1. INTRODUCCIÓN

2. QUIMIOTERÁPICOS DE SÍNTESIS

2.1. INHIBIDORES DE LA RUTA DEL ÁCIDO TETRAHIDROFÓLICO

2.1.1. SULFAMIDAS

2.1.2. SULFONAS

2.1.3. PARA-AMINOSALICÍLICO

2.1.4. INHIBIDORES DE LA DIHIDROFOLATO-REDUCTASA

2.2. ISONIAZIDA

2.3. QUINOLONAS

2.4, NITROFURANOS

2.5. 5-FC

3. ANTIBIÓTICOS

3.1. INHIBIDORES DE LA BIOSÍNTESIS DE LA PARED CELULAR

3.1.1. CICLOSERINA

3.1.2. FOSFOMICINA

3.1.3. VANCOMICINA

3.1.4. RISTOCETINA

3.1.5. BACITRACINA-A

3.1.6. ß-LACTÁMICOS

3.2. ANTIBIÓTICOS QUE ACTÚAN SOBRE LA MEMBRANA CELULAR

3.2.1. POLIPEPTÍDICOS

3.2.2. IONÓFOROS

3.2.3. POLIÉNICOS

3.3. ANTIBIÓTICOS QUE INTERFIEREN EN LA SÍNTESIS DE PROTEÍNAS

3.3.1. ACTUACIÓN SOBRE LA FASE INICIAL DE LA ELONGACIÓN: TETRACICLINAS

3.3.2. INDUCCIÓN DE ERRORES EN LA LECTURA DEL ARN MENSAJERO: AMINOGLUCÓSIDOS

3.3.3. INHIBIDORES DE LA FORMACIÓN DEL ENLACE PEPTÍDICO

3.3.4. INHIBIDORES DE LA TRASLOCACIÓN DEL RIBOSOMA

3.3.5. INHIBIDORES DE FACTORES DE ELONGACIÓN

3.4. INHIBIDORES DE LA SÍNTESIS DE ÁCIDOS NUCLEICOS

3.4.1. INHIBIDORES DE LA FUNCIÓN DEL ADN

3.4.2. INHIBIDORES DE LA TRANSCRIPCIÓN

BARRA DE EXPLORACIÓN: Microbiología General
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Los quimioterápicos son sustancias con actividad antimicrobiana (microbicida o microbiostática) con toxicidad suficientemente baja como para poder ser administrados a un organismo por la vía adecuada, hasta alcanzar y mantener concentraciones eficaces en los tejidos.

Aunque en el capítulo 1 ya hablamos del arranque y desarrollo de la Quimioterapia, recordemos aquí esta página notable de la historia de la Microbiología:

La ruta biosintética del ácido tetrahidrofólico está ilustrada en la Fig.1. El THF es lo que se denomina habitualmente "donador de unidades de 1 átomo de carbono", y los seres vivos lo requieren en ciertas rutas biosintéticas:

• biosíntesis de los aminoácidos Met, Gly. Además, las Eubacterias lo necesitan para el grupo formilo del fMet-ARNt (el ARN transferente que incorpora la formil-metionina al comienzo de la proteína).
• Biosíntesis de las purinas y pirimidinas, y sobre todo del dTMP.
• Biosíntesis del pantoténico.

Como veremos a continuación, sobre algunos pasos de esta ruta actúa una serie de agentes quiomioterápicos, muchos de ellos con gran importancia clínica.

Como ya hemos comentado, su descubrimiento y la comprobación de su acción quimioterápica, marcaron el comienzo de la Quimioterapia con criterios racionales. Despertaron gran interés cuando se mostró que su mecanismo de acción depende del hecho de que funcionan como análogos de metabolitos, actuando como inhibidores competitivos respecto de cierta enzima.

Domagk (1935), siguiendo la estela de Ehrlich, descubre que el Rojo de Prontosilo confiere protección a ratones inoculados experimentalmente con estreptococos.

Sin embargo, se vio que este mismo compuesto no inhibía a los mismos estreptococos in vitro, es decir, en tubo de ensayo o en placas de Petri. ¿Cuál era la razón de este disimilar comportamiento de esta sustancia in vivo e in vitro? La explicación la encontró el matrimonio Tréfouël (que a la sazón trabajaba en el Instituto Pasteur): el metabolismo de los ratones rompe el Rojo de Prontosilo, que por sí mismo es inactivo contra las bacterias, generando el compuesto activo (con actividad antibacteriana): la sulfanilamida (=para-aminobencenosulfonamida).

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.

Ejemplos:

• sulfapiridina (por unión del grupo piridina)
• sulfatiazol (con el grupo tiazol)
• sulfadiazina (con el grupo pirimidina)
• sulfaguanidina.

Lo que tienen en común las sulfamidas con actividad antibacteriana es:

• tener libre el grupo amino en para (o, como le ocurre al rojo de Prontosilo, que quede libre en el organismo hospedador como consecuencia de algún procesamiento metabólico);
• grupo sulfona (-SO₂-) unido al anillo bencénico;

La sustitución del grupo amido unido a la sulfona, aunque no modifica sustancialmente la actividad antibacteriana, puede suponer una serie de ventajas de tipo farmacológico:

• disminuir la toxicidad hacia el organismo hospedador;
• aumentar su solubilidad en agua;
• mejorar la absorción del compuesto por el intestino (lo que permite administración vía oral);
• mayor persistencia de la sulfamida en el organismo (excreción más lenta), lo que permite dar menos dosis para lograr el mismo efecto.

La introducción de las sulfamidas en los años 40 supuso un gran éxito en el tratamiento de enfermedades provocadas por cocos Gram-positivos (infecciones estreptocócicas y neumonías por el neumococo). Aunque la "época dorada de las sulfamidas" ya ha pasado (debido sobre todo al ulterior descubrimiento de antibióticos naturales), hoy día siguen empleándose en el tratamiento de infecciones de las vías urinarias, algunas formas de meningitis, y en Veterinaria.

