El Metabolismo Intracelular Bacteriano.
Dr: Rafael Tobías Blanco Vilariño.
Médico Microbiólogo Clínico.
Universidad de Carabobo- Valencia- Venezuela.
Este ha sido uno de los temas más apasionantes que me ha tocado exponer a mis estudiantes y en algunos Congresos de Microbiología Médica; donde algunos jóvenes estudiantes y profesionales creían tratarse de una simple Teoría.
Pero este tema, que muy resumidamente expondré sobre la Endo-informática bacteriana o metabolismo endo-celular, se lo debemos a los estudios sobre genética bacteriana, efectuados por los Drs: Jacques Monod, André Wolff y Francoise Jacob del Instituto Pasteur de París, por lo que fueron galardonados con el Premio Nobel de Medicina en 1965. Y, de quienes tuve el honor de recibir sus magistrales clases en Genética bacteriana durante mi curso de Postgrado en dicho Instituto. Es verdaderamente increíble, que en tan diminutos seres pueda existir tanta sapiencia; y, es por ello que con ese micromundo y con la genética, no podemos jugar.
Para darnos una idea de lo espectacular que es esta micro estructura viviente, tengo que partir por dar un promedio de su tamaño en micras; el cual oscila entre las 0,5 micras en los cocos redondos como el staphylococcus, hasta las 12 micras en las alargadas o bacterias, por lo que su visualización sólo será posible mediante la microscopía. Pero en tan diminuta estructura de estas células “Procarióticas” o de núcleo primitivo constituido por un solo Cromosoma lineal, hay un metabolismo interior tan perfecto y extraordinariamente coordinado, como el de nuestras células orgánicas o Eucarióticas, que forman nuestros órganos, aparatos y sistemas, células estas dotadas de núcleo complejo configurado por 46 cromosomas. De ahí el término de Eucarióticas.
Morfológicamente a las células bacterianas o Procarioticas, docentemente las comparo con un huevo de gallina; en el sentido de que la rígida cáscara, representaría a la “Pared bacteriana”, que es la que le da la morfología a las bacterias: coco, bacilo, espirilo etc, esta rígida estructura es la que les permite resistir su gran presión intracitoplasmática, del orden de unas 7 a 15 atmósferas, de no ser así, la bacteria estallaría, tal como le sucede al huevo si le rompemos la cascara; ella también le permite sobrevivir a los cambios de presión osmóticas externos sin tener que morir aplastada y es sobre esta sólida pared donde algunos antimicrobianos actúan, condicionando el que pierda su rigidez, determinando la muerte de este microbio por estallido o bacteriólisis, como las penicilinas y las Cefalosporinas. Luego de la cáscara del huevo está una membrana que se llama fárfara (huevo sancochado), esa viene a representar a la Membrana bacteriana, la cual posee una serie de enzimas llamadas Permeasas, que le permiten el intercambio de gases y de alimentos con el medio exterior a través de la pared, así como a la salida de sus sustancias tóxicas o dañinas al organismo infectado, como lo son las exotoxina tetánica, diftérica, botulínica. Enzimas como la coagulasa, hialuronidasa, colagenasas etc
Encerrado en esa Membrana está la blanca o albúmina(citoplasma bacteriano) y la amarilla (Núcleo bacteriano) esta última contiene al ADN que dará origen al pollo. En el citoplasma bacteriano, flotan sustancias nutritivas, de reservas como los aminoácidos y algunas organelas conocidas como los Ribosomas y al ADN-nuclear lineal o circular, en donde están codificadas todas las propiedades genotípicas y fenotípicas de cada especie bacteriana, contentivo de los “Genes” encargados de codificar la síntesis de su mecanismo reproductor o las de poder elaborar toxina como las temidas exotoxinas tetánica, diftérica y la botulínica; hemotoxinas, leucotoxinas, coagulasas, hialuronidasas,etc. (Ver imagen Nº1)
Imagen Nº1
-Pared Bacteriana: Estructuralmente es una compleja molécula Lipo-Poli-Sacaridica (LPS), formada por un mucopéptido, producto de la unión en cadena de moléculas de N-acetilglucosamina (NAG) con ácido acetilmurámico (AAM), unidos entre si por puentes polipeptidicos; los cuales son rotos por los antibióticos betalactámicos en su acción bactericida. Esas uniones polipeptídicas son las que le confiere una gran rigidez a la pared, que amen de darle la morfología a las bacterias, les permite resistir a una presión atmosférica intra-citoplásmica de 2 a 5 atmósferas, impidiendo el estallido o lisis de las bacterias; de igual forma posee poder Antigénico con propiedades inmunogénicas, que es también usado para preparar vacunas; es la mortal Endotoxina de los Gram negativos, condicionante de nuestro muy temido Shock Séptico a Gram negativos y nos permite la coloración de Gram: en Gram Positivos (G+) y los Gram negativos (G-). (ver figura Nº2)
De igual forma, aprovecho la oportunidad para recordar que esa configuración molecular de la Pared Bacteriana, no existe en nuestras células Eucarióticas, ellas carecen de esta Pared y solamente poseen la Membrana; por ello, nuestras células orgánicas no son afectadas por los antibióticos betalactámicos: Penicilinas y Cefalosporinas, al carecer de Pared.
