Многие антибиотики действуют на рибосомы бактерий, не задевая рибосом человека. Но в каждой клетке человека есть «бывшие бактерии» — митохондрии, у которых собственные рибосомы бактериального типа. Поэтому некоторые антибиотики могут нарушать работу митохондрий, и это объясняет ряд их побочных эффектов: глухоту, поражение костного мозга, нарушения нервов. В статье разобраны происхождение митохондрий и их генетический аппарат, механизмы токсичности разных групп антибиотиков и причины, по которым большинство этих препаратов всё же безопасны в обычных дозах.
- 1. Митохондрии — бывшие бактерии
- 2. Генетический аппарат митохондрий
- 3. Почему антибиотики обычно безопасны
- 4. Аминогликозиды и глухота
- 5. Хлорамфеникол и костный мозг
- 6. Линезолид и тетрациклины
- 7. Другие механизмы
- 8. Что из этого следует
- 9. Для олимпиад
- Задания с разбором
1. Митохондрии — бывшие бактерии
Митохондрии произошли от альфа-протеобактерии, вступившей в симбиоз с предком эукариот около двух миллиардов лет назад (подробнее — в статье «Эндосимбиоз»). Следы бактериального происхождения:
- две мембраны; внутренняя образует кристы и содержит дыхательную цепь;
- собственная кольцевая ДНК без гистонов;
- собственные рибосомы, по строению близкие к бактериальным;
- деление перешнуровкой;
- синтез белка в митохондриях начинается с формилметионина, как у бактерий.
Именно эти «бактериальные» черты делают митохондрии уязвимыми для антибиотиков.
2. Генетический аппарат митохондрий
ДНК митохондрий человека — кольцевая молекула длиной 16 569 пар нуклеотидов. В ней 37 генов: 13 генов белков (все — субъединицы ферментов дыхательной цепи и АТФ-синтазы), 2 гена рРНК и 22 гена тРНК. Остальные более тысячи белков митохондрии кодирует ядро; они синтезируются в цитоплазме и доставляются в митохондрию.
Если синтез белка в митохондриях подавлен, не образуются 13 ключевых субъединиц дыхательной цепи. Клетка хуже синтезирует АТФ кислородным путём, больше полагается на гликолиз и образует молочную кислоту. Особенно страдают клетки с высокой потребностью в энергии и активно делящиеся клетки: нейроны, клетки внутреннего уха, мышцы, кроветворные клетки костного мозга.
Митохондриальные рибосомы человека отличаются от бактериальных: в них меньше рРНК и больше белков. Но участки, с которыми связываются некоторые антибиотики, у них похожи.
3. Почему антибиотики обычно безопасны
- Барьер двух мембран. Чтобы попасть к митохондриальной рибосоме, антибиотик должен пройти плазмалемму клетки и две мембраны митохондрии. Многие не проходят или проходят плохо.
- Различия рибосом. Участки связывания у митохондриальных рибосом отличаются от бактериальных, и сродство антибиотиков к ним обычно в десятки и сотни раз ниже.
- Доза и длительность. При коротком курсе в обычной дозе в митохондриях образуется достаточно белков; нарушения появляются при длительном лечении или высоких концентрациях.
- Запас прочности. Митохондрий в клетке сотни и тысячи, белки дыхательной цепи живут долго, и небольшое снижение синтеза не нарушает работу клетки.
4. Аминогликозиды и глухота
Аминогликозиды (стрептомицин, гентамицин, амикацин) связываются с декодирующим центром малой субъединицы рибосомы и вызывают ошибки трансляции. Их главные побочные эффекты — поражение волосковых клеток внутреннего уха (глухота, нарушение равновесия) и почек. Эти клетки накапливают антибиотик, а их митохондриальные рибосомы, по-видимому, и есть одна из мишеней.
