Aula 18 Sebenta De Bactereologia

Aula Nº 18 Antibióticos A descoberta de antibióticos e a sua utilização no combate ás doenças infecciosas constituiu um dos maiores avanços da medicina no séc. XX. Na era pré-antibiótica, as doenças infecciosas eram a principal causa de morte. Após a utilização terapêutica de antibióticos, este panorama alterou-se bastante. Actualmente, a medicina está dependente de agentes quimioterapêuticos que são usados no tratamento de doenças. Estes agentes destroem os microrganismos patogénicos ou inibem o seu crescimento. A utilização terapêutica de antibióticos levou ao aumento de estirpes resistentes e consequentemente a estirpes multiresistentes. As moléculas que outrora eram activas contra determinadas espécies bacterianas, hoje já não o são. Assim, a resistência bacteriana aos antibióticos representa uma ameaça para a saúde pública. Deste modo, o uso de antibióticos tem que ser racionalizado.

Factos históricos sobre antibióticos Desde o antigo Egipto que se utilizavam substâncias que impediam que as pessoas adoecessem e que os alimentos se estragassem, como por exemplo, o uso de fermento de padeiro que servia para tratar infecções. Por volta de 1500, verificou-se que o extracto da casca da chinchona era efectivo no combate à malária. Em 1912, Paul Ehrlich marcou a era moderna da quimioterapêutica, chegando à conclusão que um químico com toxicidade selectiva que matasse agentes patogénicos e não células humanas, pudesse ser efectivo no tratamento da doença, como por exemplo o Salvarsan para o tratamento da sífilis. Embora ainda não fossem antibióticos, eram substâncias que inibiam ou matavam os microrganismos. Em 1929, Fleming descobriu P. notatum, fungo produtor de uma substância difusível anti-estafilocócica a que designou penicilina, surgindo assim o primeiro antibiótico. Na Alemanha, em 1935, Dogmak utilizou prontosil in vivo no tratamento de ratos infectados, pois desta forma ocorria a hidrólise do prontosil libertando-se a sulfanilamida, o principio biologicamente activo. Foi a primeira utilização terapêutica

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de uma sulfamida. Pode considerar-se que a quimioterapêutica anti-bacteriana sistémica nasceu neste momento. Em 1938, a sulfapirina (outra sulfamida) foi usada na terapêutica para o tratamento da pneumonia, menigite e gonorreia. Em 1940, Howard Florey e Ernest Chain isolaram e purificaram a penicilina em quantidades insignificantes a partir de culturas P.notarum em caldos de cultura. Posteriormente, mostraram o efeito terapêutico da penicilina em seres vivos injectando-a subcutaneamente para combater uma infecção estreptocócica. Em 1944, Selman Waksman e Bugie descobrem a estreptomicina a partir de culturas de Streptomyces griseus. Esta foi o primeiro antibiótico efectivo contra a tuberculose. Kirby identificou β-lactamases. Em 1947, dá-se a descoberta da cloromicetina, o primeiro antibiótico de largo espectro. Em 1948, Benjamin Duggar descobre a primeira tetraciclina. Nos finais dos anos 50 e 60, devido à evolução técnica dos processos de fermentação e química de síntese, criaram-se novas moléculas por modificação do núcleo base da penicilina. Actualmente, procuram-se novas fontes de antibióticos naturais e são utilizadas ferramentas modernas de engenharia genética e de biologia molecular para desenvolver agentes anti microbianos.

Definição de Antibióticos A primeira definição de antibióticos referia-se a produtos do metabolismo de alguns microrganismos, que matavam ou impediam a multiplicação dos agentes patogénicos. As moléculas produzidas por microrganismos com propriedades de antibiose contra outros microrganismos, são denominadas de antibióticos, e as moléculas de síntese química com propriedades idênticas (como, por exemplo, as sulfamidas) são agentes quimioterápicos. Recentemente, dá-se a designação genérica de antibióticos a todos os fármacos de acção anti microbiana.

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O efeito quimioterapêutico dos antibióticos é determinado por alguns factores: •

Concentração Mínima Inibitória (CMI ou MIC)

Relação entre sensibilidade dos microrganismos infectantes e a quantidade mínima necessária

de

agente

quimioterapêutico

para

destruir

ou

inibir

aqueles

microrganismos •

Dosagem e modo de administração do agente.