Mecanismo de acción de las sulfamidas (descubierto por Woods y cols. en 1940):

Las sulfamidas tienen un efecto bacteriostático. Su acción antibacteriana se debe al hecho de que funcionan como análogos estructurales del ácido para-aminobenzoico (PABA), inhibiendo competitivamente por el acceso a la enzima dihidropteroil-sintetasa

• Como se puede ver, la dihidropteroil-sintetasa cataliza la condensación del PABA con el 2-amino,4-hidroxi, 6-hidroximetil dihidropteroil-pirofosfato, que lleva a la síntesis de ácido dihidropteroico (una de las fases intermedias de la síntesis del tetrahidrofólico -THF). En la figura se puede apreciar que el PABA y las sulfamidas son muy parecidas. De hecho, la sulfamida es usada por la enzima como un sustrato alternativo al PABA. En este caso, la enzima cataliza una reacción que genera un producto que no puede actuar como intermediario en los siguientes pasos de la ruta de síntesis del THF.
• 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. Pero áun más: en teoría el ácido fólico de la dieta del organismo hospedador podría anular el efecto terapéutico si fuera captado por la bacteria, pero en la realidad esto no ocurre, porque el fólico no puede entra a la célula bacteriana.

El notable éxito terapéutico de las sulfamidas, junto con el desentrañamiento de su mecanismo de acción, condujo durante los años 40 y 50 a una gran línea de investigación consistente en sintetizar compuestos que fueran análogos de factores bacterianos de crecimiento, con la esperanza de "diseñar" racionalmente nuevos quimioterápicos. Sin embargo, el gran esfuerzo de búsqueda no rindió apenas frutos. Y la razón hay que buscarla de nuevo en la excepcional confluencia de hechos que acabamos de citar para las sulfamidas y que hacen que las sulfamidas funcionan tan bien: inhibición competitiva, presencia de la ruta en bacterias pero ausencia en animales, la no entrada del fólico en bacterias pero sí en las células animales. Esta "suerte" no ha acompañado cuando se ha investigado el posible potencial de análogos de otros metabolitos.

Son derivados de la dapsona (=4,4'-diamino-difenilsulfona). Aunque no se usa contra infecciones normales, ha encontrado una importante aplicación en el tratamiento de la lepra (producida por Mycobacterium leprae); de hecho es el quimioterápico de elección para esta enfermedad. Probablemente su mecanismo de acción esté basado en actuar como competidor del PABA.

Es uno de los agentes que se emplean para el tratamiento de la tuberculosis (provocada por Mycobacterium tuberculosis). Alcanza el interior de los monocitos y macrófagos, que son las células donde penetra el bacilo tuberculoso (que es un parásito intracelular)

Al igual que el PAS, las sulfonas parecen actuar como competidores del PABA, pero se desconoce la razón por la que estos dos compuestos sean tan específicos de las especies patógenas de Mycobacterium.

El último paso en la síntesis del THF es la reducción del dihidrofólico (DHF), catalizado por la dihidrofolato-reductasa (DHFR). Esta reacción es inhibida por dos quimioterápicos:

• el metotrexato, que al ser tóxico no encuentra aplicación clínica;
• el trimetoprím, que tiene un uso clínico, sobre todo en terapia sinérgica junto con el sulfometoxazol (una sulfamida). Este doble quimioterápcio se emplea contra infecciones urinarias recurrentes, bronquitis crónicas por neumococos, y algunas infecciones de Salmonella y Shigella.

Tienen efectos bactericidas, con alta afinidad hacia la enzima DHFR bacteriana, pero baja hacia la DHTR de animales. Esto deriva del hecho de que, aunque la mayor parte de los seres vivos tienen DHFR, la enzima bacteriana difiere en estructura respecto de la de mamíferos.

Existen inhibidores específicos de las versiones de la DHFR de ciertos protozoos parásitos: así por ejemplo, la pirimetamina y el proguanil se usan contra Plasmodium, el agente de la malaria. Incluso el metotrexato se puede emplear en el tratamiento de ciertos cánceres.

Es la hidrazida del ácido isonicotínico (también conocida por sus iniciales inglesas, INH). Como se puede ver, es un análogo estructural de dos vitaminas: la nicotinamida y el piridoxal.

Tiene efecto bactericida incluso a bajas concentraciones (1m g/ml) e incluso intracelularmente, lo que permite su empleo contra las especies patógenas de Mycobacterium, y en general contra bacterias ácido-alcohol resistentes (Nocardia, Corynebacterium).

Mecanismo de acción: Ejerce varios efectos, probablemente debido a mecanismos pleiotrópicos (relacionados entre sí):

• interferencia -por mecanismo aún desconocido- con la biosíntesis de la pared celular de las bacterias AAR, que conduce a desorganizar los ácidos micólicos;
• actuación como antimetabolito de nicotinamida y piridoxal;
• activación de la NAD-asa, lo que conduce a reducir el "pool" de NAD.

El ácido nalidíxico (=4-oxo, 8-azaquinolina) se sintetizó en 1962, y encontró su aplicación en el tratamiento de infecciones por Gram-negativas del tracto urinario, donde se concentra.

Recientemente se han sintetizado las llamadas fluoroquinolonas, como por ejemplo el ciprofloxacín. Presentan 600 veces más actividad que el nalidíxico, y actualmente se recetan frecuentemente como quimioterápicos de amplio espectro.

