Capítulo 4: Proliferación, supervivencia y muerte de los microorganismos

La población de microorganismos en la biosfera permanece más o menos constante puesto que el crecimiento de los microorganismos es equilibrado, a su vez, por la muerte de los mismos. La supervivencia de cualquier grupo microbiano, en un nicho específico, finalmente depende de la lucha por nutrientes y por la conservación de un depósito de células vivientes, a menudo formado por células hospedadoras y un grupo de microorganismos diversos. Por lo tanto, es fundamental comprender la lucha por los recursos nutritivos en determinado microambiente para comprender el crecimiento, la supervivencia y la evolución de las especies bacterianas (también conocida como fisiología).

Gran parte de nuestros conocimientos de la fisiología microbiana proviene de estudios realizados en cultivos aislados bajo condiciones óptimas en laboratorios (con un exceso de nutrientes); estas observaciones forman la base de esta sección. Por el contrario, la mayor parte de los microorganismos compite en su ambiente natural cuando les falta alimento. Además, es importante reconocer que un nicho microbiano vacío en el ambiente será llenado pronto por otro grupo de bacterias. Es un enigma que las técnicas de salud pública subrayan la eliminación de microorganismos, aún depurando su nicho, y estos espacios pueden ser llenados con otras especies bacterianas. Finalmente, para comprender las interacciones complejas que garantizan la supervivencia de determinada bacteria en una biosfera con gran diversidad microbiológica, es un asunto de eficiencia fisiológica.

El crecimiento es el aumento ordenado en la suma de todos los componentes de un microorganismo. El aumento en el tamaño como resultado de la captación de agua por parte de la célula o el depósito de lípidos o polisacáridos no constituye un desarrollo verdadero. La multiplicación celular es consecuencia del desarrollo; en los organismos unicelulares, el desarrollo provoca incremento en el número de individuos que constituyen una población o cultivo.

Medida de las concentraciones microbianas

Las concentraciones microbianas se miden en términos de concentración celular (número de células viables por volumen unitario de cultivo) o concentración de biomasa (peso seco de las células por volumen unitario de cultivo). Estos dos parámetros no siempre son equivalentes, puesto que el peso seco celular promedio varía durante las distintas etapas en la historia de un cultivo. Tampoco tienen la misma importancia: en los estudios sobre genética microbiana o desactivación celular, la concentración celular es la cantidad significativa; en los estudios sobre bioquímica o nutrición microbiana, la cantidad importante es la concentración de la biomasa.

A. Concentración celular

La concentración de células viables (cuadro 4-1) se considera por lo general la medida de la concentración celular. Para finalidades mayores, la turbidez de un cultivo, que se mide por medios fotoeléctricos, depende de la cuenta viable en forma de curva estándar. Algunas veces es posible hacer un cálculo visual aproximado: por ejemplo, la suspensión ligeramente turbia de Escherichia coli contiene aproximadamente 10⁷ células/ml y una suspensión moderadamente turbia contiene cerca de 10⁸ células/ml. Cuando se utiliza la medida de turbidez es importante recordar que la correlación entre turbidez y cuenta variable varía durante el desarrollo y muerte de un cultivo; las células pierden viabilidad sin que el cultivo pierda turbidez.

B. Densidad de la biomasa

En principio, la biomasa se mide directamente al determinar el peso seco de un cultivo microbiano después de haberlo lavado con agua destilada. En la práctica, este procedimiento es engorroso y el investigador, por costumbre, prepara una curva tradicional que correlaciona al peso seco con la turbidez. Otro método para calcular la concentración de la biomasa de manera indirecta es medir un componente celular importante como las proteínas o el volumen ocupado por las células que se han asentado en una suspensión.

Constante de la tasa de proliferación

La tasa de proliferación de las células sin limitación de nutrientes es de primer orden. La tasa de proliferación (en gramos de biomasa producidos por hora) es el producto de la constante de la tasa de proliferación, k, y la concentración de la biomasa, B:

Al reconfigurar la ecuación (1) se observa que la constante de la tasa de proliferación es la velocidad a la que las células producen más células:

Una constante de la tasa de proliferación de 4.3 h⁻¹, una de las mayores registradas, significa que cada gramo de células produce 4.3 g de células por hora durante este periodo de proliferación. Algunos microorganismos que crecen lentamente tienen una constante de la tasa de proliferación hasta de 0.02 h⁻¹. Con esta constante cada gramo de células en cultivo produce 0.02 g de células por hora.