Figura Nº2.
PARED BACTERIANA:
(*)Penicilinas y Cefalosporinas: rompen este puente condicionando la bacteriólisis.
-Membrana Citoplasmática: es Lipo-proteica, posee enzimas llamadas Permeasas, que permiten la entrada de nutrientes y la salida de sustancias tóxicas como la exotoxina tetánica, botulínica, la penicilinasa, cefalosporinasas, coagulasa, hialuronidasa etc, etc. todos factores de virulencia.
-Citoplasma: contiene ADN-n, ARN-t, ARN-m y el ARN-r o Ribosomas, Vacuolas, reservas nutricionales y plásmidos (**) como el Factor Sexual (F) que divide a las bacterias en masculinas o (F+) si lo poseen y femeninas o (F-) si no lo poseen. Pero no contiene mitocondrias, que son propias de las células Eucarióticas que constituyen nuestro soma.
Si este Factor (F+), se logra conjugar con un plásmido intracitoplasmático responsable de la Resistencia múltiple a los antibióticos, se le denomina Factor “RTF” o Factor de Resistencia Múltiple; el cual juega un importante papel en la resistencia intra-hospitalaria, condicionando el cierre de salas quirúrgicas, obstétricas, retenes infantiles etc.
(**) Los Plasmidos, son moléculas de ADN extra cromosómico o libres en el citoplasma, auto replicables, pueden codificar síntesis de toxinas como la diftérica o resistencia a los antibióticos etc. Transferibles por la Conjugación sexual y por la Transducción bacteriofágica, de los cuales hablaré en el próximo tema por su importancia en la Resistencia a los antimicrobianos y de nuestro eventual fracaso terapéutico en un proceso séptico.
Como es el metabolismo endobacteriano:
Lo cual expondré muy resumidamente: Si la bacteria desea elaborar una determinada sustancia de las ya enumeradas como su “Pared” y la creación del tabique que luego las ha de separa en dos células hijas (ver Fig,Nº3) para su multiplicación etc, el núcleo microbiano (ADN-n) elabora mediante una ARN-sintetasa a un ARN-m o ARN-mensajero, el cual codifica a la sustancia ordenada por el núcleo, para luego viajar por el citoplasma, mensaje que es entregado a otra estructura citoplásmica conocida como los Ribosomas, que como una secretaria copia fielmente la información (unidad 30 S); la cual es pasada a otra subunidad del ribosoma o segunda secretaria (unidad 50S), que es la encargada de pedir los aminoácidos ordenados, para poder elaborar el producto ordenado por el núcleo, en este ejemplo la Pared. Esos aminoácidos, serán transferidos por otro ARN-t o ARN-de transferencia, que existe como pre-formado en el citoplasma, a la unidad de síntesis (50s) de la cual está dotado el Ribosoma; donde serán alineadas y acopladas, saliendo así el producto final deseado como la Pared o la penicilinasa, céfalosporinasa, toxina tetánica, botulínica etc.…
Gracias al conocimiento de las diferentes estructuras que configuran a las bacterias y al conocimiento de su complejo mecanismo de su Metabolismo endobacteriano, es lo que nos ha permitido comprender el Mecanismo de Acción de los Antimicrobianos sobre el Metabolismo Intracelular de las Bacterias y el que si bien algunas de sus asociaciones suelen ser Sinérgicos Bactericidas, también lo pueden ser Antagónicos y por lo tanto en el primer caso reducimos a lo mínimo la duración y los daños del proceso infeccioso, en el segundo caso, fracasamos y se nos complica el proceso séptico.
