|
Сазыкин Ю.О., Швец А.В., Иванов В.П. (Москва)
В начало...
Полувековая история науки об антибиотиках включает как накопление данных о механизмах резистентности к ним, так и разработку подробной классификации последних на уровне генома и фенотипа бактерий. Время или очередность открытия основных механизмов резистентности определялось не только их распространенностью, но и большим или меньшим развитием определенных областей биохимии. Так, быстрое открытие ферментативной инактивации антибиотиков обусловлено успехами в формировании энзимологии с ее методами еще в 20-30-е годы; механизмы резистентности к антибиотикам на уровне их мишеней стали известны и объяснимы в результате достигнутой в 50-х годах возможности изучения белкового синтеза в бесклеточных системах. Механизмы резистентности к антибиотикам на уровне оболочки бактериальной клетки стали получать свое конкретное описание гораздо позднее - в 80-90-х годах, ввиду того, что субклеточная организация оболочки в целом, молекулярная организация ее мембранных структур и периплазматического пространства были установлены в основных чертах только к этому времени. Публиковавшиеся ранее разрозненные, хотя и не столь редкие сообщения о слабом накоплении антибиотика в клетках того или иного резистентного штамма фактически еще не касались механизма явления.
Имеющая общебиологическое значение, недавно сформулированная концепция поддержания гомеостаза клетки, в том числе микробной, за счет систем активного выброса чужеродных веществ - ксенобиотиков, оказалась весьма плодотворной в приложении к антибиотикам, позволив раскрыть новые для врачей, но широко распространенные механизмы резистентности, объяснить причины неудач антибиотикотерапии и наметить подходы к созданию способов борьбы с ними [1].
Новый механизм, точнее совокупность новых механизмов резистентности, объясняется значительным повышением в цитоплазматической мембране количества специфических белков, условно именуемых "помпами" (pumps). У грамотрицательных бактерий помпы - они же системы активного выброса более сложны, чем у грамположительных, включая помимо основного белка-транспортера еще, по крайней мере, два белка.
Молекулярная организация и компонентный состав помп грамположительных и грамотрицательных бактерий резко различаются [1, 2]. Если в первом случае помпы, точнее их основной компонент - транспортер, выбрасывают проникающий в цитоплазматическую мембрану ксенобиотик непосредственно в среду, то во втором - транспортер, функционирующий без дополнительных компонентов помпы, выбрасывал бы ксенобиотик лишь в периплазматическое пространство. Это существенно снижало бы эффективность защитной системы. Отсюда наличие у грамотрицательных бактерий трехкомпонентных помп - транспортера, затем пересекающего внешнюю мембрану белка с каналом, через который выбрасываются, то есть возвращаются в среду ксенобиотики (не смешивать такие белки с поринами), и, наконец, линкерного белка, связывающего белок-транспортер с белком-каналообразователем. Линкерный белок располагается в периплазматическом пространстве и играет вспомогательную роль. Таким образом, в собранном виде трехкомпонентные системы активного выброса пересекают обе мембраны и периплазматическое пространство между ними. Нижний вход в канал каналообразующего белка располагается над транспортером. Правильность их взаиморасположения поддерживается линкерным белком (или несколькими его молекулами, как бы окружающими место контакта транспортера и белка-каналообразователя). Аналогичное схематичное построение обнаружено у помп, служащих для выброса эндогенных соединений, включая и внеклеточные ферменты - например, гемолизин, протеазы и пр., необходимые для адаптации микроорганизмов к новым условиях существования. Возможно, что некоторые помпы играют и защитную и физиологическую роль, что отражено и в терминах, введенных в классификацию таких надмолекулярных структур - например, семейство RND белков (Resistance, Nodulation, Division - применительно к Rhizobium [3]) и тому подобные аббревиатуры.
