Изучение механизма действия антибиотиков

Механизмы действия антибиотиков

Изучение механизма действия антибиотиков

В рамках совместного проекта ПостНауки и Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого мы публикуем текст кандидата физико-математических наук Андрея Коневеги, посвященный исследованиям аппарата биосинтеза белка и разработке новых классов антибиотиков.

Антибиотики – это небольшие молекулы природного, полусинтетического или синтетического происхождения, которые подавляют рост бактерий. Массовое производство и применение антибиотиков началось во время Второй мировой войны, в 1943 году. 

Большинство известных антибиотиков продуцируется грибами или бактериями, которые сами обладают устойчивостью к антибиотику и обеспечивают себе конкурентное преимущество по отношению к другим бактериям. Открытие антибиотиков стало революцией в медицине и обеспечило человечеству несколько десятилетий относительно безопасного существования.

Определенные типы антибиотиков действуют как ингибиторы аппарата биосинтеза белка и центральной его части – рибосомы. Рибосома – это своеобразная фабрика, большая молекулярная машина массой более 2,5 мегадальтон и диаметром около 200 ангстрем, на которой собираются белки в клетках всех живых организмов.

Рибосомы изучают с 1950-х годов, однако на сегодняшний день это поле исследований переживает новое рождение.

Интерес к изучению аппарата биосинтеза белка прокариотических (бактериальных) клеток обусловлен тем, что именно бактериальные рибосомы являются мишенью для многих типов антибиотиков, которые используются в терапии.

Антибиотики связываются с рибосомой и ингибируют, то есть замедляют или предотвращают отдельные реакции, которые катализируются рибосомой. Они могут конкурировать с сайтом связывания для естественного лиганда или блокировать определенную конформацию рибосомы.

Отдельные структурные элементы рибосомы обладают конформационной подвижностью, которая позволяет ей взаимодействовать с нативными субстратами и обеспечивать сложный процесс биосинтеза белка. Но отдельные антибиотики могут ингибировать те или иные реакции. За счет этого синтез белка останавливается или начинает происходить с ошибками.

В результате продуцируются неправильные белки, и это ведет к гибели бактериальной клетки.

Ученым удалось далеко продвинуться в исследованиях биосинтеза белка именно потому, что на данный момент известно большое количество ингибиторов. Ингибируя отдельные реакции, можно получать новую информацию о молекулярном механизме действия рибосом.

С другой стороны, можно выяснить молекулярный механизм ингибирования. Для некоторых антибиотиков, например, предложен молекулярный механизм, который исследовался in vitro. Этот механизм оказывал ингибирующее влияние при концентрациях, на несколько порядков превышающих реально используемые в терапии.

В результате экспериментов удалось обнаружить еще одну реакцию, которую и ингибирует антибиотик в низких концентрациях. Если у нас есть множество стадий, понятно, что на одну из них антибиотик действует.

Но поскольку все реакции проверить сложно, трудно обнаружить, где именно антибиотик оказывает свое губительное действие. Проверка всех реакций требует значительного времени и ресурсов на исследования. Есть несколько уровней, на которых можно исследовать действия антибиотиков.

Самый простой – вырастить бактериальные клетки, добавить в них антибиотик и посмотреть, как эти клетки умерли. Но при таком подходе остается неизвестным, как это произошло.

Аппарат биосинтеза белка

Есть целый ряд подходов, позволяющих разделить процессы, которые были затронуты в клетке. Как правило, это процессы, связанные с репликацией ДНК, транскрипцией или трансляцией.

Если выясняется, что это процессы, связанные с трансляцией, то можно задействовать тот арсенал методов, которые уже разработаны, – методы in vitro, когда мы используем очищенные компоненты белоксинтезирующей системы, то есть рибосомы, транспортные РНК, белковые элонгационные факторы.

В этом случае в систему добавляются только известные компоненты, и мы знаем точно, что происходит в такой системе. И тогда мы можем добавить ингибитор и проанализировать реакцию, которую он затрагивает.

Спектр методов довольно широк. Недавний бум исследований в области биосинтеза белка случился в 2000-х годах, когда появились первые полные пространственные структуры рибосом, которые были получены методом рентгеновской кристаллографии.

За эти исследования в 2009 году была присуждена Нобелевская премия по химии. В этот момент исследователи поделились на два лагеря. Одна группа считала, что невыясненных вопросов не осталось и можно сворачивать свои исследования и начинать заниматься чем-то другим.

А другая группа ученых считала, что все только начинается, потому что неясен молекулярный механизм. До получения пространственных структур функциональные исследования напоминали изучение черного ящика.

