Resistencia de las bacterias a los antibióticos (página 2)

Capítulo 2

Las bacterias y
sus características genéticas.

2.1 – Características
generales.

Las bacterias constituyen las formas de vida más
tempranas que aparecieron en la tierra y se
clasifican en una categoría de vida denominada
procariontes. Estas ayudaron a formar y cambiar el medio ambiente
inicial de la tierra,
creando eventualmente el oxígeno
atmosférico que permitió el desarrollo de
otros formas de vida más complejas. Las bacterias y las
arqueas son los únicos procariotes.

Existen cientos de especies de bacterias, pero todas
ellas tienen una de las tres formas existentes. Algunas son
bastones y se llaman bacilos. Otras tienen la forma de esferas
pequeñas y se llaman cocos y otras son helicales y se
llaman espirilos. Algunas bacterias existen individualmente,
otras se agrupan formando pares, cadenas, tétradas u otras
clases de agrupaciones.

Las bacterias son de organización muy sencilla. La célula
bacteriana consta:

• Citoplasma, presenta un aspecto viscoso, y en su
  zona central aparece un nucleoide que contiene la mayor parte
  del ADN
  bacteriano, y en algunas bacterias aparecen fragmentos
  circulares de ADN con información genética, dispersos por el citoplasma:
  son los plásmidos. Y se encuentran inclusiones de
  diversa naturaleza
  química.
• Membrana plasmática presenta mesosomas,
  donde se encuentran enzimas
  que intervienen en la síntesis de ATP, y los pigmentos
  fotosintéticos en el caso de bacterias
  fotosintéticas.

Pueden presentar flagelos rígidos, implantados en
la membrana mediante un corpúsculo basal. Pueden poseer
también, fimbrias o pili muy numerosos y cortos, que
pueden servir como pelos sexuales para el paso de ADN de una
célula a
otra. Poseen ARN y ribosomas característicos, para la
síntesis de proteínas.
Su forma de reproducción como cualquier procarionte es
asexual, en la que se replican a sí mismas y se dividen
dando dos células
hijas idénticas. "Pero además de la
reproducción asexual, las bacterias poseen unos mecanismos
de reproducción sexual o parasexual, mediante los cuales
se intercambian fragmentos de ADN". Estos mecanismos se dividen
en tres: transformación, transducción y
conjugación. En este trabajo se
apuntará a desarrollar el mecanismo de la
conjugación, el cual requiere de un elemento principal, el
plásmido.

2.2 – Plásmidos R y
F.

Los plásmidos son pequeñas
moléculas de ADN extracromosómico que aparecen en
el citoplasma de las bacterias y que determinan ciertos rasgos,
que no son vitales, pero que de alguna manera determinan la
capacidad del organismo para adaptarse. Estas moléculas de
ADN portan solamente unos pocos genes que en cierto modo
están ligados al cromosoma bacteriano, de forma que se
replican en números fijos, junto con el
cromosoma.

Algunos de estos plásmidos tienen la capacidad de
incorporarse al cromosoma de una célula huésped y
permanecer allí inalterados por mucho tiempo. Los
plásmidos además pueden ser transferidos de una
bacteria a otra durante el proceso de
conjugación bacteriana. A este mecanismo de
conjugación se debe el surgimiento de la resistencia
bacteriana a los antibióticos. Las bacterias que no son
resistentes a los antibióticos reciben, tras una
conjugación bacteriana, un plásmido R, que les
confiere la resistencia frente a los antibióticos.
Además estas bacterias, al replicarse, podrían
transmitir a las generaciones posteriores esos plásmidos,
ya que estos tienen la característica de heredarse en
forma estable (que significa que se mantienen sin selección
al momento de la duplicación).

Algunas células bacterianas individuales
también pueden contener varios tipos diferentes de
plásmidos, en algunos casos más de 10. La capacidad
de dos tipos diferentes de plásmidos para replicarse en la
misma célula está controlada por genes del
plásmido mismo que controlan su replicación. Una
cosa común es que, cuando un plásmido se transfiere
a una célula que ya lleva otro plásmido, el segundo
plásmido puede no mantenerse y perderse en la siguiente
replicación celular. A ello se lo llama incompatibilidad
de los plásmidos. Se ha reconocido la existencia de cierto
número de plásmidos incompatibles, con los
plásmidos de un grupo
excluyéndose entre sí, pero siendo capaces de
coexistir con los plásmidos de otros grupos. La
célula bacteriana puede contener diferentes tipos de
plásmidos aunque no están relacionados entre
sí porque deben ser compatibles.