Mecanismo de acción: Las quinolonas bloquean la ADN-girasa, uniéndose a la subunidad de tipo A. Recordemos que las bacterias poseen una clase especial de topoisomerasas de tipo II, llamadas girasas, que introducen superenrollamiento negativo en la doble hélice del ADN. La ADN-girasa está constituida por dos subunidades de tipo A y dos de tipo B (A₂B₂); las de tipo A producen los cortes y empalmes sucesivos en la doble cadena, mientras que las subunidades B son ATPasas que proporcionan la energía para la reacción.

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.

En la sección 3.5 de este capítulo (sobre antibióticos que inhiben el metabolismo de los ácidos nucleicos) veremos algunos que actúan sobre las subunidades de tipo A.

Los nitrofuranos, como por ejemplo la nitrofurantoína, tienen efecto contra Gram-positivas y Gram-negativas, sobre todo en la orina, siendo poco efectivos en otros fluidos corporales.

Es un análogo estructural de la citosina, interfiriendo con la síntesis de ADN y ARN. Su aplicación es como antifúngico, sobre todo contra infecciones por algunas levaduras.

Los antibióticos son sustancias normalmente de bajo peso molecular producidas por seres vivos (antibióticos naturales) o modificadas artificialmente a partir de ellas (antibióticos semisintéticos), que a pequeñas concentraciones tienen efectos antimicrobianos (microbicidas o microbiostáticos), tras ser administrados por vía adecuada a un organismo receptor.

La mayor parte de los antibióticos proceden del metabolismo secundario de microorganismos procariotas (actinomicetos, Bacillus, etc) o eucariotas (hongos de los géneros Penicillium, Cephalosporium, etc).

Se conocen unos 5 000 antibóticos distintos, y cada año se descubre unos 300 nuevos. Su importancia económica se pone de manifiesto al pensar en las 100.000 Tm de antibióticos producidas al año, por un valor equivalente a 400.000 millones de pesetas.

La mayor parte de los antibióticos comerciales se emplean para tratar enfermedades de etiología bacteriana, aunque algunos se usan contra hongos y levaduras, y unos pocos presentan actividad antitumoral.

Desde el punto de vista químico, se clasifican en grandes familias:

• antibióticos que contienen carbohidratos;
• lactonas macrocíclicas;
• quinonas y compuestos relacionados;
• antibióticos peptídicos y con aminoácidos;
• heterociclos del N;
• heterociclos del O;
• aromáticos;
• alifáticos;
• etc.

La mayoría de los antibióticos son moléculas complejas, con regiones hidrofóbicas que facilitan el transporte al interior celular. Muchos poseen varios anillos, algunos de los cuales mejoran la interacción de la molécula con su diana macromolecular.

Para estudiarlos es más útil agrupar a los antibióticos no por clases según su naturaleza química, sino en función de las "dianas" sobre las que actúan y con las que interfieren:

A) antibióticos que interfieren con la biosíntesis de la pared celular

B) antibióticos que actúan sobre la membrana celular

C) antibióticos que inhiben la síntesis de proteínas

D) antibióticos que actúan sobre la síntesis de ácidos nucleicos.

Los antibióticos más abundantes, y los mejor estudiados, son los que interfieren con enzimas de la biosíntesis del peptidoglucano de las eubacterias, y los que interfieren con la función del ribosoma.

(Repasar el apartado 2 del capítulo 6, donde se mostraba la biosíntesis del peptidoglucano)

Este antibiótico de estructura muy simple está producido por Streptomyces fradiae. Su acción inhibitoria es ejercida a nivel de la primera reacción de la síntesis del PG, a saber, impidiendo la condensación reductora del UDP-NAG con el PEP para dar UDP-NAM. Ello lo logra uniéndose con la enzima transferasa correspondiente, inactivándola.

Aunque tiene baja toxicidad para organismos superiores, apenas ha encontrado aplicación en la clínica (se empleó en España, pero no está admitido en los EE UU).

Producido por Streptomyces orchidaceus, este antibiótico muestra cierto parecido estructural con la D-alanina, lo que explica el hecho de que actúa como inhibidor competitivo de las dos reacciones secuenciales de la síntesis del PG donde aparece la D-ala:

• inhibe la racemasa que cataliza la conversión de L-ala en D-ala;
• inhibe la D-alanil-D-alanina sintetasa (que condensa dos D-ala para dar el dipéptido D-ala-D-ala).

La cicloserina tiene mayor afinidad que el sustrato natural (D-ala) hacia las dos enzimas.

Es un antibiótico de amplio espectro, pero apenas se emplea clínicamente, debido a su neurotoxicidad. Se recurre a él sólo para tratar ciertos casos de tuberculosis, en combinación con otros antibióticos.

Es un glucopéptido complejo producido por Streptomyces orientalis. Se une rápida e irreversiblemente con el extremo D-alanil-D-alanina del pentapéptido del precursor del PG que se halla unido al undecaprenil-P (a nivel de membrana citoplásmica), de modo que inhibe la reacción de transglucosidación.

Es un antibiótico de espectro estrecho, bactericida frente a muchas bacterias Gram-positivas. Recientemente se está usando frente a infecciones severas de Staphylococcus aureus y de Streptococcus pneumoniae que sean resistentes a otros antibióticos. Es la droga de elección ante colitis asociadas a antibióticos ocasionadas por Clostridium difficile.

Es un antibiótico parecido al anterior, producido por Nocardia lurida, y que, al igual que la vancomicina inhibe la transglucosidación, siendo activo frente a Gram-positivas.

Producida por Bacillus subtilis variedad "tracy" (de ahí su nombre), es un antibiótico polipeptídico provisto de un anillo tiazol, bactericida frente a muchos Gram-positivos así como frente al Gram-negativo Neisseria. Es demasiado tóxico (sobre todo nefrotóxico) como para ser administrado sistémicamente, pero tiene uso tópico (p. ej., en cirugía del colon).

