Взаимодействие антибиотика с микробной клеткой может вызвать лизис клетки в результате нарушения ее осмотического барьера, может изменить проницаемость клеточной стенки, нарушить один или несколько энзиматических процессов, оказывающих влияние на метаболизм клетки.
Успехи в области молекулярной биологии позволили выяснить молекулярные механизмы действия большинства антибиотиков и определить их конкретную роль в нарушении жизнедеятельности чувствительной клетки. В зависимости от общего биохимического процесса или отдельного звена в цепи реакций, т. е. от мишени, на которую действуют антибиотики, их разделяют на ингибиторы синтеза клеточной стенки, функций цитоплазматической мембраны, синтеза нуклеиновых кислот, функций рибосом.
Наиболее универсальным ингибитором синтеза клеточной стенки бактерий является пенициллин, активно убивающий растущие культуры. Мишенью ингибиторного действия пенициллина служит фермент транспептидаза, катализирующий
образование поперечных сшивок между цепями в молекуле гликопептида. Механизм действия пенициллина сводится к тому, что он связывается с одним из активных центров фермента и необратимо инактивирует его. В результате в растущей культуре бактерий в присутствии пенициллина появляются мономеры гликопептида в виде одиночных фибрилл. Синтез несшитого гликопептида приводит к формированию дефектной клеточной стенки, в результате чего в пенициллиновой культуре либо образуются протопласты, либо клетки лизируются под действием автолитических ферментов, которые не инактивируются пенициллином. Эти ферменты играют весьма существенную роль в литическом действии пенициллина. В связи с тем, что синтез материала клеточной стенки наиболее активно происходит в области деления клетки (т. е. в области образующейся поперечной перегородки), вполне понятно бактерицидное действие пенициллина только на растущие клетки.
В настоящее время известен и ряд других антибиотиков, ингибирующих синтез гликопептида. Так, антибиотик D-цикло- серин ингибирует ферменты, катализирующие включение D-аланина в гликопептид, и вызывает образование стабильных протопластов или сферопластов.
Молекулярные механизмы действия антибиотиков на функционирование цитоплазматической мембраны чувствительных клеток изучены слабее. Предполагают, что антибиотики этой группы - грамицидин С, тироцидин, нистатин, полимиксины - взаимодействуют с белково-липидными комплексами мембраны, вызывая дезорганизацию их структуры. В результате мембраны утрачивают способность служить барьером проницаемости: На примере действия полимиксина было показано, что добавление этого антибиотика в бактерицидных концентрациях к культурам чувствительных бактерий приводит к освобождению из клеток азотистых оснований, пентоз и других низкомолекулярных веществ. Было установлено, что полимиксин, меченный флюоресцирующим веществом, взаимодействует с фосфатными группами фосфолипидов. Разветвленная концевая цепь жирной кислоты, входящей в состав полимиксина, проникает в неполярные области фосфолипидов мембраны, взаимодействует с ними, вызывая дезорганизацию и реориентацию липидов мембраны. В конечном итоге нарушается проницаемость мембраны и клетка погибает.
К антибиотикам, подавляющим синтез нуклеиновых кислот, относятся все противоопухолевые антибиотики. Химиотерапия рака на данном этапе основана главным образом на этом свойстве антибиотиков избирательно ингибировать синтез нуклеиновых кислот, причем некоторые из антибиотиков обладают множественностью механизмов действия.
Противоопухолевые антибиотики, подавляющие синтез нуклеотидов, являются структурными аналогами аминокислот и аминов (азасерин - глутамина, хадацидин - аспарагиновой кислоты) и конкурируют с ними за соответствующие ферменты. Связывание антибиотика с ферментом приводит к необратимой инактивации последнего и блокированию необходимых биосинтетических реакций. Так, азасерин подавляет синтез пуринов на стадии фосфорибозилформилглицинамидинсинтетазы, хотя к его действию чувствительны и другие реакции синтеза, которые нуждаются в глутамине. Антибиотик хадацидин подавляет синтез адениновых нуклеотидов путем блокирования аденилосукцинатсинтетазы. Ряд антибиотиков (формицин, туберцидин и др.) представляют собой аналоги азотистых оснований и в клетке могут включаться в РНК вместо нормальных нуклеотидов. В результате изменяются свойства нуклеиновых кислот и нарушаются их функции в синтезе белка. Внешне это проявляется в цитотоксическом действии антибиотиков.
Некоторые антибиотики могут подавлять синтез нуклеиновых кислот путем нарушения матричной функции ДНК. Причем одни из них оказывают прямое действие, связываясь с ДНК в комплекс антибиотик-ДНК: другие - косвенное, вызывая изменения структуры путем разрыва цепи, удаления оснований или образования сшивок.
Непосредственное действие на функции ДНК как матрицы оказывает антибиотик актиномицин, используемый в химиотерапии опухолей. Актиномицин обладает способностью связываться с ДНК- матрицей, подавляя этим самым активность РНК-полимеразы, которая катализирует синтез мРНК. Механизм действия состоит в том, что актиномицин, связываясь с молекулой ДНК, образует комплекс антибиотик - ДНК, который является своего рода блоком, препятствующим продвижению фермента РНК-полимеразы вдоль матрицы и «считыванию» информации. В результате наблюдается замедление или полное прекращение синтеза мРНК.
Образование сшивок в молекуле ДНК, которые предотвращают расхождение нитей, родительской ДНК и репликацию, вызывает антибиотик митомицин С.
Многие антибиотики, такие, как стрептомицин, тетрациклин, эритромицин, хлорамфеникол, ингибируют функции рибосом, а следовательно, синтез белка. Каждый из них взаимодействует с определенной субчастицей рибосомы (большой или малой), нарушая ее нормальное функционирование. Специфическим ингибитором белкового синтеза является хлорамфеникол. Чувствительным участком на рибосоме для хлорамфеникола является 50S- субчастица. Связываясь с ней, антибиотик подавляет пептидил- трансферазную реакцию, предотвращая образование пептидных связей и рост полипептид ной цепи, а также перемещение рибосом вдоль мРНК. Как и многие другие ингибиторы синтеза белка хлорамфеникол обладает бактериостатическим действием, однако при более высоких концентрациях может приводить к гибели чувствительные клетки.
Антибиотики тетрациклин и стрептомицин связываются с малой субчастицей рибосомы (30S) и тоже подавляют синтез белка. Тетрациклины ингибируют связывание аминоацил-тРНК с рибосомами (A-участком), стрептомицин, помимо этой реакции, вызывает ошибки трансляции мРНК (ошибки считывания) и подавляет все реакции синтеза белка. Антибиотик любой природы (независимо от его химической структуры), взаимодействующий с рибосомами, обусловливает одинаковый конечный эффект - подавление биосинтеза белка и как следствие - прекращение роста микроорганизма.