抗生素的作用机制.ppt

第三章抗生素的作用机制 1 第一节一般性论述 抗生素是微生物群体生长的抑制物 群体生长来自单个细胞繁殖 即构成细胞物质的复制和随后细胞分裂为两个子细胞过程 2 抗生素影响微生物细胞的代谢的条件 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 抗生素与主要酶或细胞结构结合 3 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 4 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 抗代谢物 5 第二节研究方法 为了阐明一个抗生素的作用机制 需要进行一系列的实验研究 包括 1 完整细胞水平 2 部分纯化的无细胞体系水平 3 一个或多个纯化的酶体系水平 6 一 在完整细胞水平上对活性的研究 用标记的胸苷追踪DNA合成 尿苷追踪RNA合成 苯丙氨酸追踪蛋白质合成 乙酰葡萄糖胺追踪肽聚糖合成 敏感菌株的培养基 放射性标记特异前体物 蛋白质 DNA 肽聚糖 RNA 抗生素 7 利福平在完整细胞水平上的作用机制 原初效应 8 二 在部分纯化的无细胞体系中对活性的研究 一旦确定了抗生素的原初效应 接着就必须阐明产生抑制是因为抗生素干扰 1 前体物的合成或激活 2 参与聚合的酶或细胞器 3 决定前体物掺入聚合物的信息系统 9 具体操作过程 如果抗生素在体外抑制与在生长细胞中所抑制的大分子相同 那么它通常作用在聚合过程 也可能作用于信息分子 如果体外不抑制 而生长细胞中抑制 则可能作用于前体物的合成或激活 1 聚合的酶或细胞器 前体物 蛋白质 DNA 肽聚糖 2 信息系统 RNA 合成或激活 抗生素 细胞外实验 部分纯化的细胞抽提物 10 利福平在部分纯化的无细胞体系中作用机制 这个体外转录体系由细菌的RNA聚合酶催化时 其活性将被利福平抑制 由真核细胞的RNA聚合酶催化时 其活性并不被利福平抑制 推论 生长细胞中RNA合成的阻断 来自于利福平与RNA聚合酶的直接作用 RNA聚合酶 核苷三磷酸 RNA DNA为模板 利福平 11 三 在纯化的酶体系中对活性的研究 聚合酶通常包含多种成分 每一种成分都可能成为抗生素作用的靶子 在一定限度内 能够确定是哪一种酶反应受到了干扰 并且鉴定出哪一个成分是抗生素作用的靶子 12 靶聚合体系的鉴定 1 通过放射化学方法或检测蛋白质色谱变化或蛋白质电泳迁移率变化 鉴定出抗生素与酶蛋白结合后形成的复合物 2 从抗生素抗性突变株中可以分离出抗生素作用的靶蛋白发生了变化而产生的抗性菌株 在体外每次分别将原株中靶蛋白的一种成分用抗性变株来代替构成重组系统 根据抑制的消失可以确定靶蛋白中与抗生素活性有关的组份 13 利福平在纯化的酶体系中的作用机制 亚基突变 RNA 亚基 利福平的复合物 利福平 14 第三节细胞壁合成抑制物 首先简要介绍不同种类微生物的细胞壁化学结构和主要成分的合成途径 15 一 细胞壁的结构和构造 细胞壁的功能保持细菌外形维持菌体内高渗透压 16 肽聚糖的结构 N 乙酰葡萄糖胺 G N 乙酰胞壁酸 M 17 1 G 细菌的细胞壁 G 细菌的细胞壁是一层均一物质 由肽聚糖和相当数量的磷壁酸组成 18 2脂蛋白 2 G 细菌的细胞壁 3肽聚糖 1外膜 亲水性的跨外膜孔蛋白 壁膜间隙 质膜 19 成分 肽聚糖 磷壁酸 类脂质 蛋白质 占细胞壁干重的 含量很高 30 95 含量较高 50 一般无 2 0 含量很低 5 20 0 含量较高 10 20 含量较高 G G G G 细胞壁成分的区别 20 链球菌 G 菌 紫色 21 大肠杆菌 G 菌 淡红色 22 铜绿假单胞菌 G 菌 淡红色 23 3 肽聚糖的生物合成 大肠杆菌肽聚糖的生物合成可以分为三个阶段 1 基本单元UDP 胞壁酰五肽的形成 2 单体的形成及跨膜转运 3 肽聚糖链的组装及三维结构的构建 24 UDP 胞壁酰五肽的结构 UDP N 乙酰葡萄糖胺 G M 25 1 基本单元UDP 胞壁酰五肽的形成 N 乙酰葡萄糖胺 G 以其激活形式UDP