Антибиотики Лекция для студентов МБФ Чаплин Андрей 2013

Антибиотики Лекция для студентов МБФ Чаплин Андрей 2013 г.

2/55 Терминология • Термин «антибиотики» произошел от слова «антибиоз» , обозначающего антагонистические отношения между видами (в противоположность симбиозу). • Первичное определение: Антибиотики – это вещества, синтезируемые живыми существами и подавляющие жизнедеятельность микроорганизмов. • Со временем термин «антибиотики» постепенно начал применяться ко всем противомикробным лекарственным препаратам.

3/55 Как можно уничтожить микроорганизмы? • Антисептики повреждают любые живые клетки и поэтому применяются только местно. Они могут разрушать мембраны (хлоргексидин), модифицировать белки (растворы иода), образовывать свободные радикалы (перекись водорода) и. т. д. • Антибиотики можно применять системно, так как они избирательно воздействуют на клетки микроорганизмов Данный принцип был обозначен Паулем Эрлихом как принцип «волшебной пули» .

4/55 История противомикробных препаратов • 1909 год – группа Пауля Эрлиха разрабатывает арсфенамин (сальварсан), мышьякорганическое соединение, специфично действующее против возбудителя сифилиса. • 1928 год – Александр Флеминг описывает антибиоз плесневых грибов Penicillum notatum и бактерий Staphylococcus aureus.

5/55 История противомикробных препаратов • 1932 год – Герхард Домагк открывает антимикробное действие красителя пронтозила, положившего начало ряду сульфаниламидов. • 1939 год – Рене Дюбо выделяет из Bacillus brevis первый антибиотик – тиротрицин (смесь грамицидина и тироцидина).

6/55 История противомикробных препаратов • 1942 год – Эрнст Чейн и Говард Флори выделили в чистом виде антибиотик пенициллин G (также известный как бензилпенициллин). Пенициллин G получил широкое распространение благодаря высокой эффективности и низкой токсичности.

7/55 Действие антибиотиков • По направленности действия выделяют виды антибиотиков: – Противобактериальные. – Противогрибковые. – Противопротозойные. • Некоторые антибиотики, направленные против эукариотических клеток, используют как противоопухолевые препараты. • Действие антибиотиков на микроорганизмы различно: – Бактерицидные антибиотики убивают микроорганизмы. – Бактериостатические антибиотики ингибируют рост микроорганизмов, не вызывая их гибели.

8/55 Происхождение антибиотиков • Природные • Полусинтетические • Синтетические • Две трети используемых природных антибиотиков синтезируется почвенными бактериями рода Streptomyces, обладающие очень большим геномом и сложным вторичным метаболизмом.

9/55 Механизм действия лекарственных веществ • Большинство лекарственных веществ (в том числе и антибиотиков) действует по следующему принципу: Взаимодействие с белком-мишенью Изменение функционирования белка-мишени • Мишень для антибиотиков должна быть жизненно важной для микроорганизма, и в идеальном случае должна отсутствовать в организме человека.

10/55 Мишени антибиотиков Клеточная стенка и мембрана ДНК РНК Белок

11/55 Устойчивость к антибиотикам Размножение Антибиотик Размножение Мутант, резистентный к антибиотику • Антибиотики служат факторами селекции устойчивых к антибиотикам микроорганизмов. • Избежать появления генов антибиотикоустойчивости практически невозможно. • После появления эти гены могут переноситься с помощью трансформации, трансдукции, конъюгации.

12/55 Механизмы устойчивости к антибиотикам • Изменение структуры мишени. • Появление альтернативных метаболических путей. • Ферментативная трансформация антибиотика (гидролиз, ацетилирование, фосфорилирование и. т. д. ) • Выкачивание антибиотика из клетки. • Снижение транспорта антибиотика в клетку.

13/55 Немедицинские применения антибиотиков • Генная инженерия. В молекулу-вектор (например, плазмиду) помимо интересующих нас генов встраивается ген устойчивости к антибиотику. После трансформации вектором культура высевается на среду с антибиотиком, при этом все клетки, не содержащие вектор, погибают. Трансформация Антибиотик • Клеточные технологии. Культуры эукариотических клеток могут быть защищены от попадания микроорганизмов путём добавления в питательную среду антибиотиков.