Самое яркое доказательство — генетическое. В 1993 году Натан Презант и соавторы описали семьи (в том числе из Китая), у членов которых глухота развивалась после одной инъекции аминогликозида. У всех была мутация в гене 12S рРНК митохондрий (замена А на Г в положении 1555). Эта замена делает участок митохондриальной рРНК более похожим на бактериальную 16S рРНК, и антибиотик связывается с митохондриальной рибосомой сильнее. Мутация наследуется по материнской линии (как вся митохондриальная ДНК). Поэтому в некоторых странах перед назначением аминогликозидов новорождённым проверяют наличие этой мутации.
5. Хлорамфеникол и костный мозг
Хлорамфеникол (левомицетин) связывается с пептидилтрансферазным центром большой субъединицы рибосомы и подавляет синтез белка у бактерий. Он проникает в митохондрии и подавляет и их рибосомы. Побочные эффекты:
- дозозависимое угнетение кроветворения: при длительном лечении снижается образование эритроцитов, лейкоцитов и тромбоцитов, потому что предшественники клеток крови в костном мозге активно делятся и особенно зависят от работы митохондрий; после отмены препарата кроветворение восстанавливается;
- апластическая анемия — редкое (примерно один случай на десятки тысяч курсов), но часто необратимое прекращение кроветворения, не зависящее от дозы; её механизм иной и связан, по-видимому, с индивидуальной чувствительностью.
Из-за этих рисков хлорамфеникол в развитых странах применяют только тогда, когда другие препараты не подходят.
6. Линезолид и тетрациклины
- Линезолид — синтетический антибиотик, мешающий сборке рибосомы на мРНК. Его применяют против устойчивых стафилококков и туберкулёза с множественной лекарственной устойчивостью, нередко месяцами. При длительном применении он подавляет синтез белков в митохондриях, и могут развиться повреждение периферических и зрительного нервов, молочнокислый ацидоз (накопление молочной кислоты в крови из-за усиления гликолиза), угнетение кроветворения.
- Тетрациклины (доксициклин) в высоких концентрациях подавляют синтез белка в митохондриях клеток животных. Это важно и для науки: доксициклин широко используют в генетических конструкциях для «включения» генов, и опыты показали, что он сам по себе меняет обмен веществ клеток. Поэтому в таких опытах нужен контроль — клетки, получающие доксициклин без изменённого гена.
7. Другие механизмы
Некоторые бактерицидные антибиотики (бета-лактамы, аминогликозиды, фторхинолоны) в опытах на клетках млекопитающих вызывали образование активных форм кислорода в митохондриях и окислительное повреждение ДНК, белков и липидов. Добавление антиоксидантов уменьшало повреждение. Насколько это значимо для пациентов, обсуждается; работы такого рода объясняют, почему у антибиотиков, не действующих на рибосомы, тоже бывают побочные эффекты, связанные с митохондриями.
8. Что из этого следует
- Симбиотическое происхождение митохондрий — не только теория из учебника: оно имеет прямые медицинские следствия.
- Побочные эффекты антибиотиков на рибосомы чаще проявляются в тканях с высокими энергетическими затратами и в активно делящихся клетках.
- Индивидуальная чувствительность может зависеть от мутаций митохондриальной ДНК, наследуемой по материнской линии.
- Принимать антибиотики нужно только по назначению врача, в назначенной дозе и длительности.
Повторить строение митохондрий можно в уроке «ЭПС и митохондрии», в статье «Как работают антибиотики» и в тренажёре по теме 2.3.
Частые ошибки. 1) «В митохондриях рибосомы 80S, как в цитоплазме» — они бактериального типа. 2) «Все белки митохондрий кодируются митохондриальной ДНК» — только 13, остальные — ядром. 3) «Митохондриальную ДНК ребёнок получает от обоих родителей» — практически только от матери.
9. Для олимпиад
Почему мутация передаётся по материнской линии, но проявляется не у всех
Митохондрии сперматозоида после оплодотворения разрушаются, и все митохондрии ребёнка происходят из яйцеклетки. Поэтому мутация в гене 12S рРНК передаётся всем детям женщины-носительницы и никогда — от отца. Но глухота развивается только у тех, кто получил аминогликозид: это пример взаимодействия генотипа и среды. Кроме того, в клетке тысячи копий митохондриальной ДНК, и если мутантна лишь часть (гетероплазмия), проявление зависит от доли мутантных копий.
