ß-Lactams: Mechanisms of Action and Resistance
Summary
TLDRLa mayoría de las bacterias están compuestas por una membrana celular, una pared celular y, en algunos casos, una capa adicional. Internamente, contienen citoplasma con ribosomas, una región nuclear y, en ocasiones, granulos y/o vesículas. Las bacterias gram negativas tienen un espacio periplasmático, mientras que las gram positivas carecen de este pero sí tienen periplasma. La pared celular, esencial para mantener la forma y evitar la ruptura por osmosis, está formada por peptidoglicano, un polímero crítico en su síntesis. Los antibióticos beta-lactámicos, como la penicilina, interfieren con esta síntesis, pero las bacterias pueden desarrollar resistencia a través de mecanismos como la transformación genética o la producción de enzimas beta-lactamasas.
Takeaways
- 🧬 La mayoría de las bacterias están compuestas por una membrana celular, una pared celular y, en algunos casos, una capa adicional externa.
- 🌐 Dentro de la membrana celular se encuentra el citoplasma, que contiene ribosomas, una región nuclear y, en algunos casos, granulos y/o vesículas.
- 🔬 Las bacterias Gram negativas tienen un espacio periplasmático entre la membrana celular y la pared celular, mientras que las Gram positivas carecen de este espacio.
- 💠 La pared celular está formada principalmente por peptidoglicano, un polímero compuesto por ácido murámico y glucosamina, que se entrelazan mediante cadenas de aminoácidos.
- 🛠 La función de la pared celular bacteriana es mantener la forma del organismo y prevenir que se rompa debido al flujo de fluidos por osmosis.
- 📚 La síntesis del peptidoglicano y, por ende, de la pared celular, ocurre en varias etapas, incluyendo la adición de aminoácidos y la formación de precursores que se transportan y se cruzan en el periplasma.
- 💊 Los antibióticos beta-lactámicos, como las penicilinas y los cefalosporinas, contienen un anillo beta-lactámico que se puede unir a las enzimas que cruzan el peptidoglicano.
- 🚫 La acción de los antibióticos beta-lactámicos impide la síntesis de la pared celular, lo que dañina a la bacteria y, en ausencia de una pared celular normal, las bacterias Gram positivas pueden estallar.
- 🔄 La resistencia bacteriana a los antibióticos beta-lactámicos puede adquirirse por varias vías, incluyendo la transformación genética y la producción de enzimas capaces de inactivar o modificar el fármaco antes de que afecte a la bacteria.
- 🔄 Las bacterias pueden transferir plásmidos de resistencia entre sí a través de la conjugación, permitiendo la producción de enzimas inactivadoras de los antibióticos beta-lactámicos.
Q & A
¿Cuáles son los componentes estructurales básicos de la mayoría de las bacterias?
-La mayoría de las bacterias están compuestas por una membrana celular, una pared celular, y en algunos casos, una capa adicional externa. Internamente, contienen citoplasma con ribosomas, una región nuclear y, dependiendo de la especie bacteriana, pueden tener gránulos y/o vesículas.
¿Qué es el espacio periplasmático y en qué tipo de bacterias se encuentra?
-El espacio periplasmático es el espacio que hay entre la membrana celular y la pared celular en las bacterias Gram negativas. Las bacterias Gram positivas generalmente no tienen un espacio periplasmático sino solo periplasma donde ocurre la digestión metabólica y se adjunta la peptidoglicano de la pared celular.
¿Cuál es la función principal de la pared celular bacteriana?
-La pared celular bacteriana sirve para mantener la forma característica de la bacteria y para evitar que se rompa debido al flujo de fluidos hacia el interior de la bacteria por osmosis.
¿Qué son los peptidoglicanos y qué componen?
-Los peptidoglicanos son polímeros que están compuestos de una cadena de murámico acetilglucosamina y n-acetilmurámico, alternando y enlazados entre sí por cadenas de cuatro aminoácidos.
¿Cómo se sintetiza la peptidoglicano y, por ende, la pared celular bacteriana?