Para determinamos a CMI necessitamos de saber o peso corporal da pessoa e deste modo, determinar uma dada dosagem. O modo de administração é determinado, consoante é necessária uma actuação rápida ou não. •

Tempo, em horas, dos níveis do agente livre existente no sangue circulante.

Quando se toma um fármaco, é necessário algum tempo para fazer efeito (altura na qual, a concentração atinge o pico). •

Difusão do agente livre do sangue circulante para o foco de infecção, em quantidade suficiente para destruir ou prevenir actividades bacterianas posteriores. Há certos antibióticos que não têm uma boa taxa de difusão e, portanto, são utilizados sob a forma de pomadas e géis.

•

Condição física do doente que recebe a terapêutica.

Não se pode receitar um antibiótico a uma indivíduo sem ter em conta o seu historial médico. Por exemplo, um doente com uma patologia renal, que tenha uma baixa taxa de filtração não pode tomar certos medicamentos que são tóxicos e que podem levar ainda a mais lesões do parênquima renal. Em doentes com esta patologia, a estreptomicina pode levar á surdez.

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Classificação dos antibióticos Os antibióticos podem ser agrupados de diferentes modos: A) Quanto ao efeito provocado; B) Em famílias de estrutura química análoga e C) Quanto á estrutura do microrganismo atingido

A) Quanto ao efeito provocado podem ser: 1) Bactericidas - se matam o agente patogénico 2) Bacteriostáticos - se inibem a multiplicação dos microrganismos 3) Largo espectro - se agem em determinados grupos de bactérias 4) Espectro estreito - se agem apenas numa bactéria especifica

B) De acordo com famílias de estrutura análoga, podem ser: 1) β-lactaminas: penicilinas, cefalosporina, menobactamas

O núcleo β-lactâmico mantêm-se constante nos compostos pertencentes a esta família e é indispensável à acção anti-bacteriana

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2) Aminosidos: estreptomicinas, kanamiana, tobramicina

Todos os aminosidos ou aminoglicosidos têm um anel de 6 átomos com grupos amino nos seus substituintes, a que se designa de aminociclitol. O aminociclitol estabelece ligações glicosidas com dois ou mais açucares contendo grupos amino ou não. Têm marcada actividade contra S. aureus e contra bacilos gram negativos aeróbios.

3) Fenicóis: cloranfenicol

4) Tetraciclinas: tetraciclina, doxiciclina

Tratam-se de compostos contendo um núcleo hidroxinaftaceno, formado por 4 anéis benzénicos fundidos (o que levou á sua designação de tetraciclinas). Antibióticos de largo espectro em bactérias gram negativo e gram positivo.

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5) Macrólidos: eritromicina, espiramicina, rocitromicina

Tratam-se de lactonas macrociclicas e classificam-se de acordo com o número de átomos no anel lactónico. Para terapêutica, estão disponíveis macrolidos com 14,15 e 16 átomos no anel lactónico. A estrutura de outros macrólidos é semelhante á estrutura da eritromicina aqui representada. São activos contra bactérias gram positivas e contra algumas gram negativas. 6) Lincosamidas: clincamida, lincomicina

7) Rifamicinas: rifampicina

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8)Polipéptidos: colistina, bacitracina

Tanto a colistina como a bacitracina são de fraca difusão, por isso são apenas utilizadas como pomadas e géis. 9) Imidazóis: metronidazale

10) Sulfamidas

11) Quinolonas: ácido malidixico, pefloxacina, norfloxacina

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12) Nitrofuranos: nitrofurantoina

A nitrofurantoina é um desinfectante urinário. 13) Ácido fusidico

Ácido triterpenoico tetraciclico, aparentado com os esteroides. 14) Fosfomicina

15) Novobiocina

16) Trimetoprime

O trimetoprime (2,4-diamino-pirimidina) é um inibidor indirecto dos ácidos nucleicos. Este composto potencializa o efeito das sulfamidas (associação sinérgica).

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17) Glicopéptidos: vancomicina

18) Quinoleínas: nitroxolina

A nitroxolina é um desinfectante intestinal.

