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Bomba de eflujo

Proteína TolC, componente de la membrana externa de una bomba de eflujo tripartita en Escherichia coli .
AcrB, el otro componente de la bomba, Escherichia coli .

Una bomba de eflujo es un transportador activo en las células que elimina material no deseado. Las bombas de eflujo son un componente importante en las bacterias por su capacidad para eliminar antibióticos. [1] El eflujo también podría ser el movimiento de metales pesados, contaminantes orgánicos, compuestos producidos por plantas, señales de detección de quórum, metabolitos bacterianos y neurotransmisores . Todos los microorganismos, con algunas excepciones, tienen secuencias de ADN altamente conservadas en su genoma que codifican bombas de eflujo. Las bombas de eflujo mueven activamente sustancias fuera de un microorganismo, en un proceso conocido como eflujo activo, que es una parte vital del metabolismo xenobiótico . Este mecanismo de eflujo activo es responsable de varios tipos de resistencia a patógenos bacterianos dentro de las especies bacterianas; el más preocupante es la resistencia a los antibióticos porque los microorganismos pueden haber adaptado bombas de eflujo para desviar toxinas fuera del citoplasma y hacia el medio extracelular. [2]

Los sistemas de eflujo funcionan a través de un mecanismo dependiente de la energía ( transporte activo ) para bombear sustancias tóxicas no deseadas a través de bombas de eflujo específicas. Algunos sistemas de eflujo son específicos para cada fármaco, mientras que otros pueden acomodar múltiples fármacos con pequeños transportadores de resistencia a múltiples fármacos (SMR). [3] [4]

Las bombas de eflujo son transportadores proteínicos localizados en la membrana citoplasmática de todo tipo de células. Son transportadores activos, lo que significa que requieren una fuente de energía química para realizar su función. Algunos son transportadores activos primarios que utilizan la hidrólisis del trifosfato de adenosina como fuente de energía, mientras que otros son transportadores activos secundarios ( uniportadores , simportadores o antiportadores ) en los que el transporte está acoplado a una diferencia de potencial electroquímico creada al bombear iones de hidrógeno o sodio a la célula.

Bacteriano

Las bombas de eflujo bacterianas se clasifican en cinco superfamilias principales, según su secuencia de aminoácidos y la fuente de energía utilizada para exportar sus sustratos:

  1. La superfamilia de facilitadores mayores (MFS) [5]
  2. Los transportadores ABC [5]
  3. La pequeña familia de resistencia a múltiples fármacos (SMR) [5]
  4. La superfamilia de resistencia-nodulación-división celular (RND) [5]
  5. La familia de proteínas de extrusión multiantimicrobiana (MATE). [5]

De estos, solo la superfamilia ABC son transportadores primarios, el resto son transportadores secundarios que utilizan gradientes de protones o sodio como fuente de energía. Mientras que los MFS predominan en las bacterias Gram positivas , se pensaba que la familia RND era exclusiva de las bacterias Gram negativas. Desde entonces se han encontrado en todos los reinos principales . [6]

Estructura

Las bombas de eflujo generalmente consisten en una proteína de eflujo de membrana externa , una proteína periplásmica media, una proteína de membrana interna y un conducto transmembrana. El conducto transmembrana se encuentra en la membrana externa de la célula. El conducto también está unido a otras dos proteínas: una proteína de membrana periplásmica y un transportador de membrana integral. La proteína de membrana periplásmica y la proteína de membrana interna del sistema están acopladas para controlar la apertura y el cierre del conducto (canal). Cuando una toxina se une a esta proteína de membrana interna, las proteínas de membrana interna dan lugar a una cascada bioquímica que transmite señales a la proteína de membrana periplásmica y a la proteína de membrana externa para abrir el canal y sacar la toxina de la célula. Este mecanismo utiliza una interacción proteína-proteína dependiente de la energía que se genera por la transferencia de la toxina por un ion H+ por el transportador de membrana interna. [7] Las estructuras in vitro e in vivo completamente ensambladas de la bomba AcrAB-TolC se han resuelto mediante cryoEM y cryoET. [8] [9]

