Mechanizmy działania antybiotyków




Ze względu na różnorodność budowy i właściwości antybiotyki mogą wpływać na procesy życiowe komórki bakteryjnej. Główne cele ich działania prezentuje rys. 2.











































Rys. 2. Główne cele działania antybiotyków.

Zakłócanie funkcji błony cytoplazmatycznej
Na funkcjonowanie błony cytoplazmatycznej bakterii oddziaływują liczne antybiotyki peptydowe. Antybiotyki działają na błonę w dwojaki sposób:

Tworzą dodatkowe pory (kanały) w błonie przez które wyciekają drobnocząsteczkowe składniki cytosolu, co z kolei prowadzi do śmierci komórki. Przy małych stężeniach, antybiotyki peptydowe wiążą się równolegle z powierzchnią dwuwarstwowej błony cytoplazmatycznej, przy większych stężeniach- ustawiają się prostopadle do błony (wnikają do niej).

Sposoby tworzenia porów w błonie bakterii wyjaśniają trzy modele:
– model „beczułki” – w którym helisy antybiotyków peptydowych tworzą w błonie wiązkę przypominającą ustawienie klepek w beczce. W tego typu porze regiony hydrofobowe ustawiają się wzdłuż lipidów błony zaś regiony hydrofilowe stanowią wewnętrzną część pora;
– model „dywanowy” – dochodzi tu do elektrostatycznego przyciągania antybiotyku peptydowego przez anionowe, fosfolipidowe główki błony cytoplazmatycznej. W efekcie powierzchnia pokrywa się dywanem antybiotyku. Po osiągnięciu krytycznego stężenia antybiotyk zaburza strukturę membrany i niczym detergent powoduje wytworzenie miceli;
– model „pora toroidalnego” – helisy peptydu wnikają do wnętrza błony biologicznej, a w miejscu ich penetracji dochodzi do zagięcia monowarstw fosfolipidowych. Światło powstałych porów wyścielone jest zarówno białkami jak i główkami fosfolipidowymi.

Pełnią funkcje specyficznych nośników jonów (antybiotyki jonoforowe) – ułatwiają przechodzenie jonów nieorganicznych przez błonę cytoplazmatyczną bakterii. Antybiotyki, wykazujące powinowactwo do określonego kationu metalu, wiążą go za pomocą wiązań wodorowych, tworząc pewnego rodzaju „klatkę”. Ze względu na hydrofobowy charakter zewnętrznej powierzchni „klatki” powstały kompleks jon- antybiotyk jest rozpuszczalny w membranie i może dyfundować przez błonę biologiczną na zewnątrz komórki, gdzie jest uwalniany. Jest to działanie specyficzne, w odróżnieniu od mechanicznego uszkodzenia błony, powodującego transport w obu kierunkach. Jonofory silniej działają na bakterie gramdodatnie, ponieważ błona zewnętrzna bakterii gramujemnych stanowi skuteczną barierę dla dużych cząsteczek antybiotyków peptydowych.
– Tworzenie kompleksów z błonami i przesuwanie się wraz z nimi w poprzek błony (jonofory ruchome) – antybiotyk (np. walinomycyna) wykazuje powinowactwo do jonów potasu. Jon, zamknięty wewnątrz struktury cylindrycznej, traci swoją warstwę hydratacyjną i zamiast w niej, tkwi w hydrofobowej cząsteczce antybiotyku. W efekcie transport takiego jonu do wnętrza komórki jest ułatwiony. Po oddaniu jonu, uprotonowany antybiotyk jonoforowy powraca na zewnętrzną powierzchnię błony. Utrata jonów potasu prowadzi do zakłócenia procesów energetycznych i kończy się śmiercią komórki bakteryjnej;
– Wbudowywanie się do błony biologicznej i tworzenie sztucznych kanałów błonowych (jonofory nieruchome) – zlokalizowane są w poprzek błon komórkowych lub liposomowych. Zewnętrzna powierzchnia antybiotyku ma charakter hydrofobowy zaś wewnętrzna, tworząca kanał, jest hydrofilowa. Sztuczne kanały błonowe pozwalają na transport jonów rozpuszczalnych w wodzie oraz małych cząsteczek. Czynnikiem ograniczającym jest wielkość cząsteczki a także jej kształt i ładunek. Przykładem działanie gramicydyny A. W błonie cytoplazmatycznej cząsteczka tego antybiotyku zwija się w pusty wewnątrz cylinder. Utworzony kanał ułatwia transport jonom potasowym, blokuje natomiast przechodzenie anionów i kationów wielowartościowych. Efektem jest śmierć komórki, spowodowana zmianami w wewnątrzkomórkowym stężeniu kationów oraz utraty jonów potasu.