C) Quanto á estrutura atingida, podem ser:

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Fig. 18.1- Representação esquemática dos vários locais de actuação dos diferentes grupos de antibióticos Assim, quanto aos seus alvos os antibióticos podem ser: 1) Antibióticos anti-parietais (inibidores da síntese do peptidoglicano), como por exemplo: •

Fosfomicina

•

D-closerina

•

Bacitracina

•

Vancomicina

•

β- lactaminas

•

Teicoplanina

2) Antibióticos anti-membranares ou activos sobre os envelopes membranários, como por exemplo: •

Polimixinas (Poli. E ou colistina)

•

Gramicidina

•

Tirocidina

3) Antibióticos inibidores da síntese proteica •

Aminósidos

•

Macrolidos

•

Lincosaminas

•

Estreptograminas

•

Tetraciclinas

•

Cloranfenicol

•

Ácido fusídico

4) Antibióticos inibidores da síntese dos ácidos nucleicos •

Rifamicinas

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•

Quinolonas

•

Novobiocina

•

5-nitro-imidazóis

•

Nitrofuranos

5) Antibióticos inibidores da síntese dos folatos ou antimetabolitos •

Sulfamidas

•

Trimetoprime (2-4-diaminopiridinas)

•

Sulfonas

•

PAS (ácido para-aminosalicílico)

1) Antibióticos anti-parietais - inibidores da síntese do peptidoglicano O peptidoglicano desempenha um papel fundamental na vida da célula bacteriana. A rigidez que esta macromolécula confere á parede celular, permite á bactéria viver em ambientes hipotónicos ou hipertónicos, sem alteração da forma da célula. Assim, a destruição do peptidoglicano provoca a lise celular. Logo, os antibióticos inibidores da biossíntese do peptidoglicano são bactericidas. Os antibióticos anti-parietais actuam nas diferentes fases da biossíntese do peptidoglicano. Assim, podem actuar ao nível de: a) fase citoplasmática b) fase membranar c) fase parietal

a) Antibióticos que actuam ao nível da fase citoplasmática da biossíntese do peptidoglicano •

Fosfomicina

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Fig 18.2- Analogia estrutural entre a fosfomicina e o fosfoenolpiruvato (PEP) A fosfomicina é um análogo estrutural do PEP, que atravessa a membrana celular bacteriana devido ás permeases. Uma vez no citoplasma, a transferase tem mais afinidade para a fosfomicina do que para o PEP (o seu substrato natural). Assim, a fosfomicina liga-se á transferase e inibe esta de forma irreversível (a transferase levaria á produção de ácido UDP-N-Acetilmurânico) Deste modo, a fosfomicina bloqueia a síntese de peptidoglicano numa fase inicial, fragilizando a parede celular das bactérias em crescimento que ficam osmoticamente susceptíveis e lisam.

Fig. 18.3- Local de acção da fosfomicina na biossíntese do peptidoglicano (na fase citoplasmática). UDP - Uridina difosfato; NAG- N-acetil-glucosamina NAM- N-acetil-Murâmico

b) Antibióticos que actuam na fase membranar •

Bacitracina

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Fig. 18.4- Estrutura química da bacitracina Antibiótico polipeptidico que impede a desfosforilação do pirofosfato lipidico pelas fosfatases da membrana citoplasmática bacteriana, bloqueando, deste modo, a biossíntese do peptidoglicano.

Fig. 18.5- Local de acção da bacitracina

c) Antibióticos que actuam na fase parietal •

β- lactaminas

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Fig.18.6- Estrutura química dos β-lactâmicos Todas as moléculas deste grupo têm um anel β-lactâmico, indispensável á acção antibacteriana. A biossíntese do peptidoglicano na fase parietal requer a quebra de ligações covalentes no peptidoglicano, para permitir a inserção dos novos constituintes recém sintetizados. Para crescer e se dividir, a célula bacteriana necessita de enzimas autoliticas (localizadas no folheto externo da membrana celular) e enzimas com funções biossintéticas (glicotransferases, transpeptidases e carboxipeptidases). Estas funcionam como alvos dos β-lactâmicos e por isso são PLPs (ou PBPs- pencillin binding proteins). Os β-lactâmicos acilam os PBPs e estes ficam sem actividade fisiológica. Logo, os βlactâmicos param a síntese do peptidoglicano, mas exacerbam a actividade das autolisinas bacterianas, ocorrendo a morte e a lise da célula. Os β-lactâmicos impedem portanto, a transpeptidação na biossíntese do peptidoglicano.

