ÜNİTE 4 Genetik, Bakteri Genetiği ve Antimikrobik Maddeler Amaçlar Bu üniteyi çalıştıktan sonra, Genetik maddenin ne olduğunu, Genlerin fonksiyonlarını, Protein sentezini, Bakteriler arası genetik madde aktarımını, Antimikrobik maddeler ile ilgili tanımlamaları, Antimikrobik maddelerin etki mekanizmalarını, Antimikrobik maddelere karşı gelişen direncin kaynağını ve mekanizmalarını öğrenmiş olacaksınız. İçindekiler Giriş Bakteri Genetiği Antimikrobik Maddeler Antimikrobik Maddelere Direnç Antimikrobik Maddelere Direnç Mekanizmaları Özet Değerlendirme Soruları Sözlük Yararlanılan Kaynaklar Öneriler Ünite 3'ü bir kez daha okuyarak bu üniteyi çalışmaya başlayınız. Klinikte uygulanan antimikrobik ilaçların etki mekanizmalarını edineceğiniz bilgiler çerçevesinde bulmaya çalışınız.
1. GİRİŞ İnsan genetiği, konumuzu oluşturan bakteri genetiği ve diğer genetik alanları, günümüzde aynı zamanda bir mühendislik dalı olmuştur. Toplumun da ilgisini çeken konuları ile, genetik biliminin önümüzdeki yılların araştırmalarında ağırlıklı yer alacağı beklenmektedir. Bu nedenle, bakteri genetiği konularına daha geniş yer verilmiştir. İlgi duyduğunuz konular için kaynak kitaplara başvurunuz. Aşağıda sıkca kullanılan bazı kısaltmalara yer verilmiştir. DNA RNA mrna trna : Deoksiribonükleik asid : Ribonükleik asid : Mesaj taşıyan RNA (messenger RNA) : Amino asitleri taşıyan RNA (transfer RNA) R plazmidi : (Rezistans = direnç plazmidi) Bakterilerde genetik yapı DNA'dır. DNA molekülünün birimleri nükleotidlerdir. Bir nükleotidde fosforik asid, deoksiriboz ve organik baz bulunur. Şekil 1: DNA nın yapısı ve replikasyonu görülmektedir. - 49 -
Bakterilerde DNA sentezi, bütün memeli hücrelerinde olduğu gibi DNA'dan başlar ve sentez yeri mezozomdur. Antimikrobik maddeler, mikroplara karşı kullandığımız ilaçlardır. Bunlar bakteri hücresini çeşitli mekanizmalarla öldürür veya üremesini durdururlar. 2. BAKTERİ GENETİĞİ 2.1. Bakterilerde Genetik Madde Canlıların genetik maddesi, RNA virusları haricinde DNA'dır. DNA, büyük bir molekül yapısındadır. Bir DNA molekülü iki iplikçiğin sarmal halde bulunmasıyla oluşur. DNA molekülünün birimleri nükleotidlerdir. Bir nükleotidde fosforik asid, deoksiriboz ve organik baz bulunur. Deoksiriboz 5 karbon ile fosforik aside, 1 karbon ile organik baza bağlıdır. Nükleotidlerin arasında 3' 5' fosfodiester bağı vardır. Organik bazlar, purin ve primidinler olmak üzere ikiye ayrılır. Purinler adenin ve guanin, primidinler, timin (urasil) ve sitozinden oluşur. Bakteri DNA'sı septal mezozoma bağlıdır. Bu noktada kırılma oluşarak DNA iplikçikleri ayrılırlar. DNA'nın taşıdığı genetik şifre bir kaç bin nükleotid yapısındaki genler aracılığıyla oluşur. Genin DNA'daki yerine LOKUS adı verilir. Genetik özellikler, genler aracılığıyla tayin edilir. DNA'da, bir maddenin sentezi ile ilgili genler ard arda bulunur. Sentezle ilgili genler ve bunların çalışmasını kontrol eden yapı genleri vardır. Bu genler birleşerek OPERON'u oluştururlar. Operon'un çalışması da düzenleyici (= regülator) genin kontrolu altındadır. Nükleotidlerin biraraya gelmesi ile oluşan DNA iplikçiği bir polinükleotid yapıdadır. İki iplikçik üzerinde organik bazlardan adenin (A) ile timin (T) arasında (T=A) iki hidrojen molekülü yer alırken, sitozin (C) ile guanin (G) arasında üç hidrojen bağı (C=G) bulunur. Bundan dolayı, bir DNA molekülünde adenin miktarı timin miktarına, sitozin miktarı guanin miktarına eşittir. Ancak, DNA molekülü üzerinde A+T miktarı, C+G miktarına eşit değildir. A+T/C+G oranı, her canlı türü için özgül olup değişmez karakterdedir. Mikroorganizmaların sınıflandırılmasında bu özellikten yararlanılmaktadır. C+G/DNA molekülüne oranı birbirine yakınlık gösteren mikroorganizmalar aynı cins ve tür içine dahil edilmektedir.? C+G / DNA molekülüne oranının önemi nedir? - 50 -