Общеизвестно, что грамотрицательные бактерии в целом более устойчивы, чем грамположительные, к антибактериальным агентам и вообще ксенобиотикам. Это относится прежде всего к липофильным и амфифильным структурам. Исключения здесь довольно редки. Такую "присущую от природы" (intrinsic) относительную резистентность грамотрицательных бактерий к ксенобиотикам принято объяснять наличием в их оболочке дополнительного барьера проницаемости - внешней мембраны, наружная поверхность которой, точнее наружный слой, представлена липополисахаридами, взаиморасположение молекул которых координируется ионами магния. Низкая текучесть наружного слоя уменьшает скорость трансмембранной диффузии липофильных агентов в периплазматическое пространство. В то же время узость формируемых пориновыми белками трансмембранных каналов должна снижать проникновение через нее гидрофильных веществ.
Тем не менее, учитывая соотношение поверхности к объему у бактериальных клеток, выравнивание концентрации ксенобиотиков в среде и в периплазматическом пространстве происходит быстро и измеряется всего лишь десятками секунд. Необходима кооперация разных защитных систем, локализованных в оболочке для того, чтобы вклад внешней мембраны в резистентность был реализован. Одним из примеров кооперативного действия разных механизмов может быть продемонстрированное в 80-е годы расположение в периплазматическом пространстве бета-лактамаз с преимущественным сосредоточением именно под выходами из пориновых каналов, по которым движутся молекулы субстрата.
Аналогично изложенному, сейчас обсуждается возможность упорядоченного расположения помп в оболочке, точнее транспортеров в цитоплазматической мембране - в непосредственной близости от выхода из пориновых каналов в периплазму. Это может быть новым вариантом кооперативного действия разных защитных систем [4, 5].
Выброс ксенобиотика против градиента концентрации требует энергизации мембраны. Работа помп обеспечивается или протон-движущей силой, или гидролизом макроэргических соединений, прежде всего АТФ. Коллапс протонного градиента цитоплазматической мембраны путем обработки клеток классическим используемым для этой цели реагентом - карбонил цианид м-хлорфенилгидразоном (СССР) приводит к резкому повышению аккумуляции антибиотиков в резистентных клетках грамположительных и грамотрицательных бактерий.
Применительно к проблемам химиотерапии обращает на себя внимание прежде всего исключительно широкая специфичность защитных систем активного выброса. Некоторые из них могут выбрасывать из клетки вещества самых отдаленных структур: например, беталактамы, тетрациклины, фторхинолоны, фузидиевую кислоту, красители и т.д. Требования, ограничивающие субстратную специфичность, носят самый общий характер - липофильность и амфифильность субстратов, молекулярная масса в пределах 1500-2000 Да. Следует отметить, что в последние годы получены данные о существовании более редких помп, способных к выбросу и высоко гидрофильных антибиотиков (см.ниже). С другой стороны, разнообразие полученных структур беталактамов столь велико, что можно обнаружить в некоторых случаях избирательность использования их как субстратов отдельными системами активного выброса [1].
Подробно и разносторонне изучаются, в том числе по степени гомологии, опероны, экспрессирующие трехкомпонентные системы активного выброса - применительно к P.aeruginosa это mexA-mexB-OprM, mexC-mexD-OprJ, mexE-mexF-OprN [1, 4]. Применительно к E.coli - acrA-acrB-tolC; применительно к N.gonorrhoeae - mtrC-mtrD-mtrE.
В таблице представлены сведения об известных к настоящему времени системах активного выброса у P.aeruginosa [1, 5]. Системы относятся к RND типу.
| Таблица. Системы активного выброса антибиотиков у P.aeruginosa |
| Транспортер |
Линкер |
Белок, формирующий канал, пересекающий внешнюю мембрану |
Субстраты |
| MexB |
MexA |
OprM |
Тетрациклин, хлорамфеникол, беталактамы (за исключением карбапенемов), фторхинолоны, новобиоцин, эритромицин, фузидиевая кислота, рифапентин |
| MexD |
MexC |
OrpJ |
Тетрациклин, хлорамфеникол, фторхинолоны, четвертая генерация цефемов* (но не обычные беталактамы или карбапенемы) |
| МexF |
MexЕ |
OprN |
Хлорамфеникол, фторхинолоны, карбапенемы (но не обычные беталактамы и не четвертая генерация цефемов) |
Примечание. * Цефалоспорины с аминотиазол-оксимом в положении 7 и положительно заряженным заместителем в положении 3. Устойчивы практически ко всем распространенным до настоящего времени бета-лактамазам.
Далее...
Написать комментарий
|
