Las hemolisinas o hemolisinas son lípidos y proteínas que causan la lisis de los glóbulos rojos al alterar la membrana celular . Aunque la actividad lítica de algunas hemolisinas derivadas de microbios sobre los glóbulos rojos puede ser de gran importancia para la adquisición de nutrientes, muchas hemolisinas producidas por patógenos no causan una destrucción significativa de los glóbulos rojos durante la infección. Sin embargo, las hemolisinas a menudo son capaces de lisar los glóbulos rojos in vitro .
Si bien la mayoría de las hemolisinas son compuestos proteicos, algunas son biosurfactantes lipídicos . [1]
Muchas bacterias producen hemolisinas que pueden detectarse en el laboratorio. Actualmente se cree que muchos hongos clínicamente relevantes también producen hemolisinas. [2] Las hemolisinas pueden identificarse por su capacidad de lisar los glóbulos rojos in vitro .
Las hemolisinas no sólo afectan a los eritrocitos, sino que también se producen algunos efectos en otras células sanguíneas, como los leucocitos (glóbulos blancos). La hemolisina de Escherichia coli es potencialmente citotóxica para los monocitos, linfocitos y macrófagos , llevándolos a la autólisis y la muerte.
La visualización de la hemólisis (UK: hemólisis) de glóbulos rojos en placas de agar facilita la categorización de Streptococcus .
Una forma en que la hemolisina lisa los eritrocitos es formando poros en las bicapas de fosfolípidos . [3] [4] Otras hemolisinas lisan los eritrocitos hidrolizando los fosfolípidos en la bicapa.
Muchas hemolisinas son toxinas formadoras de poros (PFT), que son capaces de provocar la lisis de eritrocitos , leucocitos y plaquetas al producir poros en la membrana citoplasmática .
La hemolisina es secretada normalmente por las bacterias de forma soluble en agua. Estos monómeros se difunden a las células diana y se unen a ellas mediante receptores específicos . Después de esto, se oligomerizan, creando complejos heptaméricos en forma de anillo. [5]
Las hemolisinas pueden ser secretadas por muchos tipos diferentes de bacterias, como Staphylococcus aureus , Escherichia coli o Vibrio parahemolyticus, entre otros patógenos. Podemos echar un vistazo a la bacteria Staphylococcus aureus como un ejemplo específico de producción de hemolisina formadora de poros. Staphylococcus aureus es un patógeno que causa muchas enfermedades infecciosas como neumonía y sepsis . Produce un complejo en forma de anillo llamado poro de alfa-hemolisina estafilocócica. En la naturaleza, Staphylococcus aureus secreta monómeros de alfa-hemolisina que se unen a la membrana externa de las células susceptibles. Al unirse, los monómeros se oligomerizan para formar un canal transmembrana lleno de agua que facilita la permeación incontrolada de agua , iones y pequeñas moléculas orgánicas . La descarga rápida de moléculas vitales como ATP , la disipación del potencial de membrana y los gradientes iónicos y la hinchazón osmótica irreversible que conduce a la ruptura de la pared celular (lisis) pueden causar la muerte de la célula huésped.
Este poro está formado por siete subunidades de alfa-hemolisina, que representan el principal agente citotóxico que libera este tipo de bacterias. Estas subunidades se adhieren a las células diana de la manera descrita anteriormente y extienden la bicapa lipídica, formando las estructuras de poro . Estos poros en la membrana celular acabarán provocando la muerte celular, ya que permiten el intercambio de iones monovalentes que provocarían la fragmentación del ADN.
Algunas hemolisinas dañan la membrana de los eritrocitos al escindir los fosfolípidos de la membrana.
