Péptido antimicrobiano

Os péptidos antimicrobianos ou péptidos de defensa do hóspede son péptidos de orixe natural con propiedades antibióticas, xeralmente de 12 a 50 aminoácidos, que forman parte da resposta inmunitaria innata e encóntranse en todos os tipos de formas de vida. Estes péptidos funcionan como antibióticos potentes de amplo espectro, que teñen un grande potencial para o seu uso como novos axentes terapéuticos. Os péptidos antimicrobianos matan bacterias gramnegativas e grampositivas (incluídas cepas resistentes aos antibióticos convencionais), micobacterias (incluída a Mycobacterium tuberculosis), virus con envoltura, fungos e mesmo células transformadas ou cancerosas. A diferenza da maioría dos antibióticos convencionais parece que os péptidos antimicrobianos poderían tamén ter a capacidade de potenciar a inmunidade ao funcionaren como inmunomoduladores.

 Estrutura 
Os péptidos antimicrobianos son un grupo único e diverso de moléculas, que se dividen en subgrupos baseándose na súa composición de aminoácidos e estrutura. Teñen xeralmente entre 12 e 50 aminoácidos. Conteñen dous ou máis residuos cargados positivamente de arxinina, lisina ou, en ambientes ácidos, histidina, e unha grande proporción (xeralmente >50%) de residuos hidrófobos. A estrutura secundaria destas moléculas pode conter o seguinte: i) hélice α, ii) febra β con dous ou máis pontes disulfuro, iii) forquita β ou bucle debida a unha ponte disulfuro ou á ciclación da cadea peptídica, e iv) unha estrutura estendida. Moitos destes péptidos non teñen estrutura en solución libre, e préganse na súa configuración final particionándose nas membranas biolóxicas. Conteñen residuos de aminoácidos hidrófilos aliñados nun dos lados da molécula helicoidal e residuos hidrófobos aliñados no lado oposto. Este carácter anfipático dos péptidos antimicrobianos é o que lles permite particionarse na bicapa lipídica da membrana. A capacidade de asociarse ás membranas é unha característica definitiva dos péptidos antimicrobianos, aínda que a permeabilización das membranas non é necesaria. Estes péptidos teñen diversas actividades antimicrobianas que van desde a permeabilización da membrana á actuación sobre diversas dianas citoplasmáticas.
 Tipo  Características  Péptidos antimicrobianos
  Péptidos aniónicos ricos en ácido glutámico e aspártico Maximina H5 de anfibios, dermcidina humana 
  Péptidos α-helicoidais catiónicos lineaiscarecen de cisteína  Cecropinas, andropina, moricina, ceratotoxina e melitina de insectos, magainina, dermaseptina, bombinina, brevinina-1, esculentinas e buforina II de anfibios, CAP18 de coellos, LL37 humana 
  Péptido catiónico enriquecido en aminoácidos específicosrico en prolina, arxinina, fenilalanina, glicina, triptófanoAbaecina, apidaecinas de abellas, profenina de porcos, indolicidina de vacúns.
  Péptidos catiónicos e aniónicos que conteñen cisteína e forman pontes disulfuroconteñen de 1 a 3 pontes disulfuroTeñen 1 ponte disulfuro: brevininas; 2 pontes: protegrina dos porcos, taquiplesinas dos cangrexos xifosuros; 3 pontes: defensinas humanas; máis de 3: drosomicina da mosca da froita

miniatura|350px|Modos de acción dos péptidos antimicrobianos.