Как доказать, что мишень — митохондриальная рибосома
Можно получить культуру клеток без митохондриальной ДНК (длительно выращивая их с веществом, подавляющим её репликацию, и добавляя в среду уридин и пируват, необходимые таким клеткам). Если токсичность антибиотика связана с митохондриальными рибосомами, на такие клетки он почти не будет действовать, а на обычные — будет. Можно также сравнить действие на синтез белков, меченных радиоактивной аминокислотой, в присутствии ингибитора цитоплазматических рибосом циклогексимида: тогда метку получают только белки, синтезированные в митохондриях.
Задания с разбором
Сначала ответьте сами, затем откройте разбор.
Задание 1
Какие признаки митохондрий указывают на их происхождение от бактерий и объясняют их чувствительность к некоторым антибиотикам?
Разбор
1) Две мембраны. 2) Собственная кольцевая ДНК без гистонов. 3) Рибосомы бактериального типа, а не 80S. 4) Синтез белка начинается с формилметионина. 5) Деление перешнуровкой. Рибосомы бактериального типа объясняют чувствительность к антибиотикам, действующим на рибосомы.
Задание 2
Почему при подавлении синтеза белка в митохондриях в крови накапливается молочная кислота?
Разбор
1) В митохондриях синтезируются 13 субъединиц ферментов дыхательной цепи и АТФ-синтазы. 2) Без них кислородный этап дыхания нарушается, и клетки получают АТФ в основном при гликолизе. 3) При гликолизе в условиях нехватки окисления пировиноградная кислота превращается в молочную, которая выходит в кровь.
Задание 3
Почему от побочного действия антибиотиков на митохондрии сильнее всего страдают нейроны, клетки внутреннего уха и клетки костного мозга?
Разбор
1) Нейроны и волосковые клетки потребляют очень много энергии и почти полностью зависят от кислородного дыхания в митохондриях. 2) Клетки-предшественники в костном мозге активно делятся, и каждая новая клетка должна получить достаточное количество работающих митохондрий. 3) Нарушение синтеза белков дыхательной цепи сильнее всего сказывается на этих клетках.
Задание 4
Почему мутация в гене 12S рРНК митохондрий, повышающая чувствительность к аминогликозидам, передаётся детям только от матери?
Разбор
1) Митохондриальная ДНК находится в митохондриях. 2) Зигота получает митохондрии из цитоплазмы яйцеклетки; митохондрии сперматозоида разрушаются. 3) Поэтому все митохондриальные гены ребёнок получает от матери.
Задание 5 (олимпиадное)
Предложите опыт, позволяющий выяснить, подавляет ли новый антибиотик синтез белка в митохондриях клеток человека.
Разбор
1) Культуру клеток человека обработать циклогексимидом (подавляет рибосомы 80S цитоплазмы), чтобы белки синтезировались только в митохондриях. 2) Добавить радиоактивную аминокислоту (например, метионин с 35S) и испытуемый антибиотик в разных концентрациях; контроль — без антибиотика. 3) Выделить белки и измерить включение метки. 4) Если в присутствии антибиотика метка в митохондриальных белках уменьшается, он подавляет митохондриальный синтез белка. Дополнительно можно сравнить потребление кислорода и образование молочной кислоты клетками.
Литература
- Prezant T. R. et al. Mitochondrial ribosomal RNA mutation associated with both antibiotic-induced and non-syndromic deafness // Nature Genetics. 1993. Vol. 4. P. 289–294.
- Kalghatgi S. et al. Bactericidal antibiotics induce mitochondrial dysfunction and oxidative damage in mammalian cells // Science Translational Medicine. 2013. Vol. 5. 192ra85.
- Moullan N. et al. Tetracyclines disturb mitochondrial function across eukaryotic models: a call for caution in biomedical research // Cell Reports. 2015. Vol. 10. P. 1681–1691.
Обсуждение
Загружаем обсуждение…