Основные механизмы биологического действия антибиотиков
§13. Основные механизмы биологического действия антибиотиков
13.1. Антибиотики, подавляющие синтез клеточной стенки бактерий
Важная особенность бактериальной клетки, отличающая ее от клеток млекопитающих, - прочная клеточная стенка, окружающая цитоплазматическую мембрану. Эта стенка предохраняет бактериальную клетку от действия осмотического давления, которое в ней приблизительно на 20 атм выше, чем в жидкостях макроорганизма. Прочность клеточной стенке придают пептидогликаны, соединенные ковалентными связями. У грамположительных бактерий стенка имеет толщину 20-80 нм и представляет собой единственную структуру снаружи от цитоплазматической мембраны, у грамотрицательных бактерий она намного тоньше (1 нм) и покрыта наружной мембраной.
Препараты, нарушающие какое-либо звено синтеза пептидогликанов, их транспорт из клетки и образование пептидных мостиков между их молекулами, подавляют рост бактерий и в большинстве случаев вызывают их гибель.
Молекула пептидогликана состоит из:
- остова из двух чередующихся моносахаридов - N-ацетилглюкозамина и N-ацетилмурамовой кислоты;
- боковых пептидов (обычно из 4 аминокислотных остатков);
- пептидных мостиков, перекрестно связывающих боковые пептиды.
Рекомендуемые материалы
Пептидогликаны синтезируются из субъединиц (дисахарид плюс боковой пептид), которые образуются в цитоплазме, а затем транспортируются через цитоплазматическую мембрану на поверхность клетки. В ходе последующего образования пептидных мостиков происходит отщепление концевой аминокислоты боковых пептидов.
Антибактериальные препараты подавляют синтез клеточной стенки несколькими способами.
Ø Циклический полипептидный антибиотик бацитрацин подавляет активацию липидных переносчиков, обеспечивающих транспортировку водорастворимых субъединиц пептидогликанов через мембрану. Субъединицы накапливаются в цитоплазме, и синтез пептидогликанов прекращается.
Ø Высокомолекулярные гликопептиды ванкомицин и тейкопланин связываются с концевыми аминокислотными остатками (D-аланил-D-аланин) боковых пептидов, когда субъединицы находятся уже на поверхности цитоплазматической мембраны, но еще соединены с липидными переносчиками.
Ø Гликопептидные антибиотики создают стерические препятствия объединению субъединиц в макромолекулу пептидогликана.
Ø Бета-лактамные антибиотики - пенициллины, цефалоспорины, карбапенемы и монобактамы, содержащие четырехчленное бета-лактамное кольцо, препятствуют образованию пептидных мостиков и объединению пептидогликанов в единую структуру. Реакцию образования связи между аминокислотными остатками пептидных мостиков и предпоследним остатком D-аланина боковых пептидов (транспептидирование) катализирует фермент транспептидаза, а необходимая для этого энергия выделяется при отщеплении конечных D-аланиновых остатков боковых пептидов. Бета-лактамные антибиотики, обладающие пространственным сходством с субстратом реакции D-аланил-D-аланином, образуют ковалентную ацильную связь с активным центром транспептидазы и необратимо ингибируют ее. Поэтому транспептидазы и подобные им ферменты, участвующие в транспептидировании, называют также пенициллинсвязывающими белками.
Почти все антибиотики, подавляющие синтез клеточной стенки бактерий, бактерицидны - они вызывают гибель бактерий в результате осмотического лизиса. В присутствии таких антибиотиков аутолиз клеточной стенки не уравновешивается процессами восстановления, и стенка разрушается эндогенными пептидогликангидролазами
13.2. Антибиотики, нарушающие функции мембран
Циклические полипептиды полимиксины ( полимиксин В и колистин ) обладают свойствами катионных поверхностно-активных соединений и вызывают повышение проницаемости наружной и цитоплазматической мембран грамотрицательных бактерий.
Грамицидин - это полипептид из 15 аминокислотных остатков. Он образует ионные каналы в мембранах.
