Глава 7. Антибиотики

Антибиотики - специфические продукты жизнедеятельности раз­личных групп микроорганизмов, низших и высших растений и живот­ных или их модификаций, обладающие высокой физиологической ак­тивностью в отношении определённых групп микроорганизмов или злокачественных опухолей, избирательно задерживающие их рост или подавляющие развитие.

Образование антибиотиков - наследственно закреплённая особен­ность метаболизма организмов. Это проявляется в том, что каждый вид (или даже штамм) способен образовывать один или несколько опреде­ленных, строго специфичных для него антибиотических веществ. Вме­сте с тем одинаковые антибиотики могут образовываться несколькими видами организмов (это свидетельство того, что данные микроорганиз­мы имеют общего предка). Образование антибиотика обусловлено оп­ределённым характером обмена веществ, возникающим и закреплён­ным в процессе эволюции организма. Эволюционное значение антибио­тиков подчёркивается тем, что в антибиотикообразование может быть включено около 1% генов продуцента (род Streptomyces) и эта часть ДНК, несмотря на энергетические затраты при её репликации, не теря­ется во время селекции в естественных условиях.

Образование антибиотиков - фактор биологический, имеющий адаптационное значение. Для продуцента способность образовывать антибиотики важна не постоянно, а лишь в неблагоприятных условиях, например, при истощении среды питательными компонентами, при контакте со специфическими продуктами жизнедеятельности другого организма.

Формы взаимодействие между организмами весьма разнообразны -от мирного сожительства до явного антагонизма. Типы связей внутри микробиологических сообществ подразделяют на трофические и мета­болические. Трофические связи характерны для метабиоза (последова­тельное использование субстрата), когда продуты жизнедеятельности одного микроорганизма, содержащие значительное количество энергии, потребляют другие виды микроорганизмов в качестве питательного материала. Метаболические связи выстраиваются, когда одни микроорга­низмы могут потреблять отдельные продукты метаболизма других мик­роорганизмов или продукты метаболизма являются их ингибиторами.

Тип связи определяет специфику взаимодействия организмов. Сим-биотические взаимоотношения характеризуются тем, что различные виды микроорганизмов создают для себя взаимовыгодные условия. На­пример, совместное развитие аэробных и анаэробных микроорганизмов: развиваясь в аэробных условиях, микробы поглощают кислород, созда­вая благоприятные условия для развития анаэробов. Паразитизм ~ форма взаимоотношений, при которой некоторые микробы развиваются за счет веществ клетки других организмов, например бактерии. Парази­ты бывают внеклеточные (риккетсии) и внутриклеточные (вирусы). Хищничество имеет место, когда некоторые микробы поглощают клет­ки организмов других видов, используя их в качестве источника пита­ния (преимущественно продукты лизиса живых клеток других бакте­рий). К числу микроорганизмов-хищников относятся, главным образом, миксоформы (миксобактерии, миксоамебы, миксомицеты). Антагонизм — это условия, при которых один вид микроорганизмов угнетает или полностью подавляет рост и развитие других видов. Явление антаго­низма широко распространено среди бактерий, актиномицетов, грибов и других микроорганизмов. Образование антибиотических веществ -специфическая особенность вида или даже штамма микроорганизмов, возникшая в результате их эволюционного развития как одна из при­способительных особенностей.

В естественных условиях четко ограниченных форм взаимоотноше­ний не наблюдается. В процессе эволюции на разных этапах роста орга­низмов и в зависимости от условий их развития один тип взаимодейст­вия может смениться другим. Так, ряд бактерий (Е. coli, В. subtilis, В. cereus и др.) образуют фермент пенициллиназу, разрушающий пени­циллин, выделяемый Penicillium notatum, P. chrisogenum и мицелиаль-ными грибами других видов.

Антибиотики - первые лекарственные средства, полученные био­технологическим способом. С антибиотиками человечество сталкивает­ся с древних времён. Уже в Библии упоминается использование травы иссоп для лечения кожных заболеваний. Эта трава, как известно, пора­жается плесенью рода Penicillium или Aspergillus и может быть насы­щена метаболитами грибов антибиотического характера.

Основные этапы развития производства антибиотиков

1870 г. - обнаружено, что в среде, содержащей плесень, бактерии не развиваются (Д. Сандерсон);

1872 г. - доказана способность Penicillium glaucum подавлять рост бактерий (Д. Листер);

1871-1872 гг. - показано, что молодая культура зеленой плесени -грибы рода Penicillium - способна задерживать развитие возбудителей ряда кожных заболеваний человека (В .А. Манассеин, А.Г. Полотебнов); 1877 г. — опубликовано сообщение о подавлении роста Bacillus an-thracis аэробными бактериями (Л. Пастер и С. Джеберт, А.Г. Лебедин­ский);

1929 г. - обнаружены антибиотические свойства грибов Penicillium (А. Флеминг);

1940 г. - выделена субстанция пенициллина (X. Флори, Е. Чейн); 1942-1956 гг. - коллектив ученых и практиков во главе с академи­ками Л.А. Зильбером и З.В. Ермольевой провели поиск и отбор штам­мов-продуцентов; разработали ферментационные среды и первые рег­ламенты промышленного производства бензилпенициллина. Сравнение двух штаммов (советского и английского) показало, что советский штамм образует 28 ед/мл, английский - 20 ед/мл.

