Механизм действия антибиотиков

По клиническому применению антибиотики принято разделять на основные, или антибиотики выбора, и резервные антибиотики.

Основные, или антибиотики выбора — препараты, которые имеют оптимальное соотношение риска и пользы, и с которых начинают лечение до определения чувствительности к ним микроорганизмов, вызвавших заболевание.

Резервные антибиотики применяются в случае устойчивости микроорганизмов к основным антибиотикам или при непереносимости макроорганизмом основных антибиотиков. Резервные антибиотики обычно обладают меньшей активностью, у них более выражены побочные эффекты, они обладают большей токсичностью и к ним быстро развивается резистентность.

По степени значимости в терапии бактериальных инфекций антибиотики делятся на антибиотики I, II, III, IV поколений. Поколения антибиотиков различаются между собой по величине относительного коэффициента эффективности воздействия на бактериальные клетки. Обычно в клинической практике срок появления антибиотиков нового класса составляет 10 лет потому, что за это время вырабатываются устойчивые штаммы микроорганизмов к старым антибиотикам. Однако такое разделение антибиотиков на поколения не всегда связано со сроками внедрения в практику новых препаратов соответствующей группы. Так, классификация цефалоспоринов построена на спектре антибактериального действия, а появление нового поколения связывают с новым спектром их антибактериальной активности.

На клеточном уровне действие антибиотика может быть:

• — бактериостатическим — антибиотик блокирует репликацию и деление клеток и не вызывает их гибели. Клетки сохраняют способностьк росту и размножению, если удаляется антибиотик;
• — бактерицидным — в присутствии антибиотика клетка гибнет.

Антибиотик оказывает бактерицидный эффект, так как он взаимодействует с субклеточными структурами, необратимо нарушая их целостность или функции. При этом антибиотик из-за высокого сродства связывается с ферментом или клеточными структурами, необходимыми для поддержания жизнеспособности клетки, практически необратимо.

Антибиотики, обладающие бактериостатическим действием, взаимодействуют с субклеточными структурами, на которые они влияют с меньшим эффектом так, что комплекс антибиотика с этой структурой диссоциирует, и последняя вновь становится активной.

Клеточная стенка у большинства бактериальных клеток тонкая, эластичная, ригидная, защищает микробную клетку от внешних воздействий и определяет форму микроорганизма. Одновременно клеточная стенка поддерживает постоянство внутренней среды и защищает клетку от разрушения при высоком внутриклеточном осмотическом давлении. Через клеточную стенку происходит транспорт питательных веществ в клетку и выделение метаболитов. Структура и состав элементов клеточной стенки определяет способность воспринимать определенные красители. Это позволяет дифференцировать микроорганизмы на грамположительные и грамотрицательные.

Основным компонентом клеточной стенки бактерий является пептидогликан (макромолекулярный полимер). Пептидогликана значительно больше в грам+ бактериях (до 40 слоев), в то время как у грам^—- бактерий всего 1−2 слоя. В состав пептидогликана входят N-ацетилглюкозамин и N-ацетилмурамовая кислота. Пептидогликаны состоят из двух мономерных цепочек: ацетилмурамовой кислоты (М) и ацетилглюкозамина (G), расположенных поочередно и соединенных гликозидными связями. Цепи соединены между собой 4-хаминокислотными пептидами. Пептиды ответвляются от остатков ацетилмурамовой кислоты и образуют трехмерную структуру. Кроме трехмерной пептидогликановой сети, состоящей из гликопептидов и муреина, в клеточной стенке имеются и другие полимеры (полисахариды, липопротеины и т. д.)/.

Грамположительные микроорганизмы имеют несложную, но мощную клеточную стенку, состоящую из множества слоев пептидогликана, белка и тейхоевых кислот. Мембранные тейхоевые кислоты представлены цепями из чередующихся остатков глицерина или рибита и фосфатов.

