Методические указания составлены в соответствии с учебным планом и программой по дисциплине «Антибиотики»
Скачать 429.01 Kb.
|
| Модуль 4: Характер и механизм биологического действия антибиотиков Занятие 11. Антибиотики – ингибиторы функционирован6ия клеточной мембраны Все антибиотики, действующие на клеточную мембрану, могут вызывать нарушение осмотических свойств клетки, не являясь при этом высокоспецифичными. Зачастую они относятся к токсичным соединениям и в силу этого применяются местно. Антибиотики этой группы могут быть классифицированы следующим образом: 1) вещества, нарушающие надмолекулярную структуру и организацию клеточной мембраны, что приводит к высвобождению клеточных веществ. К веществам этой группы, нарушающим структуру мембраны, относят соединения двух типов в химическом отношении. Это антибиотики, которые имеют пептидное кольцо, состоящее менее чем из 10 аминокислот, но к этому кольцу присоединяется пептидная цепь, а к ней –разветвленная жирная кислота (8–9 атомов углерода). Их примером являются полимиксины. Активны данные соединения в отношении грамотрицательных бактерий. 2) вещества-ионофоры, участвующие в транспорте катионов и анионов. Они могут быть подразделены: а) на каналообразователи (образуют в мембране канал для определенных веществ); б) подвижные переносчики, проходящие с ионом через мембрану, или подвижные ионофоры. Группу ионофорных антибиотиков составляют несколько различных в химическом отношении соединений, общим для них является то, что они способны облегчать перенос через мембраны различных неорганических катионов. Эти соединения не нашли широкого применения в лечебной практике в силу неспецифического действия и токсичности, однако они используются в научных исследованиях как инструмент для определения функций мембран. Типичный представитель таких антибиотиков – валиномицин. По сходному механизму работает и антибиотик нонактин, относящийся к группе макротетралидов. Антибиотикам с линейной структурой – монензину и нигерицину – также присуща способность транспортировать катионы калия и натрия соответственно. Монензин имеет важное практическое значение, так как является средством, предотвращающим развитие кокцидиоза у кур. При его использовании устойчивые формы появляются относительно редко, а пищеварение улучшается. К антибиотикам-ионофорам, образующим в мембране поры, относится грамицидин А. С и тироцидины. Они являются циклическими полипептидами, состоящими из 10 аминокислот и имеющими свободные аминогруппы, активны в отношении грамположительных бактерий. Также относятся к антибиотикам-ионофорам, образующим в мембране пор, антибиотики-полиены из группы макролидных. Особенностью полиеновых антибиотиков является то, что они действуют только на мембраны со стеролами. К числу антибиотиков, нарушающих поступление катионов в клетку, относят и сидеромицины, механизм действия которых связан с особенностями поступления железа в клетки бактерий. Считают, что сидеромицины конкурируют с сидерофорами и, следовательно, подавляют поступление железа в клетку. Занятие 12. Антибиотики, ингибирующие процессы образования клеточной стенки бактерий В данную группу могут быть объединены соединения, препятствующие биосинтезу клеточной стенки на различных этапах. В общем виде можно выделить три группы таких соединений: 1) ингибиторы образования компонентов, из которых строится клеточная стенка; 2) ингибиторы реакций переноса структурных блоков клеточной стенки из цитоплазмы наружу; 3) ингибиторы образования связей (сшивок) между элементами пептидогликана. Общими свойствами антибиотиков, относящихся к данным группам, можно считать бактерицидный эффект при их действии; эффективное воздействие только на делящиеся клетки, а также устойчивость к ним бактерий без клеточной стенки. К антибиотикам, ингибирующим образование предшественников, относят фосфомицин и D-циклосерин. Антибиотик фосфомицин взаимодействует с ферментом, участвующим в образовании N-ацетилмурамовой кислоты, связанной с уридиндифосфатом, действуя как аналог