Биологический каталог




Биоорганическая химия

Автор Ю.А.Овчинников

ощью удалось лучше понять строение и функцию клеточных мишеней антибиотиков, что во многом определило сегодняшние успехи физико-химической биологии.

Исторический очерк. Еще в трудах Авиценны рекомендовалось использовать плесень при лечении гнойных заболеваний. Однако идея о борьбе за существование в мире микроорганизмов принадлежит Л. Пастеру. который в 1862—1868 гг. доказал факт Рибели

Рис. 361. Колонии пенициллин: слева — Penicillium nolaium; справа — Penicil-lium chrysogenum.

палочек сибирской язвы в присутствии гнилостных микробов. В 1871 г. русские врачи В. А. Манассеин и А. Г. Полотебнов, изучавшие зеленую плесень Penicillium, предложили использовать ее для лечения инфицированных ран, но тогда эти работы не получили должной оценки. В наиболее законченной форме концепция бакте-риотерапин сформулирована И- И. Мечниковым; в частности, он использовал молочнокислые бактерии (лактобвциллин) для подавления гнилостных бактерий в кишечнике человека.

Главная заслуга в открытии первого антибиотика — пенициллине (1928) принадлежит британскому ученому А. Флемингу, который заметил, что плесневый гриб Penicillium notatum вызывает растворение (лизис) колоний Staphylococcus aureus. Однако в течение последующих 10 лет прогресс в изучении пенициллина, который оказался очень неустойчивым и продуцировался^ грибом в незначительных количествах, был довольно медленным. Вторая мировая война, стимулировавшая поиск безопасного антибактериального вещества для обработки глубоких ран, заставила ускорить эти исследования. X. Флори и Э. Чейн (Великобритания) получили в 1940 г. неочищенный, содержащий Около 1 % внтибиотнкв, но высокоактивный препарат пенициллине и провели его широкие клинические испытания. Позднее в результате объединенных усилий 39 лабораторий Великобритании и США были обнаружены приблизительно в 1000 раз более производительные штаммы P. notatum и Р. chrysogenum (рис. 361), разработаны методы их выращивания, а также выделения и медицинского применения пеннциллннов. Аналогичные исследования были проведены в годы войны и в СССР 3. В. Ермольевой и сотр. Структурное изучение пенициллииов завершилось в 1945 г. установлением с помощью химических методов и рентгеноструктурного анализа формулы беизилпенициллина и ряда других антибиотиков этой группы (Р. Вудворд, Д. Ходжкин, Р. Робинсон).

Позднее изучение антибиотиков стало развиваться все возрастающими темпами. Большой вклад в эту область внес 3. А. Ваксман. Он не только выделил и очистил такие важнейшие антибиотики, как актиномнцин, стрептотрицин, стрептомицин, но и разработал методы скрининга и испытания антибиотиков, широко применявшиеся вплоть до последнего времени. В 1948—1950 гг. открыты хлорамфеникол и тетрациклины, в 1952—1954 гг. ряд полнено вы х

723

Антибиотики

Ваксман |Waksmanl Зельман Абрамам

(1688—1973), американский микробиолог и химик, родился в России. Окончил Рутгерсский университет (1915, США), с 1949 г.— директор Института микробиологии при этом университете. Выделил и очистил актиномнцин (1940), стрептотрицин (1942), открыл стрептомицин (1944), неомицин (1948), канди цидин и многие другие антибиотики. Лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине (1952).

724 и все основные макролидные антибиотики, а в 60-х годах стали изве

- стны почти все типы основных практически важных антибиотиков.

Низкомолекулярные в 1950 г. было описано около 150, к 1960 г.—около 1200 и к

биорегуляторы 1910 г.— более 2000 антибиотиков. В настоящее время поиск и

выделение новых антибиотиков несколько замедлились, хотя по-прежнему за год описывается более 50 новых веществ. Однако немногие среди них находят практическое применение. Сейчвс в медицине широко используется, по-видимому, от 50 до 100 антибиотиков, и основную долю среди них (до 60—65% по стоимости на международном рынке) продолжают составлять пенициллииы и цефа лоспо ри ны.