1-Sobre la Pared bacteriana: los betalactámicos condicionan una ruptura del puente polipeptídico, que es el que mantiene la rigidez de la Pared impidiendo su solidez y resistencia a la presión intracitoplasmática de 2 a 5 atmósfera, que poseen las bacterias, debilidad estructural que condiciona su muerte por estallido o lisis; ya que la Membrana no posee esa resistencia, de allí su denominación como antibióticos con efecto bactericida o bacteriolíticos; a este grupo pertenecen las Penicilinas y las Cefalosporinas. (ver pared, Fig.Nº2).
2-Sobre la Membrana Citoplasmática: A este nivel actúan la Polimixina, Bacitracina, y la Colimicina, alterando la acción de las Enzimas Permeasas, que son las que permiten la entrada de los nutrientes al citoplasma y la salida de los productos tóxicos bacterianos, de esta forma a la bacteria se le escapan hacia el exterior los nutrientes de reserva que posee en su citoplasma, lo cual le condicionara la muerte por inanición.
3-Sobre el Núcleo bacteriano: a este nivel actúan las Rifampicinas y las Quinolonas como la Ciprofloxacinas, impidiendo que el ADN nuclear forme al ARN-m y al no haber mensaje, el metabolismo endocelular se detiene originando la muerte del microorganismo.
4-Sobre el ARN-m: A este nivel actúan los Aminoglucósidos como la Streptomicina, Kanamicina, Tobramicina, Gentamicina, Dibekacina etc, impidiendo que el mensaje sea copiado por la fracción 30 S del Ribosoma o bien condicionando el que se cometan errores en la copia o transcripción del mensaje; en el primer caso al no llegar el mensaje, obviamente que se detiene el mecanismo biosintético endocelular y en el segundo caso el producto que es sintetizado es el no indicado por el Núcleo y por lo tanto este Neoproducto no puede entrar en el metabolismo celular o bien puede actuar como toxico; en ambos caso se sucederá la muerte del microorganismo.
5-Sobre el ARN-t: A este nivel actúan los antibióticos de Amplio Espectro como las Tetraciclinas, La Eritromicina y el Cloranfenicol; impidiendo que los Aminoácidos contenidos como sustancias de reserva en el citoplasma, sean transportados activamente por el ARN-t y acoplados en la Unidad 50.S del Ribosoma, impidiendo el que dichos Aminoácidos se acoplen para sintetizar la molécula ordenada por el Núcleo bacteriano; por ello, el metabolismo se detiene y la bacteria queda en éxtasis y no se puede multiplicar, de allí el termino de Antibióticos Bacteriostático.
Si por algún motivo se suspendiera el uso de estos antibióticos antes de tiempo, la bacteria que estaba en éxtasis volverá a reiniciar su metabolismo y se reiniciará en el paciente el proceso infeccioso, que denominamos como recidiva.
La inactivación de la penicilina por la penicilinaza
COMO ES EL ALFABETO GENETICO
Comparativamente, el Alfabeto Humano, está compuesto por signos gráficos que varían según el idioma; el nuestro que es el Español, está compuesto 28 signos que van de la A á la Z, donde hay cinco vocales y el resto son las consonantes; de su correcta mezcla construimos las sílabas, palabras y oraciones que han de configurar nuestro lenguaje oral y lo escrito en nuestras historias clínicas.
En lo que respecta al Alfabeto Genético, trataré de ser lo mas facilitador docente posible. Me debo iniciar diciendo o recordando el que en este sentido nuestras células orgánicas o Eucarioticas y las Bacterianas o Procarioticas, tienen un LENGUAJE GENETICO, formado por un alfabeto de solamente cuatro letras: A, G, C y T: de A = Adenina, G =Guanina, C = Citosina y T = Timina; las dos primeras son conocidas como bases purínicas y las dos segundas como bases pirimídicas, que son las que configuran al ADN; mientras que el aminoácido Uracilo “U”, también debe ser anexado, por intervenir es la configuración del ARN: El Ribosomal, el ARN-m, ARN-t.
