微生物药物学第四章--第三节-大环内酯类抗生素.ppt

*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第四章 第三节,MLS类抗生素及细菌耐药性MLS类抗生素的结构特性,MLS(macrolides-lincosamids-streptogramins),是一类包括：,十四、十五和十六元大环内酯类抗生素；,林可霉素类抗生素；,链阳性菌素类抗生素。,一 MLS类抗生素的结构特性,1、,化学结构差异大，但其抗菌机制和细菌耐药性机制非常相似；,2、,抗菌谱较窄，对革兰氏阳性球菌（特别是葡萄球菌、链球菌和肠球菌）和杆菌以及革兰阴性球菌有效；,3、,这些药物尤其是氯林可霉素对厌氧菌也有效；,4、,革兰氏阴性杆菌通常对这类药物不敏感，但某些肠杆菌和嗜血杆菌在体外对阿齐霉素敏感。,一 MLS类抗生素的结构特,性,红霉素,竹桃霉素,林可霉素类抗生素的化学结构,链阳性菌素A,链阳性菌素B,二,MLS类抗生素的作用机制,一般认为：,MLS类抗生素为第类型的蛋白质合成抑制剂，即阻断50S中肽酰转移酶中心的功能，,使P位上的肽酰tRNA不能与A位上的氨基酰tRNA结合形成肽键,。,MLS,B,类抗生素对50S核糖体亚基结合位点的拓模式,大环内酯类抗生素与50S核糖体亚单位可逆性地结合，阻断肽链的延伸,MLS类抗生素对50S核糖体上肽酰基转移酶结构域的结合位点,MLS类抗生素,肽酰基转移酶结构域,III,链阳性菌素B类,14元大环内酯类,16元大环内酯类,链阳性菌素A类,林可类,VS,ERY,LEU/SPM,VM,LIN,MLS,B,类抗生素对50S核糖体亚基结合位点的拓模式,1 红霉素的抗菌作用机制,核糖体是细胞中蛋白合成场所，无论原核或真核细胞内核糖体的含量都与细胞蛋白合成活性直接相关。一旦核糖体功能受到破坏，细胞会由于不能合成蛋白而死亡。,红霉素在细胞中的作用对象就是核糖体，其作用方式有两种：,一是抑制50S核糖体大亚基的形成；,另一个是抑制核糖体的翻译作用。,1、红霉素抑制50S核糖体大亚基的形成,50S大亚基是由23S rRNA、5S rRNA和20多种蛋白组装而成的，组装过程中先后有32S、42S中间产物产生。,当细菌生长环境中存在红霉素时，正在组装中的尚未有功能的50S亚单位就可能会和红霉素结合上（结合位点与红霉素在成熟50S大亚基上的结合位点相似但不完全相同），于是 50S大亚基的组装就被停止，而这个无功能的50S大亚基中间产物因不能进一步形成有功能的核糖体，最终会被核糖核酸酶（如RNaseE）降解掉。,从细胞水平上看，细胞核糖体数量下降，蛋白合成能力降低，细菌的生长被抑制住了。,1、红霉素抑制50S核糖体大亚基的形成,一般来说，大环内酯类抗生素对于50S大亚基形成的,抑制作用是特异性的,，即30S亚基的形成不受抗生素的影响，而且已组装好了的50S大亚基也不会被降解。,但是新近文献报道在流感嗜血细胞中酮内酯类抗生素,泰利霉素（telithromycin）及ABT-773,能在相同程度上抑制50S和30S亚基的组装。,2、红霉素抑制核糖体的翻译,核糖体是蛋白合成场所，它能把翻译中的各种组分聚集起来完成遗传信息mRNA到多肽链的转变。