Инхибитори на синтезата на бактериалната клетъчна стена

Бактериите се класифицират като Грам-положителни или Грам-отрицателни микроорганизми въз основа на специфичното оцветяване на клетъчните им стени по метода на Грам. Грам-положителните бактерии притежават клетъчна обвивка, изградена от два слоя - клетъчна стена от пептидогликан и подлежаща цитоплазмена мембрана. При Грам-отрицателните представители клетъчната обвивка включва три слоя - външна мембрана, пептидогликанен слой и цитоплазмена мембрана, като първите два слоя се обединяват в клетъчна стена.

Основният полимер на клетъчните стени на Грам-положителните видове (еубактерии) е пептидогликанът (муреин). Той е съставен от дълги гликанни вериги, които се свързват помежду си чрез къси странични олигопептидни вериги. Прекурсорите на пептидогликанния слой се образуват в цитоплазмата на бактериалната клетка, след което преминават през цитоплазмената мембрана и се включват в нарастващата пептидогликанна молекула. Този процес протича в три основни етапа.

1. Първият етап се реализира в цитоплазмата, където се синтезират нискомолекулни прекурсори - UDP-GlcAc и UDP-MurNAc-L-Ala-D-Glu-meso-Dap-D-Ala-D-Ala.

2. Вторият етап на синтезата на клетъчната стена се катализира от мембранно свързани ензими. Прекурсорните молекули се пренасят последователно до носител в цитоплазмената мембрана, който представлява фосфорилиран недекапренилов алкохол. Липидният носител функционира като точка на прикрепване към мембраната за прекурсорите и позволява транспортирането на субединиците през хидрофобния слой на цитоплазмената мембрана към външната повърхност.

3. Третият етап на синтезата на клетъчната стена включва полимеризация на субединиците и прикрепване на възникващия пептидогликан към клетъчната стена. Полимеризацията протича чрез прехвърляне на новата пептидогликанна верига от нейния носител в мембраната към нередуциращия N-ацетилглюкозамин на новия захариден пептид, който е прикрепен към мембраната. Новата пептидогликанна молекула се прикрепя към съществуващата пептидогликан на клетъчната стена чрез транспептидазна реакция, катализирана от транспептидази - ензими, осъществяващи напречното свързване на олигопептидните вериги в пептидогликана.

Различните етапи, през които протича този процес, могат да бъдат инхибирани (потиснати) от антибактериални препарати, сред които с най-голямо значение за медицинската практика са бета-лактамните и гликопептидните антибиотици.

Инхибитори на синтезата на бактериалната клетъчна стена - бета-лактамни антибиотици

Бета-лактамите са голяма група от противобактериални съединения с бактерициден ефект. Първият открит антибиотик от тази група е пеницилинът, които представлява биосинтетичен продукт, получен от плесента Penicillium notatum. В медицинската практика днес се използват над 40 вида бета-лактамни съединения, които съставляват до 2/3 от всички антибактериални агенти. Химичната структура на всички представители на тази група се характеризира с наличие на бета-лактамен пръстен, който инактивира необратимо важни бактериални ензими, отговорни за реализирането на третия етап от синтезата на пептидогликана. Тези ензими са известни като пеницилин свързващи протеини (ПСП), сред които основен е транспептидазата. Блокирането им води до натрупване на пептидогликанни субединици в цитоплазмата, които активират разграждащи ги ензими (муреин-хидролази), а това в последствие води и до загиване на бактериалната клетка.

Важни условия, на които трябва да отговарят бета-лактамите, за да осъществят антибактериалния си ефект са: да проникват през бактериалната външна мембрана; да имат висок афинитет към ПСП; висока устойчивост спрямо дезактивиращите ги ензими (бета-лактамази).

Бета-лактамните антибактериални средства включват:

• пеницилини;
• цефалоспорини;
• карбапенеми;
• монобактами;
• карбацефеми;
• инхибитори на бета-лактамазите.

1. Пеницилините са биосинтетични и полусинтетични производни на 6-аминопеницилиновата киселина. Представители на биосинтетичните пеницилини са бензилпеницилин (Пеницилин-G) и феноксиметилпеницилин (Пеницилин-V). Те имат тесен спектър на действие - активни са предимно срещу Грам-положителни бактерии, и към определени Грам-негативни представители - найсерии и спирохети. Характерен недостатък на биосинтетичните пеницилини е високата им чувствителност към редица бета-лактамази. Използват се за лечение на инфекции, причинени от стрептококи, пневмококи, менингококи, клостридии, при сифилис, гонорея,  и др.