У грамотрицательных бактерий клеточная стенка тоньше, но гораздо сложнее. Она состоит из нескольких слоев. Внутренний слой образован пептидогликаном и не имеет тейхоевой кислоты, отдален от плазматической мембраны периплазматическим пространством, в котором функционируют некоторые ферменты. Снаружи от пептидогликанового слоя расположена наружная мембрана, представляющая собой двойной слой липополисахарида, дающий начало структуре, сходной с плазматической мембраной. Слои пересекаются молекулами белков, некоторые из них выполняют транспортные функции. Наружную поверхность клеточной мембраны покрывает сложный липополисахаридный слой. В стенке клеточной мембраны находятся ферменты, принимающие участие в ее синтезе: трансгидроксилаза и транспептидаза.

По механизму действия антибиотики делят на:

• — ингибиторы синтеза компонентов микробной стенки или активаторы разрушающих ее ферментов (бактерицидные) — пенициллины, цефалоспорины, монобактамы, карбапенемы;
• 1) ингибиторы синтеза пептидогликана;
• 2) ингибиторы синтеза сборки других компонентов клеточной стенки.

Механизм действия связан с подавлением синтеза или сборки липопротеида наружной мембраны грамотрицательных бактерий.

• — нарушающие структуру и функцию цитоплазматических мембран (бактерицидные): полимиксины, полиеновые антибиотики;
• 1) антибиотики, нарушающие надмолекулярную структуру клеточной мембраны;
• 2) антибиотики, высвобождающие внутриклеточные вещества, которые вызывают аномальное накопление ионов внутри клетки;
• — ингибиторы синтеза РНК на уровне РНК-полимеразы (бактерицидные): рифамицины, гризеофульвин;
• 1) ингибиторы синтеза предшественников;
• 2) ингибиторы полимеризации;
• 3) ингибиторы матричной функции ДНК;
• — ингибиторы синтеза белка на уровне рибосом: бактерицидные — аминогликозиды, бактериостатические — хлорамфеникол, тетрациклин, фузидин, линкомицин, макролиды;
• 1) ингибиторы активации аминокислот и реакции переноса (в клинике эта подгруппа не применяется);
• 2) ингибиторы функций малых субчастиц рибосом (30 S);
• 3) ингибиторы функции больших субчастиц рибосом (50 S);
• 4) ингибиторы внерибосомальных факторов.

На первом этапе изучения антибиотиков пытались создать общую теорию механизма их действия. Но эта попытка закончилась неудачно, так как:

• — строение антибиотиков неодинаковое, поэтому они вступают в различные реакции;
• — антибиотики действуют в различных направлениях: бактериостатически, бактериолитически (бактерицидно), гельминтоцидно, антитоксически, улучшая и активизируя или нарушая отдельные биохимические процессы в организме животных.

В основе механизма действия антибиотиков лежит взаимодействие их с ферментными веществами, необходимыми для течения отдельных процессов метаболизма.

Во многих случаях антибиотики нарушают структурные образования клеток (чаще всего это касается оболочки). Например, пенициллин препятствует образованию оболочки микробной клетки и тем самым резко дезорганизует основные жизненные процессы всей клетки. Очень часто антибиотики, не изменяя (микроскопически) структуры клетки, нарушают отдельные жизненно важные функции ее. Например, лизоцим ослабляет, а часто даже блокирует всасывающую и выделительную способность клетки. В результате даже простые метаболиты в такой микробной клетке становятся для нее сильнейшим ядом.

Противомикробное действие некоторых антибиотиков основано на влиянии их на генетический аппарат микробной клетки. В этом случае какое-то количество микроорганизмов не гибнет, а становится более уязвимым для воздействия других факторов (тех, которые можно вносить в организм, и тех лизирующих механизмов, которые всегда имеются в живом организме). В практике это положение следует учитывать и одновременно с антибиотиками назначать вещества как противомикробные, так и активизирующие защитные функции организма.

Одним из основных видов противомикробного действия антибиотиков является ингибирование ферментов. Исследования показали, что наиболее часто антибиотики тормозят ферментные реакции и несколько реже препятствуют образованию самих ферментов, но часто наблюдается и то и другое влияние. Чаще всего бывает подавление активности оксидаз, фосфоролидаз, редуктаз, т. е. таких ферментов, которые совершенно необходимы для метаболизма большого числа бактерий, особенно патогенных.