Función

Aunque los antibióticos son los sustratos más importantes desde el punto de vista clínico de los sistemas de eflujo, es probable que la mayoría de las bombas de eflujo tengan otras funciones fisiológicas naturales. Algunos ejemplos son:

La capacidad de los sistemas de eflujo para reconocer una gran cantidad de compuestos distintos de sus sustratos naturales se debe probablemente a que el reconocimiento del sustrato se basa en propiedades fisicoquímicas , como la hidrofobicidad , la aromaticidad y el carácter ionizable , en lugar de en propiedades químicas definidas, como en el reconocimiento clásico enzima - sustrato o ligando - receptor . Debido a que la mayoría de los antibióticos son moléculas anfifílicas (que poseen caracteres tanto hidrófilos como hidrófobos), muchas bombas de eflujo los reconocen fácilmente. [ cita requerida ]

Impacto en la resistencia a los antimicrobianos

El impacto de los mecanismos de eflujo sobre la resistencia a los antimicrobianos es grande y generalmente se atribuye a lo siguiente:

Eucariota

En las células eucariotas, la existencia de bombas de eflujo se conoce desde el descubrimiento de la glicoproteína P en 1976 por Juliano y Ling . [18] Las bombas de eflujo son una de las principales causas de resistencia a los fármacos anticancerígenos en las células eucariotas. Entre ellas se incluyen los transportadores de monocarboxilato (MCT), las proteínas de resistencia a múltiples fármacos (MDR), también denominadas glicoproteína P, las proteínas asociadas a la resistencia a múltiples fármacos (MRP), los transportadores de péptidos (PEPT) y los transportadores de fosfato de Na+ (NPT). Estos transportadores se distribuyen a lo largo de porciones particulares del túbulo proximal renal, el intestino, el hígado, la barrera hematoencefálica y otras porciones del cerebro.

Inhibidores

Actualmente se están realizando varios ensayos para desarrollar fármacos que se puedan administrar junto con antibióticos para que actúen como inhibidores de la extrusión de antibióticos mediada por eflujo. Hasta el momento, no se ha aprobado ningún inhibidor de eflujo para uso terapéutico, pero se están utilizando algunos para determinar la prevalencia de bombas de eflujo en aislados clínicos y en la investigación de biología celular . El verapamilo , por ejemplo, se utiliza para bloquear el eflujo mediado por la P-glicoproteína de fluoróforos que se unen al ADN, lo que facilita la clasificación de células fluorescentes para el contenido de ADN. Se ha demostrado que varios productos naturales inhiben las bombas de eflujo bacterianas, incluidos los carotenoides capsantina y capsorrubina , [19] los flavonoides rotenona y crisina , [19] y el alcaloide lisergol . [20] Algunas nanopartículas , por ejemplo el óxido de zinc , también inhiben las bombas de eflujo bacterianas. [21]

Véase también

Referencias

  1. ^ Sharma A, Gupta VK, Pathania R (febrero de 2019). "Inhibidores de la bomba de eflujo para patógenos bacterianos: del laboratorio a la cabecera del paciente". Indian J Med Res . 149 (2): 129–145. doi : 10.4103/ijmr.IJMR_2079_17 . PMC  6563736 . PMID  31219077.
  2. ^ ab Blanco P, Hernando-Amado S, Reales-Calderon JA, Corona F, Lira F, Alcalde-Rico M, Bernardini A, Sanchez MB, Martinez JL (febrero de 2016). "Bombas de eflujo de múltiples fármacos en bacterias: mucho más que determinantes de resistencia a los antibióticos". Microorganismos . 4 (1): 14. doi : 10.3390/microorganisms4010014 . PMC 5029519 . PMID  27681908. 
  3. ^ Bay DC, Turner RJ (2016). Pequeñas bombas de eflujo resistentes a múltiples fármacos . Suiza: Springer International Publishing. p. 45. ISBN 978-3-319-39658-3.
  4. ^ Sun J, Deng Z, Yan A (octubre de 2014). "Bombas de eflujo de múltiples fármacos en bacterias: mecanismos, fisiología y aprovechamiento farmacológico". Comunicaciones de investigación bioquímica y biofísica . 453 (2): 254–67. doi : 10.1016/j.bbrc.2014.05.090 . PMID  24878531.
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