<<
>>

ИНГИБИТОРЫ СИНТЕЗА КЛЕТОЧНОЙ СТЕНКИ

Перед тем как обсуждать механизмы действия ингибиторов синтеза клеточной стенки, мы должны кратко рассмотреть химическую структуру клеточной стенки различных микроорганизмов и основные пути ее биосинтеза.

А. СТРУКТУРА И АРХИТЕКТУРА КЛЕТОЧНОЙ СТЕНКИ

Клеточная стенка представляет собой жесткую структуру, которая окружает микробную клетку, определяя ее форму и защищая от разрушения иод действием высокого внутриклеточного осмотического давления. У прокариот в основе структуры клеточной стенки лежит сложная трехмерная сеть из макромолекул пептидогликана (мукопептида, или гликопептида, или муреина) и других полимеров (полисахаридов, липопротеидов и т.

д.), которые варьируют у разных бактерий. Пептидогликан представляет собой длинные полисахаридные цепи, состоящие из двух типов мономеров: ацетилмурамовой кислоты (М) и аце- тилглюкозамина (G), расположенных поочередно и соединенных (ф1->4) -гликозидными связями. Цепи связаны между собой пептидами, состоящими из четырех остатков аминокислот, причем третья аминокислота варьирует. Пептиды ответвляются от остатков ацетилмурамовой кислоты, образуя трехмерную структуру (рис. 3.3 и 3.4).

Способ соединения пептидных цепей различается у разных видов бактерий. В некоторых случайх они соединены непосредственно, в других — через дополнительные аминокислотные цепи.

Помимо трехмерной пептидогликановой сети в клеточной ■стенке имеются другие структуры, неодинаковые у разных орга-

х і і

U , Гї"+----------------------------------

P L о X „ ^ у ! о z х х о

х і о-о-о-и-и

Г=Г“'" Ї'

I С ГЧ Гч гм X

С X X X X Z

О—и—и-и—и-о-

1-Л-. =

Механизм действия антибиотиков

Рис. 3.4. Схематическое изображение слоя пептндоглнкановой сети у Е. coli (А) и у S. aureus (Б). Длинные параллельные горизонтальные цепи состоят из N-ацетнлглюкозамина (темные участки) и мурамовой кислоты (светлые участки). К остаткам мурамовой кислоты присоединены тетрапептиды (светлые сегментированные отрезки). У Е. coli связаны между собой только некоторые тетрапептиды, причем связь всегда образуется между третьей аминокислотой одного тетрапептида и четвертой аминокислотой другого. У S. aureus связи между пептидами непрямые; они осуществляются с помощью пентагли- циновых мостиков (светлые кружочки). [II meecanismo d’azione degli antibiotic!, in M. Vergnano and D. Sassella (eds), Rassegna Medica, Milan, Italy. Gruppo Lepetit, Spa., 1973, p. 33.)
4—347

низине, но в основном представленные двумя типами.

Один из них характерен для грамположителыных бактерий, а другой — для грамотрицательных.

1. КЛЕТОЧНЫЕ СТЕНКИ ГРАМПОЛОЖИТЕЛЬНЫХ МИКРООРГАНИЗМОВ

На электронной микрофотографии стенка таких клеток выглядит как однородный слой. Она построена из пептидогликана, белка и тейхоевых кислот. Последние содержатся в клеточной стенке в значительных количествах. У всех грамположитедьных бактерий можно также обнаружить «мембранные тейхоевые кислоты», названные так потому, что они расположены между стенкой п плазматической мембраной. Мембранные тейхоевые кислоты представлены цепями из чередующихся остатков глицерина и фосфатов. Тейхоевые кислоты стенки ковалентно связаны с нептидогликаном. Они могут иметь такую же структуру, как мембранные тейхоевые кислоты, а также могут содержать остаток рибита вместо глицерина. У некоторых редких форм тейхоевых кислот основной полимер, помимо многоатомного спирта (глицерина), содержих также сахарные остатки, такие как глю- ксна ити N-ацетилглюкозамин.

