Основні механізми біологічної дії антибіотиків

За механізмом біологічної дії антибіотичні сполуки умовно підрозділяють на кілька основних груп:

1. Антибіотики, що інгібують синтез клітинної стінки бактерій, а точніше, синтез пептидоглікану (пеніциліни, бацитрацин, ванкоміцин, цефалоспорини, D-циклосерин) і грибів (поліоксини, ніккоміцін).

2. Антибіотики, що порушують функції мембран (альбоміцин, аскозин, граміцидин, кандіцидини, ністатин, трихоміцин, ендоміцин та ін.).

3. Антибіотики, що вибірково пригнічують синтез (обмін) нуклеїнових кислот:

а) такі, що інгібують синтез РНК (актиноміцин, гризеофульвін, канаміцин, неоміцин, новобіоцин, олівоміцин та ін);

б) такі, що пригнічують синтез ДНК (актидіон, брунеоміцин, новобіоцин, саркоміцин, едеін та ін.).

4. Антибіотики – інгібітори синтезу пуринів і піримідинів (азасерин, декоінін, саркоміцин та ін.).

5. Антибіотики, що пригнічують синтез білка (бацитрацин, віоміцин, канаміцин, метиміцин, неоміцин, тетрациклін, хлорамфенікол, еритроміцин та ін.).

6. Антибіотики – інгібітори енергетичного метаболізму (антиміцини, олігоміцини, патулін, піоціанін, уснінова кислота та ін.).

7. Антибіотики – інгібітори окисного фосфорилювання (валіноміцин, граміцидини, коліцини, олігоміцин, тіроцидин та ін.).

8. Антибіотики з антиметаболітними властивостями (пуроміцин, ациодоміцин, D-циклосерин та ін.).

9. Антибіотики з іммуномодуляторнимі властивостями (актиноміцини С і D, олівоміцин, брунеоміцин, рубоміцин, циклоспорин, макролідний антибіотик К-506 та ін.).

Крім перелічених процесів, антибіотики можуть пригнічувати й інші життєво важливі реакції в клітині. Антибіотик, що входить у ту чи іншу групу на основі специфіки механізму біологічної дії, залежно від концентрації препарату та інших умов може виступати в ролі інгібітора інших процесів. Наприклад, тетрациклін у невеликих концентраціях спричиняє специфічну дію на біосинтез білка бактеріями. Але, якщо концентрацію антибіотика збільшити в 100 і 1000 разів, то він буде виступати як роз’єднувача окисного фосфорилювання. Отже, наведений поділ антибіотиків на групи є умовним.

Нижче розглядаються найбільш повно вивчені механізми дії антибіотиків.

Антибіотики, що пригнічують синтез клітинної стінки

АНТИБІОТИКИ, ЩО ПРИГНІЧУЮТЬ СИНТЕЗ КЛІТИННОЇ СТІНКИ БАКТЕРІЙ

У ході розвитку бактерій відбувається безперервний процес синтезу клітинної стінки, що представляє собою поліфункціональну і фізіологічно активну структуру, через яку відбувається взаємодія між мікроорганізмом і середовищем. Бактеріальні клітинні стінки – це нерозчинні полімери. Зшиті пептидні бічні ланцюги пептидоглікану мають менше ступенів свободи, ніж точки росту пептидоглікану, що містять незшиті пептидні ланцюги; останні і служать центрами комплексоутворення з антибіотиками. До числа антибіотиків, що пригнічують синтез клітинної стінки чутливих бактерій, відносяться D-циклосерин, пеніциліни, цефалоспорини тощо.

D-циклосерин (продуценти Streptomyces roseochromogenes, S. lavendulae та ін.) є антагоністом D-аланіну – амінокислоти, що входить до складу пептидоглікану. Цей антибіотик пригнічує роботу ферментів аланінрацемази, що перетворює L-аланін в D-аланін, і О-аланіл-О-аланінсинтетази, що каталізує утворення пептидного зв'язку між двома молекулами D-аланіну. Іншими словами, D-циклосерин пригнічує ферменти, що каталізують процес включення D-аланіну до складу пептидоглікану.