Los plásmidos que gobiernan su propia
transferencia se llaman conjugativos, pero no todos lo son. La
transmisibilidad mediante la conjugación está
controlada por un conjunto de genes dentro del plásmido
que constituye la región Tra (ver figura1). La presencia
de una región Tra en un plásmido puede tener una
importante consecuencia si el plásmido se integra en el
cromosoma. En tal caso, el plásmido puede movilizar la
transferencia de ADN cromosómico de una célula a la
otra.

Además se encuentran divididos en dos tipos. Los
plásmidos R y los plásmidos F.

Los plásmidos R (ver Fig.2) son círculos
de ADN de doble filamento, que codifican caracteres como la
resistencia a las drogas y
otros; pueden transferir genes propios y genes
cromosómicos a otras bacterias. Estos son los que
confieren la resistencia a los antibióticos. Su modo de
acción
esta situado en los caracteres que codifica sus genes. Estos
caracteres son las proteínas, producto de la
traducción de genes, que dan las
características propias de cada célula. No es que
codifican a conciencia la
resistencia sino que por diferencias genéticas, codifican
otras proteínas que, por ejemplo, cambian la estructura de
la membrana y el antibiótico que atacaba la membrana con
la característica genética original ya no lo
podría hacer. Esta es la acción que confiere la
resistencia, alterar algunos aspectos vitales en forma que el
antibiótico dirigido a estos ya no pueda actuar.
Además la naturaleza conjugativa del plásmido R
tiene importancia en la rápida diseminación de
genes de resistencia a fármacos y antibióticos a
través de poblaciones de bacterias patógenas. Hay
que tener en cuenta que los genes R no van a cambiar siempre la
estructura a favor de la bacteria, pues la alteración de
rasgos vitales supone un riesgo muy
peligroso para la bacteria, que es la muerte de
la misma. Aquí es donde se puede aplicar el concepto de
selección natural que supone que si el microorganismo
tiene una característica genotípica que hace que no
se pueda desarrollar en ese medio, terminará por
eliminarse quedando aquellas que su plásmido les permite
vivir con la resistencia que adquirieron.

Los plásmidos F son similares pero que no
codifican genes de resistencia sino que son un factor de fecundación que convierte a la
célula que lo posee en donadora, para conjugarse. Este
plásmido es muy importante a la hora de hablar de
conjugación ya que es el que da las características
para saber cuál será el donador y que
característica tendrá ese donador. Los mismos
están relacionados con la reproducción asexual de
las bacterias. Las bacterias que tienen este factor F en su
citoplasma se consideran donadoras o F+ y esta condición
es trasnferible ya que el factor F puede pasarse en la
conjugación convirtiendo a la receptora en donadora. Otro
aspecto importante de este plásmidos es que se puede
integrar en el cromosoma bacteriano convirtiendo a la cepa en Hfr
(alta frecuencia de recombinación) que lo que hace es
elevar la frecuencia con la que las bacterias se recombinan.
Estos aumentan la frecuencia de recombinantes de 1 a 1000
células o más.

Capítulo 3

Variabilidad de los plásmidos y proceso de
conjugación.

3.1 – Características esenciales
de los plásmidos F y R.

Ya teniendo en claro que es el factor F, hay que
analizar aspectos importantes del mismo a la hora de la
conjugación. Cuando el plásmido F está
dentro de la bacteria, a esta se la denomina F+ y es la que
actuará como donadora o macho. Cuando se finaliza la
conjugación la F+ pasa su capacidad de donante a la otra
convirtiendo una F- (receptora) en una F+; y la F+ sigue
siendo F+, por replicación del plásmido
.

Pero, además, el factor F puede integrarse en el
cromosoma dando lugar a la cepa Hfr. "La integración del factor F en el cromosoma
tendría lugar mediante la interacción de secuencias de
inserción homólogas de ambas moléculas,
hecho que explicaría la existencia de un número
limitado de zonas de integración."

