Cтуденттерді биотехнологиялық жолмен антибиоктиктерді алу әдістерімен, рекомбинантты ДНҚ әдістерімен, таныстыру

Тақырыбы: Жалғасы. Антибиотиктерді  алу.

 

Мақсаты:   студенттерді биотехнологиялық жолмен антибиоктиктерді алу әдістерімен, рекомбинантты  ДНҚ әдістерімен, таныстыру 

 

 

Дәріс жоспары:

1. Антибиотиктер. Антибиотиктер биосинтезінің түрлі жолдары.

2. Микроорганизмдер – антибиотиктердің продуценттері.

3. Антибиотктер өнімдерінің реттелуі

4. Антибиотиктерді синтездеу технологиясы

5. Антибиотиктердің қолданылуы.

 

 

 

 

 

 

 

Антибиотиктер.

Антибиотиктер биотехнология, медицина тарихында ереше орын алды. Е. Хаувник 1984ж биотехнологияның даму кезеңдерін анықтағанда, оның бір кезеңін  «антибиотиктер дәуірі» деп атаған. Әрине, бұл өте дұрыс, өйткені  вакциналармен қатар антибиотиктер  адамзатты жүз мыңдай, миллиондаған адам өмірлерін әкететін, меғмлекеттер тіршілігіне әлеуметтік және экономикалық былықты тудыратын глобальдық инфекциялардан сақтандырған. Бүгін олар өте маңызды, ең алдымен, қолданылатынбарлық дәрілердің ішінде 13% қамтитын емдеу-профилактикалық препараттар ретінде қарастырылуы.

«Антибиотик» термині (anti – қарсы, bios - өмір) 1944 жылы стрептомицин Stp.griseus продуцетін ашқан З. Ваксман  енгізген  болатын. Антибиотиктер  – бұл антимикробтық бтологиялық  белсенділігі бар табиғи заттар. Олар микробтық клеткалардан, өсімдік  және жауар тіндерінен бөлінеді; химиялық жолмен синтезделуі де мүмкін.

Антибиотиктер пигменттер, алкалоидтар, уыттар сияқты мироорганиздердің  екіншілік метаболиттері. Олардың  биологиялық міндеті – қоректік ортадағы мироорганизмдердің басқа  бөтен топтарының тіршілігін басып  жою.

Бұл молеклярлық салмағы  төмен, шамамен 1000 дальтон, клеткада амин қышқылдардан, көмірсулардан, май қышқылдарынан, пуриндерден және т.б. синтезделеді. Антибиотктер – бұл тікелей емес трансляцияның өнімдері, күрделі  биосинтетикалық жолға ие. Сонымен  қатар, антибиотиктернегізгі алмасудың  метаболиттеріне жатпайды және клеткалар  олардың қатысуынсыз тіршілігін сақтай алады.

Жалпы антибиотктердің 9000 астам  түрлері белгілі, олардың 200 қосылысы медицинада және басқа саларда қолданылады. Олардың ішінде пенициллиндердің, цефалоспориндердің, әсіресе оларды жартылай синтетикалық туындылары.аминогликозидтердің, макролиттердің, сонымен қатар синтетикалық препараттардың ішінде – фторхинолдардың өндірісі басым.

Антибиотктерді басқа  биологиялық заттардан айыратын қасиеті – олардың антимикробтық  әрекеті және бұл әрекеттің бір  бағыттылығы болуында. 

Медицинада қолданылатынантибиотиктер  ветеринарияда, ауыл шаруашылығанда қолданылмайды  және керісінше.

Антибиотиктер биосинтезінің  түрлі жолдары.

Антибиотиктер екіншілік  метаболитер болып, өскен дақылдың стационарлық фазасында, идиофазасында  синтезделеді.

Антибиотиктер продуцент  клеткаларының ішіне жиналып, тек  аз мөлшерде клеткадан тыс қоршаған ортаға (нистатин) бөліне алады, сонымен  қатар, клетка ішінде ортақ мөлшерде болып, тура солай белсенді түрде (ристомицин, кандицидин) немесе басым ортаға (стрептомицин, тетрациклин, макролидтер) бөліне алады.

Құрамында ароматтық туындылар  қамтитын антибиотиктердің көптеген түрі бар. Олар микроорганизмдер клеткаларында  ароматикалық аминқышқылдардың түрленуі кезінде аралық және ақырғы өнімдерден синтезделеді. Бұл шиким қышқылының биосинтетикалық жолы.