DNA molekülünün yapısında bulunan adenin (A), timin (T), sitozin (C) ve guanin (G) moleküllerinin sayısı, çeşitli olasılıklarda diziliş biçimleri her canlı için değişmez ve özgüllük gösterir. Bir DNA molekülünde bulunan purin ve primidin organik bazlarının dizilim düzeninde olabilecek çeşitlilik insandan virusa kadar milyonlarca tür canlının DNA yapısının farklılığını açıklayabilmektedir. Bunun doğal sonucu olarak doğada milyonlarca canlı türü ve bu türlerin birbirine benzeyen bireyleri (fenotipleri) bulunmaktadır.? Doğada milyonlarca canlı türü bulunabilmesinin genetik dayanağı nedir? Canlıların, temelde enzimlerin etkinlik gösterdiği sayısız yaşamsal işlevleri bulunur. Bu işlevlerin her birinden sorumlu DNA molekülü üzerinde genetik birimler bulunmaktadır. Canlıların her bir yaşamsal işlevini yöneten genetik birimlere gen denir. Genler genel olarak uzunlukları yaklaşık 1000-5000 olan nükleotid çiftlerinden oluşurlar. Genler, sorumlu oldukları işlevleri, sentez ettikleri enzimler ile yürütmektedirler. Enzimler ise protein yapısında olduklarından, gen; ayrı bir protein yapısını belirleyen bir DNA parçası olarak ta tanımlanabilmektedir. Protein molekülü, belirli sayıda aminoasidin belli bir sıra ile yan yana gelmesi ile oluşur. DNA'da bunu sağlayan bir protein kodlama sistemi bulunmaktadır. Protein içerisinde yer alan amino asitlerin kodlaması, pürinli primidinli nükleotidlerin üçlü gruplar halinde dizilişi ile sağlanmaktadır. Her birisi bir aminoasidi kodlayacak şekilde olan bu üçlü gruplara triplet ya da genetik kod birimi karşılığı olarak bir kodon adı verilir. Proteinlerin yapısına giren aminoasit sayısı yirmidir. Buna karşın adenin, timin, sitozin ve guaninin üçlü olarak yanyana gelmeleri ile oluşabilecek kodon sayısı teorik olarak 64'tür. Bunun anlamı ise bir aminoasidi kodlayacak birden fazla aminoasidin bulunmasıdır. Yapılan çalışmalarda 61 üçlü kodonun hangi aminoasidi kodladığı gösterilmiştir. Kalan 3 kodonun ise protein sentezine nokta koyan kodonlar olduğunu göstermiştir.? Kodon nedir? DNA molekülünün iki önemli özelliği bulunmaktadır. DNA'nın yapısını oluşturan iki polinükleotid iki polinükleotid zinciri birbirinden ayrıldıkları zaman her iplikçiğin eskiden karşısında bulunan diğer yarımı yeniden ve aynen oluşturabileme yeteneğindedir. Bu olaya DNA'nın replikasyonu denir. - 51 -
DNA tüp içerisinde DNA polimeraz enzimi ve DNA sentezinde gerekli maddeler birlikte konulduklarında, bir süre sonra yeni DNA moleküllerinin sentez edilmekte ve sonuçta tüp içerisinde DNA miktarının başlangıca göre çok fazla miktarda artmaktadır. Bu gözlemden yararlanarak ortamda çok az miktarda mikroorganizma DNA'sı çoğaltılmakta, özel işaretli yöntemler ortaya konulabilmekte ve hastalık etkeni olan mikroorganizmalar tanımlanmaktadır. Bu yöntemlere ise Polimerize Zincir (=chain) Reaksiyonu (PCR) denilmektedir.? PCR (= Polimerize Zincir Reaksiyonu ) nedir? DNA replikasyonunda önce, topoizomeraz enziminin etkisiyle süper sarmal açılır. Helakaz enziminin etkisiyle ise iki DNA iplikçiğinin arasında ayrılma ve çatallanma oluşur. Stabilizasyon proteinleri yardımıyla iki DNA iplikçiğinin sentez esnasında devamlı açık kalması sağlanır. Çift iplikli DNA molekülünde DNA iplikçileri birbirine ters yönde paraleldir. Yeni bir iplikçik 5'-3' yönde iken, diğeri 3'-5' yönde bulunmaktadır. Replikasyon esnasında ise bunların karşılarında oluşacak iplikçilr ise tersi yönünde yani 5'-3' yönün karşısında 3'-5' yönde sentez olacaktır. Replikasyonda iki durum sözkonusudur. DNA polimeraz III enzimi 3'-5' yönündeki DNA'yı kalıp olarak kullanarak 5'-3' yönünde sentez yapılmaktadır. 5'-3' DNA kalıbında ise önce primaz enzimi yardımı ile sentezlenen primer RNA kalıp olarak kullanılmakta ve yine DNA polimeraz III enzimi yardımıyla 5'-3' yönünde DNA sentez edilmektedir. Ancak bu DNA iplikçisi sürekli olarak sentez edilmemekte, önce 1000-2000 nükleotid uzunluğunda DNA segmentleri halinde (Okazaki segmentleri) oluşturulmaktadır. Daha sonra bu segmentler DNA polimeraz I enzimi yardımıyla bir araya getirilmektedir. Bakterinin kendi DNA'sı için geçerli kurallar bakteri içerisinde yeralan diğer DNA yapıları için de geçerlidir. Hücre içinde bu şekilde bağımsız olarak kendilerini eşletme yeteneğindeki birimlerin her birine replikon denir. Bakteri DNA'sı üzerinde genler belirli bir düzen içinde yer alırlar. Özellikle birbirleriyle çok yakın ilişkide bulunan enzimlere ait genlerin oluşturdukları bu tür gen gruplarına ise Operon denir. Operonlarda birbirleriyle çok yakın ilişkili genlerin yanısıra, bunların birarada çalışmasını sağlayan yardımcı genler de bulunmaktadır. DNA molekülü gerektiğinde kendisinden RNA molekülü oluşturabilmekte ve hücrenin biolojik fonksiyonlarını yönetmektedir. - 52 -