Пеніциліни взаємодіють з транспептидазами і карбоксипептидазами (ці ферменти отримали назву PBP, або penicillin-binding proteins), перешкоджаючи завершенню синтезу пептидоглікану на стадії утворення поперечних зшивок. Це викликає лізис оголеної цитоплазми і загибель клітини.

Цефалоспорини мають подібний до пеніцилініого механізм біологічної дії. Вони, так само, як і модифіковані пеніциліни, проникають в бактеріальну клітину через пориновиі канали зовнішньої мембрани клітинної стінки грамнегативних бактерій. Отже, в основі механізму біологічної дії пеніцилінів та цефалоспоринів лежить процес пригнічення активності двох ферментів (транспептидази муреїну і D-аланін-карбоксипептидази), які беруть участь в утворенні основного полімеру клітинної стінки бактерій на його заключному етапі.

АНТИБІОТИКИ, ЩО ПРИГНІЧУЮТЬ СИНТЕЗ КЛІТИННОЇ СТІНКИ ГРИБІВ

Основними компонентами стінок цих грибів є хітин (полімер полі-N-ацетилглюкозаміну), хітозан (неацетильований полімер глюкозаміну) і деякі інші полісахариди. Вміст хітину в клітиних стінках деяких грибів сягає 20 % і більше. Цей полісахарид, утворюючи міцний комплекс з глюканами, багато в чому забезпечує ригідність клітинної стінки грибів.

Біосинтез хітину, що зазвичай входить до складу полісахариду стінок грибів, найбільш активний у кінчиках зростаючих гіф, де утворюються мікрофібрили полімеру. Вироблення хітину каталізується єдиним ферментом – хітинсинтетазою.

До цієї групи належать поліоксини, ніккоміцин, тунікаміцин. Ці антибіотики можуть використовуватися як фунгіциди, що пригнічують ріст багатьох фітопатогенних грибів, що відносяться до Alternaria, Cochliobolus, Pircularia, Mortierella, Rhyzopus, Mucor.

АНТИБІОТИКИ, ЩО ПОРУШУЮТЬ ФУНКЦІЇ МЕМБРАН

Перенесення (транспорт) речовин через цитоплазматичну мембрану може здійснюватися трьома основними шляхами:

1. Пасивна дифузія. Речовини, що переносяться, повинні бути розчинні у гідрофобному середовищі мембрани.

2. Полегшена дифузія. Речовини, взаємодіючи зі специфічним переносником, утворюють комплекс «переносник-речовина», який і може проходити крізь мембрану.

3. Енергозалежний транспорт. Для переносу речовини необхідне джерело енергії. При цьому речовина може транспортуватися проти градієнту концентрації. Іноді концентрація речовин в клітині на два-три порядки вище концентрації речовин у зовнішньому середовищі, але і в цьому випадку відбувається транспорт їх із середовища в клітину.

Надходження антибіотиків у клітину мікроорганізмів – процес активного транспорту. Слід підкреслити, що на транспортні потреби бактеріальна клітина витрачає в середньому 20-30 % енергії, яка утворюється в процесі обміну речовин. Накопичення всередині клітин мікроорганізмів антибіотика пояснюється тим, що антибіотики «користуються» транспортними системами, призначеними для перенесення звичайних метаболітів, «підміняючи» останні. Така «підміна» можлива завдяки певній хімічній подібності антибіотиків і нормальних продуктів обміну. Наприклад, тетрациклінові антибіотики переносяться в клітини мікроорганізмів за допомогою транспортної системи, призначеної для кислих амінокислот: аспарагінової та глутамінової.

Антибіотичні речовини, які спричиняють дію на цитоплазматичну мембрану, можна розділити на три групи:  

1. Речовини, що викликають дезорганізацію структури мембран. До цієї групи входять граміцидин С, поліміксин, поліени. В основі механізму біологічної дії граміцидину С лежить порушення ним стану та функціонування мембран клітин в результаті зв'язування антибіотика з мембранними компонентами. Це викликає, з одного боку, зміну проникності мембран і швидку втрату клітинами життєво важливих сполук типу нуклеотидів, неорганічного фосфору, амінокислот, а з іншого – пригнічення процесу енергетичного обміну, особливо його початкової стадії – дегідрування за рахунок інгібування ферментів, які локалізовані в мембрані.

