抗生素的作用機制

1、1,抗生素如何影響微生物細胞的代謝,(1) 進入細胞并到達作用位點；(2) 物理性地結(jié)合于細胞結(jié)構(gòu)(靶分子)，該細胞結(jié)構(gòu)參與對保持細胞生長或內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定必不可少的某一過程； (3) 抗生素抑制酶的活性或細胞結(jié)構(gòu)功能。,,,,,,,,,,,,,抑制細胞壁的合成,影響胞漿膜的通透性,抑制DNA合成,抑制蛋白質(zhì)合成,抑制RNA合成,影響葉酸代謝,,,,,抗生素的作用機制,抗生素在分子水平上干擾微生物細胞任一基本代謝的某一種機制,3,根據(jù)抗

2、生素干擾代謝過程的不同，抗生素通常分為五大類,(1)細胞壁合成抑制物；(2)遺傳物質(zhì)的復制或轉(zhuǎn)錄抑制物； (3)蛋白質(zhì)合成抑制物；(4)細胞膜功能抑制物；(5)能量代謝系統(tǒng)抑制物或抗代謝物。,4,第一節(jié) 細胞壁合成抑制物,細胞壁的功能和化學結(jié)構(gòu)細胞壁合成不同抗生素的作用原理,5,細胞壁的功能：保持細胞形態(tài)，維持細細胞質(zhì)高滲透壓。細菌細胞壁組成：肽聚糖，菌壁酸或菌壁醛酸，脂多糖，脂蛋白，蛋白質(zhì)，多糖等。肽聚糖是由雙

3、糖單位，四肽尾還有肽橋聚合而成得多層網(wǎng)狀大分子結(jié)構(gòu)，是構(gòu)成細胞壁的骨架。（一）化學結(jié)構(gòu)：1、N-乙酰葡萄糖胺通過β-1,4糖苷鍵與 N-乙酰胞壁酸連接；2、N-乙酰胞壁酸連接四肽尾；3、四肽尾將單體連接為復合體。,一、細胞壁的功能和化學結(jié)構(gòu),6,肽聚糖的結(jié)構(gòu),N-乙酰葡萄糖胺(G),N-乙酰胞壁酸(M),,,,,,,,,7,（二）生物合成1、肽多糖前體基本單元UDP-胞壁酰五肽的合成，在細胞質(zhì)中進行；2、十一聚異

4、戊二烯磷酸替換UDP，形成N-乙酰氨基葡萄糖-N-乙酰胞壁酸-五肽單體，在細胞膜中進行；3、肽聚糖鏈的組裝及三維結(jié)構(gòu)的構(gòu)建，在細胞膜外進行。,8,UDP－胞壁酰五肽形成示意圖,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,胞漿,9,大腸桿菌肽聚糖的結(jié)構(gòu),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階段：磷霉素，環(huán)線酸氨等；2、作用于肽聚糖合成的第二階段；萬

5、古霉素，瑞斯妥菌素，桿菌肽等；3、作用于肽聚糖合成的第三階段：青霉素，頭胞菌素類等。,11,,丙酮酰轉(zhuǎn)移酶,磷霉素,,,環(huán)絲氨酸,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圖,,12,青霉素和D－Ala－D－Ala二肽的結(jié)構(gòu)構(gòu)象,,青霉素,青霉素結(jié)合蛋白（PBPs，轉(zhuǎn)肽酶）,胞壁酸,,,,,?-內(nèi)酰胺類作用機制,14,作用機制（一）,15,第二節(jié) 核酸復制與轉(zhuǎn)錄抑制物,DNA合成DNA復制RNA

6、轉(zhuǎn)錄,DNA復制,16,前導鏈,滯后鏈,DNA在復制時，其雙鏈首先解開，形成復制叉，而復制叉的形成則是由多種蛋白質(zhì)及酶參與的較復雜的復制過程。 前導鏈與后隨鏈的差別在于前者從復制起始點開始按5’—3’持續(xù)的合成下去，不形成岡崎片段，后者則隨著復制叉的出現(xiàn)，不斷合成長約2—3kb的岡崎片段。,單鏈DNA結(jié)合蛋白,DNA解旋酶,大腸桿菌中的Dna蛋白,17,18,復制和轉(zhuǎn)錄抑制物,復制和轉(zhuǎn)錄抑制物分為兩類：前體類似物，抑制前體

7、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機制,DNA聚合酶,RNA聚合酶,解旋酶,,,,,,,20,絲裂霉素,絲裂霉素為細胞毒藥物，在DNA的兩條鏈之間形成共價鍵，使雙鏈不能分開。這種作用效應(yīng)是不可逆的，具殺菌作用。但是由于缺乏選擇性，其毒性很大，不能用作抗微生物劑，但作為抗腫瘤劑。,,21,博來霉素,博來霉素是DNA損傷劑，既能在單鏈又能在雙鏈DN

