Курс лекций по биотехнологии - часть 23

 

  Главная      Учебники - Разные     

 

поиск по сайту            правообладателям  

 

 

 

 

 

 

 



 

 

содержание   ..  21  22  23  24   ..

 

 

Курс лекций по биотехнологии - часть 23

 

 

 

177

 

 
Рис. 14.

                 

Фрагмент структуры пептидогликана 

 

Это  означает,  что  пептидогликан  теряет  свои  свойства,  жизненно 

необходимые  бактериальной  клетке.              Бактериальные  клетки  делятся, 

увеличиваются  в  размерах,  вновь  делятся  и  т.д.,  а  это  требует  постоянного 

синтеза  пептидогликана  и  «вставки»  вновь  синтезированных  фрагментов  в  

полимер,  который  для  этого  «разрезается»  специфическими  гидролазами 

пептидогликана. В нормальных условиях в клетке сохраняется баланс между 

действием ферментов, гидролизующих пептидогликан и синтезирующих его. 

В  присутствии  беталактамных  антибиотиков  этот  баланс  нарушается. 

Прекращается  синтез  пептидогликана,  но  его  ферментативный  гидролиз 

продолжается  и  даже  усиливается  из-за  того,  что  клеточная  стенка  теряет 

некоторые   компоненты, «сдерживающие»  их  активность путем обратимого 

блокирования  гидролаз.  Гидролизуются  и  гликановые  нити,  и  пептидные 

мостики.  Следует  отметить,  что  механизм  антибиотической  активности 

беталактамов  связан  с  теми  ферментами – мишенями,  которые  не  имеют 

аналогов в животной клетке. В последней нет: ни жесткой клеточной стенки, 

ни  пептидогликана,  ни,  соответственно,  ферментов  его  синтеза.  Таким 

Пептидные 
мостики 

Не замкнувшиеся пептидные цепочки  

Гликан 

 

178

образом,  беталактамы  не  могут  быть  токсичны  для  организма  человека,  а 

если  у  некоторых  из  них  при  определенных  условиях  выявляются 

токсические  свойства  или  аллергенностъ,  то  это  никак  не  связано  с 

механизмом их антибактериального действия. 

7.4.2.   Ингибиторы белкового синтеза у бактерий. 

   К ним относятся все аминогликозиды (стрептомицин, гентамицин и др.), 

а также тетрациклины, эритромицин, левомицетин и некоторые другие анти-

биотики.  Эти  антибиотики  реагируют  с  рибосомами  бактерий,  в  результате 

чего, 

синтез 

белка 

в 

рибосомных 

системах, 

прекращается. 

Цитоплазматические  рибосомы  животной  клетки  реагируют  с  ними  гораздо 

слабее  или  вообще  не  связывают  указанные  антибиотики.  Рибосомы 

митохондрий  животной  клетки  (близкие  по  свойствам  к    бактериальным) 

защищены  от  перечисленных  антибиотиков  митохондриальной  мембраной. 

Два  этих  обстоятельства  и  создают  возможность  использования  этих 

антибиотиков в клинике,  то есть делают их малотоксичными для человека. 

Существуют антибиотики, реагирующие с рибосомами и микроорганизмов, и 

животной  клетки.  В  медицинской  практике  они  не

 

используются,  но 

производятся  как  реагенты  для  биохимических  и  молекулярно-

биологических исследований (например, антибиотик циклогексимид). 

Как 

правило, 

ингибиторами 

белкового 

синтеза 

являются 

бактериостатические вещества. Прекращение синтеза белка, само по себе не 

ведет к гибели клетки. В опытах in vitro клетки прекращают размножение и 

постепенно,  очень  медленно  отмирают.  Если  же  антибиотик  вызывает 

бактериостазис  в  макроорганизме,  то  прекратившие  размножение  клетки, 

уменьшаются  в  количестве  гораздо  быстрее,  так  как  уничтожаются 

защитнымм силами организма хозяина. 