В механизме противомикробного действия антибиотиков (так же, как и сульфаниламидов) большое значение имеет имитация по принципу стереоизомерии (изомерии, обусловленной различным пространственным расположением атомов в молекуле. Соединения стереоизомеров имеют одну общую формулу и характеризуются одинаковой направленностью связей, но отличаются друг от друга пространственным расположением атомов или атомных групп). Например, в состав протоплазмы входят левовращающие изомеры аминокислот, а в большинстве антибиотиков аминокислоты правовращающие. Доказательством тому служит высокая бактерицидность пенициллина с наличием в нем диметилцистеина правой конфигурации. В отличие от этого пенициллин синтезированный, содержащий диметилцистеин левой конфигурации, не действует противомикробно.

Важную роль в действии антибиотиков играет появление значительного количества антиметаболитов. Часто наблюдается ослабление функций метильных групп, а все процессы метилирования являются важнейшими в жизнедеятельности живого вещества, и нарушение их ведет к гибели микроба.

Точно так же антибиотики влияют и на макроорганизм. Но в отличие от действия их на микроорганизм в макроорганизме нарушается только незначительная часть ферментов. Это вызывает образование комплекса компенсаторных реакций, которые не подавляют, а активизируют некоторые виды метаболизма. Такие изменения вызывают тетрациклины, несколько слабее действуют пенициллин и стрептомицин, почти не обладает таким свойством хлорамфеникол.

Под влиянием многих антибиотиков нарушается формирование нуклеиновых кислот и нуклеотидов в микробной клетке. В результате образуется не пластический белок, а ненужные или вредные для микроба вещества. Подобный аспект действия касается также многих ферментов, коферментов и апоферментов, что ведет к подавлению ферментной активности в микробной клетке, а во многих случаях и к извращению ее. Всё это быстро приводит к гибели микробной клетки.

Многие антибиотики нарушают процессы протеолиза (ферментативного расщепления белков до пептидов и аминокислот). Например, левомицетин препятствует синтезу белка, эритромицин изменяет отдельные аминокислоты — глицин, глутаминовую кислоту, лизин, аспарагиновую кислоту и аланин. Однако и в этих направлениях его влияние слабее, чем влияние левомицетина; он выводит из строя только часть каждой из упомянутых аминокислот.

Было установлено, что большинство антибиотиков гораздо легче адсорбируются бактериальными клетками, чувствительными к тому или иному антибиотику. Например, при одних и тех же условиях в 1 мг сухих микробных клеток Pseudomonas denitrificans u. Micrococcus vulgaris (чувствительные к полимиксину) обнаружено 350−370 ЕД полимиксина, а в клетках Streptococcus faecalis u. Proteus vulgaris (нечувствительные к полимиксину) только 70−71 ЕД. Выяснилось, что избирательная адсорбция большого количества антибиотика сопровождается значительными морфологическим, электронными и др. изменениями оболочки клетки. Изменяются и другие жизненно важные свойства ее, что ведет к ослаблению эндогенного дыхания и способности нейтрализовать даже такие слабые яды, как органические кислоты, антивитамины и др.

Абсолютное большинство молекулярных изменений, вызываемых антибиотиками, являются общими для живого вещества микробной и животной клеток. Разница заключается главным образом в том, что в микробной (одиночной) клетке они гораздо длительнее, резче выражены и труднее восстанавливаются. В животных тканях все вызываемые ими процессы проходят так же, но они слабее и кратковременнее, а поэтому часто не подавляют, а активизируют многие жизненно важные функции.

Различие в действии на микрои макроорганизмы увеличивается еще больше от того, что антибиотики изменяют многие процессы метаболизма только микроорганизмов. Например, стрептомицин нарушает реакции пировиноградной и щавелевоуксусной кислот в цикле Кребса. Эти реакции свойственны всем клеткам, но у животных они протекают в митохондриях, недоступных для стрептомицина. В бактериальной же клетке такие реакции ничем не защищены и легко нарушаются антибиотиком.