Общая микробиология

421

Рисунок 13.8 – Александр Флеминг (Alexander Fleming, 1881-1955 гг.).

Заимствовано из Интернет-ресурсов.

Извлечь активное вещество из культуральной жидкости плесневого гриба P. notatum и получить стабильный препарат пенициллина удалось лишь в 1940 г. группе английских химиков – Э. Чейну, Х. Флори и Э. Эбрахему. Промышленное производство пенициллина в чистом виде было организовано Х. Флори и Э. Чейном в Америке. В 1945 г. А. Флеминг, Э. Чейн и Х. Флори стали лауреатами Нобелевской премии за открытие пенициллина и исследование его лечебного эффекта при инфекционных заболеваниях (рисунок 13.9).

А Б

Рисунок 13.9 – А - Эрнст Чейн (Ernst Boris Chain, 1906-1979 гг.); Б - Хоуард Флори (Howard Walter Florey, 1898-1968 гг.). Заимствовано из Интернет-ресурсов.

В СССР отечественный пенициллин (под названием крустозин) был получен З.В. Ермольевой и Т.И. Балезиной (рисунок 13.10) в 1942 г. из плесени Penicillium crustosum. В 1944 г. отечественный пенициллин был произведен в необходимых для испытания количествах и успешно применен для лечения раненых на фронте.

422

Рисунок 13.10 – Зинаида Виссарионовна Ермольева (1898-1974 гг.) и Тамара Иосифовна Балезина (1913-2010 гг.). Заимствовано из Интернет-ресурсов.

В 1942 г. появился термин “антибиотики”. Этот термин предложил американский микробиолог С.А. Ваксман (рисунок 13.11).

Рисунок 13.11 – Селман Абрахам Ваксман (Selman Abraham Waksman, 1888-1973 гг.). Заимствовано из Интернет-ресурсов.

Термином “антибиотики” обозначали природные вещества, продуцируемые микроорганизмами и в низких концентрациях препятствующие росту других бактерий. В 1942 г. группе ученых в США под руководством С. Ваксмана удалось выделить соединение (стрептомицин), подавляющее жизнедеятельность грамотрицательных и некоторых грамположительных микроорганизмов, в частности, микобактерий туберкулеза. В 1949 г. в США и других странах было налажено производство стрептомицина как эффективного противотуберкулезного средства. В 1952 г. С. Ваксман стал лауреатом Нобелевской премии за открытие стрептомицина – первого эффективного противотуберкулезного препарата.

Дальнейшие исследования многих ученых привели к выделению новых антибиотиков. В частности, в 1945 г. был выделен хлортетрациклин, в 1947 г. – хлорамфеникол, в 1949 г. – окситетрациклин, в 1952 г. – эритромицин. В 60-70-е годы ХХ века были разработаны цефалоспорины и рифамицины. В настоящее время насчитывается более 6000 антибиотиков, выделенных из различных источников. Из этого количества в медицинской практике используется более ста препаратов.

423

13.2. Классификация антимикробных препаратов

В настоящее время препараты, которые применяются для этиотропного лечения инфекционных заболеваний, называют антимикробными лекарственными средствами. К ним относятся:

-синтетические химиотерапевтические препараты;

-антибиотики.

В свою очередь, антимикробные синтетические химиотерапевтические препараты подразделяются на следующие группы:

1.Сульфаниламиды.

2.Хинолоны и фторхинолоны.

3.Производные нитроимидазола.

4.Производные нитрофурана.

5.Производные ГИНК (гидразида изоникотиновой кислоты).

6.Производные ПАСК (пара-аминосалициловой кислоты).

По объекту воздействия выделяют следующие группы антимикробных препаратов:

-антибактериальные препараты;

-противотуберкулезные препараты;

-противогрибковые препараты;

-противопротозойные препараты;

-противовирусные препараты.

По типу действия различают:

-микробоцидные (бактерицидные, фунгицидные) препараты – это препараты, вызывающие гибель возбудителей инфекционных заболеваний;

-микробостатические (бактериостатические, фунгистатические) препараты

–это препараты, ингибирующие рост и размножение микробов.

