Enzime bacteriene și rezistență la antibiotice
AM Egorov
Facultatea de Chimie, M.V. Universitatea de Stat Lomonosov din Moscova, Leninskie Gori, 1, clădire. 3, Moscova, 119991, Rusia
M. M. Ulyashova
Facultatea de Chimie, M.V. Universitatea de Stat Lomonosov din Moscova, Leninskie Gori, 1, clădire. 3, Moscova, 119991, Rusia
M. Yu. Rubtsova
Facultatea de Chimie, M.V. Universitatea de Stat Lomonosov din Moscova, Leninskie Gori, 1, clădire. 3, Moscova, 119991, Rusia
Abstract
Rezistența microorganismelor la antibiotice se dezvoltă de peste 2 miliarde de ani și este răspândită pe scară largă printre diferiți reprezentanți ai lumii microbiologice. Enzimele bacteriene joacă un rol cheie în apariția rezistenței. Clasificarea acestor enzime se bazează pe participarea lor la diverse mecanisme biochimice: modificarea enzimelor care acționează ca ținte antibiotice, modificarea enzimatică a țintelor intracelulare, transformarea enzimatică a antibioticelor și implementarea reacțiilor de metabolism celular. Principalele mecanisme de dezvoltare a rezistenței sunt asociate cu evoluția superfamiliei de enzime bacteriene datorită variabilității genelor care le codifică. Colecția tuturor genelor de rezistență la antibiotice este cunoscută sub numele de rezistom. Zeci de mii de enzime și mutanții lor care pun în aplicare diferite mecanisme de rezistență formează o nouă comunitate numită „enzistomul”. Analiza structurii și caracteristicilor funcționale ale enzimelor, care sunt țintele diferitelor clase de antibiotice, ne vor permite să dezvoltăm noi strategii pentru depășirea rezistenței.
INTRODUCERE
Rezistența la antibiotice a agenților cauzali ai bolilor infecțioase este o problemă globală în biologie și medicină [1, 2]. Medicamentele antimicrobiene moderne (DMA) reprezintă cel mai mare grup de medicamente farmaceutice, incluzând 16 clase de compuși naturali și sintetici (Fig. 1).
Principalele clase de medicamente antimicrobiene, țintele lor și efectul lor asupra principalelor procese de activitate vitală a unei celule bacteriene
Sinteza antibioticelor există în natură de mai bine de 2 miliarde de ani. În tot acest timp, bacteriile au dezvoltat mecanisme de rezistență la acțiunea lor toxică. Rezistența poate apărea ca un proces adaptiv care nu are legătură cu structura unui antibiotic sau se poate dezvolta ca rezultat al selecției tulpinilor rezistente de microorganisme sub influența antibioticelor. Factorii antropici asociați cu aplicarea antibioticelor în medicină și, mai ales, în agricultură de la mijlocul secolului al XX-lea au dus la o evoluție semnificativă a mecanismelor de rezistență; timpul necesar dezvoltării rezistenței la medicamente noi s-a redus semnificativ [3, 4].
Rolul enzimelor bacteriene în dezvoltarea rezistenței este destul de versatil și implică mai multe mecanisme cheie (Fig. 2) [5]. Enzimele implicate în biosinteza peretelui celular, precum și sinteza acizilor nucleici și a metaboliților, servesc drept țintă directă pentru antibiotice. Mecanismul de rezistență este asociat cu modificări structurale ale acestor enzime. Un alt mecanism este asociat cu modificarea enzimatică a elementelor structurale afectate de antibiotice: de exemplu, modificarea ribozomilor prin metiltransferaze. Un grup mare de enzime modifică sau distrug structura antibioticelor prin inactivarea lor. Enzimele care catalizează procesele metabolice și modifică AMD sub formă de promedicamente sunt, de asemenea, implicate în dezvoltarea rezistenței.
Clase de enzime implicate în diferite mecanisme de rezistență la medicamente antimicrobiene
Enzimele bacteriene care determină rezistența aparțin de obicei superfamiliei mari; multe dintre ele provin din enzime care inițial aveau alte funcții [6]. Genele responsabile de sinteza acestor enzime și variabilitatea lor mutațională sunt adesea localizate pe elemente genetice mobile, asigurând astfel răspândirea rapidă a rezistenței între microorganisme.
Această revizuire prezintă date privind caracteristicile funcționale ale principalelor clase și grupuri de enzime bacteriene implicate în implementarea mecanismelor de rezistență bacteriană la DMA.
ENZIMELE BACTERIENE CA OBIECTIVELE AMD
Proteine care leagă penicilina
Domeniile C-terminale ale tuturor PBP sunt țintele antibioticelor β-lactamice, care constituie mai mult de jumătate din toate DMA utilizate în prezent [10]. Aceste antibiotice conțin un inel β-lactamic, un analog structural al dipeptidei D-Ala-D-Ala și, prin urmare, acționează ca inhibitori competitivi ai PBP. Interacțiunea dintre gruparea carbonil din inelul β-lactam și grupul hidroxil al serinei în centrul activ al unui PBP dă naștere unei forme acilate inactive a enzimei. Inhibarea ireversibilă perturbă sinteza peretelui celular bacterian [9, 10].
Principalele motive pentru care bacteriile gram-pozitive dezvoltă rezistență la antibiotice β-lactamice includ mutații în PBP-urile native, hiperproducerea lor și sinteza de noi PBP care sunt insensibile la inhibarea de β-lactame [11]. Astăzi, răspândirea tulpinilor Staphylococcus aureus rezistente la meticilină și alte peniciline semisintetice și cefalosporine reprezintă o amenințare [12]. Rezistența este determinată de expresia celei de-a cincea enzime, PBP2a (în plus față de cele patru PBP native), care are o afinitate scăzută pentru antibioticele β-lactamice și prezintă doar activitate transpeptidază. Figura 4 prezintă mecanismul de rezistență: fără un antibiotic, ambele domenii ale unei PBP cu greutate moleculară mare sunt implicate în biosinteza peptidoglicanului (A); numai domeniul glicoziltransferazei rămâne activ într-un PBP cu greutate moleculară mare în prezența unui antibiotic, în timp ce domeniul transpeptidazei este acilat și nu formează legături încrucișate. PBP2a (B) cu greutate moleculară mică dobândită este cea care prezintă activitate transpeptidază în tulpina rezistentă. Ca urmare, viabilitatea celulei este restabilită.
Rolul proteinelor care leagă penicilina în rezistența bacteriilor gram-pozitive la antibiotice β-lactamice. Tulpină sensibilă A, tulpină rezistentă la B
Enzimele PBP2a sunt codificate de genele mecA [13] sau mecC [14]. Genele mecA și mecC, împreună cu genele care le reglementează expresia (mecI, mecR1 și mecR2), sunt componentele elementului genetic mobil al cromozomului casetei stafilococice mec [15].