Антибиотики подавляют рост микробных популяций, который обусловлен размножением индивидуальных клеток, т. е. дупликацией материала клетки и последующим делением ее на две дочерние клетки. Чтобы антибиотик действовал на микробную клетку, он должен 1) проникнуть в нее, 2) связаться с той или иной субклеточной структурой, участвующей в осуществлении какого-то процесса, необходимого для поддержания жизнеспособности или роста клетки, 3) полностью подавить этот процесс.
На клеточном уровне действие антибиотика может быть

1. бактериостатическим, когда антибиотик блокирует репликацию и деление клеток, не вызьгвая их гибели; клетки сохраняют способность к росту и, если антибиотик удалить, начинают размножаться; 2) бактерицидным, когда в присутствии антибиотика клетки погибают.

Антибиотик может оказывать бактерицидный эффект благодаря тому, что он взаимодействует с субклеточными структурами, необратимо нарушая их целостность или функции, или благодаря тому, что он связывается с ферментом или клеточной структурой, необходимыми для поддержания жизнеспособности клетки, со столь высоким сродством, что связывание является практически необратимым. Антибиотики, обладающие бактерио- статическим действием, связываются с субклеточными структурами, на которые они действуют, с меньшим сродством, так что при удалении антибиотика из среды комплекс антибиотика с этой структурой диссоциирует и последняя снова становится активной.
На молекулярном уровне дупликацию клеток можно разделить на следующие стадии (рис. 3.1).

1. Превращение источников углерода и азота, содержащихся в питательной среде, в ключевые продукты обмена и источники -энергии.
2. Образование мономеров (аминокислот, нуклеотидов, глю- козаминов, триглицеридов и т. д.) и кофакторов.
3. Полимеризация мономеров с образованием макромолекул (белков, нуклеиновых кислот, пептидогликанов).

Рис. 3.1. Перенос вещества, энергии и информации при росте клеток.

4. Интеграция макромолекул с образованием надмолекулярных структур (рибосом, клеточной стенки, плазматической мембраны и т. д.).

В реакциях 2—4 используется энергия, высвобождающаяся на этапе 1. Процесс 3 осуществляется в точном соответствии с закодированными инструкциями, определяющими порядок полимеризации мономеров.
Антибиотики могут подавлять ро-ст клеток, нарушая любой из перечисленных выше процессов. Механизм подавления роста называют механизмом действия антибиотика, в соответствии с которым антибиотики можно разделить на 1) ингибиторы превращения высокомолекулярных источников углерода пли азота в мономеры; 2) ингибиторы полимеризации или образования надмолекулярных структур; 3) ингибиторы энергетического обмена; 4) препараты, влияющие на процесс передачи генетической информации, в результате чего образуются полимеры, которые не соответствуют первоначальной информации, содержавшейся в клетке; 5) антибиотики, взаимодействующие с уже сформированными клеточными мембранами, что приводит к нарушению их проницаемости.
^. ИЗБИРАТЕЛЬНОСТЬ ДЕЙСТВИЯ АНТИБИОТИКОВ
Наука об антибиотиках, по сути дела, является прикладной. Основная ее задача состоит в обнаружении и использовании веществ, способных подавлять рост микроорганизмов, патогенных для человека и высших животных, «о не оказывающих неблагоприятного воздействия на организм хозяина. Следовательно, антибиотики должны обладать избирательным действием лишь на бактериальную клетку, не взаимодействуя с клетками хозяина.

1. ЭВОЛЮЦИОННЫЕ ОСНОВЫ ИЗБИРАТЕЛЬНОСТИ

В основе избирательности действия антибиотиков лежат возникающие в процессе эволюции структурные и биохимические различия между клетками, не затрагивающие их жизненно важных функций. В эволюционном плане можно выделить две главные группы организмов: прокариоты и эукариоты. К прокариотам относятся бактерии и сине-зеленые водоросли. Все другие организмы (дрожжи, грибы, водоросли, простейшие, растения и животные) являются эукариотами. Наиболее важные структурные и биохимические различия между прокариотами 'и эукариотами представлены в табл. 3.1 и на рис. 3.2.
Таблица 3.1. Важнейшие различия между прокариотами и эукариотами, на которых основана избирательность действия антибиотиков
Прокариоты
Ядро
Хромосомы
Митотический аппарат
Плазматическая мембрана Клеточная стенка
Рибосомы
Дыхательные
стемы
Другие оргаиеллы цитоплазмы Осмотическое давление
Истинное ядро, имеющее мембрану Несколько хромосом, состоящих из ДНК и белка
Наличие центриоли и веретена
Наличие стеринов
У животных отсутствует. У водорослей, растений и грибов состоит из простых полисахаридов 80S, за исключением рибосом митохондрий и хло- ропластов Локализованы в специальных органеллах — митохондриях Имеются (например, хлоропласта)
Близко к осмотическому давлению среды
Ядерная мембрана отсутствует
Одна хромосома, состоящая только из ДНК
Отсутствие митотического аппарата; его роль выполняет плазматическая мембрана
Отсутствие стеринов
Обычно сложная структура на основе пептидогликана и необычных аминокислот
70S
Локализованы в плазматической мембране
Отсутствуют
Выше, чем осмотическое давление среды

