Einfluss auf die S30 Untereinheit

• Tetrazycline

• Aminoglykoside

• Tuberactinomycine (Capreomycin)

Einfluss auf die S50 UE

• PTZ

  • Chloramphenicol

  • Lincosamide (Clindamycin)

  • Sparsomycin

  • Oxazolidinone (Linezolid)

  • Blasticidin S

  • Streptogramine A (DaltopristinA)

• Tunnel

  • Macrolide

    • Erythromycin

    • Chlorithromycin

    • Ketolide

      • Azithromycin

      • Telithromycin

    • 16 gliedrige Makrolide

      • Tylosin

      • Carbomycin

      • Spiramycin

  • Streptogramine B (Quinupristin B)

  
  

Faktor associated inhibition of the elongations cycle

• Fusidinsäure EF-G

• Kirromycin EF-TU

• Thiostrepton

• Penicilline (6-Aminopenicillansäure)

• Cephalosporine

• Carbapeneme (Thienamycine)

• Monobactame

Einige Antibiotika inhibieren die 50S Untereinheit durch das Binden an das Peptidyltransferasezentrum, welches ein wichtiges aktives Zentrum an der 50S UE ist.

• Die einen binden sehr nahe am CCA Ende der tRNA, wie z.B. Chloramphenicol. Es stört die richtige Positionierung des CCA-Endes der A-Stellen tRNA. Dadurch kann die Ausbildung der Peptidbindung zwischen der neuen Aminosäure und der Peptidkette am Ribosom nicht richtig stattfinden.

• Die anderen binden weiter weg vom CCA-Ende im “Tunnel”. Die bei der Translation entstehende Peptidkette wird durch den ribosomalen Tunnel 50S Untereinheit geschleust. Jene Antibiotika, die weiter weg binden sind die Makrolide, wie Erythromycin, und diese verstopfen den Tunnel. Somit kann der neue Peptidstrang nicht ins Zytoplasma ausgeschleust werden.

Weiter Antibiotika, die am PTC binden sind

• Lincosamide, welche die A-Stelle sterisch blockieren, sodass die tRNA nicht binden kann oder

• Sparsomycin welches die P-tRNA stabilisiert und den Peptidyltransfer hemmt.

• Oder das Linezolid (Oxazolidinone) ist zu nennen. Es verhindert die Ausbildung der Peptidbindungen durch die Inhibierung der Bindung von A- tRNA mit EF-Tu GTP an der A-Stelle der 23S rRNA der 50S Untereinheit.

Breitspektrumantibiotika wirken gegen ein breites Spektrum an Bakterien (gegen grampositive und gramnegative).

Viele Antibiotika sind effektiver gegen grampositive Bakterien (im Fall von beta-Lactam-AB ist die Zellwand besser zugänglich und auch wesentlich dicker). Um gegen gramnegative Bakterien, zu wirken müssen diese hydrophile Eigenschaften besitzen, um über die Porine ins Bakterium gelangen zu können.

Beta-Lactam-AB können je nach substituenten hydrophil genug sein um in den periplasmatischen Raum zu gelangen.

• Im Fall von Penicillinen

  • das Stickstoff-Atom am C-6 kann zusätzlich mit … substituiert sein

    • einer Aminogruppen (Amoxicillin, Ampicillin)

    • Harnstoff-Gruppe (Metzlocillin, Piperacillin, Azlocillin) + gegen Pseudomonas

    • Carbonsäuregruppe (Carpenicillin, Ticacillin) + gegen Pseudomonas

      
      

• Im Fall von Cephalosporinen

  • generationen 2-5 sind haben ebenfalls hydrophilere Substituenten und wirken daher besser gegen gramnegative Bakterien

    + gegen Pseudomonas ab 3. Generation

Beta-Lactam-Antibiotika:

• Die Struktur der Penicilline (= 6-Aminopenicillansäure) kann an bestimmten Stellen modifiziert werden, um die Eigenschaften des Antibiotikums zu verbessern.

• Als Beispiel dafür sind die Aminopencilline Ampicillin und Amoxicillin zu nennen. Diese haben eine eingefügte Aminogruppe, welche die Hydrophilie verbessert und es ihnen somit ermöglicht, durch die Porine der gramnegativen Bakterien zur Peptidoglykanschicht zu wandern und dort zu wirken.

• Die Carboxypenecilline Carbenicillin und Tircarcillin sind ebenfalls Breitbandantibiotika (Pseudomonas). Zur Verbesserung der Hydrophilie wurde auch hier ein weiterer Substituent (bei Carbenicillin eine Säuregruppe) eingeführt. Damit sie gut durch die Zellwand kommen, werden sie zunächst als Esterform verabreicht und erst danach wird der Ester zur Säure hydrolysiert, um eine bessere Hydrophilie zu erlangen.

• Ureidopenicilline, dazu zählen Mezlocillin, Piperacillin und Azlocillin, wirken ebenso gegen Pseudomonas als Breitbandantibiotikum. Als Substituent zur Verbesserung der Hydrophilie wurde eine Harnstoffgruppe eingeführt. Diese Antibiotika müssen jedoch intravenös verabreicht werden, da sie Schwierigkeiten haben die Darmwand zu passieren.

