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¿Por qué la penicilina solo afecta las paredes de las células bacterianas?

¿Por qué la penicilina solo afecta las paredes de las células bacterianas?


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Me fascinó bastante la función ¿Debería la ciencia activar el gatillo de los medicamentos antivirales que pueden combatir el resfriado común? en la revista Wired de este mes.

Explican que la penicilina es eficaz para matar bacterias porque interfiere con el crecimiento de las paredes celulares bacterianas.

¿Cómo lo hace la penicilina exactamente? ¿Y por qué no disuelve también las células humanas?


Las bacterias tienen una estructura en forma de malla que rodea su membrana plasmática llamada pared celular. La pared celular está formada por polímeros de peptidoglicano que forman una estructura cristalina rígida que ayuda a proteger la presión osmótica del citoplasma bacteriano.

La penicilina y otros β-lactámicos actúan inhibiendo el paso final de la síntesis de peptidoglicano, que previene la transpeptidación (reticulación) de las moléculas de peptidoglicano. Esto conduce a la muerte de la bacteria por presión osmótica debido a la pérdida de la pared celular.

Este medicamento no afecta a las células humanas porque carecen de una pared celular que rodea su membrana plasmática.


Mecanismos de acción y resistencia de los antibióticos: una guía para médicos

Las infecciones representan una de las principales causas de muerte en todo el mundo en desarrollo. Esto se debe principalmente a la aparición de nuevos agentes infecciosos y más específicamente a la aparición de resistencia a los antimicrobianos. Con el tiempo, las bacterias se han vuelto más inteligentes y, con ello, el uso masivo e imprudente de antibióticos en la práctica clínica ha resultado en la resistencia de las bacterias a los agentes antimicrobianos. La resistencia a los antimicrobianos se reconoce como un problema importante en el tratamiento de infecciones microbianas. Los mecanismos de resistencia bioquímica utilizados por las bacterias incluyen los siguientes: inactivación de antibióticos, modificación de la diana, alteración de la permeabilidad y & # x0201cbypass & # x0201d de la vía metabólica. La determinación de la resistencia bacteriana a los antibióticos de todas las clases (fenotipos) y las mutaciones que son responsables de la resistencia bacteriana a los antibióticos (análisis genético) son útiles. Una mejor comprensión de los mecanismos de la resistencia a los antibióticos ayudará a los médicos con respecto al uso de antibióticos en diferentes situaciones. Esta revisión analiza el mecanismo de acción y el desarrollo de resistencia en los antimicrobianos de uso común.


Antibióticos de amplio y estrecho espectro

Los antibióticos pueden tener un espectro de actividad amplio o estrecho. Los antibióticos de espectro estrecho son más específicos y solo activos contra ciertos grupos o cepas de bacterias. En cambio, los antibióticos de amplio espectro inhiben una gama más amplia de bacterias. Se prefieren los antibióticos de espectro estrecho ya que el efecto sobre otras bacterias que no causan enfermedades es más limitado. Lamentablemente, a menudo se utilizan antibióticos de amplio espectro, ya que a los médicos les puede resultar difícil diagnosticar las bacterias correctas a tiempo o cuando no se tienen conocimientos sobre cómo tratar correctamente una infección. Para obtener más información, consulte ¿Cómo terminamos aquí? Uso y uso inadecuado & # 8211 En medicina humana.

Consulte también estos recursos seleccionados para obtener más detalles sobre los diferentes antibióticos y sus mecanismos de acción.


Paredes celulares Gram positivas

Las paredes celulares de las bacterias gram positivas se componen predominantemente de peptidoglicano. De hecho, el peptidoglicano puede representar hasta el 90% de la pared celular, formándose capa tras capa alrededor de la membrana celular. Los tetrapéptidos NAM se reticulan típicamente con un interpuente de péptidos y es común la reticulación completa. Todo esto se combina para crear una pared celular increíblemente fuerte.