Al integrar la ecuación (1) se obtiene:

El logaritmo natural es la relación entre B₁ (biomasa en el instante 1 [t₁]) y B₀ (biomasa en el instante cero [t₀]) es igual al producto de la constante de proliferación (k) y la diferencia en el tiempo (t₁ − t₀). La ecuación de proliferación (3) se describe como exponencial, puesto que la biomasa aumenta de manera exponencial con el tiempo. Es posible obtener gráficas lineales de proliferación exponencial trazando el logaritmo de la concentración de la biomasa (B) como función del tiempo (t).

Cálculo de la constante de proliferación y pronóstico de la magnitud del mismo

Muchas bacterias se reproducen por fisión binaria y el periodo necesario para que la población o la biomasa se duplique se conoce como tiempo de generación o tiempo de duplicación (t_d). Por lo general el t_d se establece trazando la magnitud de la proliferación en una escala semilogarítmica como función del tiempo; el tiempo necesario para que la biomasa se duplique es t_d (fig. 4-1). La constante de proliferación se calcula a partir del tiempo de duplicación sustituyendo el valor 2 por B₁/B₀ y t_d por t₁ − t₀ en la ecuación (3), lo que resulta:

Un tiempo rápido de duplicación corresponde a una constante elevada de proliferación. Por ejemplo, el tiempo de duplicación de 10 min (0.17 h) corresponde a una constante de proliferación de 4.1 h⁻¹. El tiempo de duplicación relativamente prolongado de 35 h corresponde a una constante de proliferación de 0.02 h⁻¹.

La constante de proliferación calculada se utiliza para medir la proliferación que ocurrirá durante un periodo específico o bien para calcular el tiempo necesario para una proliferación específica.

La proliferación en un periodo específico se predice con base en la reconfiguración siguiente de la ecuación (3):

Es posible establecer la magnitud de la proliferación que ocurriría si un cultivo con una constante de proliferación de 4.1 h⁻¹ creciera exponencialmente durante 5 h:

En este ejemplo, el incremento de la biomasa es de 10⁻⁹; una sola célula bacteriana con un peso seco de 2 × 10⁻¹³ g originaría 0.2 mg de biomasa, cantidad que poblaría densamente un cultivo de 5 ml. Ciertamente esta tasa de proliferación no se puede prolongar durante un periodo largo. Otras 5 h de proliferación a esta velocidad producirían 200 kg de peso seco de biomasa, o más o menos una tonelada de células.

Otra reconfiguración de la ecuación (3) permite calcular el tiempo necesario para que se lleve a cabo determinada magnitud de proliferación. En la ecuación (7), abajo, N, la concentración celular, es sustituida por B, la concentración de la biomasa, para poder calcular el intervalo necesario para que el número de células aumente de manera específica.

La ecuación (7) permite, por ejemplo, establecer el tiempo necesario para que un microorganismo de desarrollo lento que contenga una constante de proliferación de 0.02 h⁻¹ prolifere a partir de una sola célula hasta formar una suspensión celular ligeramente turbia con una concentración de 10⁷ células por mililitro.

La solución de la ecuación (8) revela que para esta magnitud de proliferación es necesario que transcurran alrededor de 800 h, un poco más de un mes. La supervivencia de los microorganismos de desarrollo lento significa que la carrera en la supervivencia biológica no siempre es rápida; las especies que prosperan son aquellas que compiten de forma satisfactoria por los nutrientes y evitan ser aniquiladas por los depredadores y otros peligros ambientales.

Cuando un volumen fijo de medio líquido es inoculado con células microbianas obtenidas a partir de un cultivo que fue colonizado hasta la saturación y se mide periódicamente el número de células viables por mililitro para obtener una gráfica, por lo general mostrará una curva similar a la de la figura 4-2; las etapas de la curva de proliferación bacteriana que se muestran reflejan los acontecimientos en una población de células, no en cada célula. Este tipo de cultivo se denomina cultivo semicontinuo. La curva típica de proliferación se puede describir en términos de cuatro etapas (cuadro 4-2). El cultivo semicontinuo es un sistema cerrado con recursos finitos; esto es muy distinto al ambiente del hospedador humano.

Etapa latente

La etapa latente es el periodo durante el cual las células, ya sin metabolitos ni enzimas a causa del ambiente poco favorable al final de su historia previa en cultivo, se adaptan a su ambiente nuevo. Se forman y acumulan enzimas y sustancias intermedias hasta que su concentración es tal que permite la reanudación del desarrollo.

Cuando las células se obtienen a partir de un medio completamente distinto, a menudo son genéticamente incapaces de crecer en el medio nuevo. En estos casos, la etapa latente es prolongada y representa el periodo necesario para que unas cuantas mutantes en el inóculo se multipliquen lo suficiente como para generar un aumento neto evidente en el número de células.

