Mecanismos de patoxenicidade bacteriana

VICERREITORÍA DE EXTENSIÓN UNIVERSITARIA, CULTURA E SOCIEDADE Unha colección orientada a editar materiais docentes de calidade e pensada para apoiar o traballo de profesores e alumnos de todas as materias e titulacións da universidade Grao en Bioloxía Microbioloxía Clínica Ángeles Muñoz Crego, Ysabel Santos Rodríguez, Rafael Seoane Prado Departamento Microbioloxía e Parasitoloxía Facultade de Bioloxía 1 Mecanismos de Patoxenicidade Bacteriana Mecanismos de Patoxenicidade Bacteriana 1 Ángeles Muñoz Crego, Ysabel Santos Rodríguez, Rafael Seoane Prado Departamento Microbioloxía e Parasitoloxía Facultade de Bioloxía ADVERTENCIA LEGAL: reservados todos os dereitos. Queda prohibida a duplicacion, total ou parcial desta obra, en calquera forma ou por calquera medio (electrónico, mecánico, gravación, fotocopia ou outros) sen consentimento expreso por escrito dos editores. © Universidade de Santiago de Compostela, 2010 Deseño Unidixital Edita Vicerreitoría de Extensión Universitaria, Cultura e Sociedade da Universidade de Santiago de Compostela Servizo de Publicacións da Universidade de Santiago de Compostela Imprime Unidixital Servizo de Edición Dixital da Universidade de Santiago de Compostela Dep. Legal: C 3975-2010 ISBN 978-84-9887-538-6 UNIDADE DIDÁCTICA I: Mecanismos de patoxenicidade bacteriana - 3 MATERIA: Microbioloxía Clínica TITULACIÓN: Grao en Bioloxía PROGRAMA XERAL DO CURSO Localización da presente unidade didáctica: BLOQUE I. INTERACCIÓNS MICROORGANISMO-HOSPEDEIRO Unidade Didáctica I: Mecanismos de patoxenicidade bacteriana. Unidade Didáctica II: Mecanismos de defensa do hospedeiro. Unidade Didáctica III: Control de microorganismos por axentes físicos e químicos. Unidade Didáctica IV: Antibióticos e outros axentes quimioterápicos. Unidade Didáctica V: Principais grupos de antibióticos. Unidade Didáctica VI: Epidemioloxía das enfermidades infecciosas. Unidade Didáctica VII: Infeccións nosocomiais. BLOQUE II. DIAGNÓSTICO MICROBIOLÓXICO Unidade Didáctica VIII: Principios de diagnóstico en Microbioloxía Clínica. Unidade Didáctica IX: Estudo microbiolóxico de urina e feces. Unidade Didáctica X: Estudo microbiolóxico de farinxe e nasofarinxe. Unidade Didáctica XI: Estudo microbiolóxico do esputo. Unidade Didáctica XII: Estudo microbiolóxico do exudado ótico e conxuntival. Unidade Didáctica XIII: Estudo microbiolóxico de exudados uretral e vaxinal. Unidade Didáctica XIV: Estudo microbiolóxico do sangue e líquido cefalorraquídeo. BLOQUE III. MICROORGANISMOS E ENFERMIDADES HUMANOS Unidade Didáctica XV: Enfermidades bacterianas da pel e dos ollos. Unidade Didáctica XVI: Enfermidades bacterianas do sistema nervioso. Unidade Didáctica XVII: Enfermidades bacterianas do sistema cardiovascular. Unidade Didáctica XVIII: Enfermidades bacterianas do sistema respiratorio. Unidade Didáctica XIX: Enfermidades bacterianas do sistema dixestivo. Unidade Didáctica XX: Enfermidades bacterianas do sistema xenitourinario. UNIDADE DIDÁCTICA I: Mecanismos de patoxenicidade bacteriana - 5 ÍNDICE Presentación 7 Xustificación 7 Obxectivos 8 Metoloxía 8 Contidos 9 1.Relación entre hospedeiro e parasito 9 2.Definición de reservorio 10 3.Transporte da bacteria patóxena ata o hospedeiro 11 4.Etapas da colonización bacteriana 11 4.1. Colonización 11 4.1.1. Mucosas 11 4.1.2. Pel 12 4.1.3. Vía parenteral 12 4.1.4. Vía preferente de entrada 12 4.2. Penetración nos tecidos 14 4.3. Multiplicación nos tecidos 15 4.4. Capacidade lesional 16 4.4.1. Cápsulas 16 4.4.2. Compoñentes de parede celular 17 4.4.3. Enzimas 17 4.4.4. Toxinas 18 4.4.4.1. Exotoxinas 20 4.4.4.2. Endotoxinas 24 5.Evasión das defensas do hospedeiro 25 5.1. Evasión do sistema complemento 25 5.2. Resistencia á fagocitose 25 5.3. Supervivencia dentro das células do hospedeiro 25 6.Abandonando o hospedeiro 26 7.Natureza clonal das bacterias patóxenas 26 8.Regulación dos factores de virulencia bacterianos 26 9.Illas de patoxenicidade 27 Avaliación 29 Ideas clave da Unidade Didáctica 29 Cuestionario para o repaso 30 Bibliografía 31 UNIDADE DIDÁCTICA I: Mecanismos de patoxenicidade bacteriana - 7 PRESENTACIÓN Actualmente, a materia Microbioloxía Clínica impártese no primeiro cuadrimestre do cuarto curso