Su mecanismo de acción estriba en que se une al pirofosfato del undecaprenil-P-P, e impide su regeneración hasta undecaprenil-P por la fosfatasa específica; por lo tanto, evita la reentrada del undecaprenil-P en el ciclo biosintético del PG.

Todos los antibióticos de este grupo contienen un anillo característico: el anillo ß-lactámico.

Todos los subgrupos de ß-lactámicos se pueden considerar derivados de un núcleo químico en el que, además del anillo lactámico puede existir un heterociclo conjugado:

Como ya sabemos, las penicilinas fueron los primeros antibióticos naturales en descubrirse, pero en general, todos los ß-lactámicos tienen el mismo mecanismo de acción. Nos concentraremos en estudiar las penicilinas.

El grupo común a todas las penicilinas es el ácido 6-aminopenicilánico (6-APA), que en realidad es un dipéptido ciclado por condensación de L-cys y D-val, que genera el anillo ß-lactámico (anillo A) y el anillo tiazolidínico (anillo B). Las penicilinas se pueden considerar derivadas del 6-APA, sustituyendo el hidroxilo (-OH) del grupo carboxilo por un radical acilo (R). Este radical acilo es variable de unas penicilinas a otras. La variación se puede lograr de dos maneras principales:

• modificando el medio de cultivo donde se hace crecer la cepa del hongo Penicillium.
• por transformciones químicas "in vitro", lo que genera las llamadas penicilinas semisintéticas.

La penicilina natural, purificada por primera vez en los años 40, es la penicilina-G (o benzil-penicilina), en la que el radical acilo es el grupo bencilo (=fenilacético). Esta penicilina presenta una serie de limitaciones e inconvenientes:

• tiene un espectro estrecho: actúa frente a estreptococos del grupo A y otros cocos Gram-positivos, pero no frente a la mayoría de bacterias Gram-negativas.
• Es sensible a ácidos, por lo que no puede ser administrada vía oral (se inactiva a su paso por el estómago).
• Es susceptible a enzimas inactivadoras (penicilinasas) producidas por muchas bacterias.
• Se elimina rápidamente por la orina (no permanece mucho tiempo en el organismo receptor).
• En algunos individuos puede provocar respuestas de hipersensibilidad (alergia a la penicilina).

Para solventar estos problemas se fueron "creando" variantes de esta penicilina que mejoraban algunas de sus cualidades. Por ejemplo, manipulando el medio de cultivo del hongo se pudo lograr la llamada penicilina-V (fenoximetil-penicilina), que es más resistente a bajos pH. Sin embargo, las más recientes generaciones de penicilinas son semisintéticas. Para obtenerlas se partir del núcleo del 6-APA.

El 6-APA se puede obtener de dos modos distintos:

• cultivando el hongo en medio carente de ácidos grasos (lo que evita la adición de radical acilo);
• o bien partiendo de penicilina G, y digiriéndola con amidasas específicas que producen el 6-APA.

Una vez obtenido el 6-APA, éste se hace reaccionar químicamente con un compuesto carboxílico. Dependiendo del compuesto en cuestión, se obtiene una amplia variedad de penicilinas semisintéticas, con propiedades mejoradas:

• con más amplio espectro de acción;
• con más tiempo de permanencia en suero y fluidos corporales;
• con resistencia a penicilinasas y en general ß-lactamasas;
• resistentes pH ácido, y por lo tanto susceptibles de ser administradas via oral.

Estas penicilinas semisintéticas se pueden englobar en tres grupos principales:

1) resistentes a penicilinasas.Se usan sobre todo frente a cocos Gram-positivos (Staphylococcus aureus, S. epidermidis).

2) De espectro ampliado. Permiten un uso efectivo frente a muchas bacterias Gram-negativas (Haemophilus influenzae, E. coli, Proteus, Salmonella, Shigella, etc).

Dentro de este grupo, destacamos las "aminopenicilinas", como la ampicilina, o la amoxicilina: el grupo -NH₂ del radical acilo permite que estas penicilinas puedan atravesar la membrana externa de las bacterias Gram-negativas. Resisten los ácidos, pero desgraciadamente sólo tienen la mitad de actividad contra Gram-positivas, y algunas son inactivadas por ß-lactamasas.

3) Penicilinas anti-Pseudomonas. La carbenicilina y la piperacilina se usan frente a Pseudomonas, un patógeno oportunista muy peligroso cuando coloniza grandes quemaduras, heridas quirúrgicas, etc.

Mecanismo de acción de las penicilinas y otros antibióticos ß-lactámicos: Todas las penicilinas (incluidas las semisintéticas), son bactericidas sobre bacterias en crecimiento, y poseen el mismo mecanismo: Inhiben el sistema enzimático implicado en la reacción de transpeptidación del peptidoglucano naciente, o sea que impiden los entrecruzamientos entre cadenas de PG. Ello origina:

• acumulación de precursores del PG, sin ensamblar;
• activación de una serie de autolisinas (amidasas, glucosidasas), que hidrilozan el PG maduro de la bacteria; si la bacteria se encuentra en un medio hipotónico, termina lisándose.
• En Gram-positivas, además, se produce desorganización de los ácidos teicoicos y lipoteicoicos. (De hecho, parece que en este tipo de bacterias son estos ácidos los que regulan de algún modo a las autolisinas).

Por lo tanto, la acción bactericida y lítica de las penicilinas depende de que la bacteria se encuentre creciendo en un medio hipotónico. Cuando la bacteria no está creciendo, no está haciendo renovación ("turnover") de su pared celular, lo que implica que la penicilina no tiene "diana" sobre la que actuar; por lo tanto, en estascondiciones la bacteria puede sobrevivir.

Esta es la base de las "recaídas" de muchas infecciones, una vez que se ha dado por terminado el tratamiento de un paciente con un antibiótico ß-lactámico.

