抗生素的作用机制

1 抗生素如何影响微生物细胞的代谢 1 进入细胞并到达作用位点 2 物理性地结合于细胞结构 靶分子 该细胞结构参与对保持细胞生长或内环境稳定必不可少的某一过程 3 抗生素抑制酶的活性或细胞结构功能 抑制细胞壁的合成 影响胞浆膜的通透性 抑制DNA合成 抑制蛋白质合成 抑制RNA合成 影响叶酸代谢 抗生素的作用机制 抗生素在分子水平上干扰微生物细胞任一基本代谢的某一种机制 3 根据抗生素干扰代谢过程的不同 抗生素通常分为五大类 1 细胞壁合成抑制物 2 遗传物质的复制或转录抑制物 3 蛋白质合成抑制物 4 细胞膜功能抑制物 5 能量代谢系统抑制物或抗代谢物 4 第一节细胞壁合成抑制物 细胞壁的功能和化学结构细胞壁合成不同抗生素的作用原理 5 细胞壁的功能 保持细胞形态 维持细细胞质高渗透压 细菌细胞壁组成 肽聚糖 菌壁酸或菌壁醛酸 脂多糖 脂蛋白 蛋白质 多糖等 肽聚糖是由双糖单位 四肽尾还有肽桥聚合而成得多层网状大分子结构 是构成细胞壁的骨架 一 化学结构 1 N 乙酰葡萄糖胺通过 1 4糖苷键与N 乙酰胞壁酸连接 2 N 乙酰胞壁酸连接四肽尾 3 四肽尾将单体连接为复合体 一 细胞壁的功能和化学结构 6 肽聚糖的结构 N 乙酰葡萄糖胺 G N 乙酰胞壁酸 M 7 二 生物合成1 肽多糖前体基本单元UDP 胞壁酰五肽的合成 在细胞质中进行 2 十一聚异戊二烯磷酸替换UDP 形成N 乙酰氨基葡萄糖 N 乙酰胞壁酸 五肽单体 在细胞膜中进行 3 肽聚糖链的组装及三维结构的构建 在细胞膜外进行 8 UDP 胞壁酰五肽形成示意图 磷酸烯醇式丙酸酮 UDP N 乙酰葡萄糖胺 UDP N 乙酰胞壁酸 胞壁酰三肽 UDP 胞壁酰五肽 胞浆 9 大肠杆菌肽聚糖的结构 10 三 抑制肽聚糖生物合成的抗生素1 作用于肽聚糖合成的第一阶段 磷霉素 环线酸氨等 2 作用于肽聚糖合成的第二阶段 万古霉素 瑞斯妥菌素 杆菌肽等 3 作用于肽聚糖合成的第三阶段 青霉素 头胞菌素类等 11 丙酮酰转移酶 磷霉素 环丝氨酸 丙氨酸消旋酶 D 丙氨烯 D 丙氨酸二肽合成酶 UDP 胞壁酰五肽形成示意图 12 青霉素和D Ala D Ala二肽的结构构象 青霉素 青霉素结合蛋白 PBPs 转肽酶 胞壁酸 内酰胺类作用机制 14 作用机制 一 15 第二节核酸复制与转录抑制物 DNA合成DNA复制RNA转录 DNA复制 16 前导链 滞后链 DNA在复制时 其双链首先解开 形成复制叉 而复制叉的形成则是由多种蛋白质及酶参与的较复杂的复制过程 前导链与后随链的差别在于前者从复制起始点开始按5 3 持续的合成下去 不形成冈崎片段 后者则随着复制叉的出现 不断合成长约2 3kb的冈崎片段 单链DNA结合蛋白 DNA解旋酶 大肠杆菌中的Dna蛋白 17 18 复制和转录抑制物 复制和转录抑制物分为两类 前体类似物 抑制前体物的合成 DNA模板功能抑制物和酶 促旋酶 DNA聚合酶 RNA聚合酶 抑制物 抑制核酸聚合 19 核酸合成抑制物的作用机制 DNA聚合酶 RNA聚合酶 解旋酶 20 丝裂霉素 丝裂霉素为细胞毒药物 在DNA的两条链之间形成共价键 使双链不能分开 这种作用效应是不可逆的 具杀菌作用 但是由于缺乏选择性 其毒性很大 不能用作抗微生物剂 但作为抗肿瘤剂 21 博来霉素 博来霉素是DNA损伤剂 既能在单链又能在双链DNA上产生多个断点 