核糖体上与多肽合成有关的活性位点有5个：,1）,mRNA结合部位；,2）,接受AA-tRNA的部位；,3）,结合或接受肽基tRNA的部位；,4）,肽基转移部位（P位）；,5）,形成肽链的部位（肽酰转移酶中心）。,红霉素抑制核糖体的翻译作用就是通过影响肽链转移酶来完成的。,2、红霉素抑制核糖体的翻译,肽酰转移酶中心定位在23S rRNA结构域V的中心环部位，这个中心环还向外发散着一些发夹环，发夹环中间的空挡由多个蛋白填充起来，并由这些蛋白中和rRNA磷酸骨架所带的电荷在肽链转移酶中心的下方有一个新生肽释放隧道（见图）；,新生肽释放隧道主要是由RNA组成，但它也含有L4和L22等蛋白，并且这个隧道最狭小的部分就是由L22和L4组成的（见图），这两个蛋白从隧道的背面互相靠近形成了一个门防（这种限制的功能至今未知，推测可能通过由L22和L4形成的这个限制来感应释放隧道中蛋白链的信息）。,新生肽释放隧道的部分示意图,1）红霉素在核糖体上的结合位点,L22和L4形成的门防就是红霉素结合的靶位点之一。,通过两种放射性标记了的红霉素衍生物与核糖体结合实验发现L22及L4上有放射性，并且还发现蛋白质L15能脱离50S 大亚基在溶液中与红霉素作用，但结合作用较为微弱。,2）红霉素抑制核糖体翻译作用的机制,红霉素抑制核糖体的翻译作用实际上通过两个效应实现的：,一是,红霉素可抑制蛋白合成延伸；,二是,红霉素能促进肽酰tRNA的脱落，也就是当AA-tRNA结合到核糖体A位并与P位上的肽链形成肽键时，红霉素能阻断肽酰tRNA（ptRNA）从核糖体A位到P位的转位，并刺激ptRNA 从核糖体上脱落，脱落下来的ptRNA会被ptRNA水解酶降解释放出未成熟的肽链。,二、链阳性菌素的协同作用机制 ,链阳菌素A和B组分在体内的协同作用,组分,MIC(ml/L),CFU,蛋白质合成抑制模式,A或B,100,不变,可逆,A+B,1,降低10,-2,10,-3,不可逆,链阳菌素A和B组分在体内的协同作用,链阳性菌素独特的作用机制表现为:,1),与核糖体非共价结合的强度异常大;,2),当其A组分与50S 亚基结合后能够诱导产生永久性即使A组分去除的构像变化，这种变化一直保持到核糖体解离至亚基准备进入第二次循环。,链链阳性菌素A起着阻断底物附着于肽酰转移酶中心的供位和受位，即起着阻断肽链延长的开始；而链阳性菌素B和其它一些大环内酯类抗生素一样阻断蛋白链的延长；,另外，链阳性菌素A仅能结合在50S中不含氨基酰tRNA的A位和P位，这种结合后能够诱导核糖体,产生永久性的构像变化并产生一个多余的60S亚基,（这可能是由70S亚基分离而来），从而增加对B组分的特殊亲和力，使达到杀菌作用，而链阳性菌素B和其它大环内酯类抗生素能够在任何步骤与核糖体结合。,因此，链阳性菌素A 和B的混合物就是通过这种双重代谢阻断来达到抗菌作用的。,链阳性菌素对50S核糖体表现有特殊的作用机制：,喹奴普丁-达福普丁对金黄色葡萄球菌表现有特殊的抗生素后效应，,它不仅在细菌的对数生长期，同时在迟滞期也有抗生素后效应,（0.46.9小时），而其它诸如万古霉素、庆大霉素、罗红霉素和一些-内酰胺类抗生素在细菌生长的迟滞期基本上都没有后效应。,这是由于这种药物能够,与核糖体形成稳定的喹奴普丁-核糖体-达福普丁复合物，,使体内的浓度大大地提高（体内浓度高于体外58倍）所致。喹奴普丁-达福普丁具有与链阳性菌素A和B化合物相同的协同作用的抗菌机制。