КНОРРЕ_3227

Кратко остановимся на антибиотиках - ингибиторах биосинтеза белка, обладающих противоопухолевой активностью, одним из представителей ко­ торых является пуромицин - 3’-дезокси-3’-амино-(и-метокси фенилаланин) - N-диметиладенозин (производится культурой Streptomycesfiboniger).

Механизм действия пуромицина очень интересен, так как он сам вступает в реакцию образования пептидной связи с С-концевым аминокислотным ос­ татком растущей полипептидной цепи на рибосоме. Он обладает структурным сходством с концевым фрагментом аминоациладенозина-тРНК, т. е. является структурным аналогом аминоацилированного 3’-концевого фрагмента тРНК. Это сходство и послужило разгадкой к пониманию механизма его действия.

Размер молекулы пуромицина значительно меньше размера тРНК, благо­ даря чему он легко проникает и связывается с A-сайтом рибосомы. Амино­ группа антибиотика образует пептидную связь с ацильной группой концевого

аминоациладенозина пептидил-тРНК (растущей пептидной цепи), связанного антикодоном с информационной РНК на рибосоме. После ацилирования пуромицин (в виде пептидилпуромицина) отщепляется от рибосомы и фактиче­ ски вызывает преждевременную терминацию биосинтеза белковой молекулы. Пептидил-тРНК может взаимодействовать с пуромицином, только если нор­ мально функционирует пептидилтрансфераза, переносящая растущую полипептидную цепь в аминоацил-тРНК-связывающий центр. Были синтезирова­ ны различные аналоги пуромицина. Оказалось, что для сохранения активно­ сти антибиотику необходимо наличие бензольного кольца. Замена и-метокси- фенилаланина на другие аминокислоты, такие как пролин, триптофан и др., приводили к заметной потере активности. Введение в 5’-положение рибозы пуромицина цитидиловой кислоты усиливает действие антибиотика, так как это приводит к увеличению структурного сходства с аминоацил-тРНК.

Однако подавляющее большинство цитотоксических антибиотиков пред­ ставлено ингибиторами синтеза нуклеиновых кислот. Нарушение синтеза нуклеиновых кислот может происходить в результате подавления синтеза предшественников или в результате нарушения реакции полимеризации. Среди противоопухолевых антибиотиков встречаются препараты, действую­ щие на обоих уровнях.

§ 19.5. Антибиотики - ингибиторы репликации и транскрипции

Биосинтез нуклеиновых кислот можно условно разделить на два этапа. Первый этап - это биосинтез мономерных компонентов - нуклеотидов и/или дезоксирибонуклеотидов, предшественников синтеза. Второй - образование из мономерных компонентов полимерных молекул нуклеиновых кислот. Та­ ким образом, согласно этому принципу противоопухолевые антибиотики можно разделить на две категории: антибиотики, нарушающие биосинтез предшественников (мономерных компонентов), и антибиотики, нарушающие биосинтез биополимеров на стадии полимеризации мономерных компонентов.

Чаще всего ингибиторы биосинтеза предшественников являются анти­ метаболитами, т. е. соединениями, которые по своей структуре обладают достаточно большим сходством с природными предшественниками (метабо­ литами) и, таким образом, являются их аналогами. Аналоги метаболитов мо­ гут включаться вместо природных мономерных компонентов в биополимеры в процессе синтеза и изменять закодированную в них информацию. В то же время они подавляют образование истинных метаболитов.

Антиметаболиты, взаимодействуя с ферментами, узнающими в норме природный метаболит, препятствуют взаимодействию с природными метабо­ литами и выводят их из зоны контакта в активном центре фермента. Антиме­ таболиты по своей природе являются конкурентными ингибиторами. Такое ингибирование могут проявлять и продукты превращения антиметаболитов.

-взаимодействующие с ферментами полимеризации - ДНК-зависимой- ДНК-полимеразой, ДНК-зависимой-РНК-полимеразой или РНК-зависимой- РНК-полимеразой;

-взаимодействующие с матрицей (ДНК или РНК), несущей информацию

онуклеотидной последовательности в синтезируемой молекуле нуклеиновой кислоты.

