抗生素具有高效的抑菌作用，被廣泛用于人類(lèi)和動(dòng)物疾病的預防和治療中，其抑菌機制主要包括阻礙細菌細胞壁的合成、改變細胞膜的通透性、抑制細菌核糖體、RNA或其他相關(guān)酶的活性作用等。天然抗生素臨床使用較早，工業(yè)生產(chǎn)體系也日趨完善，目前所占市場(chǎng)份額較大。天然抗生素可分為四環(huán)素類(lèi)、大環(huán)內酯類(lèi)、 β-內酰胺類(lèi)、氨基糖苷類(lèi)等。

       1、四環(huán)素類(lèi)抗生素 (tetracycline antibiotics)

       四環(huán)素類(lèi)抗生素是一類(lèi)由放線(xiàn)菌產(chǎn)生的廣譜抗生素，該類(lèi)抗生素主要應用于由革蘭陽(yáng)性和陰性細菌、細胞內支原體、衣原體和立克次氏體引起的感染性疾病。

       核糖體是所有活細胞中蛋白質(zhì)的合成位點(diǎn)，由蛋白質(zhì)和RNA組成。許多研究表明，四環(huán)素能與細菌核糖體的RNA組分結合從而發(fā)揮抗菌活性。即四環(huán)素類(lèi)抗生素的抗菌機制是四環(huán)素類(lèi)藥物優(yōu)先與細菌核糖體結合，并與30S核糖體亞基中高度保守的16S rRNA靶點(diǎn)相互作用、形成可逆結合體，在延伸過(guò)程中通過(guò)空間干擾帶電荷的氨基酰基tRNA與mRNA-核糖體復合物結合，阻止新氨基酸進(jìn)入新生肽鏈來(lái)抑制細菌生長(cháng)和存活所必須的蛋白質(zhì)的合成，從而起到抗菌效果。

       耐藥機制

       長(cháng)期廣泛使用四環(huán)素類(lèi)藥物會(huì )造成細菌對該類(lèi)藥物產(chǎn)生明顯的耐藥性，迄今為止，已有59個(gè)四環(huán)素耐藥基因被報道過(guò)。它們可以通過(guò)以下兩種不同的機制介導對四環(huán)素類(lèi)藥物的抗性。其一是通過(guò)外排泵主動(dòng)外排四環(huán)素。最常見(jiàn)的四環(huán)素特異性外排泵是轉運蛋白主要異化子超家族的成員。最新統計表明，細菌中有30種不同的四環(huán)素特異性外排泵。外排泵基因編碼了膜相關(guān)的外排蛋白，能積極地將藥物泵出細胞外，導致細胞內的藥物濃度有所下降，減少了核糖體與四環(huán)素類(lèi)藥物的結合，從而產(chǎn)生耐藥性。其二是通過(guò)細菌核糖體保護蛋白的作用。四環(huán)素核糖體保護蛋白(ribosomal protection proteins, RPPs)最初描述于空腸彎曲桿菌和鏈球菌中，是與延伸因子EF-G和EF-Tu具有顯著(zhù)序列和結構相似性的GTP酶。RPPs與核糖體結合可以逆轉扭曲核糖體結構，引起核糖體構型的改變，直接干擾四環(huán)素D-環(huán)和16S rRNA堿基C1054的相互堆積作用，使四環(huán)素類(lèi)藥物不能與其結合并從結合位點(diǎn)30S亞基上解離，從而起到保護核糖體的作用。

       2、氨基糖苷類(lèi)抗生素 (aminoglycoside antibiotics)

       氨基糖苷是從放線(xiàn)菌中提取出的天然或半合成抗生素。自1943年首次發(fā)現第一種氨基糖苷類(lèi)抗生素—鏈霉素以來(lái)，因其良好的抗菌活性和廣泛的抗菌譜被大量用于治療由革蘭陰性和革蘭陽(yáng)性細菌引起的感染中。

       氨基糖苷類(lèi)抗生素屬于靜止期抑菌的藥物，可與繁殖期抑菌藥物(β-內酰胺類(lèi)抗生素)合用進(jìn)行協(xié)同抗菌。氨基糖苷類(lèi)抗生素主要作用部位也是核糖體，通過(guò)阻止細菌蛋白質(zhì)合成的起始階段、肽鏈延伸階段和終止階段進(jìn)行抑菌。在原核生物多肽鏈合成的起始過(guò)程中，氨基糖苷類(lèi)抗生素可與30S亞基結合，干擾核糖體30S起始復合物的組裝；在多肽鏈的延伸過(guò)程中，氨基糖苷類(lèi)與30S亞基A位結合，使得讀碼錯誤，導致異常蛋白質(zhì)的合成；在多肽鏈合成的終止階段，氨基糖苷類(lèi)抗生素可以阻止終止密碼子與核糖體結合，進(jìn)一步使已合成的肽鏈不能釋放，并抑制70S核糖體的解離，阻止蛋白質(zhì)的合成循環(huán)。