Etapa exponencial

Durante la etapa exponencial, las células se encuentran en estado constante. Sintetizan material celular nuevo a una velocidad constante, pero este material nuevo es catalítico y la masa aumenta en forma exponencial. Esto persiste hasta que sucede una de dos cosas: se agota uno o más nutrientes en el medio o bien se acumulan productos metabólicos nocivos que inhiben la proliferación. Para los organismos aerobios, el nutriente que se limita es casi siempre oxígeno. Cuando la concentración de células excede alrededor de 1 × 10⁷ por mililitro (en el caso de las bacterias), la velocidad de proliferación desciende a menos que se introduzca oxígeno por medio de agitación o introduciendo aire en forma de burbujas. Cuando la concentración bacteriana alcanza 4 a 5 × 10⁹ por mililitro, la velocidad de difusión del oxígeno no puede satisfacer la demanda incluso en un medio ventilado, por lo que la tasa de proliferación disminuye de manera gradual.

Etapa estacionaria máxima

Finalmente, el agotamiento de nutrientes o la acumulación de productos nocivos provoca que la proliferación se detenga por completo. Sin embargo, en la mayor parte de los casos, durante esta etapa se lleva a cabo un recambio celular: se pierden lentamente células que mueren pero esto se contrarresta por la formación de células nuevas a través de desarrollo y división. Cuando esto ocurre, la cuenta celular total aumenta lentamente aunque la cuenta viable permanece constante.

Etapa de declinación: etapa de muerte

Después de un tiempo en etapa estacionaria, que varía según el microorganismo y las circunstancias del cultivo, el índice de muerte se eleva hasta alcanzar un nivel estable. Más adelante se describe de manera matemática el nivel estable de la muerte celular. En la mayor parte de los casos, la tasa de muerte celular es mucho más lenta que la de proliferación exponencial. Con frecuencia, una vez que muere la mayor parte de las células, la tasa disminuye en forma espectacular, de manera que persiste un pequeño número de supervivientes durante varios meses o incluso años. Tal persistencia en ocasiones refleja el recambio celular, que corresponde al desarrollo de unas cuantas células a expensas de los nutrientes que son liberados a partir de las células que mueren y sufren lisis.

Se cree que el fenómeno en las células, llamado viable pero no cultivable (VBNC, viable but not culturable), es resultado de una respuesta genética desencadenada en las células que padecen inanición y se encuentran en etapa estacionaria. Así como algunas bacterias forman esporas como mecanismo de supervivencia, otras pasan a un estado latente sin sufrir cambios en su morfología. Una vez que las rodean las circunstancias adecuadas (p. ej., su paso a través de un animal), los microbios viables pero no cultivables vuelven a desarrollarse.

Es posible mantener a las células en etapa exponencial transfiriéndolas en repetidas ocasiones a un medio fresco de una composición idéntica mientras aún se desarrollan en forma exponencial. Esto se denomina cultivo continuo; el tipo de dispositivo más frecuente para el cultivo continuo es el quimiostato. El cultivo continuo es más similar al que se topan los microorganismos en el mundo real (es decir, el cuerpo humano), donde los nutrientes constantemente son sustituidos.

Quimiostato

Este dispositivo está compuesto por un contenedor para cultivo equipado con un rebosadero con sifón y un mecanismo para destilar medio fresco a partir de un reservorio a una velocidad regulada. El medio en el contenedor del cultivo se agita a través de un chorro de aire estéril; cada gota de medio fresco que entra provoca la salida de una gota de cultivo a través del sifón.

El medio se prepara de manera que un nutriente limite la tasa de proliferación. El contenedor es inoculado y las células se desarrollan hasta que el nutriente limitante se agota; luego se permite que el medio fresco del contenedor fluya a una velocidad tal que las células utilicen el nutriente limitante con la misma rapidez con la que se suministra. En tales circunstancias, la concentración celular permanece constante y la tasa de proliferación es directamente proporcional a la velocidad con que fluye el medio.

Biopelículas

Cada vez resulta más claro que muchas infecciones son producidas por bacterias que no crecen en forma individual (o como plancton); por el contrario, éstas existen en comunidades íntimas y complejas que se comunican entre sí mismas. Para nosotros es un hábito lavar diariamente los dientes para eliminar la capa de bacterias que crece mientras dormimos. De la misma manera, las biopelículas se relacionan con infecciones pulmonares de Pseudomonas aeruginosa y con la colonización de Legionella pneumophila en los sistemas de agua de los hospitales, entre muchas otras. Este patrón de crecimiento forma un núcleo en la superficie y enseguida se multiplica o recluta a otras bacterias para formar una colonia.