-La síntesis de la peptidoglicano comienza con la adición de cinco aminoácidos al ácido murámico n-acetilmurámico, seguido de la adición de glucosamina acetilada para formar un precursor de peptidoglicano. Este precursor se transporta a través de la membrana celular y se enlaza con receptores en la pared celular, donde se somete a un proceso de enlace cruzado.
¿Qué son las enzimas transpeptidasa y D,D-anil carboxiceptidasa y por qué son importantes?
-Las enzimas transpeptidasa y D,D-anil carboxiceptidasa son importantes porque participan en el enlace cruzado de los peptidoglicanos y son conocidas como proteínas de unión a la penicilina debido a su capacidad para unirse a la penicilina y a los cefalósporos.
¿Cómo afectan los antibióticos beta-lactámicos la síntesis de la pared celular bacteriana?
-Los antibióticos beta-lactámicos, como las penicilinas y los cefalósporos, contienen un anillo beta-lactámico que se puede unir a las enzimas que enlazan la peptidoglicano, impidiendo así la síntesis de la pared celular bacteriana y causando daño en la bacteria.
¿Qué sucede con las bacterias Gram positivas cuando son sometidas a antibióticos beta-lactámicos?
-Las bacterias Gram positivas tienen una alta presión osmótica interna, y sin una pared celular rígida normal, estas células se rompen cuando se exponen a la baja presión osmótica de su entorno.
¿Cómo pueden las bacterias adquirir resistencia a los antibióticos beta-lactámicos?
-Las bacterias pueden adquirir resistencia a los antibióticos beta-lactámicos a través de varios mecanismos, incluyendo la transformación genética, donde los genes de resistencia se transfieren de una bacteria a otra, o la producción de enzimas capaces de inactivar o modificar el fármaco antes de que afecte a la bacteria.
¿Qué son las beta-lactamasas y cómo contribuyen a la resistencia bacteriana?
-Las beta-lactamasas son enzimas que las bacterias pueden producir para inactivar o modificar los antibióticos beta-lactámicos antes de que estos afecten a la bacteria. Estas enzimas pueden destruirse el anillo beta-lactámico del antibiótico, lo que lo hace ineficaz para unirse a las proteínas de unión a la penicilina y, por lo tanto, la bacteria se vuelve resistente a ese fármaco o clase de fármacos.
Outlines
🦠 Estructura y Función de las Bacterias
La mayoría de las bacterias están compuestas por una membrana celular, una pared celular y, en algunos casos, una capa adicional. El citoplasma contiene ribosomas, una región nuclear y, dependiendo de la especie, gránulos y/o vesículas. Las bacterias gram negativas tienen un espacio periplasmático, mientras que las gram positivas carecen de este pero tienen periplasma donde ocurre la digestión y la adhesión de peptidoglicano. El peptidoglicano es un polímero crucial en la pared celular, formado por una serie de aminoácidos y glucosamina. La síntesis de la pared celular ocurre en varias etapas, incluyendo la adición de aminoácidos a la ácido murámico y la formación de un precursor de peptidoglicano. Este se transporta a través de la membrana celular y se unen a receptores en el periplasma, donde se cruzan enlacen. Las enzimas transpeptidasa y la carboxipeptidasa son clave en este proceso y son conocidas como proteínas de unión a la penicilina debido a su capacidad para unirse a antibióticos como la penicilina y los cefalosporinas. Estas enzimas son esenciales para la síntesis de la pared celular, y su inhibición por parte de los antibióticos beta-lactámicos, como la penicilina, resulta en la muerte bacteriana debido a la pérdida de rigidez y la exposición a presiones osmóticas externas.