Среди ингибиторов белкового синтеза оказались,  однако, и бактерицидные 

вещества - большая  группа  антибиотиков  аминогликозидов.  Последние 

реагируют с малой рибосомной субъединицей и связываются именно с тем 

 

179

ее  местом,  где  происходит  узнавание  кодона  информационной  РНК 

антикодонами  транспортных  РНК.  В  результате,  нарушается  точность 

узнавания. В синтезируемый в это время  рибосомной (точнее полисомной) 

системе 

белок 

включаются 

аминокислоты, 

не 

соответствующие 

последовательности  аминокислот  в  этом  белке,  закодированной  в 

информационной  РНК.  Это  явление  получило  название  «нарушение 

точности  передачи  генетического  кода  на  стадии  трансляции».  Хотя 

аминогликозиды  быстро  прекращают  белковый  синтез,  особенность  места 

их  связывания  на  рибосоме  приводит  к  тому,  что  до  прекращения  работы 

рибосомных систем, с них успевает «сойти» некоторое количество белковых 

молекул  с  неправильной  последовательностью  аминокислот.  Эти  белки, 

получившие 

название 

«летальных 

белков», 

включаются 

в 

цитоплазматическую  мембрану  бактериальной  клетки  и  нарушают  ее 

молекулярную  организацию.  Клетка  начинает  терять  низкомолекулярные 

метаболиты, коферменты, неорганические ионы.  Все это ведет к дисбалансу 

ферментативных реакций и гибели клетки. 

7.4.3.   Ингибиторы синтеза нуклеиновых кислот

     

К  этой  группе  антибиотиков  (антрациклины,  блеомицин,  оливомицин  и 

др.)  относится    ряд  ДНК-тропных  противоопухолевых  веществ.  Они 

подавляют  синтез  РНК,  а  некоторые  из  них - синтез  и  ДНК,  и  РНК, 

поскольку связываются с ДНК, так как  последняя играет  роль матрицы, как 

при  репликации  ДНК,  так  и  при  транскрипции,  то  есть  синтезе  РНК.  Такие 

антибиотики всегда имеет заметную токсичность, потому что связываются с 

ДНК  любого  происхождения - бактериального,  вирусного,  растительного, 

животного. Возможность их применения как цитостатиков в онкологической 

практике  обусловлена  тем,  что  клетки  опухолей  растут  (размножаются) 

быстрее  клеток  нормальной  ткани  и  антибиотический  эффект  на  опухоли 

выражается  сильнее.  В  инфекционной  клинике  ДНК-тропные  препараты  не 

принято  употреблять    ввиду  их  токсичности  и  наличия  в  распоряжении 

 

180

лечащего врача ряда более избирательно действующих антимикробных анти-

биотиков. 

Ингибиторами  синтеза  нуклеиновых  кислот  могут  быть  не  только  ДНК-

тропные  антибиотики.  Антибиотик  рифампицин - ингибитор  синтеза  РНК, 

связывается  не  с  ДНК-матрицей,  а  с  ферментом  РНК-полимеразой,  причем 

связывается  избирательно - только  с  ферментом  из  бактерий,  а    не  из 

животных  клеток.  Рифампицин  применяется  для  лечения  ряда  инфекций,  в 

том  числе  туберкулеза,  так  как  может  длительно  вводиться  человеку  без 

проявления токсичности. 

К  числу  ингибиторов  ферментов,  участвующих  в  синтезе  и  превращениях 

нуклеиновых  кислот,  относятся  и  новые  синтетические  антибактериальные 

вещества – фторхинолоны.  Фторхинолоны  широко  внедряются  в  настоящее 

время  в  лечебную  практику.  Эти  препараты  обладают  широким 

антибактериальным спектром действия. В качестве примера можно привести 

пефлоксацин (абактал), 

                            

преимущественно 

влияющий 

на 

грамотрицательные 

бактерии 

и 

норфлоксацин (нолицин),  

 

отличающийся 

от 

первого 

отсутствием 

метильной 

группы 

в 

пиперазинильном ядре и более высокой антибактериальной активностью. 

Следует  отметить,  однако,  что  есть  данные  о  влиянии  фторхинолонов  на

 

развитие  хрящевой  ткани  (в  связи  с  этим  применение  фторхинолонов  в 

детской  клинике  не  рекомендуется).  Они  не  являются  продуктами 

 

