенициллин антимикробный культивирование

При этом может наблюдаться некоторое изменение величины рН; синтез антибиотиков не наблюдается или имеет место в незначительных количествах.

На второй стадии осуществляется ацилирование амина в молекуле 6-. На основе 6-АПК синтезировано большое количество (более 20 тысяч) полусинтетических пенициллинов, представляющих собой ацильные производные.

На второй фазе (идиофаза) прирост биомассы прекращается, и может иметь место некоторое падение концентрации клеток в культуре в результате гибели и лизиса некоторой части популяции. При этом среда обогащается продуктами обмена и продуктами автолиза погибших клеток, и начинается активный процесс синтеза антибиотиков. [10]

Обычно для отделения мицелия от культуральной жидкости применяют вакуум-барабанные фильтры непрерывного действия.

Охлаждение нативного раствора до 4-6°С и систематическая после каждой загрузки обработка фильтра, коммуникаций и сборников антисептиками, например, хлорамином - поможет предотвратить разрушению пенициллина во время фильтрации. Нативный раствор содержит 3-6% сухих веществ. На минеральные вещества приходится 30-40% сухого остатка, от 15 до 30% приходится на пенициллин. [11]

Для выделения пенициллина из этой сложной смеси можно пользоваться методами, основанными на адсорбции, экстракции или осаждении. К растворителям, применяемым для экстракции пенициллина, предъявляются следующие основные требования:

1) малая растворимость в воде;

2) отсутствие взаимодействия с пенициллином;

3) низкая упругость пара при температуре 5--30°С;

4) возможность регенерации при температуре не выше 120 -- 140°;

5) низкая стоимость.

При кислых значениях рН пенициллин нестабилен, поэтому при экстракции пенициллина в органический растворитель необходимо строго контролировать рН, поддерживая его в пределах 1,9-2,0, проводить экстракцию в возможно короткое время, охлаждать жидкости. [11]

Выделение кристаллических солей пенициллина осуществляется следующими надежным методом, обеспечивающим получение кристаллического пенициллина хорошего качества, является выделение бензилпенициллина из бутилацетатного экстракта в виде концентрированного водного раствора калиевой соли с последующим упариванием воды с бутанолом под вакуумом, что приводит к кристаллизации калиевой соли из бутилового спирта. [11]

Важнейшим требованием, предъявляемым к получаемому сухому порошку пенициллина, является его полная стерильность. Термическая обработка препарата недостаточна. Стерильность может быть обеспечена лишь при проведении заключительных стадий процесса в строго асептических условиях, исключающих возможность заражения продукта микроорганизмами и их спорами. [11]



Выводы

Именно с открытия пенициллина, как лекарственного средства, началось массовое исследование антибиотиков. Сейчас уже открыты куда более действенные антибиотики, данные препарат всё ещё производится в большом количестве.

Производство полусинтетического пенициллина невероятно требовательная и непростая технология. Любая неточность на любой из стадий может привести к снижению производства продукта, а нарушение стерильных условий - и вовсе, привести весь конечный продукт в негодность.

Однако, высокая эффективность этого лекарство полностью оправдывает предъявленные высокие требования к процессу его производства.



Список литературы

1. А. Н. Сизенцов, И. А. Мисетов, И.Ф. Каримов. АНТИБИОТИКИ И ХИМИОТЕРАПЕВТИЧЕСКИЕ ПРЕПАРАТЫ. Рецензент - С. В. Лебедев. Оренбург. 2012. стр 19-20.

2. Журнал «Биология», № 19, 2000 г., раздел «История науки», автор: Р.А. Чаурина. Стр 12-13

3. Курский государственный медицинский университет(КГМУ). Биотехнологический факультет; Кафедра биологической и химической технологий. «Свойства и получение антибиотиков пенициллинового ряда». Методичка

4. ФГБОУ ВО Астраханский ГМУ Минздрава России Кафедра фармакогнозии, фармацевтической технологии и биотехнологии. «Антибиотики как биотехнологические продукты». Сальникова Н.А. 7.05.2020. стр 13.

Размещено на Allbest.ru