14/55 Ингибиторы синтеза клеточной стенки

15/55 Строение клеточной стенки Грам-положительные бактерии Грам-отрицательные бактерии

16/55 Пептидогликан Структура мономера пептидогликана Escherichia coli Модель трехмерной структуры транспортного белка Tol. C, проходящего через пептидогликан (оранжевым обозначены углеводные цепи, зеленым – пептидные мостики)

17/55 Бета-лактамные антибиотики • Бета-лактамные антибиотики ингибируют транспептидазы, которые обеспечивают сшивку пептидных мостиков пептидогликана. • Разрушение пептидогликана собственными ферментами клетки при нарушенном синтезе нового ведет к гибели бактериальной клетки – бактерицидное действие. • Бета-лактамные антибиотики обладают достаточно высокой эффективностью и низкой токсичностью. Однако у некоторых людей случаются аллергические реакции.

18/55 Классы бета-лактамных антибиотиков Пенициллины (амоксициллин) Карбапенемы (меропенем) D-Ala Цефалоспорины (цефепим) Монобактамы (азтреонам)

19/55 Пенициллины • Примеры представителей: – Узкого спектра (преимущественно против Г+ бактерий): бензилпенициллин, феноксиметилпенициллин, метициллин, оксациллин, клоксациллин. – Широкого спектра (Г+ и многие Г- бактерии): ампициллин, амоксициллин. – Противопсевдомонадные: карбенициллин, тикарциллин, азлоциллин, мезлоциллин, пиперациллин. Амоксициллин

20/55 Цефалоспорины • Примеры представителей: – I поколение: цефазолин, цефадроксил, цефалексин. – II поколение: цефуроксим, цефпрозил, цефокситин. – III поколение: цефотаксим, цефтриаксон, цефтазидим. – IV поколение: цефепим, цефпиром. – V поколение: цефтобипрол, цефтаролин. • Чем позже поколение, тем шире спектр действия. Цефепим

21/55 Карбапенемы • Более поздняя группа препаратов - появились на рынке начиная с 1980 х. • Карбапенемы обладают широким спектром действия, используются как препараты резерва при тяжелых инфекциях, вызванных множественно устойчивыми микроорганизмами • Представители – имипенем, меропенем, эртапенем. Меропенем

22/55 Монобактамы • Азтреонам - единственнный представитель монобактамов, применяющийся как противобактериальный препарат. • Азтреонам активен только против грам-отрицательных аэробных бактерий (в том числе Pseudomonas aeruginosa). Азтреонам

23/55 Устойчивость к бета-лактамам 1. Наличие транспептидазы альтернативной структуры. Характерно для метициллин-резистентных золотистых стафилококков (MRSA). На них среди бета-лактамов действуют только цефалоспорины V поколения. 2. Расщепление бета-лактамов. Соответствующие ферменты (бета-лактамазы) широко распространены в бактериальном мире. Они различаются по структуре (сериновые бета-лактамазы и металло-бета-лактамазы) и специфичности к различным группам бета-лактамных антибиотиков.

24/55 Ингибиторы сериновых бета-лактамаз Сульбактам Тазобактам Клавулановая кислота • Ингибиторы сериновых лактамаз широко используются в комбинациях с бета-лактамными антибиотиками. • Наиболее известная комбинация: амоксициллин + клавулановая кислота (торговые названия Амоксиклав, Аугментин)

25/55 Другие ингибиторы синтеза пептидогликана Циклосерин Фосфомицин Гликопептиды (ванкомицин)

26/55 Гликопептиды • Связываются с фрагментами D-Ala-D-Ala пептидных цепочек пептидогликана, нарушая их поперечную сшивку. • Не всасываются из ЖКТ. Нефротоксичны. Могут вызывать тромбофлебиты – внутривенное введение только медленно через капельницу. • Примеры представителей: ванкомицин, тейкопланин, телаванцин. • Используются для лечения инфекций, вызванных MRSA. • Механизм резистентности – замена в структуре пептидогликана концевого D-аланина на D-лактат.