В биохимических исследованиях основное внимание уделяется сегодня изучению механизмов действия и микробиологической инактивации применяемых антибиотиков в связи со все более широким распространением резистентных штаммов патогенных микроорганизмов. На основе этих знаний химики создают синтетические и полусинтетические аналоги и производные известных веществ, обладающие большей вктнвностью и устойчивостью.

По механизму действия антибиотики можно разделить на 4 основных типа: ингибиторы синтеза бактериальной клеточной стенки, ингибиторы матричного (рибосомального) синтеза белка, ингибиторы синтеза нуклеиновых кислот и ингибиторы функционирования цитоплазматической мембраны.

Пенициллины,

цефалоспорины

и родственные антибиотики

Пенициллины облвдают широким спектром антибактериального действия, проявляя как бвктериостатическую, так и бактерицидную активность в отношении многих грамположительных микроорганизмов (стафилококков, пневмококков, стрептококков), некоторых грамотрицательных кокков (гонококков, менингококков), палочек сибирской язвы, клостридий спирохет и некоторых грибов. Широкое медицинское применение пенициллинов связано с их относительно низкой токсичностью для теплокровных, хотя в ряде случаев эти антибиотики вызывают аллергические заболевания и анафилактический шок.

Молекула пенициллина содержит р-лвктам-тиазолидиновую бициклическую систему пенама и имеет строго необходимую для проявления биологической активности конфигурацию. Биосинтез пенициллинов протекает следующим образом. Конденсация L-ct-аминоадипиновой кислоты, L-цистеина и L-валина с одновременным обращением конфигурации последнего приводит к трипеп-тиду; дальнейшее замыкание р'-лактамного и тиазолидинового колец ^q-^ —^^Ч^^1^3 дает изопенициллин N, в результате гидролиза которого под дейст-

Панициллин G

"СНз вмем пенициллинвцилазы образуется 6 аминопенициллановая кислота.

С Прямая ферментация последней в присутствии гЬенилуксус-

Cf5" ^ОН ной кислоты приводит к образованию пенициллина G (беизнлпе-ницидлина) а в присутствии феноксиуксусной кислоты образуется пенициллин V (феноксиметилпенициллин); оба антибиотика широ-

ки зилпеници л лин) ко применялись в течение многих лет

Пенициллнны — довольно нестабильные вещества. В щелочной 725

среде, например, они быстро претерпевают расщепление [i-лактам- -

ного кольца с образованием биологически неактивных пенициллои- Антибиотики новых кислот; эта же реакция протекает при действии р-лактамаз, устойчивых к пенициллинам штаммов микроорганизмов.

SH

СН3

L-a-Аминолдипиновав L—Цистеин

кислота

I н н

н+ V^sh+h.>Achj-^>0/Y1^

Н Lh н кн НзМ н ооЛ^

нХ^СНз

I

h,N"H,

СНз СНз

СОгН СОгН

6-А«инопеиии..лл«"0... Изопенициллии N

кислот.

R Н Н Н R Н Н Н

YStVCH]__У

Ч ^сн3

СОгН СОгН

ПенициллинС R -С*НЦСН. Пеннциллоиновая Пенициллин V R Н ОСН кислота

н со2н

Проблема резистентности микроорганизмов к антибиотикам является весьма актуальной. Рези тентнп ть может быть вызвана например о утствием у микро организма биохимической мишени антибиотика — тогда обычно говорят о его невосприимчивости. Друюй фактор заключается в изменении проницаемости клеточной стенки для антибиотика. Основной же, наиболее распространенный путь инактивации антибиотиков состоит в их химической модификации специфическими ферментами устойчивых микроорганизмов: пептидазами. гидроли чующими пептидные связи (например, (1 лактамазами) а также ацетилтрансферазами. фосфотрансферазами и аденилтрансферазами. инактивирующими антибиотики путем ацилирования или алкилировання. Выработка устойчивости микроорганизма к антибиотику происходит путем мутаций и последующего отбора устойчивых штаммов. При этом скорость создания резистентности увеличивается за счет передачи генетической информации от устойчивых клеток к чувствительным посредством транедукцин (переноса фрагментов ДНК с помощью фагов). Более распространенной является вне хромосомная устойчивость, связанная с R-факторами (плазмидами) (см. с. 4101, которыми клетки могут обмениваться путем конъюгации - прямого переноса предварительно peiминированных плазмид через временно образующийся в их стенках каназ. Следует отметить, что изучение этого механизма явилось важнейшей предпосылкой появлении современной генной инженерии (см с 426)

