Биохимия и молекулярная биология - Белясова Н.А. 2002

Метаболизм. Процессы, требующие притока энергии
Биологическая роль и закономерности биосинтеза антибиотиков
Механизмы действия антибиотиков на клеточные мишени

Ингибиторы синтеза клеточной стенки. Таким действием обладают ß-лактамные антибиотики, к числу которых относятся пенициллины, цефалоспорины, нокардицин А, сульфазецин, тиенамицин и др. Все перечислен­ные соединения имеют в своем составе ß-лактамное кольцо (рис. 18.1). Ми­шенью этих антибиотиков является бактериальный фермент гликопептидтранспептидаза, который катализирует формирование поперечных сшивок в молекуле муреина. ß-Лактамные антибиотики имеют структурное сходство с фрагментом субстрата этого фермента (-D-Аla-D-Аla-OH) и связываются в активном центре транспептидазы таким образом, что ß-лактамное кольцо оказывается в непосредственной близости от остатка серина. Гидроксильная группа серина участвует в формировании устойчивой ковалентной связи с атомом углерода нестабильного ß- лактамного кольца (рис. 18.1). В результате образуется неактивная ацилированная форма транспептидазы, которая не способна катализировать реакцию транспептидирования (глава 14). Такое ингибирование фермента является необратимым, а действие антибиотиков носит бактерицидный характер: де­фектная клеточная стенка не обладает должным запасом прочности и при увеличении клетки в процессе роста или осмотического поступления в нее воды разрушается.

Кроме ß-лактамных антибиотиков, нарушение процесса синтеза клеточ­ных стенок бактерий вызывает полипептидный антибиотик бацитрацин А. Показано, что молекула бацитрацина может связывать в тройной комплекс с ионами двухвалентных металлов молекулу фосфорилированного липидного переносчика. В результате не происходит дефосфорилирование липидного переносчика, т. е. регенерация его свободной формы. В таком случае не могут осуществиться все стадии синтеза муреина, в которых задействован липидный переносчик, и не формируется клеточная стен­ка (бактерицидный эффект).

Рис. 18.1. Структура и механизм действия некоторых ß-лактамных ан­тибиотиков: L — ß-лактамное кольцо

Следует добавить, что перечисленные антибиотики наиболее активны против грамположительных бактерий, поскольку именно их клеточные стен­ки содержат большое количество муреина. Для эукариот эти антибиотики малотоксичны, что объясняется отсутствием в их клетках основной мише­ни — ферментов и других компонентов синтеза муреина.

Антибиотик циклосерин — производное аминокислоты серин подавляет активность двух ферментов, участвующих в синтезе муреина: аланинрацемазы и D-аланил-D-аланинсинтетазы. Он активен против широкого круга бак­терий, малотоксичен, но у людей может вызывать расстройства нервной сис­темы.

Мембрано-активные антибиотики. Мишенью этих антибиотиков явля­ется, в первую очередь, плазматическая мембрана бактерий. Полимиксины (группа пептидных антибиотиков с циклолинейной структурой) способны связываться с фосфатными группами кардиолипина, фосфатидилэтаноламина и других кислых липидов, входящих в структуру липидного бислоя мембран. При этом наблюдается нарушение проницаемости мембраны — очень серьез­ное повреждение, влияющее на весь клеточный метаболизм (в первую оче­редь, происходит «потеря» ионов, создающих градиент на мембране). Кроме этого, полимиксины активируют фосфолипазы наружной мембраны грамотрицательных бактерий, что приводит к разрушению липидного бислоя. Эти нарушения носят бактерицидный характер, а действие полимиксинов направ­лено, в первую очередь, против грамотрицательных бактерий, обладающих дополнительной (наружной) мембраной.

Похожим образом действуют на мембраны полиеновые антибиотики (амфотерицин В, нистатин, леворин, трихомицин). Их молекулы содержат сопряженную систему двойных связей, а мишенью действия является мем­брана. Полиеновые антибиотики связываются со стеролами особой структу­ры, которые преобладают в мембранах грибов. В результате в мембранах образуются крупные поры, приводящие к нарушению проницаемости.

Нарушают проницаемость мембран также антибиотики-ионофоры, опи­санные в главе 4.