2. КЛЕТОЧНЫЕ СТЕНКИ ГРАМОТРИЦАТЕЛЬНЫХ МИКРООРГАНИЗМОВ

У грамотрицательных бактерий клеточная стенка тоньше, чем у грамположителыных, но сложнее. Обычно она состоит из нескольких слоев. Внутренний слой образован пептидогликаном, отделенным от плазматической мембраны периплазматическим пространством, в котором функционируют некоторые ферменты. Снаружи от пептидогликанового слоя расположена наружная мембрана. Ее несколько схематично можно представить как двойной слой липополисахарида, дающий начало структуре, сходной с плазматической мембраной. Слои пересекаются молекулами белков, причем некоторые из них выполняют транспортные функции. Наружную поверхность этой мембраны покрывает сложный липополисахаридный слой.

3. КЛЕТОЧНЫЕ СТЕНКИ ГРИБОВ

Стенки грибов построены из полисахаридных нитей, обра- з)ющих сеть и погруженных в аморфный полисахарид. Нити обычно состоят из хитина (poly-N-ацетилглюкозамина, рі-»-4).

align=left>

Б. БИОСИНТЕЗ ПЕПТИДОГЛИКАНА

Синтез пептидогликана можно разделить на три стадии (рис. 3.5 и 3.6).

I. Образование основных единиц из промежуточных метабо- .литов, UDP-глюковамина и UDP-мурамилпентапептида.

II. Конденсация основных единиц и их перенос к строящейся нептидогликановой структуре. Активированная молекула UDP- мурамилпентапептида присоединяется к липидному переносчику в плазматической мембране (это фосфорилирова-нный изопрано- идный спирт, содержащий 55 атомов углерода), освобождая UDP, и затем взаимодействует с UDP-глюкозамином с образованием гликозидной связи между атомом С-1 мурамовой кислоты и атомом С-4 ацетилглюкозамина (связь (31->-4). При росте и делении бактерий, когда: должен образовываться новый пеп- тидогликан, ферменты на внутренней поверхности стенки частично гидролизуют трехмерную сеть. В результате у молекулы пептидогликана образуются свободные концы, способные присоединять димер (мурамилпентапептид — ацетилглюкозамин), что приводит к удлинению цепи.

III. За мыкание связей между вновь образованными цепями пептидогликана. Соединение цепей происходит в результате потери концевого остатка аланина и образования пептидной связи между карбоксильной группой D-аланина в четвертом положении и аминогруппой двухосновной аминокислоты в третьем положении другой цепи.

Эту реакцию называют сшиванием. У некоторых бактерий сшивание осуществляется не прямым образом, а с помощью короткой пептидной цепи, соединяющей остаток D-аланина в одной цепи с двухосновной аминокислотой в другой. Освобождение в реакции D-аланина объясняет, почему в завершенной структуре пептидогликана содержатся тетрапептиды вместо пентапептидных предшественников (ацетилмура- милпентапептид).

Хотя основные особенности синтеза пептидогликана уже описаны выше, по-видимому, кроме этого существуют разные варианты созревания пептидогликана. Можно различить как минимум два таких способа: один связан с удлинением клеток, а другой— с образованием поперечных перегородок. Однако могут существовать и другие способы, на что указывает выделение мутантов с морфологическими деформациями при утрате одного из типов синтетической способности.

В. ИНГИБИТОРЫ СИНТЕЗА КЛЕТОЧНОЙ СТЕНКИ

Ингибиторы синтеза клеточной стенки можно разделить на два класса (рис. 3.7): 1) ингибиторы синтеза пептидогликана и 2) ингибиторы синтеза или сборки других компонентов стенки. Подавляющее большинство известных ингибиторов синтеза кле-

>ис. 3.6. Схематическое пРедст“д®™^ стенка. На

'идогликана из цитоплазмы к У X? РМурамовая кислота и N-аце-

.редыдущем этапе, не сказанном с UDP. М-мура-

жлглюкозамин находились в ци проеносчик (фосфорилирован-

■говая кислота G_^-аиетилглю=^ d^ione degli

шй липид), А—акцептор (ги sassclla (eds), Rassegna Medica, Milan, antibiotic!, in M. Vergnano and D. Sassclla leas), *