Поліміксин – сполуки, які зв'язуються з мембраною бактеріальної клітини і порушують її нормальну функцію. Встановлено, що рецепторами цих антибіотиків можуть бути фосфоліпіди, в результаті взаємодії з якими поліміксини викликають дезорганізацію структури мембран.

Полієнові антибіотики (ністатин, рімоцидин, філіппіни, ендоміцин, кандіцидин, трихоміцин та ін.). Специфічна токсичність полієнових антибіотиків обумовлена їх взаємодією з одним з компонентів цитоплазматичної мембрани чутливих клітин, що належить до стеринів. У результаті змінюється селективність проникності мембран, що призводить до виходу з клітини найважливіших метаболітів і порушення здатності мембран контролювати засвоєння поживних речовин.

2. Антибіотики, які інгібують зв'язаний з мембраною білок (фермент), що приймає участь у процесах транспорту. У цю групу речовин можна включити олігоміцін В, що утворюється Streptomyces sp., близьким до S. diastatochromogenes. Антибіотик пригнічує мітохондріальну аденозинтрифосфатазу (АТФ-азу), яка зв'язана з клітинними мембранами і бере участь у синтезі або використанні АТФ.

3. Антибіотичні речовини-іонофори. Деякі антибіотики (валіноміцин, енніатини, нонактин, нігеріцин, моненсин, саліноміцн, граміцидини) здатні індукувати проникність іонів через мембрани клітин. Це послужило основою для їх назви – антибіотики-іонофори.

За принципом дії іонофори діляться на дві групи:

1) іонофори-переносники (валіноміцин, нонактин, енніатини),

2) іонофори, що утворюють іонпроникні пори («канали»). До останніх належать лінійні граміцидини А, В і С, полієнові антибіотики (амфотерицин В, ністатин), а також пептидний антибіотик аламетицин.

АНТИБІОТИЧНІ РЕЧОВИНИ, ЩО ПРИГНІЧУЮТЬ СИНТЕЗ БІЛКА

Синтез білка в клітинах відбувається в результаті поступового залучення амінокислот в цей процес через три послідовні стадії: активації, переносу і власне синтезу.

1. Активація амінокислот. У процесі біосинтезу білка можуть брати участь лише активовані L-амінокислоти – аміноациладенілати. Активація амінокислот відбувається за допомогою аденозинтрифосфату (АТФ), іонів Mg²⁺ та за участю ферменту аміноацил-тРНК-синтетази (Е).

2. Стадія переносу. Під дією ферменту аміноацил-тРНК-синтетази аміноациладенілат з'єднується з транспортною РНК (тРНК), утворюючи аміноацил-тРНК. Аміноацил-тРНК має код, що використовується в подальшому для заняття свого місця в поліпептидній структурі. Рибосоми пов'язані з інформаційною, або матричною, РНК (мРНК), яка визначає порядок чергування амінокислот у поліпептидних ланцюгах.

3. Стадія власне синтезу білка. Комплекс аміноацил-тРНК переноситься на рибосоми, де і відбувається синтез білка. Збірка поліпептидних ланцюгів (утворення амідних зв'язків) каталізується 50S субодиницею рибосоми, що виступає як р и б о з і м (молекула РНК, яка каталізує хімічні реакції, в даному випадку освіта пептидних зв'язків). Цей процес відбувається досить швидко: зв'язується до 17 амінокислотних залишків за секунду. Кінцева стадія біосинтезу молекули білка завершується на рибосомі. Синтезований білок потім розподіляється по всій клітині.

Сформовані білки звільняються від рибосом, які після цього можуть приєднувати нові комплекси аміноацил-тРНК і синтезувати нові білкові молекули. Таким чином, цілісність і функціональна активність рибосом в клітинах – одна з необхідних умов синтезу білкових молекул.

До числа антибіотиків, що інгібують утворення комплексу аміноацил-тРНК, можна віднести індолміцін, боррелідін і фураноміцін. Індолміцін за своєю структурою є аналогом триптофану і конкурує з триптофаном в реакції активації. Боррелідін виступає як конкурент треоніну та інгібує реакцію переносу. Фураноміцин конкурує з ізолейцином та інгібує реакцію переносу цієї амінокислоти.

