Cátedra de Microbiología General FACENA – UNNE 2011 ANTIMICROBIANOS Cátedra de Microbiología General FACENA – UNNE 2011

ANTIMICROBIANOS Antibiótico (del griego, anti, ‘contra’; bios, ‘vida’), se define como cualquier compuesto químico utilizado para eliminar o inhibir el crecimiento de organismos infecciosos

Historia El primer antibiótico descubierto fue la penicilina. Alexander Fleming (1881-1955) estaba cultivando una bacteria (Staphylococcus aureus) en un plato de agar, el cual fue contaminado accidentalmente por hongos. Luego él advirtió que el medio de cultivo alrededor del moho estaba libre de bacterias. Él había trabajado previamente en las propiedades antibacterianas de la lisozima, y por ello pudo hacer una interpretación correcta de lo que vió: que el hongo estaba secretando algo que inhibía el crecimiento de la bacteria. Aunque no pudo purificar el material obtenido (el anillo príncipal de la molécula no era estable frente a los métodos de purificación que utilizó), informó del descubrimiento en la literatura científica. Debido a que el hongo era del género Penicillium (Penicillium notatum), denominó al producto penicilina. Debido a la necesidad imperiosa de tratar las infecciones provocadas por heridas durante la II Guerra Mundial, se invirtieron muchos recursos en investigar y purificar la penicilina, y un equipo liderado por Howard Walter Florey tuvo éxito en producir grandes cantidades del principio activo puro en 1940. Los antibióticos pronto se hicieron de uso generalizado desde el año 1943. Se les denomina frecuentemente a los antibióticos, "balas mágicas", por hacer blanco en los microorganismos sin perjudicar al huésped.

Alexander Fleming - 1929

POSTULADOS DE ERLICH Un ANTIMICROBIANO debe ser: Muy activo frente a microorganismos. Fácilmente absorbible por el organismo humano. Activo en presencia de tejido o fluidos corporales. Bajo grado de toxicidad, alto índice terapéutico. No inducir desarrollo de resistencias.

CLASIFICACIÓN DE LOS ANTIMICROBIANOS Estructura química Reversibilidad de su efecto Toxicidad Espectro de acción Tipo de resistencia Mecanismo de acción Farmacología

REVERSIBILIAD DE SU EFECTO Reversibles o primariamente BACTERIOSTÁTICOS Irreversibles o primariamente BACTERICIDAS

Bactericidas: producen la muerte del microorganismo responsable del proceso infeccioso. Bacteriostáticos.: bloquean el crecimiento y multiplicación celular quedando el microorganismo viable, de manera que, cuando se suspende el tratamiento, puede volver a recuperase y multiplicarse CURVA DE CRECIMIENTO: Fase log. (b-lactámicos, glicopéptidos, fosfomicina). Cualquier fase (Polipéptidos, inhibidores proteicos).

¿DE QUE DEPENDE? Estructura • Concentración alcanzada en el sitio de la infección. • Tipo de germen. • Tamaño del inoculo. Mecanismo de acción. • Tiempo de acción. • Fase de crecimiento de la bacteria.

CLASIFICACION DE ANTIMICROBIANOS SEGÚN SU MECANISMO DE ACCION Interfieren en la biosíntesis de PARED CELULAR Inhiben la SINTESIS DE PROTEINAS Actúan sobre la síntesis de ACIDOS NUCLEICOS Actúan sobre VIAS METABÓLICAS Actúan sobre la MEMBRANA CELULAR

ANTIMICROBIANOS: DIANAS PARED CELULAR: Peptidoglicano ÁCIDOS NUCLEICOS PARED CELULAR: Peptidoglicano ADN girasa VÍAS METABÓLICAS ARN-polimerasa SÍNTESIS PROTEÍNAS MEMBRANA

Inhibición de la síntesis de la pared celular. Inhibición de la síntesis de peptidoglicanos, principal componente de la pared celular.