Las penicilinas tienen como dianas a una serie de autolisinas llamadas proteínas de unión a la penicilina (PBPs). Como ya vimos en el apartado 5 del capítulo 6, las PBPs son proteínas implicadas en las últimas fases de la síntesis y maduración del PG. Veamos en la siguiente tabla las funciones de las PBPs de E. coli, y los efectos sobre cada una al añadir penicilina.

Así pues, las PBPs 1 a 3 son esenciales para la bacteria, y son las dianas de las penicilinas que explican la actividad bactericida. Se ha propuesto que el grupo -CO-N- del anillo ß-lactámico funciona como un análogo estructural del sustrato de las transpeptidasas implicadas en la reacción de entrecruzamiento (transpeptidación) entre el péptido del PG naciente y el del PG aceptor. La penicilina se combina con el sitio activo de la transpeptidasa, dando un complejo enzima-penicilina (peniciloil-transpeptidasa) inactivo y bastante estable.

El núcleo cefém es el ácido 7-aminocefalosporánico. Existen dos tipos de ß-lactámicos naturales (y sus derivados semisintéticos) basados en este núcleo:

• cefalosporinas, producidas por hongos del género Cephalosporium;
• cefamicinas, producidas por ciertas especies del actinomiceto Streptomyces.

Desde un punto de vista biosintético, derivan de los dos mismos aminoácidos que las penicilinas, pero aquí, uno de los metilos (-CH₃) de la valina se incorpora al anillo en vez de quedar fuera, haciendo que el anillo B sea el anillo dihidrotiazina.

La cefalosporina natural tiene poca actividad, pero sustituyendo artificialmente R₁ y R₂ se obtienen derivados semisintéticos muy activos. Como es habitual con muchos antibióticos de uso clínico, a lo largo de los años la industria farmacéutica ha ido "creando" sucesivas "generaciones" de estos compuestos, con aplicaciones y ventajas diferentes:

La cefalosporinas se introdujeron en principio para uso en pacientes alérgicos a las pencilinas. Algunas de ellas combinan la ventaja de tener un amplio espectro (incluyendo bacterias difíciles de tratar, como Haemophilus) y el de ser resistentes a las ß-lactamasas de muchas bacterias Gram-negativas.

Tienen un núcleo monocíclico (sólo el anilo ß-lactámico). El derivado semisintético aztreonam se puede usar contra bacterias Gram-negativas aerobias (estrictas o facultativas) como Haemophilus, Neisseria, Pseudomonas y Enterobacterias.

Su espectro de acción estrecho es útil, ya que su administración via oral "respeta" mejor la flora intestinal autóctona del paciente.

Se basan en el núcleo del carbapeném. Ejemplos son las tienamicinas (como el imipeném). Poseen un espectro muy amplio, con actividad intensa contra casi todas las bacterias de interés médico, incluyendo resistentes a otros antibióticos ß-lactámicos: Staphylococcus aureus, Streptococcus, Pseudomonas, Bacteroides, Haemophilus, Neisseria, etc.

Un ejemplo típico es el ácido clavulánico (una oxa-ß-lactama): tiene poca actividad como antibiótico, pero se une a las ß-lactamasas, inactivándolas irreversiblemente. Actualmente los médicos lo recetan con frecuencia en combinación con alguna ampicilina (una aminopenicilina, como vimos): la mezcla ampicilina + clavulánico tiene efectos sinérgicos (se potencian el uno al otro). El clavulánico pasa fácilmente a través de porinas al espacio periplásmico de muchas bacterias Gram-negativas, donde se acumula, y allí inactiva a las ß-lactamasas; mientras tanto, la ampicilina, "salvada" de la inactivación de las lactamasas, puede ejercer su efecto bactericida (por bloqueo de la transpeptidación del PG).

A diferencia de los antibióticos que actúan a nivel de pared, los que interfieren con la membrana celular ejercen sus efectos independientemente de que el microorganismo esté o no creciendo. Suelen carecer de especificidad (afectan a membranas de procariotas y de organismos superiores), por lo que resultan más o menos tóxicos para los mamíferos y, en general, han encontrado escasa aplicación clínica.

Son antibióticos producidos por especies de Bacillus durante las primeras fases de la esporulación (consúltese el capítulo 12). Se trata de moléculas con aminoácidos en configuaraciones L y D, y con presencia de ciertos aminoácidos "raros" (no proteinogenéticos). Algunos de estos antibióticos son polipéptidos cíclicos. Su síntesis no se realiza en los ribosomas, sino que se produce por una secuencia de reacciones enzimáticas que nada tienen que ver con el proceso de traducción de los mensajeros genéticos.

Suelen ser antibióticos de efecto bactericida. Su mecanismo consiste en que se unen a la cara externa de la membrana citoplásmica (y, además, a la membrana externa de las bacterias Gram-negativas), alterando su estructura y su permeabilidad osmótica; ello condiciona la inhibición de procesos básicos de la membrana, así como la salida de metabolitos del citoplasma.

Producidas por Bacillus polymyxa, son decapéptidos cíclicos con aminoácidos en L y D, y con abundancia del "raro" L-diaminobutírico (L-DAB), y que llevan unido una cadena alifática C₈ (el 6-metil-octanoico).

Su actividad está restringida a Gram-negativas: el anillo peptídico, que está cargado positivamente, se une electrostáticamente con los grupos negativos de la membrana externa, desplazando a los cationes Mg⁺⁺ y otros que estabilizan dicha membrana; al mismo tiempo, la "cola" hidrofóbica (la cadena alifática) del antibiótico se introduce entre las cadenas de ácidos grasos de la membrana. El efecto neto de todo ello es que se desorganiza la estructura y la función de la membrana externa.

