3
1.1.1.1 Zaviralci sinteze celične stene
Najbolj pogost mehanizem delovanja protibakterijskih zdravilnih učinkovin je motnja v sintezi bakterijske celične stene. Večino zaviralcev sinteze celične stene uvrščamo v skupino t.i. β-laktamskih antibiotikov, saj jim je skupna osnovna kemijska struktura, to je β-laktamski obroč. V to skupino spadajo penicilini, cefalosporini, karbapenemi in monobaktami. Poznamo še druge zaviralce bakterijske celične stene, kot so vankomicin, daptomicin, bacitracin, izoniazid, fosfomicin in cikloserin.
Izgradnjo peptidoglikanske mreže katalizirajo encimi transpeptidaze, transglikozilaze in karboksilpeptidaze, ki spadajo v skupino serinskih proteaz. Regulatorne encime lahko imenujemo tudi penicilin vezoči proteini (PBP), saj so tarča vseh β-laktamskih antibiotikov. Te učinkovine so analogi dipeptida D-alanil-D-alanin in se ireverzibilno vežejo na serinski ostanek v aktivnem mestu transpeptidaze, ki nato ustavi premreženje peptidoglikanskih verig. Sledi aktivacija lizina, kar vodi v smrt bakterijske celice.
Bakterije razvijajo odpornost na β-laktamske antibiotike na tri različne načine. Odpornost se lahko razvije, ko je zmanjšana koncentracija protibakterijske učinkovine na tarčnem mestu celične stene. Ta oblika rezistence se večinsko pojavlja pri Gram-negativnih bakterijah, kjer peptidoglikanski sloj pokriva še celična membrana. Zdravilne učinkovine tako težje prodirajo na mesto delovanja in se kopičijo na zunanji strani celične stene. Drugi mehanizem odpornosti se razvije zaradi zmanjšane vezave zdravilne učinkovine na PBP kot posledica strukturnih sprememb transpeptidaz. Tretji, najbolj pogost mehanizem, je hidroliza β-laktamskega obroča učinkovine z bakteriji lastnimi β-laktamazami. Bakterijska celica ob povečani izpostavljenosti β-laktamskim antibiotikom prične s povečanim izražanjem gena za β-laktamaze , lahko pa pride do genske mutacije.
Penicilini so protibakterijske učinkovine z zelo nizko toksičnostjo. Najbolj učinkovito delujejo v kombinaciji z zaviralci β-laktamaz: klavulansko kislino, sulbaktamom ali tazobaktamom, ki s svojo ireverzibilno vezavo na β-laktamaze omogočajo penicilinu, da opravi svojo vlogo zaviralca sinteze celične stene. Cefalosporini so derivati 7-aminocefalosporinske kisline, ki se od penicilina razlikujejo v tem, da imajo širši spekter delovanja, daljši razpolovni čas in so bolj odporni na β-laktamaze.
Karbapenemi (imipenem, meropenem, ertapenem) in monobaktami (aztreonam) so pomembni β-laktamski antibiotiki, ki delujejo proti številnim organizmom. Karbapenemi so širokospektralni, monobaktami pa ozkospektralni in delujejo proti aerobnim Gram-negativnim bakterijam.
Protibakterijska učinkovina vankomicin spada v skupino glikopeptidov in zavira sintezo peptidoglikana pri Gram-pozitivnih bakterijah. Vankomicin reagira z D-alanil-D-alanin aminokislinskim koncem peptidne verige. Sterično ovira nastajanje prečnih povezav med peptidoglikanskimi verigami in s tem zavira nastanek peptidoglikanske mreže. Bakterije so razvile odpornost na vankomicin z modulacijo genov vanA in vanB, ki spreminjajo vezavno mesto t.i. pentapeptidne konce za vezavo učinkovine.
Daptomicin je naravni ciklični lipopetid, ki se ireverzibilno veže na citoplazemsko membrano, jo depolarizira, kar vodi v celično smrt. Deluje proti Gram-pozitivnim bakterijam in je odličen za zdravljenje okužb od ostalih učinkovin odpornih stafilokokov in streptokokov.
Bacitracin je polipeptid, ki zavira sintezo celične stene tako, da se vmeša v proces defosforilacije oziroma obnove lipidnega prenašalca, ki je odgovoren za prenos peptidoglikanskih prekurzorjev preko
4
citoplazemske membrane. Poškoduje citoplazemsko membrano in zavira prepisovanje ribonukleinske kisline. Odpornost so bakterije razvile z zmanjšanim prenosom učinkovine v bakterijsko celico.
Izoniazid, etionamid in etambutol so protibakterijske učinkovine, ki motijo sintezo mikolinske kisline.