Inhibición de la síntesis de la pared celular Betalactámicos Penicilinas Cefalosporinas y Cefamicinas Monobactamicos Carbapenems Glucopéptidos (Vancomicina, Teicoplanina) Fosfomicina Cicloserina

BETALACTAMICOS

BETALACTAMICOS 1. Penicilinas: Presentan la fusión del anillo ß-lactámico con un anillo pentagonal (anillo de tiazolidina), conformando una estructura básica que es el ácido 6-aminopenicilánico (Ac.penicilánico) y una cadena lateral R-CO- que ofreció la posibilidad de obtener una amplia variedad de compuestos semisintéticos

Clasificación de Penicilinas: Penicilina G (Bencilpenicilina) Penicilina natural, el radical acilo es el grupo bencilo. Tiene un espectro estrecho: Gran actividad sobre cocos gram+, pero no frente a la mayoría de las gram-. Es sensible a ácidos, no puede administrarse por vía oral. Es susceptible a penicilinasas producidas por muchas bacterias. Penicilinas Penicilinasa Resistentes (Meticilina, Oxacilina): Se usan sobre todo frenta a cocos +. Buena acción sobre S. aureus productores de penicilinasa. Resisten el medio ácido. De espectro ampliado (Aminopenicilinas: Ampicilina, amoxicilina): permiten un uso efectivo frente a varias bacterias gram- (H. influenzae, E. coli, Preteus, Salmonella, Shigella). El grupo amino hace que puedan atravesar la membrana externa de los Gram-. Resisten los ácidos. Tienen menos actividad sobre gram+. P. antipseudomónicas: carbenicilina, piperacilina, mezlocilina: Pseudomonas aeruginosa, Klebsiella pneumoniae Reacciones adversas: Alergia : hasta anafilaxia. Colitis pseudomembranosa. Nefritis

Penicilina G Penicilina V

Meticilina Penicilina G Cefotaxima Acido 7-aminocefalosporánico

BETALACTAMICOS 2. Cefalosporinas: Presentan la fusión del anillo ß-lactámico con un anillo hexagonal (anillo dihidrotiacínico) conformando una estructura básica (núcleo cefem) que es el ácido 7- aminocefalosporánico.

Cefalosporinas Las cefalosporinas son producidas por hongos del género Cefalosporium, mientras que las cefamicinas por ciertas especies de actinomicetos del género Streptomyces La cefalosporina natural tiene poca actividad, pero sustituyendo artificialmente R1 y R2 se obtienen derivados semisintéticos muy activos La industria farmacéutica ha ido creando sucesivas generaciones de estos compuestos, con aplicaciones y ventajas diferentes

Cefalosporinas Cefalosporinas de 1era Generación: cefalotina, cefazolina: cocos +, excepto enterococos. E.coli, Klebsiella. P. mirabilis Cefalosporinas de 2da: Cefamandol, cefoxitina, cefaclor :Serratia , Enterobacter, H. influenzae, Klebsiella. Cefalosporinas de 3era: Cefotaxima, ceftriaxona, Ceftazidima: Enterobacterias y algunos BNNF Cefalosporinas de 4ta: Cefepime: Cocos + y BGN.

BETALACTAMICOS 3. Monobactamas: Los monobactámicos son derivados del ácido 3- aminomonobactámico.(aztreonam) Tienen una estructura ß-lactámica sencilla con una estructura monocíclica en la que el anillo ß-lactámico no está fusionado a otro secundario.

BETALACTAMICOS 4. Carbapenemes: Su estructura básica consiste en un anillo ß-lactámico fusionado a uno pirrolidínico compartiendo un nitrógeno. Ej.Imipenem, Meropenem

BETALACTAMICOS 5. Inhibidores de las ß-lactamasas: Presentan una estructura muy similar a la de las penicilinas, con cambios diversos que los hacen menos susceptibles a las ß-lactamasas. Ej. Sulbactama, Tazobactama y Ac. Clavlanico

Reacciones adversas de la penicilina Reacción de hipersensibilidad o alérgica: Es el efecto adverso más importante, ocurriendo hasta en el 5% de los pacientes. Puede ser inmediata (2-30 minutos), acelerada (1-72 horas) o tardía (más de 72 horas). La gravedad es variable desde simples erupciones cutáneas pasajeras hasta shock anafiláctico, el cual ocurre en el 0,2% y provoca la muerte en el 0,001% de los casos. Trastornos gastrointestinales: el más frecuente es la diarrea, ya que la penicilina elimina la flora intestinal. Aumento reversible de enzimas aminotransferasas, que suele pasar inadvertida. Trastornos hematológicos: anemia, neutropenia y trombopenia. Hipopotasemia: Poco frecuente. Nefritis intersticial Encefalopatía: que cursa con mioclonias, convulsiones clónicas y tónico-clónicas de extremidades que pueden acompañarse de somnolencia, estupor y coma. La encefalopatía es más frecuente en pacientes con insuficiencia renal.