Антибиотики (от греч. anti - против, bios - жизнь) - это вещества природного, полусинтетического или синтетического происхождения, подавляющие рост или вызывающие гибель бактерий, грибов или простейших. Антибиотики не действуют на вирусы, поэтому не используются для лечения вирусных инфекций. Первые выделенные антибиотики – это природные соединения, образуемые актиномицетами или бактериями. После установления структуры природных антибиотиков появилась возможность их модификации и получения полусинтетических или синтетических препаратов. Таким образом, в настоящее время термин “антибиотики” используется для обозначения препаратов биологического (микробного) происхождения, их полусинтетических производных или синтетических аналогов.

Эффективные антибиотики должны отвечать следующим требованиям:

-в низкой концентрации обладать микробоцидным или микробостатическим действием;

-быть безвредным для макроорганизма и не снижать свою активность в тканях организма;

-подавлять рост или размножение микробов, не нарушая физиологического состояния макроорганизма.

По молекулярной структуре (химическому составу) выделяют несколько

424

групп антибиотиков (таблица 13.1).

Таблица 13.1 – Классификация антибиотиков по молекулярной структуре

Представители каждой группы имеют не только свои особенности молекулярной структуры, но и спектр возбудителей, в отношении которых они проявляют наибольшую активность.

Все бета-лактамные антибиотики в свою очередь в соответствии с их структурой подразделяются на несколько групп (таблица 13.2).

425

Таблица 13.2 – Основные группы бета-лактамных антибиотиков

По спектру антимикробного действия выделяют:

-препараты с узким спектром действия;

-препараты с широким спектром действия.

В свою очередь, антибиотики узкого спектра действия разделяют на препараты с преимущественным действием на грамположительные бактерии (пенициллины, макролиды, линкозамиды) и препараты с преимущественным действием на грамотрицательные микроорганизмы (монобактамы, полипептиды).

Спектр действия антибиотиков - это число видов возбудителей, на которые антибиотик оказывает бактерицидное или бактериостатическое действие. Препараты узкого спектра действия активны в отношении только небольшого количества грамположительных или грамотрицательных бактерий. Препараты широкого спектра действия активны против большого количества как грамположительных, так и грамотрицательных бактерий. Пенициллины и аминогликозиды действуют на грамотрицательные и частично на грамположительные микроорганизмы. Тетрациклины, макролиды, хлорамфеникол относятся к антибиотикам широкого спектра действия (действуют на грамположительные и грамотрицательные виды бактерий).

По способу получения антибиотики подразделяются на 3 группы:

1.Биосинтетические (природные) антибиотики являются продуктами метаболизма специально селекционированных штаммов микроорганизмов. Эти антибиотики получают биологическим синтезом с последующей очисткой от балластных примесей. Например, природными антибиотиками являются пенициллин, стрептомицин. Основными продуцентами природных антибиотиков являются бактерии, актиномицеты, плесневые грибы.

2.Полусинтетические антибиотики на первом этапе получают биосинтезом,

азатем подвергают химической модификации. При этом к природному антибиотику присоединяют различные химические радикалы для повышения активности препарата. Полусинтетическими антибиотиками являются, например, метициллин и оксациллин.

3.Синтетические антибиотики изначально получают химическим синтезом. Примером синтетических антибиотиков являются фторхинолоновые препараты; левомицетин.

По механизму действия все антибиотики распределяют на группы в

426

зависимости от “мишени”, на которую они действуют (рисунок 13.12):

Рисунок 13.12 – Механизмы действия антибиотиков на бактериальную клетку. Заимствовано из Интернет-ресурсов.

1.Ингибиторы синтеза клеточной стенки (пенициллины, цефалоспорины,

гликопептиды). Они нарушают синтез пептидогликана (муреина). Антибиотики этой группы действуют на разных этапах формирования клеточной стенки. Синтез предшественников пептидогликана начинается в цитоплазме бактерий. Затем предшественники транспортируются через цитоплазматическую мембрану и объединяются в пептидогликановые цепи. Эту стадию ингибируют гликопептиды. На внешней поверхности цитоплазматической мембраны образование полноценного пептидогликана происходит при участии белков-ферментов. Эти ферменты являются мишенью для бета-лактамных антибиотиков.