Presentan toxicidad para organismos superiores (sobre todo nefrotoxicidad), por lo que su empleo parenteral se reserva para infecciones severas de Pseudomonas. Pero es apto para uso tópico.

Producidas por Bacillus brevis, son antibióticos plenamente cíclicos, con efectos similares a la polimixina.

Los antibióticos ionóforos actúan aumentando grandemente la permeabilidad de la membrana hacia iones inorgánicos específicos. Forman canales que atraviesan la membrana, dejando un hueco central que permite el paso de cationes concretos, lo que se traduce en una disipación de los gradientes electroquímicos a ambos lados de la membrana (destruyendo, por tanto, la capacidad de obtención de energía de las bacterias).

Es un depsipéptido cíclico, formado por la ciclación de tres unidades del siguiente módulo:

D-hidroxibutírico-D-valina-Lactato-L-valina

Como se puede comprobar, se trata de una cadena de a -aminoácidos y a -hidroxiácidos alternantes, conectados por enlaces peptídicos y enlaces éster. Las cadenas alifáticas se disponen hacia afuera del anillo, mientras que los grupos carboxilo se colocan hacia adentro, dejando un canal hidrófilo que permite el libre paso de K⁺, lo que desacopla los mecanismos de obtención de energía a nivel de membrana.

Es un antibiótico a base de aminoácidos alternantes en configuraciones D y L, que forma una estructura helicoidal. Disipa iones K⁺, así como Na⁺ e H⁺. La configuración permite al antibiótico formar una especie de cilindro donde la cadena sigue una hélice que está estabilizada por puentes de H casi paralelos al eje del cilindro, dejando un canal central de 0.4 nm de diámetro, y con las cadenas laterales de los aminoácidos dirigidas hacia auera, formando una especie de vaina hidrófoba. Esto permite que la molécula se inserte a través de la membrana, dejando un canal por el que pueden pasar iones, con la consiguiente destrucción del gradiente electroquímico.

Son de tipo macrólido (o sea, un gran anillo provisto un enlace lactónico); este tipo de antibióticos se caracteriza por poseer una porción flexible hidroxilada y otra porción más rígida, a base de dobles enlaces conjugados.

La anfotericina B (producida por Streptomyces nodosus) y la nistatina (por S. nursei) contienen, además, el aminoazúcar llamado micosamina.

Inhiben selectivamente las membranas que contienen esteroles: por lo tanto, actúan sobre microorganismos eucarióticos (hongos, levaduras), pero no sobre los procarióticos, a excepción de los micoplasmas. Parece que son bastante específicos hacia el ergosterol (muy abundante en hongos), pero debido al parecido de éste con el colesterol, tienen cierta toxicidad hacia los animales superiores (su margen de seguridad terapéutica es muy estrecho).

Estos antibióticos tienen forma de bastón rígido (debido a la configuración todo-trans de los dobles enlaces conjugados). Una de las superficies de este cilindro es hidrófoba (la de los dobles enlaces), y la superficie opuesta es hidrófila (la que es rica en hidroxilos). En un extremo del bastón, la micosamina y el carboxilo forman una zona altamente polar. Los modelos fisicoquímicos revelan que 10 moléculas del antibiótico se agregan entre sí, con los ejes de sus respectivos bastones paralelos entre sí y perpendiculares a la membrana (atravesándola), de modo que dejan un canal central de uno 0,7 nm de diámetro, y con los grupos polares hacia afuera. Esta estructura permite el paso libre de iones, así como el que se escapen metabolitos (como la glucosa) desde la célula al exterior.

Los antibióticos que interfieren en la síntesis de proteínas son muy variados y abundantes, y la mayoría de ellos funcionan interfiriendo con el ribosoma, sobre todo los que se unen a proteínas ribosómicas y/o a alguno de los ARN ribosómicos. Nosotros vamos a detenernos principalmente en aquellos antibióticos que afectan a la elongación de la cadena naciente del polipéptido. Obviamente, los más útiles son aquellos que tienen efectos selectivos frente a los ribosomas 70S procarióticos, pero no sobre los 80S eucarióticos. Dentro de ellos, y siguiendo el orden natural del funcionamiento de la elongación de la cadena polipeptídica, podemos agruparlos según la fase concreta de la elongación sobre la que actúan:

1. inhibición del reconocimiento de un aminoacil-ARNt (aa-ARNt) hacia el sitio A del ribosoma;
2. introducción de errores en la lectura de los ARNm;
3. inhibición de la reacción de formación del enlace peptídico;
4. inhibición de la traslocación del peptidil-ARNt (pp-ARNt) desde el sitio A al sitio P.
5. bloqueo de los factores de elongación.

Son antibióticos de muy amplio espectro (frente a Gram-positivas, Gram-negativas, Rickettsias y Clamidias, e incluso Micoplasmas), producidos por distintas especies de Streptomyces. Actúan como bacteriostáticos, siempre y cuando las bacterias estén en crecimiento activo. Como se puede ver por su espectro, 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.

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. Entonces, ¿por qué 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. Al llegar la tetraciclina a la subunidad 30S, se une a las proteínas S4 y S18 del ribosoma 70S intacto, ejerciendo el efecto que hemos descrito en el párrafo anterior.

• Las tetraciclinas naturales se absorben mal por el intestino, y pueden destruir la flora autóctona, favoreciendo infecciones secundarias. Las semisintéticas evitan este problema.
• Se depositan en tejidos calcificados, ocasionando daños a huesos y dientes, y tiñendo los dientes de amarillo en los niños.

Es un grupo amplio y variado de antibióticos producidos por diversas especies de Streptomyces. Como se puede ver en las figuras, todos tienen en común varios rasgos químicos:

• son muy polares, policatiónicos;
• presentan un anillo de aminociclitol (un ciclohexitol o inositol con grupo amino);
• uno o más azúcares, incluyendo al menos un aminoazúcar (aparte del aminociclitol). Así, por ejemplo, la estreptomicina contiene como aminociclitol la llamada estreptidina, mientras que otros aminoglucósidos presentan la 2-desoxiestreptamina).