,链阳性菌素对50S核糖体表现有特殊的作用机制：,细菌对,MLS,类抗生素产生耐药性的作用机制,尽管MLS类抗生素的抗菌作用机制与其结构特征基本无关，但细菌对这类抗生素产生耐药性的作用机制是不同的，它包括：,内在性耐药（intrinsic resistance）；,获得性耐药（acquired resistance）。,细菌对MLS类抗生素产生耐药性的作用机制,内在性耐药,所谓的内在性耐药即为细菌的天然耐药性，如许多革兰氏阴性杆菌尤其是一些肠杆菌、假单孢菌和不动杆菌对MLS类抗生素的耐药似乎是由于细胞外膜的渗透性所致。,这些细菌的细胞外膜限制脂溶性抗菌药物和分子量大于500的MLS类抗生素进入胞内。细菌的这种内在性耐药影响了所有的MLS类抗生素的抗菌活性。,细菌对MLS类抗生素获得性耐药的三种机理,1.,药物作用靶位分子发生了变异；,2.,抗生素活性分子被钝化；,3.,细菌产生药物主动转运。,其实，这是细菌对所有抗菌药物产生耐药性的主要作用机制。,一、细菌对红霉素产生耐药性的作用机制,影响红霉素在胞内的积累（大环内酯的外排机制）；,破坏红霉素的结构使其失去抗菌作用；,改造或修饰红霉素在核糖体上的结合作用位点。,外排机制介导的细菌对大环内酯类抗生素产生的耐药性,革兰阳性菌和革兰氏阴性菌都可以通过过量表达外排泵这种膜蛋白来产生红霉素抗性作用；,外排泵是一种运输蛋白，用于将有毒物质（包括临床上所用的抗生素）排出细胞外；,当细胞膜上的外排泵蛋白将红霉素泵出细胞外的速度远远快于红霉素流进细胞内的速度时，胞内的红霉素浓度就会降低，于是大部分核糖体因没有红霉素的结合而继续合成蛋白，细胞也就能在存在红霉素的环境中存活下来。,外排机制,钝化酶机制介导的细菌对大环内酯类抗生素产生的耐药性,细菌名称,被钝化的,抗生素,钝化酶名称,基因定位,基因,名称,金黄色葡萄球菌,S,A,S,B,L,L,S,A,O-酰基转移酶,S,B,水解酶,ND,-L O-核苷酰转移酶,pIP524,pIP524,ND,pIP856,saa,sbh,LinA,人葡萄球菌,M,ND,pIP860,溶血葡萄球菌,L,-L O-核苷酰转移酶,pIP855,LinA,乳房链球菌,L,-L O-核苷酰转移酶,ND,LinA,屎链球菌,S,A,ND,pIP815,乳酸杆菌属,M,S,A,ML,MS,MLS,ND,ND,ND,产气荚膜梭状,芽孢杆菌,S,ND,ND,链霉菌,M,L,L,ND,3-L O-磷酸转移酶,3-L O-核苷酰转移酶,ND,ND,ND,假单孢菌,M,ND,ND,大肠艾希氏菌,M,M,M,红霉素I型酯酶,红霉素II型酯酶,大环内酯2,-磷酸转移酶,pIP1100,pIP1527,ND,ereA,ereB,红霉素酯酶的作用机制,核糖体改变或修饰机制介导大的细菌对大环内酯类抗生素产生的耐药性,抗性细菌第三个产生耐药性的途径就是改造或修饰核糖体上的红霉素作用位点，也就是通过直接作用核糖体上的红霉素作用位点来影响红霉素抗菌作用，这种直接作用方式既可以通过突变作用位点的碱基及蛋白来完成；,也可以通过产生一种抗性短肽直接将红霉素从核糖体的结合位点上替代下来。