El factor F tiene 4 regiones: de trasferencia; de
integración; de replicación; y de resistencia a
bacteriófagos de cepas F-. Pero se apuntará a dos
de ellas.

En la región de transferencia se encuentran los
genes responsables de la transferencia, poseyendo estos una
agrupación como un operón. Este operón Tra
es la región de transferencia y el responsable de la
formación de cepas Hfr mediante un proceso de
recombinación propio de la bacteria y presenta un tiempo
de transmisión de 6 minutos.

Muchas cepas F+ son capaces de originar una gran
variedad de líneas Hfr. Así una cepa F+ produce una
línea de cepas Hfr aproximadamente en 1 x 10-5
por célula y por generación. Las cepas Hfr pueden
volver a su estado F+ con
una frecuencia característicamente similar a la de su
formación. Cuando se conjugan una cepa Hfr y una F-, la F-
adquiere un factor F completo (volviéndose donador Hfr),
sólo en aquellos raros casos en los que se transfiere el
cromosoma completo. De no ser así, la donadora Hfr
seguirá siéndolo por conservación de su
plásmido y la receptora seguirá siendo F- pero con
alguna secuencia más de genes distintos a los que
tenía antes de la conjugación, ya que con la
porción de cromosoma obtenido se produjo una
recombinación interna entre cromosoma original y
huésped.

El factor F tiene un mecanismo de replicación
independiente del cromosoma bacteriano. Cuando el factor F
está integrado en el cromosoma, su mecanismo se ve
supeditado por el del propio cromosoma. Pero cuando no
está integrado es capaz de replicarse en forma muy similar
a la forma que tiene cuando sí está
integrado.

El plásmido R tiene una característica muy
particular, que tiene que ver con la posesión de elementos
genéticos transponibles, o sea que se movilizan por cuenta
propia, y son los transposones. Estos transposones son segmentos
de ADN de doble hélice, que no se autoduplican. Son
extremadamente móviles, se transfieren y ayudan a
transferir genes plasmídicos y cromosómicos. Pueden
producir variaciones genéticas sin que sea necesaria la
replicación de extensos segmentos de ADN. Gran parte de
los genes R están ubicados en los transposones y tienen
las propiedades de estos, como por ejemplo la diseminación
rápida dentro de una célula así que los
transposones bacterianos son claramente los responsables de la
transcripción de genes R de una célula a la
otra.

3.2 – Conjugación
bacteriana.

La conjugación es el proceso por el cual las
bacterias diseminan material genético que en este caso son
los plásmidos que portan genes (ver Fig. 3). Las bacterias
pueden transferir plásmidos, que son círculos de
ADN, de formas distintas según su tipo. En las bacterias
gram-negativas, una célula donadora produce estructuras
protuberantes que son los pili, que establecen contacto con una
célula receptora. Después del contacto, el pilos se
retrae, consiguiendo así que las bacterias donadora y
receptora queden estrechamente unidas. Suele ocurrir que muchas
bacterias donadoras despliegan sus pili al mismo tiempo y son
varias las bacterias de este tipo que pueden converger a la vez
en una misma receptora. Como consecuencia de ello, se producen
agregaciones de bacterias. A continuación se forma un poro
entre las células. Por dicho poro pasa a la bacteria
receptora una de las cadenas del ADN plasmídico,
regenerándose después una molécula de cadena
doble a partir de cada una de las cadenas simples. Cuando
concluye la transferencia, las bacterias se separan. En las
bacterias gram-positivas la conjugación es similar, pero
para atraerse las bacterias no utilizan pili sino señales
químicas.

Los plásmidos son estructuras independientes del
cromosoma bacteriano. Este, mucho mayor, contiene los genes
necesarios para la reproducción bacteriana. También
los cromosomas se
pueden intercambiar mediante conjugación, aunque
sólo en circunstancias excepcionales.

Si bien las bacterias utilizan la conjugación
para transferir información genética en muchos
ambientes distintos, si un plásmido está alterado
genéticamente es peligroso para la bacteria, si la
característica genética que este le da no es
favorable para su desarrollo. Entonces el plásmido
frenaría la tasa de crecimiento de las bacterias y
acabaría eliminando a las bacterias pues no representa
ninguna ventaja para ellas.