da Licenciatura en Bioloxía e, logo da implantación completa do EEES, pasará a ser unha materia optativa do último curso do Grao. Está, por tanto, dirixida aos alumnos de 4º Curso, que xa posúen coñecementos previos de Microbioloxía Xeral. Por iso, os alumnos xa saben que a biosfera terrestre contén infinidade de microorganismos de tipos moi diversos, a maior parte dos cales é descoñecida para o home. A algúns coñecémolos polas súas actividades na natureza, como os microorganismos do ciclo do nitróxeno, que contribúen á fertilización do chan e outros que provocan a dexeneración e mineralización da materia orgánica. Existen outros que son importantes polas súas propiedades beneficiosas na produción, conservación e mellora de alimentos e bebidas, como o queixo, o viño ou a cervexa; na síntese de disolventes orgánicos e antibióticos e na degradación dos residuos orgánicos. E existen tamén, aqueles capaces de producir enfermidades, tanto humanas como animais, que serán o obxecto de estudo desta materia. A presente Unidade Didáctica é a primeira do programa da materia, encadrada no Bloque I, que abarca os aspectos fundamentais das Interaccións Microorganismo-Hospedeiro, e debe establecer os fundamentos básicos da patoxenicidade bacteriana necesarios para a comprensión do resto dos contidos da materia. A súa duración estímase en 2 horas de docencia expositiva. XUSTIFICACIÓN Entre as competencias que deben alcanzar os alumnos de Bioloxía inclúese que coñezan as principais enfermidades de etioloxía microbiana que afectan ao ser humano e comprendan as súas causas. Só unha pequena parte dos microorganismos que se coñecen son capaces de establecer relacións hospedeiro-parasito estreitas e, normalmente, inocuas co ser humano. Destes, só uns poucos poden provocar enfermidades no home e nos animais, normalmente logo de invadir e lesionar ao hospedeiro. Esta idea foi moi ben recollida por Lewis Thomas, quen dixo que «A patoxenicidade non é a regra. De feito, prodúcese con tan pouca frecuencia e concirne a un grupo tan reducido de especies, tendo en conta a enorme poboación bacteriana que ten a Terra, que resulta insólita. A enfermidade adoita desenvolverse como consecuencia de “negociacións” pouco concluíntes para o establecemento dunha relación simbiótica, un paso máis aló da fronteira entre simbiose e parasitismo, dado por un ou outro organismo; en definitiva, unha interpretación biolóxica errónea das barreiras naturais». Ademais, os fundamentos microbiolóxicos da patoxenicidade serán cruciais para os estudantes de Bioloxía con interese no campo da saúde, completando esta orientación con outras materias como Parasitoloxía, Viroloxía e Bioquímica Clínica. 14 - UNIDADE DIDÁCTICA I: Mecanismos de patoxenicidade bacteriana Táboa 1. Factores de adhesión Factor de adhesión Descrición Ácidos teicoicos e lipoteicoicos Compoñentes da parede celular de Gram (+). Capa S Capa máis externa de estrutura regular das envolturas celulares dalgunhas arqueobacterias e eubacterias, que poden promover a adhesión a superficie. Exopolisacárido (Slime) Capa de exopolisacárido bacteriano que é menos compacto ca cápsula. Fimbrias Estruturas filamentosas que permiten a fixación a outras bacterias ou a superficies sólidas. Glicocálix ou cápsula Capa de fibras de exopolisacáridos cunha marxe definida, que rodea a moitas células; inhibe a fagocitose e facilita a adhesión. Pili Estruturas filamentosas que unen aos procariotas durante a transferencia de material xenético. 4.2. Penetración nos tecidos A entrada nas células e tecidos hospedeiros é unha estratexia especializada que empregan moitas bacterias para sobrevivir e multiplicarse. Moitas bacterias carecen de capacidade de penetración, é dicir, non precisan atravesar o epitelio para expresar a súa acción patóxena. Algunhas bacterias poden multiplicarse na superficie do epitelio e producir unha exotoxina soluble que, absorbida pola mucosa, causa a enfermidade, que pode ter un efecto local (Vibrio cholerae) ou xeral (Corynebacterium diphtheriae). Outros patóxenos a miúdo penetran no epitelio do hospedeiro, logo de fixarse á superficie epitelial, por mecanismos pasivos non relacionados coa propia bacteria: pequenas gretas, lesións ou úlceras que permitan a