Bezpośrednie zahamowanie procesu replikacji
Kowalencyjne wiązanie z DNA – antybiotyki tworzą mostki łączące przeciwległe miejsca dwóch łańcuchów DNA, co z kolei blokuje ruch widełek replikacyjnych (np. mitomycyna i pokrewne antybiotyki).
Hamowanie działania bakteryjnej polimerazy DNA – antybiotyki selektywnie hamują działanie polimerazy DNAIII (głównego enzymu odpowiedzialnego za replikację u bakterii). Przypuszcza się, że antybiotyki reagują z aminokwasem aromatycznym, zlokalizowanym blisko centrum aktywnego enzymu (np. antybiotyki należące do grupy hydroksyfenyloazopirymidyn, ulegające redukcji do odpowiednich związków hydrazonowych, we wrażliwych na antybiotyk komórkach bakteryjnych).
Tworzenie nieprawidłowych par – poprzez połączenie antybiotyku z zasadą azotową w łańcuchu DNA (np. hydroksyfenyloazouracylu z cytozyną, czy hydroksyfenyloazoizocytozyny z tyminą).
Uszkodzenie matrycy DNA. Niektóre antybiotyki ulegają w komórce bakteryjnej redukcji do związków o większej aktywności niż związek wyjściowy. Powstałe związki, bądź uwalniane przez nie wolne rodniki, powodują wytwarzanie przerw w szkieletach cukrowo- fosforanowych DNA. Taki mechanizm działania wykazują nitrofurany.

Blokowanie biosyntezy prekursorów kwasów nukleinowych
Hamowanie syntezy prawidłowych nukleotydów purynowych – strukturalne analogi aminokwasu, które blokują centrum aktywne enzymu, biorącego udział w przenoszeniu atomów azotu na akceptor nukleotydowy w reakcji biosyntezy pierścienia purynowego. Aminokwasy takie jak kwas glutaminowy, glutamina i kwas asparaginowy mogą być bezpośrednimi donorami grupy aminowej w reakcjach biosyntezy związków azotowych (puryn), np. hadacyna i alanozyna- analogi kwasu asparaginowego, azaseryna- analog glutaminy.
Hamowanie syntezy prawidłowych nukleotydów pirymidynowych – antybiotyk, będący analogiem nukleozydu, hamuje jego fosforylację (np. showdomycyna).

Hamowanie działania określonych enzymów (blokowanie aktywności topoizomeraz – w szczególności topoizomerazy II czyli gyrazy)
Działanie na podjednostkę GyrA
Gyraza rozdziela potomne i złączone ze sobą, koliste cząsteczki DNA bakterii, powstałe w wyniku replikacji. Rozcina jedną kolistą cząsteczkę DNA, umożliwiając drugiej kolistej cząsteczce przejście przez powstałe rozcięcie. Zahamowanie aktywności tego enzymu jest spowodowane reakcją antybiotyku z podjednostką A gyrazy. Taki mechanizm działania posiadają np. chinoliny i kwas nalidyksowy. Antybiotyki te stabilizują przerwę w obydwu niciach DNA (powodują zahamowanie ligacji już przeciętego DNA).
Działanie na podjednostkę GyrB
Gyraza likwiduje napięcia torsyjne powstałe wskutek rozwijania podwójnej helisy i ruchu widełek replikacyjnych. Rozplatanie DNA w widełkach replikacyjnych zamkniętej, kolistej cząsteczki prowadzi do powstania dodatnich superzwojów. Dodatkowe superskręty mogą być częściowo kompensowane przez naturalną, ujemną superhelikalność kolistego DNA, jednakże nie umożliwia ona dalszego przemieszczania się widełek replikacyjnych. Dodatnie superskręty muszą być zatem systematycznie usuwane poprzez wprowadzanie ujemnych superskrętów przez gyrazę. Przyłączenie antybiotyku do podjednostki B gyrazy powoduje, że enzym ten traci aktywność ATP- azową (niezbędną do jego aktywności). Uniemożliwiają tym samym hydrolizę ATP, konieczną do wprowadzania ujemnego superzwinięcia w DNA. Prowadzi to do zbyt dużego skręcania matrycy, powstającego przed widełkami replikacyjnymi, na skutek miejscowej denaturacji DNA. W ten sposób synteza DNA bakteryjnego zostaje zahamowana.Taki mechanizm działania posiadają nowobiocyna i kumermycyna.

Hamowanie syntezy RNA
Hamowanie aktywności polimerazy RNA
Antybiotyki, wiążąc się z podjednostką β bakteryjnej polimerazy RNA, blokują inicjację transkrypcji. Uniemożliwiają wytworzenie pierwszego wiązania fosfodiestrowego w łańcuchu RNA. Inhibitorami transkrypcji są ryfamycyny i jej półsyntetyczne pochodne np. rifampicyna. Innym antybiotykiem blokującym syntezę RNA jest streptolidygina, która, wiążąc się z podjednostką β polimerazy, hamuje elongację transkrypcji.
Blokowanie matrycy DNA
Antybiotyk wiąże się ściśle i specyficznie do dwuniciowego DNA, co uniemożliwia wykorzystanie go jako matrycy w syntezie RNA, np. aktynomycyna D.