 Actividades 
Os péptidos antimicrobianos matan as bacterias utilizando mecanismos diversos, que poden variar segundo a especie bacteriana. A membrana plasmática é unha diana frecuente, pero os péptidos poden tamén interferir coa síntese de ADN e de proteínas, pregamento das proteínas, e síntese da parede celular. O contacto inicial entre o péptido e o organismo diana é electrostático, xa que a maioría das superficies bacterianas son aniónicas, ou hidrófobas, como no péptido antimicrobiano piscidina. A súa composición de aminoácidos, carácter anfipático, carga catiónica e tamaño permítelles unirse e inserirse nas membranas para formar poros por mecanismos de tipo doela de barril, alfombra ou poro toroidal. Alternativamente, poden penetrar na célula para unirse a moléculas intracelulares que son esenciais para as células vivas. Os modelos de unión intracelulares inclúen a inhibición da síntese da parede celular, alteración da membrana plasmática, activación da autolisina, inhibición da síntese de ADN, ARN e proteínas, e inhibición de certos encimas. Porén, en moitos casos, o mecanismo exacto polo que matan aos microorganismos non se coñece. Unha técnica emerxente para o estudo deses mecanismos é a interferometría de polarización dual.Daniel J Hirst, Tzong-Hsien Lee, Marcus J Swann, Sharon Unabia, Yoonkyung Park, Kyung-Soo Hahm and Marie Isabel Aguilar, The effect of acyl chain structure and bilayer phase state on the binding and insertion of HPA3 onto a supported lipid bilayer, European Biophysics JournalTzong-Hsien Lee, Christine Heng, Marcus J. Swann, John D. Gehman, Frances Separovic, Marie-Isabel Aguilar, Real time quantitative analysis of lipid disordering by aurein 1.2 during membrane adsorption, destabilisation and lysis, . Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Biomembranes, Volume 1798, Issue 10, October 2010, Pages 1977-1986. A diferenza de moitos antibióticos convencionais estes péptdos parecen ser bactericidas en vez de bacteriostáticos. En xeral a actividade antimicrobiana destes péptidos está determinada medindo a concentración inhibitoria mínima (MIC), que é a concentración máis baixa de fármaco que inhibe o crecemento bacteriano.

 Inmunomodulación 
Ademais de mataren bacterias directamente estes péptidos teñen tamén varias funcións inmunomoduladoras que poden estar implicadas na eliminación da infección, como a capacidade de alterar a expresión xenética do hóspede, actuar como quimiocinas ou inducir a produción de quimiocinas, inhibir a produción de citocinas proinflamatorias inducidas por lipopolisacáridos, promovendo a curación de feridas, e modulando as respostas das células dendríticas e células da resposta inmunitaria adaptativa. Os modelos animais indican que os péptidos de defensa do hóspede son esenciais para a prevención e a eliminación das infeccións. Parece que moitos péptidos illados inicialmente coa denominación "péptidos antimicrobianos" teñen máis funcións alternativas significativas in vivo (por exemplo a hepcidina).

 Modo de acción 
Utilízanse varios métodos para determinar os mecanismos da actividade antimicrobiana dos péptidos. En especial, os estudos de Resonancia magnética nuclear en estado sólido proporcionaron unha explicación a resolución de nivel atómico da alteración da membrana por péptidos antimicrobianos.
 Métodos  Aplicacións
  Microscopiapara visulalizar os efectos de péptidos antimicrobianos nas células microbianas
  Espectroscopía de emisión atómicapara detectar a perda de potasio intracelular (que indica que foi afectada a integridade da membrana bacteriana)
  Marcaxes fluorescentespara medir a capacidade dos péptidos antimicrobianos de permeabilizar as membranas de vesículas
  Formación de canles iónicaspara avaliar a formación e estabilidade dun poro inducido por péptidos antimicrobianos
  Dicroísmo circular e dicroísmo circular orientadopara medir a orientación e estrutura secundaria dun péptido antimicrobiano unido a unha bicapa lipídica
  Interferometría de polarización dualpara medir os difeentes mecanismos usados polos péptidos microbianos
  Espectroscopía de resonancia magnética nuclear en estado sólidopara medir a estrutura secundaria, orientación e penetración de péptidos antimicrobianos en bicapas lipídicas no estado líquido cristalino relevante bioloxicamente
  Difracción de raios X e de neutrónspara medir os patróns de difracción dos poros inducidos polos péptidos nas membranas en multicapas orientadas ou líquidos


 Potencial terapéutico 
Estes péptidos son excelentes candidatos para desenvolver a partir deles novos axentes terapéuticos e complementos á terapia convencional con antibióticos porque xeralmente teñen unha actividade de amplo rango, son bactericidas en vez de bacteriostáticos e precisan só un curto tempo de contacto para inducir a morte de células. Desenvolvéronse varios péptidos naturais e os seus derivados como novas terapias antiinfecciosas aplicables a condicións tan diversas como a mucosite oral, infeccións de pulmón asociadas con fibrose quística, cancro, e infeccións de feridas e de pel. O Pexiganan é útil para o tratamento de infeccións relacionadas coas úlceras de pés diabéticas. Unha importante limitación deste potencial terapéutico é a posibilidade de que as bacterias desenvolvan resistencia a péptidos, e particularmente se iso produce unha resistencia aos péptidos producidos polo propio sistema inmunitario. O feito de utilizar moita cantidade destes péptidos como axentes terapéuticos fai máis fácil que evolucione a resistencia. A diferenza da resistencia a antibióticos, a resistencia aos péptidos antimicrobianos que imitan aos producidos polo organismo humano pode facer que as bacterias se fagan máis resistentes ao propio sistema inmunitario do corpo.