entrada inicial; feridas, abrasións ou queimaduras na superficie da pel; vectores artrópodos que causan feridas mentres se alimentan do sangue do hospedeiro. Unha vez dentro da membrana mucosa, a bacteria patóxena pode penetrar tecidos máis profundos e continuar diseminándose polo corpo do hospedeiro grazas á produción de enzimas que actúan como factores de virulencia que facilitan a súa expansión. UNIDADE DIDÁCTICA I: Mecanismos de patoxenicidade bacteriana - 15 Táboa 2. Vía de entrada dalgunhas bacterias V ía de entrada A xente etiolóxico Enfermidade Período incubación Tracto respiratorio Corynebacterium diphtheriae Difteria 2-5 días Neisseria meningitidis Meninxite 1-7 días Streptococcus pneumoniae Neumonía neumocócica Variable Mycobacterium tuberculosis Tuberculose Variable Bordetella pertussis Tose ferina 10-20 días T.gastrointestinal Shigella spp. Disentería bacilar (shixelose) 1-2 días Vibrio cholera Cólera 1-3 días Salmonella spp. Salmonelose 7-22 h Salmonella typhi Febre tifoidea 5-14 días Salmonella paratyphi Febre paratifoidea 7-24 días T.xenitourinario Neisseria gonorrhoeae Gonorrea 3-8 días Treponema pallidum Sífilis 9-90 días Pel ou ruta parenteral Clostridium perfringens Gangrena gaseosa 1-5 días Clostridium tetani Tétano 3-21 días Leptospira interrogans Leptospirose 2-20 días 4.3. Multiplicación nos tecidos Unha vez que as bacterias atravesaron a barreira epitelial, han de multiplicarse e establecerse nos tecidos para alcanzar o número crítico que lles permita iniciar a infección, invadir o organismo e desenvolver a súa acción patóxena. Para iso, deben obter do organismo todos os elementos nutritivos necesarios para o seu crecemento e reprodución (nutrientes, pH, temperatura, potencial rédox). As zonas do corpo que ofrezan as mellores condicións albergarán o axente patóxeno; moitos son intracelulares e chegaron a desenvolver mecanismos moi sofisticados de captación de nutrientes das células hospedeiras. Se só uns poucos microbios penetran no organismo é probable que sexan facilmente controlados polas defensas do hospedeiro. Pola contra, se un gran número de microbios consegue entrar é entón probable que se desenvolva a enfermidade. Así a probabilidade de sufrir unha enfermidade aumenta co número de patóxenos. A virulencia dun microbio, ou a potencia das súas toxinas, exprésase a miúdo como LD50 (dose letal), o número de microbios que producen a morte o 50% dos animais de experimentación inoculados en condicións normalizadas. A dose necesaria para producir unha infección demostrable no 50% dos animais chámase ID50 (dose infecciosa). 16 - UNIDADE DIDÁCTICA I: Mecanismos de patoxenicidade bacteriana 4.4. Capacidade lesional As alteracións celulares e tisulares provocadas polas bacterias patóxenas poden ser producidas por acción directa, mediante a produción de toxinas, ou por acción indirecta, como consecuencia dun proceso inflamatorio ou inmunolóxico. Aínda que algúns patóxenos poden danar a superficie dos tecidos, a maioría deles deben penetrar nos tecidos para causar enfermidade. Consideraremos a continuación varios factores que contribúen á capacidade dos microorganismos para invadir e danar ao hospedeiro. 4.4.1. Cápsulas Algunhas bacterias posúen un glicocálix que forma unha cápsula ao redor da súa parede celular (Figura 1); esta propiedade incrementa a virulencia desas especies. As cápsulas facilitan a resistencia ás defensas do hospedeiro ao impedir a fagocitose, un proceso polo que certas células do corpo engloban e destrúen microbios. A composición química da cápsula dificulta que a célula fagocitaria adhírase á bacteria. Con todo, o corpo humano é capaz de producir anticorpos contra a cápsula e cando estes se unen a ela, as bacterias capsuladas son facilmente destruídas por fagocitose. Unha bacteria que debe a súa virulencia á presenza dunha cápsula de polisacárido é Streptococcus pneumoniae, o axente causal da pneumonía. Algunhas cepas deste microorganismo posúen cápsula e outras non. As cepas capsuladas son virulentas mentres que as que non a posúen son avirulentas porque son susceptibles á fagocitose. Outras bacterias que producen unha cápsula implicada na súa virulencia son Klebsiella pneumoniae, un dos axentes causais da pneumonía