Антимикробный спектр нистатина и леворина включает дрожжеподобные грибы рода Candida и грибы рода Aspergillus. К амфотерицину В чувствительны возбудители глубоких микозов. Резистентность чувствительных микроорганизмов к данным антибиотикам развивается редко. Механизм антимикробного действия волиеновых антибиотиков связан с адсорбцией на цитоплазматической мембране грибов и взаимодействием с ее стерольным компонентом. Это приводит к повышению проницаемости мембраны, в результате чего клетка обезвоживается, теряет некоторые микроэлементы (калий) и в конечном итоге погибает.
Таким образом, чувствительность микроорганизмов к нистатину, теворину и другим полиеновым антибиотикам объясняется наличием стеролов в составе их мембраны, а устойчивость бактерий, спирохет, риккетсий и других микроорганизмов - отсутствием данного компонента. Возникновение резистентности к этим антибиотикам у дрожжеподобных грибов наблюдается редко.
13.3. Антибиотические вещества, подавляющие синтез белка
Антибактериальные препараты, подавляющие синтез белков, обычно взаимодействуют с бактериальными рибосомами. В норме после связывания мРНК с 30S-субъединицей рибосомы 30S- и 50S-субъединицы объединяются с образованием 70S-рибосомного комплекса, после чего начинается синтез белка. Избирательность действия антибиотиков определяется различиями в структуре рибосом из клеток бактерий и млекопитающих.
Аминогликозиды (гентамицин, канамицин, тобрамицин, стрептомицин, нетилмицин, неомицин и амикацин ) - группа сходных по строению веществ. Все они содержат несколько моносахаридов, соединенных гликозидными связями с гексозой. Проникновение аминогликозидов в бактериальную клетку через цитоплазматическую мембрану - это энергозависимый процесс, поэтому в анаэробных условиях их активность резко снижается. В клетке аминогликозиды необратимо связываются с 30S- субъединицей рибосом и блокируют инициацию синтеза белка, оказывая бактерицидное действие. Пока не ясно, почему аминогликозиды оказывают бактерицидное действие (а не бактериостатическое, как другие антибиотики, подавляющие синтез белков, - макролиды линкозамиды, хлорамфеникол, тетрациклины).
Ø Спектиномицин (по структуре представляющий собой аминоциклитол ) тоже взаимодействует с 30S-субъединицей, но механизм его действия иной. Это препарат скорее бактериостатический, чем бактерицидный.
Ø Макролиды ( эритромицин , кларитромицин , азитромицин ) имеют в своем составе макроциклическое лактонное кольцо, соединенное с остатками моносахаридов. Макролиды блокируют синтез белка, связываясь с 50S- субъединицей рибосом .
Ø Линкозамиды ( клиндамицин и линкомицин ) связываются с 50S- субъединицами рибосом почти в тех же участках, что и макролиды . В то же время и химическая структура, и спектр действия антибиотиков этих двух групп различны.
Ø Хлорамфеникол - низкомолекулярный антибиотик, состоящий из ароматического кольца и короткой боковой цепи. Он обратимо связывается с 50S-субъединицей рибосом в участке, близком, но не идентичном тому, с которым связываются макролиды и линкозамиды . Хлорамфеникол препятствует образованию пептидных связей.
Ø Все тетрациклины ( тетрациклин , доксициклин , миноциклин ) имеют 4 ароматических кольца, но отличаются друг от друга боковыми группами. Обратимо связываясь с 30S-субъединицей рибосом, они блокируют присоединение аминоацилт-тРНК к комплексу рибосома-мРНК. Механизм их действия значительно отличается от механизма действия аминогликозидов, которые тоже связываются с 30S-субъединицей. Избирательность действия тетрациклинов в отношении бактерий обусловлена их высоким сродством к бактериальным рибосомам и тем, что перенос тетрациклинов через цитоплазматическую мембрану осуществляет специальная система активного транспорта, которой нет в клетках млекопитающих.
Ø Мупироцин (псевдомоновую кислоту) продуцирует бактерия Pseudomonas fluorescens . Механизм действия этого антибиотика уникален - он конкурирует с изолейцином за изолейцил-тРНК-синтетазу. В результате в бактериальной клетке истощаются запасы изолейцил-тРНК и синтез белка прекращается. Антибиотик действует только на бактерии, так как изолейцил-тРНК-синтетаза млекопитающих сродства к нему не имеет.
13.4. Антибиотики, ингибирующие синтез нуклеиновых кислот
Многие антибактериальные препараты подавляют синтез нуклеиновых кислот.