27/55 Циклосерин и фосфомицин • Циклосерин выступает как аналог D-аланина, ингибируя его синтез, а также образование фрагментов D-Ala-D-Ala пептидных цепочек пептидогликана. • Применяют для лечения туберкулеза, высокая токсичность для нервной системы. • Фосфомицин выступает как аналог фосфоенолпирувата, ингибируя превращение N-ацетилглюкозамина в N-ацетилмурамовую кислоту. • Применяют при инфекциях мочевыводящих путей.

28/55 Клеточная стенка микобактерий • Кислотоустойчивая клеточная стенка микобактерий обеспечивает устойчивость ко многим антибиотикам. • Ряд препаратов нацелен на ингибирование её синтеза.

Ингибиторы синтеза клеточной стенки микобактерий Этамбутол Гидразиды (изониазид) 29/55 Тиокарбамиды (этионамид) • Этамбутол нарушает синтез арабиногалактана, ингибируя арабинозил-трансферазу. • Продукты химической трансформации гидразидов и тиокарбамидов нарушают синтез миколовых кислот, ингибируя еноил-редуктазу.

30/55 Ингибиторы синтеза нуклеиновых кислот

31/55 Синтез фолиевой кислоты Пара-аминобензойная кислота + птеридин Сульфаниламиды Дигидроптероевая кислота Дигидрофолиевая кислота Триметоприм Тетрагидрофолиевая кислота • Фолиевая кислота является переносчиком электронов и различных функциональных групп. Она необходима для синтеза азотистых оснований и метионина. • Является витамином для человека. Бактерии, как правило, синтезируют её самостоятельно.

32/55 Сульфаниламиды • Первые широко использующиеся антибактериальные препараты. Сейчас применяются относительно редко из-за низкой эффективности и большого числа побочных эффектов. • Выступают как аналоги пара-аминобензойной кислоты, конкурируя за дигидроптероат-синтазу. • Примеры препаратов: сульфаниламид, сульфадиазин, сульфадиметоксин, сульфаметоксазол. Пара-аминобензойная кислота Сульфадиазин

33/55 Триметоприм • Ингибирует дигидрофолат-редуктазу. • Применяется для лечения заболеваний мочевыводящих путей. • Синергизм с сульфаниламидами: по отдельности – бактериостатическое действие, в сочетании– бактерицидное. • Комбинированный препарат – сульфаметоксазол + триметоприм (ко-тримоксазол).

34/55 Суперспирализация ДНК • ДНК в бактериальных клетках, как правило, имеет отрицательную суперспирализацию (то есть, двойная спираль завита в направлении, обратном закрученности цепей в ней).

35/55 Топоизомеразы • Ферменты топоизомеразы регулируют топологию ДНК. • Топоизомеразы I класса – уменьшают суперспирализацию ( «релаксируют» ДНК). • Топоизомеразы II класса: – ДНК-гираза обеспечивает отрицательную суперспирализацию. – Топоизомераза IV решает проблемы, связанные со сцеплением цепей ДНК или образованием узлов.

36/55 Хинолоны • Хинолоны – синтетические антибиотики, которые нарушают соединение ДНК топоизомеразами II класса. В их присутствии эти ферменты только вносят разрывы, что ведет к гибели клеток (бактерицидное действие). • Первый препарат – налидиксовая кислота. • Более поздние препараты (фторхинолоны) – офлоксацин, ципрофлоксацин, левофлоксацин, моксифлоксацин. Ципрофлоксацин

37/55 Агенты, повреждающие ДНК • Нитрофураны и нитроимидазолы (широко используется только один препарат – метронидазол) • Восстанавливаются ферредоксинами в клетках анаэробных бактерий и простейших (фактически, выступают как более токсичные аналоги кислорода) Метронидазол • Образующиеся свободные радикалы повреждают различные биологические молекулы, что приводит к гибели клеток. Наиболее критичным является повреждение бактериальной хромосомы.

