β-内酰胺酶，属Bush分类三群，Ambler分类B类，该群酶最大特点是可以水解碳青霉烯类等抗生素，而对哌拉西林和氨曲南影响较小，其活性不被克拉维酸等β-内酰胺酶抑制剂所抑制，但可被乙二胺四乙酸（EDTA）所抑制。

概况

应用

检测

发现和分布

生化性质((1) 3a 亚群 (2) 3b 亚群 (3) 3c 亚群)

抗菌作用

影响要素

细菌耐药

非法使用

概况

β-内酰胺酶（β-lactamase）

细菌产生的能水解β-内酰胺类抗生素的本科，可水解β-内酰胺类抗生素。已发现二百多种β-内酰胺酶。青霉素酶的分类方法主要有两种，分子生物学方法和BUSH法。分子生物学法将酶分为四类。A类酶包括多种质粒编码的青霉素酶，活性部位为丝氨酸残基，分子量为29kDa。B类酶为金属酶，由染色体或质粒编码，酶活性需锌离子参与，可被乙二胺四乙酸（EDTA）抑制。C类酶的活性部位为丝氨酸残基，分子量为39kDa，其产生与诱导剂有关。C类酶主要指染色体编码的头孢菌素酶（AmpC酶）。D类酶又称为OXA型（水解苯唑西林）β-内酰胺酶。另一种分类方法为BUSH分类法，依底物及抑制剂谱不同，也将酶分为4类。第一类为头孢菌素酶（AmpC酶），由染色体介导。第二类为青霉素酶和超广谱酶。第三类为金属酶。第四类为其它不能被克拉维酸完全抑制的青霉素酶。

β-内酰胺酶是抗生素的一种。在食品中作为解抗剂。但是“生鲜牛乳抗生素分解剂”的主要成分β-内酰胺酶是中国不允许使用的食品添加剂。β-内酰胺类抗生素系指化学结构中具有β-内酰胺环的一大类抗生素，包括临床最常用的青霉素与头孢菌素，以及新发展的头霉素类、硫霉素类、单环β-内酰胺类等其他非典型β-内酰胺类抗生素。此类抗生素具有杀菌活性强、毒性低、适应症广及临床疗效好的优点。本类药化学结构，特别是侧链的改变形成了许多不同抗菌谱和抗菌作用以及各种临床药理学特性的抗生素。

应用

β-内酰胺酶的应用：

1.环境中残留β-内酰胺类抗生素的清除。

2.医疗器械残留β-内酰胺类抗生素的清除。

3.β-内酰胺类抗生素效价测定中本底的清除。

4.β-内酰胺类抗生素微生物限度检验及无菌检测。

检测

β-内酰胺酶的检测：

牛奶中β-内酰胺酶的检测，目前可行方法有微生物培养法及碘量法。

微生物培养法：利用克拉维酸、舒巴坦的特异性抑制β-内酰胺酶的特点做细菌培养，通过测量抑菌圈得出结果。该方法可以检测出牛奶中未反应完全（未失活）的β-内酰胺酶，可用于检测未经过任何加工的牛奶。检出限较低。

碘量法：利用β-内酰胺类抗生素的水解产物青霉噻唑酸与淀粉竞争游离碘，通过观察颜色可得出结果，建议实验过程中使用阴性和阳性对照样，以便更准确的判断。该方法可检出牛奶中已反应及未反应的β-内酰胺酶，可用于检测鲜奶及奶制品中的β-内酰胺酶。检出限较高。

人β-内酰胺酶的检测，由于人体内产生的人β-内酰胺酶只有一种，并不像牛奶中β-内酰胺酶那样复杂，故可用酶联免疫法检测。检出限根据各厂家产品不同略有差异，但一般为纳克级。（目前牛奶中β-内酰胺酶较复杂，种类繁多，无法判断出是哪类β-内酰胺酶固不可用酶联免疫法）

发现和分布

第一个报道的金属酶是从蜡样芽孢杆菌( Bacill us cereus) 中发现的，该酶为锌依赖酶。20 世纪80 年代初期日本从嗜麦芽窄食单胞菌中鉴定出第二种锌依赖青霉素酶L1 型酶，随后又从嗜水气单胞菌和脆弱拟杆菌中鉴定出多种能水解亚胺培南的金属酶。这些酶都由染色体基因编码。该类金属酶分布在蜡样芽孢杆菌、嗜麦芽窄食单胞菌、脆弱拟杆菌、气单胞菌属和戈氏军团菌中，除嗜麦芽窄食单胞菌外，在临床上都极为罕见，而且都是单株散发的。

1991 年日本学者在铜绿假单胞菌中发现了第一种质粒介导的金属酶( IMP21),不久又从脆弱拟杆菌中发现了一种可转移金属酶,这两个酶的发现意味着金属酶已经从单株散发向随机分布过渡。现在已报道了10多种可转移金属酶： IMP21～8 和VIM21～3,分布在铜绿假单胞菌、不动杆菌和肠杆菌科细菌中，地域分布上已经不再局限于日本,现已分布至亚洲、欧洲和美洲的多个国家。