bacteriana; Haemophilus influenzae, causante de pneumonía e meninxite en nenos; Bacillus anthracis, que produce o carbunco. Hai que subliñar, con todo, que as cápsulas non son o único atributo de virulencia. Figura 1. Cápsula bacteriana. Microscopia electrónica dun corte fino das células dunha cepa capsulada de Klebsiella aerogenes (23.000x). A cápsula aparece como unha grosa capa gris por fóra da parede celular, máis escura. As cápsulas xogan un papel importante na resistencia dalgunhas bacterias patóxenas. UNIDADE DIDÁCTICA I: Mecanismos de patoxenicidade bacteriana - 17 Moitas bacterias non patóxenas producen cápsula e a virulencia dalgúns patóxenos non está relacionada coa presenza de cápsula. 4.4.2. Compoñentes da parede celular A parede celular de certas bacterias conteñen sustancias químicas que contribúen á súa virulencia. Por exemplo, Streptococcus pyogenes contén unha proteína resistente á calor e a ácidos, chamada proteína M. Esta proteína atópase tanto sobre as fimbrias como na superficie celular e facilita a adhesión de S. pyogenes ás células epiteliares do hospedeiro e axúdalle a resistir a fagocitose polos leucocitos. A proteína M, xa que logo, incrementa a virulencia do microorganismo. A inmunidade fronte a S. pyogenes depende da produción por parte do hospedeiro de anticorpos específicos para a proteína M. Os ácidos micólicos que forman parte da parede celular de Mycobacterium tuberculosis tamén aumentan a súa virulencia ao conferirlle resistencia á fagocitose. De feito M. tuberculosis pode ata multiplicarse no interior dos fagocitos. 4.4.3. Enzimas A virulencia dalgunhas bacterias parece verse incrementada pola produción de enzimas extracelulares (exoenzimas) e outras sustancias relacionadas. Estes produtos teñen, entre outras propiedades, a capacidade de destruír células, disolver materiais intercelulares e provocar a formación ou disolución de coágulos sanguíneos. Outras sustancias producidas por algunhas bacterias, as leucocidinas, teñen a capacidade de destruír neutrófilos, un tipo de glóbulos brancos (leucocitos) que son moi activos na fagocitose. As leucocidinas actúan tamén contra os macrófagos, células fagocitarias presentes nos tecidos. Entre as bacterias que secretan leucocidinas atópanse os estafilococos e os estreptococos. As leucocidinas producidas por estreptococos producen degradación dos lisosomas dos leucocitos e, xa que logo, causan a morte dos glóbulos brancos. Os enzimas hidrolíticos liberados dos lisosomas leucocitarios poden danar outras estruturas celulares e así aumentar as lesións producidas polos estreptococos. Esta destrución dos glóbulos brancos do sangue diminúe a capacidade de resistencia do hospedeiro. As hemolisinas son outro grupo de enzimas producidos por bacterias que poderían contribuír á súa virulencia. As hemolisinas provocan a lise dos glóbulos vermellos. As bacterias producen diversas hemolisinas que se diferencian pola clase de glóbulos vermellos que lisan (humanos, de cordeiro, de coello, etc.) e o tipo de lise que provocan. Importantes produtores de hemolisinas son os estafilococos, estreptococos e Clostridium perfringens, o axente etiolóxico máis común da gangrena gasosa. As coagulasas son enzimas bacterianos que coagulan o fibrinóxeno do sangue. O fibrinóxeno, unha proteína plasmática producida polo fígado, é convertida pola coagulasa en fibrina, as fibras que forman o armazón do coágulo sanguíneo. O coágulo de fibrina provocado pola 18 - UNIDADE DIDÁCTICA I: Mecanismos de patoxenicidade bacteriana coagulasa pode protexer ás bacterias da fagocitose e illalas doutras defensas do hospedeiro. A coagulasa é producida por algúns membros do xénero Staphylococcus e podería estar involucrada nos procesos de enquistamento dos forúnculos producidos por estafilococos. Con todo, algúns estafilococos non produtores de coagulasa son virulentos. A cápsula, e non a coagulasa, pode ser o factor máis importante na virulencia destas bacterias. As quinasas bacterianas son outro grupo de enzimas que poden contribuír á virulencia. Rompendo a fibrina disolven os coágulos formados polo organismo para illar a infección. Unha das quinasas mellor coñecida é a estreptoquinasa (fibrinolisina), producida por estreptococos, como Streptococcus