1. Образование антибиотиков в естественных и лабораторных условиях. Вещества предшественники для биосинтеза антибиотиков
 Скачать 0.99 Mb.
|
|
43. Ксенотоксические и аутотоксические антибиотики, их характеристика. По отношению к продуцирующему штамму с 1979 года все известные в настоящее время антибиотики принято делить на две группы: 1) ксенотоксические, или действующие только на метаболизм других штаммов и не имеющие мишени в клетках собственного продуцента; 2) аутотоксические, или имеющие мишени для действия в клетках собственного продуцента и, следовательно, проявляющие определенные защитные механизмы. Очевидно, что такое деление является условным. Например, для β-лактамных антибиотиков, продуцентами которых являются штаммы Penicillum, образуемые антибиотики являются ксенотоксичными, но по отношению к продуцентам-бактериям – аутотоксичными. К чисто ксенотоксическим антибиотикам относятся антимицины – ингибиторы функционирования дыхательной электронтранспортной цепи митохондрий за счет взаимодействия с убихинон-цитохромными ферментами. Продуцентом данной группы антибиотиков являются бактерии S. antibioticus. Анизомицины – ингибиторы биосинтеза белка на 80S рибосомах, а продуцируются они S. griseolus и S. roseochromogenes. Актиномицеты S. cacaoi продуцируют полиоксины – антибиотики, инги-бирующие биосинтез клеточной стенки грибов. Такие антибиотики, как бицикломицин и глобомицин, ингибируют функционирование наружной мембраны грамотрицательных бактерий, однако продуцируются стрептомицетами, т. е. бактериями грамположительными. Очевидно, что для аутотоксических антибиотиков должны существовать защитные механизмы. Это значит, что весь метаболизм продуцента, и первичный, и вторичный, должен быть отделен и защищен от молекулы антибиотика. Чаще всего такие механизмы рассматривают на биохимическом уровне, а их классификация выглядит следующим образом: 1) изменение конформации мишени для действия антибиотика (на- пример, участка рибосомы); 2) сверхпродукция молекул-мишеней (например, фермента); 3) наличие в клетке обходного пути метаболизма, который является мишенью для действия антибиотика; 4) сверхпродукция метаболита антагониста (например, цистеина для пенициллина, глиотоксина); 5) некоторые случаи толерантности к антибиотику (например, продукция β-лактамов и снижение продукции аутолитических ферментов); 6) избирательное снижение проницаемости мембраны по отношению к антибиотику; 7) внутриклеточная детоксификация антибиотика (например, фос- форилирование для неомицина). Для продуцента эритромицина защита проявляется на двух уровнях. На рибосомном, когда биосинтез белка на рибосомах продуцента подавляется значительно более высокими концентрациями антибиотика, нежели у непродуцирующих вариантов, что объясняют практически полным отсутствием связывания его с рибосомами. На мембранном уровне отмечают избирательное поступление антибиотика в мицелий после его секреции, хотя для других антибиотиков избирательности поступления в клетки продуцента не отмечается. Снижение проницаемости мембраны свойственно и продуцентам линкомицина, хлорамфеникола. Для последнего также существует защита на уровне продукции гидролаз, внеклеточно инактивирующих антибиотик. Для продуцентов аминогликозидных антибиотиков характерно наличие механизма защиты на рибосомном уровне. Кроме того, для них описаны системы защиты с участием фосфо- и ацетилирующих ферментов. Для антибиотиков – ингибиторов синтеза пептидогликана (β-лактамных) основной механизм защиты связан с изменением конформации транспептидазы и набором и составом пенициллинсвязывающих белков. У продуцентов тетрациклина белоксинтезирующая система оказалась в 20 раз более устойчивой к определенным концентрациям антибиотика (или к концентрациям в 20 раз более высоким). Отмечается также и влияние физиологического состояния клеток на устойчивость. Так, молодые культуры в трофофазе, т. е. не продуцирующие антибиотик, устойчивы к 50 мкг/мл, в то время как на завершающих стадиях жизненного цикла – к 2000 мкг/мл. Кроме того, отмечают внутриклеточную компартментализацию, обеспечивающую отделение антибиотика от содержимого цитоплазмы. Для актиномицина Д, ингибитора транскрипции, обнаружено три механизма защиты: 1) на уровне мишени: как ДНК-, так и РНК-полимеры способны обходить прореагировавший с антибиотиком участок молекулы ДНК; 2) связывание в клетке актиномицина специфическими белками во время идиофазы, что уменьшает количество антибиотика в свободной активной форме; 3) снижение обратного поступления антибиотика в клетку на стадии трофофазы, что, кроме того, снимает ингибирование его синтеза по типу обратной связи. 