8. Механизмы действия на микроорганизмы химических веществ

Ряд химических агентов замедляет или полностью тормозит рост мик­роорганизмов. Если то или иное вещество подавляет рост бактерий, а после его удаления рост вновь возобновляется, то говорят о бактерио-статическом действии. Бактерицидные вещества вызывают гибель клеток. Тот или другой эффект, однако, зависит от концентрации дей­ствующего вещества. Кроме того, среди бактерий существуют формы, устойчивые к общим клеточным и метаболическим ядам (таким, как се­роводород, фенол или окись углерода) и даже способные использовать их как источники энергии. Для многих антимикробных агентов удалось в той или иной мере выяснить субклеточную мишень и механизм действия.

Повреждение поверхностных структур или слоев клетки. Этанол в до­статочно высокой концентрации (70%) вызывает коагуляцию белков и оказывает бактерицидное действие. Фенолы, крезолы, нейтральные мыла и поверхностно-активные вещества (детергенты) действуют на на­ружные слои клеток и нарушают избирательную проницаемость плаз­матической мембраны. Клеточные мембраны состоят главным образом из липидов и белков. Детергенты имеют полярную структуру, причем их молекулы содержат как липофильные группы (длинные углеводо­родные цепи или ароматические кольца), так и гидрофильные ионизиро­ванные группы. Накапливаясь в липопротеиновых мембранах (тоже имеющих полярную структуру), детергенты нарушают их функции. По­скольку эти вещества обладают широким спектром антимикробного действия, их обычно применяют для дезинфекции различных поверхно­стей и одежды. С детергентами сходны по своему действию некоторые полипептидные антибиотики (полимиксин, колистин, бацитрацин, субти-лин) и антимикробные вещества растительного происхождения.

Повреждение ферментов и нарушение метаболизма. Некоторые тя­желые металлы (медь, серебро, ртуть и др.) действуют как сильные фер­ментные яды даже в малых концентрациях (так называемое «олигодина-мическое действие»). Как в виде солей (HgCl₂, CuCl, AgN0₃), так и в форме органических соединений (таких, как п-гидроксимеркурибен-зоат) они связывают SH-группы и тем самым глубоко изменяют тре­тичную и четвертичную структуру ферментных белков. Блокируется также функциональная сульфгидрильная группа кофермента А. Цианид действует как дыхательный яд-связывая железо, он блокирует функцию терминального дыхательного фермента цитохромоксидазы. Окись угле­рода подавляет дыхание, конкурируя со свободным кислородом за ци-тохромоксидазу, т. е. действует путем «конкурентного торможения». Ан-тимицин А нарушает перенос электронов по дыхательной цепи, ингибируя цитохром-с-редуктазу. 2,4-Динитрофенол разобщает про­цессы окисления и фосфорилирования в митохондриях. Арсенат ингиби-рует фосфорилирование на уровне субстрата. Фторацетат блокирует цикл трикарбоновых кислот. Сначала он, подобно ацетату, активируется и используется как предшественник цитрата (так называемый ле­тальный синтез), а образовавшийся фторцитрат ингибирует аконитазу и тем самым тормозит дальнейшие превращения цитрата.

Конкурентное ингибирование. Примером конкурентного торможения может служить действие малоната, который подавляет превращение сукцината в фумарат. Это действие чрезвычайно специфично и  про-

является уже при низких концентрациях малоновой кислоты. В то время как подавление, вызванное цианидом (в известной концентрации) нельзя устранить повышением концентрации субстрата, т. е. парциального дав­ления 0₂, подавление, вызванное малонатом, можно частично или пол­ностью снять, повысив концентрацию сукцината. Как полагают, нор­мальный метаболит-сукцинат-конкурирует со своим структурным аналогом, или антиметаболитом,-малонатом - за каталитический центр фермента сукцинатдегидрогеназы. В основе конкурентного ингибирова-ния лежит структурное сходство ингибиторов с нормальными кле­точными метаболитами. Проникший в клетку антиметаболит может различными путями воздействовать на процессы биосинтеза. В приве­денной ниже схеме три метаболита представлены черным цветом, а три антиметаболита - красным