Cada vez se reconoce más este patrón de crecimiento. La estrategia conceptual de la formación de biopelículas es lógica: 1) al formar capa sobre capa de bacterias, las bacterias iniciales son menos sensibles a la eliminación inmunitaria, y 2) el crecimiento externo protege contra la penetración de antiterapéuticos. La posibilidad de estudiar las biopelículas en el laboratorio in vivo es una ciencia que se encuentra en evolución.

Importancia de la muerte

Para una célula microbiana, la muerte significa la pérdida irreversible de su potencial reproductivo (desarrollo y división). La prueba empírica de la muerte es el cultivo de las células en un medio sólido: una célula se considera muerta cuando no genera una colonia en ningún medio. Evidentemente, la confiabilidad de la prueba depende del medio elegido y las circunstancias: un cultivo en el que 99% de las células parece estar “muerta” en términos de su potencial para formar colonias en un medio, quizá será 100% viable si se coloca en otro medio. Además, en algunos casos no es posible detectar unas cuantas células viables en una muestra clínica grande bañando directamente una muestra, puesto que en ocasiones el líquido mismo inhibe el desarrollo microbiano. En tales casos, la muestra deberá diluirse antes en medio líquido para permitir el desarrollo de las células viables antes de cultivarlas.

Las condiciones de la incubación durante la primera hora después del tratamiento también son fundamentales para establecer la “muerte”. Por ejemplo, si las células bacterianas son radiadas con luz ultravioleta y cultivadas con cualquier medio, aparentemente habrá muerto 99.99%. Pero si estas células radiadas primero son incubadas en un amortiguador adecuado durante 20 min, al cultivarlas se observará la muerte de sólo 10%. En otras palabras, la radiación establece que una célula “morirá” si se cultiva inmediatamente, pero vivirá si se le permite la reparación de la radiación antes de cultivarla. De esta manera, la célula microbiana que no ha sufrido alteraciones físicas está “muerta” sólo en los términos de las condiciones utilizadas para comprobar la viabilidad.

Valoración de la muerte

Al manipular microorganismos, por lo general no se valora la muerte de una sola célula, sino la muerte de una población. Este es un problema estadístico: en cualquier circunstancia que pueda provocar la muerte celular, la probabilidad de que cualquier célula muera es constante por unidad de tiempo. Por ejemplo, si se utiliza alguna condición que provoque la muerte de 90% de las células en los primeros 10 min, la probabilidad de que cualquiera de las células muera en un intervalo de 10 min es de 0.9. Por lo tanto, es de esperarse que 90% de las células que sobrevive morirá en cada intervalo sucesivo de 10 min y se obtendrá una curva de muerte similar a la que se muestra en la figura 4-3.

El número de células que muere en cada intervalo es, por lo tanto, función del número de las supervivientes, de manera que la muerte de una población procede de manera exponencial de acuerdo con la fórmula general:

donde S₀ es el número de supervivientes en el instante cero y S es el número de supervivientes en cualquier instante t posterior. Al igual que en el caso de la proliferación exponencial, −k representa la velocidad de la muerte exponencial cuando se representa en una gráfica la fracción ln (S/S₀) contra el tiempo.

La curva de un solo encuentro que se muestra en la figura 4-3A es típica de la cinética de desactivación que se observa con muchos antimicrobianos. El hecho de que sea una línea recta desde el instante cero (dosis cero), en lugar de mostrar un canto inicial, significa que basta un solo “encuentro” con la sustancia desactivadora para matar a la célula, esto es, para desactivar a toda la célula es necesario dañar a un solo objetivo. Este objetivo puede ser el cromosoma de una bacteria uninucleada o la membrana celular; por el contrario, no puede ser una enzima ni otro componente celular existente en copias múltiples.

La célula que contiene varias copias del objetivo que será desactivado exhibe una curva de encuentros múltiples como la que se muestra en la figura 4-3B. Al extrapolar la porción recta de la curva a las ordenadas es posible calcular el número de objetivos (p. ej., 4 en la figura 4-3B).