44. Антибиотики, нарушающие надмолекулярную структуру клеточной мембраны и их характеристика. К веществам, нарушающим структуру мембраны, относят соединения двух типов в химическом отношении. Это антибиотики, которые имеют пептидное кольцо, состоящее менее чем из 10 аминокислот, но к этому кольцу присоединяется пептидная цепь, а к ней – разветвленная жирная кислота (8–9 атомов углерода). Их примером являются полимиксины. Активны данные соединения в отношении грамотрицательных бактерий. Вещества второй группы (грамицидин С и тироцидины) являются циклическими полипептидами, состоящими из 10 аминокислот и имеющими свободные аминогруппы, активны в отношении грамположительных бактерий. Полимиксин В – бактерицидный антибиотик, продуцируемый бактериями Bacillus polymixa. Положительно заряженный полипептид электростатически связывается с анионными фосфатными группировками мембранных фосфолипидов, вытесняя при этом катионы Mg2+, обеспечивающие стабильность мембраны. Одновременно во внутренние гидрофобные участки мембраны встраивается боковая цепь жирной кислоты. Структура мембраны изменяется, и нарушаются параметры ее проницаемости (происходит потеря ионов К+). Нарушения структуры наружной мембраны при электронно-микроскопическом анализе выглядят как выпячивания (в виде пузырей) из-за увеличения площади ее поверхности. Существует несколько аналогий между действием полимиксинов и таких антисептиков, как хлоргексидин. Одна из них заключается в том, что токсический эффект может быть снижен при повышении концентрации двухвалентных катионов. Полимиксины избирательно действуют на грамотрицательные бактерии и очень слабо на грамположительные. К ограничениям при использовании полимиксинов следует отнести возможный нефротоксический эффект. Грамицидин С – бактерицидный антибиотик, продуцируемый бактериями Bacillus brevis. Является циклическим полипептидов, в состав которого входят 10 аминокислот. Биосинтез антибиотика идёт по мультиферментному пути. Грамицидин С синтезируется при участии двух ферментов (грамицидин-синтетазы I и II) в присутствии АТФ и ионов Mg2+. Компонент I активирует 4 аминокислоты, входящие в молекулу грамицидин С. Процесс активации аминокислот: вначале образуются аминоациладенилаты, связанные с компонент I, затем происходит отщепление АМФ и аминокислоты переносятся на сульфгидрильные группы фермента. Компонент II активирует фенилаланин так же в присутствии АТФ и ионов магния, в результате чего образуется аминоациладенилат, который переносится на сульфгидрильную группу компонентов II с образованием тиоэфира D- фенилаланина. Биосинтез дипептида – это первая стадия образования полипептидного антибиотика. Синтезированный дипептид переносится на фосфопантетеин, с помощью которого этот дипептид переносится на аминную группу L-валина. Образуется трипептид, который переносится на аминную группу орнитина с выходом тетрапетида, который тем же путём переносится на аминную группу лейцина с синтезом пентапептида. В результате ряда биохимических процессов происходит циклизация пентапептида с образованием грамицидина С. Грамицидин С обладает довольно высокой антибиотической активностью в отношении грамположительных и некоторых грамотрицательных бактерий. Антибиотические свойства грамицидина С сохраняются в присутствии лимфы, сыворотки крови и гноя. Грамицидин С находит применение в хирургии при первичной обработке ран, при лечении инфицированных ран, ожогов и других нагноительных процессов. 45. Качественные и количественные характеристики действия антибиотиков. Антибиотики – специфические продукты жизнедеятельности или их модификации, обладающие высокой физиологической активностью по отношению к определенным группам микроорганизмов (вирусам, бактериям, грибам, водорослям и простейшим) или клеткам злокачественных опухолей, избирательно задерживающие рост или полностью подавляющие их развитие. Подавление антибиотиками роста других организмов включает два понятия: бактериостатическое, при котором после удаления антибиотика из среды рост восстанавливается, и бактерицидное – необратимое летальное действие антибиотика на клетку. В том случае, если гибель микрооорганизма определяется лизисом клетки, говорят о бактериолитическом действии антибиотика. Соответствующие указанным выше эффектам концентрации антибиотиков получили название бактерицидных и бактериостатических. Основная характеристика активности антибиотика – минимальная