Im Decodierungszentrum findet die Basenpaarung zwischen mRNA und tRNA statt. Die tRNA wird im Normalfall in Form des ternären Komplex mit der großen GTPase EF-TU zur A Stelle gebracht, wenn die Watson Crick Basenpaarung passt bildet sich eine alpha Helix aus der kleine Furche durch 2 Adeninen (A 1492 und 1493 der h44) erkannt werden kann durch GNRA-RNA Tetraloops. Dadurch wird dem Ribosom signalisiert das die AS (Aminosäure) richtig ist und EF-TU macht GTP Hydrolyse zu GDP und fällt vom Ribosom ab. tRNA kann dann an A Stelle akkommodieren.

Aminoglykoside binden an die h44 der 30UE und induzieren Translation-misreading wodurch falsche tRNA akzeptiert werden und somit falsche Proteine gebildet werden.  

• Paromomycin ist ein Beispiel dafür.

  • Es hat eine starke Wirkung auf das misreading da es durch sein Bindung die beiden Adenine 1492 und 1493 der h44 so positioniert, wie sie normal die ausgebildete kleine Furche einer alpha Helix erkennen würden, die durch die korrekte Bindung einer tRNA mit der mRNA entsteht. Dadurch wird dem Ribosom signalisiert, dass die Basenpaarung richtig ist du die AS wird eingebaut, obwohl im Fall des Paromomycins keine korrekt Basenpaarung stattgefunden hat.

  • Meistens werden jedoch nicht vollständig falsche Basenpaarungen angenommen sondern Aminosäuren bei denen nur eine oder 2 der 3 Basen falsch sind. Somit läuft die Proteinbiosynthese zwar weiter aber es werden falsche AS eingebaut womit es zu nicht funktionellen Proteinen kommt.

Bei Beta Lactam Antibiotika ist die reaktive Gruppe der Beta Lactam Ring (steht unter Spannung und das freie Elektronenpaar vom N kann auch nicht richtig delokalisieren). An der Struktur der Beta-Lactam-AB sieht man, dass sie einem D-Ala-D-Ala Terminus eines Peptids sehr ähnlich sehen. Aus dem ergibt sich auch ihre Spezifität für die D-Ala-D-Ala Carboxypeptidasen und Carboxytranspeptidasen der Bakterien.

Durch den nucleophilen Angriffs eines Serins bildet sich ein Acylintermediat mit dem AB, welches zwar reversibel ist (kann durch den Angriff von Nucleophilen wie Wasser zb hydrolysiert werden) aber weit länger HWZ (einige h) hat als das Intermediat des natürlichen Substarts.

Somit das Enzym blockiert und die Peptidoglykansynthese gehemmt. (-> Zellmembran geschwächt -> Wasser strömt osmotisch ein -> Zelle platzt/lysiert).

Sie sind aber auch Substrate für die Beta Lactamasen, diese binden die AB (Antibiotika) und hydrolysieren den Lactamring sehr schnell, da das gebildete Intermediat nicht so stabil ist (höhere Turnover) -> inaktiveren die AB

Inhibitoren der beta-Lactamasen:

• Clavulansäure

• Penicillinsulfone (Sulbactam, Tazobactam)

• Diazabicyclooctane

• Klasse B-Inhibitoren

sind auch Beta Lactame haben aber keine antibiotische Wirkung (haben keine oder geringe Affinität tu den PBPs aber eine hohe Affinität zu den Beta Lactamasen).

• Sie bilden mit ihnen Intermediate die zwar auch wieder schnell hydrolysiert werden könnten, jedoch gibt es eine Konkurenzreaktion nämlich eine Ismoerisierung durch die ein zweiter angriff eines Nucleophils möglich gemacht wird, also einer 2. Beta Lactamase. Dadurch werden zwei Enzyem gekoppelt und inaktiviert. Das passiert im Fall der Clavulanate sowie der Penicillin Sulfone (Sulbactam und Tazobactam).

• Bei dem Diazabicyclooctan Avibactam bildet sich ein nicht hydrolysierbares Aclyinetermediat. In allen Fällen werden die Lactamasen kovalent verändert.

• Für Class B Lactamasen werde Zink Chelatoren verwendet.

Grampositive und gramnegative Bakterien haben einen unterschiedlichen Zellwandaufbau.

• Das Zytoplasma wird bei beiden durch eine Phospholipiddoppelschicht begrenzt und bei beiden ist eine Peptidoglykanschicht mit ähnlichen Crosslinks vorhanden.

• Zwischen der Phospholipiddoppelschicht und der Peptidoglykanschicht liegt der Periplasmatischen Raum.

• Die Peptidoglykanschicht ist bei grampositiven Bakterien viel dicker ausgeprägt (90%) als bei gramnegativen Bakterien (10%).

• Gramnegative Bakterien haben über der Peptidoglykanschicht noch eine äußere Membran in die v.a. Lipopolysacchariden eingelagert sind. In der äußeren Schicht befinden sich Porine, durch die Moleküle die äußere Membran durchdringen können. Um gegen gramnegativen Bakterien wirken zu können, müssen Antibiotika die Porine passieren können.

  
  

  
  

  
  

  Zielmoleküle für Antibiotika befinden sich während der Peptidoglykanbiosynthese. Es gibt unterschiedliche Angriffspunkte (PBPs, Transglykosylase).