🛡 Resistencia Bacteriana a los Antibióticos Beta-Lactámicos
La resistencia bacteriana a los antibióticos beta-lactámicos puede adquirirse por varias vías, incluyendo la transformación genética, donde los genes de resistencia se transfieren de una bacteria a otra. Esto puede llevar a la remodelación de segmentos de ADN en la bacteria hospedadora, resultando en la producción de proteínas de unión a la penicilina alteradas que tienen una menor afinidad por los antibióticos. Otra vía importante es la producción de enzimas capaces de inactivar o modificar los antibióticos antes de que afecten a las bacterias. Estas enzimas, llamadas beta-lactamasas, pueden estar codificadas en el ADN del hospedero o en plásmidos, que son unidades de material genético auto-reproductivas. Las bacterias pueden intercambiar plásmidos de resistencia a través de la conjugación, donde se crea un canal entre bacterias para transferir el plásmido. Las bacterias gram positivas sueltan beta-lactamasas al entorno extracellular, mientras que las gram negativas las retienen en el espacio periplasmático, lo que es una estrategia más eficiente. La destrucción de la estructura beta-lactámica del antibiótico por estas enzimas evita su unión a las proteínas de unión a la penicilina, confiriendo resistencia a la bacteria contra el medicamento.
Mindmap
Keywords
💡Bacteria
💡Membrana celular
💡Pared celular
💡Peptidoglicano
💡Transpeptidasa
💡Beta-lactámicos
💡Resistencia a los antibióticos
💡Transformación
💡Plasmidos
💡Beta-lactamasas
Highlights
Bacteria typically have a cell membrane, cell wall, and cytoplasm with ribosomes and a nuclear region.
Some bacteria have an additional outer layer and internal granules or vesicles.
Gram-negative bacteria have a periplasmic space between the cell membrane and cell wall.
Gram-positive bacteria lack a periplasmic space but have periplasm for metabolic digestion.
Peptidoglycan is a crucial cell wall component, made of polymers with acetone Meramec acid and n-acetyl glucosamine.
The cell wall maintains shape and prevents bacteria from bursting due to osmotic fluid intake.
Peptidoglycan synthesis involves multiple stages, starting with the addition of amino acids to n-acetylmuramic acid.
Transpeptidase and d al Anil carboxy peptidase are enzymes involved in peptidoglycan cross-linking.
Beta-lactam antibiotics, such as penicillins and cephalosporins, bind to enzymes and inhibit cell wall synthesis.
Inhibition of cell wall synthesis by beta-lactams leads to bacterial cell damage and death.
Bacterial resistance to beta-lactams can be acquired through transformation and gene transfer.
Transformation allows for the transfer of chromosomal genes conferring resistance from one bacterium to another.
Homologous transformation can integrate resistance genes into the host bacterium's chromosome.
Altered penicillin binding proteins can cross-link peptidoglycan with reduced affinity for beta-lactams, conferring resistance.
Beta-lactamase enzymes produced by bacteria can inactivate beta-lactam antibiotics, leading to resistance.
Conjugation allows bacteria to transfer resistance plasmids, spreading beta-lactamase production.
Gram-positive bacteria release beta-lactamase extracellularly, while gram-negative bacteria retain it in the periplasmic space.
The destruction of the beta-lactam ring by enzymes makes antibiotics ineffective, contributing to resistance.