Среди представителей первой группы известны антибактериальные анти­ биотики, такие как рифамщины (А, В, С, D, Е, S, О и SV), которые относятся

канзамакролидам (или анзамицинам). Эти антибиотики содержат в своей структуре нафталиновое или бензольное кольцо, соединенное с двух сторон одним заместителем или «ручкой» (от лат. ansa - ручка). Эти антибиотики вырабатываются стрептомицетами, нокардиями, микромоноспорами, а также высшими растениями. Рифамицины обладают высокой активностью против грамположительных бактерий и микобактерий туберкулеза, менее активны

вотношении грамотрицательных бактерий из-за плохой проницаемости ими

бактериальной стенки. Рифамицины связываются с р-субъединицей бактери­ альной РНК-полимеразы и подавляют стадию инициации.

РНК-полимеразы млекопитающих устойчивы к воздействию этих анти­ биотиков. При изучении рифамицинов было замечено, что в бактериальной клетке происходит разрыв эфирной связи гидроксихинона и его окисление до хинона с отщеплением боковой группы, это привело к получению полусинтетического производного рифамицина - рифампицина. Рифампицин также связывается с РНК-полимеразой бактерий и препятствует транскрипции. Из­ вестно, что в его химической структуре отсутствует -СН2-СООН-группа (она заменена на Н). Отсутствие этой боковой группы приводит к более прочному связыванию рифампицина с Р-субъединицей, что и является причиной более высокой его активности. Рифампицины ингибируют инициацию синтеза РНК. Процесс элонгации нечувствителен к рифампицину.

Наиболее высокоактивными в отношении грамположительных бактерий являются рифамицины S и SV, они используются для профилактики и лече­ ния менингококковых заболеваний, а также туберкулеза и других инфекций, вызванных грамположительными бактериями. Один из полусинтетических препаратов, полученных на основе рифамицина S, проявляет высокую актив­ ность в отношении Mycobacterium aviumintracellulare, поражающего людей с синдромом приобретенного иммунодефицита.

Антибиотик стрептолидигин также специфично связывается с р-субъеди- ницей бактериальной РНК-полимеразы. Образуя комплекс фермент-матрица- антибиотик, он резко замедляет синтез РНК и, не подавляя стадию элонгации, приводит к разрушению транскрипционного комплекса, что ведет к терминации синтеза.

Противоопухолевых антибиотиков, действующих на полимеразы, найде­ но в природе намного меньше, чем антибиотиков, действующих на ДНКматрицу. По способу воздействия на молекулу ДНК они могут быть разделе­ ны на следующие группы антибиотиков (рис. 121):

•интеркалирующие между основаниями ДНК (1);

•связывающиеся нековалентно в малой бороздке двуспиральной

ДНК (2);

•ковалентно связывающиеся с ДНК (3);

•вызывающие разрыв цепей ДНК (4).

лов, а циклогексановое кольцо с замещенным аминосахаром (даунозамином) располагается в большой бороздке спирали ДНК. Комплекс стабилизируется не только стэкинг-взаимодействием, но и водородными связями с гидро­ ксильной и карбонильной группами дауномицина. За счет интеркаляции про­ исходит нарушение процессов репликации и транскрипции. Интеркаляция препятствует связыванию полимераз с ДНК и приводит к подавлению синте­ за нуклеиновых кислот.

Известно, что антрациклины взаимодействуют с топоизомеразами - фер­ ментами, ответственными за разрыв, сшивание и топологическое состояние (сверхспирализацию) ДНК, что также приводит к нарушению синтеза нук­ леиновых кислот. Другие антибиотики - ингибиторы топоизомераз, напри­ мер, антрацены и акридины (амсакрин), как и антрациклины, являются фар­ макологическими препаратами и используются в терапии онкологических заболеваний (лейкемии, злокачественных карцином и лимфом).

В то же время известно, что антрациклины могут связываться с мембра­ нами клеток и внутриклеточных органелл. Это может приводить к наруше­ нию многих биохимических процессов, протекающих в организме. Важным свойством антрациклинов является их способность генерировать семихинонные радикалы, что приводит к образованию свободных и/или гидроксильных радикалов, ответственных за многие клеточные повреждения. Кардиотоксич­ ность, наблюдаемая для антрациклинов, возможно, и объясняется этой спо­ собностью.