生化性质

1995 年Bush 等将金属酶全部归入功能类型3群，主要分类依据为：能被金属螯合剂螯合，不被β-内酰胺酶抑制剂克拉维酸、舒巴坦和三唑巴坦抑制。当时没有再作进一步分类。随着金属酶报道的增多，1997 年Rasmussen 和Bush 将金属酶按功能分成三个亚群：3a 、3b 和3c。

(1) 3a 亚群

绝大多数金属酶属于3a 亚群。其特点是底物谱宽，水解青霉素的速度与水解亚胺培南的速度相近或更快，还能有效水解头孢菌素，因此，3a亚群金属酶是β2内酰胺酶中最危险的单一酶种。许多3a 亚群酶需添加Zn2 才能达到最大活性或被激活，提示该亚群与Zn2 的亲和力低。

(2) 3b 亚群

分布于气单胞菌中，包括亲水气单胞、杀蛙气单胞、温和气单胞和简达气单胞菌。特点是底物特异性高，优先水解碳青霉烯，弱水解青霉素（A2h 除外） 和头孢菌素，不水解nitrocefin,因此不能用nitrocefin 纸片法检出。等电聚焦电泳和凝胶柱层析时必须用亚胺培南作底物才能检测到。能被EDTA抑制，加EDTA 后，再加Zn2 又可恢复酶活性。高浓度Zn2 可增加酶活性而在低浓度时酶活性受抑制。当Zn2 在15μmol 或更低时，至少有3 种3b 酶的活性受抑制。

(3) 3c 亚群

只有一种，来源于戈氏军团菌，至今尚未命名。能高效水解头孢菌素和碳青霉烯。这三群金属酶不水解氨曲南，不被克拉维酸、舒巴坦和三唑巴坦抑制，水解较新的碳青霉烯的能力比水解亚胺培南弱（3a 亚群的Bacill us cereus Ⅱ和3b 亚群的AsbM1除外）。

抗菌作用

各种β-内酰胺类抗生素的作用机制均相似，都能抑制胞壁粘肽合成酶，即青霉素结合蛋白从而阻碍细胞壁粘肽合成，使细菌胞壁缺损，菌体膨胀裂解（胞壁粘肽合成过程见三十七章）。除此之外，对细菌的致死效应还应包括触发细菌的自溶酶活性，缺乏自溶酶的突变株则表现出耐药性。哺乳动物无细胞壁，不受β-内酰胺类药物的影响，因而本类药具有对细菌的选择性杀菌作用，对宿主毒性小。近十多年来已证实细菌胞浆膜上特殊蛋白PBPs是β-内酰胺类药的作用靶位，PBPs的功能及与抗生素结合情况归纳于。各种细菌细胞膜上的PBPs数目、分子量、对β-内酰胺类抗生素的敏感性不同，但分类学上相近的细菌，其PBPs类型及生理功能则相似。例如大肠杆菌有7种PBPs，PBP1A，PBP1B与细菌延长有关，青霉素、氨苄西林、头孢噻吩等与PBP1A、PBP1B有高度亲和力，可使细菌生长繁殖和延伸受抑制，并溶解死亡，PBP2与细管形状有关，美西林、棒酸与硫霉素（亚胺培南）能选择性地与其结合，使细菌形成大圆形细胞，对渗透压稳定，可继续生几代后才溶解死亡。PBP3功能与PBP1A相同，但量少，与中隔形成，细菌分裂有关，多数青霉素类或头孢菌素类抗生素主要与PBP1和（或）PBP3结合，形成丝状体和球形体，使细菌发生变形萎缩，逐渐溶解死亡。PBP1，2，3是细菌存活、生长繁殖所必需，PBP4，5，6；与羧肽酶活性有关，对细菌生存繁殖无重要性，抗生素与之结合后，对细菌无影响。

影响要素

革兰阳性菌与阴性菌的结构差异甚大，β-内酰胺类各药与母核相联接的侧链不同可影响其亲脂性或亲水性。有效药物必需能进入菌体作用于细胞膜上的靶位PBPs。

影响抗菌作用的主要因素：

①药物透过革兰阳性菌细胞壁或阴性菌脂蛋白外膜（即第一道穿透屏障）的难易；

②对β-内酰胺酶（第二道酶水解屏障）的稳定性；

③对抗菌作用靶位PBPs的亲和性。

根据这些因素，临床应用的β-内酰胺类对革兰阳性与阴性菌的作用大致有6种类型：

Ⅰ类为青霉素及口服青霉素V易透过革兰阳性菌胞壁粘肽层，但它们不能透过革兰阴性菌糖蛋白磷脂外膜，因而属窄谱的仅对革兰阳性菌有效。

Ⅱ类包括有氨苄西林、羧苄西林、酰脲类青霉素、亚胺培南及若干头孢菌素，能适度透过革兰阳性菌的胞壁粘肽层，对革兰阴性菌的外膜透过性则很好，因而是广谱抗菌药物。

Ⅲ类为青霉素等容易被革兰阳性菌的胞外β-内酰胺酶即青霉素酶破坏灭活的青霉素类，对产酶菌往往表现明显的耐药性。

Ⅳ类为异恶唑类青霉素、头孢菌素一、二代及亚胺培南等对青霉素酶稳定，对革兰阳性的产酶菌有效，但对染色体突变而改变的PBPs结构，可使药物与PBPs的亲和力下降或消失，因而无效。