       耐藥機制

       氨基糖苷耐藥有多種形式，包括酶修飾導致氨基糖苷類(lèi)抗生素的失活、靶位點(diǎn)改變和膜滲透性降低。①細胞膜通透性發(fā)生改變可能會(huì )引起細菌對藥物攝取和積累的減少，從而導致細菌耐藥。革蘭陰性菌的外膜同時(shí)是疏水性和親水性物質(zhì)的屏障。為了克服這種滲透性障礙，這些微生物進(jìn)化出了毛細孔蛋白，它們在抗生素和其他小分子有機化學(xué)物質(zhì)中充當非特異性的出入口點(diǎn)。當這些毛細孔蛋白數目明顯減少時(shí)，細菌產(chǎn)生耐藥性。②細菌能產(chǎn)生氨基糖苷修飾酶，鈍化氨基糖苷類(lèi)抗生素，導致抗菌素產(chǎn)生耐藥性。氨基糖苷修飾酶有三種不同類(lèi)型，包括氨基糖苷核苷轉移酶(ANTs)，氨基糖苷乙酰轉移酶(AACs)和氨基糖苷磷酸轉移酶(APHs) 。酶修飾失活是細菌對氨基糖苷類(lèi)抗生素最普遍的耐藥機制。 AMEs與-OH或-NH2等官能團共價(jià)結合，能干擾抗生素與16S rRNA中A位點(diǎn)的結合，從而導致抗生素與核糖酰-tRNA親和力降低，使抗生素失活。③核糖體是氨基糖苷類(lèi)抗生素的作用靶點(diǎn)，rRNA在抗生素與核糖體結合中起著(zhù)關(guān)鍵作用。由于靶點(diǎn)的改變，抗生素不能與核糖體結合。例如，質(zhì)粒介導的16S rRNA甲基化酶(16S rRNA methyltransferases RMTs)會(huì )改變特定的rRNA核苷酸殘基以阻止氨基糖苷有效結合到其位點(diǎn)，使細菌對該類(lèi)藥物產(chǎn)生高水平耐藥。

       3、大環(huán)內酯類(lèi)抗生素 (macrolide antibiotics)

       大環(huán)內酯類(lèi)抗生素的典型結構是母核中含有大環(huán)內酯環(huán)，大環(huán)內酯類(lèi)抗生素主要對革蘭陽(yáng)性菌有效，對革蘭陰性菌的作用有限。它們對真核生物的活性很低，因為它們與真核生物核糖體的親和力較弱。其作用機制是大環(huán)內酯類(lèi)抗生素不可逆地結合到細菌核糖體50s亞基上，在肽轉移酶中心附近的新生肽釋放通道(nascent peptide exit tunnel, NPET)內占據一個(gè)位置，從而抑制蛋白質(zhì)的合成。大環(huán)內酯與NPET的結合后，能在肽鏈延長(cháng)階段使得肽酰基tRNA從核糖體上解離，導致與大環(huán)內酯結合的核糖體不能聚合新生蛋白中的特定氨基酸序列，從而阻斷轉肽作用和mRNA移位過(guò)程，由此阻礙肽鏈增長(cháng)，抑制蛋白質(zhì)的合成，最終起到抑菌作用。

       耐藥機制

       目前，大環(huán)內酯類(lèi)抗生素的耐藥機制主要包括兩種。其一是核糖體修飾，由紅霉素耐藥甲基轉移酶基因編碼的甲基轉移酶可以催化核苷酸A2058中的N6位置發(fā)生單甲基化或二甲基化作用。這種核苷酸與位于大內酯環(huán)C5位置的糖類(lèi)發(fā)生特定的相互作用，甲基化會(huì )干擾產(chǎn)生氫鍵的形成，導致大環(huán)內酯與核糖體50S亞基的親和力明顯下降，使得耐藥菌株的產(chǎn)生。除了rRNA的甲基化外，rRNA的突變也能產(chǎn)生耐藥性。A2058的突變會(huì )改變核糖體靶位點(diǎn)，阻止大環(huán)內酯的結合。其二是大環(huán)內酯的細胞內濃度降低，細菌能夠逃避大環(huán)內酯類(lèi)藥物作用的一種方法是通過(guò)使用外排泵降低細胞內濃度。與大環(huán)內酯類(lèi)密切相關(guān)的是外排泵的Mef和Msr亞家族，其在質(zhì)粒上編碼并且分別是MSF和ATP結合盒(ATP-binding cassette, ABC)家族的成員。 Mef泵用作反向轉運蛋白，用質(zhì)子交換已結合的大環(huán)內酯。 Mef蛋白不使用