Mecanismo de acción Las penicilinas y cefalosporinas trabajan la misma manera, interfieren con la síntesis de peptidoglicano de la pared celular bacteriana, inhibiendo la transpeptidación final, necesaria para los entrecruzamientos entre cadenas de PG. Este efecto es bactericida sobre bacterias en crecimiento.

Estos antibióticos tienen un efecto bactericida sobre bacterias en crecimiento. Al inhibir determinados pasos del ciclo de síntesis y ensamblaje del PG, provocan la acumulación de precursores de dicho PG. Esto desencadena la activación de las autolisinas de la bacteria, que degradan el PG y que finalmente provoca la lisis celular (en medios hipotónicos), por entrada masiva de agua a la célula.

ESTRUCTURA PEPTIDOGLICANO M G M G M ENLACE PEPTÍDICO G M G M G

Peptidoglicano en gramnegatinas y grampositivas El tetrapéptido unido al NAM de muchas bacterias está constituido por: Grampositivas: L-Alanina D-glutámico L-Lisina D-Alanina Gramnegativas: L-Alanina D-glutámico Meso diaminopimélico D-Alanina Las cadenas polisacáridas paralelas se hallan unidas transversalmente directamente a través de los tetrapéptidos (bacterias gramnegativas) o a través de un puente de pentaglicina que conecta dos tetrapéptidos (bacterias grampositivas).

peptidoglicano o mureína Grampositiva Gramnegativa

BIOSÍNTESIS DE PÉPTIDOGLICANO Pueden diferenciarse cuatro etapas: 1.  Síntesis de precursores solubles en el citoplasma. 2.  Transporte a través de la membrana: Estos precursores son transferidos a un transportador lipídico situado en la membrana citoplásmica (bactoprenol), donde se forman las unidades disacarídicas con el pentapéptido. 3.   Transglucidación: Las unidades disacarídicas se polimerizan en cadenas lineales fuera de la membrana, pero aún unidas al bactoprenol. 4.   Transpeptidación: Unión del polímero lineal así formado al peptidoglucano preexistente en la pared celular, por entrecruzamiento de sus péptidos respectivos.

Antibióticos que actúan sobre la biosíntesis del PG Fosfomicina: inhibe la formación de NAM a partir de NAG Cicloserina: inhibe la racemización de la Ala, así como la formación del dipéptido D-ala-D-ala Bacitracina: impide la regeneración del bactoprenol Vancomicina: inhibe transglucosidación (3ª fase - elongación) ß-lactámicos: inhiben transpeptidación (fase 4ª: entrecruzamiento de cadenas de PG) Tienen un efecto bactericida sobre bacterias en crecimiento. Ello se debe a que, al inhibir determinados pasos del ciclo de síntesis y ensamblaje del PG, provocan la acumulación de precursores de dicho PG, lo que a su vez desencadena la activación de las autolisinas de la bacteria, que degradan el PG y que finalmente provoca la lisis celular (en medios hipotónicos), por entrada masiva de agua a la célula. 1. Fosfomicina: actúa inhibiendo la formación del 3-O-D-lactil-éter de la NAG (o sea, del NAM). 2. Cicloserina: Se comporta como análogo estructural de la D-alanina, por lo que inhibe la actuación de la racemasa que convierte la L-ala a D-ala, así como de la reacción de unión de dos D-ala. 3. Tunicamicina: inhibe la traslocasa que cede el NAM unido hasta entonces al UDP y lo pasa al bactoprenol (fase 2ª). 4. Vancomicina y ristocetina: inhiben la segunda transglucosidación (fase 3ª), es decir, la unión de diversas unidades disacarídicas. 5. Bacitracina: se une al undecaprenol-P-P, bloqueando su desfosforilación, e impidiendo por lo tanto, la regeneración del transportador de membrana. 6.      Antibióticos ß-lactámicos (p. ej.: penicilinas, cefalosporinas): inhiben la reacción de entrecruzamiento por transpeptidación.   35