Мы брали рибосому, добавляли в нее субстраты, матричную РНК (носитель информации), транспортную РНК, а на выходе получали полипептид. Что происходило в середине этого процесса – непонятно. С появлением структурной информации ученые впервые получили возможность делать эксперименты более направленно.

Теперь мы знаем, где какой белок расположен, где какой нуклеотид. Значит, мы можем предположить, как действует тот или иной функциональный центр, сделать направленный мутагенез и проверить, как это будет влиять на определенные реакции.

Немедленно после возникновения первых пространственных структур появились структуры, в которых рибосома была в комплексе с антибиотиками. И тогда родилось первое понимание того, где этот антибиотик связан, в каком центре, на что он может влиять. Тогда эти биохимические, биофизические исследования обрели новую жизнь.

Структурные методы, которые развивались, оказали колоссальное влияние на изучение рибосом. Позже появились методы криоэлектронной микроскопии, которые теперь также позволяют получать пространственную структуру таких больших, макромолекулярных комплексов с очень высоким разрешением – порядка 2,5–3 ангстрем.

Методы криоэлектронной микроскопии постепенно вытесняют кристаллографию, по ряду параметров они ее уже превзошли. Теперь мы можем собрать функциональный комплекс, посмотреть, в каком месте связан антибиотик, и сделать предположения о его молекулярном механизме действия.

Важно, что сейчас получение структурной информации занимает дни и недели, а не годы, как это было раньше. Это, безусловно, колоссальный научный и технологический прогресс.

Устойчивость бактерий к антибиотикам

Согласно опубликованному в 2014 году отчету Всемирной организации здравоохранения, около 23 000 смертей в Соединенных Штатах (и около 25 000 в Европейском союзе) ежегодно связаны с инфекциями, вызываемыми бактериальными штаммами, обладающими устойчивостью к антибиотикам. Инфекции наносят значительный экономический ущерб (прямой и косвенный), исчисляющийся миллиардами долларов.

Первые антибиотики в клинике были применены в 40-х годах прошлого столетия. Позже появлялись новые классы антибиотиков, и спустя несколько лет обнаруживались бактериальные штаммы, устойчивые к антибиотику.

Эта устойчивость имеет ряд причин. Во-первых, бактерии способны мутировать. Мутации возникают в рибосомальной РНК или в каком-то белковом факторе и меняют свойства этого лиганда.

При этом ингибитор, то есть антибиотик, который связывается в данном или соседнем месте, просто перестает оказывать такое существенное влияние.

После этого мутантный штамм получает конкурентное преимущество и начинает размножаться.

Бактерии, как эволюционно древние организмы, научились приспосабливаться к сложным условиям обитания. У них есть эффективные методы выработки устойчивости к антибактериальным агентам, к антибиотикам, поэтому, как только антибиотик появляется в терапии, через какое-то время мы должны ожидать, что появится устойчивый штамм и эти антибиотики перестанут действовать.

С момента начала широкого применения тетрациклина и до появления первых достоверно устойчивых к нему штаммов прошло около 9 лет. А для метициллина от начала применения до обнаружения устойчивых штаммов прошло всего 2 года.

В новейшей истории для некоторых антибиотиков задокументировано появление устойчивых штаммов на следующий год после начала их применения. Окончательную точку в этой борьбе поставить практически невозможно.

Единственное, что можно сделать, – обратить серьезное внимание на разработку новых классов антибиотиков, чтобы постоянно пополнять арсенал и разрабатывать новые препараты.

Разработка новых антибиотиков

Большинство антибиотиков, которые сейчас применяются в терапии, – это либо природные вещества, либо некие производные природных веществ. И только единицы антибиотиков – это полностью синтетические, придуманные химиками вещества.

Есть несколько подходов к разработке новых антибиотиков. В основном новые ингибиторы стараются найти скринингом тех веществ, которые производят микроорганизмы – либо бактерии, либо грибы. Поскольку вероятность того, что такие вещества синтезируются, велика, можно просто перебрать те вещества, которые выделяются бактериями или грибами.

Большинство известных сегодня антибиотиков обнаружены именно таким способом. Альтернативный способ – это рациональный дизайн, то есть использование данных о структуре рибосомы, структуре активного центра и попытка придумать такую молекулу, которая будет взаимодействовать с тем или иным функциональным центром и ингибировать реакции.

Кроме того, можно комбинировать оба подхода.