Към полусинтетичните пеницилини принадлежат:

• пеницилиназа-усточиви пеницилини - изоксазолил пеницилини (оксацилин, клоксацини, флуклоксацилин), метицили и др., които се използва предимно при лечението на стафилококови инфекции;
• аминопеницилини - ампицилин, амоксицилин, бакампицилин, са с широк спектър на действие (активни срещу Грам-положителни и Грам-отрицателни бактерии), но проявяват чувствителност към бета-лактамази;
• уреидопеницилини - азлоцилин, пиперацилин, мезлоцилин - широкоспектърни и чувствителни към бета-лактамзи;
• карбоксипеницилини - карбеницилин, карфецилин, тикарцили, темоцилин - също са с широк спектър на антибактериална активност и чувствителност на бета-лактамазни ензими.

Полусинтетичните пеницилини се използват за лечение на дихателни, урологични, кожни и други инфекции. Уреидо- и карбоксипеницилините има изразена активност срещу псевдомонади (P. aeruginosa).

2. Цефалоспорините са едни от основните инхибитори на синтезата на бактериалната клетъчна стена, които намират широко приложение в медицинската практика. Те са производни на 7-аминоцефалоспорановата киселина, чиито полусинтетични производни намират клинично приложени. Използват се за лечение на респираторни, пикочни инфекции, а някои представители и при менингити, сепсис, остеомиелит, инфекции на кожа и коремна кухина. Те са подредени в четири генерации:

I-ва генерация цефалоспорини се характеризира с висока активност предимно към Грам-положителни бактерии, докато към Грам-отрицателните ефективността е ограничена. Те се инактивират от бета-лакалаза продуциращи микроорганизми. Към тази генерация се причисляват следните представители: цефазоли, цефалексин, цефадроксил, цефапирин и др.

II-ра генерация цефалоспорини има висока антибактериална активност към Грам-отрицателни представители и ограничен ефект срещу Грам-положителните. Тук са включени цефуруксим, цефамандол, цефокситин, цефотетам и др. От тази генерация устойчиви на бактериалните бета-лактамази са цефокситин и цефотетам. Цефокситин има добра активност и спрямо анаеробни микроби.

III-та генерация цефалоспорини се характеризира с широк спектър на действие с предилекция към Грам-отрицателни бактерии, вкл. псевдомонади. Влизат в съображение при лечение на тежи и усложнени инфекции на дихателна и отделителна система, бактериални менингити, сепсис и др. Представители на тази генерация цефалоспорини са цефтриаксон, цефотаксим, цефтазидим, цефтибутен, цефподиксим и др. Тези препарати са устойчиви на бета-лактамази.

IV-та генерация цефалоспорини включва два полусинтетични антибиотика - цефепим и цефпиром. Те притежава характеристиките на представителите от III генерация, но с разширена активност срещу стафилококи, ентерококи и други Грам-позитивни бактерии.

3. Карбапенемите са широкоспектърни антибиотици, които са ефективни срещу Грам-положителни, Грам-отрицателни аеробни и анаеробни микроорганизми, в това число и срещу псевдомонади и ацинетобактер. Представители на тези бета-лактами са имипенем, меропенем, биапенем, които са устойчиви на бета-лактамазите. Те се прилагат за лечение на инфекции, причинени от полирезистентни бактериални щамове, сепсис, ендокардит, перитонит, медиастинити и др.

4. Монобактамите - азтреонам, карумонам, пиразмонам, глоксимонам, тигемонам, са активни единствено към Грам-отрицателни бактерии, вкл. и псевдомонади. Те се инактивират от бета-лактамази. Използват се за лечение на уроинфекции, сепсис и др.

5. Карбацефемите с основен представител лоракарбеф са широкоспектърни антибиотици, които не се инактивират от бактериалните бета-лактамази. Влизат в съображение при лечение на инфекциозни заболявания на дихателна и отделителна система, кожа, меки тъкани и др.