SÍNTESIS DE PRECURSORES FOSFOMICINA N-Acetilglucosamina N-Acetilmurámico Fosfoenolpiruvato

SÍNTESIS DE PRECURSORES CICLOSERINA L-Ala D-Ala 2 D-Ala D-Ala—D-Ala D-ALANINA RACEMASA SINTETASA CICLOSERINA

TRANSPORTE A TRAVÉS DE MEMBRANA BP G--M--BPP BACITRACINA BPP G--M

MEMBRANA CITOPLÁSMICA ENSAMBLAJE MEMBRANA CITOPLÁSMICA G--M PARED G--M--G--M--G--M---- ELONGACIÓN DEL PEPTIDOGLICANO

INHIBICIÓN DE LA ELONGACIÓN GLICOPÉTIDOS: Vancomicina Teicoplanina VANCOMICINA INHIBICIÓN DE LA ELONGACIÓN

Vancomicina

SÍNTESIS PEPTIDOGLICANO TRANSPEPTIDACIÓN ENLACE PEPTÍDICO Transpeptidasa Carboxipeptidasa PBPs (Penicillin-binding proteins) MEMBRANA CITOPLÁSMICA

SÍNTESIS PEPTIDOGLICANO TRANSPEPTIDACIÓN ENLACE PEPTÍDICO BETALACTÁMICO PBPs MEMBRANA CITOPLÁSMICA

PBPs Proteínas de unión a la penicilina Las penicilinas tienen como dianas una serie de autolisisnas llamadas proteínas de unión a la penicilina (PBPs), implicadas en las últimas fases de la síntesis y maduración del PG. Las PBPs 1 a 3 son esenciales para la bacteria, y son las dianas de las penicilinas lo cual explica la actividad bactericida.

SÍNTESIS PEPTIDOGLICANO PBPs Existen distintas PBPs, con actividades diferentes. No todas las especies bacterianas. presentan idéntico perfil de PBPs. Dianas de los betalactámicos. Distinto grado de afinidad. IS PEPTIDOGLICANO

2. Inhibición de la síntesis proteica Los antibióticos que interfieren en la síntesis de proteínas son muy variados y abundantes, y la mayoría de ellos funcionan interfiriendo con el ribosoma, se unen a proteínas ribosómicas o a alguno de los ARN ribosómicos. Los más útiles son aquellos que tienen efectos selectivos frente a los ribosomas 70S procarióticos, pero no sobre los 80S eucarióticos.

SÍNTESIS DE PROTEÍNAS Subunidad 30S: Subunidad 50S: Aminoglicósidos Tetraciclinas. Subunidad 50S: Lincosamidas Macrólidos Oxazolidinonas Estreptograminas

Inhibición de la síntesis proteica Podemos agruparlos según la fase concreta de la elongación sobre la que actúan: INHIBIDORES DE LA FASE INICIAL DE LA ELONGACIÓN: TETRACICLINAS INDUCTORES DE ERRORES EN LA LECTURA DEL ARNm: AMINOGLUCÓSIDOS INHIBIDORES DE LA TRANSLOCACIÓN: MACRÓLIDOS INHIBIDORES DE LA TRANSCRIPCIÓN DE LAS EUBACTERIAS: RIFAMICINAS

INHIBIDORES DE LA FASE INICIAL DE LA ELONGACIÓN: TETRACICLINAS Las tetraciclinas son antibióticos de muy amplio espectro (frente a Gram-positivas, Gram-negativas, Rickettsias y Clamidias, e incluso Micoplasmas), producidos por distintas especies de Streptomyces. Se basan en el cuádruple anillo del naftaceno. Actúan como bacteriostáticos, siempre y cuando las bacterias estén en crecimiento activo. Son útiles incluso contra bacterias que viven como parásitos intracelulares (como las Rickettsias), debido a que su carácter hidrofóbico facilita su difusión a través de membranas.