Secretada por Staphylococcus aureus , esta toxina se une a la membrana externa, con posterior oligomerización de los monómeros de la toxina para formar canales llenos de agua. [6] Estos son responsables de los fenómenos osmóticos, la despolarización celular y la pérdida de moléculas vitales (v.gr. ATP), lo que lleva a la muerte celular. [7]
La β-hemolisina (hlb; Q2FWP1 ) es una toxina de la fosfolipasa C secretada por S. aureus . Al investigar los eritrocitos de oveja, se descubrió que su mecanismo tóxico es la hidrólisis de un lípido de membrana específico, la esfingomielina , que representa el 50% de la membrana de la célula. Esta degradación fue seguida por un aumento notable de fosforilcolina debido a la liberación de fósforo orgánico de la esfingomielina y, en última instancia, causó la lisis celular. [8]
Las γ-hemolisinas son toxinas formadoras de poros de la misma familia que la α-hemolisina. Son únicas porque vienen en dos componentes, y por lo tanto se las conoce como toxinas bicomponentes ( InterPro : IPR003963 ). En comparación con la beta-hemolisina, tiene una mayor afinidad por las fosfocolinas con cadenas acilo saturadas cortas, especialmente si tienen una forma cónica, mientras que los lípidos cilíndricos (por ejemplo, la esfingomielina) obstaculizan su actividad. El proceso lítico, que se observa con mayor frecuencia en los leucocitos, es causado por la formación de poros inducida por un octámero oligomerizado que se organiza en una estructura de anillo. Una vez que se forma el preporo, se produce uno más estable, llamado barril β. En esta parte final, el octámero se une a la fosfatidilcolina . [9]
La estructura de varias hemolisinas se ha resuelto mediante cristalografía de rayos X en las conformaciones solubles y formadoras de poros. Por ejemplo, la α-hemolisina de Staphylococcus aureus forma un barril β homoheptamérico en las membranas biológicas. [10] La citolisina de Vibrio cholerae [11] también forma un poro heptamérico, sin embargo, la γ-hemolisina de Staphylococcus aureus [12] forma un poro que es octamérico .
El heptámero de la α-hemolisina de Staphylococcus aureus tiene forma de hongo y mide hasta 100 Å de diámetro y 100 Å de altura. Un canal que atraviesa la membrana, accesible al solvente, corre a lo largo del eje séptuple y varía de 14 Å a 46 Å de diámetro. En el exterior del barril β antiparalelo de 14 hebras hay un cinturón hidrofóbico de aproximadamente 30 Å de ancho que proporciona una superficie complementaria a la porción no polar de la bicapa lipídica. Las interfaces están compuestas tanto de enlaces salinos como de enlaces de hidrógeno , así como de interacciones hidrofóbicas , y estos contactos proporcionan una estabilidad molecular para el heptámero en soluciones de SDS incluso hasta 65 °C. [13]
Se cree que las hemolisinas son responsables de muchos eventos en las células huésped. Por ejemplo, el hierro puede ser un factor limitante en el crecimiento de varias bacterias patógenas. [14] Dado que el hierro libre puede generar radicales libres dañinos , el hierro libre generalmente se mantiene en bajas concentraciones dentro del cuerpo. Los glóbulos rojos son ricos en hemo que contiene hierro . La lisis de estas células libera hemo al entorno, lo que permite que las bacterias absorban el hierro libre. Pero la hemolisina está relacionada con las bacterias no solo de esta manera, sino también de algunas otras.
Como ya hemos comentado, la hemolisina es un factor de virulencia potencial producido por microorganismos que puede poner en riesgo la salud humana. A pesar de provocar algunas patologías graves , muchos casos de hemólisis no suponen un peligro para la salud. Pero el hecho de que las hemolisinas (producidas por microorganismos patógenos durante las infecciones) se combinen con otros factores de virulencia puede amenazar en mayor medida la vida de un ser humano.
La principal consecuencia de la hemólisis es la anemia hemolítica , condición que implica la destrucción de los eritrocitos y su posterior eliminación del torrente sanguíneo , antes de lo esperado en una situación normal. Como la médula ósea no puede fabricar eritrocitos con la suficiente rapidez para satisfacer las necesidades del cuerpo, el oxígeno no llega adecuadamente a los tejidos corporales. Como consecuencia, pueden aparecer algunos síntomas, como fatiga , dolor , arritmias , agrandamiento del corazón o incluso insuficiencia cardíaca, entre otros. [15]
Dependiendo del tipo de hemolisina y del microorganismo que la produce, la manifestación de síntomas y enfermedades pueden diferir de un caso a otro:
Tanto la aerolisina como la alfa-hemolisina son sintetizadas por bacterias extracelulares, que infectan superficies de tejidos específicos.