ФЕП (фосфоенолпирувата) и связывается с цистеином в активном центре трансферазы. Мишень для действия антибиотика находится в цитоплазме, и реакция является весьма специфичной: на другие ферменты и реакции с участием ФЕП антибиотик не действует. D-циклосерин следует рассматривать как антагониста D-аланина, что обусловлено их структурным сходством. Бацитрацин А относится к антибиотикам, связывающимся с молекулами-переносчиками. Этот пептидный антибиотик обладает повышенной токсичностью для организма за счет возможного связывания со стеролами мембран и используется местно для подавления грамположительной микрофлоры. Антибиотик подавляет перенос через мембрану мурамилпентапептида к растущей цепи пептидогликана К антибиотикам третьей группы (препятствующим образованию сшивок на поверхности мембраны) относят соединения двух больших групп - гликопептидные и β-лактамные. Гликопептидные антибиотики ванкомицин и тейкопланин являются бактерицидными, используются для лечения тяжелых кокковых инфекций. β-лактамные антибиотики являются, пожалуй, самыми широко распространенными в лечебной практике. Они используются для лечения ряда заболеваний и активны в отношении многих возбудителей, так как обладают широким спектром антимикробного действия, высокой активностью, стабильностью и эффективностью. Общим свойством антибиотиков данной группы является наличие в молекуле β-лактамного кольца, а в биологическом смысле – механизм антимикробного действия. В лечебной практике используется около 50 различных препаратов группы пенициллинов. Все β-лактамные антибиотики являются бактерицидными. Между собой они различаются по способности всасываться, используемым дозам, фармакокинетическим показателям, способам применения и т. д. Еще в 1960-х годах (на модельной системе Staphylococcus aureus) было показано, что мишенью действия пенициллина являются ферменты, обеспечивающие образование клеточной стенки бактерий. Единственной приемлемой стала гипотеза о сходстве между молекулой фермента транс-пептидазы и молекулой пенициллина. Вероятно, пенициллин связывается с активным центром фермента транспептидазы, ацилирует его и блокирует доступ для субстрата. Высвобождение молекулы пенициллина из комплекса происходит крайне медленно, в то время как природный субстрат (пентапептид) высвобождается быстро. Установлено сходство между пространственной ориентацией атомов и полярных групп пенициллинового ядра и одной из конформаций остатков D-аланина-D-аланина, причем такое сходство устанавливается при взаимодействии с ферментом. β-Лактамные антибиотики действуют и на карбоксипептидазы, удаляющие свободные остатки D-аланина, однако такое действие не является для клетки летальным. Рассматривая действие β-лактамных антибиотиков на клеточную стенку, а также анализируя возможные механизмы устойчивости к ним, следует отметить и роль так называемых пенициллинсвязывающих белков (ПСБ, PBP”s). Открыты эти белки были собственно по способности связываться с меченым пенициллином, а также конъюгатами пенициллина и сывороточных белков. ПСБ локализованы в цитоплазматической мембране, по своей активности относятся к ферментам классов транспептидаз и D-аланинкарбоксипептидаз. Основная их роль – участие в процессах синтеза клеточной стенки, формообразовательных процессах в клетке и ее физиологическом цикле. Разные типы ферментов включены в увеличение длины, приобретение формы, образование перегородки клетки. Считается, что типов ПСБ меньше у кокков, нежели у палочек ПСБ доступны для антибиотика, так как они располагаются частично в мембране, частично – в периплазме грамотрицательных бактерий или на границе мембрана – среда. Одно из требований, которое предъявляется к таким препаратам, – улучшенная проницаемость через наружную мембрану грамотрицательных бактерий. К немаловажным свойствам можно отнести и повышение связывания с ПСБ. Наконец, некоторые фармакокинетические показатели: незначительное связывание с белками сыворотки крови, меньшая аллергенность, стабильность в кислой среде желудка, всасываемость при приеме внутрь – относятся также к существенным при оценке качества вновь созданных препаратов. Занятие 13. Антибиотики, ингибирующие процесс биосинтезе белка Антибиотики, относящиеся к данной группе, весьма многочисленны и подавляют синтез белка за счет различных механизмов и на различных уровнях. Условно их можно разделить на четыре группы: 1. Ингибиторы активации аминокислот и реакций переноса. 