氨基糖苷类抗生素的发展和结构特征

氨基糖苷类抗生素及细菌耐药性第一节氨基糖苷类抗生素的发展和结构特征氨基糖苷类抗生素的发展和结构特征链霉素是由Waksman等于20世纪40年代初，年首先发现的由灰色链霉菌产生的氨基糖苷类抗生素。Waksman发现链霉素对人类具有两大贡献:一是链霉素在临床上的应用,拯救了无数结核病患者；二是系统地探讨土壤中微生物的拮抗作用,并指出放线菌作为抗生素来源的巨大潜力。氨基糖苷类抗生素的发展和结构特征链霉素的发现极大地刺激了世界范围内的无数学者开始系统地、有计划地筛选新抗生素,特别是注重从放线菌中筛选新抗生素,迎来了抗生素的黄金时代。氨基糖苷类抗生素品种多达200余种，其中有实用价值的品种不下30种，以抗菌谱广、疗效好、性质稳定、生产工艺简单等优势，在市场上占据了相当的分额。氨基糖苷类抗生素的发展和结构特征根据这类抗生素结构特征，卡那霉素等被列为第一代氨基糖苷类抗生素（如表所示）。这一代抗生素的品种最多，应用范围涉及到农牧业，其结构特征为分子中含有完全羟基化的氨基糖与氨基环醇相结合。本代抗生素均不抗铜绿假单胞菌。第一代氨基糖苷类抗生素品种取代类型抗生素品种4、5—双取代新霉素(NM)、巴龙霉素(PM)、核糖霉素(RM)、里威杜霉素、杂交霉素、丁酰苷菌素(BT)4，6—双取代卡那霉素A/B、突变霉素、暗霉素、NK1001、JI—20A/B、庆大霉素B等小组分单取代阿泊拉霉素、潮霉素、越霉素、新霉素A和链霉素其它春日霉素、有效霉素，奇放线菌素第二代氨基糖苷类抗生素以庆大霉素为代表的第二代氨基糖苷类抗生素的品种较第一代氨基糖苷类抗生素的品种少。但抗菌谱更广，对上述第一代品种无效的假单胞菌和部分耐药菌也有较强的抑杀作用，有替代部分前者抗感染品种的趋势。结构中含有脱氧氨基糖及对铜假单胞菌有抑杀能力是第二代品种的共同特征。第二代氨基糖苷类抗生素它们包括庆大霉素（GM）、妥布霉素（TOB）、西索霉素（Siso）、DKB（双脱氧卡那霉素B）、小诺霉素（NCR)和稀少霉素在内的拟三糖；以及包括福提霉素、istamycin、sporaricin、sanamycin、dictimicin在内的拟二糖药物。第三代氨基糖苷类抗生素以奈替米星(NTL)为代表的第三代产品，全系1—N—(2-DOS)取代的半合成衍生物。这部分内容将在第三节中加以阐述。第一第二代都为直接来源于微生物代谢的天然产物。链霉素壮观霉素小诺霉素OOOHNH2H2NOHOHOH2NOOHOHHOH2N核糖霉素抗生素RR1R2R3R4R5福提霉素ACH3HCOCH2-NH2OHHNH2福提霉素BCH3HHHNH2SporaricinA(KA-6606-I)CH3HCOCH2-NH2HNH2HSporaricinB(KA-6606-II)CH3HHHNH2HOOCNHHO2CNHMeOHHOHOHONH2OHI春雷霉素OHOOHONHHOOHCH3OH3COOOOHHO潮霉素HOOHHOHNHOHOOHOHOHOOHOHOHValidamycinAOOOOHHNOOHOHONH2NH2H2NOHCH3OHNH2OHO阿泊拉霉素氨基糖苷类抗生素的发展和结构特征有实用价值的氨基糖苷类抗生素应具有抗菌谱广、耐钝化酶强、低毒性的特点，这三者紧密相关。氨基越多，抗菌能力越强，但随之毒性也增大；而耐钝化酶广必然伴随着抗菌性能好。从第一代氨基糖苷类抗生素发展到第三代氨基糖苷类抗生素基本上反应了上述的发展规律。第二节氨基糖苷类抗生素的作用机制氨基糖苷类抗生素的作用机制氨基糖苷类抗生素抑制蛋白质合成起始过程的位点有三个:一是特异性地抑制30S合成起始复合体的形成,如春日霉素；二是抑制70S合成起始复合体的形成和使fMet-tRNA从70S起始复合体上脱离,如链霉素、卡那霉素、新霉素、巴龙霉素、庆大霉素等；氨基糖苷类抗生素的作用机制三是这类抑制70S合成起始复合体的抗生素也能引起密码错读。