Синтез білка пригнічують також аміноглікозиди, тетрацикліни, хлорамфенікол.

Аміноглікозиди інгібують синтез білка на кінцевих етапах цього процесу – вони гальмують утворення білкової молекули на стадії переносу аміноацил-тРНК до рибосоми, не торкаючись початкової стадії, тобто активації амінокислот. Інгібування білкового синтезу відбувається завдяки вибірковій взаємодії з 30S субодиницею рибосоми, що викликає зміну її А-ділянки і порушує, таким чином, процес надходження аміноацил-тРНК в рибосому і її правильну орієнтацію. При такому втручанні аміноглікозидів відбувається помилкове зчитування генетичного коду (матриці), і в результаті неправильне утворення поліпептидів, які містять велику кількість помилок. В результаті проявляється бактерицидний ефект антибіотиків.

Тетрацикліни специфічно пригнічують зв'язування аміноацил-тРНК з А-ділянкою бактеріальної рибосоми, розташованою в малій субодиниці.

Хлорамфенікол – з одного боку, пригнічує синтез білка у бактерій на стадії переносу амінокислот від аміноацил-тРНК до рибосоми, тобто на кінцевому етапі біосинтезу білкової молекули, а з іншого – гальмує звільнення рибосоми від пептиду, що також призводить до припинення синтезу білка. Антибіотик блокує зв'язування аміноацилолігонуклеотидного фрагменту аміноацил-тРНК з 50S субодиницею рибосоми. Він гальмує процес утворення з амінокислот поліпептидного ланцюжка і в кінцевому рахунку біосинтез білка. Антибіотик впливає на формування і самих рибосомних часток, призводячи до появи недобудованих рибосом з різко ослабленою здатністю до синтезу білка. Хлорамфенікол вибірково пригнічує ріст багатьох видів бактерій, але в тих же концентраціях не викликає помітної дії на розвиток грибів, найпростіших і клітин тварин. Стійкість цих організмів може бути пояснена, з одного боку, здатністю їх мембран не пропускати антибіотик, з іншого – відмінністю шляхів біосинтезу білка у бактерій.

До числа антибіотиків, що пригнічують синтез білка, відносяться також ціклогексамід (пригнічує пептидилтрансферазну активність 50S рибосомальних субодиниць), еритроміцин (зв’язує 50S субодиницю та інгібує транслокацію), пуроміцин (цей антибіотик – аналог тРНК, пригнічує утворення пептидних зв'язків у процесі біосинтезу білка) і деякі інші антибіотики.

АНТИБІОТИКИ-ІНГІБІТОРИ СИНТЕЗУ ПУРИНІВ І ПІРИМІДИНІВ

Пригнічення синтезу нуклеотидів (пуринових і піримідинових основ) необхідно розглядати як певний етап (стадію) порушення синтезу нуклеїнових кислот. До числа антибіотиків, що блокують синтез нуклеотидів, належать такі сполуки, як азасерин, саркоміцин і деякі інші.

Азасерин – антибіотик протипухлинної дії, структурний аналог глутаміну:

Вірогідно, антибіотик вступає в конкуренцію з амінокислотою за зв'язування з ферментом, який він незворотно інактивує. Група-N=N-молекули азасерину шляхом ковалентного приєднання по сульфгідрильній (-SH) групі вступає у зв'язок з групою ферменту, відповідального за перенесення =NH від амідної групи глутаміну до субстрату при синтезі пуринів.

Азасерин виявляє мутагенні властивості, практичного застосування в медицині антибіотик не знайшов.

Саркоміцін викликає множинний вплив на обмін клітин асцитної пухлини: пригнічує включення ¹⁴С гліцину в білок, синтез піридиннуклеотидів, включення фосфору в нуклеотиди і нуклеїнові кислоти. Має слабку антибактеріальну активність.