Otra característica es que cuando se transfiere
un plásmido a una célula receptora, normalmente
recibe la capacidad de donante. Cuando es de cromosoma la
probabilidad
de recibir la capacidad de donante es más baja, y el
tiempo máximo que lleva este tipo de transferencia es de
100 minutos.

Aunque la conjugación fue el primer mecanismo de
transferencia génica entre bacterias estudiado a fondo en
la naturaleza, no fue el primero que se identificó. Los
estudios de transferencia génica entre bacterias
comenzaron en 1928, cuando Frederick Griffith,
microbiólogo británico, observó que ciertas
bacterias neumocócicas no virulentas se volvían
virulentas cuando, mezcladas con otros neumococos virulentos
muertos, se inyectaban en ratones. Griffith concluyó que
las bacterias no virulentas se volvían virulentas y
mataban a los ratones porque adquirían un agente
transformante procedente de las bacterias virulentas muertas.
Ahora sabemos que ese agente transformante es el ADN, que se
liberaba al medio cuando las bacterias muertas se rompían.
Este es el proceso de transformación.

Capítulo 4

Los antibióticos y las
bacterias.

Los antibióticos son sustancias químicas
producidas por ciertos microorganismos que inhiben o matan el
crecimiento de otros. Son producto de la actividad bacteriana y
se producen en gran escala.

Se han descubierto un gran número de
antibióticos pero menos del 1% son útiles y han
tenido un positivo impacto sobre el tratamiento de enfermedades infecciosas. A
continuación se verán algunos aspectos de la
acción antibiótica.

4.1 – ¿Cómo actúan los
antibióticos sobre las bacterias?

La sensibilidad de los microorganismos a los
antibióticos varía según el tipo. Las
bacterias Gram positivas son generalmente más sensibles
que las Gram negativas. Cuando un antibiótico actúa
eficazmente sobre ambas se dice que es de amplio espectro, si
actúa sólo sobre determinadas bacterias se dice que
es de corto espectro. Este último puede ser muy
útil para el control de
microorganismos que no responden a otros
antibióticos.

Los antibióticos, según su estructura
química y su modo de acción, actúan en
diversos puntos de la bacteria. Las dianas más importantes
son la pared celular, la membrana citoplasmática y los
procesos
biosintéticos de las síntesis de proteínas.
Algunos agentes quimioterapéuticos, como las sulfas, son
análogos de factores de crecimiento, funcionan porque
mimetizan importantes factores de crecimiento que son necesarios
para el metabolismo de
la célula.(ver Fig. 5)

4.2 – Efecto del plásmido
R sobre los antibióticos

La acción que ejerce el plásmido R sobre
los antibióticos es sencilla. El plásmido R lo que
hace es transcribir sus genes que dan algunas
características proteínicas a la bacteria. Esta
características pueden ir desde detalles como cambios en
algún aa (amino ácido) hasta variación de
algunas proteínas de la membrana plasmática,
así que en realidad no codifican cosas sin importancia. Si
un antibiótico está dirigido a alguno de esos
lugares específicos actuará sobre el sitio siempre
que pueda. Pero un plásmido puede provocar varias cosas
que eviten la efectividad sobre el blanco:

• Modificación del blanco bioquímico
  del antibiótico, es decir, sobre la estructura sobre
  la cual ejerce su efecto. Un ejemplo de blanco puede ser los
  ribosomas.
• Limitación de la acumulación del
  antibiótico en la célula por disminución
  de la permeabilidad o por aumento de su transporte
  al exterior.
• Inactivación del antibiótico por
  cambios en su estructura química, acetilación,
  fosforilación, hidrólisis del núcleo
  activo, etc.
• Sustitución de enzimas codificadas por genes
  cromosómicos por otras incapaces de unirse al
  antibiótico y por lo tanto insensibles a su
  efecto.

Así la droga no
podrá ejercer su acción. Estas
características no nacieron de la noche a la
mañana, sino que son producto de un proceso que lleva
siglos y que hoy se acelera cada vez más.(ver tabla
)

Tabla- Algunos mecanismos bioquímicos de
resistencia a los antibióticos

4.3 – Efecto del uso
indiscriminado de los antibióticos.

