抗生素具有高效的抑菌作用，被廣泛用于人類和動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，目前所占市場份額較大。天然抗生素可分為四環(huán)素類、大環(huán)內(nèi)酯類、 β-內(nèi)酰胺類、氨基糖苷類等。

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

       四環(huán)素類抗生素是一類由放線菌產(chǎn)生的廣譜抗生素，該類抗生素主要應用于由革蘭陽性和陰性細菌、細胞內(nèi)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，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(jié)合從而發(fā)揮抗菌活性。即四環(huán)素類抗生素的抗菌機制是四環(huán)素類藥物優(yōu)先與細菌核糖體結(jié)合，并與30S核糖體亞基中高度保守的16S rRNA靶點相互作用、形成可逆結(jié)合體，在延伸過程中通過空間干擾帶電荷的氨基酰基tRNA與mRNA-核糖體復合物結(jié)合，阻止新氨基酸進入新生肽鏈來抑制細菌生長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

       長期廣泛使用四環(huán)素類藥物會造成細菌對該類藥物產(chǎn)生明顯的耐藥性，迄今為止，已有59個四環(huán)素耐藥基因被報道過。它們可以通過以下兩種不同的機制介導對四環(huán)素類藥物的抗性。其一是通過外排泵主動外排四環(huán)素。最常見的四環(huán)素特異性外排泵是轉(zhuǎn)運蛋白主要異化子超家族的成員。最新統(tǒng)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(nèi)的藥物濃度有所下降，減少了核糖體與四環(huán)素類藥物的結(jié)合，從而產(chǎn)生耐藥性。其二是通過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具有顯著序列和結(jié)構(gòu)相似性的GTP酶。RPPs與核糖體結(jié)合可以逆轉(zhuǎn)扭曲核糖體結(jié)構(gòu)，引起核糖體構(gòu)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)素類藥物不能與其結(jié)合并從結(jié)合位點30S亞基上解離，從而起到保護核糖體的作用。

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

       氨基糖苷是從放線菌中提取出的天然或半合成抗生素。自1943年首次發(fā)現(xiàn)第一種氨基糖苷類抗生素—鏈霉素以來，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性細菌引起的感染中。

       氨基糖苷類抗生素屬于靜止期抑菌的藥物，可與繁殖期抑菌藥物(β-內(nèi)酰胺類抗生素)合用進行協(xié)同抗菌。氨基糖苷類抗生素主要作用部位也是核糖體，通過阻止細菌蛋白質(zhì)合成的起始階段、肽鏈延伸階段和終止階段進行抑菌。在原核生物多肽鏈合成的起始過程中，氨基糖苷類抗生素可與30S亞基結(jié)合，干擾核糖體30S起始復合物的組裝；在多肽鏈的延伸過程中，氨基糖苷類與30S亞基A位結(jié)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，氨基糖苷類抗生素可以阻止終止密碼子與核糖體結(jié)合，進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抗生素的失活、靶位點改變和膜滲透性降低。①細胞膜通透性發(fā)生改變可能會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，這些微生物進化出了毛細孔蛋白，它們在抗生素和其他小分子有機化學物質(zhì)中充當非特異性的出入口點。當這些毛細孔蛋白數(shù)目明顯減少時，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型，包括氨基糖苷核苷轉(zhuǎn)移酶(ANTs)，氨基糖苷乙酰轉(zhuǎn)移酶(AACs)和氨基糖苷磷酸轉(zhuǎn)移酶(APHs) 。酶修飾失活是細菌對氨基糖苷類抗生素最普遍的耐藥機制。 AMEs與-OH或-NH2等官能團共價結(jié)合，能干擾抗生素與16S rRNA中A位點的結(jié)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抗生素的作用靶點，rRNA在抗生素與核糖體結(jié)合中起著關(guān)鍵作用。由于靶點的改變，抗生素不能與核糖體結(jié)合。例如，質(zhì)粒介導的16S rRNA甲基化酶(16S rRNA methyltransferases RMTs)會改變特定的rRNA核苷酸殘基以阻止氨基糖苷有效結(jié)合到其位點，使細菌對該類藥物產(chǎn)生高水平耐藥。

       3、大環(huán)內(nèi)酯類抗生素 (macrolide antibiotics)