Italy, Gruppo Lepetit, Spa., 1973, p. ^-1

точной стенки относится к первому класеу.• Д ^ действия ко- Зиотик, относящийся ко второму оа у^о^^н Показано> что горого изучен достаточно п0™0’ 1ИПОПротеида наружной мем- он подавляет синтез (или сбор >) nJlT0MV действует только браны грамотрицателыных бактерии н п ■ .

;ельГе°ТРИЦаТЄЛЬНЬІЄ баКТЄРии и не действует на грамположи-

Ингибиторы синтеза пептидогликана удобно подразделить ствуют ГРУППЫ В зависнмости от процесса, «а который они дей-

1. Ингибиторы образования основных компонентов из кото- СиГР0ИТСЯ КЛеТ0Ч1Ная стенка’ например циклосерин, фосфо-

2. Ингибиторы образования димеров и ингибиторы их пеое-

«оса к растущим цепям пептидогликана, например ванкомицин ристоцетнн, бацитрацин, флавомицин. ’

ігрЖ3ттт^ГІібИТОрЬІ °®Разования сшивок, например пенициллины Ц фалоспорпны, цефамицины, тиенамицмны (р-лактамы с двумя кольцами), монобактамы.

Несмотря на различия ев механизме действия, все известные ингибиторы синтеза клеточной стенки имеют некоторые Общие

евоиства^^^ бактерицидным действием. При росте бактериальной клетки с внутренней стороны клеточной стенки функционируют титические ферменты. Они разрывают цепи пептидоглик - *Гс разеванием свободных концов, к которым переносятся вновь образованные димеры. Если образование Д»«Р“ перенос к растущей цепи пептидогликана подавлены, клеточная стенка Становится менее прочной, нз-за высокого осмотического давления цитоплазмы разрывается, и цитоплазма вытекает на ПУЖУ (рис. 3.8) (см. также р-лактамчше антибиотики).

РУ Не действуют на покоящиеся клетки. Литические ферменты, связанные с процессом синтеза клеточной стенки, активны только при роРсте клеток и неактивны в покоящихся клетках Поэтому ингибиторы синтеза клеточной стенки не действуют на

баетерии^в^стаїщон^р утра7ившие клеточную стенкуг

О существовании бактерий без клеточной істенки упоминалось® разд I Известны три типа таких бактерии. 1. Микоплазмы б кФрии встречающиеся в природе и являющиеся паразитам, жввовиьщ и растений. У них нет клеточной стенки, и они не способны ее синтезировать ни при каких усмцях^ 2. Ф Р мы- бактерии, обычно получаемые в .лабораторных Усл™*’ но иногда встречающиеся и в природе (изпример при инфекц ях мочевых путей, т. е. в гипертонических условиях), способные расти и размножаться при поддержании гипертоническі^ уел ^ вий. Если в среде отсутствуют ингибиторы синтеза кл стенки, L-формы стремятся регенерировать КЛ іЕдиные какУи

3. Протопласты —бактериальные формы, образованные L-формы, в лаборатории, но в отличие от поелєдиих нкпособные к размножению. Микоплазмы, L-формы и протопл тйнки вительны к действию ингибиторов синтеза клето і

Г. ПРИМЕРЫ ИНГИБИТОРОВ СИНТЕЗА КЛЕТОЧНОЙ СТЕНКИ

Здесь мы кратко представим механизмы действия наиболее известных антибиотиков-ингибиторов синтеза нептидогликана (другие свойства этих антибиотиков см. в гл. 5).

1. ФОСФОМИЦИН

Фосфомицин (известный ранее под названием «фосфономи- цин») -низкомолекулярное вещество, специфически подавляю шее взаимодействие UDP-N-ацетилглюкозамша с фосфоенол- пируватом, в результате которого образуется UDP-N ацетилму- рамовая кислота. Эта реакция катализируется ферментом пирувилтрансферазои. Фосфомицин ковалентно связывается с этим ферментом, необратимо ингибируя его активность.