pyogenes. Outra é a estafiloquinasa producida por estafilococos, como Staphylococcus aureus. A estreptoquinasa usouse con éxito para disolver algúns tipos de coágulos sanguíneos, inxectándoa directamente no sangue en casos de ataques cardíacos debidos á obstrución de arterias coronarias. A hialuronidasa é aínda outro enzima segregado por certas bacterias, como os estreptococos, e posiblemente relacionada coa virulencia microbiana. Disolve o ácido hialurónico, un polisacárido que mantén unidas certas células do organismo, en particular as do tecido conectivo. Crese que esta acción disolvente está implicada no ennegrecemento das feridas infectadas e axuda á diseminación do microorganismo dende o punto de infección. A hialuronidasa é producida tamén por algúns clostridios que causan gangrena gasosa. Para uso terapéutico, este enzima pode mesturarse con fármacos para facilitar o seu diseminación a través dos tecidos. A colaxenasa, producida por varias especies de Clostridium, tamén facilita a extensión da gangrena gasosa rompendo o coláxeno, proteína que forma o tecido conectivo dos músculos e outros tecidos e órganos. Outras sustancias bacterianas que se cre contribúen á virulencia son os factores necrotizantes, que causan a morte das células do corpo; os factores hipotermizantes, que diminúen a temperatura corporal; a DNasa e estreptodornasa, que melloran a mobilidade bacteriana ao reducir a viscosidade do pus; a lecitinasa, que destrúe as membranas citoplasmáticas, especialmente a dos glóbulos vermellos, e as proteasas, que degradan proteínas, especialmente do tecido muscular. 4.4.4. Toxinas As toxinas (do latín toxicum, veleno) son sustancias, a miúdo un produto metabólico do microorganismo, que alteran o metabolismo normal da célula con efectos prexudiciais para o hospedeiro. O termo toxemia refírese ao estado causado pola presenza de toxinas no sangue do hospedeiro. As toxinas producidas polas bacterias clasifícanse en: exotoxinas e endotoxinas. UNIDADE DIDÁCTICA I: Mecanismos de patoxenicidade bacteriana - 19 Táboa 3. Características de exotoxinas e endotoxinas Características EXOTOXINAS ENDOTOXINAS Composición química Proteína. Modelo AB. LPS de membrana externa. Lípido A tóxico. Enfermidades Botulismo, difteria, tétano… Infeccións por Gram(-): meningococcemias, sepse… Efecto no hóspede Moi variable entre diferentes toxinas. Similar en todas as endotoxinas. Febre No adoitan inducir febre. Altamente piroxénicas. Características xenéticas Frecuentemente codificadas por xenes extracromosómicos situados en plásmidos. Codificadas por xenes cromosómicos. Estabilidade térmica Termosensibles, inactivación a 60-80ºC. Termoestables. Resposta inmune Altamente antixénicas: as antitoxinas confiren inmunidade ao hóspede. Convertibles en toxoides. Pouco inmunoxénicas. No poden converterse en toxoides. Localización Normalmente, produtos exocelulares. Estruturalmente ligadas a membrana externa da parede celular de Gram negativos. Produción Bacterias Gram (+) Gram (-). Bacterias Gram (-). Toxicidade Altamente tóxicas e fatais en cantidades moi pequenas (<ug). Toxicidade moderada. Parede celular Exotoxina Endotoxinas 20 - UNIDADE DIDÁCTICA I: Mecanismos de patoxenicidade bacteriana 4.4.4.1. Exotoxinas Son proteínas (a miúdo, enzimas) solubles, termolábiles, que a bacteria libera á súa contorna próxima durante o crecemento. Caracterízanse por: —Ser sintetizadas por bacterias que posúen plásmidos ou profagos que transportan os xenes codificadores da exotoxina. —Ser termolábiles, inactivándose entre 60ºC e 80ºC. —Atoparse entre as sustancias máis letais coñecidas (son tóxicas en doses moi pequenas de μg/kg peso corporal). Por exemplo, 1 mg da toxina botulínica é suficiente para matar un millón de cobaias. —Asociarse a enfermidades concretas e posuír mecanismos de acción específicos. —Ser moi inmunóxenas e estimular a produción de anticorpos neutralizantes. O organismo do hospedeiro produce anticorpos, chamados antitoxinas, que lles confiren inmunidade fronte ás exotoxinas. Cando estas se inactivan pola calor, formaldehido, iodo ou outras sustancias químicas, xa non causan enfermidade pero aínda son capaces de estimular a produción de antitoxinas. Estas exotoxinas alteradas chámanse