Пенициллинсвязывающие белки бактериальной клетки¶

Пенициллинсвязывающие белки — группа белков бактериальной клетки, обладающих способностью ковалентно связывать β-лактамные антибиотики (пенициллины, цефалоспорины, карбапенемы, монобактамы). В физиологических условиях эти белки выполняют функции ферментов, участвующих в синтезе и ремоделировании пептидогликана — основного компонента клеточной стенки бактерий. Именно с ними связано как проявление антибактериального действия β-лактамов, так и формирование одного из ключевых механизмов устойчивости к ним.

¶История изучения

Существование белков-мишеней пенициллина было предсказано после открытия самого антибиотика (А. Флеминг, 1928). В 1960-х годах методом радиоактивной метки пенициллина было показано, что антибиотик образует прочные ковалентные комплексы с несколькими мембранными белками Escherichia coli. Эти белки получили название «пенициллинсвязывающие» (англ. penicillin-binding proteins, PBP). Дальнейшие исследования установили их идентичность ферментам биосинтеза пептидогликана — транспептидазам и карбоксипептидазам.

¶Функции в клетке

Пептидогликан состоит из гликановых цепей, сшитых короткими пептидными мостиками. Пенициллинсвязывающие белки катализируют два типа реакций:

• Транспептидация — образование поперечных сшивок между пептидными цепями соседних гликановых нитей, обеспечивающее прочность клеточной стенки.
• Трансгликозилирование — полимеризация гликановых цепей (у высокомолекулярных PBP).

Часть белков обладает также D-аланил-D-аланин-карбоксипептидазной активностью, регулирующей степень сшивки.

¶Классификация

По молекулярной массе и функциональным свойствам пенициллинсвязывающие белки делят на две основные группы.

Высокомолекулярные белки подразделяют на класс A (бифункциональные, с транспептидазным и трансликозилазным доменами) и класс B (только транспептидазный домен). Каждый вид бактерий имеет собственный набор PBP; у Escherichia coli их около семи, у Staphylococcus aureus — четыре, у Streptococcus pneumoniae — шесть.

¶Механизм действия β-лактамов

β-Лактамное кольцо антибиотика структурно напоминает концевой фрагмент D-аланил-D-аланина — естественного субстрата транспептидазы. Фермент «ошибочно» связывает антибиотик и ацилируется по остатку серина в активном центре, после чего необратимо теряет активность. В результате нарушается сшивка пептидогликана, клеточная стенка утрачивает прочность, и растущая бактерия лизируется под действием осмотического давления. Поскольку PBP локализованы на внешней стороне цитоплазматической мембраны, антибиотику достаточно проникнуть через внешние слои клетки.

¶Устойчивость бактерий

Изменения пенициллинсвязывающих белков — один из основных механизмов резистентности к β-лактамам:

• Мутации генов PBP, снижающие сродство белка к антибиотику. Классический пример — метициллинрезистентный Staphylococcus aureus (MRSA), у которого приобретённый ген mecA кодирует дополнительный белок PBP2a с низким сродством к большинству β-лактамов.
• Приобретение новых генов (например, mecA, penA у Neisseria gonorrhoeae) путём горизонтального переноса.
• Изменение экспрессии собственных PBP.

Дополнительно бактерии используют продукцию β-лактамаз — ферментов, разрушающих антибиотик до его контакта с мишенью, и снижение проницаемости клеточной стенки.

¶Клиническое и научное значение

Пенициллинсвязывающие белки — мишень практически всего класса β-лактамных антибиотиков, составляющих значительную долю применяемых в медицине противомикробных средств. Различия в наборе и свойствах PBP у разных видов определяют спектр действия конкретных препаратов и служат основой для создания новых антибиотиков. Ингибиторы β-лактамаз (клавулановая кислота, сульбактам, тазобактам) применяют в комбинации с пенициллинами для преодоления ферментативной устойчивости. Изучение структуры PBP методами рентгеноструктурного анализа и криоэлектронной микроскопии используется при рациональном дизайне соединений, активных против резистентных штаммов.