RNA (= Ribonüleik asit): RNA molekülünün yapısı genel olarak DNA molekülü ile benzerlik göstermektedir. DNA'dan farklı olarak, Deoksiriboz yerine riboz, Timin yerine onun gibi pirimidin bazlarından urasil bulunur. RNA molekülü DNA gibi çift iplikli sarmal olmayıp, tek iplikli polinükleotid zincirinden oluşmuştur. Ancak yer yer çift katlı RNA bölgeleri gözlenmektedir. Üç tip RNA molekülü bulunmaktadır.? DNA ve RNA arasındaki başlıca farklar nelerdir? Massenger RNA (= mrna): Her biri ayrı bir protein molekülünün yapımından sorumlu olan genlerdeki bilginin, proteinlerin yapım yeri olan ribozomlara ulaştırılmasını sağlayan moleküldür. Ribozomal RNA (= rrna): Hücredeki tüm RNA'nın %80 i rdna yapısındadır. Bu RNA ribozomlarda protein yapılara bağlı olarak bulunur. Protein sentezi ribozomlarda gerçekleştirilmektedir. Yapılarında protein ve rdna bulunan ribozomlar, biri büyük biri küçük olmak üzere iki alt birimden oluşmuştur. Bakterilerde büyük birim 50 S, küçük birim 30 S olup, toplam ribozom ise 70 S büyüklüğündedir. Ökaryot hücrelerde ise ribozomlar 60 S ve 40 S alt birimlerden oluşmuş ve toplam ribozom büyüklüğü ise 80 S dir. Birim olarak kullanılan S; Svedberg sabitesi olup, ultrasantrifigasyon sırasında çökme hızı ile ilgilidir. Taşıyıcı RNA (=trna): Ortalama 80 nükleotidden oluşmuştur. Görevi sitoplazmadaki aminoasitlere bağlanıp onları aktive ederek, ribozomlara yerleşmiş bulunan mrna'daki uygun kodonlara taşımaktadır. 2.2. Protein Sentezi Proteinler, özgül olarak bir dizi halinde birbirine bağlanmış aminoasitlerden yapılmış olan büyük moleküllerdir. Doğada bir çok aminoasit bulunmaktaysa da, bütün proteinlerin yapısında bunlardan sadece 20 tanesi yer almaktadır. Bu 20 aminoaside, temel (esansiyel) aminoasitler denir. Hücre, üreyebilmesi için, bu aminoasitleri, ya çevresinden almak ya da sentezlemek zorundadır. Aminoasitlerin protein üzerindeki dizilişleri oldukça özgüldür. Farklı yerleşim, protein yapısında ve fonksiyonlarında çok önemli değişikliklere neden olur. - 53 -
Proteinlerin bakteri genetiğindeki önemi, canlı hücrelerinin fonksiyonlarını yürüten enzimlerin tümünün protein yapısında olmasından kaynaklanmaktadır. 2.2.1. Protein sentez aşamaları Yazılma (transcription) : Genlerin kopyalarının DNA'dan mrna'ya aktarılma işlemidir. Bu olay RNA polimeraz enzimi tarafından katalizlenir. DNA üzerindeki genetik bilgi taşıyan exon ve genetik bilgi taşımayan intronlar vardır. Genetik bilgi DNA'dan mrna'ya aktarılırken sadece exonlar değil, intronların da kopyaları mrna'ya geçmektedir. mrna molekülleri ribozomlara ulaşmadan önce, intronlar, özel enzimler aracılığıyla kesilip RNA'nın yapısından uzaklaştırılmakta ve başka bir enzim exonların uçlarını birbirine eklemektedir. Böylece, mrna molekülü yeniden bütünleşmekte ve mrna, genetik bilgiyi ribozomlara taşır duruma gelmektedir. Bakterilerde intron bulunmaz. Çeviri (translation) : DNA moleküllerinden genetik bilgiyi alan mrna'daki genetik bilgiye göre, ribozomlarda aminoasit isimleri okunur. Böylece, genetik şifre, kimyasal bir yapı haline çevrilmiş olur. Bu işleme, çeviri (translation) diyoruz. Çeviri işlemi, poliribozomlara ulaşan mrna'nın, sitoplazmada birbirinden ayrı olarak bulunan ribozom alt birimlerinden 30 S parçasına bağlanması ile başlar. Bunu takiben ribozomun 50 S parçası, mrna'yı arada bırakacak şekilde 30 S birimi ile bağlantı kurar. Bu olaylar dizisi mrna uzunluğuna bağlı olarak, poliribozumu oluşturan tüm ribozomlarda aynı şekilde bağlı olarak, poliribozomdaki özel oluğuna yerleşen mrna'daki kodonlar, sırasıyla okunup trna tarafından uygun amonoasitler poliribozoma taşınarak protein sentezinin devamı sağlanır. Her mrna'nın ribozoma bağlandığı ilk kodon AUG olup bu, protein sentezinin başlangıç sinyalini veren, aynı zamanda metiyonin amino asidini kodlayan kodondur. Her mrna'nın son ucunda ise UAA, UAG veya UGA kodonlarından birisi bulunur. Bunların etkisi ile protein sentezi son bulmaktadır. 