Esterilización

En la práctica se habla de “esterilización” como el proceso de aniquilar todos los microorganismos en una preparación. Sin embargo, si se toman en cuenta las consideraciones anteriores, se verá que no existe ningún grupo de circunstancias que garantice la esterilización de una preparación. Por ejemplo, se examina la figura 4-3. A los 60 min queda un microorganismo (10⁰) por mililitro. A los 70 min habría 10⁻¹, a los 80 min 10⁻², etc. Al hablar de 10⁻² microorganismos por mililitro significa que en un volumen total de 100 ml sólo sobrevive un microorganismo. Por lo tanto, ¿cuánto tarda la esterilización del cultivo? Lo que se puede decir es que después de determinado periodo de tratamiento, la probabilidad de que persistan microorganismos viables en 1 ml es la que se observa en la curva de la figura 4-3. Después de 2 h, en el ejemplo anterior, la probabilidad es de 1 × 10⁻⁶. Esto podría considerarse una esterilización segura, pero un lote de 1 000-L aún podría contener un microorganismo viable.

Observe que estos cálculos dependen de que las curvas permanezcan sin cambios en la pendiente a lo largo de todo el tiempo. Por desgracia, es muy frecuente que la curva se incline hacia arriba después de un periodo, puesto que la sensibilidad de la población a la sustancia desactivadora es heterogénea. Es peligroso hacer extrapolaciones, porque se pueden obtener errores como los que surgieron durante las primeras preparaciones de la vacuna estéril contra la polio.

Efecto de la concentración farmacológica

Cuando se utilizan sustancias antimicrobianas (fármacos) para desactivar a las células microbianas, a menudo se observa que la concentración del fármaco utilizado es directamente proporcional al intervalo necesario para aniquilar a determinada fracción de la población por medio de la expresión siguiente:

En esta ecuación, C es la concentración del fármaco, t es el intervalo necesario para aniquilar determinada fracción de células y n y K son constantes.

Dicha expresión dice que, por ejemplo, si n = 6 (como sucede para el fenol), al duplicar la concentración del fármaco disminuye el intervalo necesario para lograr el mismo grado de desactivación 64 veces. El hecho de que la eficacia de un fármaco varíe con una concentración a la sexta potencia indica que se necesiten seis moléculas del fármaco para desactivar a una célula, aunque no existe evidencia química directa para llegar a esta conclusión.

Para establecer el valor de n para cualquier fármaco, se obtienen curvas de desactivación para varias concentraciones y se mide el intervalo necesario para que cada concentración desactive a una fracción fija de la población. Por ejemplo, piénsese que la primera concentración es C₁ y que el intervalo necesario para desactivar a 99% de las células es t₁. De igual forma, considerar que C₂ y t₂ corresponden a la segunda concentración y el intervalo necesario para desactivar a 99% de las células. Con base en la ecuación (10), se observa que:

La fórmula de n es:

Por lo tanto, n se establece midiendo la pendiente de la línea que se forma cuando log t se representa en la gráfica contra log C (figura 4-4). Si n se determina de manera experimental de esta forma, K se puede precisar sustituyendo los valores observados de C, t y n en la ecuación 10.

Definiciones

Los términos siguientes se utilizan a menudo en relación con los antimicrobianos y sus aplicaciones.

A. Biocida

Sustancia química o física, por lo general de amplio espectro, que desactiva microorganismos (cuadro 4-3). Los biocidas químicos incluyen peróxido de hidrógeno, alcoholes, blanqueadores, cicloheximida y fenoles; los biocidas físicos son el calor y las radiaciones. Por lo general los biocidas son de amplio espectro, a diferencia de los antiinfecciosos, que poseen una actividad antimicrobiana menor.

B. Bacteriostático

Término específico que se refiere a la propiedad por medio de la cual un biocida puede inhibir la multiplicación bacteriana; la multiplicación se reanuda una vez que se elimina la sustancia. (Los términos “fungistático” y “esporostático” se refieren a los biocidas que inhiben la proliferación de los hongos y esporas, respectivamente).

C. Bactericida

Término específico que se refiere a la propiedad por medio de la cual un biocida aniquila bacterias. La acción bactericida difiere de la bacteriostática sólo en el sentido de que es irreversible (p. ej., los organismos “aniquilados” ya no se pueden reproducir, aunque se retiren del contacto con la sustancia). En ciertos casos, la sustancia provoca lisis (disolución) de las células; en otros, la célula permanece intacta y en ocasiones incluso con actividad metabólica. (Los términos “fungicida”, “esporicida” y “viricida” se refieren a la propiedad por medio de la cual los biocidas aniquilan hongos, esporas y virus, respectivamente).

D. Esterilización

Técnica utilizada para eliminar los organismos viables de una superficie o producto, incluidas las esporas bacterianas.

E. Desinfectantes

Productos o biocidas utilizados para reducir el número de microorganismos viables o carga biológica, en un producto o superficie hasta obtener una concentración que se considera adecuada para su uso o aplicación ulterior. Los desinfectantes no son necesariamente esporicidas, pero son esporostáticos, o sea, que inhiben la germinación o la proliferación.

