КНОРРЕ_3227

§ 19.3. Антибиотики, нарушающие функционирование плазматических мембран

Антибиотики по механизму действия разделяются на две группы:

1)вещества, нарушающие структуру клеточной мембраны, что приводит

квысвобождению внутриклеточного вещества (полиеновые макролиды, полипептидные антибиотики);

2)вещества, выполняющие роль переносчиков ионов (ионофоры) и вызы­ вающие аномальное накопление ионов внутри клетки (депсипептидные анти­ биотики).

Полиеновые макролидные антибиотики. К этой группе относятся анти­ биотики, структурной основой которых является наличие в молекуле лактонного кольца больших размеров (с числом атомов в цикле больше 8) и систе­ мы двойных связей. В кольце имеется несколько гидроксильных групп, рас­ положенных напротив двойных связей, поэтому молекула имеет гидрофоб­ ную и гидрофильную части и обладает свойствами поверхностно-активного вещества. Имеются и другие заместители, например, карбоксильная группа и остаток аминосахара. Многие макролидные антибиотики продуцируются

штаммами бактерий Streptomyces erythreus, Streptomyces antibioticus, Streptomyces noursei, Actinomices levoris Krass и др. Наиболее известны такие, как

нистатин А/ и близкородственные ему амфотерицин В и леворин А2 .

ОН

но.

оос

Нистатин А

'3'

ОН

НО

ООС

Амфотерицин В

'3'

Это одни из немногих антибиотиков, действующих только на грамотрицательные бактерии. Они используются для лечения тяжелых инфекционных заболеваний, вызванных микроорганизмами Pseudomonas, которые не изле­ чиваются другими, менее токсичными антибиотиками.

Действие многих полипептидных антибиотиков приводит к нарушению структуры цитоплазматических мембран, что и обусловливает их бактери­ цидное действие. Среди таких антибиотиков наиболее известен грамицидин А

(рис. 118).

ОНС - L-Val - Gly - L-Ala - D-Leu - L-Ala - D-Val - L-Val - D-Val - L-Trp - D-Leu - L-Trp - D-Leu - L-Trp - D-Leu -L-Trp - NHCH2C H 2OH

Рис. 118. Одна из возможных спиральных структур грамицидина А. D-амино- кислоты обведены кружками (вид в направлении оси спирали; для удобства каждый следующий виток изображен с большим диаметром)

Антибиотик является линейным пентадекапептидом с блокированными концевыми группами и чередующимися D- и L-конфигурациями аминокис­ лотных остатков. Он относится к классу &ктЪтУтт.оъ-каналообразователей, т. е. влияет на ионный транспорт. Молекула грамицидина А имеет спираль­ ную структуру и образует полый цилиндр, в котором все СО- и NH-группы пептидной цепи соединены внутри- и межмолекулярными водородными свя­

§ 19.3. Антибиотики, нарушающие функционирование плазматических мембран 423

зями, направленными практически параллельно оси цилиндра. Внутренний диаметр такого цилиндра равен ~ 0,3 нм, что достаточно для транспорта ио­ нов металлов. Производительность искусственно созданного канала для ио­ нов калия составляет 107 ионов/с.

В то же время возможна и альтернативная структура грамицидина А - двойная спираль, в которой две молекулы антибиотика могут образовывать димер «голова к голове» либо в линейном виде, либо наложенными друг на друга (рис. 119).

Рис. 119. Схема димера грамицидина А

Внутренний диаметр такой структуры также равен 0,3 нм. Вероятно, ан­ тибиотик существует в растворе в сложном конформационном равновесии с участием одно- и двуспиральных димеров. Предполагается, что выключе­ ние грамицидинового канала, т. е. переход в непроводящее состояние, сопря­ жено с флуктуацией в мембране: при увеличении толщины димера «голова к голове» происходит расплетание спирали и ее диссоциация до мономеров.

Депсипептидные антибиотики - это пептиды, в которых чередуются амидные и эфирные связи. Их можно квалифицировать как ионофоры, спо­ собные переносить неорганические катионы через мембрану. Антибиотики этой группы не нашли широкого применения в медицине из-за отсутствия у них избирательности действия по отношению к разным организмам, однако они получили широкое применение в биохимии в качестве инструмента для исследования мембран. Типичный представитель этой группы - валиномицин, переносящий через мембраны в клетку ионы калия. Это циклический депсипептид с чередующимися амино- и гидроксикислотами с пептидными

и сложноэфирными связями в кольце. Валиномицин включает три идентич­ ных фрагмента, состоящих из двух молекул валина, молочной и D-гидрокси- изовалериановой кислот. Две последние образуют своими ОН-группами сложноэфирные связи с карбоксильными группами остатков валина, причем чередуются остатки L- и D-валина. На рис. 120 представлена структура валиномицина в комплексе с ионом калия.