并释放出单个核苷酸 这类抗生素仅用于某些种类的肿瘤 22 利福霉素 利福霉素与RNA聚合酶 亚基形成实际上不可逆的复合物 利福霉素是唯一的商业上上投入生产的安莎霉素 特别是利福平 在临床上广泛用作抗结核和抗葡萄球菌剂 23 作用机制 二 24 第三节蛋白质合成抑制物 通过蛋白质合成过程 遗传信息被转译出来 蛋白质合成 就是根据mRNA上的核苷酸三联体顺序决定的序列 将不同的氨基酸聚合 这些核苷酸顺序 同样是由特异DNA区段上的脱氧核苷酸顺序决定的 25 一 蛋白质的生物合成 原核生物 核糖核蛋白体50s 30s 70s 50s由 23sRNA 5sRNA 34种蛋白质 组成 30s由 16sRNA 10种以上蛋白质 组成 真核生物 核糖核蛋白体60s 40s 80s 起始密码AUG GUG 26 一 蛋白质合成的几个阶段 蛋白质合成分为两个主要过程 氨基酸激活和鉴别 核糖体循环 27 1 氨基酸的激活与鉴别 每一种氨基酸在特异的氨酰tRNA合成酶催化下 其羧基与特异tRNA末端核苷酸的羟基形成酯键 氨基酸被激活和连接在合适的tRNA上被鉴别 这个过程称为tRNA 加载 携带有氨基酸的tRNA分子称为氨酰tRNA 在细菌中 甲硫氨酰tRNAmet的氨基酸的氨基被甲酰化 并作为聚合过程的起始物 tRNA起始物 28 2 原核细胞中的核糖体循环 1 起始阶段2 延伸阶段3 终止阶段 29 1 起始阶段 mRNA上SD序列结合在核糖体30S亚基上的16SrRNA上 然后与tRNA起始物结合 tRNA定位在起始密码子AUG上 形成一个三元复合物 三种蛋白质 起始因子IF1 IF2 IF3 参与并保证三元复合物正确无误地形成 50S亚基结合到三元复合物 就形成了包含有一个完整核糖体的复合物 tRNA起始物和相应的三联体定位在核糖体的被称为P的位点 新生肽链位点 30 31 2 延伸阶段 在核糖体被称为A的位点 即氨酰tRNA位点 在延伸因子EF Tu和EF Ts的作用下 新的氨酰tRNA定位在邻近起始三联体的三联体上 50S核糖体亚基上的具有酶活性的组份 肽酰转移酶 催化甲酰甲硫氨酸 或后继的肽酰链 转移至占据位点的氨酰tRNA上的氨基 形成一个二肽酰tRNA 在另外一个蛋白质因子 EF G作用下 核糖体沿mRNA转位一个密码 三个碱基 距离 结果二肽酰tRNA从A位点移依至P位点 空载的tRNA便被释放出来 这 过程循环重复 通过每次在多肽链的末端羧基上增加一个氨基酸残基 多肽链逐渐延伸 32 33 3 终止阶段 肽链延伸一直进行 当核糖体在mRNA上到达一个特异三联体 UAA UAG或UGA 即终止信号时 延伸阶段就结束 此时肽酰tRNA 核糖体和mRNA的三元复合物解离 其组成成分可以重新组装 并开始新链的合成 终止过程由特异蛋白质即终止因子RF1 RF2 和RF3促成 34 35 二 蛋白质合成抑制物范例 根据抗生素作用的位点 可以将它们分为三种 1 氨酰tRNA形成抑制物2 核糖体功能抑制物3 核糖体外的因子抑制物 36 木比洛菌素 木比洛菌素竞争性抑制异亮氨酰tRNA合成酶 作用于G 细菌 抑菌作用 由于木比洛菌素的亲脂性 妨碍了它透过外膜孔 所以对G 细菌缺乏有效性 木比洛菌素的作用具有选择性及无毒性 但是体内给药时 很快被代谢为无活性的形式 所以只能局部给药 37 链霉素 链霉素是杀菌抗生素 能不可逆地与核糖体30S亚基上的一个位点结合 