Хинолоны ( налидиксовая кислота ) и фторхинолоны ( норфлоксацин , ципрофлоксацин , офлоксацин , ломефлоксацин ) - синтетические соединения, подавляющие активность A-субъединицы бактериальной ДНК-гиразы . Этот фермент обеспечивает раскручивание суперспиралей ДНК, необходимое для ее репликации. Подавление активности ДНК-гиразы смертельно для клеток.
Антибиотик новобиоцин подавляет активность В-субъединицы ДНК-гиразы .
Рифампицин, применяемый в основном как противотуберкулезный препарат, активен в отношении не только Муcobacterium tuberculosis , но и ряда других бактерий. Он образует прочную связь с бактериальной РНК-полимеразой, подавляя таким образом транскрипцию РНК на матрице ДНК. РНК-полимераза клеток млекопитающих к рифампицину нечувствительна.
Нитрофурантоин - синтетическое соединение, повреждающее ДНК. Нитрофураны имеют в своем составе единственное пятичленное кольцо, которое под действием бактериального фермента превращается в высокоактивные нестойкие промежуточные продукты, которые прямо или опосредованно вызывают разрыв цепей ДНК.
Метронидазол - синтетический препарат, производное имидазола, активен в отношении многих анаэробных бактерий и простейших. Нитрогруппа метронидазола восстанавливается в анаэробной цепи переноса электронов, и образуется ряд неустойчивых активных соединений, повреждающих ДНК. Хотя избирательность метронидазола обусловлена уникальной окислительно- восстановительной системой анаэробных микроорганизмов, при гипоксии он оказывает мутагенное действие на клетки млекопитающих и увеличивает их чувствительность к ионизирующему излучению.
13.5. Антибиотики — антиметаболиты
Антиметаболиты это группа лекарственных препаратов, благодаря сходству по химической структуре с эндогенными продуктами метаболизма ингибирующие, в результате конкурентных отношений, определенные биохимические процессы, что приводит к нарушению функции клеток и торможением клеточного роста.
Антиметаболиты способны занимать их место в биохимических реакциях, совершающихся в организме, или блокировать определённые рецепторы, препятствуя тем самым действию на них метаболитов и изменяя течение физиологических процессов. Например, парааминосалициловая кислота (ПАСК) при туберкулёзе действует как антиметаболит парааминобензойной кислоты, необходимой для жизнедеятельности возбудителей этой болезни. В иных случаях антиметаболиты могут способствовать нормализации функций; на этом основано лечебное применение антиметаболитов - медиаторов нервного возбуждения.
Наиболее известным представителем антиметаболитов является меркаптопурин, блокирующий биосинтез нуклеиновых кислот и деление клеток. Этот препарат используется в лечении ряда онкологических заболеваний.
Противоопухолевую активность антиметаболитов обнаружили в начале 1960-х гг. Оказалось, что метотрексат, являющийся антиметаболитом фолиевой кислоты, эффективен при некоторых опухолях человека, особенно при хориокарциноме у женщин и при острой лейкемии. Позднее в медицинской практике появились и другие антиметаболиты — аналоги пурина и пиримидина.
К антиметаболитам, применяемым в качестве противоопухолевых средств, относят структурные аналоги фолиевой кислоты (метотрексат), пуринов (меркаптопурин, тиогуанин и др.), пиримидинов (фторурацил, тегафур, цитарабин и др.).
Цитостатическое действие всех этих соединений связано с нарушением синтеза нуклеиновых кислот (ДНК и РНК). Антиметаболиты являются фазоспецифичными средствами — они преимущественно действуют в S-фазе клеточного цикла.
Антагонистом фолиевой кислоты является метотрексат. Он связывается с активным каталитическим центром и ингибирует активность фермента дигидрофолатредуктазы, восстанавливающего дигидрофолат до активной формы — тетрагидрофолата, который является коферментом и играет роль переносчика одноуглеродных групп (метильная, метиленовая, метенильная и др.) во многих ферментативных реакциях. Нехватка тетрагидрофолата приводит к нарушению синтеза тимидилата, пиримидиновых нуклеотидов, аминокислот серина и метионина, в результате чего происходит ингибирование синтеза ДНК, РНК и белка. Поскольку метотрексат оказывает действие в S-фазе клеточного цикла, он наиболее активен в отношении тканей с высокой скоростью пролиферации клеток, таких как опухолевая ткань, костный мозг, клетки слизистой оболочки ЖКТ, мочевого пузыря и др. Метотрексат обладает широким спектром противоопухолевой активности. Основными показаниями к его назначению являются лейкозы, лимфомы, хорионэпителиома матки, рак молочной железы, рак легких, рак яичника, мочевого пузыря и др.