Рис. 120. Схема связывания ионов К+ валиномицином

Валиномицин способен избирательно увеличивать проницаемость липид­ ных бислоев для ионов щелочных металлов К+, Rb+, Cs+, но не Na+ Сродство этого депсипептида по отношению к ионам К+ в 104-105 раз превосходит сродство к ионам Na+ Поэтому валиномицин влияет на действие ферментов, ответственных за активный транспорт ионов К+, Na+, в первую очередь на Ыа,К-зависимую АТФазу.

Конформация валиномицина в неполярных растворителях напоминает браслет, стабилизированный шестью водородными связями C=0 -H-N; в бо­ лее полярных средах образуется структура с тремя водородными связями, а в водных растворах образуется открытая форма, не стабилизированная водо­ родными связями.

Ионы К+, встраиваясь внутрь молекулы антибиотика, связываются ше­ стью сложноэфирными карбонилами с помощью ион-дипольных взаимодей­ ствий. Размеры полости хорошо соответствуют ионным радиусам К+ (0,133 нм) или Rb+ (0,146 нм), хуже для ионов Cs+ (0,165 нм), однако они слишком велики для ионов Na+ (0,098 нм). Было показано, что при связыва­ нии валиномицином своего «субстрата» - иона калия, молекула валиномицина, подобно ферментам, претерпевает характерную конформационную под­ гонку, которая заключается в переориентации сложноэфирных карбонильных группировок из положения «наружу» в положение «внутрь» для захвата ка­ тиона. Валиномицин создает для ионов К+ идеальную гидрофобную оболоч­ ку, заменяющую гидратную. Это обеспечивает беспрепятственное продвиже­ ние комплекса через липидную мембрану. Освободившись от иона калия, ва­ линомицин возвращается в свою исходную протонированную форму.

§ 19.4. Антибиотики - ингибиторы трансляции

Существует большое число антибиотиков, воздействующих как на про­ цессы синтеза биополимеров, так и на процессы функционирования белков и нуклеиновых кислот. Известно, что эти процессы особенно активно проте­ кают в клетках, инфицированных вирусами и в быстро делящихся опухоле­ вых клетках. Многие антибиотики ингибируют синтез нуклеиновых кислот, но лишь малая часть их находит применение в клинической практике из-за отсутствия избирательности их действия. Применение таких антибиотиков всегда представляет собой определенный риск, так как такие антибиотики поражают и здоровые органы с быстро делящимися клетками (клетки крове­ творной системы, эпителиальные клетки).

следования в молекулярной биологии. Антибиотик пуромицин сыграл важ­ ную роль в исследовании и выяснении механизма образования пептидной связи при синтезе белков на рибосоме, что будет описано далее.

Среди антибиотиков, подавляющих синтез белков, т. е. ингибиторов трансляции, одними из первых были открыты аминогликозиды. Это обширная химическая группа, синтезирующаяся в основном микроорганизмами родов

Streptomyces, Micromonospora и Bacillus. Аминогликозиды содержат в своей структуре остаток циклического аминоспирта, с которым связаны остатки аминосахаров. Известно более 100 природных антибиотиков этого класса и большое число полусинтетических аналогов. Аминогликозидные антибиоти­ ки активны в отношении грамотрицательных бактерий. Открытый в 1944 го­ ду стрептомицин оказался первым антибиотиком, эффективным в лечении туберкулеза.

Первый представитель 16-членных макролидов - спирамицин - выделен

в1951 году из Streptomyces ambofaciens. 16-членные макролиды содержат

вкольце одну пару сопряженных двойных связей и ацетальдегидную группу

вкачестве заместителя в положении 6. В положении 5 у них содержится ос­ таток дисахарида.

Макролидные антибиотики связываются с большими 508-субчастицами рибосом прокариот и не взаимодействуют с рибосомами эукариот. Они дей­ ствуют практически только на грамположительные бактерии. Местом связы­ вания антибиотиков является, вероятно, донорный P-сайт, что препятствует транслокации в ходе синтеза белка.