2. КЛЕТОЧНЫЕ И МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ

ИЗБИРАТЕЛЬНОГО ДЕЙСТВИЯ АНТИБИОТИКОВ НА ПРОКАРИОТ
Почему антибиотики, которые в низких концентрациях эффективно подавляют рост бактериальных клеток, даже в значительно более высоких концентрациях те действуют на клетки животных? Другими словами, каковы клеточные или молекулярные основы избирательности действия антибиотиков?
Антибиотики — очень гетерогенная группа веществ как по структуре, так и по механизму действия. Поэтому можно думать, что их специфичность имеет разные основы. Для объяснения избирательности действия антибиотиков можно предложить три основных типа механизмов: 1) различие в способности проникать в разные организмы; 2) действие на жизненно важные структуры, типичные для микроорганизмов и отсутствующие в клетках животных; 3) раеличие в сродстве антибиотиков к веществам, которые могут играть одинаковую роль ® клетках разного типа, но не идентичны во всех клетках.


Рис. 3.2. Схема ультраструктурной организации клетки эукариот (А) и типичной бактериальной клетки (прокариотической) (Б). 1—цеитриоля, 2 — ядро, 3 — мембрана, 4 — ядрышко, 5—гладкий эндоплазматический ретикулум, 6 — аппарат Гольджи, 7—ядерная мембрана, 8—шероховатый эндоплазмагиче- ский ретикулум, 9— рибосомы, 10— цитоплазма, 11—лизосомы, 12 — митохондрия, 13—пили, 14 — гранулярные включения, 15 — хромосома, 16 — ме- зосома, 17 — капсула, 18 — жгутик, 19 — клеточная стенка.
а.              Различия в проницаемости
Аитибиотик будет активным только в том случае, если его концентрация в клетке достаточна для подавления ее роста. Внутриклеточная концентрация антибиотика в любой данный момент времени является результирующей его скорости поступления из среды внутрь клетки и скорости, с которой он разбавляется в результате деления клеток.
Примером избирательности, основанной на различиях в проницаемости, служит избирательность тетрациклинов. Эти антибиотики, подавляющие синтез белка на рибосомах, имеют примерно одинаковую активность в бесклеточных системах (гомо- генатах), полученных как из бактериальных, так и из животных клеток, но подавляют рост бактериальных клеток и не действуют на клетки животных. Если бактерии могут активно поглощать тетрациклины в концентрации, при которой подавляется рост клеток, то в клетки животных антибиотик поступает только в результате диффузии, и внутриклеточные концентрации никогда не достигают уровня, достаточно высокого для подавления жизнедеятельности.
б.              Субклеточные структуры, необходимые
для жизнедеятельности и роста бактерий,
но отсутствующие в клетках высших животных или наоборот
Существенным различием между бактериальными клетками и клетками высших организмов (в особенности животных) является то, что у бактериальных клеток помимо клеточной мембраны имеется жесткая клеточная стенка, которая защищает бактериальную клетку от разрыва под влиянием высокого внутриклеточного осмотического давления (разд. III этой главы). Если клеточную стенку удалить или сделать ее менее прочной, то под действием внутриклеточного -осмотического давления клетка разрушится и погибнет (способность бактериальных форм существовать в исключительных условиях без клеточной стенки обсуждается в разд. III). У дрожжей и грибов клеточная стенка существенно отличается по химическому составу и молекулярной структуре от клеточной стенки бактерий (разд. III).
Некоторые антибиотики специфически подавляют синтез бактериальной клеточной стенки. Очевидно, что они не должны действовать на дрожжи, грибы и клетки животных.
Клеточные мембраны в основном сходны по структуре и функциям у всех организмов — от бактерий до млекопитающих, хотя у разных групп существуют небольшие различия. Например, мембраны эукариот содержат стерины, неодинаковые у разных организмов и отсутствующие в мембранах бактерий. Не
которые антибиотики взаимодействуют со стеринами клеточных мембран эукариот, вызывая их необратимое повреждение. Поскольку в клеточных мембранах бактерий стерины отсутствуют, они нечувствительны к этим антибиотикам.
в. Разное сродство антибиотиков к структурам,
общим для прокариот и эукариот
Главные метаболические пути и субклеточные структуры (например, рибосомы), характерные для бактерий, свойственны также дрожжам, грибам и клеткам животных. Однако ферменты, катализирующие одни и те же реакции у разных типов организмов, могут иметь небольшие различия в структуре. Эти модификации, приобретенные в процессе эволюции, могут изменять сродство к данному антибиотику. Поэтому для подавления активности фермента в животной клетке могут потребоваться значительно более высокие концентрации антибиотика по сравнению с бактериальной клеткой, и наоборот.
Это наиболее общий тип избирательности, который справедлив почти для всех антибиотиков, подавляющих активность ферментов синтеза белка, РНК-полимеразы и дигидрофолатре- дуктазы.
3. КЛЕТОЧНЫЕ И МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ РАЗЛИЧИЙ
В АНТИБАКТЕРИАЛЬНЫХ СПЕКТРАХ ДЕЙСТВИЯ
Антибиотики различаются по своей активности не только в отношении прокариот и эукариот, но и в отношении разных видав прокариот. Другими словами, они имеют разные антибактериальные спектры действия. Клеточные и молекулярные основы различий антимикробных спектров действия антибиотиков можно разделить на три группы: 1) различия в проницаемости;