Ⅴ类包括酰脲类青霉素（阿洛西林与美洛西林等）、羧苄青霉素及头孢菌素一、二代，当胞膜外间隙的β-内酰胺酶少量存在时有抗菌效果，大量酶存在时，则被破坏而无效。

Ⅵ类包括第三代头孢菌素、氨曲南、亚胺培南等对β-内酰胺酶十分稳定，即使大量β-内酰胺酶存在时仍然有效，但对因染色体突变而改变了的PBPs则无效，加用氨基甙类抗生素也仍然无效。

细菌耐药

细菌对β-内酰胺类抗生素耐药机制可概括为：

①细菌产生β-内酰胺酶（青霉素酶、头孢菌素酶等）使易感抗生素水解而灭活；

②对革兰阴性菌产生的β-内酰胺酶稳定的广谱青霉素和第二、三代头孢菌素，其耐药发生机制不是由于抗生素被β-内酰胺酶水解，而是由于抗生素与大量的β-内酰胺酶迅速、牢固结合，使其停留于胞膜外间隙中，因而不能进入靶位（PBPs）发生抗菌作用。此种β-内酰胺酶的非水解机制又称为“牵制机制”（trapping mechanism）；

③PBPs靶蛋白与抗生素亲和力降低、PBPs增多或产生新的PBPs均可使抗生素失去抗菌作用。例如MRSA（methicillin resistant Staphylococcus aureus）具有多重耐药性，其产生机制是PBPs改变的结果，高度耐药性系由于原有的PBP2与PBP3之间产生一种新的PBP2'（即PBP2a），低、中度耐药系由于PBPs的产量增多或与甲氧西林等的亲和力下降所致；

④细菌的细胞壁或外膜的通透性改变，使抗生素不能或很少进入细菌体内到达作用靶位。革兰阴性菌的外膜是限制β-内酰胺类抗生素透入菌体的第一道屏障。研究已证实抗生素透入外膜有非特异性通道与特异性通道两种。大肠杆菌K-12外膜有亲水性的非特异性孔道蛋白（porin）为三聚体结构，有二个孔道蛋白，即OmpF与OmpC，其合成由OmpB3基因调控。OmpF的直径为1nm，许多重要的β-内酰胺类抗生素大多经过此通道扩散入菌体内。鼠伤寒杆菌OmpF与OmpC缺陷突变株对头孢噻啶的通透性要比野生株小10倍，因而耐药。仅含微量OmpF与OmpC的大肠杆菌突变株，对头孢唑啉、头孢噻吩的透入也较野生株成倍降低，其MIC明显增高，也出现耐药。绿脓杆菌对β-内酰胺类抗生素耐药性的产生已证明是由于外膜非特异性孔道蛋白OprF缺陷而引起的。革兰阴性外膜的特异性通道，在绿脓杆菌耐亚胺培南的突变株已证明系由于外膜缺失一种分子量为45～46kD蛋白OprD。如将此OprD重组于缺陷OprD的突变株外膜蛋白脂质体中，又可使亚胺培南透过性增加5倍以上，其MIC也相应地降低，于是细菌的耐药性消除。

⑤由于细菌缺少自溶酶而出现细菌对抗生素的耐药性，即抗生素具有正常的抑菌作用，但杀菌作用差。

非法使用

β－内酰胺酶可能添加的食品：乳制品，特别是“无抗奶”。β-内酰胺酶类物质被用作牛奶中抗生素的分解剂。

解读β－内酰胺酶：不得不先说说β-内酰胺类抗生素。β-内酰胺类抗生素是在牛乳生产中应用最广泛的抗生素，用于治疗牛乳腺炎和其他细菌感染性疾病。按照国家规定，使用抗生素药物后一定时间内的乳汁，不得作为供人食用的原料。同时国家在《生鲜牛乳收购标准》中规定，生鲜乳中不得检出抗生素。然而就中国奶牛饲养环境而言，牛奶的绝对“无抗”较难达到，针对这种情况，市场上出现了“抗生素分解剂”，该分解剂可选择性分解牛奶中残留的β-内酰胺抗生素，其成分就是β-内酰胺酶。

β-内酰胺酶（金玉兰酶制剂），可能添加到乳与乳制品中，起到掩蔽抗生素的作用，但是由于该制剂的安全性风险未知，因此所有乳制品生产企业严禁在产品中添加此类物质。