  • beta-Lactam-AB:

    PBPs (Penicilin-bindende Proteine) sind Carboxy-Peptidasen und Carboxyl-Transpeptidasen, die das Crosslinken (Quervernetzung) von Peptidoglykanschichten bei der Zellwandbiosynthese katalysieren. (machen Isopeptidbindung zw. Lysin und Alanin). Die Transpeptidase katalysiert den Schritt , wo die c-terminale D-Ala D-Ala Struktur des Pentapeptids aktiviert wird, das c-terminale D-Ala abgespalten wird und ein Lysin (bzw. DAP oder Glycin) nucleophil angreifen kann und so eine Isopeptidbindung aufgebaut .

  • Vancomycin:

    Ein Schritt vorher werden durch die Transglykosylase aus den Disacchariden Zuckerketten gemacht. (Peptid-AB). Für beide scheint  die c-terminae D-Ala D-Ala Struktur wichtig zu sein. (Peptid-Antibiotika binden daran, beta-Lactam-Antibotika imitieren sie).

Fluorchinolone inhibieren bakterielle Gyrase/Topoisomerase, die eine essentielle Funktion in der DNA-Replikation haben. Bei der DNA-Replikation muss die DNA aufgespindelt werden. Dabei entstehen supercoil DNA. Die Spannungen können durch Gyrasen (=Topoisomerasen II) oder Topoisomerase IV aufgelöst werden, indem sie einen der DNA Stränge durchschneiden und die 5‘ Phosphatgruppe vorübergehend kovalent an eine Tyrosin Seitenketten des Enzyms binden (an die Untereinheit GyrA).

Dieser Zustand wird von Fluorchinolonen gebunden und stabilisiert.

Der Chinolinring kann dabei zwischen die Basen interkalieren und über die Keto-Carboxylgruppe kommt es über Ma2+ zur Kompelxbildung mit der DNA und der GyrA.

• Die Ketocarboxygruppe ist dafür essentiell

• Der Stickstoff des Chinolinrings muss substituiert sein, damit es zu keiner Tautomerie der Ketogruppe kommt

Durch die Stabilisierung des teneren Kompelxes kann das 5‘ Ende wird nicht mehr mit dem 3‘ Ende verknüpft -> die DNA-Strangbrüche führen zum Zelltod.

Grundsätzlich sind Antibiotikaresistenzen ein natürliches Phänomen. Durch intrinsische Mutationen bei der Replikation des bakteriellen Genoms können Bakterien Wachstumsvorteil gegenüber Antibiotika erlangen. Anwendungsfehler tragen stark zur Entstehung von Antibiotika-Resistenzen bei.

Es gibt unterschiedliche Wege, wie Resistenzen entstehen: Punktmutationen, ganze genomische Veränderungen, horizontaler Gentransfer durch Plasmide. Dadurch kann es zu einer erhöhten Genexpression oder zur Erwerbung neuer Funktionen kommen (z.B. Target mutation, Effluxpumpen).

Bei Flourchinolonen:

• es kann zu Mutationen der GyrA-Untereinehit kommen -> so dass Fluorchinoline nicht mehr so gut binden können

• Effluxpumpen

• Qnr-Proteine (Factor associated protection) können sich an die GyrA anlagern und so die Bindung de Fluorchinolone verhindern

• Acetylierung und Abbau der Fluorchinoline

Vancomycin = ein Glycopeptid, weil es als Stucktur ein glycosyliertes Peptid ist.

Es hemmt einen Schritt bei der Bildung der bakteriellen Peptidoglycan-Schicht. Mit seiner großen “tassenförmigen” Molekülstruktur bindet es über 5 Wechselwirkungen an die C-Terminale D-Ala-D-Ala-Strucktur. Dadurch verhindert es die Verbindung der Disachherideinheiten von Lipid II (Disaccherideinheiten bestehen aus N-Acetylgucosamin und N-Acetylmuraminsäure).

Damit hemmt es den Aufbau der Zellwand -> Stabilität nimmt ab -> Zelle kann osmotisch aufschwellen und lysieren.

Betroffen sind gram-positive Bakterien

Ein wesentlicher Resistenzmechanismus, der zur Entstehung von Vancomycin resistenten Enterokokken führt ist metabolic beypassing. Normalerweise wird die Pentapeptidsequenz bei der Zellwandsynthese durch Enzyme synthetisisert und hat am Ende eine D-Ala-D-Ala sequenz. Als Resistenzmechanismus kann diese Sequenz aber von anderen Enzymen (Van A,B,C) verändert werden, so dass am Ende eine D-Ala-D-Lactat seqezenz ist (Verringerung der Affinität um das 1000fache).

Die Proteine, die die nicht ribosomale Peptidsynthese katalysieren und durch die dann das modifizierte Pentapeptid entsteht,  können über Plasmide von Bakterium zu Bakterium weitergegeben werden (extrinsisch) oder durch Mutatationen im Bakterim entstehen (intrinsich).