Es en función de las secuencias de estas letras o bases como se ha de formar el Lenguaje Genético para que se suceda la síntesis del producto deseado por el ADN-n de determinada célula y en este caso, me refiero a la célula bacteriana.
Donde cada palabra está formada por el acoplamiento de “tres letras” a lo que se le denomina “CODON” Ejemplo: G.G.U ó A.G.A ó T.G.T, etc., lo que representa a una “Palabra Corta” que se encuentra codificado en un determinado GEN del ADN-n. Y, es por el acoplamiento de estos CODONES o palabras cortas, el que se formará una “Frase” que en biología molecular sería la síntesis de una determinada proteína. Ejemplo: UUG-UGU-GUU-ACA, Formaran al ARN-mensajero (ARN-m), encargado de llevar los mensajes del ADN-nuclear a los Ribosomas, donde se ha de sintetizar al material deseado por nuestra célula durante el proceso biosintético endocelular. Esa transmisión secuencial de la información genética efectuada por el ARN-m, el ARN de transferencia (ARN-t) y los Ribosomas para la síntesis de determinadas moléculas vitales para nuestra existencia en el metabolismo endocelura humano y en el de las bacteria; en el caso de las bacterias podría ser la Síntesis de la exotoxina tetánica, o de la enzima Penicilinaza o de materias para su reproducción y multiplicación, etc.
Figura.Nº3.
LA REPRODUCCIÓN BACTERIANA.
División lineal del ADN en dos cadenas: (célula madre)
Células hijas que se han de multiplicar cada 20 minutos en proporción logarítmica: 2-4-8-16-32-64 y millones y en pocas horas tendremos el proceso infeccioso en fase activa.
Es durante el mecanismo de reproducción de las bacterias, donde se encuentra en plena acción su metabolismo, el cual podremos fácilmente bloquear de acuerdo a lo que he expuesto sobre su mecanismo de acción de los antimicrobianos, cumpliendo así su acción Bactericida o Bacteriostática; su efecto Sinérgico o el Antagónico. Recordemos que ellos no son Balas Mágicas.
En estas dos imágenes: vemos la configuración del ADN, su división y duplicación en el humano durante el proceso de la División celular Eucariotica, para una cicatrización o en el proceso reproductivo o metabólico; donde la cadena dividida o separada reproduce una nueva cadena similar a la anterior, conocido como replicación.
La información genética, en el ARN-m, se escribe a partir de esas cuatro letras, que corresponden a las bases nitrogenadas (A,C, G y U), las cuales van agrupadas de tres en tres. El orgánulo celular que sintetiza las proteínas a partir de aminoácidos con la información contenida en el ARNm, leyendo los codones, es el ribosoma, tal como sucede en el mundo microbiano. (ver figura Nº1); solo que en este ejemplo se está sintetizando la exotoxina tetánica, en el humano podría ser la insulina.
Ejemplos: CAA=Glutamina, CGC= Arginina, GCU= Alanina, UAU= Tirosina.
CONCLUSION:
Como podemos ver, es un tema extraordinariamente rico en conocimientos de genética bacteriana, con una gran aplicación en Microbiología Clínica en todos los campos de Ciencias de la Salud: Obstetras, cirujanos, pediatras, infectologos etc que nos permite saber que los Microbios no son enemigos Chiquitos, el que los antibióticos no son balas mágicas sino que poseen un mecanismo específico de acción, lo que nos hace comprender sus efectos bactericidas y bacteriostáticos; así como el por que algunos cuando los mezclamos actúan sinérgicamente o bien se antagonizan; el mejor ejemplo en este último aspecto lo tenemos con la Penicilina y las Tetraciclinas; donde estas últimas al ser bacteriostáticas han de frenar la multiplicación y el crecimiento bacteriano, por lo que la bacteria no producirá la Pared ni el tabique itercelular; por lo que la Penicilina al no encontrar a una bacteria haciendo PARED para su multiplicación, su efecto Bacteriolítico es negativo, es decir ha sido antagonizado, al estar las bacterias en estado estático.
Valencia: 14-9-2018.
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