Hamowanie syntezy białka poprzez blokowanie funkcji rybosomalnych
Antybiotyki oddziaływujące na podjednostkę 30S rybosomu
– Wiążą się trwale do małej podjednostki rybosomu. Efektem jest zablokowanie wiązania aminoacylo-tRNA do miejsca akceptorowego A w kompleksie mRNA-rybosom, np. tetracykliny.
– Wiążą się do białka w podjednostce 30S rybosomu. Małe stężenie antybiotyku prowadzi do błędnego odczytywania kodu mRNA i wbudowywania niewłaściwych aminokwasów (powstają białka niefunkcjonalne), większe stężenie- całkowicie hamuje translację. Przykładem antybiotyki aminoglikozydowe czy streptomycyna.

Antybiotyki oddziaływujące na podjednostkę 50S rybosomu
– Wiążą się w sposób odwracalny do białka w podjednostce 50S rybosomu.
Blokują miejsce wiązania peptydylo-tRNA (miejsce P rybosomu) a tym samym blokują translokację i oddysocjowanie niepełnego polipeptydu, np. erytromycyna.
– Wiążą się w pobliżu centrum aktywnego enzymu peptydylotransferazy.
Hamują aktywność tego enzymu i uniemożliwia prawidłowe wiązanie aminoacylo- tRNA do miejsca A na rybosomie. W efekcie tworzenie wiązania peptydowego jest zahamowane. Taki mechanizm działania wykazuje np. chloramfenikol czy linkozamidy.
– Stanowią strukturalne analogi aminoacylo-tRNA. Grupa aminowa antybiotyku reaguje z wolna grupą karboksylową peptydylo-tRNA, tworząc połączenie peptydylo-antybiotyk. Połączenie to nie może być rozerwane, przez co utworzenie kolejnego wiązania peptydowego staje się niemożliwe i synteza białka zostaje zahamowana. Dochodzi do przedwczesnego uwolnienia syntetyzowanego fragmentu peptydowego z przyłączoną cząsteczką antybiotyku, np. puromycyna.
– Hamują wczesne etapy syntezy białka. Antybiotyki inaktywują centrum aktywne peptydylotransferazy nie dopuszczając do reakcji transpeptydacji. Przykładem: streptograminy grupy A.
– Hamują późne etapy syntezy białka. Antybiotyki zaburzają właściwe ustawienie peptydylo-tRNA w miejscu P rybosomu, co prowadzi do zahamowania tworzenia wiązań peptydowych i uwolnienia niekompletnego łańcucha polipeptydowego. Przykładem są streptograminy grupy B.
Antybiotyki nie wiążące się do rybosomu
Mechanizm ich działania opiera się na hamowaniu aktywności syntetazy izoleucylo- tRNA, co w konsekwencji blokuje syntezę bakteryjnego tRNA i hamowania syntezy białka, np. mupirocyna.

Hamowanie syntezy ściany komórkowej bakterii
Inhibitory I etapu syntezy mureiny
D-cykloseryna – jest analogiem strukturalnym L-alaniny. Hamuje aktywność racematy alaninowej i ligazy D-alanylo-D-alaninowej, a więc enzymów odpowiedzialnych za prawidłowe wytworzenie łańcuchów peptydowych mureiny. D-cykloseryna powoduje, że powstający muropeptyd jest pozbawiony końcowej D-alaniny.
Inhibitory II etapu syntezy mureiny
Bacytracyna – wiąże się z pirofosforanem baktoprenolu, pozostającym w błonie cytoplazmatycznej, po przeniesieniu disacharydopentapeptydu (prekursora, służącego do wydłużania łańcucha cukrowego peptydoglikanu), na zewnętrzną stronę błony. Bacytracyna hamuje defosforylację pirofosforanu baktoprenolu (w postaci C55- PP) do monofosforanu baktoprenolu (w postaci C55-P), a tym samym uniemożliwia przeniesienie kolejnej jednostki prekursora mureiny.
Inhibitory III etapu syntezy mureiny
Wankomycyna – hamuje proces transglikozylacji i transpeptydacji mureiny,tylko u bakterii gramdodatnich. Wankomycyna wiąże się z końcową D-alanylo-D-alaniną prekursora (UDP-N-acetylomuramylopentapeptydu) oraz z wolnymi grupami D-alanylo-D-alaniny w już istniejącej mureinie. Powstały w ten sposób kompleks hamuje wydłużanie łańcucha cukrowego mureiny (transglikozylację) oraz tworzenie poprzecznych wiązań peptydowych między peptydami prekursora a peptydami już istniejącego peptydoglikanu.
Penicylina – przypomina substrat dla enzymu, odpowiedzialnego za poprzeczne usieciowanie ściany komórkowej bakterii. Antybiotyk ten wiąże się odwracalnie z centrum aktywnym enzymu, lokując się w sąsiedztwie reszty serynowej. W efekcie dochodzi do wytworzenia wiązania kowalencyjnego między enzymem a penicyliną i zablokowania centrum aktywnego. Tworzy się wówczas niestabilna ściana komórkowa i dzielące się bakterie obumierają.