 

Нарушение синтеза клеточных компонентов. Самым известным при­мером торможения роста в результате включения структурного аналога в один из клеточных компонентов служит действие производных суль-фаниловой кислоты. Антибактериальное действие сульфонамидов было обнаружено чисто эмпирически (Домач); лишь позднее ключ к понима­нию механизма этого действия был найден в структурном сходстве ме­жду сульфонамидами и n-аминобензойной кислотой (см. приведенные выше структурные формулы). n-Аминобензойная кислота входит в сос­тав одного из коферментов, а именно тетрагидрофолиевой кислоты. У большинства бактерий тетрагидрофолиевая кислота синтезируется из более простых компонентов. Однако при добавлении к питательной среде n-аминобензойной кислоты или сульфонамидов эти вещества бес­препятственно проникают в клетку и включаются в фолиевую кислоту. Когда включается сульфонамид, это приводит к синтезу нефункциони-рующего кофермента и в конечном счете к остановке роста клеток. Дей­ствие сульфонамидов можно снять повышением концентрации п-амино­бензойной кислоты: в основе подавления лежит конкурентный механизм. В организме животного фолиевая кислота не образуется de novo и не синтезируется из более простых компонентов: животные должны полу­чать ее в готовом виде с пищей. Поэтому в их организме сульфонамид не может включаться в этот кофермент и не может, таким образом, оказывать вредное воздействие. Возможность использовать сульфонамиды в качестве лечебного средства связана с тем, что синтетические способности животного организма ограниченны.

Ингибирование сукцинатдегидрогеназы малонатом и торможение роста бактерий производными сульфаниловой кислоты-примеры анта­гонистических отношений между нормальными клеточными метаболи­тами и их структурными аналогами. Антагонизм между метаболитами и антиметаболитами (структурными аналогами) может проявляться на разных уровнях. Структурные аналоги могут препятствовать включе­нию нормальных метаболитов и тем самым синтезу отдельных кле­точных компонентов. Они могут также включаться в полимеры, а это может приводить к снижению активности и даже к полной инактивации какого-либо фермента или нарушать функцию нуклеиновой кислоты.

Подавление синтеза белков антибиотиками. Белковый синтез у прока­риот специфически подавляется рядом антибиотиков. Действие их нап­равлено на функцию 70S-pn6ocoM. Стрептомицин и неомицин тормозят процесс связывания аминокислот между собой. Эритромицин нарушает функцию субъединиц 50S. Тетрациклины препятствуют присоединению аминоацил-тРНК к рибосомам. Хлорамфеникол подавляет включение аминокислот в белки, так как, по-видимому, создает препятствие для связывания аминокислот при участии пептидилтрансферазы. Хлорамфе­никол (левомицетин) применяется в медицине как весьма действенный бактериостатик, а в биохимических исследованиях-как селективный ин­гибитор синтеза белка, не влияющий на другие метаболические про­цессы. Упомянутые антибиотики, конечно, действуют на рибосомы ми­тохондрий и хлоропластов также и в клетках эукариот. Но, так как, например, наружная мембрана митохондрий очень мало проницаема для стрептомицина, этот антибиотик в тех низких концентрациях, в ко­торых его применяют в терапии, почти не действует на эукариотические клетки. Деление названных органелл у эукариот прекращается лишь при использовании в 1000 раз более высоких его концентраций. Если воз­действовать высокими концентрациями стрептомицина на эукариот (дрожжи, эвглену, точки роста высших растений), то в процессе их роста число митохондрий и хлоропластов будет уменьшаться, и можно полу­чить  клетки  и  ткани  с сильно  пониженным  числом  этих   органелл.