,方式1、核糖体大亚基的23SrRNA 碱基突变产生的抗性,核糖体大亚基的23 SrRNA 碱基突变引起红霉素耐药性的报道很多，主要集中在结构域和结构域V两个位置上发生突变；结构域V的碱基突变主要在,G2057、A2058、A2059、C2611位置上：,由于G2057C2611碱基对既能稳定核糖体23S rRNA的三级结构，又是红霉素在结构域上的结合位点。,所以由G2057、C2611碱基突变引起的20572611碱基对破坏能导致组成型核糖体变化，造成红霉素对核糖体亲和力降低，从而产生红霉素抗性,。,方式2、,甲基转移酶Erm家族催化的 A2058甲基化引起的抗性,最广泛的红霉素抗性产生及传播的机制是通过在,A2058的N6上单甲基和双甲基化,来降低红霉素与RNA的亲和力而产生抗性，这个修饰是由S-腺苷-L-甲硫氨酸（AdoMet）依赖的甲基转移酶Erm家族催化的，Erm家族成员的序列具有24.6%85%的同源性。,Erm机制是金黄色葡萄球菌产生红霉素抗性的主要原因，,金黄色葡萄球菌主要靠,ermA,、,ermB,、,ermC,及,ermF,这四个基因的产物来甲基化修饰碱基而得到红霉素抗性的,，这些红霉素抗性菌株可以分成两种类型：,一类是组成型抗性菌株，,其能在超过100g/mL的红霉素浓度下生长；,另一类是诱导型抗性菌株，,能在亚抑制单位的抗生素浓度诱导下对高浓度的红霉素形成抗性。这种诱导调节的作用机制可以用图来解释。,核糖体大亚基上蛋白质突变引起的抗性,核糖体蛋白质L4和L22突变能引起红霉素抗性，在大肠埃希氏菌和肺炎链球菌的抗性菌株中均发现这一现象。对L4和L22蛋白突变所引起的抗性机制的解释是：,一是,结合在23S rRNA 结构域 I上的L4和L22突变会造成整个23S rRNA的整体结构变化，从而影响了红霉素作用的其它靶位点与红霉素的结合；,二是,L4和L22突变降低了红霉素与核糖体的结合作用，因为红霉素是通过结合在肽链释放隧道上L4和L22形成的狭小门防位置，而促使肽链无法进入才抑制蛋白合成的。,二、细菌对链阳性菌素产生耐药性的作用机制,对链阳性菌素产生耐药性的问题首先在葡萄球菌中发现，其仅对链阳性菌素A组分产生耐药性;,葡萄球菌中有很多编码对链阳性菌素A产生耐药性的基因如，编码酰基转移酶的,vat(A),、,vat(B),和,vat(C),；编码涉及到外泵系统的ATP结合蛋白的,vga(A),和,vga(B),。,在肠球菌中，粪肠球菌对链阳性菌素A和B表现为天然抗性，而分离的大多数屎肠球菌对其是敏感的;,在对链阳性菌素A和B产生耐药性的粪肠球菌中分离到了,satA,和,satG,两个编码酰基转移酶的基因，现在已经分别重新命名为,vat(D),和,vat(E),。,链阳性菌素A衍生物达福霉素被钝化酶（酰化酶）修饰的位点,链阳性菌素B衍生物喹奴普丁被钝化酶,（裂合酶）,修饰的作用位点,三、细菌对林可霉素产生耐药性的作用机制,在金黄色葡萄球菌BM4611和溶血葡萄球菌BM4610细胞中，可通过钝化酶的作用使抗生素分子中的位核苷酰化成为,4（5-核糖核苷）,林可霉素或氯林可霉素（如下图所示），这与在链霉菌中发现的钝化机制不同。,细菌对林可霉素产生耐药性的作用机制,四 新型大环内酯类抗生素的研究开发,当前大环内酯类抗生素结构改造的研究方向,(1),继续修饰红霉素化学结构；,(2),寻找具有抗菌特点的新大环内酯；,(3),探索具有抗菌活性以外其他生理活性的物质；,(4),开辟新用途。,