F. Séptico

Caracterizado por la presencia de microbios patógenos en tejidos vivos o líquidos asociados.

G. Antiséptico

Biocida o producto que destruye o inhibe el desarrollo de los microorganismos en un tejido vivo (p. ej., la piel) o líquidos biológicos (p. ej., secreciones de mucosa).

H. Aséptico

Libre de microorganismos o utilizando métodos para permanecer sin microorganismos.

I. Preservación

Prevención de la multiplicación de los microorganismos en productos preparados, incluidos fármacos y alimentos.

J. Antibióticos

Son compuestos orgánicos naturales o sintéticos que inhiben o destruyen ciertas bacterias, por lo general a una concentración reducida.

Modos de acción

A. Daño al DNA

Diversas sustancias tanto físicas como químicas actúan dañando al DNA; éstas comprenden las radiaciones ionizantes, luz ultravioleta y sustancias químicas que reaccionan con el DNA. Esta última categoría comprende a las sustancias alquilantes y otros compuestos que reaccionan de manera covalente con las bases purina y pirimidina para formar aductos de DNA o enlaces cruzados entre tiras. Las radiaciones lesionan al DNA de diversas formas: la luz ultravioleta, por ejemplo, induce enlaces cruzados entre pirimidinas adyacentes en alguna de las dos tiras de polinucleótidos, formando dímeros de pirimidina; las radiaciones ionizantes rompen las tiras únicas y dobles. Las lesiones del DNA por radiaciones o sustancias químicas aniquilan a la célula principalmente al interferir con la multiplicación del DNA. Véase el capítulo 7 para una descripción más detallada sobre los sistemas de reparación del DNA.

B. Desnaturalización de proteínas

Las proteínas existen en un estado plegado tridimensional, determinado principalmente por interacciones no covalentes intramoleculares como enlaces iónicos, hidrófobos y de hidrógeno o enlaces convalentes de disulfuro. Este estado se denomina estructura terciaria de la proteína; se desorganiza fácilmente con diversas sustancias físicas (p. ej., calor) o químicas (p. ej., alcohol) y la proteína deja de funcionar. La desorganización de la estructura terciaria de una proteína se denomina desnaturalización.

C. Desorganización de la membrana o pared celular

La membrana celular actúa como barrera selectiva, puesto que permite el paso de algunos solutos y excluye el de otros. Muchos compuestos se transportan de manera activa a través de la membrana, con lo que se concentran dentro de la pared. La membrana también contiene a las enzimas que participan en la biosíntesis de los componentes de la cubierta celular. Las sustancias que se concentran en la superficie celular modifican las propiedades físicas y químicas de la membrana, evitando sus funciones normales y por lo tanto, aniquilando o inhibiendo a la célula.

La pared celular actúa como estructura constrictiva, protegiendo a la célula de la lisis osmótica. Por lo tanto, las sustancias que destruyen la pared (p. ej., lisozimas, que fragmentan los enlaces de azúcares) o impiden su síntesis normal (p. ej., penicilina, que interrumpe los enlaces cruzados de peptidilo) provocan lisis celular.

D. Disociación de los grupos sulfhidrilo libres

Las enzimas que contienen cisteína poseen cadenas laterales que terminan en grupos sulfhidrilo. Además, las coenzimas como la coenzima A y el dihidrolipoato contienen grupos sulfhidrilo libres. Tales enzimas y coenzimas no pueden funcionar a menos que los grupos sulfhidrilo permanezcan libres y reducidos. De esta manera, las sustancias oxidantes interfieren con el metabolismo al formar enlaces disulfuro entre grupos sulfhidrilo vecinos:

Muchos metales como el ion mercúrico interfieren de la misma manera al combinarse con los sulfhidrilos. La célula contiene numerosas enzimas con sulfhidrilo, por lo tanto, los oxidantes y metales pesados dañan extensamente a la célula.

E. Antagonismo químico

La interferencia de una sustancia química con la reacción normal entre cierta enzima y su sustrato se conoce como antagonismo químico. El antagonista actúa combinándose con una parte de la holoenzima (ya sea la apoenzima proteínica, el activador mineral o la coenzima), evitando de esa manera la unión con el sustrato normal. (El término sustrato se utiliza aquí en el sentido amplio y abarca los casos en los que el inhibidor se combina con la apoenzima, evitando su unión con la coenzima).