6. Инхибиторите на бета-лактамазите представляват β-лактамни антибиотици със слаба антибактериална активност, но с инактивиращ ефект спрямо произвежданите от резистентните бактериите ензими - β-лактамази. Първият открит представите на тази група препарати е клавулоновата киселина, която е биосинтетичен продукт на Streptomyces clavulingerus. По-късно са открити и други бета-лактамазни инхибитори - сулбактам, тазобактам, бробактам и др. Откриването на тези субстанции е един от основните методи за борба с бета-лактамазната резистентност на редица бактериални представители. Комбинирането им с бета-лактамни антибиотици е предпочитана терапевтична стратегия за терапия на инфекции, дължащи се на бета-лактамаза продуциращи бактерии. Често използвани комбинации са: клавулонова киселина с амоксицилин (Аугментин), сулбактам с цефоперазон (Сулперазон), тазобактам с пиперацилин (Тазобакт). Клавулоновата киселина, сулбактам и тазобактам са необратими инхибитори на множество бета-лактамази и комбинациите им с β-лактамни антибиотици са ефективни срещу редица резистентни бактерии - S. aureus (изключват се метицилин резистентните щамове), гонококи, хемофилни бактерии, представители на род Bacteroides, род Enterobacteriaceae.

Бета-лактамните антибиотици не са токсични за клетките на макроорганизма, тъй като в тях не се открива пептидогликан, чиято синтеза бива атакувана от противомикробните агенти. Срещи тях може да се развият реакции на свръхчувствителност - кожен обрив, анафилактичен шок, оток на ларинкса.

Инхибитори на синтезата на бактериалната клетъчна стена - гликопептидни антибиотици

Към групата на гликопептидните антибиотици се отнасят ванкомицин, тейкопланин, телаванцин. Ванкомицин представлява комплекс от четири, а тейкопланин - от пер различни биологично активни вещества, които са близкородствени по химична структура. Те инхибират по-ранен етап от синтезата на пептидогликана, като се свързват към D-аланил-D-аланин края на пептидните вериги и препятстват включването му в новообразуващия се пептидогликан. Гликопептидните антибиотици са с тесен спектър на действие - проявяват бактерицидна активност само срещу Грам-положителни бактерии - стафилококи (вкл. метицилин резистентни щамове, MRSA), стрептококи, ентерококи, коринебактерии, клостридии и др. Използвате се предимно за лечение на инфекции, дължащи се на MRSA, резистентни на бета-лактами и аминогликозиди ентерококи, при пациенти, алергични към пеницилини, със стафилококови и стрептококови инфекции (ендокардит, сепсис, остеомиелит и др.), дифтериини заболявания, псевдомембранозен колит (причинител C. defficile) и т.н. Тейкопланин е с по-добра ефективност и фармакологични показатели, както и по-слабо изразена токсичност спрямо ванкомицин.

Важно е да се отбележат и сериозните странични ефекти, които причиняват гликопептидните антибиотици - нефро- и ототоксичност, неутропения, реакции на свръхчувствителност.

Други инхибитори на синтезата на бактериалната клетъчна стена

Тук се отнасят антибактериални лекарствени средства като циклозерин, фосфомицин и бацитрацин. Тези препарати потискат по-ранни етапи от пептидогликанния синтез. D-циклозерин инхибира два ензима, участващи в прекурсорния синтез, предотвратявайки превръщането на L-аланин в D-аланин чрез ензима рацемаза и формирането на терминалния D-аланил-D-аланин на пептидните вериги чрез D-Ala-лигаза.

UTP и N-ацетилглюкозамин а-1-Р се превръщат в UDP-N-ацетилглюкозамин, който впоследствие се трансформира от ензима фосфоенолпируват: UDP-GlcNAc-3-енол-пирувилтрансфераза. Фосфомицините блокират този трансфер чрез директна нуклеофилна атака върху ензима. Ензимите в клетките на бозайниците като енолаза, пируват киназа и карбоксикинази не се инхибират от тези съединения, поради което фосфомицините нямат негативен ефект върху гостоприемника.

Бацитрацин представлява пептиден антибиотик, който взаимодейства специфично с пирофосфатния дериват на недекапрениловия алкохол, предотвратявайки по-нататъшно прехвърляне на мурамилпентапептида от прекурсорния нуклеотид към нарастващия пептидогликан.