El componente adicional en una pared celular gram positiva es acido teicoico, un glicopolímero, que está incrustado dentro de las capas de peptidoglicano. Se cree que el ácido teicoico desempeña varias funciones importantes para la célula, como la generación de la carga negativa neta de la célula, que es esencial para el desarrollo de una fuerza motriz del protón. El ácido teicoico contribuye a la rigidez general de la pared celular, lo cual es importante para el mantenimiento de la forma celular, particularmente en organismos con forma de bastón. También hay evidencia de que los ácidos teicoicos participan en la división celular al interactuar con la maquinaria de biosíntesis de peptidoglucanos. Por último, los ácidos teicoicos parecen desempeñar un papel en la resistencia a condiciones adversas como altas temperaturas y altas concentraciones de sal, así como a los antibióticos β-lactámicos. Los ácidos teicoicos pueden unirse covalentemente al peptidoglicano (Ácidos teicoicos de pared o WTA) o conectado a la membrana celular a través de un ancla lipídica, en cuyo caso se denomina ácido lipoteicoico.

Dado que el peptidoglicano es relativamente poroso, la mayoría de las sustancias pueden atravesar la pared celular grampositiva con poca dificultad. Pero algunos nutrientes son demasiado grandes, lo que requiere que la célula dependa del uso de exoenzimas. Estas enzimas extracelulares se producen dentro del citoplasma celular y luego se secretan a través de la membrana celular, a través de la pared celular, donde funcionan fuera de la célula para descomponer grandes macromoléculas en componentes más pequeños.


Efectos secundarios de la penicilina

Aunque la penicilina ha salvado muchas vidas, no siempre es útil para todos. Por ejemplo, algunas personas tienen alergias a la penicilina que pueden causar sarpullido, urticaria, picazón, hinchazón de la piel, anafilaxia (una reacción alérgica potencialmente mortal) y otros síntomas.

Más allá de las alergias, la penicilina se está volviendo menos efectiva con el tiempo, ya que las bacterias se han vuelto resistentes a los antibióticos diseñados para matarlas. Cada año, al menos 2 millones de personas en los Estados Unidos desarrollan una infección bacteriana que es resistente a los antibióticos y al menos 23,000 personas mueren como resultado, según los Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades (CDC).

El uso excesivo y incorrecto de antibióticos contribuye al desarrollo de resistencia a los antibióticos, según la Clínica Mayo. Cada vez que una persona toma antibióticos, la mayoría de las bacterias mueren, pero algunas cepas de bacterias resistentes a los medicamentos se dejan crecer y multiplicarse. Esto significa que el uso regular de antibióticos puede aumentar la cantidad de bacterias resistentes a los medicamentos en el cuerpo.

Por esta razón, los antibióticos solo deben usarse para tratar infecciones bacterianas y no deben recetarse para infecciones virales, como resfriados, gripe, la mayoría de los dolores de garganta, bronquitis y muchos tipos de infecciones de los senos nasales y del oído, según los CDC.

No obstante, muchos dolores de garganta e infecciones de las vías respiratorias superiores que son causadas por virus a menudo se tratan con antibióticos porque se percibe que es una solución rápida, dijo el Dr. Saul R. Hymes, director médico de Administración de Antimicrobianos Pediátricos en el Hospital de Niños Stony Brook en Nueva York.

"En general, existe un problema importante con la prescripción inadecuada de antibióticos en los Estados Unidos", dijo Hymes a WordsSideKick.com. Un estudio de 2016 informó que entre el 30% y el 50% de todas las prescripciones de antibióticos para afecciones comunes como infecciones de oído, dolor de garganta y otras infecciones de tipo respiratorio superior pueden haber sido inapropiadas e innecesarias.

Recursos adicionales:

  • Consulte esta infografía que describe cómo se fabrica la penicilina, de la Biblioteca Nacional de Medicina.
  • Obtenga más información sobre la resistencia a los antimicrobianos en los CDC.
  • Lea más sobre los síntomas y las causas de la alergia a la penicilina en Mayo Clinic.

Este artículo es solo para fines informativos y no pretende ofrecer asesoramiento médico. Este artículo fue actualizado el 30 de mayo de 2019 por el colaborador de Live Science, Cari Nierenberg.


Bacterias Gram-Positivas, Gram-Negativas y Acidorresistentes

La mayoría de las bacterias se pueden colocar en uno de tres grupos según su color después de que se realicen procedimientos de tinción específicos: grampositivos, gramnegativos o resistentes a los ácidos.

  • Bacterias grampositivas: Estos retienen el cristal de colorante violeta inicial durante el procedimiento de tinción de Gram y aparecen de color púrpura cuando se observan a través del microscopio. Las bacterias grampositivas comunes de importancia médica incluyen Streptococcus pyogenes, Streptococcus pneumoniae, Staphylococcus aureus, Enterococcus faecalis, y Clostridium especies.