       大環(huán)內(nèi)酯類抗生素的典型結(jié)構(gòu)是母核中含有大環(huán)內(nèi)酯環(huán)，大環(huán)內(nèi)酯類抗生素主要對革蘭陽性菌有效，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(nèi)酯類抗生素不可逆地結(jié)合到細菌核糖體50s亞基上，在肽轉(zhuǎn)移酶中心附近的新生肽釋放通道(nascent peptide exit tunnel, NPET)內(nèi)占據(jù)一個位置，從而抑制蛋白質(zhì)的合成。大環(huán)內(nèi)酯與NPET的結(jié)合后，能在肽鏈延長階段使得肽?；鵷RNA從核糖體上解離，導致與大環(huán)內(nèi)酯結(jié)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(zhuǎn)肽作用和mRNA移位過程，由此阻礙肽鏈增長，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(nèi)酯類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(zhuǎn)移酶基因編碼的甲基轉(zhuǎn)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(nèi)酯環(huán)C5位置的糖類發(fā)生特定的相互作用，甲基化會干擾產(chǎn)生氫鍵的形成，導致大環(huán)內(nèi)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的突變會改變核糖體靶位點，阻止大環(huán)內(nèi)酯的結(jié)合。其二是大環(huán)內(nèi)酯的細胞內(nèi)濃度降低，細菌能夠逃避大環(huán)內(nèi)酯類藥物作用的一種方法是通過使用外排泵降低細胞內(nèi)濃度。與大環(huán)內(nèi)酯類密切相關(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(jié)合盒(ATP-binding cassette, ABC)家族的成員。 Mef泵用作反向轉(zhuǎn)運蛋白，用質(zhì)子交換已結(jié)合的大環(huán)內(nèi)酯。 Mef蛋白不使用

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

       4、β-內(nèi)酰胺類抗生素 (β-lactam antibiotics)

       β-內(nèi)酰胺類抗生素是現(xiàn)有抗生素中應用最廣的一類。β-內(nèi)酰胺類均含有一個四元的β-內(nèi)酰胺，多數(shù)情況下還存在一個五元或者六元的并環(huán)。根據(jù)并環(huán)結(jié)構(gòu)的不同，β-內(nèi)酰胺類抗生素又進一步分為青霉素類、頭孢菌素類、非典型β-內(nèi)酰胺類。不同結(jié)構(gòu)的β-內(nèi)酰胺類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(zhuǎn)肽酶的轉(zhuǎn)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細胞，是革蘭陽性菌抵御內(nèi)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，研究結(jié)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(wěn)定的復合物，被稱為青霉素結(jié)合蛋白(penicillin-binding proteins ,PBPs)，是β-內(nèi)酰胺類抗生素的主要靶位。 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(jié)構(gòu)與肽聚糖末端結(jié)構(gòu)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鍵結(jié)合，抑制黏肽轉(zhuǎn)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。而哺乳動物細胞無細胞壁，不受該過程影響，故此類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(shù)抗菌藥物一樣，細菌通過三種主要機制產(chǎn)生對β-內(nèi)酰胺類抗生素的抗性。 PBPs表達減少或者突變是革蘭陽性菌對β-內(nèi)酰胺類抗生素耐藥的重要機制。①產(chǎn)生β-內(nèi)酰胺酶。細菌產(chǎn)生的β-內(nèi)酰胺酶能與抗生素的羰基部分共價結(jié)合，破壞其環(huán)狀結(jié)構(gòu)，導致β-內(nèi)酰胺類抗生素在到達靶點之前就被降解。 β-內(nèi)酰胺酶還可非水解性地迅速牢固地結(jié)合β-內(nèi)酰胺類抗生素，使其不能進入靶位發(fā)揮作用。②PBPs的改變。PBPs為β-內(nèi)酰胺類藥物的作用靶點，當PBPs發(fā)生基因突變時，導致β-內(nèi)酰胺類抗生素與其目標PBPs之間的親和力喪失，藥物無法通過與其作用部位結(jié)合而發(fā)揮藥效，進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使抗生素無法進入菌體內(nèi)，導致藥物與靶點的結(jié)合減少，從而使菌體內(nèi)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.抗生素類藥物的研究現(xiàn)狀和進展[J].國外醫(yī)藥(抗生素分冊),2019,40(04):295-301.DOI:10.13461/j.cnki.wna.005229.

       作者簡介：小泥沙，食品科技工作者，現(xiàn)就職于國內(nèi)某大型藥物研發(fā)公司，從事營養(yǎng)食品及功能性食品的開發(fā)與研究。