G与磷酸烯醇式丙酸酮缩合 双键还原形成UDP N 乙酰胞壁酸 UDP M L Ala D Glu和间 DAP相继加到UDP M上 生成中间物胞壁酰三肽 二肽D Ala D Ala 由两个L Ala分子异构和缩合而来 又加到胞壁酰二肽上 形成UDP 胞壁酰五肽终产物 所有这些反应均发生在细胞质中 26 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 27 2 单体的形成及跨膜转运 UDP 胞壁酰五肽首先脱去UMP 胞壁酸的端基异构体C原子与十一聚异戊二烯磷酸 类脂分子 作为胞壁酰五肽的载体 形成二磷酸二酯键 通过 1 4糖苷键 N 乙酰葡萄糖胺加到胞壁酸上 从而完成了单体的合成 这些反应发生在细胞质膜上 28 单体在上合成的示意图 UDP 胞壁酰五肽 十一聚异戊二烯磷酸 UDP Glc 1 4糖苷键 细胞膜 29 3 肽聚糖链的组装及三维结构的构建 肽聚糖合成的最后几步是由几种酶催化完成 转糖基酶 催化M上的C 1与G上的C 4之间形成 糖苷键 转肽酶 催化4 位上的D Ala与邻近五肽上DAP的 氮形成肽键 该反应通过释放五肽供体上的末端D Ala而发生 D 羧肽酶 催化五肽末端D Ala水解 内肽酶 催化水解已合成的肽聚糖链上的肽链 微生物在生长及分裂期间 必然要合成新的肽聚糖 这时内肽酶在细胞壁内表面变得活跃起来 部分地水解已存在的链 产生出自由末端 通过转肽及转糖基反应 接受新生的肽聚糖链 30 肽聚糖链合成的示意图五肽 通过转肽反应及转糖基反应 双糖五肽被转到受体上 即新生肽聚糖链 在转糖基反应中 十一聚异戊二烯焦磷酸释放出来 重新进入循环 P P Lipid HO G M P P Lipid 细胞壁 五肽 转糖基反应 31 大肠杆菌肽聚糖的结构 转糖基酶 转糖基反应 转肽酶 转肽反应 D 羧肽酶 内肽酶 32 细菌的肽聚糖合成 所有细菌种类的肽聚糖合成 都是按照大肠杆菌模式进行的 但是 在金黄色葡萄球菌中 发生了重要变化 五肽中第二位氨基酸是Lys 而不是m DAP 二糖五肽合成后 五个Gly分子通过肽键连接在Lys的 NH2上 转肽反应在五肽次末端D Ala的羧基 同时释放出末端D Ala 和末端Gly的氨基之间发生 33 大肠杆菌和金黄色葡萄球菌肽聚糖的结构 34 二 细菌细胞壁合成抑制物的特性 杀菌作用 可以通过两种机制产生杀菌效应 裂解或不裂解细胞 在第一种情况下 肽聚糖结构变得松弛 导致细胞由于内部高渗透压而解聚死亡 在第二种情况下 可能有其他作用机制的介入 譬如不可逆地抑制横隔形成 PBP 3 或细胞变长 PBP 3 从而导致细胞死亡 对静止细胞无作用 对缺乏细胞壁的微生物 支原体 L型细菌 原生质体 没有作用 35 三 肽聚糖合成抑制物的例子 根据作用部位 肽聚糖合成抑制物可分为 1 胞壁酰五肽合成抑制剂2 膜上反应抑制物3 链延伸及三维细胞壁结构形成抑制物 36 1 胞壁酰五肽合成抑制剂 这些抗生素都是肽聚糖合成前期反应的抑制物 37 磷霉素的作用机制 烯醇式丙酮酰 N G 丙酮酰转移酶 不可逆 杀菌作用 磷霉素 38 环丝氨酸的作用机制 丙氨酸消旋酶 环丝氨酸 D 丙氨烯 D 丙氨酸二肽合成酶 39 2 膜上反应抑制物 一个是杆菌肽 使用在畜牧业上 另一个是雷莫拉宁 40 杆菌肽的的作用机制 十一聚异戊二烯磷酸 十一聚异戊二烯焦磷酸 UDP 胞壁酰五肽 杆菌肽 41 雷莫拉宁的作用机制 十一聚异戊二烯磷酸 十一聚异戊二烯焦磷酸 UDP 胞壁酰五肽 UDP Glc N 乙酰葡萄糖胺转移酶 十一聚异戊二烯 胞壁酰 五肽 雷莫拉宁 它能够快速而特异地抑制生长细胞对N 乙酰葡萄糖胺的吸收 导致细胞内UDP 胞壁酰五肽的积累 而抑制细胞壁合成 42 链延伸及三维细胞壁结构形成抑制物 内酰胺类抗生素 这个家族抗生素包括青霉素 头孢菌素 头霉素和非经典的 内酰胺类抗生素 如氨曲南和亚胺培南 这些抗生素的作用机制相似 即阻断肽聚糖合成的最后一个阶段以干扰细胞壁形成 43 青霉素G对放射性同位素标记前体物掺入生长细菌中DNA RNA 