8、A上產(chǎn)生多個斷點，并釋放出單個核苷酸。這類抗生素僅用于某些種類的腫瘤。,22,利福霉素,利福霉素與RNA聚合酶β亞基形成實際上不可逆的復合物。利福霉素是唯一的商業(yè)上上投入生產(chǎn)的安莎霉素，特別是利福平，在臨床上廣泛用作抗結(jié)核和抗葡萄球菌劑。,23,作用機制（二）,24,第三節(jié) 蛋白質(zhì)合成抑制物,通過蛋白質(zhì)合成過程，遺傳信息被轉(zhuǎn)譯出來。蛋白質(zhì)合成，就是根據(jù)mRNA上的核苷酸三聯(lián)體順序決定的序列，將不同的氨基酸聚合。這些核苷酸順序，同

9、樣是由特異DNA區(qū)段上的脫氧核苷酸順序決定的。,25,（一）蛋白質(zhì)的生物合成：原核生物： 核糖核蛋白體 50s+30s→70s；50s由（23sRNA+5sRNA+34種蛋白質(zhì)）組成；30s由（16sRNA+10種以上蛋白質(zhì)）組成。真核生物： 核糖核蛋白體 60s+40s→80s；起始密碼AUG，GUG。,26,一、蛋白質(zhì)合成的幾個階段,蛋白質(zhì)合成分為兩個主要過程：氨基酸激活和鑒別；核糖體循環(huán)。,27,1．氨基酸的

10、激活與鑒別,每一種氨基酸在特異的氨酰tRNA合成酶催化下，其羧基與特異tRNA末端核苷酸的羥基形成酯鍵。氨基酸被激活和連接在合適的tRNA上被鑒別，這個過程稱為tRNA“加載”。攜帶有氨基酸的tRNA分子稱為氨酰tRNA。在細菌中，甲硫氨酰tRNAmet的氨基酸的氨基被甲?；?，并作為聚合過程的起始物(tRNA起始物)。,28,2．原核細胞中的核糖體循環(huán),1）起始階段2）延伸階段 3）終止階段,29,1）起始階段,mRNA上S

11、D序列結(jié)合在核糖體30S亞基上的16S rRNA上，然后與tRNA起始物結(jié)合，tRNA定位在起始密碼子AUG上，形成一個三元復合物。三種蛋白質(zhì)，起始因子IF1、IF2、IF3，參與并保證三元復合物正確無誤地形成。50S亞基結(jié)合到三元復合物，就形成了包含有一個完整核糖體的復合物。tRNA起始物和相應(yīng)的三聯(lián)體定位在核糖體的被稱為P的位點(新生肽鏈位點)。,30,31,2）延伸階段,在核糖體被稱為A的位點，即氨酰tRNA位點，在延伸因子EF

12、-Tu和EF-Ts的作用下，新的氨酰tRNA定位在鄰近起始三聯(lián)體的三聯(lián)體上。50S核糖體亞基上的具有酶活性的組份，肽酰轉(zhuǎn)移酶，催化甲酰甲硫氨酸(或后繼的肽酰鏈)轉(zhuǎn)移至占據(jù)位點的氨酰tRNA上的氨基，形成一個二肽酰tRNA。在另外一個蛋白質(zhì)因子，EF-G作用下，核糖體沿mRNA轉(zhuǎn)位一個密碼(三個堿基)距離，結(jié)果二肽酰tRNA從A位點移依至P位點，空載的tRNA便被釋放出來。這－過程循環(huán)重復，通過每次在多肽鏈的末端羧基上增加一個氨基酸

13、殘基，多肽鏈逐漸延伸。,32,33,3）終止階段,肽鏈延伸一直進行，當核糖體在mRNA上到達一個特異三聯(lián)體(UAA、UAG或UGA)，即終止信號時，延伸階段就結(jié)束。此時肽酰tRNA、核糖體和mRNA的三元復合物解離。其組成成分可以重新組裝，并開始新鏈的合成。終止過程由特異蛋白質(zhì)即終止因子RF1、RF2、和RF3促成。,34,35,二、蛋白質(zhì)合成抑制物范例,根據(jù)抗生素作用的位點，可以將它們分為三種：1. 氨酰tRNA形成抑制物2

14、. 核糖體功能抑制物3. 核糖體外的因子抑制物,36,木比洛菌素,木比洛菌素競爭性抑制異亮氨酰tRNA合成酶。作用于G＋細菌，抑菌作用。由于木比洛菌素的親脂性，妨礙了它透過外膜孔，所以對G－細菌缺乏有效性。木比洛菌素的作用具有選擇性及無毒性，但是體內(nèi)給藥時，很快被代謝為無活性的形式，所以只能局部給藥。,37,鏈霉素,鏈霉素是殺菌抗生素，能不可逆地與核糖體30S亞基上的一個位點結(jié)合，導致A位點的破壞，阻止了氨酰tRNA正確定位，尤其是