2.3. Bakterilerde Gözlenen Genetik Değişiklikler ve Bazı Tanımlamalar Mutasyon : DNA'daki gen yapısını oluşturan nükleotid çiftlerinin sıralanmasında veya yapısında oluşan, sentez edilecek olan proteinin yapısını ve dolayısıyle işlevini saptırıcı nitelikteki sürekli değişikliğe denir. Bütün canlılarda, normal olarak çok düşük oranlarda kalmak üzere, kendiliğinden mutasyonlar oluşur. X ışınları ve bazı maddeler yardımı ile mutasyon oranı arttırılabilir. - 54 -
Transformasyon : Ortamda ikinci bir canlı hücre veya bakteriyofaj bulunmaksızın, verici hücre tarafınan ortama bırakılmış DNA'nın alıcı hücre tarafından kullanılarak, yeni bir hücre oluşmasıdır. Bunun en güzel örneği, pnömokoklarla yapılan deneylerdir. Kapsül oluşturmayan pnömokok kültürüne, kapsül oluşturma yeteneği olan erimiş pnömokok kültür ekstraktı (DNA'sı) eklendikten kısa bir süre sonra, elde edilen yeni pnömokokların, kapsül yaptıkları saptanır. Transdüksiyon : Bir bakteriyofaj aracılığıyla, bir bakteriden diğerine genetik madde aktarılması olayıdır. Bakteriyofajlar, nükleik materyal olarak DNA'ya sahip bakteri viruslarıdır. Bakteriyofaj girdiği bakteriyi eritiyorsa litik faj, eğer bakteri ile uyum içinde varlığını devam ettiriyorsa ılımlı (lizojenik) faj denir. Transdüksiyon olayında, alıcı bakteri (bakteriyofajın girdiği bakteri) verici bakterinin (bakteriyofajın ayrıldığı bakteri) bazı özelliklerini kazanmış olur. Konjugasyon : Genetik maddeyi verici ve alıcı hücrenin yanyana gelerek aralarında köprücük oluşması sonucu genetik maddenin aktarılmasıdır. Konjugasyonda verici DNA'sının tümünün veya bir segmentinin, bu hücrede oluşan özel seks pilusu aracılığıyla, alıcı hücreye direkt aktarılması olayına konjugasyon denir. Verici durumda olma yeteneği hücrede bulunan ve nakledilebilir bir genetik element olan plasmidler tarafından tayin edilir. Bakteri kromozomundan ayrı olarak bulunan, replike olabilen, içinde bulundukları bakteriye bazı özellikler kazandıran ve bu özellikleri genetik kontrol altında tutan DNA yapısındaki elementlere PLAZMİD adı verilmektedir. Plazmidlerde kendi replikasyonlarını sağlayan genler ve fenotipik karakterleri yöneten bir veya daha çok sayıda genler bulunur. Bazı plazmidlerde bakteriden bakteriye kendi transferini (=naklini) sağlayan tra genleri (transfer genleri) bulunur. Bu özellikte olanlara konjugatif plazmidler adı verilir. Bu tür genleri içermeyenlere ise konjugatif olmayan plazmidler denir. Konjugasyon yeteneği olmayan plazmidler, ancak F faktörünün bakteride bulunması ya da konjugatif plazmidler aracılığıyla bir bakteriden başka bakteriye aktarılabilir.? Plazmid nedir? Başlıca plazmidler aşağıda özetlenmiştir. F faktörü: Bu faktör bir plazmid olup, çembersel çift iplikli DNA yapısındadır. Kromozomla eş zamanlı ancak ondan bağımsız olarak replike olabilme yeteneğindedir. Bu faktörü - 55 -
taşıyan bakterilere F + bakteri denir. F + (verici) bir bakteri F - (alıcı) bir bakteri ile yan yana gelip aralarında köprüler oluşturarak alıcı hücreye F faktörünü veya aynı anda bakterinin kromozomumdan bir parçayı aktarabilme yeteneğine sahiptir. F faktöründe yer alan tra genleri bir operon içinde düzenlenmiştir. Operon içindeki birtakım genleri yönetimi altında konjugasyon olayı verici bakteride seks pilusu yapılması ile başlar. Seks pilusu bilinen fimbruyalardan oldukça büyük, içi boş, içinden genetik madde aktarımının gerçekleştiren bir yapıdır. F faktörü: Bazı durumlarda F faktörü bakteri DNA'sı