Antibiotice care inhiba sinteza peretelui celular

Antibiotice care inhiba sinteza peretelui celular

Peretele acopera membrana citoplasmatica, confera forma specifica si rigiditate celulei bacteriene, asigura mentinerea integritatii structurale. Structura chimica unica a peretelui bacterian conditioneaza sensibilitatea lui la cateva grupe de antibiotice, care includ b-lactamii (peniciline, cefalosporine, carbapenemi si monobactami), acidul clavulanic (un inhibitor al b-lactamazelor), antibioticele glicopeptidice (vancomicina, teicoplanina si avoparcina - stimulator al cresterii animalelor). Sunt de asemenea active asupra peretelui, fosfomicina si cicloserina, desi acestea sunt active asupra caii metabolice a sintezei monomerilor peretelui celular.

La bacteriile Gram-negative stratul peptidoglicanic este foarte subtire si este acoperit de o structura secundara, membrana externa, care reprezinta o bariera importanta de permeabilitate, in special fata de patrunderea antibioticelor.

Sinteza peretelui celular este inhibata de antibioticele b-lactamice (peniciline, cefalosporine), inhibitoare ale polimerizarii peptidoglicanului si de vancomicina (tabel nr. 4).

Tabel nr. 4: Antibiotice inhibitoare ale sintezei peretelui bacterian (adaptare dupa Topley si Wilson's, 1998).

Familia antibioticelor β-lactamice cuprinde un numar mare de molecule, reprezentantul cel mai vechi fiind penicilina G (Duval, 1989); ele se pot clasifica in patru grupe:

- peniciline

- cefalosporine

- carbapeneme

- monobactami.

Antibioticele β-lactamice inhiba ultima etapa a sintezei peptidoglicanului, adica formarea puntilor interpeptidice. Acesti compusi prezinta o analogie structurala cu dipeptidul terminal D - Ala - D - Ala, care face parte din pentapeptidul mureinic.

Problema functiei fiecarei proteine care leaga penicilina (PBP - Penicillin Binding Proteine) a fost studiata in detaliu E. coli. La aceasta specie s-au identificat patru PBP cu greutate moleculara mare (PBP 1a, 1b, 2 si 3), cu rol de enzime bifunctionale: catalizeaza transpeptidarea si transglicozilarea peptidoglicanilor.

Peretele celular este una dintre tintele primare pentru antibiotice. Efectul lor se realizeaza prin inhibitia sintezei unui component parietal sau prin inhibitia polimerizarii componentelor chimice ale mureinei.

Antibioticele β-lactamice interfera cu reactia finala de transpeptidare, ce formeaza legaturile transversale intre catenele adiacente de peptidoglican, cele care confera rigiditatea structurii parietale.

Antibioticele β-lactamice sunt bactericide, dar mecanismul actiunii lor este diferit, asupra bacteriilor Gram pozitive si Gram negative.

Bacteriile produc 4 tipuri de proteine care leaga penicilina (PBP), asemanatoare serin-proteazelor. Unele catalizeaza reactiile de transpeptidare(formarea legaturilor incrucisate in peptidoglican) si de carboxipeptidare (modificarea peptidoglicanului) ale asamblarii peretelui celular. PBP, dupa legarea penicilinei, transmit un semnal transmembranar pentru inducerea sintezei β-lactamazelor.

Beta-lactamazele sunt PBP ce catalizeaza hidroliza inelului β-lactamic si inactivarea antibioticului.

PBP sunt proteine legate de membrana (1% din totalul proteinelor de membrana), esentiale pentru viabilitatea celulei, cu exceptia β-lactamazelor care pot fi legate de membrana sau secretate. Antibioticele β-lactamice se leaga covalent cu PBP prin acilarea restului de serina din situsul activ.

La bacteriile Gram pozitive, antibioticele β-lactamice difuzeaza liber spre PBP.

La bacteriile Gram negative, porinele membranei externe limiteaza patrunderea antibioticelor in celula, care se acumuleaza in spatiul periplasmic. Cand concentratia devine eficienta, antibioticele sunt legate de PBP de pe suprafata externa a membranei celulare.

Stratul extern al peretelui bacteriilor Gram negative este format din lipopolizaharide (LPS) a caror structura este foarte compacta si hidrofila la suprafata, datorita acizilor grasi saturati si sarcinii electrice negative.

Rezistenta se manifesta daca concentratia antibioticului in periplasma este mai mica decat cea necesara pentru legarea si inhibitia activitatii PBP.

Mecanismele rezistentei bacteriene la antibioticele β-lactamice sunt:

inglobarea scazuta a antibioticului prin porine

hidroliza sub actiunea β-lactamazelor (la Gram negative sunt localizate in spatiul perilasmic)

actiunea pompelor de eflux;

mutatii ale PBP care reduc afinitatea pentru antibioticele β-lactamice.

