Биосинтез

В противоположность широкому разнообразию структур антибиотиков и штаммов, их образующих, биохимические реакции, в ходе которых синтезируются антибиотики, можно отнести к немногим основным биосинтетическим путям. Необходимо помнить, что пути биосинтеза антибиотиков являются вариантами биосинтетических путей, в норме протекающих в клетке. Удивительно, что небольшие изменения путей метаболизма могут давать начало столь широкому спектру продуктов.

Благодаря сравнительно крупным размерам молекул антибиотиков субстратная специфичность ферментов, участвующих в их биосинтезе, по-видимому, менее строгая, чем при других биохимических реакциях. Данный фермент может катализировать одну: и ту же реакцию, протекающую с участием не совсем одинаковых субстратов. С другой стороны, одни и тот же промежуточный продукт может служить субстратом для нескольких ферментов. Частичное снижение специфичности приводит к синтезу продуктов, имеющих одинаковую основную структуру, но различающихся, например, степенью окисленности, степенью ненасыщенности или другими свойствами. По этой причине антибиотики часто образуются семействами, т.е. один и тот же штамм продуцирует два или несколько антибиотиков, близких друг другу. На основании механизмов, лежащих в основе их биосинтеза, антибиотики можно сгруппировать следующим образом.

1. Аналоги первичных метаболитов (аминокислот, нуклеозидов, коферментов). Это вещества с низкой молекулярной массой, биосинтез которых сходен с биосинтезом первичных метаболитов и которые часто близки первичным метаболитам и по структуре.

2. Антибиотики, образующиеся путем полимеризации.

а.) Полипептидные антибиотики и их производные, образующиеся в ходе конденсации некоторых аминокислот. Синтезированные полипептидные цепи могут модифицироваться в последующих реакциях (важно отметить, что конденсация аминокислот осуществляется не в рамках классического механизма биосинтеза белка).

б.) Антибиотики, образующиеся из ацетатных и пропионатных единиц. Сюда относятся вещества с разнообразной структурой, но все они образуются в ходе реакции биосинтеза жирных кислот.

в.) Терпеноидные антибиотики, образующиеся из изопреновых единиц (продуцируются только грибами, но не бактериями и не актиномицетами).

г.) Аминогликозидные антибиотики, образующиеся путем конденсации молекул сахаров (зачастую аминосахаров) и циклического аминоспирта (аминоциклитола).

Кроме того описаны некоторые пути биосинтеза антибиотиков, не похожие на обычные биосинтетические пути, и известны антибиотики, образующиеся в результате конденсации субъединиц, синтезируемых не в одном, а в нескольких разных биосинтетических путях, отмеченных выше.

Активность и устойчивость

Антибиотики часто объединяют в следующие группы в соответствии с их спектром действия, т.е. в зависимости от того, рост каких микроорганизмов они подавляют: противовирусные, антибактериальные, противогрибковые и антипротозойные.

Известны также противоопухолевые антибиотики – продукты микробного происхождения, подавляющие рост раковых клеток. Использование термина «антибиотики» в данном случае основано на том, что исходно эти соединения были выделены по их антимикробному действию.

Чувствительность различных бактерий к антибиотикам определяется в значительной мере структурой клеточной стенки, поскольку от этого зависит способность антибиотика проникать в бактериальную клетку. Поэтому антибактериальные антибиотики можно разделить на группы в соответствии с их активностью в отношении грамположительных и грамотрицательных бактерий или микобактерий. Большинство антибиотиков действует на грамположительные бактерии, через клеточную стенку которых эти соединения легче проникают. Говорят, что антибиотики имеют узкий спектр действия, если они активны только в отношении грамположительных бактерий, и широкий, если они действуют и на грамположительные, и на грамотрицательные бактерии.

Если рост бактериальной культуры подавляется данной концентрацией антибиотика, это значит, что все клетки бактериальной популяции чувствительны к антибиотику. Однако, во всех бактериальных популяциях, если они достаточно велики, присутствуют отдельные клетки, отличающиеся в результате случайной мутации по своим свойствам от исходного штамма. Отличия могут проявляться на биохимическом уровне (например, способность к синтезу определенных аминокислот), на морфологическом или (что для нас наиболее интересно) касаться чувствительности к тому или иному антибиотику. Мутанты, которые могут расти в присутствии концентраций антибиотика, подавляющих рост нормальных клеток популяции называют устойчивыми к данному антибиотику. Частота устойчивых мутантов в различных бактериальных популяциях меняется в зависимости от вида микроорганизма и от антибиотика и составляет 10^-7–10^-10. В некоторых случаях эти мутанты устойчивы к минимальной подавляющей концентрации антибиотика, но чувствительны к несколько более высоким концентрациям. В других случаях они устойчивы к очень высоким концентрациям антибиотика. Два этих типа устойчивости получили названия многоступенчатой и одноступенчатой устойчивости соответственно.

Если бактериальная культура, к которой добавлен антибиотик, содержит несколько устойчивых клеток, все чувствительные клетки прекращают деление, а устойчивые продолжают размножаться, и вскоре вся популяция оказывается состоящей из устойчивых мутантов. Это явление называют отбором устойчивых мутантов. Необходимо отметить, что исходные чувствительные клетки во многих случаях обладают определенными селективными преимуществами перед устойчивыми мутантами и при длительном росте в отсутствие антибиотика наблюдается тенденция к превращению устойчивой популяции в чувствительную в результате обратных мутаций. Если имеются два антибиотика с близкими строением и механизмом действия и бактерии, устойчивые к одному из них, устойчивы и к другому, говорят о перекрестной устойчивости бактерий к этим антибиотикам.

В последние годы картина устойчивости бактерий к антибиотикам стала значительно сложнее, поскольку оказалось, что некоторые бактерии могут передавать свойство устойчивости к данному антибиотику другим бактериям того же вида или даже бактериям других видов. Передача устойчивости представляет собой случай общего явления обмена генетическим материалом между клетками, который осуществляется с помощью разных механизмов в различных группах микроорганизмов.

В результате микробная популяция при наличии «инфекционной клетки» может стать устойчивой к антибиотику без участия обычного процесса отбора редких устойчивых мутантов. Это явление называют трансмиссивной устойчивостью.

Известны следующие биохимические механизмы устойчивости бактерий к антибиотикам:

1) ферментативная инактивация препаратов;

2) модификация «мишени» действия антибиотиков;

3) активное выведение антибактериальных препаратов из микробной клетки;

4) снижение проницаемости клеточной стенки бактерий;

5) формирование метаболического «шунта».