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Das Glykopeptid-Antibiotikum Vancomycin bindet über 5 Wasserstoffbrückenbindungen an die C-terminale D-Ala-D-Ala-Sequenz des Pentapeptids (= Lipid-II) der Peptidoglykanbausteine. Hier spielt v.a. die Amidbindung des Alanins eine Rolle, da es zur Wasserstoffbrückenbindung mit der Carbonylgruppe von Vancomycin kommt. Dadurch kann das Lipid-II-Molekül, das auf der zytoplasmatischen Seite gebildet und dann auf die extrazelluläre Seite geflippt wird, nicht durch die Transglykosylase zu Dimeren verknüpft werden. Das heißt, Vancomycin hemmt die Transglykosylase.  In weiterer Folge kann es nicht zum Crosslinking der Peptidoglykane durch die Penicillin-bindenden Proteine (PBPs) kommen. Somit wird die bakterielle Zellwandsynthese gehemmt.

Bei der Vancomycin-Resistenz handelt es sich um einen metabolischen Bypass, der entweder intrinsisch oder erworben sein kann. Intrinsisch wird durch Punktmutationen im Target die C-terminale D-Ala-D-Ala-Sequenz des Pentapeptids durch eine andere Aminosäuresequenz substituiert (nicht ribosomale Peptidsynthese). Vancomycin resistente Enterokokken (VRE) haben daher eine modifizierte C-terminale D-Ala-D-Ala-Peptidstruktur (D-Ala-D-Lac). Dadurch nimmt die Affinität von Vancomycin zum Pentapeptid ab. Da die Amidbindung des Alanins im Lactat nicht mehr vorhanden ist (stattdessen Esterbindung), fällt eine Wasserstoffbrückenbindung weg und es kommt zur Abstoßung. Die Proteine, die die nicht ribosomale Peptidsynthese katalysieren und durch die dann das modifizierte Pentapeptid entsteht,  können über Plasmide von Bakterium zu Bakterium weitergegeben werden (extrinsisch).

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Vancomycin greift an der Transglycosylase an (Ein Schritt vor der Transpetidase). Dort werden aus Disacchariden Zuckerketten gemacht.

Vancomycin ist die wichtigste Klasse der Transglycosylase-Inhibitoren. Es bindet über 5 Wasserstoffbrückenbindungen an die C-terminale D-ala-D-ala Struktur des Peptidoglycan Bausteinses. Es Sequistriert dadurch die Precursor Bausteine des Lipid II (Verknappung des Lipid Precursors) und verhindert Transpeptidation und Transglycosilation, sprich es inhibiert den Ausbau des Netzwerkes.

Vancomycin ist selbst ein glykosyliertes Peptid.

Glykopeptidantibiotika haben eine tassenförmige Architektur in die die C-terminale D-ala-D-ala Struktur des Pentapeptids gut hineinpasst.

VRE = Vancomycin resistant enterokokken

Normalerweise wird eien H-Brückenbildung mit der Carbonylgruppe von Vancomycin und der D-ala-D-ala Struktur ausgebildet. VRE synthetisieren jedoch ein Pentapeptid, welches mit Laxtat anstatt ALA endet. Sprich D-Ala-D-Lactat. Dadurch hat es eine Ester Verbindung un es kann keine H-Brückenbindung mehr hergestllt werden. Zusätzlich führt es sogar zu einer Abstoßung. Dies bewirkt eine Verringerung der Affinität um das 1000fache.

Der Resistenzmechanismus wird Metabolic Beypassing genannt.

Gegen einzelne Antibiotika gibt es immer mehrere unterschiedliche Resistenzmechanismen. Ursachen dafür sind

• Punktmutationen;

• strukturelle genomische Veränderungen, die zu einer erhöhten Expression von bakteriellen Genen führen

• sowie horizontaler Gentransfer (durch genomische Rekombinationen oder Weitergabe von Plasmiden von Bakterium zu Bakterium).

Beim Faktor assoziierten Schutz produzieren Bakterien Faktoren, die den Zielort vor der Wirkung des Antibiotikums schützen:

• Tetrazykline: Faktor-assoziierte Protektion des Ribosoms: Tet(O) und Tet(M) können GTP-abhängig die Bewegung der 30S UE katalysieren, sodass das Tetrazyklin vom Ribosom runtergeworfen wird. Dadurch ist das Ribosom wieder im post-State und die A-Stelle ist frei für den Decodierungsschritt. Tet(O) und Tet(M) agieren daher als Schutzfaktoren des bakteriellen Ribosoms.

• Fluorchinolone: Faktor-assoziierte Protektion: Die Proteine der Plasmid-vermittelten-Quinolon-Resistenzgene binden an die Topoisomerase und verhindern die Wechselwirkung des Antibiotikums mit dem Komplex aus 5‘-Ende der DNA und Topoisomerase.

• Makrolide: „Eprouvettenbürsten-Modell“: die Bakterien translatieren spezifische Oligopeptide, die so kurz sind, dass sie fertig synthetisiert werden können bevor die Translation durch die Makrolide, die den ribosomalen Tunnel verstopfen, angehalten wird. Nach deren Hydrolyse werden sie durch den Tunnel hinausgeschleust und entfernen dabei die Makrolide wie eine Eprouvettenbürste.

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Bei Schutzfaktoren werden vom Bakterium selbst Faktoren gebildet, welche an die jeweilige Stellen binden und somit eine Bindung des Antibiotikums verhindern oder das AB von der Bindungsstelle werfen.