Los aminoglucósidos son antibióticos bactericidas de amplio espectro. Sus propiedades farmacocinéticas se deben al carácter polar del policatión:

• mala absorción vía oral (hay que administrarlos vía parenteral);
• penetran poco en el fluido cerebroespinal;
• se excretan rápidamente por la orina.

Por otro lado, en algunos individuos pueden ocasionar reacciones adversas: parálisis neuromuscular, ototoxicidad (pueden llegar a provocar sorderas) y nefrotoxicidad. Su margen de dosis terapéutica es estrecho, por lo que su uso debe limitarse frente a infecciones ocasionadas por bacterias resistentes a otros antibióticos.

Mecanismo de acción: Como veremos enseguida, su mecanismo no se limita a lo que dice el presente epígrafe (inducir errores en la lectura del mensajero), sino que tienen efectos pleiotrópicos (múltiples), que se influyen entre sí. El mecanismo lo podemos desglosar en varias fases:

1. Unas pocas moléculas del antibiótico entran a la bacteria, probablemente aprovechando pequeñas imperfecciones de la membrana en crecimiento;
2. estas moléculas se unen a los polisomas, es decir, los polirribosomas que están traduciendo el ARNm (p. ej., la estreptomicina se une al ARNr 16S de la subunidad 30S). Allí provocan errores en la lectura del ARNm, al distorsionar la estructura del ribosoma. Concretamente, el efecto aquí es que los codones del ARNm se emparejan con ARNt cargados "erróneos", en los que sólo 2 de las 3 bases del anticodón corresponden correctamente con las del codón.
3. Por lo tanto, la bacteria comienza a sintetizar proteínas defectuosas; algunas de ellas son proteínas de membrana, que al incorporarse a la bicapa lipídica, introducen imperfecciones en su funcionamiento y estructura. Se van formando cada vez más "canales", correspondientes a defectos en esa membrana;
4. a través de los nuevos "canales" e imperfecciones de la membrana, entran cada vez más moléculas del antibiótico, con lo cual todo el proceso se acelera y retroalimenta positivamente, de modo autocatalítico.

El efecto final es bactericida:

• se detiene finalmente la síntesis de proteínas;
• se producen daños irreversibles a las membranas.

Cada aminoglucósido se une a una zona distinta de la subunidad 30S del ribosoma, por lo que no suelen darse reacciones cruzadas de resistencia entre distintos antibióticos de este grupo.

La mayoría de los aminoglucósidos se une a varios sitios a la vez, dentro de la subunidad 30S, por lo que la aparición espontánea de mutaciones de resistencia a ellos suele ser baja. Una excepción a esto es el caso de la estreptomicina.

Diana de la estreptomicina: La estreptomicina ejerce su efecto antibiótico uniéndose a una zona concreta del ARNr 16S del ribosoma eubacteriano.

Mutación de resistencia a la estreptomicina: Con relativa frecuencia (10^--9/célula y división) surge en la población bacteriana una mutación espontánea que convierte a la bacteria afectada en resistente a la estreptomicina (fenotipo Str^R); esta mutación afecta al gen strA, que codifica la proteína S12 de la subunidad pequeña del ribosoma. El efecto de la mutación es alterar la proteína S12 de modo que el ribosoma que contenga esa proteína mutante evita la unión de la estreptomicina con el ARNr 16S (de algún modo, la S12 mutante "tapa" la vía de acceso del antibiótico a su diana molecular).

Supresión fenotípica de mutaciones puntuales:Como veremos en la sección de Genética Bacteriana (cap.23), uno de los tipos de mutaciones se denomina puntual, porque transforma un par de bases en otro distinto; ello puede suponer alterar el sentido del codón afectado (el codón mutante puede codificar un aminoácido distinto al original, o incluso puede ser uno de los tres codones de parada de traducción), lo cual puede conducir a que la proteína mutante respectiva deje de ser funcional.

Pues bien, cuando una bacteria que posee una mutación puntual que inactiva una determinada proteína (fenotipo mutante) se pone en un medio con estreptomicina u otro antibiótico aminoglucósido, con cierta frecuencia la lectura errónea del ARNm del gen mutante ("erróneo") conduce a que la proteína sea funcional, generandose un fenotipo silvestre. A este fenómeno se le denomina supresión fenotípica (en este caso inducida por estos antibióticos), para distinguirlo de la supresión genotípica, que como veremos oportunamente, regenera el fenotipo pero por medio de cambios en el genomio.

Este efecto depende de la porción del anillo aminociclitol de la molécula del aminoglucósido, y su mecanismo es a nivel del sistema secundario de corrección de errores de lectura que tiene el ribosoma ("corrección de pruebas").

Mutantes dependendientes de la estreptomicina: Existe una mutación alélica de la Str^R (es decir, que afecta al mismo gen), pero que en vez de dar fenotipo de resistencia al antibiótico produce un fenotipo por el que la bacteria depende de la estreptomicina para poder crecer (!). Esta mutación (denotada Str^d) tiene unos efectos muy específicos de supresión fenotípica condicionada:

• la proteína ribosómica mutante S12, en ausencia de estreptomicina, hace que el ribosoma traduzca introduciendo frecuentes errores (hay ambigüedades en la lectura de los mensajeros); por lo tanto, en ausencia de este antibiótico, la bacteria no crece.
• Si a la bacteria se le suministra el antibiótico, éste compensa fenotípicamente el efecto de la mutación de la proteína S12, de modo que ahora los ribosomas pueden efectuar correctamente la traducción de los ARNm (se reactivan los ribosomas para su funcionalidad normal).