концентрация, подавляющая рост микроорганизмов, которая называется минимальная подавляющая (или ингибирующая) концентрация (МПК, МИК). На эту величину оказывают влияние ряд факторов: состав среды, в которой проводится определение (рН, наличие сыворотки, определенных катионов); условия инкубирования (температура, время, аэрация); величина и плотность инокулюма и т. п. Кроме того, характеризуя действие антибиотика, особенно необходимо учитывать вид микроорганизмов и форму его нахождения in vivo − внутри- или внеклеточно. Величина биологической активности антибиотиков обычно выражается в условных единицах, содержащихся в 1 мл раствора (ед/мл) или в 1 мг препарата (ед/мг). За единицу антибиотической активности принимается минимальное количество антибиотика, способное подавить развитие или задержать рост определенного числа клеток стандартного штамма тест-микроба в единице обьема питательной среды. Например, за единицу активности пенициллина принято минимальное количество препарата, задерживающее рост золотистого стафилококка в 50 мл бульона, а для стрептомицина – минимальное количество антибиотика, задерживающее рост кишечной палочки в 1 мл бульона. После выделения антибиотиков в чистом виде появилась возможность выразить их биологическую активность в единицах массы. Для многих антибиотиков (эритромицин, нистатин, трихоцетин и др.) 1 ед. активности соответствует 1 мкг вещества. В других случаях это соотношение может отличаться: 1 мг чистого основания неомицина содержит 300 ед. активности. Во взаимодействии микроб – антибиотик полное ингибирование роста, которое характеризуется МИК, встречается не всегда, другие варианты возможны при субингибирующих концентрациях, т. е. находящихся в пределах от 0 до 1 МИК. При таких концентрациях антибиотика характер роста микроорганизмов может в течение определенного времени замедляться с последующим восстановлением. Изучение кинетики антимикробного действия такого типа послужило основанием для введения нового показателя – минимальной антибиотической концентрации (МАК), за которую принимается концентрация антибиотика, вызывающая изменение структуры клеток бактерий или скорости их роста, или того и другого одновременно. Выделяют МАК ультраструктуры, т. е. морфологические изменения клеток, и МАК ингибирования, т. е. изменение плотности микробной популяции за время наблюдения на 1 lg. К характеристикам антибиотической активности относится и такая, как спектр антибиотической активности (действия) – группа организмов, рост которых подавляется данным соединением. 46. Противогрибковые антибиотики, действующие на мембрану их клеток. Сидеромицины и механизм их действия. В группу полиеновых антибиотиков входит большое число противогрибковых соединений, образуемых актиномицетами. К их числу относятся нистатин и леворин. Нистатин. Образуется культурой Streptomyces noursei. Впервые был выделен в 1950 г. И. Хазеном и Р. Брауном. Продуцент нистатина хорошо развивается на средах, содержащих кукурузный экстракт, соевую муку, аммонийные соли, крахмал, глюкозу, мел. Развитие микроорганизма и процесс биосинтеза нистатина существенно зависят от концентрации неорганического фосфора в среде. Стрептомицет хорошо растёт и образует антибиотик на синтетических средах. В процессе развития стрептомицета нистатин в основной массе накапливается в мицелии. Из обезвоженного мицелия антибиотик экстрагируют метанолом. В ходе биосинтеза образуется комплекс, состоящий из двух биологически активных веществ: нистатина А1 и нистатин А2. Нистатин нерастворим в воде, плохо растворим в метаноле, этаноле, бутаноле и диоксане. Хорошо растворим в диметилформамиде, диметилсульфоксиде, пропиленгликоле. Антибиотик обладает противогрибковым действием и не проявляет антибактериальной активности. Механизм антимикробного действия этого антибиотика связан с нарушением клеточной мембраны грибов, содержащих холестерол или эргостерол. Резистентность к нистатину связана или с отсутствием эргостерола, или с очень низким его содержанием в клетках. Нистатин может быть использован в медицинской практике для лечения заболеваний, вызываемых Candida. Леворин. Образуется в процессе развития Streptomyces levoris. Леворин относится к группе полиеновых ароматических макролидов, макролактонное кольцо которого состоит из полиенового хромофора с семью сопряжёнными двойными связями. Молекула леворина содержит аминосахар микозамин и ароматический кетон п- аминоацетофенон. Streptomyces levoris в процессе развития образует комплекс антибиотиков, состоящий