Cơ chế kháng khuẩn và diệt khuẩn chủ yếu là tác động trên quá trình tổng hợp protein, bao gồm tạo phức đầu dịch mã hay giai đoạn kéo dài; ức chế quá trình tổng hợp acid nucleic; ức chế quá trình trao đổi chất và ức chế quá trình hình thành vách tế bào vi khuẩn.
1.3.1 Ức chế tổng hợp thành tế bào vi khuẩn [2]
Hình 1.1: Cấu trúc peptidoglycan
Thành tế bào vi khuẩn có vai trò bảo vệ hình dạng vi khuẩn và chịu áp suất thẩm thấu cao bên trong nên là thành phần cần thiết cho sự tồn tại của vi khuẩn. Thành của tất cả vi khuẩn đều cấu tạo bởi peptidoglycan (còn gọi là mucopeptid hay murein).
Peptidoglycan gồm các chuỗi polysaccharide nối với nhau bởi các dây peptid ngang tạo thành cơ cấu mạng lưới rất vững chắc. Các polysaccharide gồm N- acetyglucosamin (NAG) xen kẽ với N-acetylmuramic acid (NAM) bởi liên kết α-1,4 glycoside. Trên NAM có các nhánh tetrapeptide khác nhau tùy loại vi khuẩn. Trình tự thông thường của tetrapeptide gồm: L-alanine, acid D-glutamic, acid diaminopimelic (hoặc L-lysin) và D-alanine. Cơ chế tác động trên thành tế bào vi khuẩn là do sự can thiệp vào sử tổng hợp thành peptidoglycan qua các giai đoạn:
ã Giai đoạn 1: Tổng hợp uridindiphosphate (UDP) acetyl muramyl pentapeptide. Phản ứng cuối của giai đoạn này là thành lập dipeptide: D-alanine D- alanine cần 2 enzyme alanine racemase và D-alanine D-alanine synthetase. Những hợp chất có cấu trúc tương tự như D-alanine cạnh tranh với nó để gắn vào enzyme.
ã Giai đoạn 2: Phản ứng kết hợp UDP-acetyl muramyl pentapeptide và UDP-acetylglucosamin thành một chuỗi dài nhờ xúc tác của transglucosidase. Các hợp chất hóa học thực vật có thể ức chế transglucosidase.
ã Giai đoạn 3: Hoàn tất đường nối ngang của hai peptidoglycan kế cận. Sự tổng hợp peptidoglycan có sự tham gia của PBP (penicillin binding protein) ở trên mặt hay nằm xuyên qua màng sinh chất PBP là receptor của penicillin. Glycin cuối cùng của phân tử pentapeptide thứ nhất gắn với D-alanine thứ tư của pentapeptide thứ hai, đồng thời phóng thích D-alanine thứ năm, phản ứng này cần transpeptidase, enzyme này có thể bị ức chế bởi hợp chất hóa học thực vật.
1.3.2 Ức chế quá trình chuyển hóa
Hình 1.2: Cấu trúc màng sinh chất
Màng sinh chất là nơi trao đổi giữa tế bào vi khuẩn với môi trường bên ngoài.
Màng này có tính thấm chọn lọc để kiểm soát các thành phần bên trong tế bào. Nếu màng sinh chất bị tổn thương, các phân tử lớn và ion thoát ra ngoài nên vi khuẩn chết.
Hợp chất thứ cấp có cấu tạo thuộc nhóm polyen tác động như một chất tẩy loại cation làm xáo trộn tính thẩm thấu của màng nguyên sinh chất khiến các ion như Mg2+, K+, Ca2+ thoát ra khỏi tế bào. Một số tác động theo cơ chế ức chế tổng hợp lipid màng sinh chất.