ile bütünleşip, daha sonradan tekrar bağımsız duruma geçebilir. F faktörü bakteri DNA'sının bir takım genlerinden koparak ayrılır. Bu durumda oluşan elemente F faktörü denir. Col plazmidleri: Bu plazmidler genel anlamda bakteriyosin yapımından sorumlu plazmidlerdir. Bakteriyosin, özellikle enterik bakteriler tarafından üretilen ve diğer bakteriler üzerine eritici etki gösteren maddelerdir. R plazmidleri: Özellikle Gram negatif bakterilerde antibakteriyel ajanlara karşı kromozom dışı dirençliliğin bakteriden bakteriye aktarılmasını sağlayan elementlere R plazmidleri denir. R plazmidlerin de genellikle kendi aktarımını sağlayan rezistans transfer faktör bulunmaktadır. R plazmidi aktarılan bakteride bir çok antimikrobik ajana karşı toplu direnç gelişmektedir.? Özellikle antimikrobiklere dirençte etkin rol alan plazmid hangisidir? IS elementleri: Bunlara araya girebilen (=Intersition seguences Elements) denilmektedir. IS elementleri gerek bakteri DNA'sı, gerek hücrede bulunan plazmid DNA'ları üzerinde, bazı DNA sıralarının birden çok sayıda oldukları ve bunların yerlerinden ayrılarak DNA molekülünün başka yerlerine geçebildikleri gözlenmiştir. IS elementlerinin iki uçlarında birbirinin tersi olan tekrarlanmış purin pirimidin sıraları bulunmaktadır. Transpozonlar: Bir replikon (bakteri DNA'sı, plazmid) üzerinde bulunan iki uçlarından zıt dizi düzeninde tekrarlanmış sıralarla sınırlandırılmış ve değişik bir fonksiyonu kodlayan, replikon üzerinde ya da replikonlar arası yer değiştirme yeteneğindeki DNA parçalarına transpozon denir. Plazmidler : Bakterilerin içinde ve kromozonların dışında bulunabilen DNA yapısında, içinde bulundukları bakterilere bazı özellikler kazandıran ve bu özellikleri genetik olarak kontrolü altında tutan elementlere plazmid denir. Çeşitli plazmidler tanımlanmıştır. Bugün, üze- - 56 -
rinde en çok durulan, R plazmidleridir. Bunlar, antimikrobik maddelere karşı ekstrakromozomal özellikteki direnci, bakteriden bakteriye aktaran kromozom dışı elementlerdir.? Transpozon nedir? 3. ANTİMİKROBİK MADDELER 3.1. Genel Özellikler Antimikrobik maddelerin enfeksiyon hastalıklarının tedavisinde kullanılması 17. yüzyıla dayanır. Bu yüzyılda sıtmada kinin, amipli dizanteride emetin kullanılıyordu. Modern kemoterapinin temelleri 20. yüzyılda da Paul Ehrlich tarafından atılmıştır. Ehrlich antimikrobik maddelerin klinik uygulamada seçici toksisite göstermesi gerektiğini bildirmiştir. Seçici toksisite ile anlatılmak istenen, ilacın, mikroorganizmaya zarar verip, insana zarar vermemesi durumudur. Ehrlich, infeksiyon hastalıklarının tedavisinde tek bir ilaç kullanıldığında kolaylıkla direnç gelişebildiğinden kombine ilaç kullanılması gerektiğini belirtmiştir. 1929'da Alexander Fleming penisilinleri, 1935'de Domagk sülfonamidleri bulmuştur. Hastalık nedeni olan mikroorganizmaları konağa zarar vermeden ortadan kaldıran, ilaçlarla yapılan tedavi şekli kemoterapi başlığı altında yer alır. Antimikrobik maddeler, etkiledikleri patojenin cinsine göre antibakteriyel, antimikotik, antivirutik, antiparaziter ilaçlar olarak adlandırılırlar. 3.2. Antimikrobik maddeler ile ilgili bazı tanımlamalar aşağıda yer almaktadır. Seçici Toksisite: Antimikrobik maddenin konağa zarar vermeden yalnızca hastalık etkeni mikroorganizma üzerine toksik veya öldürücü etki göstermesidir. Bakteriyostatik etki : Bakteri hücresinin gelişmesini ve üremesini önleyen ve bakteriyi direkt olarak öldürmeyen etki. Bakterisid etki : Bakteri hücresi üzerine doğrudan öldürücü olan etki. Bakteriyostatik ilaçlar : Tetrasiklinler, kloramfenikol, sulfonamidler, eritromisin, klindamisin. - 57 -