Las hemolisinas han demostrado ser un factor dañino para los órganos vitales, a través de la actividad de Staphylococcus aureus . S. aureus es un patógeno peligroso que puede conducir a las células a infecciones necrosantes generalmente reconocidas por una respuesta inflamatoria masiva que conduce al daño tisular o incluso a la destrucción tisular. Existe un claro ejemplo de esto: la neumonía producida por S. aureus . [16] En este caso, se ha demostrado que la alfa-hemolisina participa en la inducción de la lesión pulmonar necrótica mediante el uso del inflamasoma NLRP3 , que es responsable de los procesos inflamatorios y de la piroptosis . La neumonía causada por S. aureus es una enfermedad común en algunas áreas, por lo que existen muchos estudios en el campo de la inmunología destinados a desarrollar nuevos fármacos para curar fácilmente o prevenir este tipo de neumonía. En la actualidad, se cree que la apiegnina y la beta- ciclodextrina alivian la neumonía por S. aureus , mientras que los anticuerpos anti alfa-hemolisina se cree que brindan protección. [17]
Otros hallazgos muestran que el principal factor de virulencia de S. aureus , la toxina formadora de poros α-hemolisina (Hla), es el factor secretado responsable de la activación de una vía autofágica alternativa . Se ha demostrado que esta respuesta autofágica se inhibe elevando artificialmente los niveles intracelulares de AMPc . [18] Este proceso también está mediado por los factores de intercambio RAPGEF3 y RAP2B .
Otro punto interesante es que el pretratamiento de los leucocitos con dosis de alfa-hemolisina en las que sobrevivieron casi el 80% de las células disminuyó la capacidad de las células para fagocitar bacterias y partículas y para experimentar quimiotaxis . La activación prematura de los leucocitos y la inhibición de la fagocitosis y la quimiotaxis por la alfa-hemolisina, si ocurren in vivo , mejorarían en gran medida la supervivencia de un ataque de E. coli . [19]
Algunas hemolisinas, como la listeriolisina O , permiten que las bacterias evadan el sistema inmunitario al escapar de los fagosomas . Las hemolisinas también pueden mediar el escape bacteriano de las células huésped.
La regulación de la expresión génica de las hemolisinas (como la estreptolisina S) es un sistema reprimido en presencia de hierro. [20] Esto garantiza que la hemolisina se produzca solo cuando sea necesaria. La regulación de la producción de hemolisina en S. aureus (expresión de hemolisina) ahora es posible debido a mutaciones in vitro que están relacionadas con la serina / treonina quinasa y la fosfatasa . [21]
Como las hemolisinas son producidas por organismos patógenos, el principal tratamiento es la toma de antibióticos específicos para el patógeno que ha causado la infección. Además, algunas hemolisinas pueden ser neutralizadas por la acción de anticuerpos antihemolisinas , evitando un efecto más prolongado y peligroso de la hemólisis en el organismo.
Cuando las células sanguíneas se destruyen demasiado rápido, se pueden administrar suplementos adicionales de ácido fólico y hierro o, en caso de emergencia, una transfusión de sangre. En casos raros, se debe extirpar el bazo porque filtra la sangre y elimina las células muertas o dañadas del torrente sanguíneo, lo que empeora la falta de eritrocitos. [22]
La hemolisina directa termoestable (TDH; InterPro : IPR005015 ) producida por Vibrio parahaemolyticus se está estudiando actualmente en el campo de la oncología . Regula la proliferación celular en células de carcinoma de colon . La TDH induce la entrada de Ca2+ desde un entorno extracelular acompañada de la fosforilación de la proteína quinasa C. La proteína quinasa C activada inhibe la actividad de la tirosina quinasa del receptor del factor de crecimiento epidérmico (EGFR), el objetivo racional de la terapia contra el cáncer colorrectal. [23]
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