2. Ингибиторы функций малых субъединиц (30S) рибосомы. 3. Ингибиторы функций больших субъединиц (50S) рибосомы. 4. Ингибиторы внерибосомных функций. Особенностями действия антибиотиков данной группы являются следующие: 1) временная остановка биосинтеза белка сама по себе не является летальной для клетки, поэтому антибиотики – ингибиторы биосинтеза белка обладают бактериостатическим действием, если только не связываются необратимо с какими-либо компонентами системы синтеза; 2) остановка биосинтеза белка имеет различные последствия для клеточного цикла: уже начавшийся цикл репликации ДНК продолжается, но новых циклов не инициируется, синтез РНК также продолжается в течение короткого промежутка времени, скорость синтеза клеточной стенки снижается и в конце концов прекращается; 3) биосинтез белка у про- и эукариот различается, поэтому может подавляться разными антибиотиками. В качестве представителей антибиотиков первой группы можно рассматривать природные и синтетические аналоги аминокислот, подавляющие образование комплексов «ацилированная аминокислота –тРНК». Связываясь с тРНК, они могут включаться в полипептид, что приводит к образованию аномальных белков. К числу аналогов аминокислот можно отнести этионин, норлейцин, этилглицин, дигидропролин. Природными соединениями являются боррелидин и индолмицин, которые конкурентно подавляют связывание с аминоацил-тРНК треонина и триптофана соответственно. За исключением индолмицина, который является специфическим ингибитором прокариотической тРНК-синтетазы триптофана, остальные соединения действуют неспецифически и поэтому не нашли использования в клинике. На стадии взаимодействия с пептидил-тРНК действует пуромицин. Это уникальный ингибитор белкового синтеза, так как он вступает в реакцию образования пептидной связи с С-концевым аминокислотным остатком растущей полипептидной цепи на рибосоме, что приводит к преждевременной терминации образования полипептида. Структурное сходство пуромицина и аминоациладенозина приводит к тому, что аминогруппа антибиотика образует пептидную связь с ацильной группой концевого аминоациладенозина пептидил-тРНК, связанной с рибосомой. Образование стабильного комплекса приводит к завершению образования пептидных связей и высвобождению пептидилпуромицина из рибосомы. Отмечено структурное сходство пуромицина и концевого аминоациладенозина в тРНК. Аминоациладенозин является концевым участком в тРНК как про-, так и эукариотических клеток, и действие пуромицина распространяется на клетки этих типов. Процесс биосинтеза белка, а из клеточных структур – рибосомы является мишенью действия аминогликозидных антибиотиков. По своей значимости аминогликозиды занимают после β-лактамных второе место. Первым обнаруженным представителем антибиотиков данной группы явился стрептомицин. Он был открыт в 1944 году С. Ваксманом, за что впоследствии (в 1952 году) ему была присуждена Нобелевская премия. Относясь к антибиотикам с широким спектром действия, аминогликозиды используются для лечения таких инфекционных заболеваний, как туляремия, чума, коклюш, туберкулез. Стрептомицин может быть использован в сельском хозяйстве для борьбы с заболеваниями растений: бактериальным увяданием фасоли, ожогом косточковых. Антибиотики являются бактерицидными. На молекулярном уровне действие аминогликозидов происходит следующим образом. Уже достаточно давно установлено, что стрептомицин действует на 30S субъединицу, другие аминогликозиды связываются с обеими субъединицами, в их присутствии образуется нестабильный 70S инициаторный комплекс и обрывается биосинтез белка. Следовательно, аминогликозидные