Аналоги пуринов (меркаптопурин, тиогуанин и др.) нарушают биосинтез пуриновых нуклеотидов, входящих в состав нуклеиновых кислот — аденозин−5'-монофосфата (АМФ) и гуанозин−5'-монофосфата (ГМФ).
Меркаптопурин — первый из тиопуринов, у которого была обнаружена противоопухолевая активность. По строению 6-меркаптопурин близок к аденину, гипоксантину, гуанину.
Цитотоксическая активность проявляется после активации в тканях и обусловлена конкуренцией с гипоксантином и гуанином за фермент гипоксантин-гуанинфосфорибозилтрансферазу. Трансформируется в меркаптопуринфосфорибозил, который под влиянием тиопуринметилтрансферазы превращается в метилмеркаптопурин. Оба они угнетают глутамин−5-фосфорибозилпирофосфатамидотрансферазу — первый фермент в синтезе пуриновых рибонуклеотидов de novo. В результате нарушается синтез нуклеиновых кислот (более выражено ингибирование синтеза ДНК, чем РНК), нарушается митотический цикл (S-фаза), особенно в быстро пролиферирующих клетках опухолей и костного мозга.
Другой антиметаболит из группы аналогов пуринов — тиогуанин — по структуре и механизму действия близок к меркаптопурину. Наибольшее применение антагонисты пурина нашли при лейкозах.
Флударабин — фторированный аналог аденина (фторированный нуклеотидный аналог противовирусного агента видарабина). В организме быстро дефосфорилируется до 2-фтор-арабинофуранозиладенина, который захватывается клетками. Внутри клетки фосфорилируется дезоксицитидинкиназой до активного трифосфата. Этот метаболит ингибирует рибонуклеотидную редуктазу, ДНК-полимеразу (альфа, дельта и эпсилон), ДНК-праймазу, ДНК-лигазу и блокирует синтез ДНК. Кроме того, противоопухолеый эффект частично обусловлен связыванием РНК-полимеразы II и торможением синтеза белка. Широко применяется для лечения лимфопролиферативных заболеваний (в т.ч. В-клеточный хронический лимфолейкоз, неходжкинские лимфомы низкой степени злокачественности).
Структурные аналоги пиримидина (фторурацил, тегафур, цитарабин и др.) являются антиметаболитами пиримидиновых оснований (цитозин, тимин, урацил), входящих в состав нуклеотидов.
Противоопухолевое действие аналогов пиримидинов обусловлено их превращением в опухолевых клетках в активные ингибиторы ферментов — тимидилатсинтетазы (фторурацил и его аналоги, ралтитрексид и др.), ДНК-полимеразы (цитарабин), рибонуклеотидредуктазы (гидроксикарбамид и др.), участвующих в синтезе нуклеиновых кислот.
Фторурацил (антиметаболит урацила) был создан в 1962 г. Активность фторурацила обусловлена его биотрансформацией в тканях в активные формы. В процессе внутриклеточных превращений 5-фторурацила (5-ФУ) образуются цитостатически активные метаболиты (5-фтор−2'-дезоксиуридин монофосфат и 5-фторуридина трифосфат). Возможны два механизма повреждения клеток под действием активных метаболитов 5-фторурацила. Во-первых, 5-фтор−2'-дезоксиуридин монофосфат и фолатный кофактор N5–10метилентетрагидрофолат ковалентно связываются с тимидилатсинтетазой с образованием единого комплекса, что приводит к подавлению образования тимидилата — предшественника тимидина трифосфата, необходимого для синтеза ДНК. Во-вторых, в процессе синтеза РНК транскрипционные ферменты ядра могут ошибочно включить в нее 5-фторуридина трифосфат вместо уридина трифосфата, что приводит к нарушению процессинга РНК и синтеза белка.