(izquierda) Tinción de Gram de Staphylococcus aureus, que son cocos grampositivos (violetas) en racimos. (derecha) Tinción de Gram de Escherichia coli que son Bacilos gramnegativos (rosados).

  • Bacterias Gram-negativo: Estos se decoloran durante el procedimiento de tinción de Gram, recogen la contratinción de safranina y aparecen de color rosa cuando se observan a través del microscopio. Las bacterias gramnegativas comunes de importancia médica incluyen Salmonela especies, Shigella especies, Neisseria gonorrhoeae, Neisseria meningitidis, Haemophilus influenzae, Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Proteus especies, y Pseudomonas aeruginosa. Vea también tinción de Gram de una mezcla de bacterias gram-positivas y gram-negativas.

Una tinción de Gram de una mezcla de bacterias grampositivas y gramnegativas. Nótense los bacilos gramnegativos (rosas) y los cocos grampositivos (violetas).

  • bacterias acidorresistentes: Estos resisten la decoloración con una mezcla ácido-alcohol durante el procedimiento de tinción ácido-resistente, retienen el colorante carbolfucsina inicial y aparecen rojos cuando se observan a través del microscopio. Las bacterias acidorresistentes comunes de importancia médica incluyen Mycobacterium tuberculosis, Mycobacterium leprae, y Mycobacterium avium-intracellulare complejo.

Tinción ácido-resistente de Mycobacterium tuberculosis en el esputo. Observe los bacilos acidorresistentes rojizos entre la flora normal azul y los glóbulos blancos en el esputo que no son acidorresistentes.

Estas reacciones de tinción se deben a diferencias fundamentales en su pared celular, como se discutirá en el Laboratorio 6 y el Laboratorio 16. Ahora veremos cada uno de estos tres tipos de paredes celulares bacterianas.


¿Por qué los antibióticos solo matan las bacterias?

Con mis bajos niveles de ciencia, creo que hay algunos puntos en común entre las bacterias, los virus y los humanos. Siempre me he preguntado por qué los antibióticos no hacen que me derrumbe y muera cuando los tomo.

La razón por la que los antibióticos funcionan es que las bacterias están relacionadas y, por lo tanto, utilizan una maquinaria celular similar para dividirse y funcionar. La penicilina y antibióticos similares inhiben la capacidad de las bacterias para construir paredes celulares, lo que detiene la reproducción y la reparación celular y, por lo tanto, obliga a las poblaciones de bacterias a disminuir. Otros antibióticos se dirigen a otras partes de la maquinaria celular bacteriana, como la síntesis de proteínas u otras enzimas bacterianas críticas.

A veces, estos antibióticos pueden ser eficaces contra clases muy grandes de bacterias, debido a la similitud de la maquinaria celular debido a una herencia compartida.

Ayuda que las células humanas sean muy diferentes a las células bacterianas y, por lo tanto, los antibióticos no destruyen nuestras propias células, debido a la distancia extrema en el árbol de la vida en la Tierra que todo lo abarca entre las bacterias y los humanos.

Además, debo agregar que una de las razones por las que los antibióticos pueden ser tan efectivos es porque no tienen que ser terriblemente complejos químicamente. Por lo general, operan engullendo los trabajos en la maquinaria celular, por lo que todo lo que necesitan hacer es poder quedarse atascados en el lugar correcto. Una buena analogía sería, si desea detener una fábrica de tanques enemiga, podría imaginarse infiltrando una gran cantidad de rodamientos de bolas defectuosos en el suministro que utiliza la fábrica, haciendo que la maquinaria del tanque deje de funcionar en el campo.

Ahora, virus. Los virus funcionan de manera muy diferente a las bacterias porque los virus no son capaces de reproducirse por sí mismos. Las bacterias invaden un organismo huésped porque buscan alimento, agua y condiciones estables para la reproducción. Los virus invaden un sistema huésped porque tienen que hacerlo, porque la única forma de hacer más copias del virus es secuestrando la maquinaria de otra célula.

Y aquí es donde entra el problema. Muy poco de lo que constituye un virus por sí solo es algún tipo de maquinaria, la mayor parte es solo información genética (ADN o ARN) y secuestra la célula huésped para poder producir copias adicionales. Lo que significa que para apuntar a dicha maquinaria, tendrá que apuntar a cada célula de su propio cuerpo.