антибиотики подавляют синтез белка трехфазным путем: 1) при низких концентрациях (порядка 2 мкг/мл) наблюдается общее подавление синтеза; 2) при более высоких (порядка 50 мкг/мл) синтез белка даже стимулируется; 3) при еще больших концентрациях процесс вновь подавляется. В первом случае считают, что ошибки считывания незначительны; во втором – ошибки считывания существенны, особенно для терминирующих кодонов, что приводит к синтезу аномально длинных белковых цепей, и это фиксируется как увеличение синтеза белка. Наконец, в третьем – молекулы антибиотика способны связываться и занимать новые места на рибосоме. Таким образом, можно сказать, что летальное действие аминоглико-зидов обусловлено подавлением диссоциации свободных рибосом; снижением точности трансляции; подавлением транслокации рибосом; подавлением терминации полипептидной цепи. Аминогликозиды относятся к препаратам с низким терапевтическим индексом, т. е. малым разрывом между терапевтической и токсической дозой или концентрацией. Существует модель, согласно которой в нервной ткани аминогликозиды взаимодействуют с полифосфоинозитидами – компонентами мембран. Это приводит к изменению проницаемости для различных катионов. Ототоксический эффект аминогликозидов (влияние на восьмую пару черепно-мозговых нервов и сопутствующая глухота при длительном применении) связывают с конкуренцией между аминогликозидами и катионами кальция за отрицательно заряженные фосфорные остатки. В некоторых случаях частота ототоксичности наблюдается в пределах 2–25 %. Ототоксический эффект не снимается при прекращении приема антибиотика, а его наличие зависит от индивидуальных особенностей и срока приема антибиотика. Нефротоксический эффект и нейромышечная блокада (курареподобное действие) обусловлены взаимодействием аминогликозидов с клетками почечных канальцев и с актином. Нефротоксический эффект может сниматься при прекращении приема антибиотиков. Наиболее нефротоксичным является гентамицин. Указанные факты, а также развитие аллергических реакций и высокая частота возникновения резистентных форм, ограничивают использование аминогликозидов в клинике. Ингибитором элонгации белковой цепи является тетрациклин. К соединениям, блокирующим процессы биосинтеза белка в области 50S субъединицы рибосом относятся макролидные антибиотики. С клинической точки зрения данные антибиотики могут быть разделены на противобактериальные и противогрибковые (полиены). К числу антибиотиков, подавляющих синтез белка относятся: хлорамфеникол (левомицетин), циклогексамид (подавляет петидилтрансферазную активность 50S рибосомальных единиц), эритромицин (связывает 50S субъединицы и ингибирует транслокацию), пуромицин (этот антибиотик – аналог тРНК, подавляет образование петидных связей в процессе биосинтеза белка). Занятие 14. Антибиотики – ингибиторы репликации и транскрипции ДНК и РНК Антибиотики, относящиеся к данной группе, могут быть разделены следующим образом: 1) ингибиторы синтеза предшественников нуклеиновых кислот; 2) ингибиторы реакций полимеризации, среди которых: • ингибиторы матричных функций ДНК; • ингибиторы ферментов (ДНК-полимераз, РНК-полимераз и др.). Антибиотики, относящиеся к первой группе, как правило, рассматриваются как потенциальные соединения при терапии опухолей и вирусных инфекций. Для большинства антибиотиков данной группы механизм действия заключается в ингибировании ферментов на отдельных этапах пути синтеза нуклеотидов. Так, например, азасерин имеет большое сходство с глютамином, и при образовании связи с одним из ферментов пути биосинтеза пуринов ковалентная связь между SH-группой цистеина в молекуле фермента и азасерином более прочна, чем между глютамином и ферментом. По такому же механизму действует и диазооксонорлейцин. Ингибиторы конкретных реакций не имеют высокой специфичности и по этой причине ингибируют ряд реакций, в которых принимает участие глютамин. Аналогом аспарагиновой кислоты является хадацидин, который действует на стадии амидирования УМФ, причем его участие в реакции