INHIBIDORES DE LA FASE INICIAL DE LA ELONGACIÓN: TETRACICLINAS Mecanismo de acción: provocan que la unión del aa-ARNt al sitio A del ribosoma sea inestable y esté distorsionada, con lo cual se evita la elongación de la cadena. In vitro actúan tanto frente a ribosomas 70S como frente a los 80S. in vivo sólo inhiben a las bacterias. La explicación está en el hecho de que las bacterias transportan complejos tetraciclina-Mg de forma “suicida”, cosa que no ocurre en eucariotas.

SÍNTESIS DE PROTEÍNAS ELONGACIÓN: RECONOCIMIENTO Tetraciclinas Arg F-Met ARNm A U G C G C G G A U C U A C Tetraciclinas Arg

Tetraciclinas

INDUCTORES DE ERRORES EN LA LECTURA DEL ARNm: AMINOGLUCÓSIDOS Los aminoglucósidos constituyen un grupo amplio y variado de antibióticos de amplio espectro, producidos por diversas especies de Streptomyces Todos tienen en común varios rasgos químicos: son muy polares, policatiónicos. Presentan un anillo de aminociclitol unido por enlaces glucosídicos a uno o más azúcares, incluyendo al menos un aminoazúcar

Aminoglucósidos Ejemplos de de uso clínico bacteria productora Estreptomicina Streptomyces griseus Kanamicina S. kanamyceticus Amikacinas (derivados semisintéticos de la kanamicina) Neomicina S. fradiae Gentamicina Micromonospora purpurea

INDUCTORES DE ERRORES EN LA LECTURA DEL ARNm: AMINOGLUCÓSIDOS Mecanismo de acción: se unen a los polirribosomas que están traduciendo el ARNm, provocando errores en la lectura del ARNm, al distorsionar la estructura del ribosoma. Por lo tanto, la bacteria comienza a sintetizar proteínas defectuosas; con un efecto final que es bactericida. Su uso debe ser sumamente controlado y monitoreado, por su gran poder de causar daño irreversible al oído y a los riñones.

SÍNTESIS DE PROTEÍNAS LECTURA ERRÓNEA: Aminoglicósidos AMINOGLICÓSIDO

INHIBIDORES DE LA TRANSLOCACIÓN: MACRÓLIDOS Los macrólidos son antibióticos con grandes anillos lactona unidos a uno o unos pocos azúcares. El macrólido prototipo es la eritromicina, pero actualmente se usan mucho en clínica dos derivados semisintéticos de ella: la roxitromicina y la claritromicina. La produce un actinomiceto llamado Saccharopolyspora erithraea, y es un agente bacteriostático que se administra en infecciones de vías respiratorias ocasionadas por Mycoplasma pneumoniae, Legionella pneumophila (legionelosis), Corynebacterium dyphteriae (difteria) y Bordetella pertussis (tosferina).

Eritromicina

INHIBIDORES DE LA TRANSLOCACIÓN: MACRÓLIDOS Mecanismo de acción Bloquea el paso de translocación interfiriendo específicamente con la liberación del ARNt desacilado, es decir, impide que el ARNt “descargado” salga del sitio P; El pp-ARNt cargado y situado en el sitio A no puede translocarse al sitio P, y se produce la parada de la síntesis de proteinas.

SÍNTESIS DE PROTEÍNAS ELONGACIÓN: Translocación Macrólidos F-Met Arg G C G G C G A U G C G C G G A A U G C G C G G A ARNm ARNm

Lincosamidas Las Lincosamidas (lincomicina y clindamicina) carecen de relación química con los macrólidos, pero poseen muchas propiedades biológicas similares La Clindamicina (7-cloro-7desoxilincomicina), tiene una modificación en su estructura química que le proporciona mayor potencia antibacteriana y una mejor absorción por vía oral. La Lincomicina se aisló a partir del Streptomyces lincolnensis. Consiste en un aminoácido unido a un aminoglúcido. Ambas moléculas son bases débiles y muy hidrosolubles.