из пяти гептаенов. Методом противоточного распределения комплекс леворина был разделён на 2 близких антибиотика: леворин А и левори В. В процессе селекции продуцента леворина получен штамм актиномицета с повышенной антибиотической активностью. При этом оказалось, что в мицелии указанного штамма синтезируется второй антибиотик неполиеновой природы – левористатин. Наряду с другими антибиотиками леворин обладает высокой противогрибковой активностью, подавляя развитие дрожжей и дрожжеподобных организмов; менее активен в отношении мицелиальных грибов. Леворин применяют при заболеваниях, вызываемых дрожжеподобными грибами. Для лечения наружных заболеваний леворин употребляют в виде мазей, при лечении желудочно-кишечного тракта – в виде таблеток или капсул. К числу антибиотиков, нарушающих поступление катионов в клетку, относят и сидеромицины, механизм действия которых связан с особенностями поступления железа в клетки бактерий. Рассматривая действие антибиотика, следует учесть, что поступление железа в клетки приего дефиците в окружающей среде связано с несколькими стадиями: • клетка синтезирует кофактор (сидерофор) транспорта железа; • кофактор освобождается из клетки во внеклеточную среду организма-хозяина; • часть железа связывается с сидерофором, экстрагируя его из тканевых жидкостей; • комплекс поступает в клетку микроорганизмов с помощью специфических переносчиков, локализованных в их мембране; • по мере необходимости железо высвобождается из хелатного комплекса либо за счет восстановления, либо за счет ферментативного гидролиза лиганда. Считают, что сидеромицины конкурируют с сидерофорами и, следовательно, подавляют поступление железа в клетку. Примером сидеромициновых антибиотиков является альбомицин. У E. coli белки(феррихромы), которые участвуют в накоплении железа, структурносходны с альбомицином и транспортируются в комплексе с железом через наружную мембрану с участием как минимум двух белков – TonA и TonB. В присутствии альбомицина нарушается взаимодействие белка TonA и феррихрома, вследствие чего прекращается транспорт железа в клетку и нарушается ее рост. 47. Определение понятия антибиотик, особенности их химической и биологической организации. Впервые термин «антибиотик» (буквальный перевод – «против жизни») ввел в употребление С. Ваксман в 1942 году. Однако до сих пор в литературе встречаются как более широкие, так и более узкие определения этого понятия. Учитывая все биологические особенности и свойства химической структуры этих соединений, можно остановиться на следующем определении. Антибиотики– специфические продукты жизнедеятельности или их модификации, обладающие высокой физиологической активностью по отношению к определенным группам микроорганизмов (вирусам, бактериям, грибам, водорослям и простейшим) или клеткам злокачественных опухолей, избирательно задерживающие рост или полностью подавляющие их развитие. Характеризуя антибиотики как химические соединения, следует отметить следующие их особенности: • молекулярная масса антибиотиков составляет от 150 до 5000 Д; • молекулы антибиотиков состоят из углерода и водорода, или же из углерода, водорода, азота и кислорода, в некоторых случаях имеются атомы серы, фосфора или галогенов; • в молекуле антибиотиков представлены практически все известные в органической химии группировки: карбоксильные, карбонильные, циклические, ароматические и др.; • все антибиотики могут быть получены в кристаллическом виде. Строго говоря, к антибиотикам следует отнести и полусинтетические производные, полученные либо путем химической модификации природных антибиотиков или продуктов метаболизма организмов, либо продукты, полученные в результате их микробиологической трансформации. С биологической точки зрения антибиотики относятся к вторичным метаболитам клетки. Это значит, что они синтезируются на определенной стадии развития культуры-продуцента и их образование не является обя- зательным для клетки. Представления о двухфазности микробиологического синтеза вторичных метаболитов свидетельствуют, что в первую фазу (ростовую, или трофофазу) происходит накопление относительно окис- ленных соединений клетки, интенсивный синтез белков, нуклеиновых кислот, углеводов, ферментов, а во время второй (продуктивной, или идио-фазы) имеет место синтез антибиотиков. Среди других биологических особенностей образования антибиотиков можно отметить следующие: 1) большинство антибиотиков являются вторичными метаболитами трех главных групп организмов: эубактерий, актиномицетов, грибов. Немногие |