АНТИБІОТИКИ, ЩО ІНГІБУЮТЬ СИНТЕЗ НУКЛЕЇНОВИХ КИСЛОТ

Актиноміцини здатні пригнічувати синтез білка і ДНК-залежну РНК-полімеразу. Утворюють комплекси з ДНК через дезоксигуанінові залишки, що перешкоджає просуванню РНК-полімерази уздовж молекули ДНК-матриці.

Мітоміцини – припиняють синтез ДНК, практично не впливаючи на синтез РНК і білка. Є дані, які показують, що під дією мітоміцину ДНК розщеплюється на кислоторозчинні фрагменти. Причина розщеплення ДНК під дією мітоміцину остаточно ще не виявлена. Разом з тим є вказівки на те, що мітоміцин С здатний утворювати поперечні зшивки в молекулі ДНК.

Проте синтез вірусної ДНК вельми стійкий до дії мітоміцину. Мітоміцин С має мутагенні властивості, а також здатність індукувати (активувати) фаги бактерій.

Дауноміцини (синоніми: даунорубін, рубоміцини) – виявляють протипухлинну дію. Механізм біологічної дії дауноміцину визначається здатністю «вбудовуватися» між парами основ ДНК. Антибіотик зв'язується з тими ділянками ДНК, де є ГЦ-пари. Хромофор дауноміцину як би розсовує пари основ в ДНК і розташовується між ними.

Блеоміцини – протипухлинні антибіотики. Основний механізм їх біологічної дії – деградація молекули ДНК. Блеоміцини залежно від концентрації гальмують синтез ДНК і в меншій мірі синтез РНК. Висока концентрація антибіотика (300 мкг/мл) призводить до загибелі клітини.

Новобіоцин. Під дією новобіоцину відбувається внутрішньоклітинне накопичення уридиннуклеотидів і пригнічення синтезу РНК. Антибіотик пригнічує також клітинний поділ і знижує вміст ДНК у клітинах, що ростуть. Основний процес в механізмі біологічної дії новобіоціну – пригнічення синтезу ДНК і в меншій мірі – РНК.

Коумерміцин А. За хімічною будовою цей антибіотик, по суті, є димером новобіоцину. Як і новобіоцин, він пригнічує синтез ДНК і РНК, інгібує гіразу (фермент, який бере участь у скручуванні спіралі ДНК).

Підсумовуючи дані по інгібуванню антибіотиками синтезу ДНК у мікроорганізмів, слід зазначити, що взаємодія антибіотика з ДНК може відбуватися за наступними напрямками:

а) поперечно-зв'язана ковалентна взаємодія;

б) вбудовування в молекулу ДНК;

в) нековалентна взаємодія;

г) деградація молекули ДНК.

АНТИБІОТИКИ-ІНГІБІТОРИ ЕНЕРГЕТИЧНОГО МЕТАБОЛІЗМУ

Антиміцини. Чутливість до антиміцину А виявляють лише ті дихальні системи, які чутливі до ціаніду (цитохроми b, c, c₁ і a). Антибіотик специфічно інгібує електронний транспорт між цитохромами b та с.

Олігоміцини інгібують окремі етапи трансформації енергії, пов'язані з термінальними системами переносу електронів, а також мітохондріальну АТФ-азу, перешкоджаючи переносу зв'язаної з мембраною фосфорильної групи. Однак це, мабуть, не пряма дія антибіотиків на фермент, а вторинний ефект. Ці антибіотики можна назвати інгібіторами мітохондріального дихання, оскільки вони пригнічують лише аеробні організми.

Реуміцін є інгібітором тканинного дихання. Механізм його біологічної дії пов'язаний з порушенням енергетичного обміну пухлинних клітин. Реуміцін in vitro проявляє цитотоксичну дію на пухлинні клітини людини (меланома, рак нирки, пухлини яєчка), він показав гарні результати при лікуванні злоякісних пухлин головного мозку. Препарат не має антимікробної активності.

П а т у л і н характеризується досить широким спектром біологічної дії: пригнічує аеробне дихання бактерій, грибів і фагоцитів. Безпосереднє місце дії патуліну і механізм його дії поки ще не встановлені. Відомо лише, що термінальний перенос електронів представляє одну з вразливих ділянок.