является достаточно специфичным. К веществам – ингибиторам синтеза пуринов относятся синтетические соединения из группы сульфаниламидов, триметоприм, метотрексат. Их действие основано на подавлении синтеза фолиевой кислоты на разных стадиях. По механизму интеркалирующего взаимодействия с ДНК работают и многие противоопухолевые антибиотики. Такие антибиотики получили название межкаланты. Следует отметить, что чрезвычайно сложно в данном случае выделить только одно воздействие противоопухолевых антибиотиков: как правило, эффект бывает многофункциональным, затрагивающим различные уровни метаболизма клетки. В различных странах к применению разрешены блеомицин, рубомицин (дауномицин), митомицин С, актиномицин D (дактиномицин). В настоящее время выделено около 100 различных актиномицинов, продуцируемых примерно 50 видами актиномицетов. В лечебной практике используются два препарата с очень высокой токсичностью – актиномицин Д и С. Особенностью биологического действия актиномицина Д является то, что он действует на микробные клетки, ингибирует рост нормальных и малигнизированных клеток животных, подавляет рост опухолей. Однако в качестве антибактериального препарата не используется, так как обладает малой токсичностью, а в клетки грамотрицательных бактерий проникает плохо. Антибиотик рубомицин относится к группе антрациклиновых антибиотиков, содержит в своей структуре антратетрациклиновый хромофор, Антибиотик активен в отношении грамположительных бактерий, грибов, простейших, обладает сильно выраженной антимитотической активностью, вызывает хромосомные аберрации и разрывы в ДНК. Активность данных антибиотиков, вероятно, связана с нарушением матричной активности ДНК в процессе репликации или транскрипции в результате образования стабильных комплексов антибиотика с ДНК. Считают, что в основе действия на ДНК лежит образование интеркаля-ционных комплексов. К соединениям – ингибиторам активности ферментов, участвующим в репликации и транскрипции ДНК, относятся высокоактивные бактерицидные синтетические химиотерапевтические средства широкого спектра действия, получившие название хинолонов и фторхинолонов. Отмечая бактерицидный эффект действия, указывают, что хинолоны и фторхинолоны в высоких концентрациях ингибируют биосинтез белка и РНК. В качестве последствий действия антибиотиков всех типов отмечают механизм А in vitro (парадоксальный эффект): снижение бактерицидной активности, так как при таких концентрациях подавляется синтез белка и РНК. Такой эффект может быть и при совместном действии с ингибиторами синтеза белка (тетрациклином, хлорамфениколом). Другой механизм действия В – сохранение бактерицидной активности в условиях подавления синтеза белка и РНК. Он показан для некоторых препаратов и, наряду с механизмом А, проявляется или отсутствует в зависимости от вида или штамма бактерий. Наконец, некоторые препараты могут проявлять свое действие в отношении неделящихся клеток, находящихся в буфере (механизм С). В механизме действия следует учитывать и эффект на клетку суб-бактериостатических концентраций антибиотиков: снижаются адгезивные свойства бактерий, подавляется индукция экзо- и эндотоксинов и ферментов, снижаются вирулентные свойства, повышается чувствительность клеток к фагоцитозу. Лечебные свойства фторхинолонов повышаются в присутствии аминогликозидных антибиотиков, что объясняется общими путями поступления, нарушением ori репликации; антагонистическими являются препараты – ингибиторы биосинтеза белка и РНК; индифферентными – β-лактамные антибиотики. Следует также отметить, что существуют ингибиторы функционирования и субъединицы В ДНК-гиразы. Это антибиотики новобиоцин и коумермицин. Антибиотики-анзамицины с химической точки зрения напоминают макролиды, однако образование цикла происходит через амидную группу. Ароматическая часть молекулы представляет собой либо бензольное, либо нафталиновое ядро. В зависимости от того, какой связью соединяются ароматическая и лактамная часть молекулы (через углерод или кислород), выделяют