15、妨礙了甲硫氨酰tRNAmet的結(jié)合，從而阻止了轉(zhuǎn)錄的起始。,38,慶大霉素,慶大霉素屬于氨基糖苷類抗生素。這類抗生素有妥布霉素、卡那霉素、阿米卡星、西索米星等。這些抗生素是殺菌作用，很可能是因為它們對靶子的親和力極高。它們對30S亞基顯了最高的親和力，但作用位點并不同于鏈霉素，它們主要抑制轉(zhuǎn)位。,39,鏈霉素和慶大霉素作用示意圖,A的位點,P的位點,核糖體沿mRNA轉(zhuǎn)位一個密碼距離,P的位點,,,,,慶大霉素,抑制轉(zhuǎn)位,鏈霉素,,4

16、0,四環(huán)素類,四環(huán)素和16SrRNA上靠近與氨酰tRNA連接的區(qū)域形成可逆復合物。,41,紅霉素,紅霉素屬于大環(huán)內(nèi)酯類抗生素。紅霉素與50S亞基結(jié)合，選擇性地抑制原核細胞蛋白質(zhì)合成。紅霉素與23SrRNA的特異區(qū)域直接結(jié)合，所導致的結(jié)構(gòu)破壞效應(yīng)，似乎使肽酰tRNA從核糖體上較早地解離。,42,氯霉素作用示意圖,A的位點,P的位點,肽酰轉(zhuǎn)移酶,,P的位點,氯霉素,,50S亞基,作用于50S亞基，抑制肽酰轉(zhuǎn)移反應(yīng)。,43,作用機制（三）

17、,44,第四節(jié) 細胞膜功能抑制物,原核細胞及真核細胞都有一層細胞膜包裹著，它控制著細胞內(nèi)外物質(zhì)的雙向流動，起到屏障作用，并具有識別和傳遞信息的功能。,45,細胞膜結(jié)構(gòu)示意圖,46,不同種屬細胞膜的差異,不同種類生物體，細胞膜在化學上和結(jié)構(gòu)上都有相當?shù)南嗨菩?。細菌細胞膜中不含有固醇。真菌的細胞膜主要含有麥角固醇。哺乳動物的細胞膜上主要含有膽固醇。這些抗生素的選擇性一般較差，對細菌及真核細胞都有作用。因為不同種類生物體，細胞膜在化

18、學上和結(jié)構(gòu)上都有相當?shù)南嗨菩?。由于這類抗生素缺乏專一性，通常毒性特別大，不能體內(nèi)給藥，只能限制在局部用藥。,47,影響細胞膜功能的抑制物,１．破壞膜結(jié)構(gòu)的物質(zhì) 破壞細胞膜超分子結(jié)構(gòu)，因而造成細胞內(nèi)成分流失的化合物。２．離子載體 作為特異離子運載體(稱為離子通道)，使某些離子產(chǎn)生不正常的積累或排出的化合物。,48,多粘菌素,多粘菌素（polymyxin）是發(fā)現(xiàn)于多粘桿菌（Bacillus polymyxa）培養(yǎng)液中的抗菌

19、性多肽，有A、B、C、D、E等五種。該家族抗生素的親水基團與磷脂上的磷酸基形成復合物，而親脂鏈可以插入脂肪鏈之間，因而解聚細胞膜結(jié)構(gòu)。抗菌譜相互類似而范圍寬廣，特別對革蘭氏陰性細菌作用頗強，毒性較弱；很可能因為它們對外膜的親相力高于細胞質(zhì)膜?？诜r不能吸收，,49,多烯類抗生素,這類物質(zhì)的結(jié)構(gòu)特點是一條親脂鏈通過內(nèi)酯鍵閉合成環(huán)。鏈上有一個親脂區(qū)域和一個親水區(qū)域。,親脂區(qū)域?qū)δど系墓檀加袠O高的親和力，與組成真菌細胞膜的麥角固醇結(jié)合，破壞

20、膜的功能。多烯類抗生素對麥角固醇(真菌細胞膜上的固醇)的親和力比膽固醇(動物細胞膜上的固醇) 高，因而作為抗真菌劑。,50,２．離子載體,這類抗生素作為離子載體，與陽離子形成脂溶性復合物，或者形成親脂性細胞膜的孔，使得陽離子能通過細胞膜。后果是：①細胞內(nèi)積累陽離子；②陽離子不正常流失；③環(huán)境中的陽離子被螯合，使得細胞無法利用它們。,51,作用機制（四）,第五節(jié) 能量代謝系統(tǒng)抑制物,1、呼吸鏈電子傳遞抑制劑，抗霉素A ； 2、將電子

21、傳遞與磷酸化的偶聯(lián)拆開的解偶聯(lián)劑； 3、抑制由高能中間體化合物向ATP轉(zhuǎn)移能量的化合物。 短桿菌肽S與纈霉素：會出現(xiàn)可進行呼吸，但卻不能生產(chǎn)ATP的情況。這類抑制劑是通過增加一價離子的通透性而破環(huán)氧化磷酸化作用。,第六節(jié) 抗生素的協(xié)同作用,抗生素合用意義：擴大抗菌譜，增強抗菌力，防止或延緩耐藥菌的產(chǎn)生，減輕副作用等。如：1、青霉素與鏈霉素的合劑：既抗G+又抗G-，擴大了抗菌譜。,2、四環(huán)素與制霉菌素合用，可防止細菌感染與白色