|
|
Биоорганическая химияощью 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— 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 |
< 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] |