Ингибиторы трансляции. К этой группе относится значительное коли­чество антибиотиков (рис. 18.2), среди которых наибольшее распространение имеют тетрациклины, аминогликозидные антибиотики (стрептомицин, канамицины, неомицины, гентамицины), хлорамфеникол, макролидные антибиотики (эритромицины, олеандомицин, лейкомицины, тилозин). Особенностью этих веществ является способность связываться с рибо­сомами, блокируя синтез белка. Следует отметить, что большинство перечис­ленных антибиотиков характеризуется избирательностью связывания именно с субъединицами (или их составными частями) 70S-рибосом, присутствую­щими в клетках прокариот. Поэтому данные антибиотики специфичны по отношению к прокариотам. Их действие носит в основном обратимый харак­тер, и поэтому они обусловливают чаще бактериостатический эффект.

Связываясь с рибосомами, ингибиторы трансляции либо препятствуют взаимодействию с рибосомами аминоацилтранспортных РНК (тетрацикли­ны), либо ингибируют инициацию трансляции (стрептомицин), либо ингиби­руют активность пептидилтрансферазы — структурной части 50S-субъединицы рибосомы (хлорамфеникол), либо нарушают процесс трансло­кации рибосомы (эритромицин) и т. п.

Антибиотик пуромицин имеет структурное сходство с концевым фраг­ментом акцепторной ветви аминоацил-тРНК, но он значительно меньших размеров. Благодаря этому пуромицин способен быстро связываться с А-участком рибосом (70S и 80S), однако после присоединения к аминогруппе пуромицина пептидного остатка (пептидилтрансферазная реакция) весь ком­плекс отщепляется от рибосомы из-за отсутствия кодон-антикодонового взаимодействия. Пуромицин обладает высокой токсичностью по отношению к эукариотическим клеткам, поскольку не имеет избирательности связывания с 70S-рибосомами. Этот антибиотик активен против бактерий, простейших, гельминтов, а также некоторых злока­чественных опухолей.

Рис. 18.2. Структура тетрациклинов, актиномицина D, стреп­томицина, хлорамфеникола

Антибиотики-интеркаляторы. Действие этих антибиотиков основано на способности встраиваться (интеркалировать) в молекулы ДНК. Таким дей­ствием обладает, например, актиномицин D (рис. 18.2), адриамицин, дауномицин. Молекула актиномицина, в частности, встраивается своей плоской гетероциклической частью между параллельными плоскостями пар основа­ний ДНК. Подобным образом ведет себя дауномицин, две молекулы которого интеркалируют своими гетероциклическими ядрами между плоскостями пар оснований G/C. При таком воздействии локально нарушается структура ДНК, что приводит к ингибированию процессов репликации и транскрипции.

Поскольку структура ДНК отличается высокой консервативностью, антибиотики-интеркаляторы активны и в отношении ДНК эукариот, что делает их высокотоксичными. Эти антибиотики находят применение при химиотерапии злокачественных опухолей, клетки которых, как известно, делятся быстрее нормальных, а значит, и матричные процессы, на которые воздействуют на­званные антибиотики, в них более активны.

ДНК-тропные антибиотики. Эти антибиотики взаимодействуют с мо­лекулами ДНК, приводя к их разрушению. Классическим примером служат митомицины (А, В, С), а также порфиромицин. Действие названных анти­биотиков осуществляется двумя путями: во-первых, модификацией пурино­вых оснований, во-вторых, формированием поперечных сшивок между анти­параллельными цепями ДНК. Как результат, происходит подавление процес­са репликации, возникают ошибки репликации, а также происходят разрывы молекулы ДНК. Еще один тип антибиотиков — блеомицины вызывают мно­гочисленные одно- и двухнитевые разрывы в молекулах ДНК.

Большинство ДНК-тропных антибиотиков высокотоксичны и использу­ются в качестве противоопухолевых препаратов.

Ингибиторы транскрипции. Кроме уже названных антибиотиков-интеркаляторов, транскрипцию подавляют рифамицины. Эти антибиотики взаимодействуют с ДНК-зависимыми РНК-полимеразами прокариот, в част­ности с ß-субъединицей минифермента. Связывание носит нековалентный характер, однако оказывается довольно прочным, из-за чего нарушается про­цесс синтеза цепей РНК.

Ингибиторы ферментативных процессов. В качестве таких антибио­тиков выступают уже рассмотренные выше пенициллины, цефалоспорины, циклосерин, хлорамфеникол и др. Кроме того, следует отметить антимицин, подавляющий процесс транспорта электронов между цитохромами в дыха­тельной цепи, олигомицин, связывающийся с ферментами, обусловливаю­щими сопряжение окисления субстратов с фосфорилированием, новобиоцин, являющийся ингибитором фермента ДНК-гиразы (принимает участие в реп­ликации), актиноміцині А, ингибирующий активность цитохром С-редуктазы.