INHIBIDORES DE LA TRANSCRIPCIÓN DE LAS EUBACTERIAS: RIFAMICINAS Las rifamicinas son antibióticos producidos por Streptomyces mediterranei, con buena actividad contra bacterias Gram-positivas y contra Mycobacterium tuberculosis. Se han usado en clínica moléculas naturales (como la rifampicina) así como derivados semisintéticos (como la rifampina). Constan de un anillo cromóforo aromático atravesado por un largo puente de naturaleza alifática. Su mecanismo de acción estriba en la inhibición del inicio de la transcripción, uniéndose de modo no covalente a la subunidad ß de la ARN polimerasa eubacteriana

3. Inhibición de la síntesis de ACIDOS NUCLEICOS Las quinolonas son quimioterápicos de síntesis que bloquean la ADN-girasa bacteriana, uniéndose a la subunidad de tipo A. Las bacterias poseen topoisomerasas de tipo II, llamadas girasas, que introducen superenrollamiento negativo en la doble hélice del ADN. El bloqueo de las quinolonas sobre la girasa supone que ésta queda “congelada” en la fase en que el ADN está unido al enzima. Ello provoca la acumulación de roturas de doble cadena, lo que conduce a la muerte de la bacteria.

SÍNTESIS DE ÁCIDOS NUCLEICOS ADN bacteriano Enzima A A Quinolona B GyrA/ParC B Muerte celular GyrB/ParE

Quinolonas Primera generación (ácido nalidíxico) Segunda generación (Fluorquinolonas): Norfloxacina, Ciprofloxacina, Ofloxacina, Pefloxacina. Son activas frente a la mayoría de los microorganismos Gram negativos y Gram positivos aerobios. (ciprofloxacina, norfloxacina y ofloxacina) Son moléculas hidrofílicas, muchas son anfotericas Estructura química de las quinolonas formada por dos anillos con un nitrógeno en la posición 1 y un grupo carbonilo en la posición 4 (núcleo base 4-quinolona), además un grupo carboxilo en la posición 3 en el primer anillo. Estos antibióticos cuando tienen un átomo de flúor en la posición 6, aumentan su potencia antibacteriana.

Quinolonas Fluoroquinolonas Ac. Nalidíxico

4. Acción sobre VIAS METABÓLICAS ANÁLOGOS DE FACTORES DE CRECIMIENTO MICROBIANO Su mecanismo de acción depende del hecho de que funcionan como análogos de metabolitos, actuando como inhibidores competitivos respecto de cierta enzima.

METABOLISMO DEL ÁCIDO FÓLICO Acido p-aminobenzoico + Pteridina Pteridin sintetasa Acido dihidropteroico Dihidrofolato sintetasa Ac. Dihidrofólico Dihidrofolato reductasa Ácido tetrahidrofólico Timidina Purinas Metionina SULFONAMIDAS TRIMETOPRIM

Sulfonamidas Su estructura es similar al ácido paraaminobenzoico (PABA), un factor requerido por las bacterias para la síntesis del ácido fólico Bacteriostáticos sintéticos de amplio espectro, eficaces contra la mayoría de las bacterias Gram positivas y muchas bacterias Gram negativas. Los efectos colaterales incluyen alteraciones del tracto gastrointestinal e hipersensibilidad.

Sulfonamidas Los microorganismos son sensibles a las sulfamidas porque sus necesidades de THF las han de satisfacer sintetizándolo a partir de PABA usando la ruta de la que estamos hablando. Sin embargo, los animales son resistentes, debido a que carecen de esta ruta, y en cambio, se aprovisionan de fólico directamente en su dieta. A partir de la sulfanilamida se sintetizaron desde entonces gran número de derivados por sustitución de uno de los hidrógenos del grupo sulfonamida, formando estos derivados la llamada familia de las sulfamidas.

5. Acción sobre la MEMBRANA CELULAR Desorganización de la membrana Citoplasmática: altera la permeabilidad. Si la integridad funcional de la membrana se altera los iones y macromoléculas se escapan y la célula se lesiona y muere. Ej. polimixina , nistatina, anfotericina B

POLIMIXINAS GRAM NEGATIVAS COLISTINA