38/55 Ингибиторы синтеза белка

39/55 Ингибиторы синтеза белка Оксазолидиноны (линезолид) Тетрациклины (доксициклин) Амфениколы (хлорамфеникол) Макролиды (азитромицин) Линкозамиды (клиндамицин) Аминогликозиды (амикацин)

40/55 Принцип работы рибосом

41/55 Принцип работы рибосом

42/55 Оксазолидиноны • Связываются с 50 s субъединицей, нарушая сборку рибосомы (инициацию трансляции). • Пока доступен один представитель – линезолид, появившийся на рынке в 2000 г. • Очень дорогостоящий, резистентность к нему пока встречается очень редко.

43/55 Тетрациклины • Связываются с 30 s субъединицей, нарушая присоединение транспортных аминокислот. • Представители: тетрациклин, хлортетрациклин, окстетраициклин, доксициклин. Новое поколение (глицилциклины): тигециклин. • В настоящее время используются нечасто из-за широко распространенной резистентности.

44/55 Аминогликозиды • Связываются с 30 s субъединицей и усиливают связывание т. РНК, уменьшая его специфичность. Это приводит к включению в белки неправильных аминокислот. • Единственная группа бактерицидных антибиотиков среди ингибиторов синтеза белка. • Действуют только на аэробные бактерии. • Только парентеральное введение. Нефротоксичны, ототоксичны. Используются как препараты ? резерва. • Представители: стрептомицин, гентамицин, канамицин, амикацин.

45/55 Амфениколы • Связываются с 50 s субъединицей, ингибируя перенос пептидной цепочки. • Единственный применяемый сейчас представитель – хлорамфеникол (левомицетин). • В развитых странах применяется редко (токсичен для костного мозга, широко распространена резистентность). • Очень дешев из-за простого синтеза.

46/55 Макролиды • Связываются с 50 s субъединицей в области туннеля для пептидной цепочки, ингибируя её синтез, а также передвижение рибосомы. • Одни из самых широко используемых антибиотиков. • Представители – эритромицин, кларитромицин, азитромицин, телитромицин.

47/55 Линкозамиды • По месту связывания и действию аналогичны макролидам. • Наиболее эффективны против анаэробных бактерий. Вследствие этого наносят значительный урон микрофлоре кишечника – частыми побочными эффектами являются диарея и псевдомембранозный колит. • Представители – линкомицин, клиндамицин.

48/55 Антибиотики, повышающие проницаемость мембран

49/55 Мембраны разных живых существ Археи Бактерии Эукариоты • Мембраны как бактерий, так и эукариот построены из сложных эфиров фосфоглицерола и жирных кислот (в отличии от архей). • Различия между ними: – Отрицательный заряд поверхности мембран бактерий. – Наличие стеролов у эукариот (у животных холестерин, у грибов эргостерол, у растений ланостерол).

50/55 Пептидные и липопептидные антибиотики Полимиксин B 1 Грамицидин С • Встраиваются в отрицательно заряженные мембраны бактерий и нарушают их структуру, что ведет к гибели клеток. • Высокотоксичны, поэтому редко применяются системно.

51/55 Пептидные и липопептидные антибиотики Даптомицин • Новый препарат этой группы – даптомицин. Одобрен для внутривенного применения в 2003 г.

52/55 Противогрибковые препараты

53/55 Полиены Амфотерицин B • Связываются с эргостеролом в мембранах грибов и образуют поры для ионов, что ведёт к гибели клеток. • Представители: нистатин, амфотерицин B. Модель мембранной поры, образованной молекулами амфотерицина B и стеролов (выделены фиолетовым)

54/55 Ингибиторы синтеза эргостерола Аллиламины (тербинафин) Азолы (флуконазол) • Аллиламины ингибируют сквален-эпоксидазу. Представители : нафтифин, тербинафин (ламизил). • Азолы ингибируют ланостерол-14 -α-деметилазу. Представители: клотримазол, кетоконазол, флуконазол.

55/55 Спасибо за внимание!