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Fig. 18.7- Representação da fase terminal da biossíntese do peptidoglicano. A transpeptidação é impedida pelos antibióticos β-lactâmicos que actuam nos locais indicados pelas setas. Os β-lactâmicos têm de atravessar parede celular bacteriana para acilar as PBPs. Daí resulta a lise celular, dado o assincronismo entre a biossíntese do peptidoglicano e a actividade auto-lítica bacteriana.

Fig.18.8-Representação esquemática da passagem dos antibióticos β-lactâmicos pela parede celular até ao seu alvo- as PBPs. Os antibióticos β-lactâmicos só actuam em bactérias com parede celular em crescimento, logo não têm qualquer actividade contra bactérias sem parede celular como é o caso dos mycoplasmas. Assim, podemos afirmar que os mycoplasmas são naturalmente resistentes aos antibióticos β-lactâmicos. 2) Antibióticos anti-membranares ou activos sobre os envelopes

membranários A semi-permeabilidade é uma das características da membrana celular bacteriana. Esta característica faz com que seja possível, por exemplo, que a concentração de K+ intracelular seja superior á do meio ambiente. A agressão da membrana célula provoca, portanto, o efluxo de K+, de aminoácidos e nucleótidos, sendo incompatível com a vida da célula. •

Polimixina B (colistina)

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Fig. 18.9- Estrutura química da colistina São polipéptideos, comportando-se como moléculas poli-catiónicas e anfipáticas. Fixam-se nos fosfolipidos da membrana modificando a sua conformação e tornando-a permeável. Provocam o efluxo de moléculas e iões da célula bacteriana. São bactericidas.

Fig.18.10- Local de acção das polimixinas.

É eficaz contra as bactérias Gram negativas, porque têm uma membrana externa lipidica onde se fixa. A polimixina sendo híbrida entre partes hidrofóbicas e hidrofilicas entra dentro das membranas e desregula a sua permeabilidade selectiva.

3) Antibióticos inibidores da síntese proteica

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Todos os antibióticos deste grupo vão actuar nos ribossomas. Os seus alvos podem estar: a) na sub-unidade 30s do ribossoma ou b) na sub-unidade 50s

a) Antibióticos cujos alvos estão na sub-unidade 30s: •

Aminosidos ou aminoglicosidos

Associam-se ao seu alvo na sub-unidade 30s do ribossoma, provocando uma leitura errada da mensagem codificada do mRNA. As proteínas erradas intercalam na membrana citoplasmática bacteriana, modificando a sua permeabilidade. Ocorre, então, um efluxo de moléculas e iões. São antibióticos bactericidas. •

Tetraciclinas

Inibem primariamente a síntese proteica bacteriana ao actuarem ao nível da subunidade 30s (proteína S4 e S18). Impedem a ligação dos aminoacil-tRNAs aos ribossomas, impedindo estericamente a ligação codão-anticodão. Bloqueiam, deste modo, a síntese proteica. Para atingirem os seus alvos ribossomais, estes antibióticos utilizam canais de porina para atravessar a membrana externa das bactérias gramnegativas. São antibióticos bacteriostáticos.

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Fig. 18.11- Representação esquemática da acção da tetraciclina, impedindo a ligação codão-anticodão.

b) Antibióticos cujos alvos estão na sub-unidade 50s: •

Cloranfenicol

Ligando-se à sub-unidade 50s, interfere com a transpeptidade impedindo a transpeptidação. Impede, portanto, a incorporação de aminoácidos á cadeia peptidica em formação (inibição da enlogação). É bacteriostático. •

Grupo MLS (Macrólidos, Lincosamidas, Sinergistinas)

Devido á lipofilia destas moléculas, não se difundem bem através dos canais de porina das bactérias gram negativas aeróbias. Contudo, atravessam a membrana celular por difusão passiva. São inibidores da síntese proteica actuando ao nível da sub-unidade 50s dos ribossomas e bloqueiam o local P, impedindo a translocação. São bacteriostáticos •

Ácido fusídico

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Associa-se ao factor EF-G (indispensável à translocação), inibindo a sua acção GTPase e não directamente á sub-unidade 50s. É um antibiótico bactericida. •

Pristimicina

Fixa-se sobre a sub-unidade 50s do ribossoma, interferindo com a elongação da cadeia peptídica ou provoca uma mudança conformacional permanente. Pode ainda inibir a formação das ligações peptídicas. É bacteriostático.