蛋白质及细胞壁的效应 44 内酰胺类抗生素的作用机制 抑制细菌细胞壁的合成 2 触发细菌的自溶酶活性 45 转肽酶 内酰胺类作用机制 46 青霉素和D Ala D Ala二肽的结构构象 47 青霉素结合蛋白 PBP 被 内酰胺类抗生素抑制的酶 因它们能够与相应的抗生素形成共价键而得到鉴别 它们称为青霉素结合蛋白 PBP 细胞生长必需的PBPs一般具有转肽酶活力 它们控制着细胞延长 PBP 1 及分裂 PBP 3 这些基本过程 内酰胺类抗生素在抑制参与肽聚糖合成的酶上 还是有一定程度的不同 有的抑制转肽酶 有的抑制d 羧肽酶 有的间接抑制转糖基作用的酶 48 青霉素 青霉素结合蛋白 PBPs 转肽酶 胞壁酸 49 第四节核酸复制与转录抑制物 DNA复制RNA转录 50 一 遗传信息的转录与复制 核酸合成分两步 1 从细胞代谢中间物分子合成前体物 核苷酸和脱氧核苷酸 2 酶催化核苷酸聚合形成大分子 其顺序由模板DNA碱基顺序决定 若干种不同的酶参与了DNA复制 51 DNA复制 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 52 大肠杆菌DNA复制示意模型 1 DNA解旋酶解开双螺旋 一些蛋白保持双链分开 2 在前导链上由引物酶催化合成一段RNA引物 3 DNA聚合酶III利用RNA为引物 在3 OH上合成冈崎片段 4 5 DNA聚合酶I降解RNA片段并完成DNA合成 6 连接酶将相邻片段连接上 RNA链 53 原核细胞中RNA合成 RNA合成过程相对简单 在细菌中是由RNA聚合酶催化的 RNA聚合酶由四个蛋白质亚基 及一个 因子 对识别转录起始DNA顺序必需 组成 54 RNA聚合酶的功能 1 通过与DNA形成复合体将DNA双链分开 2 将第一个核苷酸放在其中一条DNA链上的正确位置上 起始 3 将第二个核苷酸掺入并在第一和第二个核苷酸之间形成第一个磷酸二酯键 4 沿DNA链移动 并继续将核苷酸不断掺入 并以磷酸二酯键将它们连接起来 延伸 5 当到达一段特殊的DNA顺序时 合成过程终止 终止 在许多情况下 终止需要另一个蛋白质因子rho 参与 55 真核细胞中RNA聚合酶 真核细胞中含有三种RNA聚合酶 并且每种都由几种蛋白质亚基组成 不同的聚合酶合成不同种类的RNA 位于核仁的RNA聚合酶I合成28S和18SrRNA RNA聚合酶II合成各种mRNA RNA聚合酶III合成tRNA和5SrRNA 56 二 复制和转录抑制物范例 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 57 核酸合成抑制物的作用机制 DNA聚合酶 RNA聚合酶 促旋酶 58 DNA模板功能抑制物 它们干扰DNA的模板功能 从而抑制复制和转录 它们可与模板DNA形成无功能复合物 三级结构被破坏 或者使模板DNA结构发生化学变化 链缺口 碱基的剪切 双链间形成共价键 59 这类抗生素有两个共同点 不加区别地与各种原核及真核细胞的DNA结合 因效应不特异 一般毒性很大 同时抑制DNA和RNA的合成 尽管在一定的条件下能优先抑制某一种核酸 60 1 抑制物 化学修饰DNA 丝裂霉素博来霉素 61 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 62 博来霉素 这类抗生素仅用于某些种类的肿瘤 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 63 2 抑制物 与DNA形成复合体 这类化合物能够与DNA分子形成可逆复合物 大多数在结构上含有平面多环体系 能够插入双螺旋DNA的碱基之间 因此称它们为嵌入剂 64 放线菌素D 放线菌素D临床使用上仅限于抗肿瘤 尽管放线菌素D抑制DNA及RNA的合成 在特殊条件下 RNA合成受到的影响会更大 65 放线菌素D的化学结构及其与DNA的相互作用 放线菌素D分子上的三环结构部分嵌入DNA上的某些GpC顺序 形成复合物 放线菌素D分子上的肽环 与DNA链的侧部相互作用 对复合物的稳定起了很大的作用 