Bakterisid ilaçlar : Penisilinler, sefalosporinler, aminoglikozidler, vankomisin, rifampin, polimiksin B, kolistin, metronizadol, floksasinler. Minimal İnhibitör Konsantrasyon (MİK) : Sıvı kültür ortamında standart şartlar altında bakterilerin üremesini inhibe eden en düşük ilaç konsantrasyonu. Minimal Bakterisidal Konsantrasyon (MBK): Kültür ortamında standart şartlar altında bakterilerin %99.9'dan fazlasını öldüren en düşük ilaç konsantrasyonudur. Terapötik İndeks: Maksimum tolere edilen dozun, tedavi dozu oranına denir. Bu oran ne kadar yüksek olursa antimikrobik madde tedavide o kadar güvenle kullanılır. Etki spektrumu : Bir antimikrobik maddenin tedavi edici dozda etkileyebileceği mikroorganizma cinslerinin tümüne denir. Çok sayıda mikroorganizma üzerine etki durumunda "geniş spektrumlu antimikrobik" olarak tanımlama yapılır. Direnç (rezistans) : Genel anlamda bakteri veya diğer mikroorganizmaların antimikrobik ilaçlar tarafından etkilenmemesidir. 3.3. Antimikrobik İlaçların Etki Mekanizmaları Etki mekanizmalarını daha iyi anlayabilmek için Ünite 3'deki bakteri yapısını bir kez daha okuyunuz. Mikroorganizmalara ait çeşitli yapı ya da işlevler üzerine etki eden antimikrobik maddeler aşağıda sıralanmıştır. 3.3.1. Hücre Duvarı Sentezinin İnhibisyonu Hücre duvarı sentezini inhibe eden ilaçlar, beta-laktamlar ve beta-laktam halkası içermeyenler olarak iki gruba ayrılırlar. Beta laktam grubu antimikrobikler - Penisilinler - Sefalosporinler - Beta- laktamaz inhibitörleri - Karbanepemler - Monobaktamlar - 58 -
Beta- laktam halkası içermeyen antimikrobikler - Basitrasin - Vankomisin - Sikloserin - Teykoplanin - Fosfomisin 3.3.2. Hücre Zarı Yapısının Bozulması Kolistin, polimiksinler, nistatin, imidazoller, amfoterisin B. 3.3.3. Protein Sentezinin Bozulması Kloramfenikol, eritromisin, linkomisin, aminoglikozid, tetrasiklin. 3.3.4. Nükleik Asid Sentezinin İnhibisyonu Sulfonamidler, trimethoprim, rifampin, nalidiksik asid, metronidazole, yeni kinolonlar. 3.3.5. Hücre Duvarı Sentezinin Bozulması Bakteriler, memeli hücrelerinde olmayan sağlam ve dirençli hücre duvarına sahiptirler. Bu sağlam yapı, hücre içi yüksek basıncına karşı bakteriyi ölümden korur. Hücre duvarı kimyasal olarak farklı karmaşık bir polimer olan murein tabakası içerir. Bütün penisilinler ve sefalosporinler bakteriyel hücre duvar sentezini inhibe ederler. Başlangıçta bu ilaçlar hücre reseptörlerine penisilin bağlayan proteinlere (PBP) bağlanırlar. Betalaktam ilaçlar (penisilin ve sefalosporinler) bu yapıya bağlandıktan sonra murein tabakasının sentezi durur ve litik enzimler aktif hale geçer ve olay bakteri hücresinin lizisi ile sonuçlanır. Penisinler: Penisilinin temel formülünde tiazolin halkası, beta laktam halkası ve bir R yan zinciri bulunmaktadır. Biyosentez yoluyla R yan zincirinde yapılan değişikliklerle değişik antibakteriyel spektrum ve farmakolojik özellikler gösteren penisilinler elde edilmiştir. Penisilinler doğal ve sentetik penisilinler olmak üzere başlıca ikiye ayrılırlar. Doğal penisilinlerin tedavi amaçlı kullanılanları ise penisilin G ve penisilin V (= fenoksimetil penisilin)'dir. - 59 -
Başlıca sentetik penisilinlere ise örnek olarak ampisilin, amoksasilin, metisilin, piperasilin, karbanisilin, tikarsilin gibi antibakteriyelleri verebiliriz. Sefalosporinler: Etki tarzları penisilinlere benzemektedir. İlk bulunan doğal sefalosporin, sefalospirin C'dir. Ana çekirdeği 7 aminosefalasporinik asittir. Yeni üretilen sefalosporinler bu halkaya yan zincirler ilavesi ile hazırlanmaktadır. Sefalosporinler Gram pozitif ve Gram negatif mikroorganizmalara etkinliklerine göre 1,2 ve 3. kuşaklara ayrılırlar. 1. kuşak sefalosporinler Gram pozitiflere en etkiliyken, 3. kuşak Gram negatif bakterilere en etkilidir. Bazı mikroorganizmalar tarafından salınabilen betalaktamaz enzimleri ile, bu tür ilaçlar parçalanarak etkisiz duruma gelirler. Bu ilaçları etkili kılabilmek için penisilin ve benzeri etkili antibiyotiklere bazı maddeler (klavulanik asit ve sulbaktam gibi) eklenerek kullanılmaktadır. Hücre duvarı sentezi yalnızca genç ve üremekte olan bakterilerde meydana geldiğinden penisilinlerin ve sefalosporinlerin etkisi üreme döneminde fazladır. Bakteri üreme eğrisini ve üreme dönemlerini hatırlayınız (Ünite 3). 