Пенициллины

Бактерии резко отличаются от всех живых организмов нео­бычным химическим составом клеточных стенок (разд. 5.3). Самый характерный компонент бактериальной стенки ацетил- мурамовая кислота (5.9) связана с полипептидами типа (5.10).

а) 6-Аминопенициллановая нислота (R“H) Пеницилл овые нислоты

б) Бензилпенициллин (R^CeHsCHjCO —) (13.5)

(13.4)

Для бактерий характерно необычайно высокое внутреннее давление. Пенициллин поражает бактерии в фазе роста, ослаб­ляя их клеточные стенки, которые не выдерживают высокого давления и разрываются. Однако разрыва клеточных стенок бактерий не происходит, если их поместить в среду с высоким осмотическим давлением (например, в 0,3 М раствор сахаро­

зы). Механизм лизиса бактерий детально изучен на Е.соК [Lederberg] ,1957] и подтвержден на других микроорганизмах. Разрушению^ клеточных стенок бактерий под действием пени­циллина поможет, по-видимому, и фермент мукопептидаза, име­ющийся почти у всех видов бактерий. Если биосинтез этого фермента подавлен левомицетином, эффективность пенициллина оказывается заметно сниженной [Rogers, 1967].

Циклосерин (5.11) (разд. 9.4.3), ванкомицин и бацитрацин, а также многие другие химические соединения, структурно близ­кие пенициллину и вмешивающиеся в процессы синтеза компо­нентов клеточных оболочек, рассматриваются в разд. 13.2.

Целый ряд пенициллинов можно выделить из культуральной среды, в которой выращивается активный штамм Penicillum notatum (разд.

Первые работы с пенициллином были осложнены легкостью его гидролиза под действием щелочей, двухвалентных ионов ме­ди или ^-лактамазы (обычно называемой пенициллазой) с образованием пеницилловой (13.5), пенициллановой кислот и пеницилламина (11.26). Биосинтез пенициллина в природе осуществляется конденсацией 6-пеницилламина, D-валина и фенилуксусной кислоты. Благодаря наличию в молекуле четы­рехчленного лактамного кольца пенициллин представляет со­бой активный ацилирующий агент специфического действия. Лактамный цикл легко размыкается по связи С₇-—Ni [Johnsto­ne, Woodward, Robinson, 1949]. По данным рентгеноструктурно­го анализа установлено, что два цикла в молекуле пенициллина расположены почти под прямым углом друг к другу. Тем не менее в настоящее время известно, что напряженность скелета и отсутствие сопряжения в молекулах пенициллина и цефало- спорина ранее переоценивались [Proctor, Gensmamtel, Page, 1982].

Изучение инактивации бензилпенициллина показало, что он преимущественно ацилирует [Раминомеркаптаны, в меньшей степени другие амины и не ацилирует совсем другие меркапта­ны. На формуле (13.6) представлен продукт ацилирования ^-меркаптоэтиламина по аминогруппе. Роль меркаптогруппы, по-видимому, состоит в образовании водородной связи с атомом кислорода лактамного кольца и соответственным увеличением поляризации С=О связи в пенициллине.

Эксперименты с меченым ³⁵Б-пенициллином показали, что устойчивые штаммы стафилококков (даже не продуцирующие пенициллазу), не поглощают пенициллин из растворов, тогда как чувствительные штаммы связывают от 200 до 750 молекул пенициллина на каждую клетку. Эта связь очень прочна: пеницил-

/

лин не отмывается и не обменивается с немеченным пеницилли­ном [Rowley et al., 1950; Maass, Johnson, 1949].

Продукт реакции 0-меркаптоэтамина с пенициллином (13.6)

Пенициллин действует главным образом на мембранно-свя­занную транспептидазу цитоплазматической мембраны бакте­рий. Сначала фермент связывается с терминальной D-аланил- D-аланиновой группировкой мономера, при полимеризации ко­торого образуется новая клеточная оболочка. Этот мономер представляет собой пептидогликан, состоящий из субъединиц муропептида (разд. 5.3), связанных углеводными компонентами. D-Аланин играет роль опознавательного сигнала для фермента. Следующий шаг — ацилирование фермента пептидогликаном, сопровождающееся потерей одной молекулы D-аланина:

Фермент + R-D-Ala-D-Ala ------------------------------- > R-D-Ala-фермент + D-A!a

Некоторые факты свидетельствуют о том, что реакция ацилиро­вания происходит по —ОН — группе остатка серина.

Затем транспептидаза регенерируется, связывая концевой остаток D-аланина молекулы пептидогликана с цепочкой из че­тырех молекул глицина (соединенных с остатком лизина), второй молекулы пептидогликана. В разных видах бактерий встречаются различные варианты образования этой связи, но в общем виде этот процесс может быть представлен следую­щим образом: [Franklin, Snow, 1981; Gale et al., 1982].

Гликопептидтранспептидаза, выделенная в чистом виде из Е.

Сравнение молекулярных моделей пенициллина и D-аланил- D-аланина свидетельствуют о том, что пенициллин можно счи­тать антиметаболитом этого дипептида [Tipper, Strominger, 1965]. Так, расстояние между N' и N" в обеих молекулах [см. проекции молекулярных моделей (13.7) и (13.8)] одинаково и равно 0,33 нм. Одинаково у них и расстояние между N" и С¹, а именно 0,25 нм. Расстояние от N' до С¹ составляет 0,54 нм для пенициллина и 0,57 нм для дипептида. D-конфигурация пени­циллина обеспечивается наличием атома серы, связанного с ато­мом углерода, общим для обоих циклов в молекуле. Эпимериза­ция по положению 6 (см. 13.4) приводит к полной потере антибактериальной активности. Наиболее реакционноспособная ([1-лактамная) связь в молекуле пенициллина расположена со­ответственно пептидной связи, соединяющей два D-аланиновых остатка. Однако между этими связями существуют и различия: связь между остатками аланина на 25% длиннее. Угол C-CO-N в D-Ala-D-Ala равен 117°, а в пенициллине только 91°. Более того, двугранный угол, образованный ^-лактамным циклом и лактамной связью, почти равен 135°, что значительно меньше угла пептидной связи (180°) и резко отличается от тетраэдриче­ского переходного комплекса (разд. 9.5), который D-аланин предположительно образует с ферментом [Lee, 1971]. Еще бо­лее серьезным аргументом против вышеописанной структурной аналогии служит отсутствие противобактериальной активности у 6-метилбензилпенициллина, по химическому строению еще бо­лее близкого D-Ala-D-Ala fBoehme et al., 1971].