2. как наличие, так и отсутствие инактивирующих ферментов;
3. как наличие, так и отсутствие молекулы-мишени.

а.              Различия в проницаемости
Большинство антибиотиков в отличие от веществ, которые клетка узнает как источники питания (сахара, аминокислоты и т. д.), поступает в клетку путем диффузии со скоростью, пропорциональной градиентам концентрации между наружной и внутренней средой клетки и зависящей от физико-химической природы барьера. Барьером являются клеточная мембрана и клеточная стенка. Клеточные мембраны различных бактерий очень близки по структуре и составу, тогда как клеточные Стенки у разных групп бактерий существенно различаются.
Показано, что клеточная стенка играет существенную роль в избирательности действия различных антибиотиков. Клеточ
ные стенки грамотрицательных бактерий обеспечивают большую «устойчивость» к диффузии, чем менее сложные клеточные стенки грамположительных микроорганизмов. Действительно, грамположительные бактерии обычно более чувствительны к антибиотикам, чем грамотрицательные. Считают, что главным барьером для диффузии является наружная мембрана грамотрицательных бактерий.
Можно удалить наружную мембрану грамотрицательных клеток (например, изменяя концентрацию ионов), оставив неизменными пептидогликановый слой и клеточную мембрану. При этом бактерии стано'вятся более чувствительными ко многим антибиотикам. Антибиотик, поступая в клетку, должен проникнуть через липофильную наружную мембрану, гидрофильный пепти- догликан, липофильную клеточную мембрану и наконец попасть в цитоплазму. Диффузия с заметной скоростью может происходить только в том случае, если антибиотик имеет «подходящую» степень липофильности. Если он слишком гидрофилен, он не пройдет через наружную мембрану; е'сли он слишком липофи- лен, он будет концентрироваться в липофильном слое стенки и не будет диффундировать в более гидрофильную цитоплазму.
Если бы iBce антибиотики проникали в клетку путем диффузии, не было бы водорастворимых антибиотиков, которые неспособны пройти через липидный слой. Однако такие антибиотики имеются, например аминогликозиды. Они, вероятно, переносятся в клетку при участии энергозависимого активного механизма, использующего специфические переносчики. Хотя такие переносчики не идентифицированы, наличие активного транспорта подтверждается тем фактом, что при истощении источников энергии транспорт этих антибиотиков снижается и соответственно индуцируется устойчивость.
б.              Наличие инактивирующих ферментов
Отдельные виды бактерий способны синтезировать ферменты, инактивирующие некоторые антибиотики в результате модификации их химической структуры. Это свойство особенно характерно для бактерий рода Pseudomonas, которые благодаря этому (а также из-за плохой проницаемости клеточной мембраны) невосприимчивы к большинству известных антибиотиков. Инактивирующие ферменты, рассматриваемые в гл. 4, включают аце- тилирующие ферменты, фоефорилирующие ферменты и ферменты, расщепляющие пептиды (пептидазы).
в.              Отсутствие молекулы-мишени
Хотя большинство антибактериальных антибиотиков действует на субклеточные структуры, присутствующие у всех видов бактерий, имеется несколько примеров невосприимчивости мик
роорганизмов в результате утраты соответствующей мишени. Наиболее показательным примером такого рода являются микоплазмы— бактерии, лишенные клеточной стенки. Пенициллины и другие р-лактамные антибиотики, пода)вляющие синтез клеточной стенки, не действуют на эти бактерии. Другой антибиотик— бицикломицин— не активен в отношении грамположи- тельиых бактерий, поскольку его действие основано на разрушении наружной мембраны клеточной стенки— структуры, типичной для грамотрицательных бактерий.