стрептоварицины и рифамицины. Полусинтетические рифамицины получили название рифампицинов. Рифампицин связывается с РНК-полимеразой в соотношении 1:1,при этом значение имеет наличие макроциклического кольца. При известной структуре РНК-полимеразы (2α субъединицы, β, β' и σ-фактор) участок связывания рифампицина находится у β-субъединицы. Антибиотик активен в отношении грамположительных бактерий и микобактерий, через наружную мембрану грамотрицательных проникает плохо. Побочные эффекты от использования антибиотиков незначительны: аллергия, окрашивание тканевых жидкостей в красный цвет, плохое всасывание через желудочно-кишечный тракт. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК Основная и дополнительная литература, информационные ресурсы Основная
Дополнительная
Периодические издания (http://elibrary.ru ) Учебное издание Сарматова Наталья Ивановна Антибиотики Методические указания к практическим занятиям Редактор И.О. Фамилия Корректор И.О.Фамилия Компьютерная верстка: И.О.Фамилия Подписано в печать (дата) 2012 г. Формат 60х84/16. (А5) Бумага офсетная. Печать плоская. Усл. печ. л. (количество страниц/16). Уч.-изд. л. Тираж 100 экз. Заказ Редакционно-издательский отдел Библиотечно-издательского комплекса Сибирского федерального университета 660041, г. Красноярск, пр. Свободный, 79 Тел/факс (391) 244-82-31. E-mail rio@sfu-kras.ru http://rio.sfu-kras.ru Отпечатано Полиграфическим центром Библиотечно-издательского комплекса Сибирского федерального университета 660041, г. Красноярск, пр. Свободный, 82а |
Похожие:
 | Методические указания составлены в соответствии с учебным планом... Методические указания предназначены для студентов, обучающихся по направлению «Биология», магистерская программа «Микробиология и... | | Методические указания составлены в соответствии с учебным планом... Методические указания предназначены для студентов, обучающихся по направлению «Биология» |
| Методические указания составлены в соответствии с учебным планом... Методические указания предназначены для студентов, обучающихся по направлению «Биология» |  | Методические указания составлены в соответствии с учебным планом... Методические указания предназначены для студентов, обучающихся по направлению 020400. 68 «Биология» |
| Методические указания составлены в соответствии с учебным планом... Методические указания предназначены для студентов, обучающихся по направлению 020400. 68 «Биология» | | Методические указания составлены в соответствии с учебным планом... Методические указания предназначены для студентов, обучающихся по направлению 020400. 68 «Биология» |
| Методические указания составлены в соответствии с учебным планом... Методические указания предназначены для студентов, обучающихся по направлению «Биология», магистерская программа «Биофизика» | | Методические указания составлены в соответствии с учебным планом... ... |
| Методические указания составлены в соответствии с учебным планом... ... | | Методические указания составлены в соответствии с учебным планом... ... |
| Методические указания составлены в соответствии с учебным планом... Методические указания предназначены для студентов, обучающихся по направлению 020400. 68 «Биология», магистерская программа «Микробиология... | | Методические указания составлены в соответствии с учебным планом... Методические указания предназначены для студентов, обучающихся по направлению «Биология», магистерская программа «Микробиология и... |
| Методические указания составлены в соответствии с учебным планом... ... | | Методические указания составлены в соответствии с учебным планом... Методические указания предназначены для студентов, обучающихся по направлению «Биология», магистерская программа «Микробиология и... |
| Методические указания составлены в соответствии с учебным планом... Методические указания предназначены для студентов, обучающихся по направлению 020400. 68 «Биология», магистерская программа «Микробиология... | | Методические указания составлены в соответствии с учебным планом... ... |