Подавление синтеза нуклеиновых кислот антибиотиками. Некоторые антибиотики подавляют синтез нуклеиновых кислот. Митомицин С избирательно препятствует синтезу ДНК, не оказывая на первых порах влияния на синтез РНК и белков. Полагают, что действие его основано на образовании поперечных сшивок в двойной спирали ДНК и на раз­рыве ее цепей. Актиномицин D образует с двухцепочечной ДНК ком­плекс, присоединяясь к остаткам гуанина; он нарушает синтез РНК всех трех типов, но не влияет на репликацию ДНК. Рифампицин воздей­ствует на ДНК-зависимую рНК-полимеразу и подавляет тем самым синтез мРНК у бактерий.

Торможение синтеза клеточных стенок. О подавлении синтеза пепти-догликана у прокариот пенициллином, цефалоспорином и другими веществами, действующими на клеточные стенки, уже говорилось в разде­ле 2.2.3.

Гибель и уничтожение микроорганизмов. Под гибелью микроорганиз­мов имеют в виду необратимую утрату способности к росту и размно­жению; в лабораторных условиях это обычно означает потерю способ­ности к образованию колоний. Многие повреждения, как правило приводящие к гибели клетки, в определенных условиях могут быть обратимы. Хорошо известно явление реактивации после облучения уль­трафиолетом или воздействия высоких температур (разд. 15.2.2). Коли­чественные данные относительно гибели микроорганизмов (естествен­ной или вызванной каким-либо агентом) можно получить только для популяции, но не для отдельных клеток. В некоторых случаях скорость уменьшения числа живых клеток в популяции в любой момент времени пропорциональна числу имеющихся жизнеспособных клеток; процесс отмирания клеток подчиняется тогда кинетике реакций первого порядка N = N₀-e~ ' (где к -коэффициент, характеризующий скорость отмира­ния). Это относится, например, к стерилизации облучением.

Асептика—система мероприятий, предупреждающих внесение (попадание) микроорганизмов из окружающей среды в ткани или полости человеческого организма при лечебных и диагностических манипуляциях, а также в материал для

исследования, в питательные среды и культуры микроорганизмов при лабораторных исследованиях. Асептика предусматривает стерилизацию инструментов и материалов, специальную обработку рук медицинских работников, соблюдение особых санитарно-гигиенических правил и приемов работы. Методы и правила асептики должны строго соблюдаться при производстве лечебных и профилактических препаратов, а также в работе микробиологических лабораторий.

Антисептика — комплекс лечебно-профилактических мероприятий, направленных на уничтожение микроорганизмов, способных вызвать инфекционный процесс на поврежденных или интактных участках кожи и слизистых оболочек. В качестве антисептиков используются различные химические соединения, оказывающие антимикробное действие: 70% этиловый спирт, 5% спиртовой раствор йода, 0,5—2% раствор хлорамина, 0,1% раствор КМп0₄, 0,5—1% раствор формалина, 1—2% спиртовые растворы метиленового синего или бриллиантового зеленого, различные детергенты.

Антимикробные вещества добавляют также к различным материалам используемым для изготовления перевязочных средств, лейкопластырей, для пломбирования зубов, изготовления зубных протезов и т. п. с целью придания им бактерицидных свойств.

Дезинфекция—обеззараживание объектов окружающей среды: уничтожение патогенных для человека и животных микроорганизмов с помощью химических веществ, обладающих антимикробным свойством. К наиболее распространенным дезинфицирующим веществам относятся хлорная известь (0,1—10% раствор), хлорамин (0,5—5% раствор), фенол или карболовая кислота (3—5%раствор), лизол (3—5% раствор), двутретьосновная соль гипохлората кальция—ДТСГК (0,1—10% раствор). Выбор дезинфицирующего вещества и его концентраций зависит от материала, подлежащего дезинфекции.

Некоторые вещества (борная кислота, мертиолат, глицерин, фенол) применяют как консерванты для приготовления лечебных и диагностических сывороток, вакци