Открытие и изучение свойств нового антибиотика, применяемого в медицинской или сельскохозяйственной практике, — это огромный труд ученых различных направлений (микробиологов, биохимиков, миколо­гов, химиков, генетиков, фармакологов, биотехнологов, врачей). Со времени открытия пенициллина из разных микроорганизмов были вы­делены более 6000 антибиотиков, обладающих разной специфичностью и разным механизмом действия. Их широкое применение для лечения инфекционных заболеваний помогло сохранить миллионы жизней. Основные причины быстрого роста числа антибиотиков: многие антибиотические вещества или продукты их модифика­ции являются незаменимыми ЛП при инфекционных заболева­ниях, ранее считавшихся неизлечимыми;

изменилась этиологическая структура инфекционных заболева­ний, возросло число видов бактерий, их индуцирующих; широ­кое распространение получили инфекции, вызываемые грамот-рицательными инфекциями, оттеснив стафилококковые заболе­вания;

-как лечебные средства антибиотики применяют в животновод­стве, птицеводстве, пчеловодстве, растениеводстве; отдельные антибиотики являются стимуляторами роста животных;

-проблема резистентности микроорганизмов предполагает заме­ну одних антибиотиков другими, более эффективными; некоторые антибиотики применяют в качестве консервантов в пищевой промышленности;

-развитие химии природных соединений (изучение структуры, их модификация и синтез) способствует появлению новых зна­ний об антибиотиках;

-антибиотики используют при изучении отдельных сторон мета­болизма организмов, расшифровке тонких молекулярных меха­низмов биосинтеза белка, механизма функционировании мем­бран, специфических ингибиторов ферментов, в первую оче­редь, инактивирующие антибиотики.

Подавляющее большинство основных антибиотиков было выделено из грамотрицательной почвенной бактерии Streptomyces, хотя их про­дуцируют также грибы и другие грамположительные и грамотрица-тельные бактерии. Ежегодно во всем мире производится 100000 т антибиотиков на сумму около 5 млрд долларов, в том числе более 10 млн долларов приходится на долю антибиотиков, добавляемых в корм скоту в качестве пищевых добавок или ускорителей роста.

По оценкам ВОЗ каждый год ученые обнаруживают от 100 до 200 новых антибиотиков, прежде всего в рамках обширных исследователь­ских программ по поиску среди тысяч различных микроорганизмов та­ких, которые синтезировали бы уникальные антибиотики. Получение, лабораторные и клинические испытания новых лекарственных средств обходятся дорого, до применения доходят только те из них, которые имеют большую терапевтическую ценность и представляют экономиче- , ский интерес; на их долю приходится 1-2% всех обнаруживаемых ан­тибиотиков.

Образование антибиотиков - наследственно закреплённая особен­ность метаболизма микроорганизмов, проявляющаяся в том, что каж­дый вид (или даже штамм) способен продуцировать один или несколько определенных, строго специфичных для него антибиотических веществ, что обусловлено определённым характером обмена, возникающим и закреплённым в процессе эволюции микроорганизма. Метаболиты яв­ляются промежуточными продуктами обмена веществ, результатом катаболических и анаболических реакций; конечный продукт обмена -антибиотики - синтезируются из первичных метаболитов.

Специфичность антибиотиков характеризуется: высокой биологической активностью в отношении чувствитель­ных к ним организмов, т.е. способностью проявлять эффект да­же в очень низких концентрациях;

избирательностью действия, т.е. способностью конкретного ан­тибиотика проявлять свое действие лишь в отношении опреде­ленных организмов или групп организмов, не оказывая заметно­го эффекта на другие формы живых существ.

Величину биологической активности антибиотиков выражают в ус­ловных единицах, содержащихся в 1 мл (ед/мл) или в 1 мг (ед/мг) пре­парата. За единицу антибиотической активности принято минимальное количество антибиотика, способное подавить развитие или задержать рост определенного числа клеток стандартного штамма тест-микроба в единице объема питательной среды. Так, за единицу активности пени­циллина приято минимальное количество препарата, способное задер­живать рост золотистого стафилококка (штамм 209) в 50 мл питатель­ного бульона; для стрептомицина единица активности - минимальное количество антибиотика, задерживающее рост Е. coli в 1 мл питатель­ного бульона.

Угнетение роста микроорганизмов антибиотиками может осуществ­ляться только при наличии трех условий:

биологически важная для жизнедеятельности бактерий система должна реагировать на воздействие низких концентрацией пре­парата через определенную точку приложения; препараты должны обладать способностью проникать в бакте­риальную клетку и воздействовать на точку приложения; препарат не должен инактивироваться раньше, чем вступит во взаимодействие с биологически активной системой бактерии. Точки приложения действия антибактериальных препаратов в бак­териях различны - большая часть их находится в клеточной мембране и внутри клетки. Для достижения этих точек антибиотики сначала долж­ны проникнуть через поверхностные слои клетки, находящиеся снару­жи от цитоплазматической мембраны. Главным барьером на этом пути препарата является клеточная стенка. В клеточной стенке грамположи-тельных бактерий содержится большое количество мукопептидов, яв­ляющихся основной мишенью для антибиотиков. Клеточная стенка грамотрицательных бактерий содержит большое количество липидов, в силу чего она менее проницаема и является надежным барьером для многих антибактериальных средств. Это обстоятельство служит причи­ной поиска новых антибиотиков (полусинтетические пенициллины и цефалоспорины), которые обладают хорошей проникающей способно­стью через липополисахаридный слой грамотрицательных бактерий и имеют высокую активность против большинства из них.