2. ЦИКЛОСЕРИН

Циклосерин — антибиотик, особенно активный в отношении микобактерии. Его антибиотическое действие уменьшается при добавлении в среду D-аланина. Это- свидетельствует о том что цвклосерин действует на- концевой участок пентапептида мура- мовои кислоты. In vitro было показано, что он конкурентно подавляет активность 1) фермента, превращающего L-аланин в ею стереоизомер D-аланин (аланинрацемазы), ц 2) фермента катализирующего образование пептидной связи между двумя остатками D-аланина с образованием О-аланил-О-аланина (Шаланил-О-аланинсинтетаза).

Цикло-серин по- структуре похож на D-аланин в одной из возможных конформаций, поэтому фермент ошибочно принимает его за D-аланин и связывается -с антибиотиком, в результате чего нарушается каталитическая функция фермента.

3. БАЦИТРАЦИН А

Бацитрацин А — -полипептидный антибиотик, выделенный из бульонных культур Bacillus subtilis. Он блокирует функционирование фосфорилазы, освобождающей один из двух концевых фосфатов из комплекса с липидным переносчиком, который -в результате не может служить акцептором мурамилпентапепти- да. Однако бацитрацин не очень специфичен, он подавляет и другие фосфорилазные реакции. Скорее всего именно такое отсутствие специфичности является причиной высокой токсичности этого антибиотика.

4. ВАНКОМИЦИН И РИСТОЦЕТИН

Это сложные гликопептиды, содержащие производные ароматических аминокислот и остатков сахаров. Они подавляют перенос мурамилпентапептид—ацетилглюкозамина от липидного переносчика к растущей пептидогликановой цепи.

5. р-ЛАКТАМНЫЕ АНТИБИОТИКИ

Эта группа антибиотиков включает пенициллины, цефало- спорины, цефамицины, а также новые р-лактамы, такие как тиенамицин, PS-5 и клавулановую кислоту. Все они имеют сходные, но не идентичные механизмы действия, предотвращая созревание пептидогликана путем подавления образования

сшивок. . „„„„

Образование сшивок катализируют два фермента: траиспеп- тидаза, которая отщепляет концевой D-аланин от N-ацетилмура милпентапептида и связывает остающийся тетрапептид с другим участком пептидогликана, и карбокоипептидаза, которая отщепляет концевой D-аланин, но не катализирует образование сшивки. По-видимому, антибактериальная активность р-лактам- ных антибиотиков в первую очередь связана с подавлением активности транспептидазы (рис. 3.9).

Идентифицировано несколько белков внутренней мембраны растущих бактерий, способных специфически связывать р-лакта- мы- они названы пенициллинсвязывающими белками (llLb). Однако разные р-лактамы обладают неодинаковым сродством к разным связывающим белкам. Крайний случай представляет ме- циллинам, связывающийся только с одним белком. Разные связывающие белки могут отвечать за различные типы созревания пептидогликана. В результате дифференциального подавления различных типов созревания пептидогликана разные р-лактамы вызывают появление разных морфологических эффектов. а пример, бензилпенициллин обладает литическим действием, а цефалексин индуцирует образование удлиненных форм Ь. сои, у которых специфически подавлено образование поперечных перегородок, тогда как удлинение клеток не нарушено. Мецилли- нам с другой стороны, индуцирует образование округлых форм, у которых подавлено удлинение клеток, а не образование поперечных перегородок. Различные ПСБ могут быть представлены разными формами транспептидаз и карбоксипептидаз.