toxoides. Cando os toxoides se inxectan no corpo estimulan a produción de antitoxinas e así pódese conseguir inmunidade fronte á enfermidade correspondente. A difteria e o tétano son enfermidades comúns que poden previrse vacinando con toxoides. —Ser incapaces de inducir directamente febre no hospedeiro. —A miúdo, reciben o nome da enfermidade que producen (ex. Toxina diftérica). Estruturalmente, a maioría das exotoxinas adáptanse a un modelo AB. Componse dunha subunidade ou fragmento encimático A que é responsable do efecto tóxico unha vez dentro da célula hospedeiro; e dunha subunidade ou fragmento B, de unión. As subunidades A illadas son enzimaticamente activas e carecen de capacidade de unión e entrada á célula, mentres que as subunidades B illadas únense ás células diana, pero non son tóxicas nin bioloxicamente activas. A subunidade B interacciona con receptores específicos na célula ou tecido diana, como os gangliósidos GM1 para a toxina do cólera, GT1 e/ou GD1 para a toxina do tétanos e GD1 para a toxina botulínica. (http://www.dgepi.salud.gob.mx/infoepi/manuales/Man1-Colera/Img-man1/Image40.gif) Propuxéronse varios mecanismos para explicar a entrada das subunidades A nas células diana. Segundo un deles, a subunidade B introdúcese na membrana plasmática e crea un poro polo que penetra a subunidade A. Segundo outro mecanismo, a entrada é por endocitose mediada por un receptor. O modelo de mecanismo de acción dunha toxina AB é a toxina diftérica. Esta toxina é unha proteína cun peso molecular de case 62.000 daltons. Únese aos receptores da superficie celular polo fragmento B e pasa ao interior da célula grazas á formación dunha vesícula cuberta de clatrina. UNIDADE DIDÁCTICA I: Mecanismos de patoxenicidade bacteriana - 21 A continuación, a toxina atravesa a membrana da vesícula e escíndese en dous partes, unha das cales, o fragmento A, escapa ao citoplasma. Este fragmento é un enzima que cataliza a adición dun grupo ADP-ribosa ao factor de elongación eucariótico EF2, que facilita a translocación durante a síntese de proteínas. O substrato desta reacción é o coenzima NAD+ . NAD+ + EF2 ADP-ribosil-EF2 + nicotinamida A proteína EF2 modificada non pode participar no ciclo de elongación da síntese de proteínas e a célula morre porque xa non pode sintetizar proteínas. Dise que a maioría das exotoxinas son ecoloxicamente significativas, é dicir, adoitan afectar a un sitio específico no hospedeiro. As exotoxinas agrúpanse en tres clases principais atendendo ao seu mecanismo de acción: (1) citotoxinas, que matan ás células do hospedeiro ou alteran as súas funcións; (2) neurotoxinas, que interfiren coa transmisión normal dos impulsos nerviosos e (3) enterotoxinas, que afectan ás células que revisten o tracto gastrointestinal. Estas teñen un efecto directo sobre a mucosa intestinal e provocan unha secreción líquida abundante. A enterotoxina clásica, o coleráxeno (Vibrio cholerae) é tamén unha toxina AB, cuxa subunidade B está formada por 5 péptidos dispostos en forma de anel ao redor da subunidade A. O fragmento B fíxase directamente á membrana plasmática da célula epitelial e logo insírese a subunidade A, máis pequena, na célula. A subunidade A activa a adenilato ciclasa tisular, aumentando as concentracións de AMP cíclico intestinal, o cal provoca a saída de grandes concentracións de auga e electrólitos das células intestinais cara á luz intestinal. Os xenes que determinan esta enterotoxigenicidade residen no propio cromosoma bacteriano. Os mecanismos de lesión no hospedeiro por acción das exotoxinas, poden resumirse en tres: —Trátase de exotoxinas producidas por bacterias que crecen sobre os alimentos. Cando o alimento é consumido, tamén se consome a exotoxina preformada. O exemplo clásico é Staphylococcus aureus produtor de enterotoxinas. —As bacterias poden colonizar unha superficie mucosa pero carecen de poder invasor. A toxina produce un efecto local (exemplo, toxina colérica) ou pode entrar no torrente sanguíneo e distribúese a sitios distantes onde pode causar enfermidade (exemplo, toxina diftérica). —No caso de bacterias que colonizan feridas ou abscesos, a exotoxina causa dano local do tecido ou destrúe os fagocitos que entran na área infectada. Unha enfermidade