Microbiology

Ряд химических агентов замедляет или полностью тормозит рост микроорганизмов. Если то или иное вещество подавляет рост бактерий, а после его удаления рост вновь возобновляется, то говорят о бактериостатическом действии. Бактерицидные вещества вызывают гибель клеток. Тот или другой эффект, однако, зависит от концентрации действующего вещества. Кроме того, среди бактерий существуют формы, устойчивые к общим клеточным и метаболическим ядам (таким, как сероводород, фенол или окись углерода) и даже способные использовать их как источники энергии. Для многих антимикробных агентов удалось в той или иной мере выяснить субклеточную мишень и механизм действия.

Повреждение поверхностных структур или слоев клетки. Этанол в достаточно высокой концентрации (70%) вызывает коагуляцию белков и оказывает бактерицидное действие. Фенолы, крезолы, нейтральные мыла и поверхностно-активные вещества (детергенты) действуют на наружные слои клеток и нарушают избирательную проницаемость плазматической мембраны. Клеточные мембраны состоят главным образом из липидов и белков. Детергенты имеют полярную структуру, причем их молекулы содержат как липофильные группы (длинные углеводородные цепи или ароматические кольца), так и гидрофильные ионизированные группы. Накапливаясь в липопротеиновых мембранах (тоже имеющих полярную структуру), детергенты нарушают их функции. Поскольку эти вещества обладают широким спектром антимикробного действия, их обычно применяют для дезинфекции различных поверхностей и одежды. С детергентами сходны по своему действию некоторые полипептидные антибиотики (полимиксин, колистин, бацитрацин, субтилин) и антимикробные вещества растительного происхождения.

Повреждение ферментов и нарушение метаболизма. Некоторые тяжелые металлы (медь, серебро, ртуть и др.) действуют как сильные ферментные яды даже в малых концентрациях (так называемое «олигодинамическое действие»). Как в виде солей (HgCl₂, CuCl, AgN0₃), так и в форме органических соединений (таких, как п-гидроксимеркурибензоат) они связывают SH-группы и тем самым глубоко изменяют третичную и четвертичную структуру ферментных белков. Блокируется также функциональная сульфгидрильная группа кофермента А. Цианид действует как дыхательный яд - связывая железо, он блокирует функцию терминального дыхательного фермента цитохромоксидазы. Окись углерода подавляет дыхание, конкурируя со свободным кислородом за цитохромоксидазу, т.е. действует путем «конкурентного торможения». Антимицин А нарушает перенос электронов по дыхательной цепи, ингибируя цитохром-с-редуктазу. 2,4-Динитрофенол разобщает процессы окисления и фосфорилирования в митохондриях. Арсенат ингибирует фосфорилирование на уровне субстрата. Фторацетат блокирует цикл трикарбоновых кислот. Сначала он, подобно ацетату, активируется и используется как предшественник цитрата (так называемый летальный синтез), а образовавшийся фторцитрат ингибирует аконитазу и тем самым тормозит дальнейшие превращения цитрата.

Конкурентное ингибирование. Примером конкурентного торможения может служить действие малоната, который подавляет превращение сукцината в фумарат. Это действие чрезвычайно специфично и  проявляется уже при низких концентрациях малоновой кислоты. В то время как подавление, вызванное цианидом (в известной концентрации) нельзя устранить повышением концентрации субстрата, т. е. парциального давления О₂, подавление, вызванное малонатом, можно частично или полностью снять, повысив концентрацию сукцината. Как полагают, нормальный метаболит – сукцинат - конкурирует со своим структурным аналогом, или антиметаболитом, - малонатом - за каталитический центр фермента сукцинатдегидрогеназы. В основе конкурентного ингибирования лежит структурное сходство ингибиторов с нормальными клеточными метаболитами. Проникший в клетку антиметаболит может различными путями воздействовать на процессы биосинтеза. В приведенной ниже схеме три метаболита представлены черным цветом, а три антиметаболита – красным.