       ATP作為能量源將抗生素泵送到細胞外，而是利用二級主動(dòng)轉運，此時(shí)ATP的能量不會(huì )直接用于大環(huán)內酯的跨膜轉運。該亞族蛋白是大環(huán)內酯類(lèi)藥物耐藥的重要決定因素之一， Mef(A)和Mef(E)是最為常見(jiàn)的，它們都可以導致細菌對14、 15元大環(huán)內酯產(chǎn)生耐藥性。 Msr蛋白通過(guò)結合大環(huán)內酯類(lèi)藥物來(lái)提供核糖體保護。

       4、β-內酰胺類(lèi)抗生素 (β-lactam antibiotics)

       β-內酰胺類(lèi)抗生素是現有抗生素中應用最廣的一類(lèi)。β-內酰胺類(lèi)均含有一個(gè)四元的β-內酰胺，多數情況下還存在一個(gè)五元或者六元的并環(huán)。根據并環(huán)結構的不同，β-內酰胺類(lèi)抗生素又進(jìn)一步分為青霉素類(lèi)、頭孢菌素類(lèi)、非典型β-內酰胺類(lèi)。不同結構的β-內酰胺類(lèi)抗生素具有相同的作用機制，其作用機制主要為藥物抑制轉肽酶的轉肽作用，從而導致細菌細胞壁合成受阻，誘發(fā)細菌死亡。

       肽聚糖是細菌細胞壁的主要成分，這種網(wǎng)狀的聚合物完全包圍著(zhù)細胞，是革蘭陽(yáng)性菌抵御內部滲透壓的唯一保護機制，使它們能夠在低滲環(huán)境中生存。近年來(lái)，研究結果表明，細菌細胞膜含有幾種特殊的蛋白質(zhì)分子，它們與青霉素能形成相對穩定的復合物，被稱(chēng)為青霉素結合蛋白(penicillin-binding proteins ,PBPs)，是β-內酰胺類(lèi)抗生素的主要靶位。 PBPs是細胞壁關(guān)鍵成分肽聚糖合成的必要酶。青霉素和頭孢菌素的結構與肽聚糖末端結構D-丙氨酰-D-丙氨酸相似，可以競爭性地與酶的活性中心以共價(jià)鍵結合，抑制黏肽轉肽酶所催化的交聯(lián)反應，嚴重破壞細菌細胞壁的形成，從而引起溶菌，導致細菌裂解死亡。而哺乳動(dòng)物細胞無(wú)細胞壁，不受該過(guò)程影響，故此類(lèi)抗生素的抗菌作用具有較高的選擇性。

       細菌中有許多復雜的機制使它們對抗生素產(chǎn)生耐藥性。與大多數抗菌藥物一樣，細菌通過(guò)三種主要機制產(chǎn)生對β-內酰胺類(lèi)抗生素的抗性。 PBPs表達減少或者突變是革蘭陽(yáng)性菌對β-內酰胺類(lèi)抗生素耐藥的重要機制。①產(chǎn)生β-內酰胺酶。細菌產(chǎn)生的β-內酰胺酶能與抗生素的羰基部分共價(jià)結合，破壞其環(huán)狀結構，導致β-內酰胺類(lèi)抗生素在到達靶點(diǎn)之前就被降解。 β-內酰胺酶還可非水解性地迅速牢固地結合β-內酰胺類(lèi)抗生素，使其不能進(jìn)入靶位發(fā)揮作用。②PBPs的改變。PBPs為β-內酰胺類(lèi)藥物的作用靶點(diǎn)，當PBPs發(fā)生基因突變時(shí)，導致β-內酰胺類(lèi)抗生素與其目標PBPs之間的親和力喪失，藥物無(wú)法通過(guò)與其作用部位結合而發(fā)揮藥效，進(jìn)而導致細菌耐藥性的產(chǎn)生。③細胞外膜通透性的改變。細胞膜滲透性的改變或增加外排泵活性會(huì )使抗生素無(wú)法進(jìn)入菌體內，導致藥物與靶點(diǎn)的結合減少，從而使菌體內抗生素的活性濃度降低。

       參考文獻

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       [2]湯雨晴,葉倩,鄭維義.抗生素類(lèi)藥物的研究現狀和進(jìn)展[J].國外醫藥(抗生素分冊),2019,40(04):295-301.DOI:10.13461/j.cnki.wna.005229.

       作者簡(jiǎn)介：小泥沙，食品科技工作者，現就職于國內某大型藥物研發(fā)公司，從事?tīng)I養食品及功能性食品的開(kāi)發(fā)與研究。