El antagonista se combina con una enzima por su afinidad química por un sitio esencial en esa enzima. Las enzimas llevan a cabo su función catalítica gracias a su afinidad por los sustratos naturales de ella; de ahí que cualquier compuesto que se asemeja desde el punto de vista estructural a un sustrato en los aspectos esenciales también tendrá afinidad por la enzima. Cuando esta afinidad es lo suficientemente grande, el “análogo” desplazará al sustrato normal impidiendo la reacción adecuada.

Muchas holoenzimas comprenden un ion mineral como puente ya sea entre la enzima y la coenzima o entre la enzima y el sustrato. Las sustancias químicas que se combinan fácilmente con estos minerales evitan de nuevo la unión entre la coenzima y el sustrato (p. ej., el monóxido de carbono y el cianuro se combinan con el átomo de hierro en las enzimas que contienen hem, impidiendo su función en la respiración).

Los antagonistas químicos se pueden describir bajo dos títulos: a) antagonistas de los procesos que liberan energía y b) antagonistas de los procesos biosintéticos. Los primeros comprenden a los venenos de las enzimas respiratorias (monóxido de carbono, cianuro) y de la fosforilación oxidativa (dinitrofenol); los últimos comprenden a los análogos de los bloques de construcción de las proteínas (aminoácidos) y de los ácidos nucleicos (nucleótidos). En algunos casos, el análogo sencillamente evita la incorporación del metabolito normal (p. ej., el 5-metiltriptófano evita la incorporación del triptófano en la proteína) y en otros casos el análogo sustituye al metabolito normal en la macromolécula, impidiendo su función. Un ejemplo de este último tipo de antagonismo es la incorporación de p-fluorofenilalanina en lugar de fenilalanina en las proteínas.

Inversión de la acción antibacteriana

En la sección sobre definiciones, se insistió en que la acción bacteriostática es, por definición, reversible. Esta acción se puede invertir de varias formas.

A. Eliminación del fármaco

Cuando las células que son inhibidas por la presencia de un bacteriostático se eliminan mediante el lavado de la superficie o centrifugación que elimina las bacterias de la sustancia bacteriostática, reanudarán su multiplicación normal.

B. Inversión por sustrato

Cuando un antagonista químico de tipo análogo se une de manera reversible con la enzima, es posible desplazarla agregando una concentración elevada del sustrato normal. Estos casos se denominan “inhibición competitiva”. La proporción entre la concentración del inhibidor y la concentración del sustrato que invierte la inhibición se denomina índice anti microbiano; por lo general es muy elevado (100 a 10 000), lo que indica una afinidad mucho mayor de la enzima por su sustrato normal.

C. Desactivación del fármaco

A menudo es posible desactivar al fármaco agregando al medio una sustancia que se combine con éste, impidiendo su combinación con los componentes celulares. Por ejemplo, el ion mercúrico se desactiva agregando al medio compuestos de sulfhidrilo como ácido tioglicólico.

D. Protección contra la lisis

Es posible prevenir la lisis osmótica transformando al medio en un elemento isotónico para los protoplastos bacterianos desnudos. Se necesita una concentración de sacarosa de 10 a 20%. En esta situación, los protoplastos inducidos por la penicilina (p. ej., el material viviente de una célula bacteriana, incluidos el protoplasma y la membrana celular una vez que se elimina la pared celular) permanecen viables y siguen creciendo como formas L.

Resistencia a los antibacterianos

Un factor importante para regular a las bacterias es su potencial para adquirir resistencia contra los antimicrobianos. Los mecanismos por medio de los cuales adquieren resistencia se describen en los capítulos 7: Genética microbiana y 28: Quimioterapia antimicrobiana.

Elementos físicos

A. Calor

La aplicación de calor constituye el método más sencillo para esterilizar materiales, siempre y cuando el material mismo sea resistente al daño por calor. Una temperatura de 100°C aniquila a todos los tipos de bacterias con excepción de las esporas en un lapso de 2 a 3 min en cultivos de laboratorio; para aniquilar esporas se utiliza una temperatura de 121°C durante 15 min. Por lo general, se utiliza vapor por dos razones: las bacterias mueren más rápidamente con la humedad y el vapor ofrece un medio para distribuir el calor a todos los sitios del recipiente donde se lleva a cabo la esterilización. A nivel del mar, el vapor se debe mantener a una presión de 15 libras/pulgada² (psi) por arriba de la presión atmosférica para obtener una temperatura de 121°C; para este fin se utilizan autoclaves u ollas de presión. A una mayor altura, la presión debe ser mayor de 15 psi para alcanzar 121°C. Para que los materiales estériles permanezcan secos, existen hornos eléctricos en los que circula aire caliente; como el calor es menos eficaz en materiales secos, se acostumbra aplicar una temperatura de 160 a 170°C durante 1 h o más. En las condiciones antes descritas (p. ej., temperaturas excesivas por periodos prolongados), el calor actúa desnaturalizando las proteínas celulares y los ácidos nucleicos, y desorganizando las membranas celulares.