El uso de los antibióticos ha alcanzado un grado
importante. El descubrimiento y el uso clínico de los
mismos ha ido paralelo a la aparición de bacterias
resistentes a su acción. "En general, niveles elevados de
antibióticos dan niveles elevados de cepas
resistentes."

Las encuestas han
mostrado que los antibióticos se utilizan con una
frecuencia mucho mayor de la necesaria. Estudios en Japón
señalan que en menos de 10 años las poblaciones
naturales de bacterias han evolucionado de resistencias
muy bajas (menos del 1%), frecuencias relativamente altas (50 –
80%). Como resultado, casi todos los microorganismos
patógenos han desarrollado resistencia a algunos
antibióticos que desde 1950 se usan ampliamente.
Actualmente para el tratamiento con agentes
quimioterapéuticos, se recomiendan nuevas modalidades,
simplemente para evitar la rápida aparición de
genes R. "Parece ser que los organismos son seleccionados por la
presencia del antibiótico en el medio ambiente"

Existen muchos ejemplos de antibióticos que han
perdido su efectividad. La penicilina y las sulfas, que fueron
los primeros agentes quimioterapéuticos de amplio
espectro, no tienen gran uso actualmente, porque muchos
patógenos han adquirido un grado de resistencia frente a
ellos.

Otro uso innecesario es, por ejemplo, el uso de
antibióticos en la agricultura
como estimuladores del crecimiento en piensos para animales, como
profilácticos para evitar la aparición de
enfermedades. Cuando el medio se sobrecarga de
antibióticos, se puede dar un rápido desarrollo de
la resistencia. Si se redujera el uso de antibióticos al
mínimo indispensable, también se podría
reducir la tendencia a diseminar y seleccionar las cepas
bacterianas resistentes. Además si bien hay una
prevalencia de los plásmidos R en bacterias
patógenas y estos factores podrían ser capaces de
seguir transfiriendo resistencia a los antibióticos,
sería en menor medida porque disminuiría la
presión
selectiva.

Conclusión

El objetivo de
este trabajo era el de relacionar la conjugación
bacteriana de plásmidos de resistencia con, la existencia
de factores F y el uso indiscriminado de antibióticos. Y
más puntualmente se quería comprobar que las cepas
Hfr con plásmidos R, son las que tienen más
oportunidad de sobrevivir al proceso de selección natural
que ejercen los antibióticos en las bacterias. Al intentar
establecer la relación entre el plásmido R y el F+
integrado o no en el cromosoma, se encontró en el libro
Principios de genética de Jonh Gardner, que en
realidad, que la cepa sea donadora (F+) o receptora (F-), no
influye bajo ningún aspecto a la conjugación de los
plásmidos R.

Aún así, el valor de los
plásmidos R existe. La posesión o no de los
plásmidos poco a poco se vuelve un factor más
influyente en la supervivencia de las bacterias. Esto se debe al
uso indiscriminado que se hace de los antibióticos; este
uso abusivo genera un aumento de la presión selectiva,
pero no el exterminio total de las mismas, ya que las que cuentan
con la resistencia podrán sobrevivir y reproducirse,
dejando una descendencia con las mismas características
genéticas, pero las que no morirán.

Pero también está la amplia posibilidad de
la transferencia a través de la conjugación, que da
como resultado dos cepas resistentes, si el plásmido de la
donadora era conjugativo, y 1 cepa resistente si el
plásmido no lo era. Pero como los genes R se encuentran
sobre elementos genéticos muy móviles, que son los
transposones, parte de esos genes se pueden diseminar por el
resto de la bacteria haciendo que a pesar de la pérdida de
su plásmido conserve ciertos genes para resistir en alguna
forma.

Se puede concluir, entonces, que a pesar de no hallar
relación entre los plásmidos F y los
plásmidos R, la existencia de los plásmidos R es un
factor influyente sobre la supervivencia de la bacteria dentro de
su espacio de vida, cuando la misma es expuesta a
antibióticos naturales o a antibióticos producidos
por el hombre,
siendo las poseedoras de los plásmidos R, o de sus genes,
las que tendrán más posibilidades de vivir al
proceso de selección natural y al aumento de
presión selectiva por el uso indiscriminado de
antibióticos.

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