链霉素等抗生素造成密码错读的原因是由于其分子中有造成读错密码的活性中心——去氧链霉胺或链霉胺的缘故,而春日霉素分子中没有这种结构,也就没有造成读错密码的作用。其密码错读的结果影响了mRNA的密码子与tRNA的反密码子间的相互作用。30S核糖体的结构细菌的核糖体作为蛋白质翻译的器官，由RNA和多种蛋白质组成，核糖体可与mRNA和tRNA相结合，在多种其他蛋白质因子的参与下完成蛋白质的翻译过程，其中30S核糖体亚基与tRNA的结合是蛋白质合成的关键步骤之一。30S核糖体有三个tRNA结合位点：A（aminoacyl）P（peptidyl）E（exit）位点。在T.thermophilus的30S核糖体结构在T.thermophilus的30S核糖体中，RNA和蛋白质的分布是不对称的。20个蛋白质(命名为S2-S20和Thx)集中在30S核糖体的上部，侧部和背部；而在RNA内部区域及30S和50S的接合部，基本无蛋白质分布。16S的RNA分子则包含有超过50个规则的螺旋结构(helix,编号为H1-H45)构成，加上一些不规则的环(loop)连接其间。整个30S核糖体可大体分为四个区域：5’区域/中心域/3’主域和3’次域，前三个区域结合得较为紧凑，而最后一个区域则相对伸展在外部。T.thermophilus30S核糖体的晶体结构RNA：红色；蛋白质：蓝色氨基糖苷类抗生素与30S核糖体的结合在链霉素结合于30S核糖体的晶体结构中（无mRNA和tRNA分子），链霉素可通过氢键和盐桥与16SRNA结合，其中涉及的碱基有：U14,A914（作用于链霉胍）,G527（作用于链霉胺）,C526（作用于链霉胺）,A913（作用于链霉胺）,C1490（作用于链霉胍）和G1491（作用于链霉胍）；此外，链霉素还直接作用于蛋白质S12，S12的K45残基可与链霉胍形成两个氢键。氨基糖苷类抗生素与30S核糖体的结合巴龙霉素结合于30S核糖体的RNA（主要是A位点）后，使两个重要的碱基A1492和A1493外翻，该构型与核糖体与mRNA和tRNA结合后的构型相似，因而处于该构型的核糖体更易与mRNA和tRNA结合(不用改变构型)，使一些非配对的tRNA有可能结合于mRNA上，引起解码的精确性降低，同时由于A1492和A1493也可与巴龙霉素结合，他们不能再有效地接触于mRNA-tRNA复合物，使之不能监控tRNA分子与mRNA的结合，这同样引起蛋白质解码的精确性降低。这一机制也似乎广泛存在于含2-脱氧链霉胺的其他氨基糖苷类抗生素中。此外，巴龙霉素似乎并不与核糖体的蛋白质部分有紧密地相互作用。氨基糖苷类抗生素与30S核糖体的结合在GMC1a-RNA的复合物中，RNA的螺旋状骨架因GMC1a的插入而发生扭曲，由于A1492的凸起以及在非规则位的A1408-A1493对使RNA的大沟间距扩大了大约6.6Å，GMC1a结合其间；氨基糖苷类抗生素与30S核糖体的结合GMC1a的多个羟基和氨基则与RNA形成氢键网络，如1位和3位氨基分别与U1495和G1494形成氢键，6′氨基在能与A1493和G1491形成氢键的距离范围之内，2″羟基在氨基在能与G1405和U1406形成氢键的距离范围之内，4″羟基可与G1405和U1406形成氢键；此外在GMC1a分子内也有氢键形成，如5-OH可与2′-NH2形成羟基，这可能有助于稳定GMC1a的分子构象。氨基糖苷类抗生素与30S核糖体的结合氨基糖苷类抗生素分子中的氨基和羟基对于保持抗菌活性十分重要，如被钝化酶修饰可导致丧失活性，从GMC1a和16SrRNA的A位点结合部位来看，这些位点均和RNA分子有直接的相互作用，例如2-脱氧链霉胺（2-deoxystreptamine，2-DOS）是GMC1a的活性中心，1位和3位氨基是乙酰化转移酶(AAC1和AAC3)的靶位，任何一个氨基如被乙酰化可使GMC1a失活；在GMC1a-RNA的复合物中这两个氨基分别与U1495和G1494形成氢键；氨基糖苷类抗生素与30S核糖体的结合绛红糖胺（purposamine）的6′氨基是另一个乙酰化转移酶(AAC6′)的靶位，它则作用于A1493和G1491，2′-NH2(AAC2′的作用靶位)则作用于A1493；加拉糖胺(garosamine)中的多个羟基及一个甲胺基也可分别与16SRNA形成多个羟基。