C G 66 蒽环类抗生素 这些蒽环类是最有效的抗肿瘤抗生素 其分子有一个带有氨基糖的平面结构 这些蒽环类化合物具有显著的杀菌及杀细胞作用 67 蒽环类抗生素的作用机制 一方面分子能够沿更迭的嘌呤与嘧啶组成的DNA双链优先嵌入 另一方面是抗生素在双螺旋结构中所导致的扭曲阻止了拓扑异构酶II在将双链DNA切开 螺旋解链后 分子中的部分经切口穿过而旋转 然后封闭切口过程 这样双链的的完整性无法得到恢复 沿DNA链上留下许多断裂点 68 复制酶抑制剂 复制酶包括促旋酶 DNA聚合酶 喹诺酮类化合物与促旋酶A亚基结合 69 转录酶抑制剂 已知有许多不同种类抗生素 特异性抑制细菌RNA聚合酶 70 这些抗生素作用的共同特点 1 原核细胞与真核细胞的RNA聚合酶不相同 这些抗生素通常只选择性地作用于原核细胞RNA聚合酶 抑制细菌生长 并不抑制真菌及哺乳动物细胞的生长 2 对正在生长的细菌 可对其RNA合成产生特异抑制 但对DNA合成并没有直接效应 mRNA合成被阻断后几分钟 蛋白质合成亦停止 3 由于RNA合成的暂时性中止并不具有致死作用 所以这些抗生素是抑菌作用 除非它们与酶形成不可逆的复合物 71 利福霉素 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 利福霉素与RNA聚合酶 亚基形成实际上不可逆的复合物 72 第五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 73 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 74 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 75 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 76 1 起始阶段 mRNA上包含有起始三联体AUG在内的一个区域 结合在核糖体30S亚基上 然后与tRNA起始物结合 形成一个三元复合物 tRNA正好定位在同一三联体上 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 77 起始阶段示意图 AUG 核糖体30S亚基 氨酰tRNA 50S亚基 P的位点 3 2 1 起始三联体 三元复合物 IF1 IF2 IF3 tRNAmet GTP水解为GDP提供的能量 mRNA 78 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 79 延伸阶段示意图 A的位点 二肽酰tRNA P的位点 核糖体沿mRNA转位一个密码距离 EF TuEF Ts 肽酰转移酶 EF G P的位点 GTP水解为GDP提供的能量 A的位点 80 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 81 终止阶段示意图 UAA UAG或UGA RF1RF2RF3 mRNA 82 二 蛋白质合成抑制物的一般特性 1 蛋白质合成的短暂抑制对细胞并不致死 2 蛋白质合成的阻断 将对其他大分子合成造成复杂的影响 3 所有的生物体 其蛋白质合成过程都或多或少相同 不同的生物种类 一些组份确实有差异 83 氯霉素对放射性同位素标记的前体物掺入生长细菌中DNA RNA 蛋白质及细胞壁的效应 84 蛋白质合成抑制物的选择性 抑制物只作用于原核细胞蛋白质合成 活性 抑制物只作用于真核细胞蛋白质合成 毒性抑制物对原核细胞及真核细胞的蛋白质合成均有作用 毒性 后两类抗生素除非在渗透性方面有实质性不同 否则不宜作为药物 对于核糖体结合位点而言 干扰核糖体P位点的抗生素 一般都且有选择性 干扰核糖体A位点的抗生素 既抑制真核细胞 又抑制原核细胞的蛋白质合成 没有特异性 85 三 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 86 