Вводят фторурацил внутривенно, т.к. он плохо всасывается из ЖКТ. Он имеет высокую токсичность, проявляющуюся миелосупрессией, язвенным поражением слизистых оболочек пищеварительного тракта (в т.ч. язвенный стоматит, энтерит и др.). По спектру противоопухолевого действия фторурацил отличается от аналогов фолиевой кислоты (метотрексат) и пуринов (меркаптопурин и др.) и проявляет наибольшую активность при лечении колоректального рака, злокачественных опухолей молочной железы, желудка, поджелудочной железы и др.
Аналогичными фторурацилу свойствами обладает тегафур (пролекарство), фтористое производное пиримидина, который в организме гидролизуется с образованием фторурацила. По сравнению с фторурацилом тегафур является менее токсичным соединением.
Новой модификацией фторурацила является еще одно производное фторпиримидина — капецитабин, который, в отличие от фторурацила, применяется как пероральный цитостатик. В организме под влиянием тимидинфосфорилазы капецитабин превращается в 5-фторурацил (5-ФУ). Последовательная ферментная биотрансформация капецитабина в 5-ФУ создает более высокие его концентрации в тканях опухоли, чем в окружающих здоровых тканях.
Механизм противоопухолевого действия тегафура и капецитабина, таким образом, обусловлен образованием фторурацила и его последующей биотрансформацией.
В лекции "50 Отравление ядами, невызывающие заметные морфологические изменения" также много полезной информации.
Цитарабин после активации в тканях образует цитарабин−5'-трифосфат, который конкурентно ингибирует ДНК-полимеразу (фермент, катализирующий реакцию синтеза ДНК из предшественников — дезоксирибонуклеозид−5'-трифосфатов), что приводит к ингибированию синтеза ДНК. Кроме того, цитарабин незначительно влияет на синтез РНК (может встраиваться в ДНК и РНК). Цитарабин обладает противолейкозной активностью. Особенно активен в отношении миелобластов, лимфобластов, лимфоцитов, в меньшей степени — гранулоцитов, эритроцитов и тромбоцитов.
Гидроксикарбамид был синтезирован в 1869 г., но его противоопухолевая активность в клинических исследованиях была доказана только в 1980-х гг. Цитотоксическое действие гидроксикарбамида обусловлено ингибированием фермента рибонуклеотидредуктазы, в результате нарушается синтез ДНК при отсутствии эффекта на синтез РНК и белка.
К новым структурным аналогам антиметаболитов, полученным путем направленного химического синтеза принадлежат гемцитабин и ралтитрексид.
Гемцитабин является нуклеозидным (дезоксицитидин) аналогом. Имеет фазовую специфичность действия: останавливает жизнедеятельность клеток в S-фазе и блокирует опухолевую прогрессию клеток в G1/S-фазе. Гемцитабин подвергается внутриклеточному метаболизму под действием нуклеозидкиназ с образованием активных ди- и трифосфатного нуклеозидов. Цитотоксический эффект обусловлен комбинированным влиянием этих активных метаболитов. Дифосфатные нуклеозиды ингибируют рибонуклеотидредуктазу, катализирующую реакции образования дезоксинуклеозидтрифосфатов, необходимых для синтеза ДНК. Трифосфатные нуклеозиды активно конкурируют с дезоксицитидинтрифосфатом за встраивание в молекулы нуклеиновых кислот. После встраивания внутриклеточных метаболитов гемцитабина в цепь ДНК, к ее растущим нитям добавляется еще один дополнительный нуклеотид, что приводит к полному ингибированию дальнейшего синтеза ДНК и обусловливает невозможность репарации ДНК. Гемцитабин эффективен при раке поджелудочной железы, немелкоклеточном раке легких, раке мочевого пузыря и др.
Ралтитрексид специфически ингибирует тимидилатсинтетазу — ключевой фермент в синтезе тимидинтрифосфата (необходим для синтеза ДНК), вызывает фрагментацию ДНК и гибель клетки. Применяется при раке толстой кишки.
В целом, антиметаболиты обладают выраженным противоопухолевым действием и эффективны при ряде злокачественных новообразований. Некоторые из них обладают иммуносупрессивными свойствами (метотрексат, цитарабин и др.). В настоящее время уточняются клеточные механизмы действия известных антиметаболитов и ведется направленный поиск новых соединений этой группы.