В связи с распространением резистентных штаммов микроорганизмов пенициллнны G и V в 70-х годах утратили свое практическое значение. К этому времени были разработаны методы ферментативного и химического расщепления бензилпенициллина до б-амино-

726 пенициллановой кислоты. Путем ее ацилирования было получено

-¦ значительное число различных полусинтетических пенициллинов.

Низкомолекулярные имеющих большую активность и устойчивость к р-лактамазам и

биорегуляторы более широкий спектр действия. Некоторые из наиболее практи-

чески важных пенициллинов приведены в таблице 26.

Таблица 26.

Практически важные пенициллины

Название R'

Пенициллин G Пенициллин V C,H,CHaCONH Cfl H.OCH.CONH NH, 1 Н н

Ампициллин н н

NH, I •

Пивампнциллнн С, Н t — С — CONH н (СН,),ССООСН,

Днклоксациллин н

Пиперациллин nhcon^ NCaHs с6н6—Мециллинам ^nch=n н

Пивмецнллинам (CH.l.CCOOCH,

В 1961 г. из экстракта микроорганизма Cephalosporin, acremo-nium Е. Абрахам и Г. Ньютон наряду с пенициллинами N выделили новый антибиотик — цефачоспорин С (табл. 27). Этот антибиотик не нашел широкого применения, но на его основе был синтезирован ряд производных, обладающих активностью по отношению к рези-

Таблица 27.

Важнейшие цефалоспорнны и цефамнцниы

Название R' R' R>

Цефало порин С J СО *nh3 H СП.ОССН, I

Цефазолин n*=\ | nch,co h l_4-ch, ch,s

Цефацстрил Ne=CCH,CO h ch.OCCH, I

Цефаклор C.H.CHCO NH, H CI

Цефамнцин С OOC Y ^ CO *nh3 оси, CH.OCNII, A

Цефак итин g^V-CHjCO och, CH.OCNH, 0

728

Низко молекулярные биорегуляторы

Клавуллновая кислота

Оливановав кислоте

'(СН2)2Ж3

со2-

стентным для пенициллинов штаммам грамположительных и «трудных» грамотрицательных бактерий; среди них наиболее интересны цефазолин, цефацетрил и цефаклор.

В первой половине 70-х годов из актиномицетов рода Strepto-myces выделены 7 метоксицефалосиорины цефамицины, наиболее ценными из которых являются цефамицин С и его производное — цефакснтин.

Кроме ставших уже классическими |3-лактамных антибиотиков, содержащих бицнклическне системы пенама и цефема, в середине 70-х годов в результате использования для скрининга суперчувствительных штаммов Pseudomonas aeruginosa и Е. coli был обнаружен ряд принципиально новых антибиотиков этого типа, А. Браун выделил клавулановую и оливановую кислоты, а Д. Кахан нз S. cattleya — новый высокоактивный антибиотик широкого спектра действия тиенамицин, имеющий, как и олива новая кислота вне цикла атом серы и противоположную пенициллннам хиральность центра б. Японские исследователи описали высокоактивные антибиотики аспареномицины А — С из S. tokunonensis.

Наконец, выяснилось, что и наличие бициклической системы не обязательно для проявления (3-лактамными соединениями биологической активности: твк, в 1975 г. был описан антибиотик нокар-дицнн Айв 1981 г.— монобактамы например сульфазецин.

Механизм действия Н-лактамных антибиотиков состоит в подавлении синтеза бактериальной клеточной стенки.

