ß-Lactams: Mechanisms of Action and Resistance

Summary

La 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

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🦠 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.

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🛡 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.

Keywords

💡Bacteria

Las bacterias son microorganismos unicelulares que pueden vivir en una amplia variedad de entornos. En el guion, se describen las estructuras fundamentales de la bacteria, como la membrana celular, la pared celular y la región nuclear. Estas estructuras son esenciales para entender cómo las bacterias mantienen su forma y funcionan en el entorno.

💡Membrana celular

La membrana celular es una barrera lipídica que rodea a la bacteria y regula el tránsito de moléculas dentro y fuera de la célula. Es crucial para la supervivencia de la bacteria ya que mantiene la integridad de la célula y ayuda a mantener la homeostasis interno.

💡Pared celular

La pared celular es una estructura rígida que protege a la bacteria y le da forma. Se compone de polisacáridos y proteínas, y es fundamental para la resistencia a la presión osmótica. En el guion, se menciona que la síntesis de la pared celular involucra la formación de peptidoglicano, un componente clave de la pared.

💡Peptidoglicano

El peptidoglicano es un polisacárido que forma una red compleja en la pared celular de las bacterias. Se menciona en el guion que es esencial para la integridad de la pared celular y que su síntesis es el objetivo de los antibióticos beta-lactámicos.

💡Transpeptidasa

La transpeptidasa es una enzima que cataliza la formación de enlaces entre cadenas de peptidoglicano, lo que fortalece la pared celular. En el guion, se destaca que los antibióticos beta-lactámicos, como la penicilina, inhiben la acción de la transpeptidasa, lo que impide la síntesis de la pared celular.

💡Beta-lactámicos

Los antibióticos beta-lactámicos son una clase de medicamentos que contienen un anillo beta-lactámico y son conocidos por su capacidad para inhibir la síntesis de la pared celular bacteriana. El guion explica cómo estos antibióticos se unen a las enzimas que cruzan los peptidoglicanos, impidiendo así la formación de la pared celular.

💡Resistencia a los antibióticos

La resistencia a los antibióticos se refiere a la capacidad de las bacterias para sobrevivir y multiplicarse a pesar del tratamiento con antibióticos. El guion describe varios mecanismos por los cuales las bacterias pueden desarrollar resistencia, incluyendo la transformación genética y la producción de enzimas que inactivan los antibióticos.

💡Transformación

La transformación es un proceso por el cual las bacterias pueden adquirir genes de resistencia de otras bacterias muertas que liberan su ADN. Este proceso se describe en el guion como una forma importante de adquirir resistencia a los antibióticos beta-lactámicos.

💡Plasmidos

Los plasmidos son fragmentos de ADN autónomos que pueden replicarse independientemente del genoma bacteriano. El guion menciona que los plasmidos pueden contener genes que codifican enzimas de resistencia a los antibióticos y pueden ser transferidos entre bacterias a través de la conjugación.

💡Beta-lactamasas

Las beta-lactamasas son enzimas producidas por algunas bacterias que inactivan los antibióticos beta-lactámicos al romper el anillo beta-lactámico. El guion explica cómo la producción de estas enzimas puede conferir resistencia a las bacterias frente a estos antibióticos.

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