Además, incluso si se dirige, digamos, a la maquinaria que utiliza el virus para infectar células, lo que aún lo deja en una posible desventaja porque es poco probable que sea 100% efectivo y aún deja la peor parte del proceso (donde el virus produce cientos o más). más copias de sí mismo después de infectar una sola célula) fuera de la ecuación. Además, los virus tienden a ser más diversos que las bacterias, por lo que lo que funciona en uno puede no funcionar en otros, lo que limita su utilidad. Sin embargo, existen antivirales, pero en la actualidad son significativamente más caros que los antibióticos.


El futuro

La resistencia bacteriana a la penicilina se presenta de muchas formas. Una mutación en el ADN bacteriano puede limitar la permeabilidad de la pared celular, hacer que el huésped produzca proteínas que producen enzimas para inactivar el agente antibacteriano (penicilinasas) y alterar las enzimas de reticulación para que la penicilina ya no pueda unirse a ellas. Estas mutaciones pueden ser mutaciones graduales en los genes bacterianos o pueden adquirirse de genes completos de otra bacteria.

La resistencia a los antibióticos es un problema grave en la farmacoterapia. Un informe del New England Journal of Medicine (NEJM) explicó cómo los investigadores han identificado bacterias en pacientes que son resistentes a todas las formas disponibles de tratamientos con antibióticos. Un ejemplo de una bacteria que ha demostrado una resistencia considerable al tratamiento con antibióticos incluye Streptococcus pneumoniae. Otro informe de NEJM identificó el 6,6 por ciento de las cepas de neumococo como completamente resistentes. Claramente, los investigadores deben enfrentar este desafío produciendo agentes antibacterianos que superen las defensas dentro de estas cepas resistentes. Pero a medida que han surgido más antibióticos, también lo han hecho más cepas de bacterias.

Algunas posibles soluciones a este problema son: 1) Educar a los demás para que no tomen antibióticos simplemente si les queda algo de su última receta y piensan que pueden estar enfermando (¡hay personas que hacen esto!) 2) Educar otros que deben usar la receta completa en primer lugar para matar esas bacterias y matarlas por completo (si aún no son resistentes, pueden desarrollar resistencia si simplemente las hieres).


Resistencia a los antibióticos: ¿Cómo matan las bacterias los antibióticos?

Esta es una serie de varias partes sobre la resistencia a los antibióticos en las bacterias.

Mira los bits anteriores:

Con el tiempo, alcanzaremos las formas en que las bacterias desarrollan resistencia a los antibióticos, pero antes de llegar allí, dedicaremos un poco más de tiempo a los antibióticos.

¿Qué hemos aprendido hasta ahora?

1. Los antibióticos son productos naturales elaborados por bacterias y algunos hongos.
También hemos aprendido sobre la diferencia entre antibióticos y drogas sintéticas. No siempre hay una distinción clara, ya que se pueden agregar grupos químicos a los antibióticos, haciéndolos en parte sintéticos y en parte naturales.

2. Los antibióticos son un grupo de compuestos químicamente diverso.
Los antibióticos no son ADN. Tampoco son proteínas, aunque algunos antibióticos contienen aminoácidos, que son los componentes básicos de las proteínas. En cierto modo, los antibióticos son una especie de moléculas de lujo, ya que no son esenciales para la vida. Las bacterias ni siquiera las producen hasta que la población alcanza una cierta densidad y fase de crecimiento.

Aunque podemos describir todos los antibióticos con una sola palabra, no existe una descripción única que haga justicia a estos fascinantes compuestos.

Podemos agrupar los antibióticos en clases, ya sea por similitud química: todos los antibióticos peptídicos contienen aminoácidos unidos por enlaces peptídicos, los β-lactámicos tienen un anillo β-lactámico, según la variedad de organismos que pueden matar, los antibióticos de amplio espectro matan una amplia variedad de bacterias, donde los antibióticos de espectro estrecho tienen objetivos más específicos o por la vía metabólica a la que se dirigen.

Quizás la forma más fácil de clasificar los antibióticos es por los organismos que los producen. Incluso allí, los antibióticos desafían las agrupaciones fáciles. La mayoría están hechas por habitantes de la tierra, pero tanto los hongos como las bacterias entran en acción.

Pero, ¿qué hacen los antibióticos? ¿Cómo cumplen su función de agentes de guerra?