deste tipo é a gangrena gasosa producida por Clostridium perfringens. Vexamos algunhas das toxinas de maior interese: Toxina botulínica. A toxina botulínica, producida por Clostidium botulinum, non é unha exotoxina típica xa que se almacena na célula e non se libera ao medio ata que ten lugar a morte da bacteria. É unha neurotoxina que actúa sobre a unión neuromuscular (a unión entre a célula nerviosa e a muscular) e bloquea a transmisión dos impulsos nerviosos que van dos nervios aos músculos. A toxina actúa uníndose á célula nerviosa e 22 - UNIDADE DIDÁCTICA I: Mecanismos de patoxenicidade bacteriana inhibindo a liberación dun neurotransmisor chamado acetilcolina. Como resultado prodúcese unha parálise con falta de ton muscular (parálise flácida). Clostridium botulinum produce oito tipos distintos de toxina botulínica, cada unha de distinta potencia. Toxina tetánica. Clostridium tetani produce a neurotoxina tetánica coñecida tamén como tetanospasmina. Esta toxina alcanza o sistema nervioso central e únese ás células nerviosas que controlan a contracción de varios músculos esqueléticos. Normalmente estas células nerviosas envían impulsos inhibitorios que impiden as contraccións ao azar e finalizan as contraccións completas. A unión da tetanospasmina bloquea os impulsos nerviosos que inhiben ao músculo esquelético mentres se está contraendo o músculo antagonista. O resultado son contraccións musculares incontroladas que producen as convulsións (contraccións espasmódicas) características do tétano. Enterotoxina colérica. Vibrio cholerae produce unha enterotoxina chamada coleráxeno. Como a toxina diftérica, está formada por dúas polipéptidos, A (activo) e B (de unión). O compoñente B únese á membrana citoplasmática das células epiteliais que revisten o intestino delgado e o compoñente A induce a formación do AMP cíclico a partir de ATP no citoplasma. Como resultado, a célula epitelial líbera grandes cantidades de auga e electrólitos (ións). Altéranse as contraccións normais producíndose unha diarrea grave que pode ir acompañada de vómitos. Algunhas cepas de E. coli producen unha toxina termolábil (chamada así porque é máis sensible á calor que a maioría das toxinas), que ten un mecanismo de acción idéntico ao da toxina colérica. Toxinas eritroxénicas. Streptococcus pyogenes posúe os xenes necesarios para sintetizar tres tipos de citotoxinas, que se designan A, B e C. Estas toxinas eritroxénicas lesionan os capilares sanguíneos que hai baixo a pel producindo un exantema cutáneo. A escarlatina, causada por S. pyogenes, debe o seu nome a este exantema vermello característico. Enterotoxinas estafilocócicas. Staphylococcus aureus produce unha enterotoxina que afecta ao intestino cos mesmos resultados ca a toxina colérica. Algunhas cepas de S. aureus tamén producen unha exotoxina que causa os síntomas da síndrome do choque tóxico. UNIDADE DIDÁCTICA I: Mecanismos de patoxenicidade bacteriana - 23 Táboa 4. Enfermidades producidas por exotoxinas Enfermidade Bacteria Mecanismo Botulismo Clostridium botulinum A neurotoxina impide a transmisión dos impulsos nerviosos; orixina parálise flácida. Tétano Clostridium tetani A neurotoxina impide a transmisión dos impulsos nerviosos que permiten a relaxación do músculo esquelético cando se contrae seu antagonista. Gangrena gasosa e intoxicación alimentaria Clostridium perfringens e outras especies de Clostridium Unha exotoxina (citotoxina) causa a destrución masiva dos glóbulos vermellos (hemólises); outra exotoxina (enterotoxina) está implicada nas intoxicacións alimentarias e provoca diarrea. Difteria Corynebacterium diphtheriae A súa citotoxina inhibe a síntese de proteínas, especialmente nos nervios, corazón e células dos riles. Síndrome da pel escaldada, intoxicacións alimentarias e síndrome do choque tóxico Staphylococcus aureus Unha exotoxina causa descamación da pel, outra exotoxina (enterotoxina) provoca diarrea e vómitos e unha terceira exotoxina produce síntomas propios da síndrome do choque tóxico. Cólera Vibrio cholerae A toxina provoca forte diarrea. Escarlatina Streptococcus pyogenes A citotoxina causa vasodilatación que dá lugar a un exantema característico. Diarrea do viaxeiro Escherichia coli enterotoxixénico A enterotoxina provoca a secreción excesiva de ións e auga causando diarrea. 