导致A位点的破坏 阻止了氨酰tRNA正确定位 尤其是妨碍了甲硫氨酰tRNAmet的结合 从而阻止了转录的起始 38 庆大霉素 庆大霉素属于氨基糖苷类抗生素 这类抗生素有妥布霉素 卡那霉素 阿米卡星 西索米星等 这些抗生素是杀菌作用 很可能是因为它们对靶子的亲和力极高 它们对30S亚基显了最高的亲和力 但作用位点并不同于链霉素 它们主要抑制转位 39 链霉素和庆大霉素作用示意图 A的位点 P的位点 核糖体沿mRNA转位一个密码距离 P的位点 庆大霉素 抑制转位 链霉素 40 四环素类 四环素和16SrRNA上靠近与氨酰tRNA连接的区域形成可逆复合物 41 红霉素 红霉素属于大环内酯类抗生素 红霉素与50S亚基结合 选择性地抑制原核细胞蛋白质合成 红霉素与23SrRNA的特异区域直接结合 所导致的结构破坏效应 似乎使肽酰tRNA从核糖体上较早地解离 42 氯霉素作用示意图 A的位点 P的位点 肽酰转移酶 P的位点 氯霉素 50S亚基 作用于50S亚基 抑制肽酰转移反应 43 作用机制 三 44 第四节细胞膜功能抑制物 原核细胞及真核细胞都有一层细胞膜包裹着 它控制着细胞内外物质的双向流动 起到屏障作用 并具有识别和传递信息的功能 45 细胞膜结构示意图 46 不同种属细胞膜的差异 不同种类生物体 细胞膜在化学上和结构上都有相当的相似性 细菌细胞膜中不含有固醇 真菌的细胞膜主要含有麦角固醇 哺乳动物的细胞膜上主要含有胆固醇 这些抗生素的选择性一般较差 对细菌及真核细胞都有作用 因为不同种类生物体 细胞膜在化学上和结构上都有相当的相似性 由于这类抗生素缺乏专一性 通常毒性特别大 不能体内给药 只能限制在局部用药 47 影响细胞膜功能的抑制物 破坏膜结构的物质破坏细胞膜超分子结构 因而造成细胞内成分流失的化合物 离子载体作为特异离子运载体 称为离子通道 使某些离子产生不正常的积累或排出的化合物 48 多粘菌素 多粘菌素 polymyxin 是发现于多粘杆菌 Bacilluspolymyxa 培养液中的抗菌性多肽 有A B C D E等五种 该家族抗生素的亲水基团与磷脂上的磷酸基形成复合物 而亲脂链可以插入脂肪链之间 因而解聚细胞膜结构 抗菌谱相互类似而范围宽广 特别对革兰氏阴性细菌作用颇强 毒性较弱 很可能因为它们对外膜的亲相力高于细胞质膜 口服时不能吸收 49 多烯类抗生素 这类物质的结构特点是一条亲脂链通过内酯键闭合成环 链上有一个亲脂区域和一个亲水区域 亲脂区域对膜上的固醇有极高的亲和力 与组成真菌细胞膜的麦角固醇结合 破坏膜的功能 多烯类抗生素对麦角固醇 真菌细胞膜上的固醇 的亲和力比胆固醇 动物细胞膜上的固醇 高 因而作为抗真菌剂 50 离子载体 这类抗生素作为离子载体 与阳离子形成脂溶性复合物 或者形成亲脂性细胞膜的孔 使得阳离子能通过细胞膜 后果是 细胞内积累阳离子 阳离子不正常流失 环境中的阳离子被螯合 使得细胞无法利用它们 51 作用机制 四 第五节能量代谢系统抑制物 1 呼吸链电子传递抑制剂 抗霉素A 2 将电子传递与磷酸化的偶联拆开的解偶联剂 3 抑制由高能中间体化合物向ATP转移能量的化合物 短杆菌肽S与缬霉素 会出现可进行呼吸 但却不能生产ATP的情况 这类抑制剂是通过增加一价离子的通透性而破环氧化磷酸化作用 第六节抗生素的协同作用 抗生素合用意义 扩大抗菌谱 增强抗菌力 防止或延缓耐药菌的产生 减