Transcripts
structurally most bacteria consist of a
cell membrane surrounded by a cell wall
and for some bacteria an additional
outer layer internal to the cell
membrane is the cytoplasm which contains
ribosomes a nuclear region and in some
cases granules and/or vesicles depending
on the bacterial species a number of
different external structures may be
found such as a capsule flagella and
pillai in gram-negative bacteria the gap
between the cell membrane and the cell
wall is known as the periplasmic space
most gram positive bacteria do not
possess a periplasmic space but have
only periplasm where metabolic digestion
occurs and new cell peptidoglycan is
attached peptidoglycan the most
important component of the cell wall is
a polymer made of an acetone Meramec
acid alternating with n acetyl
glucosamine which are cross-linked by
chains of four amino acids the function
of the bacterial cell wall is to
maintain the characteristic shape of the
organism and to prevent the bacterium
from bursting when fluid flows into the
organism by osmosis synthesis of the
peptidoglycan and ultimately the
bacterial cell wall occurs in a number
of stages one of the first stages is the
addition of five amino acids to
n-acetylmuramic acid next an acetone
glucosamine is added to the
n-acetylmuramic acid to form a precursor
of peptidoglycan this peptidoglycan
precursor is then transported across the
cell membrane to a cell wall acceptor in
the periplasm
once in the periplasm the peptidoglycan
precursors bind to cell wall acceptors
and undergo extensive cross-linking two
major enzymes are involved in
cross-linking transpeptidase and d al
Anil carboxy peptidase these enzymes are
also known as penicillin binding
proteins because of their ability to
bind to penicillin and cephalosporins
eventually several layers of
peptidoglycan are formed all of which
are cross linked to create the cell wall
gram positive bacteria may have more
layers than gram-negative bacteria and
thus have a much thicker cell wall
beta-lactam antibiotics include all
penicillins and cephalosporins that
contain a chemical structure called a
beta lactam ring this structure is
capable of binding to the enzymes that
cross-linked peptidoglycan
beta lactams interfere with
cross-linking by binding to
transpeptidase and d al Anil carboxy
peptidase enzymes thus preventing
bacterial cell wall synthesis
by inhibiting cell wall synthesis the
bacterial cell is damaged gram-positive
bacteria have a high internal osmotic
pressure without a normal rigid cell
wall these cells burst when subjected to
the low osmotic pressure of their
surrounding environment as well the
antibiotic penicillin binding protein
complex stimulates the release of auto
license that are capable of digesting
the existing cell wall beta-lactam
antibiotics are therefore considered
bacterial SCYTL agents
bacterial resistance to beta-lactam
antibiotics may be acquired by several
routes one of the most important
mechanisms is through a process known as
transformation during transformation
chromosomal genes are transferred from
one bacterium to another
when a bacterium containing a resistance
gene dies naked DNA is released into the
surrounding environment if a bacterium
of sufficient similarity to the dead one
is in the vicinity it will be able to
uptake the naked DNA containing the
resistance gene
once inside the bacterium the resistance
gene may be transferred from the naked
DNA to the chromosome of the host
bacteria by a process known as
homologous transformation over time the
bacterium may acquire enough of these
resistance genes to result in remodeling
of the segment of the host DNA
if this remodeled DNA segment codes for
cross-linking enzymes ie penicillin
binding proteins the result is the
production of altered penicillin binding
proteins
these altered penicillin binding
proteins can still cross link the
peptidoglycan layers of the cell wall
but have a reduced affinity for
beta-lactam antibiotics thus rendering
the bacterium resistant to the effects
of penicillin and other beta lactam
agents this transfer process has
resulted in penicillin resistant s
pneumonia through the acquisition of
genes from other naturally-occurring
penicillin resistant streptococcus
species
a second important mechanism by which
bacteria become resistant to beta-lactam
antibiotics is by the production of
enzymes capable of in activating or
modifying the drug before it has a
chance to exert its effect on the
bacteria depending on the bacterial
species the gene coding for these
enzymes may be found as part of the host
DNA or on plasmids which are small
self-replicating units of genetic
material
bacteria are capable of passing these
resistance plasmids to each other by
conjugation when two bacteria come into
close contact with each other a small
channel is created between them which
allows one of the bacteria to pass a
copy of the resistance plasmid to the
other
if the plasmid is transcribed and
translated the bacteria will begin to
produce in activating enzymes these
enzymes capable of destroying
beta-lactam antibiotics are known as
beta lactam Aizaz in gram positive
bacteria the beta lactamase enzyme is
generally inducible resulting in a large
amount of enzyme being produced in the
presence of the drug in gram-negative
bacteria the beta lactam enzymes are
produced constitutively ie
even when the antibiotic is not present
gram positive bacteria released the
beta-lactamase enzyme from the cell into
the extracellular environment where it
inactivates the drug before it enters
the bacterial cell in contrast
gram-negative bacteria retain the beta
lactamase enzyme within the periplasmic
space resulting in a more efficient
mechanism than gram positive bacteria
ultimately the destruction of the
beta-lactam ring of the antibiotic
renders it incapable of binding to the
penicillin binding protein and thus the
bacteria become resistant to that drug
or class of drugs
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