Хорошо известный интеркалирующий антибиотик актиномицин D, при­ надлежащий к числу первых хромопептидов, аналогичным образом связыва­ ется с ДНК. Он выделен из Streptomyces antibioiticus еще в 1940 году и полу­ чен в кристаллическом виде, однако охарактеризован только в 1954 году. Этот антибиотик состоит из феноксазиновой хромофорной группы (актиноцина), одинаковой для всех актиномицетов, и характеризуется наличием трех компланарных шестичленных колец, как в профлавине и этидии, и двух депсипептидных боковых цепей, в основном пентапептидов. Каждый пептид за счет связывания гидроксильной группы L-треонина, входящего в состав всех актиномицетов, с карбоксильной группой С-концевой аминокислоты, пре­ вращается в циклический лактон. Раскрытие лактонного цикла приводит к потере активности антибиотика.

Феноксазиновый хромофор актиномицина D интеркалирует между двумя GC-парами ДНК с образованием водородных связей между 2-аминогруппами гуанина и СО-остатками треонина в пептидных лактонных кольцах, которые уложены в малую бороздку ДНК-спирали.

При интеркаляции антибиотика происходит значительное изменение ло­ кальной структуры ДНК. Раскручивание спирали составляет ~28°, что приво­ дит к излому цепи ДНК. Также происходит удлинение рибозофосфатного ос­ това ДНК на 3,4 А (при присоединении одной молекулы антибиотика). Эти антибиотики в концентрации 0,1 мкг/мл подавляют развитие грамположительных, а в концентрации 1-10 мкг/мл - грамотрицательных бактерий. Не­

которые антибиотики этой группы обладают противоопухолевым действием. В медицинской практике нашли применение препараты актиномицина D и актиномицина С, которые эффективны в лечении соответственно опухолей почек и сарком, а также лейкозов, лимфогранулематоза и рака яичников. К настоящему времени выделена и установлена структура более 100 актиномицетов, но многие из них чрезвычайно токсичны.

S L-MeVal-^O О L—MeVaH-Sar

t

l_—Pro-*-D—VaH*-L—Thr-*-CO

CH3 CH3

Актиномицин D

Sar - саркозин (N-метилглицин)

Из антибиотиков, связывающихся с малой бороздкой ДНК, наиболее из­ вестны нетропсин и дистамицин. Они используются в основном как проти­ вовирусные препараты. Эти антибиотики содержат в своей структуре два или четыре N-метилпирролокарбоксамидных остатка соответственно, а также по­ ложительно заряженные группы на обоих или на одном конце молекулы. Они специфичны к АТ-богатым участкам ДНК и связываются в малой бороздке за счет образования дополнительных водородных связей с гетероциклами. Ато­ мы азота амидных групп антибиотиков образуют водородные связи с атома­ ми 0(2) тимина или N(3) аденина одной из цепей спирали, а амидиновые или гуанидиновые группы на концах цепи электростатически взаимодействуют с ближайшими фосфатными группами. Специфичность к АТ-богатым участкам ДНК обусловлена точным соответствием пространственной структуры анти­ биотиков, которая принимает форму полумесяца при укладке в малую бо­ роздку, и расположением акцепторных групп у оснований ДНК, участвую­ щих в образовании водородных связей (рис. 122).

Если в молекуле ДНК вместо аденина (6-аминопурин) стоит 2-аминопу- рин, то аминогруппы последнего, располагающиеся в малой бороздке, меша­ ют укладке молекул антибиотиков. По этой же причине антибиотики данной группы гораздо менее охотно связываются в области расположения G C пар.

При связывании с ДНК малобороздочных антибиотиков параметры спи­ рали ДНК изменяются незначительно. Ширина малой бороздки увеличивается на 2 А, изгиб спирали составляет 8° на молекулу лиганда, раскручивание спирали изменяется также незначительно.

ОНС— NH

Дистамицин

Рис. 122. Схема взаимодействия антибиотиков нетропсина и дистамицина с ма­ лой бороздкой ДНК. Пунктиром обозначены водородные связи между группами NH антибиотика и атомами N3 остатка аденина (А) и 02 остатка тимина (Т)

Антибиотики, ковалентно связывающиеся с ДНК, также нашли широкое применение в медицине. К их числу относятся митомицины - антибиотики группы бензохинонов, вызывающие образование сшивок в цепи ДНК.