Об авторе:
Андрей Коневега – кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник НИК «Нанобиотехнологии» СПбПУ Петра Великого

Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru
 26.04.2016

Источник: http://www.vechnayamolodost.ru/articles/biomeditsina/mekhanizmy-deystviya-antibiotikov/

Антибиотик

Изучение механизма действия антибиотиков
Действие антибиотиков на бактерии

Антибиотики ( греч. αντι – Против, греч. βιοτικος – Жизненный), органические вещества, синтезируемые микроорганизмами в природе для защиты от интервенции других видов микроорганизмов, обладающих способностью подавлять развитие, или убивать этих микробов.

Как правило, антибиотики выделяют из живых бактерий или грибов. Существует также большое количество синтетических антибиотиков, которые отличаются модификациями функциональных групп природных антибиотиков.

Такие модифицированные соединения часто эффективнее, или устойчивы к нейтрализации, возникающий вследствие приобретенной микроорганизмами резистентности.

По химической структуре антибиотики объединяют различные группы соединений. В частности, соединения, блокирующие биосинтез белка на рибосомах, соединения, образующие ионно -проницаемые каналы в плазматической мембране, и др..

Характерной особенностью антибиотиков является их способность нарушать определенные звенья обмена веществ микроорганизмов или действие некоторых их ферментов. Еще 1868-71 А. Манассеин наблюдал антимикробные свойства плесени пенициллы, а О. Г. Полотебнов применял ее при лечении гнойных ран. В конце 19 ст. И. И.

Мечников установил, что некоторые бактерии (молочнокислые) подавляют развитие гнилостных бактерий. Он впервые предложил использовать для борьбы с болезнетворными микроорганизмами их антагонистов. 1909 П. Лященко обнаружил антимикробные вещества у животных, а в 1928 Б. П. Токин – у высших растений.

В 1928 шотландский ученый Александер Флеминг обнаружил антибактериальное действие плесени Penicillium notatum, а в 1940 Г. Флори (Florey) добыл устойчивый препарат пенициллина. Углубленное изучение антибиотиков началось в 1940-х после выделения пенициллина и стрептомицина.

Антибиотики используются в медицине, ветеринарии и растениеводстве для борьбы с инфекционными болезнями; в животноводстве – как стимуляторы роста молодняка, в пищевой промышленности – для продления срока хранения некоторых продуктов питания.

Больше вошли в практику антибиотики, полученные из актиномицетов, – стрептомицин, ливомицетин, биомицин, террамицин, тетрациклин, ауреомицин, неомицин и др.. Широко применяется пенициллин, добытый из других микроскопических грибов.

Эти антибиотики используются при лечении дизентерии, стрептококковых и стафилококковых септических заболеваний, пневмоний, сыпного и брюшного тифа и ряда других инфекционных заболеваний. Антибиотики высших растений – фитонциды – еще мало изучены. Применяется в медицине иманин, полученный из зверобоя и сативин – с чеснока.

Добыто антибиотики и из лишайников, из них употребляется как наружное усниновой кислота. Из антибиотиков животного происхождения известны лизоцим, эритрин, экмолин. Некоторые антибиотики добывают теперь путем синтеза.

1. Терминология

Полностью синтетические препараты, не имеющие природных аналогов и предоставляют схожий с антибиотиками угнетающее влияние на рост бактерий, традиционно было принято называть не антибиотиками, а антибактериальными химиопрепаратами.

В частности, когда антибактериальных химиопрепаратов известны были только сульфаниламиды, принято было говорить о все классы антибактериальных препаратов как о “антибиотики и сульфаниламиды”.

Однако в последние десятилетия в связи с изобретением многих весьма сильных антибактериальных химиопрепаратов, в частности фторхинолонов, приближающихся или превышающих по активности традиционные антибиотики, понятие “антибиотик” стало размываться и расширяться, и теперь часто употребляется не только в отношении природных и полусинтетических соединений, но и многим сильным антибактериальным химиопрепаратам.

2. История изучения

Изобретение антибиотиков можно назвать революцией в медицине. Первыми антибиотиками были пенициллин и стрептомицин.

2.1. Вклад украинских ученых

Значительный вклад в изучение антибиотики сделали украинские ученые. Они выделили ряд антибиотических веществ – Микроцид (М. М. Пидопличко и В И. Билай, 1947), иманин (В. Г. Дроботько с сотрудниками, 1949), аренарин – антибиотик бессмертника – и проч.

Микроцид оказался эффективным средством лечения инфицированных ран и различных гнойных процессов, а иманин – больших и тяжелых ожогов, он предотвращает образование искажающих рубцов. Исследования по отысканию А.