Осылай, хлроамфениколдың және коринециннің ілеспелі С-С байланыстары хоризмді. Қышқылдан (n-аминофенилаланин – аралық метаболит арқылы), рифамциннің  ароматикалық компоненті – антранил қышқылынан; актиномициннің ароматикалық сақиналары – антранил қышқылынан және т.б. «ауыстырылады».

Негізгі бастапқы зат –  шиким қышқылы эритрозо-4-фосфаттың (пентозо-фосфатты циклдің өнімі) фосфоенолпируватпен (гликолиз өнімі) конденсациялау нәтижесінде  түзіледі де, одан кейін хоризмді қышқылға айналады.

Str.venezuelae клеткалармен хлроамфениколдың  синтезі – ароматикалық аминқышқылы  тирозиннің биосинтезіне ұқсас.  Бірақ, хлроам-феникол синтезі  езінде хоризмді қышқыл тирозин  синтезі кезіндегідей n-оксифенилпирожүзім  қышқылына айналмай, n-аминофенилпирожүзім  қышқылына айналады.,

Көптеген антибиотиктер  биосинтезінің негізгі кезеңі конденсация  жолымен өтетін полимеризация реакциялары  болып табылады:

         - полимер тізбегінде кето- және  метиленді топтардың кезектесіп  ацетеат-малонатты (сирек пропионат-метилмалонатты) бірліктердің поликетидтегі синтезі;

        - тиоматрицалық  механизмі бойынша олиго- және  полипептидтер түзілуімен жүретін  амнқышқылдар;

        - олигосахаридтердің  түзілуіменқатар моносахаридтер (аминосахаридтер)

Бұл конденсация реакциялары  микроорганизмдердің клетка қабырғалары  компоненттері син\тезінің, метаболизм жолының негізгі реакцияларына  ұқсас. Мысалы, поликетдті синтезін белгілі  бір дәрежеде тиоматрицалық механизм, мембрана ретінде қарастыруға болады, ал көмірсу табиғатты антибиотиктер  түзілуін грам теріс макроорганизмдердің  клетка қабырғаларның полисахаридтер синтезіне ұқсастығы бар.

Полимеризациямен қатар  антибиотиктер біріншілік метаболиттердің  модификациясы жолымен немесе бірінші  модификацияланаған метабулиттердің  конденсацясымен синтезделе алады. Жеке антибитиктердің синтезі нуклеозидтердің  метеболизмімен байланысты.

        Стрептомицин, сизомцин және гентамицин сияқты  аминогликоздтердің құрылымдық  формулаларына жасалған сараптау  негізінде айтуға болады, олардың  биосинтезі көмірсулардың (глюкоза,  аминоқанттар) бірліктеріне негізделген.  Глюкозадан амногликозд молекулаларындағы  қант қалдықтарынан бақа, олардың  аминоциклоттық ферменті де синтезделе  алады. Стрептомцин моликуласының  басқа екі фрагменті пентоза  (стрептоз) және L- глюкозамин де көмірсу  текті. Стептомицин малекуласының  синтезі осы 3 компонентінқосылуымен  аяқталады. Антбиотиктің босинтезін микроорганизмдердің жиырмадан астам түрі ферменттері жүзеге асырады.

       Жалпы  актиномцеттермен және кейбір  мицеллалы саңырауқұлақтармен снтезделетін 150 астам нуклеозид табиғатының  антибиотиктері белгелі. Олардың  биосинтезі пуриндік және пиримидиндік  нукеотдтердің метоболизм жолының  синтезіне ұқсас. Мысал ретінде, Str.antibioticus түзетін вирусқа қарсы  видарабин деген антбиотик жолынан  пайда болды.  

       Фунгицидтық  қасиеті бар және ауыл шаруашылықта  қоданатын полиоксин туыстығының  антибиотиктер тобы тура сол  нуклеозидтік табиғаттың және  уридиннің метаболим жолының  шығырылған.

       Антибиотиктердің  көп мөлшері поликетидті жолмен  синтезделеді. Бұлар эритромицин,  тетрациклин, рифамицн, макролдтер, полиэфирлік антибиотиктер. Олерды  көбінесе актиномицеттер, сирек  миксобактериялар және псевдомонадтар  өндіреді. Аталмыш антиботикалық  қосылыстардың полимеризация механизмі  клеткалық мебраналардағы май  қышқылдардың биосинтезіне ұқсас.  Сонымен қатар қоса реакцияларды  жүзеге асыратын біріншілік құрылымы  ферменттердің биохимиялық реакцияларға  да ұқсас. 

