Механизмы действия антибиотиков

Классификация антибиотиков По клеточной мишени Ингибиторы биосинтеза Клеточной стенки Ингибиторы биосинтеза Белка Ингибиторы метаболизма (синтез дНТФ) Ингибиторы транскрипции Хлорамфеникол и др. Ингибиторы клеточного деления Ингибиторы синтеза ДНК По химической природе Бета-лактамы Макролиды Тетрациклины Аминогликозиды Хинолоны Сульфонамиды

Антибиотики – ингибиторы клеточных процессов Аминогликозиды Тетрациклины Макролиды Оксазолидоны Стрептограмины Линкозамиды Рифампин Хинолоны Новобиоцин Триметоприн Сульфометоксазол Бета-лактамы Гликопептиды Даптомицин Туникамицин Бацитрацин Синтез ДНК Синтез РНК Синтез белка Синтез клеточной стенки Метаболизм Клеточное деление

Репликация ДНК как мишень

Строение и механизм гираз ДНК гираза Топо IV ДНК гираза – гетеротетрамер A2 (gyrA) + B2 (gyrB) Топо IV –димер ParC ~ gyrA ParE ~gyrB

ДНК гираза – гетеротетрамер A2 (gyrA) + B2 (gyrB) Основная мишень Хинолонов у Г- Топо IV –димер ParC ~ gyrA ParE ~gyrB Основная мишень Хинолонов у Г+ Налидиксовая к-та Хинолоны как-то блокируют перенос тяжа через разрыв Хинолоны - механизм

Типы хинолонов 1)Generation 1 налидиксовая к-та, оксолиновая –та Пиперидиновая –та 2) Generation 2 анти - Pseudomonas, Streptococcus Staphylococcus F+ Норфлоксацин, ципрофлоксцин, Левофлоксацин 3) Generation 3 – анти Pneumococcus, анаэробы Спарфлоксацин грепафлоксацин 4) Generation 4 – анти Pneumococcus, анаэробы Тровафлоксацин, гемифлоксацин

Триметопримы Ингибиторы синтеза фолата - синтез дНТФ Аэробы, G+/G- Триметоприм - ингибитор синтеза дигидрофолиевой к-ты -Конкурент парааминобензойной –ты у 7,8- дигидроптроат синтазы – уникальный для бактерий фермент -Сульфометоксазол - -ингибитор синтеза тетра гидрофилиевой к-ты - дигидрофталат редуктаза (Пронтозил – пролекарство) Сульфометоксазол Триметоприм

Транскрипция как мишень

Рифампицины Рифампин АБ класса анзамицинов Полусинтетическое пр-ное рифамицина Выделен в 1957 из N. mediterranei Селективный инг БакРНКпол Связывается с β su >12Å от акт сайта Не связывает ЭуРНКпол Блокирует выход нового транскрипта Бактериостатик, G+/-, Для G- > MIC (cложнее проникает) В основном Mycobacteria (туберкулез, проказа) и Meningococci Устойчивость быстро возникает (мутации РНКпол) Рифампин Рифамицин В

Механизм связывания РИФ Бактерии Археи Эукариоты +4 других (Пол1) +5 других (Пол3) 1 другая Пол(2) Стер блок РНК транскрипт ДНК- матрица РИФ

Рибосома как мишень Рибосома – сложно-организованная молекулярная машитна Существует множество способов нарушения функций трансляции Наиболее распространенная природная мишень для антибиотиков 60% извесных антибиотиков действуют на рибосому, взаимодействуя преимущественно с рРНК Антибиотики препятствуют структурным переходам, не конкурируют с связыванием лигандов- не нужна высокая аффинность Основная мишень для открытия новых антибиотиков широкого спектра действия Низкая частота возникновения резистентности

Этапы трансляции

Состав бактериальной рибосомы

Антибиотики- ингибиторы трансляции Мишени – 30s или 50 s Должны попасть внутрь клеток Классификация – по хим структуре и по этапу Рибосомного цикла Аминогликозиды – Тетрациклины – Макролиды – Хлорамфеникол – Клиндамицин

3л S субъединица как мишень действия аминогликозидов 30 S субъединица как мишень действия аминогликозидов

30 S субъединица как мишень действия тетрациклинов

50 S субъединица как мишень

50 S субъединица как мишень действия макролидов Эритромицин ТролеандомицинАзитромицин Тилозин Выделены впервые в 1949 г из Streptomyces erythreus Получают ферментацией и семисинтезом Природные макролиды кислотолабильны (t1/2~1,5 h) и обладают узким терапевтическим диапазоном (G+ Staphylococci, Streptococci, Bacilli) Полусинтетические аналоги обладают повышенной стабильностью (t1/2-35h) и широкоим спектром активности Связываются с пептидилтрансыеразным центром и блокируют выход вновь синтезируемой полипептидной цепи. Используются оррально, обладают высокой биодоступностью, хорошо проникают в органы и ткани Резистеность – модификация сайта мишени и актиный выброс