30 - UNIDADE DIDÁCTICA I: Mecanismos de patoxenicidade bacteriana  As hemolisinas lisan glóbulos vermellos.  As infeccións locais poden quedar protexidas por coágulos de fibrina causados polo enzima bacteriano denominado coagulasa.  As bacterias poden diseminarse a partir dun foco infeccioso por medio das quinasas (que destrúen coágulos sanguíneos), a hialuronidasa (que destrúe un mucopolisacárido que mantén as células unidas) e a colaxenasa (que hidroliza o coláxeno del tecido conxuntivo).  As células do hospedeiro poden ser destruídas cando os patóxenos levan a cabo o seu metabolismo e multiplícanse no interior delas.  As sustancias velenosas producidas por microorganismos denomínanse toxinas. Denomínase toxemia aos síntomas causados pola presenza de toxinas no sangue.  A capacidade de producir toxinas denominase toxixenicidade.  As exotoxinas son producidas por bacterias e liberadas ao exterior.  As exotoxinas, e no as bacterias, son as produtoras dos síntomas da enfermidade.  Os anticorpos producidos fronte as exotoxinas denomínanse antitoxinas.  Entre as citotoxinas encontrase a toxina diftérica (que inhibe a síntese de proteínas) e as toxinas eritroxénicas (que lesionan os capilares).  Entre as neurotoxinas encóntranse a toxina botulínica (que provoca unha parálise fláccida) e a toxina tetánica (que provoca unha parálise ríxida o espástica).  As enterotoxinas de Vibrio cholerae, Staphylococcus aureus, Salmonella, Shigella… inducen nas células intestinais do hospedeiro a perda de electrólitos.  As endotoxinas son lipopolisacáridos, o lípido A, que forma parte da membrana externa da parede celular das bacterias gram-negativas.  As endotoxinas causan febre (ao inducir a liberación de interleuquina-l) e choque (polo descenso de presión sanguínea inducida pola caquectina). CUESTIONARIO PARA O REPASO 1.Enumerar tres vías de entrada e describir como os microorganismos acceden a través delas. 2.Comparar a patoxenicidade coa virulencia. 3. Que relación teñen as cápsulas e os compoñentes da parede celular ca patoxenicidade? Dar exemplos concretos. 4.Describir como as hemolisinas, leucocidinas, coagulasas, quinasas e hialuronidasas contribúen a patoxenicidade. UNIDADE DIDÁCTICA I: Mecanismos de patoxenicidade bacteriana - 31 5.Describir a estrutura e o funcionamento da toxina diftérica . 6.Definir “illas de patoxenicidade”. BIBLIOGRAFÍA J.A. GARCÍA-RODRÍGUEZ e J.J. Picazo (1996) Microbiología Médica.1.Microbiología Médica General. Mosby/Doyma Libros, S.A. J.A. GARCÍA-RODRÍGUEZ e J.J. PICAZO (1996) Microbiología Médica. 2. Microbiología Clínica. Mosby/Doyma Libros, S.A. L.M. PRESCOTT, J.P. HARLEY e D.A. KLEIN (2002 5ªEd) Microbiología. McGraw-Hill-Interamericana de España, S.A. M.T. MADIGAN, J.M. MARTINKO, P.V. DUNLAP e J.P. BROCK (2004 12ªEd) Biología de los Microorganismos. Pearson Educación, S.A. ISBN: 978-84- 7829-097-0. J.K. STRUTHERS e R.P. WESTRAN (2005) Bacteriología Clínica.. Masson S.A. G. PRATS (2006) Microbiología Clínica. Editorial Panamericana, S.A. R.A. HARVEY, P.C. CHAMPE, B.D. FISHER (2007 2ªEd) Microbiología Wolters Kluwer, Lippincott, Williams & Wilkins. G.J. TORTORA, B.R. FUNKE Y C.L. CASE (2007 9ªEd) Introducción a la Microbiología. Editorial Médica Panamericana. W.J. SPICER (2009) Microbiología Clínica y Enfermedades Infecciosas. Elsevier España, S.L. Recursos en Internet: http://www.iqb.es/historiamedicina/infeccion/h002.htm http://www.bacteriamuseum.org/ http://www.umsl.edu/~microbes/ http://www.microbeworld.org/ http://www.gefor.4t.com/ http://www.microbe.org http://microbiologiaclinica.com http://www.atcc.org http://cdc.gov http://seimc.es http://www.fcv.unl.edu.ar/archivos/grado/catedras/bacteriologia/informacion/ clases/FACTORESVIRULENCIA.ppt VICERREITORÍA DE EXTENSIÓN UNIVERSITARIA, CULTURA E SOCIEDADE Unha colección orientada a editar materiais docentes de calidade e pensada para apoiar o traballo de profesores e alumnos de todas as materias e titulacións da universidade Grao en Bioloxía Microbioloxía Clínica Ángeles Muñoz Crego, Ysabel Santos Rodríguez, Rafael Seoane Prado Departamento Microbioloxía e Parasitoloxía Facultade de Bioloxía 1 Mecanismos de Patoxenicidade Bacteriana