181

биотехнологического производства. Вместе с тем, учитывая их практическую 

важность,  а  также  возможность  получения  ковалентно  связанных 

цефалоспоринов  с  фторхинолонами,  целесообразно  кратко  рассмотреть 

механизм  их  действия.  Фторхинолоны  являются  ингибиторами  фермента 

ДНК-гиразы.  Функция  этого  фермента - введение  в  кольцевую  ДНК 

«супервитков»  или «скручивание» ее молекулы. Молекула ДНК становится 

более  компактной,  а  также  приобретает  «внутреннее  напряжение»:  при 

разрезании  ее  рестриктазами - комплементарные  нити  быстро  расходятся, 

чем облегчается действие ДНК- и  РНК-полимераз при репликации ДНК или 

транскрипции (синтезе РНК на ДНК-матрице)  Фермент ДНК-гираза состоит 

из  нескольких  субъединиц  и  катализирует  несколько  реакций,  в  том  числе 

требующих  энергии  при  введении  в  ДНК  супервитков.  Фторхинолоны 

подавляют  функции  так  называемой  субъединицы  А.  Бактериальная  ДНК-

гираза  относится  по  классификации  ферментов  к  ДНК-топоизомеразам.  В 

реакции  с  ДНК-топоизмеразами  животной  клетки  фторхинолоны  не 

вступают.    

7.4.4.   Ингибиторы функций цитоплазматической мембраны микробной 
клетки.

 

Среди  применяемых  в  лечебной  практике  антибиотиков  с  таким 

механизмом  действия,  наиболее  известны  противогрибковые  антибиотики 

полиеновой  (то  есть  с  сопряженными  двойными  связями)  структуры - 

нистатин, амфотерицин В, леворин. Они реагируют со стеролами в мембране 

патогенных  грибов  и  дрожжей,  в  результате  чего  образуются  поры,  через 

которые  «вытекают»  низкомолекулярные  метаболиты  и  клетка

 

гибнет. 

Эргостерол  (основной  стерол  в  мембране  грибов  и  дрожжей)  реагирует  с 

полиеновыми    антибиотиками  быстрее  и  при  более  низких  концентрациях, 

чем  холестерол  (холестерин)  мембраны  животных  клеток.  Это  лежит  в 

основе  избирательного  действия  полиенов.  Тем  не  менее,  полиены - 

препараты в основном только наружного и полостного применения. 

 

182

Если  рассматривать  механизм  действия  антибиотиков  на  молекулярном 

уровне, то выявляются различия уже между представителями одной и той же 

группы,  то  есть  близкого  механизма  действия.  Так,  например,  различные 

ингибиторы  белкового  синтеза  реагируют  с  разными  субъединицами 

рибосом и с разными местами на этих субъединицах. При этом подавляются, 

естественно,  различные  реакции  такого  сложного  многоэтапного  процесса, 

как  белковый  синтез.  Указанное  обстоятельство    объясняет  причину 

применения  в  клинике  не  одного,  а  различных  ингибиторов  белкового 

синтеза,  поскольку  на  молекулярном  уровне  механизм  их  действия  не 

одинаков.  Второй  пример  относится  к  беталактамным  антибиотикам.       

Мишенями  в  клетке  для  пенициллинов  и  цефалоспоринов  являются 

ферменты транспептидазы и D,D–карбоксипептидазы, которые катализируют 

последние  реакции  сложного  процесса  синтеза  полимера  клеточной  стенки 

бактерий - пептидогликана. Активный центр этих ферментов имеет сродство 

к  остаткам  аминокислот,  которыми  заканчиваются  пептидные  цепочки.  

Почти  у  всех  бактерий  последняя  и  предпоследняя  аминокислота  в 

пептидной  цепочке - D-aланин.  Беталактамное  кольцо  в  молекуле 

антибиотиков, 

подавляющих 

активность 

транспептидаз 

и D,D- 

карбоксипептидаз,  имеет  сходство  с  одной  из  стереоформ,  которые 

принимают  попавший  в  активный  центр  свободный  конец  пептидных 

цепочек,  являющийся D-аланил-D-аланином.  Попав  в  активный  центр 

ферментов-мишеней,  беталактамный  антибиотик  после  расщепления  своего 

беталактамного кольца, ковалентно связывается с ферментом, ацилируя  одну 

из гидроксильных групп в активном центре. Бактериальная клетка содержит 

несколько  различных  по  молекулярной  массе  транспептидаз,  например, 

участвующих  в  элонгации  пептидогликана  (и  удлинении,  то  есть    росте 

палочковидных  клеток),  или  в  формировании  полюсов  клеток,  или  в 

образовании пептидогликановой перегородки при делении клетки. Сродство 

у  различных  беталактамных  молекул  к  разным  транспептидазам, 

 