B. Radiación

La luz ultravioleta y las radiaciones ionizantes tienen diversas aplicaciones como esterilizadores. Sus mecanismos de acción se describen antes.

Sustancias químicas

Las estructuras químicas de aplicaciones de los biocidas se muestran en el cuadro 4-3.

A. Alcoholes

El alcohol etílico, alcohol isopropílico y el n-propanol exhiben una actividad antimicrobiana rápida de amplio espectro contra las bacterias vegetativas, virus y hongos, pero no son esporicidas. Su actividad es mejor cuando se diluyen a una concentración de 60 a 90% con agua.

B. Aldehídos

El glutaraldehído se utiliza para la desinfección y esterilización a una temperatura reducida de los endoscopios y equipo quirúrgico. Normalmente se emplea en solución al 2% para lograr actividad esporicida. El formaldehído es bactericida, esporicida y viricida.

C. Biguanidas

La clorhexidina se utiliza ampliamente en el lavado de manos y en productos bucales como desinfectante y conservador. Las micobacterias son muy resistentes a esos compuestos por su membrana única de célula cerosa.

D. Bisfenoles

Los bisfenoles se utilizan ampliamente en jabones antisépticos y enjuagues de manos. En general, son de amplio espectro pero tienen poca actividad contra Pseudomonas aeruginosa y mohos. El triclosán y el hexaclorofeno son bactericidas y esporostáticos.

E. Sustancias liberadoras de halógeno

Las principales sustancias liberadoras de cloro son hipoclorito de sodio, dióxido de cloro y dicloroisocianurato de sodio, oxidantes que destruyen la actividad celular de las proteínas. El ácido hipocloroso es el componente activo encargado del efecto bactericida y viricida de estos compuestos. A una concentración más elevada, tales compuestos son esporicidas. El yodo es rápidamente bactericida, fungicida, tuberculicida, viricida y esporicida. Los yodóforos (p. ej., yodopovidona) son compuestos de yodo y alguna sustancia solubilizadora o transportadora, que actúa como reservorio para el I₂ activo.

F. Derivados de los metales pesados

La sulfadiazina de plata (Ag⁺), combinación de dos antibacterianos, Ag⁺ y sulfadiazina, posee actividad de amplio espectro. Probablemente sus propiedades inhibidoras son secundarias a su unión a los componentes celulares como el DNA.

G. Ácidos orgánicos

Los ácidos orgánicos se usan como conservadores en las industrias tanto farmacéutica como alimentaria. El ácido benzoico es fungistático; el ácido propiónico es bacteriostático y fungistático.

H. Peroxígenos

El peróxido de hidrógeno posee actividad de amplio espectro contra virus, bacterias, levaduras y esporas bacterianas. Su actividad esporicida requiere de concentraciones más elevadas (10 a 30%) de H₂O₂ y un periodo de contacto más prolongado.

I. Fenoles

El fenol y muchos compuestos fenólicos tienen propiedades antisépticas, desinfectantes o conservadoras.

J. Compuestos de amonio cuaternario

Estos compuestos tienen dos regiones en su estructura molecular, un grupo repelente al agua (hidrófobo) y otro grupo que atrae agua (hidrófilo). Los detergentes catiónicos, ejemplificados por los compuestos de amonio cuaternario (QAC, quaternary ammonium compounds) son antisépticos y desinfectantes útiles. Los QAC se han utilizado para diversos fines clínicos (p. ej., desinfección preoperatoria de la piel íntegra) y para limpiar superficies duras. Son esporostáticos; inhiben la proliferación de las esporas pero no el proceso de germinación. Los QAC también son micobacteriostáticos y actúan sobre los virus con cubierta de lípidos pero no en los que carecen de esta cubierta.

K. Esterilizadores en fase de vapor

Los aparatos médicos sensibles al calor e instrumentos quirúrgicos se esterilizan con sistemas de fase de vapor que utilizan óxido de etileno, formaldehído, peróxido de hidrógeno o ácido peracético.

OBJETIVOS

1. Conocer las diferencias entre la proliferación en un sistema cerrado (cultivo líquido), en un cultivo continuo y en una biopelícula.

2. Observar las diferencias entre los conceptos bacteriostático y bactericida.

3. Conocer los requisitos para la esterilización antimicrobiana.

4. Conocer el mecanismo de acción de los desinfectantes más comunes.