Антибиотики (антибиотические вещества) – низкомолекулярные
продукты метаболизма микроорганизмов, растений и животных или их
модификации, задерживающие рост либо полностью подавляющие раз-
витие других микроорганизмов. Большинство известных в настоящее
время антибиотиков образуются именно клетками микроорганизмов.
Первый антибиотик был открыт шотландским бактериологом А. Фле-
мингом в 1929 г. Флеминг выделил плесневый гриб, который был опре-
делен как Penicillium notatum, и установил, что культуральная жидкость
этой плесени способна оказывать антибактериальное действие по отно-
шению к патогенным коккам. Культуральная жидкость гриба,
содержащая антибактериальное вещество, названа им пенициллином.
Хотя попытки Флеминга выделить активное начало, образуемое грибом
P. notatum, не увенчались успехом, однако большой его заслугой явилось
то, что он указал на перспективы практического применения обнаружен-
ного им агента.
Спустя примерно десять лет после сообщения А. Флеминга, пеницил-
лин начал изучать Э. Чейн. Он был убежден, что это вещество – фер-
мент. В 1940 г. Х. Флори и Э. Чейн получили в кристаллическом виде
пенициллин и установили, что это не фермент, а низкомолекулярное ве-
щество пептидной природы.
Изучение пенициллина в бывшем Советском Союзе было начато
З. В. Ермольевой. В 1942 г. под ее руководством в лаборатории биохи-
мии микробов Всесоюзного института экспериментальной медицины в
Москве был получен первый отечественный антибиотик, сходный с пе-
нициллином, – крустозин, сыгравший огромную роль в спасении жизни
воинов в годы Великой Отечественной войны.
После того как было установлено, что пенициллин обладает активно-
стью в отношении возбудителей септических инфекций, пневмонии,
эпидемического менингита и других заболеваний, начались интенсивные
поиски продуцентов этого антибиотика. В результате было установлено,
что пенициллин могут синтезировать не только Penicillium notatum, но и
многие другие виды грибов, например P. chrysogenum, P. nigricans, Aspergillus
flavus, A. nidulans.
Пенициллины, синтезируемые различными микроорганизмами, близ-
ки по химическому строению. Они относятся к группе β-лактамных ан-
тибиотиков, общим для которых является наличие 4-членного β-лактам-
ного кольца, входящего в состав 6-аминопенициллановой кислоты. К
6-аминопенициллановой кислоте присоединен радикал. В зависимости
от того, какой радикал присоединен к 6-аминопенициллановой кислоте,
все антибиотики пенициллинового ряда разделяют на природные и полу-
синтетические. В качестве примера рассмотрим строение бензилпени-
циллина, или пенициллина G:
CH2 CO NH CH CH
S
C(CH3)2
O C N CHCOOH
Тиазолидиновое
кольцо
β-Лактамное
кольцо
6-Аминопенициллановая
кислота
Радикал (R)
Исходным продуктом для полусинтетических пенициллинов является
6-аминопенициллановая кислота, которую чаще всего получают путем
ферментативного расщепления бензилпенициллина или феноксиметил-
пенициллина с участием пенициллинацилазы:
CH2 CO NH CH CH
S
C(CH3)2
O C N CHCOOH
П е н и ц и л л и н а ц и л а з а
Затем к 6-аминопенициллановой кислоте химическим путем присое-
диняют различные радикалы. Примером полусинтетических антибиоти-
ков пенициллинового ряда являются:
• ампициллин:
CH CO
NH2
Радикал (R)
–
97
• карбенициллин:
CH CO
COOH
Радикал (R)
–
• метициллин:
CO
OCH3
OCH3
Радикал (R)
–
• фенициллин:
O CH CO
CH3
Радикал (R)
–
Полусинтетические антибиотики, в отличие от природных, не инак-
тивируются β-лактамазами, которые в молекулах природных антибио-
тиков расщепляют β-лактамное кольцо. Поскольку этот фермент синте-
зируется многими микроорганизмами, то они устойчивы к природным
пенициллинам, и лечить заболевания, возбудителями которых являются
такие микроорганизмы, ими нельзя. Прибегают в данном случае к полу-
синтетическим антибиотикам.
К настоящему времени выделено и описано более 3000 антибиотиков.
Примерно 50 % известных антибиотиков синтезируются штаммами, при-
надлежащими к актиномицетам, главным образом к одному из родов –
роду Streptomyces. Большое число антибиотиков является продуктами
жизнедеятельности других бактерий, но среди этих антибиотиков лишь
немногие нашли пока практическое применение. Почти все антибиотики
бактериального происхождения по химической природе являются пеп-
тидными. Среди бактерий-продуцентов следует выделить спорообразую-
щие бактерии Bacillus subtilis, которые способны образовывать около 70
различных полипептидных антибиотиков, Bacillus polymyxa – 20 анти-
биотиков, которые относятся к семейству полимиксиновых, Bacillus bre-
vis – 23 антибиотика. Антибиотики продуцируются также многими ви-
дами плесневых грибов.
Способность к синтезу антибиотиков не является строго специфиче-
ским признаком. Один и тот же антибиотик может образовываться мик-
роорганизмами, относящимися к разным видам, родам и даже порядкам.
Кроме того, штаммы, принадлежащие к одному виду, могут синтезиро-
вать разные антибиотики. Однако, как правило, чем дальше отстоят друг
от друга организмы в таксономическом отношении, тем меньше вероят-
ность, что они синтезируют один и тот же тип антибиотика.