Тиамфеникол Хлорамфеникол Выделен в 1947 г из Streptomyces venezuele Получают ферментацией Широкий спектр активности - G+/G-: тиф, менингит, бруцеллез Бактериостатичны, оральное, местное или инъекционное применение Токсичны – действуют на рибосомы митохондрий Сейчас редко использхуются из-за побочных эффектов (анемия, поверждение костного мозга) Связываются с пептидилтрансферазным центром 23 s rRNA и блокируют пептидный синтез в А-сайте конкурируя с переходным состоянием Резистеность – модификация структуры молекулы (ацетилирование). 50 S субъединица как мишень действия хлорамфеникола

Стрептограмин А Стрептограмин В Пристинамицин I А Пристинамицин II А Виргиниамицин М Дальфопристин Квинопристин Выделены впервые в 195лх из Streptomyces pristina spiralis Получают ферментацией и семисинтезом Косинтез в одном продуценте Действуют на резистентные к другим антибиoтикам G+ Staphylococci, Streptococci, Enterococci Полусинтетические аналоги обладают повышенной растворимостью Связываются с пептидилтрансыеразным центром и блокируют выход вновь синтезируемой полипептидной цепи. Кооперативность – связывания StrA стимулирует связывание StrB Используются для инъекций Резистеность – модификация сайта мишени 50 S субъединица как мишень действия стрептограминов

Клеточные стенки как мишени

АБ-ингибиторы биосинтеза КС

Сшивка пептидогликана -Лактамы = субстраты «самоубийцы» ПГ транспептидаз Пенициллин -Лактамазы могут снижать эффективность -лактамных антибиотиков=> устойчивость Мишени бета-лактамов

Ингибиторы КС- механизм 1 (литический) КС бактерий – ковалентно-сшитый полимерный матрикс пептидогликана Механическая прочность, устойчивость к осмотическому стрессу Степень сшивки ~ прочность Стабильность слоя – трансгликозилазы и пенициллин-связывающие белки (PBP-транспептидазы)- - добавляют дисахариды пентапептидов на пептидогликаны и сшивают их ковалентно Бета-лактамы - ингибируют этап биосинтеза КС – образование пептидной связи – пеницилинирование активного центра PBP (Бета- лактам – аналог терминального D-аланин-D-аланина) Обработка клеток приводит к изменению формы и размера клеток, индукции стрессового ответа и лизису клеток Участвуют также автолизины – белки, высвобождаемые из КС под действием антибиотиков.

Ингибиторы КС- механизм 2 (нелитический) Двукомпонентные системы – регуляция активности автолизина PBP1 ингибиторы – филаментация клеток, лизис PBP2 инг – изменяют форму без лизиса PBP3 инг – филаментация, клеточное деление Различные типы β-lactam - разная аффинность к РВР РBP1-β-lactam – наиболее эффективные индукторы пептидогликан гидролазы Филаментация – активация SOS ответа, экспрессия SulA, ингбитора образования перегородки клетки, связывает мономеры FtsZ, полимеризация которых приводит к образованию септы РВР3- β-lactam – индукция филаментации, стимуляция системы DpiAB - активатор SOS ответа. Летальность β-lactam может быть усилена нокаутом DpiAB или sulA. SulA защищает от β-lactam экранируя FtsZ - подтверждено оптами по оверэкспрессии

Механизмы клеточного деления Модель деления клетки E.coli FtsZ полимеры – кольцо в цитоплазме Кольцо связывается с мембраной через белки ZipA&FtsA Для образования слоя муреина в участке образования септы нужен белок РВР3 Локализация комплекса FTsK, TG- трансгликозилаза

Нерибоcомные катионные пептиды Внедряются в бактериальную мембрану пермеабилизация Местного действия – токсичные побочные эффекты - G+, G-, M/tuberculosis. Также валиномицин, грамицидин С Липопептиды

Разные мишени и механизмы АБ… Хинолоны – изменяют cтепень суперспирализации ДНК – связывают topoII или topoIV., - DNA DSB (может зависеть либо не зависеть от синтеза белка) Бета-лактамы – ингибируют транспептидацию – Связывают PBP пептидогликанов (ПГ) Снижение синтеза ПГ и индукция автолизинов Аминогликозиды Связывают 3лS Рибосомы Ошибки трансляции – дефекты фолдинга мембранных белков –стимуляция поглощения АБ Мембранные эффекты, трансляция

Общий механизм АБ- индуцированной смерти клеток Обработка бактерицидными антибиотиками в летальных концентрациях приводит к образованию вредоносных гидрокил-радикалов через общий механизм оксидативной смерти клеток, что связано с измнениями центрального механизма (цикл ТКК) и метаболизма железа)

АГ мистрансляция, мисфолдинг мембр.белков. Встраивание «неправильных» белков в мембр индукция 2-х компонентных систем Cpx и Arc. Активация Cpx и Arc - нарушение метаболизма и мембр. потенциала, образование летальных гидрокси радикалов

АБ-мишень NADH окисление (через цикл Кребса) гиперактивация эл. Транспортной цепи Образование супероксида -> повреждение Fe–S кластеров FeOH радикалы (Реакция фентона) повреждение ДНК, липидов, белков АБ индуцированная клеточная смерть. Хин, β-lactams и АмГли – «апоптоз» через 2-х компонентную систему Cpx +Arc. С участием редокс- чувствительных белков Разные мишени - общая причина АБ индуцированной смерти клетки