2.Ингибиторы функций цитоплазматической мембраны (полимиксины,

грамицидины, полиены, имидазолы). Полимиксины нарушают проницаемость цитоплазматической мембраны, блокируя фосфолипидные компоненты, что ведет к выходу в окружающую среду водорастворимых компонентов цитоплазмы. Грамицидины вызывают нарушение целостности цитоплазматической мембраны. Механизм действия полиеновых антибиотиков (нистатина, леворина, амфотерицина В) основан на связывании эргостерола цитоплазматической мембраны с последующим выходом низкомолекулярных соединений из клетки. Действие азолов (флуконазол, вориконазол, интраконазол, кетоконазол) заключается в ингибировании фермента, катализирующего превращение ланостерола в эргостерол

-основной структурный компонент мембраны клетки грибов; при этом проявляется выраженный противогрибковый эффект.

3.Ингибиторы синтеза белка:

-ингибиторы 30S-субъединиц рибосом (аминогликозиды, тетрациклины). Аминогликозиды препятствуют присоединению тРНК к рибосомам, а тетрациклины тормозят перемещение тРНК, то есть блокируют процесс до начала синтеза белка;

-ингибиторы 50S-субъединиц рибосом (макролиды, хлорамфеникол,

427

линкомицин). Например, эритромицин действует на процесс транслокации, что препятствует удлинению пептидных цепей.

4. Ингибиторы синтеза нуклеиновых кислот:

- ингибиторы синтеза предшественников пуриновых и пиримидиновых оснований (сульфаниламиды, триметоприм);

- ингибиторы РНК-полимеразы (рифампицин); - ингибиторы синтеза ДНК (фторхинолоны, нитрофураны, нитроимидазолы).

5. Антиметаболиты - ингибиторы метаболизма фолиевой кислоты (сульфонамиды, триметоприм). Действие сульфаниламидных препаратов связано с тем, что они нарушают образование микробными клетками фолиевой и дегидрофолиевой кислот, в молекулу которых входит пара-аминобензойная кислота (ПАБК). Сульфаниламиды по химическому строению схожи с ПАБК, поэтому они захватываются микробной клеткой вместо ПАБК. В результате этого в бактериальной клетке нарушаются процессы биосинтеза.

В обобщенном виде распределение антимикробных препаратов на группы по механизму действия представлено в таблице 13.3.

Таблица 13.3 – Классификация антимикробных химиопрепаратов по механизму действия

Таким образом, антибиотики, проникнув в микробную клетку, вызывают в ней нарушение метаболических процессов разного уровня и разной продолжительности. Каждая группа антибиотиков или даже отдельные антибиотики одной группы обладают специфичностью действия на отдельные звенья метаболических реакций. Сочетание нескольких антибиотиков, вызывающих нарушения разных метаболических процессов в микробной клетке, приводит к повышению эффективности схем лечения.

428

13.3. Продуценты антибиотиков

Природные антибиотики обнаруживаются в основном среди метаболитов почвенных микроорганизмов, синтезирующих их в качестве средств выживания в условиях микробного окружения. Животные и растительные клетки также могут вырабатывать антибиотикоподобные вещества, обладающие антимикробной активностью, но широкого распространения в лечебной практике такие соединения не нашли.

По происхождению (продуценту) антибиотики подразделяются на 3 группы:

1. Антибиотики, образуемые грибами и лишайниками. Так, из культуральной жидкости Penicillium notatum первоначально был выделен

пенициллин (рисунок 13.13), Cephalosporium acremonium - цефалоспорин, Aspergillus fumigatus - фумигаллин, Penicillium urticae - гризеофульвин,

Trichothecium roseum - трихотецин. Лишайники продуцируют усниновую кислоту, обладающую сильным антибиотическим действием. К натриевой соли усниновой кислоты особенно чувствительны дифтерийные палочки.

а б

Рисунок 13.13 – Penicillium crustosum (а) и Penicillium notatum (б), продуценты пенициллина. Заимствовано из Интернет-ресурсов.