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 87 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tRNAet的结合 从而阻止了转录的起始 88 链霉素作用示意图 AUG 核糖体30S亚基 tRNA 50S亚基 P的位点 3 2 1 链霉素 IF1 IF2 IF3 A的位点 16SRNA 不可逆 89 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 90 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 EF G 抑制转位 91 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 92 四环素选择性作用 既抑制70S又抑制80S核糖体的功能 从作用机制上看 是非选择性的 但四环素对细菌有选择性毒性 因为原核细胞中的主动转运体系能使药物特异地透过细胞 真核细胞却能主动外排这类抗生素 93 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 94 红霉素作用示意图 A的位点 P的位点 肽酰转移酶 P的位点 红霉素 50S亚基 离去 95 林可霉素和氯林可霉素 与50S亚基结合 抑制蛋白质合成 它们仅与G 细菌的核糖体形成复合物 而不与G 细菌的核糖体结合 它们与核糖体的结合位点至少有一部分与红霉素的重合 肽酰转移酶功能的阻断 因而与红霉素有部分交叉抗性 96 林可霉素和氯林可霉素作用示意图 A的位点 P的位点 肽酰转移酶 P的位点 林可霉素氯林可霉素 50S亚基 97 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 98 夫西地酸 夫西地酸属固醇类化合物 干扰延伸因子EF G的功能 夫西地酸能稳定三元复合物EF G GDF 核糖体 使核糖体的转位被抑制 EF G因子被 冷冻 在这个三元复合物中 不能再参与下一轮的转位循环 99 夫西地酸作用示意图 A的位点 P的位点 核糖体沿mRNA转位一个密码距离 EF G P的位点 夫西地酸 100 第六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 101 细胞膜结构示意图 102 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 103 影响细胞膜功能的抑制物范例 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 104 多粘菌素B和多粘菌素E的结构 多粘菌素B多粘菌素E X D 苯丙氨酸 X D 亮氨酸 这些抗生素含有一个环七肽 其上连接有碱性亲水基团及亲脂链 碱性亲水基团 亲脂链 105 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 106 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 107 两性霉素B 亲脂区域 七烯 亲水区域 一系列羟基 本品是从链霉菌 Streptomycesnodosus 的培养液中分离而得的一类多烯类抗真菌药 临床上用于治疗严重的深部真菌引起的内脏或全身感染 毒性较大 108 制菌霉素 亲脂区域 四个共轭双键 丁烯 亲水区域 一系列羟基 它是多烯类抗真菌药 具广谱抗真菌作用 对念珠菌属的抗菌活性高 外用治疗霉菌性阴道炎 109 多烯类抗生素作为抗真菌剂 亲脂区域对膜上的固醇有极高的亲和力 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 110 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 111 1 静态离子传导通道 这类分子能够将其自身插入到细胞膜结构中 形成孔 