In absenta sintezei mureinei, celulele lipsite de perete celular sufera fenomenul lizei osmotice. La cocii Gram pozitivi, antibioticele -lactamice determina pierderea acizilor lipoteichoici parietali. Absenta lor elimina controlul procesului autocatalitic, care in mod normal este limitat si dezagrega peptidoglicanul la situsuri strict localizate.

Antibioticele b-lactamice sunt active numai asupra celulelor bacteriene tinere, aflate in faza de crestere. Penicilina poate fi administrata in doze mari fata de cele terapeutice, singurul risc fiind manifestarile alergice. Administrata oral, este degradata in cea mai mare parte, de HCl din stomac. De aceea se injecteaza intramuscular sau intravenos. Se absoarbe rapid in sange si este excretata rapid. Din acest motiv se asociaza cu procaina, care diminua excretia si ii prelungeste actiunea.

Penicilina G se foloseste pentru tratamentul infectiilor cu streptococi, meningococi, pneumococi, spirochete, bacili aerobi Gram pozitivi, Clostridium. Isi pastreaza activitatea in urina si se foloseste pentru tratamentul infectiilor tractului urinar.

Carbapenemii reprezinta un grup de antibiotice cu efect bactericid, ce contin un antibiotic β-lactamic si un compus ce impiedica degradarea medicamentului in rinichi.

Bacitracina (un peptid ciclic) impiedica defosforilarea moleculei lipidice purtatoare, ce transfera molecula de peptidoglican nou sintetizata, prin membrana celulei, in timpul sintezei peretelui celular. Este toxica pentru rinichi si de aceea nu se administreaza sistemic, dar se aplica local pentru tratamentul leziunilor tegumentare si ale membranelor mucoase.

Mecanismul actiunii vancomicinei consta in blocarea cresterii celulei, deoarece formeaza un complex cu D-ala-D-ala din peptidul mureinic. Este activa numai fata de multe bacterii Gram pozitive, pentru ca la Gram negative, peptidoglicanul nu este accesibil antibioticului. Nu selectioneaza mutante rezistente. Cocii Gram pozitivi (Leuconostoc) si Lactobacillus sunt rezistente pentru ca lantul lateral al peptidoglicanului consta din D-alanil-D-lactat, care are afinitate mai mica pentru antibioticele glicopeptidice.

Cicloserina inhiba competitiv formarea D-Ala din L-Ala si astfel stopeaza sinteza dipeptidului D-Ala-D-Ala. Este relativ toxica si se foloseste pentru tratamentul infectiilor cu M. tuberculosis, rezistent la alte medicamente.

Fosfomicina este un inhibitor al piruvil-transferazei si astfel blocheaza sinteza acidului N-acetil-muramic.

Cicloserina si fosfomicina se comporta ca analogi ai precursorilor peptidoglicanului. Sunt molecule foarte hidrofile si patrund in citoplasma pe calea sistemelor de transport pentru metabolitii inruditi: fosfomicina este anologa structural cu fosfo-enol-piruvatul, iar cicloserina este analoga D-alaninei:

Fosfo-enol-piruvatul

Cicloserina si fosfomicina inhiba sinteza peptidoglicanului.

D-Cicloserina    D-Alanina

Alanina este un compus major al peptidoglicanului si al acizilor teichoici din peretele celulelor bacteriene Gram pozitive. O parte a alaninei parietale se gaseste ca izomer D. Prezenta D-aminoacizilor (D-Ala, acidul D-Glutamic) in peretele bacteriilor infectioase este considerata ca un mecanism protector fata de mediul intern al organismului gazda.

Compusii analogi ai D-aminoacizilor au activitate antibacteriana. Antagonistii D-alaninei (D-cicloserina si O-carbamil-D-Serina) inhiba selectiv incorporarea D-alaninei in peptidoglican. D-alanina rezulta din L-alanina sub actiunea racemazei. Incorporarea D-Alaninei este catalizata de D-Alanin-D-Alanin ligaza. Cresterea E. coli in prezenta D-cicloserinei si a sucrozei 0,32 M duce la formarea sferoplastilor, iar in celula se acumuleaza precursorii parietali. Sinteza proteinelor celulare nu este modificata.

Adaugarea D-Alaninei in mediul de crestere reverseaza efectele inhibitorii ale D-cicloserinei.

D-cicloserina are doua grupari ionizabile. Este un antibiotic cu spectru larg de activitate, dar este mai eficient fata de bacteriile Gram pozitive decat fata de cele Gram negative. Este foarte important ca D-cicloserina inhiba cresterea M. tuberculosis.

O-carbamil-D-serina izolata dintr-o tulpina de Streptomyces are acelasi mecanism de actiune: activitatea antibacteriana este reversata de D-Alanina.