Matan las bacterias, pero ¿cómo? En una población bacteriana, ¿todos los miembros mueren?

Desafortunadamente, no, muchos antibióticos actúan previniendo el crecimiento bacteriano. Esto significa que la mayoría de los antibióticos solo matan las bacterias en crecimiento.

¿Evitan que las bacterias crezcan?

Cuando hablamos de animales, plantas o personas en crecimiento, realmente estamos describiendo organismos individuales que se hacen más grandes. Pero, cuando hablamos de crecimiento bacteriano, nos referimos al tamaño de una población bacteriana y no solo al tamaño de una célula.

Entonces, para que las bacterias crezcan, necesitan fabricar todas las partes necesarias para construir nuevas células bacterianas. Se debe copiar el ADN. Se deben producir nuevos ARN, ribosomas y proteínas. Deben construirse paredes de celdas. Las membranas deben sintetizarse. Y, por supuesto, las células deben dividirse.

Muchos, si no la mayoría, de los antibióticos actúan inhibiendo los eventos necesarios para el crecimiento bacteriano. Algunos inhiben la replicación del ADN, otros, la transcripción, algunos antibióticos evitan que las bacterias produzcan proteínas, algunos previenen la síntesis de las paredes celulares, etc. En general, los antibióticos evitan que las bacterias formen las partes necesarias para el crecimiento.

Hay algunos antibióticos que actúan atacando las membranas plasmáticas. La mayoría de los antibióticos, sin embargo, funcionan manteniendo a raya las poblaciones bacterianas hasta que el sistema inmunológico puede hacerse cargo.

Esto también nos lleva a nuestro primer mecanismo de resistencia a los antibióticos. La persistencia es la resistencia.

Si las bacterias necesitan crecer para ser destruidas por los antibióticos, entonces las bacterias pueden escapar de los antibióticos, NO creciendo o creciendo muy lentamente.

Este fenómeno se ha observado con biopelículas (colonias de bacterias que viven en una superficie) (1), E. coli en infecciones del tracto urinario (2), y más notablemente en las bacterias de crecimiento lento, que causan tuberculosis, Tuberculosis micobacterianay lepra, Mycobacterium leprae (3).

Parece gracioso pensar que no creciendo puede ser un mecanismo de supervivencia. Pero si eres una bacteria y puedes permanecer el tiempo suficiente en un estado inactivo y sin crecimiento, eventualmente tu huésped humano dejará de tomar antibióticos, desaparecerán de tu entorno y podrás volver a crecer.


Referencias
:

1. P.S. Stewart 2002. "Mecanismos de resistencia a antibióticos en biopelículas bacterianas". Int J Med Microbiol. 292 (2): 107-13.

2. Trülzsch K, Hoffmann H, Keller C, Schubert S, Bader L, Heesemann J, Roggenkamp A. 2003. "El mutante enano de Escherichia coli altamente resistente y metabólicamente deficiente es la causa de una infección crónica del tracto urinario". J Clin Microbiol. 41 (12): 5689-5694.


Agentes antimicrobianos dirigidos a las paredes y membranas celulares bacterianas

Los agentes antimicrobianos que se dirigen a la pared celular bacteriana o la membrana celular se han utilizado eficazmente durante los últimos 70 años. Entre los agentes que inhiben la síntesis de la pared celular bacteriana, los antibióticos betalactámicos se han convertido en agentes de amplio espectro que inhiben la mayoría de las bacterias patógenas, pero ahora están amenazados por la rápida propagación de betalactamasas inactivadoras de fármacos. Los glicopéptidos aún conservan una alta actividad contra los estafilococos, pero la resistencia entre los enterococos se ha convertido en un problema importante. Recientemente, la fosfomicina se ha utilizado en el tratamiento de bacterias gramnegativas multirresistentes. La daptomicina, que se dirige tanto a la función de la membrana como a la síntesis de peptidoglicanos, es especialmente eficaz en el tratamiento de infecciones estafilocócicas. Los antibióticos de polimixina que se dirigen a las membranas celulares se utilizan con más frecuencia para tratar infecciones gramnegativas resistentes a múltiples fármacos. Los antibióticos ionóforos, utilizados en medicina veterinaria, se dirigen a las membranas de muchas especies microbianas y animales. Aunque el aumento de la resistencia es una preocupación constante, estas clases de agentes bactericidas pueden proporcionar antibióticos muy eficaces.