1.3.3 Ức chế tổng hợp protein
Hình 1.3: Cơ chế ức chế tổng hợp protein [26]
Sự dịch mã khởi đầu khi có sự hình thành phức đầu dịch mã gồm các nhân tố 30S, IF1, IF2, IF3, mRNA, fmet-tRNA tạo thành phức khởi đầu, tiểu đơn vị lớn sau đó mới kết hợp vào để bắt đầu dịch mã. Quá trình kéo dài: peptidyl RNAt ở vị trí P chuyển dây peptide đang được thành lập sang aminoacyl RNAt ở vị trí A nhờ xúc tác
của peptidyltransferase. Sau khi chuyển dây peptide, tRNA rời vị trí P để nhường chỗ cho peptidyl RNAt mới nối trước đó đến. Một aminoacyl RNAt mới lại đi vào vị trí A.
Hợp chất tự nhiên có thể can thiệp vào tất cả các quá trình tạo thành phân tử protein như can thiệp vào sự hình thành phức đầu dịch mã (30S-fmet-tRNA-mRNA);
gắn với receptor chuyên biệt trên ribosome 30S gây biến dạng ribosome dẫn đến đọc sai mã ở tiểu đơn vị 30S nên mang vào các acid amin không đúng, vì vậy tạo ra các protein không hoạt tính; gắn vào tiểu đơn vị 50S, ức chế hoạt động của enzyme peptidyl transferase, peptide ở vị trí P không thể chuyển sang vị trí A, cũng có thể ức chế sự chuyển peptidyl RNAt từ vị trí A sang vị trí P nên aminoacyl RNAt mới không thể chiếm vị trí A để kéo dài chuỗi peptide.
1.3.4 Ức chế tổng hợp acid nucleic
1.3.4.1 Ức chế sự tổng hợp DNA
Trong qúa trình nhân đôi DNA, cần thiết có sự tham gia của enzyme DNA gyrase (là enzyme topoisomerase II với vi khuẩn Gram âm và topoisomerase IV với vi khuẩn Gram dương) để tháo xoắn và dãn mạch DNA, từ đó enzyme helicase mới cắt liên kết hydro tạo điểm Ori khởi đầu sao chép. Ức chế sự tổng hợp DNA là làm bất hoạt enzyme gyrase, từ đó quá trình nhân đôi, tái sắp xếp lại đoạn DNA, nối đoạn cắt bị ngăn chặn và gây chết vi khuẩn.
DNA gyrase và topoisomerase IV có cấu trúc protein tương tự nhau, gồm hai tiểu đơn vị Gry-A và Gry-B với chức năng khác nhau. Đầu tiên, Gry-A gắn vào DNA xoắn kép. Nhờ một phân tử ATP, Gry-B tách sợi DNA ra tạo đầu sole ở 4 cặp base.
Tiếp đó, phân tử thuộc nhóm quinolone sẽ kết hợp vào hai đầu mạch còn lại vì thế không thể mở vòng để sao chép.
Hình 1.4: Cơ chế ức chế tổng hợp DNA.
1.3.4.2 Ức chế tổng hợp RNA
Quá trình phiên mã là chuyển thông tin di truyền từ DNA sang mRNA nhờ enzyme RNA polymerase. Từ mRNA đó lại dịch mã ra protein. Quá trình ức chế tổng hợp RNA do hợp chất hóa học có thể kết hợp làm sai khác cấu trúc của enzyme RNA polymerase, vì thế enzyme này không thực hiện được vai trò của nó trong phiên mã và dịch mã.
1.3.4.3 Ức chế tổng hợp acid folic
Đối với nhiều sinh vật, acid p-aminobenzoic (PABA) là tiền chất để tổng hợp acid folic. Acid folic là loại vitamin B9 cần thiết để tạo tế bào mới và duy trì chúng, nó cần thiết cho quá trình nhân đôi DNA và tránh đột biến DNA. Việc thiếu acid folic làm chậm quá trình tổng hợp DNA và phân chia tế bào. Một số hợp chất hóa học thực vật có cấu trúc tương tự như PABA (như kháng sinh sulfonamide) nên chúng có khả năng cạnh tranh với PABA trong quá trình tổng hợp acid folic, cuối cùng tạo chất giống acid folic nhưng không có hoạt tính sinh học.
Hợp chất thứ cấp còn có thể ức chế enzyme dihydrofolat reductase nên ngăn biến dihydrofolat thành dạng hoạt động là tetrahydrofolat để tổng hợp purin rồi acid nucleic.