Na ta način ne pride do tvorbe maščobnih kislin. Etambutol moti sintezo arabinogalaktana v celični steni, cikloserin pa inhibira dva encima, D-alanil-D-alanin ligazo in alanin racemazo, ki prav tako katalizirata sintezo celične stene. Odpornost teh antibiotikov je posledica zmanjšanega privzema učinkovine v bakterijsko celično steno. (2)(4)
1.2 BAKTERIJE
Bakterijske celice uvrščamo med prokarionte, enostavne enocelične organizme brez pravega jedra. V njihovi celici ne najdemo mitohondrijev, endoplazemskega retukuluma in Golgijevega aparata. Sredico tipične bakterije Escherichia coli sestavlja krožni kromosom s 5 milijoni baznih parov in dolžino 1.3 mm. Za primerjavo, človeški kromosom vsebuje skoraj 3 milijarde baznih parov, v dolžino pa meri 990 mm. Tudi biokemijska sestava bakterijske celice se razlikuje od živalske. Bakterije morajo vitamine sintetizirati same, medtem ko jih živalske dobijo s hrano. Za kataliziranje kemijskih reakcij potrebujejo encime. Njihovo zunanje ogrodje sestavljata celična membrana in celična stena, medtem ko celične stene pri živalski celici ni. Bakterijska celica je razvila strukturo in mehanizme, s katerimi se je prilagodila na življenje v neugodnem okolju. Preživi lahko močnejše temperaturne ekstreme in pritiske kot eukariontska celica. Prokariontska celica je sestavljena iz celične stene, pod katero leži celična membrana, citoplazme, bičkov in pilusov, s katerimi se premika in pritrja. V citoplazmi, ki jo obdaja citoplazemska membrana najdemo ribosome, proteine, metabolite, plazmide in bakterijski nukleotid (kromosom).
Bakterije razdelimo po njihovi obliki na okrogle, paličaste in spiralne, po velikosti (0,1 in 20 µm), ter po ureditvi v prostoru na verige, skupke ali samostojne celice. Njihove presnovne potrebe se v okolju, v katerem živijo razlikujejo. Aerobne za svoje preživetje potrebujejo kisik, medtem ko anaerobne brez njega lahko preživijo. Med seboj jih ločimo z barvanjem po Gramu, ki je enostaven in hiter test, s katerim bakterije razlikujemo glede na zmožnost zadrževanja barvila. Pomaga nam odkriti pravo diagnozo in s tem pravilen izbor antibiotikov. Test začnemo z barvanjem z metilvijoličnim barvilom, ki ga speremo z Lugolovo raztopino joda. Sledi spiranje z etanolom ali acetonom in dodatek rdečega barvila safranin.
Gram-pozitivne bakterije se obarvajo vijolično, Gram-negativne zaradi tankega peptidoglikanskega sloja barvila ne zadržijo in postanejo rdeče. (4)(5)
5
1.2.1 Celična stena
Celična stena je ključnega pomena za preživetje bakterijske celice. Nahaja se tik nad citoplazemsko membrano. Celico ščiti pred zunanjimi vplivi iz okolja, ji daje obliko, rigidnost, ji posreduje informacije in snovi iz zunanjega okolja.
Struktura in funkcija celične stene se pomembno razlikuje med bakterijami. Gram-pozitivne bakterije imajo debelo, večslojno celično steno, sestavljeno izključno iz peptidoglikana (do 20 slojev), proteinov, tehojske in lipotehojske kisline, ter kompleksnih C polisaharidov. Tehojska kislina je vodotopen anionski poliolni fosfat, ki se kovalentno veže na peptidoglikan.
Celična stena Gram-negativnih molekul je bolj kompleksna, tako strukturno kot kemijsko. Sestavljena je iz zunanjega lipidnega sloja pritrjenega na peptidoglikan. Vmes se nahaja periplazemski prostor, ki vsebuje transportne sisteme za železo, proteine, sladkorje in encime, ki so odgovorni za metabolizem.
(4)(6)
1.2.2 Peptidoglikan
Murein, mukopeptid oz. peptidoglikan je ena največjih makromolekul bakterijske celice in glavna sestavina celične stene. (7) Spominja na neraztegljiv mrežast sloj, ki obdaja celotno bakterijo. (2) Je zaščitni polimer, sestavljen iz glikanskih verig, ki so med seboj povezane s peptidnimi enotami. S svojo rigidnostjo varuje bakterijsko celico pred osmotskim pritiskom, zagotavlja nemoteno potovanje hranil, izločanje zunajceličnih beljakovin in ji omogoča nemoteno rast. Je hetero polimer, prisoten pri vseh bakterijah. Gram-negativne bakterije sintetizirajo tanko enoslojno peptidoglikansko verigo, njihova celična stena je sestavljena pretežno iz lipopolisaharidov in lipoproteinov. (8) Gram-pozitivne bakterije sintetizirajo debelo večslojno mrežo (Slika 2). Strukturo peptidoglikana sestavljajo glikanske verige, v katerih se izmenjujeta N-acetilglukozamin (GlcNAc) in N-acetilmuraminska kislina (MurNAc), ki sta med seboj povezani z β-1,4 glikozidno vezjo. Na karboksilni ostanek N-acetilmuraminske kisline je pripet pentapeptid. Ogrodje je pri vseh bakterijah enako, razlikujejo pa se v aminokislinah vezanih na muraminsko kislino. Pri Gram-negativnih bakterijah to verigo sestavljajo L-alanin, D-glutamat, mezodiaminopimelinska kislina in D-alanin. Gram-pozitivnim bakterijam diaminopimelinsko kislino nadomešča L-lizin. Končno mrežasto strukturo peptidoglikana tvorijo glikanske prečne povezave s peptidi. (9)
6