Структура бета-лактама и механизм действия

Бета-лактамные антибиотики характеризуются четырехчленным азотсодержащим бета-лактамным кольцом, напряженная амидная связь которого обладает высокой реакционной способностью. Действуя как структурный аналог D-аланил-D-аланинового фрагмента предшественников пептидогликана, кольцо ацилирует серин активного центра пенициллинсвязывающих белков — транспептидаз, которые сшивают бактериальную клеточную стенку, и тем самым инактивирует их.

Definition

Механизм действия бета-лактамов заключается в ковалентной инактивации транспептидаз пенициллинсвязывающих белков реактивным бета-лактамным кольцом, которое ведет себя как субстратный аналог D-аланил-D-аланина и блокирует сшивание пептидогликана.

Scope

Эта тема охватывает химию бета-лактамного кольца, молекулярную мишень (пенициллинсвязывающие белки), механизм ацилирования, связывающий структуру с активностью, и последствия нарушения сшивания пептидогликана. Она рассматривает механизм как фармакологический справочник и исключает рекомендации по назначению.

Core questions

• Почему четырехчленное бета-лактамное кольцо химически реакционноспособно?
• Как кольцо имитирует D-аланил-D-аланин для взаимодействия с пенициллинсвязывающими белками?
• Что происходит с бактериальной клеткой при блокировании транспептидации?

Key concepts

• Напряжение бета-лактамного кольца
• Имитация D-аланил-D-аланина
• Пенициллинсвязывающие белки (PBPs)
• Ацилирование серина активного центра
• Транспептидация
• Сшивание пептидогликана
• Ацил-ферментный интермедиат
• Аутолизин-опосредованный лизис

Key theories

Гипотеза субстратного аналога (имитация D-Ala-D-Ala)

Пенициллины действуют потому, что бета-лактамное кольцо структурно напоминает ацил-D-аланил-D-аланиновый фрагмент предшественника пептидогликана, что позволяет ему связываться и ацилировать транспептидазу, которая обычно обрабатывает этот субстрат, образуя стабильный, инактивирующий ацил-фермент.

Mechanisms

Бактериальный пептидогликан собирается путем трансгликозилирования гликановых цепей с последующей транспептидацией, при которой транспептидаза PBP расщепляет концевой D-аланин одного пентапептида и образует поперечную связь с соседней цепью. Типпер и Стромингер (1965) предположили, что бета-лактамное кольцо имитирует субстрат ацил-D-аланил-D-аланин, поэтому PBP атакует кольцо; образующийся ацил-фермент гидролизуется очень медленно, оставляя транспептидазу ковалентно и необратимо инактивированной (Sauvage et al., 2008). При блокировании сшивания стенка постепенно ослабевает; в растущих клетках продолжающаяся активность аутолизинов и осмотический стресс приводят к лизису, что объясняет бактерицидный характер этого класса. То же самое реактивное кольцо является точкой атаки для бета-лактамаз, которые гидролизуют его до того, как оно достигнет PBP (Bush & Bradford, 2016; Fisher & Mobashery, 2016).

Clinical relevance

Знание того, что бета-лактамы действуют на фермент клеточной стенки, отсутствующий в клетках человека, объясняет их характерную благоприятную селективность, а понимание механизма ацилирования проясняет, почему структурные изменения кольцевой системы изменяют спектр действия и стабильность к бета-лактамазам. Это механистическая основа для обучения, а не основа для дозирования или принятия индивидуальных решений о лечении.

History

Структурная основа действия бета-лактамов была прояснена в 1965 году, когда Типпер и Стромингер предположили, что пенициллин действует как аналог ацил-D-аланил-D-аланина, объединяя химию кольца с биохимией сшивания клеточной стенки. Последующие структурные и энзимологические работы по пенициллинсвязывающим белкам подтвердили и расширили эту модель (Sauvage et al., 2008).

Key figures

• Donald Tipper
• Jack Strominger
• Eric Sauvage

Seminal works

• tipper-strominger-1965
• sauvage-2008

Frequently asked questions

Что такое бета-лактамное кольцо?

Это напряженный четырехчленный циклический амид (один атом азота и три атома углерода), слитый с остальной частью молекулы; напряжение его кольца делает амидную связь достаточно реакционноспособной для ацилирования бактериальной транспептидазы.

Почему бета-лактамы относительно селективны в отношении бактерий?

Их мишень, пенициллинсвязывающая белковая транспептидаза, которая сшивает пептидогликан, является частью синтеза бактериальной клеточной стенки и не имеет аналогов в клетках человека, у которых отсутствует пептидогликан.