183

получившим названии «пенициллин связывающие белки» (Penicillin bounding 

proteins)  РВРs 1, РВРs 2, РВРs  З  и  т.д.,  неодинаково.  Поэтому,  фактически 

неодинаков  и  механизм  действия  разных  беталактамов.  Все  это 

непосредственно  сказывается  на  лечебных  свойствах  беталактамных 

антибиотиков.  Важность  сведений  о  механизме  действия  антибиотиков,  в 

частности,  беталактамов,  для  лечащего  врача  или

 

фармацевта  наглядно 

демонстрируется  тем, что в самые короткие по тексту рекламные материалы, 

рассчитанные  на  широкие  круги  практических  работников,  зарубежные 

фирмы  нередко  вставляют  строку:  новый  беталактам  реагирует  с  таким-то 

«пенициллин  связывающим  белком»  (конкретным  РВРs).  К  сожалению, 

наши  специалисты  мало  знакомы  с  этим    критерием,  определяющим 

продолжительность антибиотического эффекта препарата, переносимость его 

определенными категориями больных и другие важные качества. 

Изложенное  выше  свидетельствует  о  необходимости  знания  основ 

механизмов действия антибиотиков  как  врачами так и фармацевтами. 

7.5.   Антибиотикорезистентность. 

7.5.1.   Молекулярные механизмы.  

   Механизмы  резистентности,  применяемых  в  медицинской  практике 

антибиотиков,  делятся на четыре основных типа: 

1.  Изменение  конформации  внутриклеточной  мишени  для  данного 

антибиотика.  Антимикробный  агент  проникает  в  клетку,  но  его  мишень 

(транспептидаза  пептидогликана,  рибосома,  ДНК-гираза  и  т.д.)  его  не 

«связывает» и подавления метаболизма не происходит. 

2.  Уменьшение  проницаемости  оболочки  микробной  клетки  для 

антибиотика.  Антибиотик  хотя  и  проникает  в  клетку,  но    в  незначительных 

количествах. 

3.  Появление  в  оболочке  клетки  системы  активного  «выброса», 

проникающего в клетку антибиотика, вследствие чего  его внутриклеточная 

 

184

концентрация не может оказываться высокой. 

4.  Ферментативная  инактивация  антибиотика  защитными  ферментами.    

Этот последний тип защиты микробной клетки оказывается для нее наиболее 

эффективен  и  является  очень  частой  причиной  неудач  антибиотикотерапии. 

Ферментативной  инактивации  подвергаются  все  вaжнейшие  группы 

антибиотиков: 

пенициллины 

и 

цефалоспорины, 

аминогликозиды, 

эритромицин, а также некоторые другие антибиотики. 

Формирование  в  бактериальной  клетке,  перечисленных  выше  защитных 

механизмов,  обусловлено  появлением  «генов  резистентности»  не  только  в 

хромосоме.  Так  большое  внимание  привлекают  и  внехромосомные 

(плазмидные)  генетические  элементы  микробной  клетки,  представляющие 

собой кольцевые молекулы ДНК, имеющие размер в сотни раз меньший, чем 

хромосомы.  Плазмиды,  несущие  гены  резистентности  к  антибиотикам, 

получили название R плазмид  (более старый термин R факторы). Основная 

опасность  плазмидной  резистентности  в  генетическом  плане  состоит  в  том, 

что  плазмиды  передаются  из  клетки  в  клетку  путем  конъюгации  (аналог 

полового  процесса) - без  деления  клетки,  однако,  плазмида  при  этом 

реплицируется.  Таким  образом,  одна  клетка  может  быстро    передать 

резистентность    большому  количеству  клеток.  Этому  способствует  и  то 

обстоятельство,  что  некоторые  типы  плазмид  многокопийны.  Возник  даже 

термин 

«инфекционная 

резистентность», 

то 

есть 

«заpажение 

резистентностъю» одних клеток от других. Плазмидная резистентность редко 

встречается  лишь  в  случае    первого  из  перечисленных  выше  механизмов 

резистентности. 

Причиной 

антибиотикорезистентности, 

вызванной 

изменением  конформации  внутриклеточной  мишени,  являются  спонтанные 

мутации  в  структурном  гене,  то  есть  в    гене,  определяющем  структуру  той 

мишени-макромолекулы, с которой «связывается» антибиотик. В результате 

таких  мутаций,  меняется  аминокислотная  последовательность  в  ферменте 

или в рибосомном белке, что ведет и к  изменению конформации  молекулы, 

 

 

 

 

 

 

 

содержание   ..  21  22  23  24   ..