Ein Beispiel dafür ist TEt(O)/Met(M). Normalerweise bindet Tetracyclin im Post State an der A Stelle (Decodierungsstelle) und verhindert dadurch sterisch die Akkomodation der tRNA. Das Ribosom ist blockiert.

Tet(O) funktioniert ähnlich wie EF-G (katalysiert die Translokation). Tet O kann GTP abhänig die 30S 50 S untereinheit-Bewegung so katalysieren, dass Tetracyclin von der Bindungsstelle runtergeworfen wird und somit der Elongationszyklus forgesetzt werden kann. sogenannte Ribosomal Protection Genes.

Ein weiteres Beispiel sind spezifische oligopeptide die translatiert werden, welche Macrolide aus dem ribosomalen Tunnel werfen und quasi als Bürste dienen um den Weg für die wachsende Peptidkette frei zu machen.

Fluorchinolonresistenz durch plasmid-mediated quinolone resistance (PMQR) Gene, welche die Bindung an den Komplex verhindren oder gewisse Flurochinolone abbauen.

beta-Lactam und ??

Der wesentliche Schritt der durch AB gehemmt wird ist die Elongation. Diese AB wirken am besten und sind am wenisgsten toxisch.

Beispiele:

• 30 S-UE -> Decodierungszentrum (A-site-Inhibitoren)

  • Tetrazycline

  • Aminoglycoside

  • Tuberactinomycine

• 50 S-UE -> Nähe des Peptidyltransferase-Zentrums

  • AB, die die Peptidyltranferase-Reaktion hemmen

    • Chloramphenicol

    • Oxazolidinone (Linezolid)

    • Blasticin S

    • Lincosamide (

  • AB, die den “Tunnel” in der 50 S-UE für die naszierende Polypeptidkette blockieren

    • Makrolide

      • 16-gliedrige

    • Streptogramine B (Quin…

• AB welche die Funktion von Elongationsfaktoren beeinträchtigen

  • Kirromycin -> EF-Tu

  • Fusidinsäure -> EF-G

  • Thiostrepton -> bindet an die 50S-UE (h43 h44 L11) und verhindert die Signalweiterleitung vom Ribosom an EF-G, dass GTP gespalten werden kann -> keine GTPase-Aktivität -> keine Konformationsänderung -> EF-G bleibt gebunden

Glykopeptid AB = Vancomycin

Vancomycin ist AB, das die bakterielle Zellwandquervernetzung beeinträchtigt.

Es ist ein sehr großes Molekül, das eine glykosylierte Peptidstruktur besitzt.

Im Rahmen der Mureinbiosynthese bindet Vancomycin an die D-Ala-D-Ala-Struktur des Pentapeptids von Lipid II aus dem die Peptidoglycane aufgebaut sind. Dadurch verhindert es die Verknüpfung der Disaccharid-Einheiten (N-Acetylmuraminsäure-N-Acetylglucosamin) durch die Transglycosylase.

-> Dadurch wird der Aufbau gestört und die Zellwandstabilität geschwächt -> es kommt zum osmotischen Anschwellen der Zellen bis hin zum Platzen/zur Lyse.

es ist ein Watch group-AB

Es wirkt v.a. gegen grampositive Bakterien zb

• Staphylokokken

• Streptokokken

• Clostidium difficile

Resistenzen:

• Metabolic beypassing: die Sequenz des Pentapeptids kann verändert werden -> daduch ist am C-terminalen Ende keine D-Ala-D-Ala-Struktur mehr, sondern eine D-Ala-D-Lactat-Struktur (statt Amid -> Ester). Vancomycin kann an sie nicht mehr binden (der O der Carboxylgruppe stößt Vancomycin ab)

  VRE= Vancomycin resistente Enterokokken haben eine tausendfach geringere Vancomycin-Bindungsaffinität

Schutzfaktoren sind Proteine, die von Bakterien als Resistenzmechanismus gebildet werden um die Wirkung von Antibiotika abzuschwächen/zu verhindern. Sie werden oft über Plasmide weitergegeben.

Tet(O) und Tet(M) bei Tetrazyclinen

• sind beides Schutzfaktoren, die ähnlich aufgebat sind wie EF-G. Sie binden an die A-Stelle in tetrazyclingebundenen Ribosomen und verursachen durch GTP-Hydrolyse einen Pseudotranslokationszyclus. Dadurch werfen sie Tetrazykline vom Ribosom ab, da sie dessen Bindungsstelle konformationell verändern und das Ribosom befindet sich wieder in POST-STATE und ist einsatzfähig für eine neue Aminoacyl-tRNA.