АНТИБІОТИКИ-ІНГІБІТОРИ ОКИСНОГО ФОСФОРИЛЮВАННЯ

Валіноміцин пригнічує ріст грампозитивних бактерій, особливо активний щодо кислотостійких бацил. Антибіотик здатний роз'єднувати окисне фосфорилювання, не викликаючи практично ніякого впливу на споживання кисню в присутності АТФ, гексокінази і глюкози. Пригнічує мембранозв’язану АТФ-азу.

Процес переносу електронів у присутності валіноміцину супроводжується виходом іонів водню із мітохондрій. Здатність валіноміцину роз'єднувати окисне фосфорилювання залежить від присутності іонів калію, при цьому мітохондрії поглинають в 10⁴ разів більше іонів калію, ніж іонів натрію, оскільки валіноміцин є потужним іонофором К⁺.

До інгібіторів окисного фосфорилювання відносяться також лінійні граміцидини, олігоміцини та інші антибіотики.

АНТИБІОТИКИ-АНТИМЕТАБОЛІТИ

Одним з механізмів біологічної дії антибіотиків, що виступають у ролі антиметаболітів, є конкурентне інгібування. Суть його полягає в наступному: якщо в організмі або в середовищі одночасно присутні дві речовини – звичайний для організму субстрат S і інгібітор I, схожий за структурою з субстратом, і обидва вони можуть вступати у зв'язок з ензимом (Е), як це показано в рівняннях (1) і (2 ):

S + E S E, (1)

I + E I E, (2)

то це типовий приклад конкурентного інгібування, або конкурентного обміну.

Інгібітор як антиметаболіт відповідного субстрату, взаємодіючи з ферментом, порушує його функцію і таким чином дезорганізує певну ланку в метаболізмі клітини.

Пуроміцин виступає як конкурентний аналог аміноацил-тРНК, замінюючи останню в реакції з пептидил-тРНК, що призводить до звільнення з рибосоми пептиду у вигляді пептидил-пуроміцину і таким чином припиняє синтез білка.

Окситетрациклін виступає в ролі конкурентного інгібітора дифосфопіридиннуклеотиду при дії його на Е. coli.

Ацидоміцин (антибіотик актиноміцетного походження) – конкурент вітаміну біотину, схожого за будовою з кислотою. Антибіотик хадацидин, утворений певним штамом Penicillium frequentans, виступає як конкурентна речовина по відношенню до L-аспарагінової кислоти, а D-циклосерин – до D-аланіну

Хадацидин пригнічує біосинтез нуклеотидів. Він активний відносно деяких ракових пухлин (аденокарцинома яєчок, епідермальна карцинома, саркома) і має низьку токсичнсть.

Антиметаболітні властивості антибіотиків полягають у тому, що вони пригнічують розвиток чутливих організмів лише в тому випадку, якщо в середовищі відсутній один з метаболітів (амінокислота, нуклеозид, вітамін).

До антиметаболітів амінокислот відносяться такі антибіотики, як боррелідин, кетоміцин, фураноміцин, азасерин, діазаміцин та ін До антиметаболітів нуклеозидів можна віднести форміцин А, пуроміцин. Антибіотики – антагоністи вітамінів – ацидоміцин (актитіазовая кислота), а-дегідробіотин, метилбіотин.

Ацидоміцин, дегідробіотин, α-метилбіотин, α-метилдетіобіотин виступають як антиметаболіти біотину. Названі антибіотики, які утворюються стрептоміцетами, дуже близькі за своєю структурою до біотину. Їх біологічна активність (вони пригнічують ріст ряду видів мікроорганізмів) різко знижується в присутності біотину.

До теперішнього часу відомо більше 50 антибіотичних речовин, що мають антиметаболітні властивості по відношенню до амінокислот, основ нуклеїнових кислот, вітамінів.

АНТИБІОТИКИ-ІМУНОДЕПРЕСАНТИ

Актиноміцини С і D, олівоміцин, брунеоміцин, дауноміцин (рубоміцин), циклоспорин та ін. Найбільш значущим з них є циклоспорин. Новий макролідний антибіотик К-506 також має імуносупресивну дію. За цією ознакою він близький до циклоспорину А, але в 10-100 разів активніше за нього. Цінність цих сполук визначається їх протиалергічним ефектом.