Сөйтіп, актиномицеттердің  күрделі тиоэфирлік қосылысты түзетін  активті түрдегі ацетаттың және малонаттың конденсациясы (ацетил СоА) екі синтезбен жүзеге асырылды –  І және ІІ типті поликетометиленсинтезі; бұл бастапқы биосинтез үрдісі поликетідті  антибиотиктерге және май қышқылдарда  ұқсас.

Пропион қышқылы және пропил спирті макролидті антибиотиктердің биосинтезін  метилмалонил СоА арқылы ширатады.

Тетрациклиннің синтезін малонды қышқылдың моноамиді  күшейтеді.

Эритромицин – бұл кето- және метилді топтары бар 14-атомды лактонды макроцил, оның қант қалдықтары келесі құрылыс белоктардан аонденсацияланады  – ацетаттың 1 молекуласы, малонттың 4 молекуласы, метилмалонттың 7 молекуласы және этилмалонаттың 1 молекласы.

Рифамциннің құрылыс жүйелері – 3-амино-5-гидроксибензойлы қышқылды, малонттың 2 қалдығын, метилмалонттық 6 қалдығын қамтиды.

Поли эфирлік қосылыстарға жататын 80 астам антибиотиктер синтезделген. Бұл монензин, салиномицин және т.б. кокцидиозды емдеуде фунгистатиктер ретінде, ауыл шаруашылық жануарлардың өсуін ширатушы ретінде қолданады. Монензин А-ның құрылыс жүйелері – ацетонның 1 млекуласы, малонттың 4 моекуласы, метилмалонттың 7 молекуласы және этилмалонттың 1 молекуласынан  құралған.

Пептидті антибиотиктердің бірсыпырасы рибосомадағы ақуыздардың  транскрипция жүйелерін қолданумен өндіріледі. Бұндай антибиотиктер –  лантибиотиктер деп аталады (құрамында  треонин немесе серн мен цистеин  қалдықтары арасында күкіртті байланыстары бар лантонинді құрылымдар бар). Бұл  стрептококктар және бациллалармен  өндірілетін низин және сбутилин; актиномицеттермен – анковенин  және актогардин. Олар прелантибиотиктер  деп аталатын ірі, рибосомаларда  синтезделетін пептидтерден түзіледі. Мысалға, циклді пептидті антибиотик –  граммицдин С6 идиофазада Dacillus brevis продуцирленеді, өйткені граммицидн С – синтетаза, клеткадағы өсудің логарифмді фазасы аяқталмағанша түзілмейді. Екі тізбектен  тұратын күрделі антибиотиктер  әр тізбегінде 5 маинқышқылдар қалдықтары (фенилаланин, прлин, орнитин, валин, лейцин) кездеседі.

Полимиксин В (продуценті топырақ апоратүзуші бактерия  Baccilus polymyxa) аминқышқылдардың қалдықтарымен , май қышқылдар құрылымдарының қалдықтарымен  айырмашылығы бар 20-дан астам түрлі полимиксиндердің өкілі болып табылады. Бұл антибиотик 3 бөліктен құралды: сызықты типептид, циклді пептид және 6-метлоктанды қышқыл қалдығы молекуланың пептидті емес бөлігі.

Микроорганизмдер – антибиотиктердің продуценттері.

Антибиотикалық заттарды көбінесе актиномицеттерге, бактерияларға, мицелиальды саңырауқұлақтарға  жататын топырақ микрорганизмдердің түрлі топтары синтездейді. Бұлар  сапрофттер, аэробтар, гетеротрофтар.

Топырақ анаэробтары, ацетонды-бутилді, дссульфатты, пропионды қышқылды бактерялар арасында антибиотиктер продуценттері  сирек кездеседі, сесебі анаэробтар бәсекелеу  ортасын ашыту метаболттердің жинақталуымен жасайды: бутанол, пропион  қышқылы, сірке қышқылы, этанол сонымен  қатар сульфидтердің, күкіртсутекті  және т.б. өнімдер арқасынды.