Нарушение синтеза клеточных компонентов. Самым известным примером торможения роста в результате включения структурного аналога в один из клеточных компонентов служит действие производных сульфаниловой кислоты. Антибактериальное действие сульфонамидов было обнаружено чисто эмпирически (Домач); лишь позднее ключ к пониманию механизма этого действия был найден в структурном сходстве между сульфонамидами и n-аминобензойной кислотой. n-Аминобензойная кислота входит в состав одного из коферментов, а именно тетрагидрофолиевой кислоты. У большинства бактерий тетрагидрофолиевая кислота синтезируется из более простых компонентов. Однако при добавлении к питательной среде n-аминобензойной кислоты или сульфонамидов эти вещества беспрепятственно проникают в клетку и включаются в фолиевую кислоту. Когда включается сульфонамид, это приводит к синтезу нефункционирующего кофермента и в конечном счете к остановке роста клеток. Действие сульфонамидов можно снять повышением концентрации п-аминобензойной кислоты: в основе подавления лежит конкурентный механизм. В организме животного фолиевая кислота не образуется de novo и не синтезируется из более простых компонентов: животные должны получать ее в готовом виде с пищей. Поэтому в их организме сульфонамид не может включаться в этот кофермент и не может, таким образом, оказывать вредное воздействие. Возможность использовать сульфонамиды в качестве лечебного средства связана с тем, что синтетические способности животного организма ограниченны.

Ингибирование сукцинатдегидрогеназы малонатом и торможение роста бактерий производными сульфаниловой кислоты - примеры антагонистических отношений между нормальными клеточными метаболитами и их структурными аналогами. Антагонизм между метаболитами и антиметаболитами (структурными аналогами) может проявляться на разных уровнях. Структурные аналоги могут препятствовать включению нормальных метаболитов и тем самым синтезу отдельных клеточных компонентов. Они могут также включаться в полимеры, а это может приводить к снижению активности и даже к полной инактивации какого-либо фермента или нарушать функцию нуклеиновой кислоты.

Подавление синтеза белков антибиотиками. Белковый синтез у прокариот специфически подавляется рядом антибиотиков. Действие их направлено на функцию 70S-рибосом. Стрептомицин и неомицин тормозят процесс связывания аминокислот между собой. Эритромицин нарушает функцию субъединиц 50S. Тетрациклины препятствуют присоединению аминоацил-тРНК к рибосомам. Хлорамфеникол подавляет включение аминокислот в белки, так как, по-видимому, создает препятствие для связывания аминокислот при участии пептидилтрансферазы. Хлорамфеникол (левомицетин) применяется в медицине как весьма действенный бактериостатик, а в биохимических исследованиях - как селективный ингибитор синтеза белка, не влияющий на другие метаболические процессы. Упомянутые антибиотики, конечно, действуют на рибосомы митохондрий и хлоропластов также и в клетках эукариот. Но, так как, например, наружная мембрана митохондрий очень мало проницаема для стрептомицина, этот антибиотик в тех низких концентрациях, в которых его применяют в терапии, почти не действует на эукариотические клетки. Деление названных органелл у эукариот прекращается лишь при использовании в 1000 раз более высоких его концентраций. Если воздействовать высокими концентрациями стрептомицина на эукариот (дрожжи, эвглену, точки роста высших растений), то в процессе их роста число митохондрий и хлоропластов будет уменьшаться, и можно получить  клетки  и  ткани  с сильно  пониженным  числом  этих   органелл.

Подавление синтеза нуклеиновых кислот антибиотиками. Некоторые антибиотики подавляют синтез нуклеиновых кислот. Митомицин С избирательно препятствует синтезу ДНК, не оказывая на первых порах влияния на синтез РНК и белков. Полагают, что действие его основано на образовании поперечных сшивок в двойной спирали ДНК и на разрыве ее цепей. Актиномицин D образует с двухцепочечной ДНК комплекс, присоединяясь к остаткам гуанина; он нарушает синтез РНК всех трех типов, но не влияет на репликацию ДНК. Рифампицин воздействует на ДНК-зависимую рНК-полимеразу и подавляет тем самым синтез мРНК у бактерий.

Торможение синтеза клеточных стенок. О подавлении синтеза пептидогликана у прокариот пенициллином, цефалоспорином и другими веществами, действующими на клеточные стенки, уже говорилось.

Гибель и уничтожение микроорганизмов. Под гибелью микроорганизмов имеют в виду необратимую утрату способности к росту и размножению; в лабораторных условиях это обычно означает потерю способности к образованию колоний. Многие повреждения, как правило приводящие к гибели клетки, в определенных условиях могут быть обратимы. Хорошо известно явление реактивации после облучения ультрафиолетом или воздействия высоких температур. Количественные данные относительно гибели микроорганизмов (естественной или вызванной каким-либо агентом) можно получить только для популяции, но не для отдельных клеток. В некоторых случаях скорость уменьшения числа живых клеток в популяции в любой момент времени пропорциональна числу имеющихся жизнеспособных клеток; процесс отмирания клеток подчиняется тогда кинетике реакций первого порядка N = N₀-к (где к -коэффициент, характеризующий скорость отмира ния). Это относится, например, к стерилизации облучением.