因而可诱导阳离子从细胞内渗漏 这些抗生素缺乏原核 真核细胞特异性 因而不能用作体内的抗菌药物 112 短杆菌肽A分子作用示意图 两个15肽的短杆菌肽A分子排列形成跨细胞膜孔道 短杆菌肽对某些G 细菌明显 在一些国家作为局部给药使用 数字指示多肽上的15个氨基酸 M 代表金属离子 M 细胞内 细胞外 113 2 动态离子载体 这类分子能够与离子形成复合物 穿过细胞膜 因而可以诱导特异阳离子不正常的跨细胞分布 动态离子载体分为 环缩肽 聚醚类 含铁抗生素 114 a 环缩肽 这类抗生素的典型代表是缬氨霉素 由六个氨基酸和六个羟基酸相互更迭连接成一个环 立体化学构型为D和L构型相互更迭的单位 如此排列形成的空间结构为一个相当刚性的环 酯羰基形成一个内部球形结构 能特异地容纳K 离子 从而能排空细胞内的K 因此干扰了细胞内依赖K 的酶反应 氨基酸 羟基酸 L D D L 115 b 聚醚类 含有四氢呋喃或四氢吡喃环的线性分子 其醚氧原子的排列方式使它们能与K 和Na 形成复合物 这类抗生素的典型代表是莫能星 作为球虫病杀虫剂和动物 鸟类生长促进剂 被广泛使用 116 c 含铁抗生素 去铁胺由链球菌 Streptomycespilosus 的发酵液中提取的天然物 羟肟酸基团与游离或蛋白结合的3价铁 Fe3 和铝 Al3 形成稳定 无毒的水溶性铁胺和铝胺复合物 由尿排出 本品能清除铁蛋白和含铁血黄素中的铁离子 主用于急性铁中毒的解救药 117 第八节抗生素作用的选择性 一个抗生素必须具有选择性作用机制 只能破坏细菌而不破坏宿主细胞 选择性毒性 118 一 选择性的进化基础 抗生素的选择性作用来自于进化过程细胞在不改变基本功能的前体下 其结构与生物学上的变化 从进化上看 可以将生物体细胞分为主要两个大类 原核细胞及真核细胞 119 120 二 原核细胞 真核细胞选择性的细胞和分子基础 与抗生素作用的选择性的因素有关 1 通透性差异 2 抗生素所作用的微生物的基本结构或代谢过程 在动物细胞中不存在 3 在不同种类细胞中结构不同而发挥相同功能的酶 抗生素对这些酶的亲和力不一样 121 通透性差异 通道性差异的产生 主要是因为有些物质需要特异的转运体系才能跨过细胞膜 而这些特异的转运体系 在不同的生物体中可能并不相同 例如四环素对细菌有选择性毒性 因为原核细胞中的主动转运体系能使药物特异地透过细胞 122 2 细菌中特有的基本结构或代谢过程 高等生物体没有 1 细胞壁微生物体与哺乳动物的一个根本性差别在于微生物细胞有细胞壁 刚性外壳 保护细胞抵抗胞内高渗透压而不致破裂 细菌和真菌的细胞壁在化学组成和物理结构上都有根本性差异 有的抗生素特异地抑制细菌细胞壁合成 对真菌 酵母和动物细胞显然没有活性 123 2 细胞膜 不同的生物种类的细胞膜的结构与功能都具有实质性的相似之处 但是 也存在一些小的不同之处 例如 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 多烯类抗生素对真菌细胞膜中的麦角固醇亲和力强 对哺乳动物的细胞膜的胆固醇亲和力弱 细菌细胞膜中不含有固醇 对这些抗生素也就不敏感 124 3 代谢方面 微生物与高等生物体在代谢方面也存明显差别 尤其是许多种类的氨基酸和辅酶只在微生物体和植物体中合成 因而作用于这些生物合成过程的抗生素也会显示选择性作用 磺胺药 甲氧苄啶对人和动物的毒性很小 因为人体可以从植物中摄取二氢叶酸 因此不受磺胺类药物的影响 甲氧苄胺嘧啶对人和动物的二氢叶酸还原酶亲和力比对微生物的亲和力弱10 000 60 000倍 125 3 对酶的亲和力差异 在原核细胞和真核细胞中 有许多在代谢中起相似作用的酶 在结构上可能很不相同 比较典型的例子有RNA聚合酶 在细菌中只有一种 在真核细胞中就有三种 蛋白质合成中的延伸因子 在细菌 真菌 哺乳动物细胞中都不相同 正是这些结构上的差异 有些抗生素对某一类生物体中的酶具有较高的亲和力 但根本不与其他生物体中的酶结合 比如 利福平选择性作用于原核细胞的RNA聚合酶 126 三 抗菌谱差异的细胞及分子基础 不同的抗生素 抗菌谱不同的原因