2. Антибиотики, образуемые актиномицетами. Актиномицеты, особенно представители рода стрептомицетов (рисунок 13.14), продуцируют большое количество антибиотиков: Streptomyces greseus - стрептомицин, Str. fradiae - неомицин, Str. canamyceticus - канамицин, Micromonospora purpurea - гентамицин, Str. aureofaciens - хлортетрациклин, Str. venezuelae - хлорамфеникол, Str. erythreus - эритромицин, Str. fradiae - тилозин, Str. bevoris - леворин, Str. spheroides - новобиоцин, Str. mediterranei - рифамицин, Str. neursei -

нистатин. Многие из этих антибиотиков обладают широким спектром действия.

429

Рисунок 13.14 – Стрептомицеты, окраска по Граму. Заимствовано из Интернетресурсов.

3. Антибиотики, выделенные из бактерий. Группа антибиотиков бактериального происхождения менее обширна и имеет меньшее практическое значение, так как их эффективность значительно ниже, чем у антибиотиков, синтезируемых грибами или актиномицетами. Бактерии-продуценты антибиотиков синтезируют грамицидин, колицин, пиоцианин, субтилин, полимиксин и другие антимикробные вещества (рисунок 13.15).

а б

Рисунок 13.15 – Бактерии – продуценты антибиотиков: а - Bacillus brevis; б – Escherichia coli. Заимствовано из Интернет-ресурсов.

Грамицидин выделен в 1939 г. Р.Ж. Дюбо из почвенного микроба В. brevis. В нашей стране грамицидин С получен в 1942 г. Г.Ф. Гаузе и М.Г. Бражниковой. По химическому строению он представляет собой циклический пептид, в который входит пять аминокислот. В 1956 г. осуществлен синтез этого антибиотика.

Колицин - антибактериальный белок, продуцируемый некоторыми штаммами кишечной палочки и подавляющий жизнеспособность других штаммов

Escherichia coli.

Пиоцианин – антибиотическое вещество, получаемое из бактерий вида Pseudomonas aeruginosa. Он активен против большинства грамположительных бактерий.

Субтилин – продукт метаболизма сенной палочки (В. subtilis). Всего из разных штаммов сенной палочки выделено более 70 антибиотиков. Субтилин малотоксичен. Хорошо сохраняется в водных растворах.

Полимиксины - это группа соединений, обладающих узким спектром активности против грамотрицательных микроорганизмов. По химической структуре они представляют собой полипептидные соединения. В обычных дозах обладают

430

бактериостатическим действием, а в высоких концентрациях - бактерицидным действием.

13.4. Принципы получения антибиотиков

Существуют 3 основных способа получения антибиотиков:

-биологический синтез (культивирование продуцентов в оптимальных условиях в жидкой питательной среде с последующей очисткой);

-биосинтез с последующей химической модификацией (получение полусинтетических антибиотиков);

-химический синтез препаратов без участия микроба-продуцента.

Биологический синтез антибиотиков – это технологический процесс

выращивания микроба-продуцента в аппаратах-культиваторах при оптимальных температурных условиях в течение определенного времени в специальной жидкой питательной среде, выделение целевого продукта и его очистка от балластных примесей.

Этапы технологического процесса:

1.Выделение из внешней среды или селекция микроорганизмов - активных продуцентов антибиотиков. Для выделения высокопродуктивных штаммов применяют мутагенез, конструирование суперпродуцентов методами генетической инженерии.

2.Приготовление питательной среды для глубинного выращивания конкретного продуцента антибиотика.

3.Культивирование продуцента глубинным способом с аэрацией или без аэрации с использованием специально разработанных питательных сред в аппаратах-культиваторах (рисунок 13.16). При необходимости (особенно в случае образования микроорганизмом нескольких антибиотиков) обменные процессы направляют в сторону биосинтеза одного определенного антибиотика, изменяя условия культивирования (состава питательной среды, кислотности среды и других параметров).

Рисунок 13.16 – Аппараты (ферментеры) для культивирования продуцентов глубинным способом. Заимствовано из Интернет-ресурсов.

4. Выделение и очистка антибиотиков из культуральной жидкости методами