3.3.6. Hücre Zarı Yapısının Bozulması Bazı antimikrobik maddeler, sitoplazma zarını eritici veya seçici olarak geçirgenliğini bozucu etki yaparlar. Bunun sonucunda hücrenin yapı taşları hücre dışına çıkar. Bakteri bunun sonucunda ölür. Memeli hücresi ile bakteri hücresi sitoplazma zarlarının fonksiyonu benzer olduğundan bu grup ilaçların seçici toksik etkileri fazla değildir. Bu yüzden organizma için oldukça toksik maddelerdir. 3.3.7. Protein Sentezinin İnhibisyonu Bu antibiyotiklerin protein sentezi üzerine olan etki mekanizması çok kesin olarak bilinmemekle birlikte, genellikle ribozomlarda olduğu sanılmaktadır. Bakterilerin 70 s, memelilerin 80 s ribozoma sahip olmaları ve ribozom alt birimlerinin de ayrıcalık göstermesi bu antimikrobik maddelerinin seçici toksik etkisini açıklayabilmektedir. Aşağıda bu etkiye bazı örnekler verilmektedir. Kloramfenikol : Ribozomların 50 s lik alt birimlerini etkileyerek aminoasitlerin protein zincirine katılmasını önler. Etkisi reversibl ve bakteriyostatiktir. Tetrasiklinler : trna'nın ribozomun 30 s lik kısmına bağlanmasını önleyerek protein sentezini durdurur. - 60 -
3.3.8. Nükleik Asid Sentezinin Önlenmesi Rifampin bakteriyel RNA sentezini inhibe eder. Nalidiksik ve oksolonik asidler üriner antiseptik olarak kullanılır. DNA giraz enzimini bloke ederek DNA sentezi inhibisyonu yaparlar. Günümüzde gittikçe kullanımları artan kinolonlar da benzer etki gösterirler. Sülfonamidlerin yapısı folik asid yapısındaki esansiyel metabolit madde olan PABA'ya benzemektedir. Sulfonamidler PABA yerine reaksiyona girerler. Folik asidin işlev görmeyen benzerlerinin oluşmasına neden olurlar. Böylece bakteri hücresinin çoğalması önlenmiş olur. Hayvan hücreleri ve benzer şekilde folik asid sentezlemeyen bazı bakteri hücreleri sulfonamidlerden etkilenmezler. 4. ANTİMİKROBİK MADDELERE DİRENÇ Mikroorganizmalarda antibakteriyel ilaçlara karşı direncin iki kaynağı vardır. 4.1. Genetiğe bağlı olmayan direnç 4.2. Genetik direnç - Kromozal direnç - Kromozom dışı direnç - Çapraz direnç 4.1. Genetiğe Bağlı Olmayan Direnç Antimikrobik maddenin mikroorganizmalara etki edebilmesi için mikroorganizmanın aktif üreme döneminde olması gerekir. Mikroorganizma çoğalmıyorsa ve metabolizması inaktif ise fenotipik olarak ilaçlara dirençlidir. Ayrıca hücre duvarını kaybederek L-formuna geçen bakteriler penisilin ve sefalosporinlerden etkilenmezler. 4.2. Genetik Direnç Mikroorganizmaların antimikrobik maddelere olan direncinin çoğu genetik değişikliklerle ilgilidir. - 61 -
- Kromozomal direnç: Bakteri kromozomunda mutasyonla meydana gelen değişiklikler bakterinin antibakteriyel ilaçlara karşı duyarlılığını değiştirir. Antimikrobik ilacın etkilediği hedef bölgede değişiklikler medana gelir. İçinde az sayıda mutant bulunan bir bakteri topluluğuna etkili bir antibiyotik verildiğinde duyarlı olanlar ortadan kalkar, dirençli olanlar varlıklarını devam ettirir. - Kromozom dışı direnç: Bu olay plazmidler aracılığıyla sağlanır. Plazmidler bakteri genetiğinde anlatıldığı gibi üzerinde genlerin sıralandığı kromozom dışı elementlerdir. Bağımsız bir şekilde bölünerek çoğalabilir veya kromozom ile bütünleşebilir. Direnç genleri taşıyan plazmidler bulundukları mikroorganizmaları o ilaçlara karşı dirençli yaparlar. Daha önce anlatıldığı gibi bakteriden bakteriye çeşitli yollarla aktarılabilirler. - Çapraz direnç: Bir mikroorganizmada oluşan direncin benzer antimikrobik ilaçlara karşı oluşmasıdır. 5. ANTİMİKROBİK MADDELERE KARŞI DİRENÇ MEKANİZMALARI Mikroorganizmaların da antimikrobik maddelere karşı geliştirdikleri direnç mekanizmaları vardır. 5.1. Mikroorganizmalar kendilerini etkileyen ilaçları parçalayan enzim oluştururlar. Örnek olarak betalaktam ilaçları parçalayan betalaktamazların yapımı verilebilir (Bakınız 3.3. Etki Mekanizmaları). 5.2. Mikroorganizmalar sitoplazma zarının ilaca karşı geçirgenliğini değiştirirler. Örneğin tetrasiklinler duyarlı hücrede biriktiği halde dirençli olanlarda birikmezler. 5.3. Mikroorganizmalar ilacın etki ettiği yerdeki yapı enzimlerini değiştirirler. Örneğin: Aminoglikozidler ribozomun 50 s lik alt birimindeki özgül proteine tutunurlar. Bakteri bu proteinin yapısını değiştirir ve direnç kazanır. 5.4. Mikroplar ilaçtan etkilenmeyen başka bir metabolik yol geliştirirler. Örneğin: Sulfonamidlere dirençli bakteriler PABA kullanmazlar, folik asidi dış ortamdan hazır olarak alırlar. 5.5. Mikroorganizmalar ilacın etkilediği enzimde değişiklik yapabilirler. - 62 -
