Пенициллин — это антибиотик из группы β-лактамов, который специфически действует на бактерии, нарушая синтез их клеточной стенки. Основной мишенью для пенициллина являются ферменты, известные как пенициллин-связывающие белки (ПСБ), которые участвуют в образовании и поддержании структуры клеточной стенки. Механизм действия пенициллина на бактерии 1. Связывание с пенициллин-связывающими белками (ПСБ): - Пенициллин взаимодействует с ферментами, необходимыми для формирования пептидогликана — основного компонента клеточной стенки бактерий. В частности, пенициллин нацелен на ПСБ, такие как транспептидазы, которые катализируют образование поперечных связей между цепями пептидогликана. - В молекуле пенициллина присутствует β-лактамное кольцо, которое структурно схоже с Dаланил-D-аланином — аминокислотной последовательностью, находящейся в цепи пептидогликана. Поэтому β-лактамное кольцо пенициллина действует как «ложный субстрат» для ПСБ, что позволяет пенициллину связываться с активным центром этих ферментов. 2. Ингибирование фермента транспептидазы: - Транспептидазы — ферменты, участвующие в создании поперечных связей между цепочками пептидогликана, что стабилизирует структуру клеточной стенки. - Пенициллин ковалентно связывается с сериновой остатком активного центра транспептидазы, образуя устойчивую связь с ферментом и блокируя его активность. Это реакция ковалентного ациллирования: Пенициллин + Транспептидаза rightarrow Комплекс «Пенициллин-Транспептидаза» - В результате этой реакции пенициллин необратимо блокирует активный центр транспептидазы, предотвращая образование поперечных связей между гликановыми цепями в пептидогликане. 3. Нарушение синтеза клеточной стенки: - Из-за блокировки транспептидазы клеточная стенка бактерии не может быть правильно сформирована. В новых клетках, находящихся в процессе деления, происходит накапливание неполных и дефектных цепей пептидогликана. - В отсутствие поперечных связей клеточная стенка становится слабой и не способной выдерживать осмотическое давление. 4. Осмотический лизис: - У большинства бактерий осмотическое давление внутри клетки намного выше, чем снаружи. При ослаблении клеточной стенки бактерия больше не способна противостоять этому давлению, и вода начинает проникать внутрь клетки. - Из-за повышенного осмотического давления клетка увеличивается в объеме и разрывается, что приводит к лизису и гибели бактерии. Химическая реакция блокады транспептидазы В химическом плане действие пенициллина можно описать следующим образом: - Механизм основан на реакции β-лактамного кольца пенициллина с сериновой группой в активном центре транспептидазы: Транспептидаза-OH + Пенициллин rightarrow Транспептидаза-O-Пенициллин + H_2O - Образуется ковалентная связь между сериновой гидроксильной группой фермента и карбонильной группой β-лактамного кольца пенициллина, что «заклинивает» фермент, делая его неактивным. Причины специфичности и эффективности пенициллина 1. Специфичность к бактериям: - Пенициллин действует исключительно на бактерии, потому что клетки человека не имеют клеточной стенки с пептидогликаном и не используют ПСБ для создания поперечных связей в клеточных структурах. 2. Эффективность против делящихся клеток: - Пенициллин наиболее эффективен против активно делящихся клеток, так как в этот период клеткам требуется синтез новых структур клеточной стенки. 3. Устойчивость бактерий: - Некоторые бактерии производят фермент β-лактамазу, который разрывает β-лактамное кольцо пенициллина, инактивируя его. Для борьбы с этим феноменом были разработаны β-лактамные антибиотики, устойчивые к действию β-лактамаз, такие как оксациллин и амоксициллин. Пенициллин и его производные играют важную роль в лечении бактериальных инфекций, однако из-за развития устойчивости к ним постоянно ведутся исследования новых антибиотиков и комбинированных препаратов. Понял, давай разберем это подробнее. Транспептидаза действительно связывает конкретные участки пептидогликана, и эти связи образуются между пептидными цепочками, прикрепленными к полисахаридам клеточной стенки. В пептидогликане грамположительных и грамотрицательных бактерий эти связи работают одинаково, хотя структуры могут немного отличаться. Как формируется пептидная связь транспептидазой Структура пептидогликана 1. Основные компоненты: - Пептидогликан состоит из длинных полисахаридных цепей, состоящих из повторяющихся единиц N-ацетилглюкозамина (NAG) и N-ацетилмурамовой кислоты (NAM). - К каждой молекуле NAM прикреплена короткая пептидная цепочка из аминокислот (чаще всего четырех или пяти), которая включает конечный дипептид D-аланил-D-аланин. 2. Поперечные связи между пептидными цепями: - Каждая пептидная цепь, связанная с NAM, обычно содержит: - L-аланин - D-глутаминовую кислоту - L-лизин (или мезо-диаминопимелиновую кислоту, особенно у грамотрицательных бактерий) - D-аланин (и второй D-аланин на конце). 3. Связывание через транспептидазу: - Транспептидаза катализирует образование ковалентной связи между аминогруппой одной пептидной цепи и карбоксильной группой другой. - Обычный механизм такой: аминогруппа бокового остатка аминокислоты (например, L-лизина) на одной пептидной цепи присоединяется к карбоксильной группе терминального D-аланина на другой пептидной цепи. Механизм действия транспептидазы 1. Удаление терминального D-аланина: - Транспептидаза сначала расщепляет связь между двумя конечными D-аланинами в пептидной цепочке, прикрепленной к NAM, удаляя один из них. Это высвобождает карбоксильную группу на оставшемся D-аланине и подготавливает её к реакции. 2. Формирование поперечной связи: - После этого транспептидаза создает ковалентную связь между: - Карбоксильной группой D-аланина на одной пептидной цепи - И аминогруппой бокового остатка (например, на L-лизине) соседней пептидной цепи. - Этот процесс называется транспептидированием, и именно здесь образуется поперечная связь между полисахаридными цепями пептидогликана. 3. Закрепление структуры: - После того как поперечная связь установлена, транспептидаза освобождается и может катализировать новую реакцию. Связанные таким образом цепи образуют прочную сетчатую структуру, которая укрепляет клеточную стенку и помогает бактерии выдерживать высокое осмотическое давление. Пример реакции транспептидирования Чтобы упростить, представим это так: - Пептид 1 (на первой цепи пептидогликана) имеет последовательность: L-аланин — D-глутамат — L-лизин — D-аланин — D-аланин. - Пептид 2 (на соседней цепи пептидогликана) также имеет D-аланил-D-аланин в конце. Транспептидаза разрывает связь между двумя D-аланинами на Пептиде 1, оставляя D-аланин с карбоксильной группой. Затем она формирует ковалентную связь между карбоксильной группой этого D-аланина и аминогруппой бокового L-лизина на Пептиде 2. Итог Таким образом, транспептидаза создает поперечные связи между пептидными цепями, расположенными на разных цепях пептидогликана. Эти поперечные связи, связывая пептидные цепи, стабилизируют клеточную стенку и придают ей прочность.