, в частности с противовирусным и противоопухолевым действием, широко проводятся во всем мире.

3. Классификация

Огромное разнообразие антибиотиков и видов их воздействия на организм человека стало причиной классифицирования и разделения антибиотиков на группы. По характеру воздействия на бактериальную клетку антибиотики можно разделить на три группы:

  • Бактериостатические (бактерии живы, но не способны размножаться),
  • Бактерициды (бактерии погибают, но физически продолжают присутствовать в среде),
  • Бактериолитическое (бактерии погибают, и разрушаются бактериальные клеточные стенки).

Классификация по химической структуре, которую широко используют в медицинской среде, состоит из следующих групп:

  • Бета-лактамные антибиотики, которые делятся на две подгруппы:
    • Пенициллины – вырабатываются колониями плесневых грибов Penicillinum;
    • Цефалоспорины – обладают схожей структурой с пенициллинами. Используются для борьбы с бактериями, устойчивыми к пенициллину.
  • Макролиды – антибиотики со сложной циклической структурой. Имеют бактериостатическое действие.
  • Аминогликозиды – обладают высокой токсичностью. Используются для лечения тяжелых инфекций типа заражения крови или перитонит ов.
  • Левомицетин – Использование ограничено из-за повышенной опасности серьезных осложнений – поражении костного мозга, который производит клетки крови. Действие – бактериостатическое.
  • Гликопептиды – антибиотики, нарушающие синтез клеточной стенки бактерий. Оказывают бактерицидное действие, однако в отношении энтерококков, некоторых стрептококков и стафилококков действуют бактериостатически.
  • Линкозамиды оказывают бактериостатическое действие, обусловленное угнетением синтеза белка рибосомами. В высоких концентрациях в отношении высокочувствительных микроорганизмов могут проявлять бактерицидный эффект.
  • Противогрибковые – разрушают мембрану клеток грибков и вызывают их гибель. Действие – литическая. Постепенно вытесняются высокоэффективными синтетическими противогрибковыми препаратами.

4. Номенклатура

Долгое время не существовало единых принципов присвоения названий антибиотикам. Чаще всего их называли по родовому или видовому названию продуцента, реже – соответственно химического строения. Некоторые антибиотики названы согласно местности, откуда был выделен продуцент, а, например, етамицин получил название от номера штамма (8).

В 1965 году Международный комитет по номенклатуре антибиотиков рекомендовал следующие правила:

  1. Если известна химическая структура антибиотика, название следует выбирать с учетом того класса соединений, к которому он принадлежит.
  2. Если структура не известна, название дается по наименованию рода, семьи или порядка (а если они использованы, то и вида), к которому принадлежит продуцент. Суффикс “мицин” присваивается только для антибиотиков, синтезированных бактериями порядке Actinomycetales.
  3. В названии можно давать указание на спектр или способ действия.

5. Действие антибиотиков

Механизм действия антибиотиков – ингибиторов синтеза клеточной стенки

Антибиотики в отличие от антисептиков обладают антибактериальной активностью не только при наружном применении, но и в биологических средах организма при их системном (перорально, внутримышечно, внутривенно, ректально, вагинально и др.). применении.

5.1. Механизмы биологического действия

  • Нарушение синтеза клеточной стенки посредством ингибирования синтеза пептидогликана ( пенициллин, цефалоспорин, монобактамы), образования димеров и их переноса к цепям пептидогликана, растут ( ванкомицин, флавомицин), или синтеза хитина (никкомицин, туникамицин).

    Антибиотики, действующие по подобным механизмом обладают бактерицидным действием, не убивают клетки, лишенные клеточной стенки.

  • Нарушение функционирования мембран : нарушение целостности мембраны, образование ионных каналов, связывание ионов в комплексы, растворимые в липидах, и их транспортировки. Подобным образом действуют нистатин, грамицидин, полимиксин.

  • Подавление синтеза нуклеиновых кислот: связывание ДНК и препятствование продвижению РНК-полимеразы (актидин), сшивание цепей ДНК, что вызывает невозможность ее распускание (рубомицин), ингибирование ферментов.
  • Нарушение синтеза пуринов и пиримидин ов (азасерин, саркомицин).

  • Нарушение синтеза белка: ингибирование активации и переноса аминокислот, функции рибосом ( стрептомицин, тетрациклин, пуромицин).
  • Ингибирование работы дыхательных ферментов (антимицины, олигомицины, ауровертин).