Oligopeptide bei Makroliden

• Bakterien können kurze Oligopeptide als Resistenzmechanismus translatieren. Diese fungieren als “Flaschenputzer” und können das im Tunnel gebundene Makrolid hinauswerfen -> das Ribosom ist dann wieder einsatzfähig

Onr-Protein bei Fluorochinolinen

• kann an Toposisomerase binden und so die Interaktion von Fluorochinolinen mit der Topoisomerase verhindern

Oxazolidinone (Linezolid)

• bindet in der Nähe des PTZ an die 50 S-UE und blockiert die Peptidbindungsbildung zw der tRNA auf der A-Stelle und der tRNA auf der P-Stelle. => blockiert Proteinbiosynthese

Fluorchinolone

• binden an GyrA und und DNA (über Mg) und blockieren Wiederverknüpfung der DNA -> Strangbrücke -> Tod des Bakteriums

• Norfloxacin, Ofloxacin, Ciprofloxacin, Levofloxacin 2nd

• Moxifloxacin 4th

Sulfonamide

Nitrofurane

??? Carbapeneme (sind von Naturstoffen abgeleitet, aber instabile und werden daher synthetisch hergestellt)

• sind beta-Lactame

• haben keinen S, sonder nur C-Atome im annilierten Ring

• Imipenem, Ertapenem, Meropenem, Thienamycin

1. Screening nach antimikrobiell wirksamen Isolaten

2. bei Treffer

   • reinsubstenz isolieren

   • ebentuell Genom des Organsismus sequenzieren

   • Molmasse

   • Strukturanalyse

   • ist die Substanz neu -> dann Name und Nummer

3. Charakterisierung der Wirkart/Wirkaktivität

   • MIK

   • bakteriozid/statisch/lytisch

   • Wirkspektrum (welchen Bakterien werden gehemmt)

   • gibt es Resistenzentwicklungen (man gibts über längeren Zeitraum in Subletaler Konzentration

   • wie wirkt es auf Säugetierzellen

4. Wirkmechanismus und Biosynthese in Ursprungsorganismus untersuchen

5. Toxizität, Wirksamkeit und Pharmakokinetik, Pharmakodynamit in VIVO untersuchen (Mäuse)

1. Screening

   Screening von diversen noch nicht untersuchten Bakterienstämmen, Pilzen, Insekten (Ameisen) etc.

   Man versucht Isolate von den erhaltenen Sekreten zu gewinnen und testet diese anschließend auf ihre antimikrobielle Wirksamkeit (zB gegeb Staphylococcus aureus)

2. Treffer => analysieren

   Wenn man eine wirksame Substanz erhält:

   • Das Genom des Oranismus sequenzieren.

   • Dann wurde der aktive Wirkstoff identifiziert.

     • zuerst aufgereinigt

     • dann molare Masse bestimmt mittels Massenspekroskopie (hatte 1242 Da)

     • und dann die Struktur mittels NMR-Spektroskopie aufgeklärt

   • Benennen

     wenn die Substanz noch in keiner Datenbank eingetragen ist -> Name und Nummer wurden der Verbindung gegeben

     -> Teixobactin (KP006601)

3. Biosyntheseweg (im Bakterium) identifizieren

   es wurde das Genom des Bakterium untersucht und 2 nicht-ibosomale Peptid-Synthetase-Gene konnten identifiziert werden (txo1 und txo2). Dadurch kann man den Biosyntheseweg des Bakteriums vorhersagen. (ist eine sehr einzigartige Biosynthese)

4. Charakterisierung der Aktivität/Wirkart von Teixobactin

   • es wird die MIK für verschiedene Bakterienstämme untersucht. (kleinere MIK = besser Wirksam)

   • BAKTERIOZID und BAKTERIOLYTISCH

   • Auch konnte keine Resistenzentwicklung festgestellt werden. (MIK hat sich im Laufe von 27 Tagen, in denen eine S. aureus Population sub-MIK-Konzentration von Teixobacin ausgesetzt hat, nicht verändet.)

   • Auch eine Toxizität gegen Säugetierzellen bei 100 mg/ml konnte nicht festgestellt werden.

5. Wirkungsmechanismus identifizieren

   • Teixobactin hemmt starkt die Synthese von Peptidoglycan und hatte keine Effekte auf DNA, RNA oder Proteinbiosynthese.

     • Da es zu keiner Resistenzentwicklung kam (Punkt 6.) kann davon ausgegangen werden, dass das Target kein Protein ist.

     • daher kann davon ausgegangen werden, dass Teixobactin ein Hemmer der Peptidoglycan-Synthese ist

       • Es bindet an Lipid I, Lipid II oder C55PP (Undecaprenyl-Pyrophosphat)

6. In vivo-Wirksamkeit

   wurde an Mäusen getestet und verlief positiv (Toxizität, Wirksamkeit, und Pharmakokinetik wurden überprüft)

   
   

wird von den gram-negativen Eleftheria terrae produziert. Die Substanz kann durch die außere Membran nicht die gram-negativen Bakterien selbst schädigen. (dieser Schutzmechanismus kann sich eigentlich nicht auf gram-positive Bakterien übertragen)

Wirkart/Aktivität:

• Bakteriozid und bakteriolytisch gegen S. aureus

• wirkt gegen gram-positive jBakterien

• auch gegen MRSA und VRE

• es wurde keine Resistenzentwicklung festgestellt

Wirkmechanismus:

Bei gram-positiven hemmet und destabilisiert Teixobactin auf mehrere Arten die Zellmembran/Peptidoglycanschicht (Zusammenlagerung und Aufbau wird gehemmt)

• Es bindet an C55PP (undecaprenyl-pyrophosphat) und an den erten Zuckerrest am Lipidcarrier und hemmt so die Peptidoglycan-Schicht-Synthese

  • es wirkt auch gegen VRE mit Modifiziertem Lipid II

    • Lipid II-D-Ala-D-Lac oder

    • Lipid II-D-Ala-D-Ser

    • statt Lipid II-D-Ala-D-Ala

• Es hat einen Einfluss auf die Synthese und Verankerung von Teichoinsäure in der Peptidoglycanschicht (anitbacteriell und lytische Wirkung)

Durch die Wirkung an mehreren wesentlichen Schritten der Peptidoglycan-Zellwand ist eine Resistenzbildung unwahrscheinlich.