Özet Bakterilerin genetik maddesi DNA'dır. DNA üzerinde en küçük fonksiyon gören birime gen denir. Genler özgül nükleotid dizilerinden oluşmuştur. Protein sentez mekanizması DNA üzerindeki bilginin mrna'ya aktarılmasıyla başlar. Daha sonra mrna ribozomlara giderek şifre düzenlenir. Gerekli olan aminoasitler, trna tarafından taşınarak aminoasidlerden protein sentezi gerçekleştirilir. Antimikrobik maddelerin etki mekanizmaları hücre duvarı sentezinin inhibisyonu, sitoplazma zarının geçirgenliğinin bozulması, nükleik asid sentezinin inhibisyonu, protein sentezinin inhibisyonudur. Bakterilerin de antimikrobik maddelere karşı çeşitli direnç mekanizmaları geliştirdikleri bilinmektedir. Antimikrobik madde kullanımı, mutlak hekim öneri ve denetiminde, üretilebilmiş ise antibiyotik duyarlılık deneyini takiben ya da muhtemel etkene yönelik olmalıdır. Etkene yönelik seçilmeyen, uygun doz ve sürede uygulanmayan antimikrobikler fayda yerine zarar vermektedir. Ülke çapındaki kontrolsüz antimikrobik madde kullanımına fert olarak ve sağlık hizmetleri görevlileri olarak titizlikle yaklaşalım. Bize düşen görevleri yapalım ve aynı zamanda ülkemiz ekonomisine katkıda bulunalım. Değerlendirme Soruları 1. Aşağıdakilerden hangisi purinlerdendir? A) Adenin-guanin B) Adenin-timin C) Adenin-urasil D) Guanin-timin E) Timin-sitozin 2. Genin DNA'da bulunduğu yere ne denir? A) Operon B) Lokus C) mrna D) trna E) rrna - 63 -
3. DNA'daki genetik bilgiyi ribozomlara taşıyan molekül hangisidir? A) Operon B) Lokus C) mrna D) trna E) rrna 4. İki bakterinin yanyana gelerek arada köprücükler oluşturup genetik madde aktarması olayına ne denir? A) Konjugasyon B) Transformasyon C) Transdüksiyon D) Mutasyon E) Hiçbiri 5. Aşağıdaki antimikrobik maddelerden hangisi bakteri hücre duvarı sentezini bozarak etki etmez? A) Penisilin B) Sefalosporin C) Basitrasin D) Vankomisin E) Sulfonamidler 6. Sıvı kültür ortamında standart şartlar altında bakterilerin üremesini inhibe eden en düşük ilaç konsantrasyonuna ne ad verilir? A) Direnç B) MİK C) MBK D) Etki spektrumu E) Tolerans 7. Klavulanik asit ve sulbaktam bakterilere ait hangi enzimi bağlayarak penisilin gibi antibiyotiklerin parçalanmasını engeller? A) Fosforilaz B) Adenilaz C) Beta laktamaz D) Penisilinaz E) Hiçbiri 8. Hücre duvarını kaybederek L formuna geçen bir bakterinin kazandığı direnç hangi seçenekte belirtilmiştir? A) Kromozomal B) Kromozom dışı C) Çapraz D) Genetik dışı E) İnaktif 9. Protein zincir sentezini önleyen makrolid antibiyotik hangisidir? A) Tetrasiklin B) Eritromisin C) Kloramfenikol D) Sulfonamidler E) Amfoterisin B - 64 -
10. Kromozom dışı direnci bakteriden bakteriye aktaran DNA parçacıkları hangisidir? A) Bakteriyofaj B) R Bakteriosini C) R plasmidi D) Profaj E) Lizojenik faj Sözlük Litik : Eritici etki Bakteriyofaj : Bakteri virusu Betalaktamaz : Bazı antibiyotiklerde bulunan betalaktam halkasını parçalayan enzim. Ekstrakromozomal : Kromozom dışı Lizis : Bir hücrenin erimesi olayı PABA : Para amino benzoik asit Reversibl : Geriye dönebilir özellikte Yararlanılan Kaynaklar AKALIN E., Antibiyotikler, Türk Tabibler Birliği Yayını, Ankara, 1990. AKMAN M., Bakteri Genetiği, Cumhuriyet Üniversitesi Tıp Fak. Yayın No:8, Sivas, 1983. BİLGEHAN H., Temel Mikrobiyoloji ve Bağışıklık Bilimi, Barış Yayınları, Fakülteler Kitabevi, İzmir, 1989. JAWETZ,E., Melnick J.L, Adelberg E.A, Rewiew of Medical Microbiology, Appleton and Lange, Norwalk, Connecticut / Los Altos, California, 1989. NEU, C.H., The Medical Clinics of North America, Vol 71 No:6, 1987. NEU, C.H., The Medical Clinics of North America, Vol 72 No:3, 1988. - 65 -