Антибиотиктердің продуценттері  сіке-қышқылды, тиолды. Метилотрофты бактериялар  арасында кездеспейді. Бұл аэробтар бақталастыққа кірмейді, себебі қоршаған мкрорганизмдер  олардың арнайы субстратын қолданбайды, немесе олар құрайтын өте қышқыл жағдайларда тіршілік ете алмайды.

Микроорганизмдердің бір  түрі табиғаты жағынан әр түрлі антибиотиктерді  өндіре алады және керісінше, бір  антибиотикті таксономиялық топтары  әр түрлі микрорганизмдер синтездей  алады. Мысалға, Str.griseus-тің түрлі  штамдары ортаның жағдайларына байланысты: амногликозид – стрептомицин, плоинді  антибиотик – кандицидин, пептидті антибиотик – виридогризенді түзеді. Пенициллиндерді, бетелактамды антибиотиктерді  мицелалы  саңырауқұлақтардан басқа, кейбір актиномицеттер де синтездейді.

Антибиотиктердің продуценттері  арасында доминантты орынды актиномицеттер алады. Микроорганизмдердің осы  тобымен синтезделетін 4000 астам  антибитиктер белгілі. Актиномцеттердің тек бір түрі Str.griseus 50 шақты антибиотикалық  қослыстарды синтездейді. Бактериялар текті 1000 астам антибиотиктер белгілі, продуценттері көбінесе Bacillus туысының топырақ, споратүзуші бактериялары. Олармен минтезделетін антибиотиктер табиғаты пептидті.

Мцеллалы саңырауқұлақтар  антибилтиктердің продуценттері ретінде, ең біріншіден беталактамдармен –  пенициллн және цефалоспоринмен  белгілі. Саңыруқұлақтардың негізгі  продуценттері: Penicillum6 Cephalosporim (Аcremonium).

Актиномицеттермен синтезделетін  антибиотиктер:

• тетрациклиндер (хлор-, окситетрациклиндер және олардың туындылары –доксициклин, метациклин – Str.grimsus, Str.aureaciens)

• аминогликозидтер (стрептомцин – Str.greseus; неoмицин – Str.feadiae; канмицин – Str.kanamyceticus);

• макролидтер (эритромицин - Str.erythraeus; оландомицин – Str.antiioticus);

• ароматикалық қосылыстар (хлорамыеникол – Str.venezuelae)

• полеинді (амфотеррицин В, нистатин –Str7nourazei);

• рифамциндер (рифампицин – Str.{Nocardia} mediterranei);

• антрациклдер және ісікткрге қарсы (болеомицин –Str.verticillius).

Тетрациклндер, аминогликозидтер,макролидтер  және ароматикалық қосылыстар трансляциясын  тежейді.

Полеинді антибиотиктер  лейкоз ауруының қоздырғыштардың цитоплазмалық  мембранасының өткізгіштігін бұзады.

Рифамцндер бактериялардың РНқ-полмеразасын тежейді. Антрациклиндер ДНҚ репликациясын бұзады.

Бакреиялар – пептидті антибититердің продуценттері:

граммицидинС, bacillus brevis, Р.Дюьро,1939;

Полимиксин В, bscillus polimyxae, 1947 және т.б.

Бацитрациндер, Bscollus lichenformis.

Пептидті антибиотиктер прокартиоттардың цитоплазмалық мембранасының өткізгіштігін бұзады.

Мицеллалы саңырауқұлақтар беталактамды антибиотиктермен олардың туындыларын түзеді, олар грам теріс әсіріесе, грам оң микроорганизмдердің клетка қабырғасы компоненті – пептидогликан синтезін тежейді

• пенициллиндер (пенициллин және олардың жартылай синтетикалық туындылары;

• цефалоспориндер (цефалоспорин С және туындылары)

• цефамциндер )цефамцин С, цефоксин)

Синтетикалық және жартылай синтетикалық антибиотиктер – фторхинолондар –офлосацин, эноксацин, пефлоксацин  және т.б., прокариоттардың ДНҚ-ның  суперспирализациясына жауап беретін  ДНҚ-гираза ферментінің активтігін ингибирлейді.

Өсімдік антибиотктерін –  фитонцидтерді 1928ж. Б. Токин сипаттаған болатын; химимлық таза күйінде тұрақты  емес, бунин, жалбыздан сальвн, шалғамнан  рафанин және т.б.

Жануартекті антибиотик заттар: осетрбалықтардан экмолин, эритроцттерден эритрин, лизоцим және интерферонның  микробоцидтік әрекеті басым.