Zusatzinfo:

Teixobactin ist ein Antibiotikum, das aus Bodenbakterien isoliert wurde. Es wurde erstmals im Jahr 2015 entdeckt und hat aufgrund seiner besonderen Eigenschaften in der medizinischen Forschung viel Aufmerksamkeit erregt.

Was Teixobactin von anderen Antibiotika unterscheidet, ist seine Fähigkeit, gegen eine breite Palette von Bakterien wirksam zu sein, einschließlich solcher, die resistent gegen herkömmliche Antibiotika sind. Es zeigt Aktivität gegen grampositive Bakterien, einschließlich antibiotikaresistenter Stämme wie Methicillin-resistenter Staphylococcus aureus (MRSA) und Vancomycin-resistenter Enterokokken (VRE).

Teixobactin wirkt, indem es die Bakterien daran hindert, ihre Zellwand aufzubauen, was für ihr Wachstum und ihre Vermehrung notwendig ist. Es bindet an spezifische Lipidbausteine, die in der Zellwand von Bakterien vorkommen, und stört so ihre Struktur und Funktion.

Ein weiterer bemerkenswerter Aspekt von Teixobactin ist seine geringe Anfälligkeit für die Entwicklung von Antibiotikaresistenzen. Da es auf mehrere Ziele abzielt und die Bildung von Resistenzen erschwert, könnte es eine vielversprechende Option für die Behandlung von Infektionen sein.

Obwohl Teixobactin vielversprechend ist, befindet es sich derzeit noch in der frühen Entwicklungsphase und wurde nicht für den klinischen Einsatz beim Menschen zugelassen. Weitere Forschung und klinische Studien sind erforderlich, um seine Sicherheit, Wirksamkeit und potenzielle Anwendungen zu untersuchen. Es besteht jedoch Hoffnung, dass Teixobactin eine neue Klasse von Antibiotika repräsentieren könnte, um der wachsenden Herausforderung der Antibiotikaresistenz entgegenzuwirken.

Konkret bindet Teixobactin an Lipid II und Lipid III, die Vorläufermoleküle für die Synthese der peptidoglykanen Komponente der Zellwand. Peptidoglykan ist ein wesentlicher Bestandteil der Zellwand, der eine feste und schützende Hülle um die Bakterienzelle bildet.

Durch die Bindung an Lipid II und Lipid III stört Teixobactin die normale Assemblierung und den Aufbau des peptidoglykanen Netzwerks in der Zellwand. Dies führt zu einer Veränderung der Zellwandstruktur und beeinträchtigt die Integrität der Bakterienzelle. Letztendlich führt dies zum Zelltod der betroffenen Bakterien.

Ein interessantes Merkmal von Teixobactin ist seine Fähigkeit, verschiedene Zielstrukturen in der bakteriellen Zellwand anzusprechen, was die Wahrscheinlichkeit von Resistenzen reduziert. Bakterien haben Schwierigkeiten, Resistenzen gegen Teixobactin zu entwickeln, da es mehrere Schlüsselkomponenten der Zellwand angreift, anstatt sich nur auf ein einzelnes Zielmolekül zu konzentrieren.

Es ist wichtig anzumerken, dass Teixobactin hauptsächlich gegen grampositive Bakterien wirksam ist, da die betroffenen Lipidbausteine in der Zellwandstruktur von gramnegativen Bakterien weniger zugänglich sind.

1. Screening

   Zuerst wurden bisher nicht kultivierte Bodenbakterien kultiviert. Im Falle von Teixobactin wurde dafür ein spezielle Apperatur verwendet mit der deutlich mehr Bodenbakterien erfolgreich kultiviert werden konnten als auf einer normalen Petri-Platte.

   Von den gewonnenen Kulturen wurden 10 000 Isolate extrahiert und anschließend auf ihre anitmikrobielle Aktivität gegenüber Staphylococcus aureus getestet.

2. Treffer

   Ein einziger Extrakt von der neuen Bakterienspezies Eleftheria terrae hat eine gute Wirksamkeit gezeigt.

   Das Genom wurde sequenziert.

3. Identifizieren

   Dann wurde der aktive Wirkstoff identifiziert.