4) Antibióticos inibidores da síntese dos ácidos nucleicos

•

Rifamicinas (rifampicina) Ligam-se à sub-unidade β’ da RNA polimerase ADN dependente, impedindo a

transcrição, logo a sintese do mRNA. Com a paragem da síntese proteica, há paragem da síntese do DNA. É bactericida. •

Nitroimidazóis Em anaerobiose, são reduzidos a compostos activos. Estes compostos formam um

complexo com uma cadeia de ADN provocando cortes. Se adicionarmos nitratos ao meio, vão usa-los, havendo formação dos nitritos •

Quinolonas Imobilizam as DNA girases e as topoisomerases bacterianas, responsáveis pelo

superenrolamento negativo da molécula do DNA. Nestas circunstâncias, não ocorre a separação das cadeias de DNA, não havendo transcrição nem síntese proteica. Resumindo, a inibição da DNA girase e da topoisomerase IV pelas quinolonas provoca: 19

•

Diminuição dos superenrolamentos negativos

•

Impossibilidade de desencadeamento de DNA circular

•

Alterações no DNA

•

Inibição da síntese de DNA

•

Inibição da síntese de RNA e proteínas

•

Morte celular rápida

Logo, são bactericidas.

Fig 18.12 – Célula de controlo de E.coli (á esquerda) e após, 10 e 15 segundos de contacto com quinolonas, respectivamente. Observa-se a lise das células de E.coli. •

Trimetoprime e sulfamidas Não actuam directamente no DNA, mas agem sobre a síntese do ácido fólico e folatos

que são co-factores dos ácidos nucleicos, vão ser referidos na seguinte categoria.

5) Antibióticos anti-metabolitos ou inibidores da síntese dos folatos

O ácido para-aminobenzoico (PABA) é um factor indispensável para o crescimento celular, pois sem ele não há síntese dos ácidos nucleicos.

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Todas as moléculas que inibam esta cadeia metabólica, como as sulfamidas, sulfonas, PAS e trimetoprime (2-4-diaminopiridinas) são conhecidas como anti-metabolitos ou inibidores da síntese dos folatos. Estas moléculas, inibem a cadeia metabólica, competitivamente, pois têm mais afinidade para as enzimas do que os seus substratos naturais. As sulfamidas, PAS e sulfonas competem com o PABA bloqueando a síntese de ácido dihidropteroico. A enzima dihidropteroato sintetase tem mais afinidade para as sulfonamidas do que para o seu substrato natural (PABA). Assim, competem com o PABA impedindo a sua adição á pteridina. O trimetoprime, um anti-metabolito, inibe competitivamente o dihidrofolato redutase, a enzima que reduz o dihidrofolato a tetrahidrofolato (co-factor folato, indispensável à síntese de purinas e N-formometionina). Inibem, portanto, a síntese de DNA, RNA e a síntese proteica. São bacteriostáticos.

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Fig. 18.13 – Representação esquemática da inibição da cadeia metabólica por antimetabolitos.

Bibliografia usada para a aula 18: •

Antibióticos Anti-bacterianos, João Carlos de Sousa, Publicações Farmácia Portuguesa, Associação Nacional de Farmácias – 1ª Edição, Cap. 1, 2, 4, 5, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 16, 17 e 18

(Livro recomendado pelo professor que deu a respectiva aula teórica) •

Prescott, Harley, and Klein’s MICROBIOLOGY, de Joanne M. Willey, Linda M. Sherwood e Christopher J. Woolverton, Edição Internacional – 5ª edição, McGrawHill, Cap. 35

•

Slides da aula teórica e os respectivos apontamentos.

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