Каков механизм действия р-лактамных антибиотиков вызывающих лизис восприимчивых к ним микроорганизмов, несколько лет назад казалось, что этот вопрос полностью решен. В основе модели механизма действия лежали следующие пред^- положения: 1) подавление р-лактамами __функции ключевой биохимической мишени в синтезе клеточной стенки (одног нескольких ферментов, ответственных за образование транспеп- тидаой сшивки вновь образующихся цепей пептидогликана), это подавление осуществляется благодаря структурному сходств} Р-лактамов с О-аланил-О-аланином — субстратом транслепти- дазной реакции; 2) включение несшитых блоков в растущие цепи пептидогликана, в результате чего образуется «осла лен ная» клеточная стенка; 3) продолжающееся накопление цито-

плазматического материала, приводящее к увеличению давления на ослабленную клеточную стенку, последующее ее разрушение и лизис клеток. Согласно этой модели, лизис клеток является «прямым» следствием «несбалансированного» роста, т. е. результатом подавления синтеза клеточной стенки при продолжающемся приросте массы клетки.

Недавние экспериментальные данные свидетельствуют, однако, о том, что ситуация здесь гораздо сложнее. Перечислим эти данные. 1. Некоторые бактерицидные р-лактамы не подавляют образование сшивок. 2. У некоторых бактерий плохо сшитые элементы пептидогликана не включаются в растущие цепи и, следовательно, не происходит предполагаемого «ослабления» клеточной стенки. 3. Получены мутанты бактерий, у которых добавление пенициллина приводит к подавлению роста, а не к лизису (пенициллин-толерантные штаммы). Эти штаммы или утратили фермент (ферменты), гидролизующий пептидогликан. или имеют избыток ингибитора такого фермента (ферментов)'

На основании этих данных предложена новая модель механизма действия р-лактамов. Согласно этой модели, необратимые последствия, к которым приводит воздействие на клетку jj-лак- тамов (лизис клетки), лишь «косвенно» связано с действием антибиотика на первичные мишени (ПСБ). В рамках этой модели

1) р-лактамы подавляют активность одного или нескольких ферментов синтеза пептидогликана (ПСБ), что приводит к подавлению роста бактерий; 2) генерируется «сигнал» (неустанов

ленной пока биохимической природы), вызывающий освобождение тейхоевых кислот в среду; 3) їв результате удаления тейхое- вых кислот активируются один или несколько ферментов, гидролизующих пептидогликан; 4) это ослабляет ковалентные связи клеточной стенки, оставляя клеточную мембрану без механической поддержки, и 5) в результате происходит осмотический лизис клетки.

IV.

<< | >>
Источник: Дланчини Д., Паренти. Антибиотики. Пер. с англ. — М.: Мир,1985. — 272 с., ил.. 1985

Еще по теме ИНГИБИТОРЫ СИНТЕЗА КЛЕТОЧНОЙ СТЕНКИ:

  1. 36.Противомикробные средства, угнетающие синтез белков клеточной стенки бактерий: пенициллины, цефалоспорины и ванкомици
  2. ИНГИБИТОРЫ СИНТЕЗА БЕЛКА
  3. Индукция синтеза глюкокортикоидами белкового ингибитора фосфолипазы А2
  4. ИНГИБИТОРЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ КЛЕТОЧНОЙ МЕМБРАНЫ
  5. ГРУДНАЯ СТЕНКА/.ОСТРЫЕ ВОСПАЛИТЕЛЬНЫЕ ЗАБОЛЕВАНИЯ ГРУДНОЙ СТЕНКИ
  6. ЗАБОЛЕВАНИЯ БРЮШНОЙ СТЕНКИ
  7. ГРУДНАЯ СТЕНКА. МОЛОЧНАЯ ЖЕЛЕЗА
  8. ПРОНИЦАЕМОСТЬ СТЕНКИ МИКРОСОСУДОВ
  9. ИНГИБИТОРЫ ТРАНСКРИПЦИИ И РЕПЛИКАЦИИ
  10. ПОВРЕЖДЕНИЯ ГРУДНОЙ СТЕНКИ
  11. Ингибиторы бета-лактамаз
  12. ТРАВМА БРЮШНОЙ СТЕНКИ.
  13. ОПУХОЛИ ГРУДНОЙ СТЕНКИ