可由此推测，这些活性基团对于GMC1a结合于A位点十分重要，修饰这些基团可能导致GMC1a与核糖体的亲和力降低，影响其与核糖体的结合。氨基糖苷类抗生素与30S核糖体的结合在Geneticin（G－418）与寡聚RNA（含两个A位点）的复合物晶体结构中，A1492和A1493突出在外，而Geneticin的3′和4′的羟基分别与A1492和A1493的磷酸键中的氧形成氢键，进而稳定这一构象；与GMC1a类似，Geneticin的氨基和羟基与RNA间形成多个氢键，如6′-OH与A1408(N1)形成氢键；重要的2-DOS的1-NH2与U1495和一个水分子形成氢键，3-NH2则与A1493(O1-P)，G1494（N7和O2-P）形成三重氢键。氨基糖苷类抗生素与30S核糖体的结合妥普霉素结构上接近于卡那霉素类抗生素，在结合于寡聚RNA后，A1492和A1493同样呈突出构型，相对于Geneticin，托普拉霉素3′位无羟基，与A1492间没有氢键形成；4′羟基依旧与A1493形成羟基，并额外与一个RNA内的水分子形成氢键；2′-N则通过两个水分子分别与A1492和A1493形成氢键；2-DOS与Genteticin的2-DOS一样与RNA分子形成众多氢键。氨基糖苷类抗生素与30S核糖体的结合在潮霉素B-30S核糖体复合物的晶体结构中，潮霉素B结合于H44的顶端，在helix的大沟中；它作用于RNA的特定区域，包括1490-1500和1400-1410的核苷酸。潮霉素B的结合似乎并未严重改变RNA的构型，但可观察到一系列氢键形成与潮霉素B和RNA分子之间。第三节细菌对氨基糖苷类抗生素产生耐药性的作用机制细菌对氨基糖苷类抗生素产生耐药性的特异性作用机制一是细菌产生一种或多种有关的钝化酶来修饰进入胞内的活性抗生素使之失去生物活性；二是氨基糖苷类抗生素的作用靶位核糖体或是与核糖体结合的核蛋白的氨基酸发生突变，而使进入胞内的活性抗生素不能与之结合或结合力下降。一、钝化酶介导的耐药机制（一）氨基糖苷类抗生素钝化酶的生物学特性对氨基糖苷类抗生素产生耐药的细菌往往是通过细菌产生的酰基转移酶(acetyltransferases,AAC)；腺苷转移酶(adenylytransferases,ANT)；磷酸转移酶(phosphotransferases,APH)对进入胞内的活性分子进行修饰使之失去生物活性。一、钝化酶介导的耐药机制（一）氨基糖苷类抗生素钝化酶的生物学特性在这类耐药菌中，编码这些钝化酶的耐药基因通常是由质粒携带且其中很多与转座子相连，加速了这些耐药基因在种间的传递。一、钝化酶介导的耐药机制（一）氨基糖苷类抗生素钝化酶的生物学特性对这些钝化酶所用的符号定义如下：AAC（酰基转移酶）、ANT（核苷酸或腺苷酸转移酶）、APH（磷酸转移酶）为酶修饰的类型；(1)、(3)、(6)、(9)、(2’)、(3’)、(4’)、(6’)、(2’’)和(3’’)表示酶的作用位点；I、II、III、IV和V表示独特的耐药模式；a、b、c为独特的蛋白类型；因此，AAC(6’)-Ia和AAC(6’)-Ib表示二种具有不同蛋白特性的同一种酶，其催化同一反应；编码这些酶的基因用相应的符号，如aac(6’)-Ia和aac(6’)-Ib分别编码能够催化同一反应的两种酶蛋白的基因。链霉素大观霉素（二）氨基糖苷类抗生素的同源性和其他一些特性1）APH亚类，它包括所有已知的3’磷酸化酶；2）AAC(6’)-Ib、AAC(6’)-IIa、AAC(6’)-IIb和AAC(6’)-APH(2’’)双功能蛋白的AAC(6’)部分