5.2. Взаимодействие с алкоголем

Алкоголь может влиять как на активность, так и на метаболизм антибиотиков влияя на активность ферментов печени, расщепляющих антибиотики.

[1] В частности, некоторые антибиотики, включая метронидазол, тинидазол, левомицетин, ко-тримоксазол, цефамандол, кетоконазол, Латамоксеф, цефоперазон, цефменоксим и фуразолидон химически взаимодействуют с алкоголем, что приводит к серьезным побочным эффектам, которые включают тошноту, рвоту, судороги, одышка и даже смерть [2].

Употребление алкоголя с этими антибиотиками категорически противопоказано. Кроме того, концентрация доксициклина и эритромицина может быть, при определенных обстоятельствах, существенно снижена при употреблении алкоголя [3].

6. Антибиотикорезистентность

Во антибиотикорезистентностью понимают способность микроорганизмов противостоять действию антибиотиков.

Антибиотикорезистентность возникает спонтанно вследствие мутаций, которые закрепляются в популяции. Сам по себе антибиотик не является причиной появления резистентности.

6.1. Механизмы резистентности

  • У микроорганизмов может отсутствовать структура на которую действует антибиотик (например бактерии рода микоплазма ( лат.

    Mycoplasma ) Нечувствительны к пенициллин в, поскольку не клеточной стенки);

  • Некоторые микроорганизмы непроницаемы для определенных антибиотиков (большинство грам-отрицательных бактерий невосприимчивы к пенициллину G, у них клеточная стенка защищена дополнительной мембраной)
  • Микроорганизм могут переводить антибиотик в неактивную форму (многие стафилококков ( лат. Staphylococcus ) Содержат фермент β-лактамазу, который разрушает β-лактамовое кольцо большинства пенициллинов)
  • Вследствие генных мутаций, обмен веществ микроорганизма может быть изменен таким образом, что химические реакции, которые блокируются антибиотиком больше не являются критическими для жизнедеятельности организма;
  • Микроорганизм в состоянии выкачивать антибиотик из клетки.

7. Применение

Антибиотики используются для профилактики и лечения воспалительных процессов, вызываемых бактериальной микрофлорой.

Некоторые антибиотики обладают также дополнительными ценными свойствами, не связанные с их антибактериальной активностью, а имеют отношение к их влияния на макроорганизм.

  • Доксициклин и миноциклин, кроме их основных антибактериальных свойств, оказывают противовоспалительное действие при ревматоидном артрите и являются ингибиторами матриксных металлопротеиназ.
  • Описано иммуномодулирующее ( иммуносупрессивную или иммуностимулирующее) действие других антибиотиков.
  • Известны противоопухолевые антибиотики.

8. Роль антибиотиков в естественных микробиоценозах

Непонятным является сколь велика роль антибиотиков в конкурентных отношениях между микроорганизмами в естественных условиях. Зельман Ваксман считал, что эта роль минимальна, антибиотики чаще всего образуются в чистых культурах, на богатых питательными веществами средах.

Впоследствии, однако, было обнаружено, что во многих продуцентов активность синтеза антибиотиков возрастает в присутствии других видов или же специфических продуктов их метаболизма. В 1978 Л. М. Полянская на примере гелиомицина S.

olivocinereus, обладающего свечением при воздействии УФ излучения, показала возможность синтеза антибиотиков в почвах. Вероятно особенно важны антибиотики в конкуренции за ресурсы среды для актиномицетов, которые медленно растут.

Было экспериментально показано, что при внесении в почву культур актиномицетов плотность популяции вида актиномицетов, подвергается действию антагониста, падает быстрее и стабилизируется на более низком уровне, чем численность других популяций.

См.. также

  • Антисептики
  • Пробиотики
  • Дисбактериоз

Примечания

  • Шемякин М. М., Хохлов А. С. Химия антибиотических веществ. Изд. 2. М. – Л., 1953; Гаузе Г. Р. Пути изыскания новых антибиотиков. М., 1958; антимикробный вещества высший растений. К., 1958.
  • Украинская советская энциклопедия. В 12-ти томах. / Под ред. М. Бажана. – 2-е изд. – М., 1974-1985.
  • Molecular Pharmacology, Vol 11, 166-173, 1975 Antibiotics as Tools for Metabolic Studies XVIII. Inhibition of Sodium-and Potassium-Dependent Adenosine Triphosphatase JOHN B. SUSA, HENRY A. LARDY

Источник: http://nado.znate.ru/%D0%90%D0%BD%D1%82%D0%B8%D0%B1%D0%B8%D0%BE%D1%82%D0%B8%D0%BA

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.