Антибиотики в химическом отношении представляют гетерогенную
группу соединений:
• молекулярная масса антибиотиков варьирует от 150 до 5000 Да,
т. е. это низкомолекулярные вещества;
• молекулы одних антибиотиков состоят только из атомов С и Н, но
чаще из С, О, Н и N; другие антибиотики содержат также атомы серы,
фосфора и галогенов;
• в молекулах антибиотиков представлены почти все функциональ-
ные группы, известные в органической химии (гидроксильная, карбок-
сильная, карбонильная, азотсодержащие функциональные группы и др.),
а также алифатические и алициклические цепи, ароматические коль-
ца и т. д.
Общим для всех антибиотиков является то, что они могут быть полу-
чены в кристаллическом виде.
Отличие антибиотиков от других продуктов метаболизма микроорга-
низмов, также подавляющих рост отдельных видов, как, например, спир-
ты, органические кислоты, пероксиды, состоит в следующем.
Во-первых, антибиотики обладают высокой биологической активно-
стью. Например, для подавления роста грамположительных бактерий
(стрептококков, микрококков и др.) требуется концентрация антибиотика
эритромицина, равная всего 0,01–0,25 мкг/мл. Конечно, при таких ни-
чтожно малых концентрациях спирта или органической кислоты никако-
го ингибирующего бактерии эффекта быть не может.
Во-вторых, антибиотики обладают избирательностью биологического
действия. Это означает, что не все микроорганизмы чувствительны к
конкретному антибиотику. В этой связи микроорганизмы делят на две
группы: чувствительные к определенным антибиотикам и резистентные,
или устойчивые, к ним.
Антибиотики часто объединяют в группы в зависимости от того, рост
каких микроорганизмов они подавляют. Выделяют следующие группы
антибиотиков: противовирусные, антибактериальные, антипротозойные,
противогрибковые, противоопухолевые.
Чувствительность различных бактерий к антибиотикам определяется
в значительной мере структурой клеточной стенки, поскольку от этого
зависит способность антибиотика проникать в бактериальную клетку. В
соответствии с активностью в отношении грамположительных и грамот-
рицательных бактерий антибиотики можно разделить на две группы.
Большинство антибиотиков действует на грамположительные бактерии,
через клеточную стенку которых эти соединения легче проникают, так
как в ней нет дополнительного барьера – наружной мембраны. Такие ан-
тибиотики относят к соединениям с узким спектром действия. Антибио-
тики, активные в отношении как грамположительных, так и грамотрица-
тельных бактерий, называются антибиотиками широкого спектра дейст-
вия.
Бактерицидный или бактериостатический эффект, вызываемый анти-
биотиками, как правило, связан с нарушением отдельных звеньев мета-
болизма либо структур бактериальных клеток.
В зависимости от механизма действия антибиотики делят на несколь-
ко групп:
• ингибирующие синтез клеточной стенки (пенициллины, бацитра-
цин, ванкомицин, цефалоспорины и др.);
• нарушающие функционирование цитоплазматической мембраны
(грамицидины, валиномицин, полиены, трихомицин и др.);
• подавляющие синтез РНК (рифампицины, стрептоварицины и др.);
• подавляющие синтез ДНК (митомицин С, противоопухолевые, но-
вобиоцин и др.);
• ингибирующие синтез белка (хлорамфеникол, стрептомицин, кана-
мицин, эритромицин, линкомицин, пуромицин, фузидиевая кислота, тет-
рациклины и др.).
Рассмотрим механизм действия некоторых антибиотиков.
Пенициллин ингибирует синтез муреина, входящего в состав клеточ-
ной стенки. В частности, он нарушает образование пептидных связей в
процессе синтеза пептидогликана, инактивируя ключевой фермент
транспептидазу, ответственный за этот процесс. Синтезируется несши-
тый пептидогликан, в результате чего образуется «ослабленная» клеточ-
ная стенка, не способная выдержать увеличивающееся в результате роста
клетки давление, что приводит к разрушению и лизису клеток.
Митомицин С блокирует синтез ДНК за счет того, что его молекулы
связываются с ДНК в области репликативной вилки, образуя поперечные
сшивки между цепями и препятствуя их разделению. ДНК-полимераза не
может продвигаться по ДНК и осуществлять репликацию.
Актиномицин D связывается с ГЦ-богатыми участками в молеку-
ле ДНК и препятствует перемещению ДНК-зависимой РНК-полимеразы
вдоль ДНК-матрицы из-за невозможности локального расплетания цепей
и, следовательно, подавляет синтез иРНК.
Рифампицин подавляет синтез всех видов РНК, связываясь с β-субъ-
единицей РНК-полимеразы.
Фузидиевая кислота блокирует функционирование фактора элонга-
ции G, что препятствует транслокации рибосом и, следовательно, нару-
шает синтез белка.
Аминогликозидные антибиотики (стрептомицин, неомицин, ка-
намицин и т. п.), группа тетрациклинов связываются с 30S-субъеди-
ницей рибосом, что прекращает биосинтез белка.
Хлорамфеникол и эритромицин ингибируют реакцию транспептида-
ции, связываясь с 50S-субъединицами рибосом.
Грамицидин А включается в структуру клеточной мембраны, образуя
каналы, стенки которых имеют липофильную природу снаружи и гидро-
фильную внутри, что позволяет катионам выходить из клетки.
Практическое использование антибиотиков заключается в следую-
щем:
• при лечении инфекционных заболеваний человека и животных. Од-
нако они могут оказывать побочное действие: вызывать аллергии, дис-
бактериоз, анафилактический шок и даже смерть, поэтому принимать ан-
тибиотики следует с большой осторожностью;
• для защиты растений от болезней, вызываемых бактериями и гри-
бами;
• для стимуляции роста сельскохозяйственных животных;
• для предотвращения порчи мяса, рыбы и других продуктов;
• в качестве инструментов для исследования специфических функ-
ций клетки (синтеза муреина, биосинтеза белка, транспорта ионов через
мембрану и т. д.).
|