Se trata de un grupo variado y heterogéneo de agentes antibacterianos que interfieren con el centro peptidil-transferasa de la subunidad grande del ribosoma.

Antiguamente la industria lo obtenía a partir de Streptomyces venezuelae, pero actualmente es más barato fabricarlo por síntesis química. Es un bacteriostático de amplio espectro. Se absorbe bien vía oral y penetra bien en todos los tejidos, incluyendo cerebro y líquido cerebroespinal, por lo que se puede usar frente a meningitis ocasionadas por Haemophilus influenzae, así como tratamiento de fiebres tifoideas y anaerobios Gram-negativos.

Sin embargo, hay que controlar bien las dosis, ya que puede provocar supresión de médula ósea (aplasia medular); de hecho, casi no se emplea en países de Occidente, aunque se receta demasiado en el Tercer Mundo.

Mecanismo de acción: Se une a varios lugares de la subunidad 50S, entre los cuales el más importante es la proteína L16, que forma parte del centro peptidil-transferasa, cerca del sitio del ribosoma donde encaja el extremo aminoacil del ARNt, en el sitio A.

El cloranfenicol ha sido muy útil en el estudio de los ribosomas, ya que estabiliza los polisomas rápidamente.

La lincomicina está producida por Streptomyces lincolniensis, y la clindamicina es un derivado clorado del anterior, mucho más eficaz y con mejor absorción intestinal. Son útiles para tratar infecciones donde no pueda aplicarse penicilina, y contra anaerobios como Bacteroides.

Mecanismo de acción:Se une a la subunidad 50S del ribosoma procariótico, bloqueando la formación del enlace peptídico. Parece que esto lo logra interfiriendo con la colocación adecuada del aa-ARNt en el sitio A, y del pp-ARNt en el sitio P. Hace que se desorganicen los polisomas, disociándose en sus subunidades 30S y 50S.

La carbomicina (producida por Streptomyces halstedii) y otros macrólidos se unen a la proteína L4 de la subunidad 50S, inhibiendo la formación del enlace peptídico.

El representante más típico es otro macrólido, la eritromicina. (Actualmente se usan mucho en clínica dos derivados semisintéticos de ella: la roxitromicina y la claritromicina). Producida por Streptomyces erithraeus), 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).

Mecanismo de acción: Se une a la proteína L15, que forma parte del centro peptidil-transferasa. Bloquea el paso de translocación interfiriendo específicamente con la liberación del ARNt desacilado, es decir, impide que el ARNt "descargado" (una vez que ha cumplido su misión al transferirse el péptido naciente al aa-ARNt del sitio A) salga del sitio P; por lo tanto, 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.

3.3.5. INHIBIDORES DE LOS FACTORES DE ELONGACION 

Es un antibiótico policíclico muy grande, producido por ciertas especies de Streptomyces. Se une a la subunidad 50S, concretamente a la proteína L11 y a una zona concreta del ARNr 23S, impidiendo la unión de los factores de elongación EFTu y EFG.

Es un derivado esteroideo producido por hongos del género Fusarium, usado contra estafilococos resistentes a ß-lactámicos. Se une al factor de elongación EFG, inhibiendo la liberación del complejo EFG-GDP, por lo que el pp-ARNt queda fijado en el sitio P, lo cual impide que se pueda unir el complejo ternario EFTu-GTP-ARNt.

Se unen al factor EFTu. La kirromicina bloquea la liberación del complejo binario EFTu-GDP; la pulvomicina bloquea la adición de aa-ARNt al EFTu para formar el complejo ternario.

En resumen de este apartado, existen antibióticos que afectan prácticamente cualquier aspecto de la función del ribosoma. Muchos de ellos, aparte del interés clínico que puedan tener, han sido muy útiles para desentrañar diversos aspectos de la estructura y función del ribosoma.

Pocos de los antibióticos que interfieren con las funciones del ADN son útiles en clínica, ya que no pueden discriminar entre ADN de procariotas y eucariotas. Sin embargo, han sido muy valiosos para estudiar diversos aspectos de la biología molecular del ADN

Observar en la figura que su grupo cromóforo tiene tres anillos y es planar; de cada anillo de los extremos sale una lactona pentapeptídica. Esta estructura es importante para entender su mecanismo de acción:

El hecho de tener tres anillos conjugados en un plano le permite intercalarse entre pares de bases adyacentes de la doble hélice del ADN, mientras que las dos L-treoninas establecen puentes de H con guaninas del ADN adyacentes al sitio de intercalación del antibiótico. De esta forma inhibe la replicación del ADN y su transcripción a ARNm.

Al entrar a la célula es convertida a su forma hidroquinona, que es muy reactiva, funcionando como un agente alquilante bifuncional que origina entrecruzamientos entre las dos hebras del ADN. Las consecuencias de ello son:

• las dos hebras no pueden separarse durante el intento de replicación, por lo que ésta se detiene.
• A continuación el ADN entrecruzado es atacado y destruido por las nucleasas de la propia célula.

Se unen a la subunidad B de las ADN girasas bacterianas, impidiendo el superenrollamiento negativo del ADN al competir por el sitio de unión de esta subunidad al ATP.

Las ARN polimerasas de virus, de bacterias y de mamíferos difieren mucho entre sí, por lo que los tipo de antibióticos que las afecten suelen ser bastante selectivos. Recuérdese que las ARN polimerasas eubacterianas constan de un núcleo {a₂ßß'} y que requieren el factor s para la iniciación de la transcripción.

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.

Se une también a la subunidad ß de la ARN polimerasa, pero su efecto es inhibir la fase de elongación de la transcripción.

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Ó 1998 ENRIQUE IAÑEZ PAREJA. Prohibida su reproducción, salvo con fines educativos.

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