   1. zuerst aufgereinigt

   2. dann molare Masse bestimmt mittels Massenspekroskopie (hatte 1242 Da)

   3. und dann die Struktur mittels NMR-Spektroskopie aufgeklärt

4. Benennen

   die Substanz war noch in keiner Datenbank eingetragen -> Name und Nummer wurden der Verbindung gegeben

   -> Teixobactin (KP006601)

   = ein Depsipeptide (enthält Enduracididin, Methylphenylalanin udn 4 D-Aminosäuren)

5. Biosyntheseweg (im Bakterium) identifizieren

   es wurde das Genom des Bakterium untersucht und 2 nicht-ibosomale Peptid-Synthetase-Gene konnten identifiziert werden (txo1 und txo2). Dadurch kann man den Biosyntheseweg des Bakteriums vorhersagen. (ist eine sehr einzigartige Biosynthese)

6. Charakterisierung der Aktivität/Wirkart von Teixobactin

   es wird die MIK von Teicobactin für verschiedene Bakterienstämme untersucht. (kleinere MIK = besser Wirksam)

   • Es zeigt eine gute Aktivität gegen gram-positive Bakterien wie

     • Clostridium difficile

     • B. anthracis

     • M. tuberculosis

   • und auch gegen Multiresistente Stämme wie

     • S. aureus (MRSA)

     • VRE (Entrococcus faecalis, Enterococcus faecium)

   • gegen gram-negative Bakterien kaum wirksam

     • E. coli, Pseudomonas aeruginosa, Klebsiella pneumoniae

   Teixobaktin wirkt BAKTERIOZID und BAKTERIOLYTISCH (gegen S. aureus) (= Bakterienanzahl lebender Zellen nimmt ab UND Anzal der Zellen allgemein)

   Auch konnte keine Resistenzentwicklung festgestellt werden. (MIK hat sich im Laufe von 27 Tagen, in denen eine S. aureus Population sub-MIK-Konzentration von Teixobacin ausgesetzt hat, nicht verändet.)

   Auch eine Toxizität gegen Säugetierzellen bei 100 mg/ml konnte nicht festgestellt werden.

7. Wirkungsmechanismus identifizieren

   • Teixobactin hemmt starkt die Synthese von Peptidoglycan und hatte keine Effekte auf DNA, RNA oder Proteinbiosynthese.

     • Da es zu keiner Resistenzentwicklung kam (Punkt 6.) kann davon ausgegangen werden, dass das Target kein Protein ist.

     • daher kann davon ausgegangen werden, dass Teixobactin ein Hemmer der Peptidoglycan-Synthese ist

       • Es bindet an Lipid I, Lipid II oder C55PP (Undecaprenyl-Pyrophosphat)

8. In vivo-Wirksamkeit

   wurde an Mäusen getestet und verlief positiv (Toxizität, Wirksamkeit, und Pharmakokinetik wurden überprüft)

   
   

Im Fall eines Depsipeptids enthält die Molekülstruktur sowohl Peptidbindungen als auch Esterbindungen. Dies unterscheidet sie von herkömmlichen Peptiden, bei denen ausschließlich Peptidbindungen zwischen den Aminosäuren vorliegen.

eine Resistenz bedeutet, ein Bakterium eine angeborene oder erworbene Eigenschaft hat, wodurch es kaum oder gar nicht durch ein AB beeinträchtigt wird.

• es ist etwas quantitatives (die MIK ist bei resistenten Stämmen höher als bei unveränderten Pathogenen)

  für den Menschen gibt es auch eine max. Konzentration die angewendet werden kann. Wenn diese überschritten werden müsste um das Bakterium ausreichen zu schädigen -> AB kann nicht mehr zur Behandlung eingesetzt werden.

• Für jedes AB gibt es mind. 2-4 unterschiedliche Resistenzmechanismen.

1. Impaired-Influx

   • das AB gelangt nicht in die Zelle

   • zB nicht durch die gram-negative Zellwand gelangt (viele gram-negative Bakterien produzieren und sekregieren antibiotisch wirkende Substanzen und sind aber selbt tolerant weil die Substanz nicht mehr in die Zelle gelangt

2. Efflux

   Mechanismen für den Auswertstranspoert des AB (Proteinpumpen)

   Bei Resistenzen kommt es entweder

   • zu einer erhöhten Aktiviät der Efflux-Pumpen oder

   • zu neuen Efflux-Pumpen

3. Beypasse/re-wiring

   =Umgehung

   zB wenn ein anderes Protein produziert wird, welches die Funktion des Protein übernimmt, welches durch das AB inhibiert wird.

4. Target Mutation

   Der Wirkort (meistens Protein) kann sich verändern und dadurch zu einer Resistenz führen. (zB Punktmutation an der Bindungsstell/Target des AB)

5. Target Modifikation

   Veränderungen des AB-Targets durch (posttranslationale) Modifikationen , so dass das AB nicht mehr binden kann.

   Betrifft Protein und Aminosäuren

6. Überproduktion des Targets

   damit wird mehr AB notwendig um die zusätliche Anzahl an Targetmolekülen zu inhibieren

   MIK steigt an

7. Faktor assoziierter Schutz

   Bakterien produzieren eigene Faktoren, die den Zielort des AB vor der Wirkung des ABs schützen (zB bei Tetrazyklin-Resistenzen)

8. Drug modifikation

   Modifizierung des AB und damit Verringerung der Bindekapazität am Wirkort

9. Drug degradation

   Abbau des AB durch die Bakterien und dadurch Verringerung der AB-Konzentration

1 und 2 =rein/raus

Beypasse

4,5,6 3x Target

Faktor assoziierter Schutz

8,9 2x AB