Клеточная стенка бактерий — это жесткая структура, предохраняющая их от разрушения высоким внутренним осмотическим давлением. Ее основным компонентом является пептидоглнкан (муренн) (см. с. 508), многослойный у грамположительных и однослойный у грамотрицательных бактерий. Формально грамположительные и грамптрн нательные бактерии т ичаются дру от друга рач нчным окрашиванием по методике немецкого врача прошлого века Грама. Фактически же они отличаются в основном структурой клеточной стенки, более плотной и сложной у грамотрицательных бактерий. Первая стадия биосинтеза пептндогликана. механизм которого выяснен главным образом работами Дж. Стрёминджера и Д. Типпера, начинается с построения моносахаридных компонентов, производных N-ацетил глюкозами на (NAG) и его 3 гликолнльного эфира — N-ацетилмурамовой кислоты (NAM). Затем к уридиндифосфомурамовой кислоте (UDP-NAM) достраивается 5 аминокислотных остатков, причем три из них имеют D конфигурацию два последних вводятся в виде дипептида D-Ala-D-Ala, а D-аланин образуется, в свою очередь, путем рацемизации L-аланина. На второй стадии действием связанного с мембраной ундекапре-

N—ОН

н

н«.

н с

I Ди, со'н

CCNa Нок.рдиц.н д

Аспареномицины

A R=S/5'!!ix'NHCOCH, "^Г'^^'н'^4^ *"Т-1

О I

В R-'S/X' НСОСН;

0 О

+ 1Н, ° ,.— Ц_СГК+

С R=S/5*^"'HCOCH3

Сульфазецин

729

Антибиотики

NAG-(/ll -<)-NAM-(al)_0—Р—О —Р—О I I

^ ОН он

l-Ala-LVGIn-^ -D-Ala-D-Ala

NAG-(, I -4)-NAM-(u1)—OP / I ^ OH OH

L-Ala-D- 111 DAF D ma . Ms

Ми

H (Gly)B-(a .r)

-Л*а 1_

¦"NAM—

I

-NAG—NAM-

i

Ala D-Ghi

Ala D-Ghi '

i j \ f

Ala \»-G'-

* i

о

p

^Х-Д—-

0*,CM ' °

I

L-Ala

I

t I

I -Ala

N Q—nam-1—nag

L-Ala

t I I I ^

L-Ala (JAP -.-Ala "

i

ap /и-л.» p о ^ dap

730

Ниэкомолекулярны био ре гу л ято р ы

Стрёминджер (Stromlnger] Джен

(р. 1925), американский биохимик. Образование получил в Гарвардском и Йельском университетах, с I9A8 г.— профессор Гарвардского университета. Известен работами в области химии углеводов и иммунохимии. Изучал структуру и биосинтез пептидогликана клеточной стенки бактерий, внес большой вклад в исследование структуры антигенов гистосовместимости человека.

нилфосфата концевой сро фат образовавшегося пентапептида (о) в случае S. aureus или WI у Е. coli алкилир ет я и благодаря этому вводится в мембрану. Затем происходит дальнейшее ликози ировани UDP N а не илглюк замин м DP NAG) а в случае S. aureus также амиднрование а СООН остатка глутаминовой кислоты и достраивание к r-NH лизина пяти глициновых остатков. На этой же стадии ферменты частично гидроли уют готовый пептидогликан. что делает возможным переход к третьей стадии, т. е. встраиванию в него диснхаридного звена с одновременным отщеплением ундекапреннлсро фата и образованию поперечных сшивок, которое происходит с отщеплением от пента- или декап птида одного из остатков D-a а ина В результате образуется трехмерная структура пептидогликана, например (в) у S. aureus и (г) у Е. coli. Заключительные стадии синтеза пептидогликана клеточной стенки бактерий связаны с действием двух фермент в. карбоксипептидазы и транс-пептидазы Установлено, что р-лактамкые антибиотики в первую очередь необратимо ин ибнруют транспептидазу, по-видимому, благодаря их структурному соответ-ствию дной из конформации фрагмента — D Ala D AlaOH В результате образуется ослабленная клеточная стенка, которая затем разрушается после увеличения массы клетки.

Циклосерин

Этот антибиотик был впервые выделен в 1955 г. из Streptomyces orch daceus и некоторых других актиномицетов. Он обладает довольно широким антибактериальным спектром и относительно низкой токсичностью для животных, но у людей часто вы

страница 97
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113

Скачать книгу "Биоорганическая химия" (11.1Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(28.06.2017)