Os péptidos antimicrobianos foron sucesivamente incorporados ás terapias tópicas. Un dos principais retos a superar asociado coa administración sistémica dun péptido antimicrobiano é a súa susceptibilidade á degradación proteolítica. É dicir, os péptidos son rapidamente degradados cando se introducen na corrente sanguínea.

 Selectividade 
Os péptidos antimicrobianos interaccionan preferentemente coas células bacterianas antes que coas células do hóspede mamífero, o que permite que maten os microorganismos sen teren unha toxicidade significativa para as células de mamíferos. A selectividade é unha característica moi importante dos péptidos antimicrobianos e pode garantir o seu funcionamento como antibióticos en sistemas de defensa do hóspede.

 Factores 
Hai algúns factores que están estreitamente relacionados coa selectividade que presentan os péptidos antimicrobianos, entre os cales as súas propiedades catiónicas son as que máis contribúen. Como a superficie das membranas bacterianas está máis cargada negativamente que as células de mamíferos, os péptidos antimicrobianos mostrarán diferentes afinidades cara ás membranas bacterianas e as membranas das células de mamíferos.

Ademais, hai tamén outros factores que afectan á selectividade. O colesterol está normalmente amplamente distribuído nas membranas das células de mamíferos onde funciona como un axente estabilizante das membranas, pero está ausente nas membranas bacterianas; e a presenza do colesterol tamén reduce en xeral a actividade dos péptidos antimicrobianos, debido á mencionada estabilización da bicapa lipídica ou ás interaccións que se producen entre o colesterol e o péptido, o cal é unha protección contra o ataque destes péptidos.

Ademais, o potencial transmembrana afecta ás interaccións péptido-lípido. Hai un potencial transmembrana negativo no lado interno desde a capa externa á interna da bicapa da membrana e isto facilita a permeabilización da membrana probablemente ao facilitar a inserción de péptidos cargados positivamente nas membranas. En comparación, o potencial transmembrana de células bacterianas é máis negativo que o de células de mamíferos normais, polo que as membranas bacterianas serán máis proclives a ser atacadas polos péptidos antimicrobianos cargados positivamente.

De modo similar, crese que o incremento da forza iónica, que en xeral reduce a actividade da maioría dos péptidos antimicrobianos, contribúe parcialmente á selectividade dos péptidos antimicrobianos ao debilitar as interaccións electrostáticas requiridas para a interacción inicial.

Bases moleculares da selectividade celular aos péptidos antimicrobianos.|dereita|miniatura|400px

 Mecanismo 
As membranas celulares das bacterias son ricas en fosfolípidos ácidos, como o fosfatidilglicerol e a cardiolipina. As cabezas polares destes fosfolípidos están moi cargadas negativamente. Por tanto, as capas externas da bicapa da membrana, que están expostas ao exterior son máis atractivas para o ataque dos péptidos antimicrobianos cargados positivamente. A interacción entre os péptidos antimicrobianos e as membranas é principalmente electrostática. Ademais, como os péptidos antimicrobianos forman estruturas cunha face cargada positivamente e outra face hidrófoba, hai tamén algunhas interaccións hidrófobas entre as rexións hidrófobas dos péptidos e as superficies neutras de partes dos fosfolípidos das membranas bacterianas, o cal actúa como un efecto menor adicional.

Ao contrario, a parte externa das membranas de células de mamíferos ou de plantas está composta principalmente de lípidos sen cargas netas, xa que a maioría dos lípidos con cabezas cargadas negativamente están na capa interna das membranas plasmáticas. No caso das células de mamíferos, as superficies externas das membranas de células de mamíferos están feitas xeralmente de fosfatidilcolina e esfingomielina zwitteriónicas (neutras en conxunto), aínda que conteñen tamén unha pequena porción de gangliósidos cargados negativamente. Por tanto, a interacción hidrófoba entre a face hidrófoba dos péptidos antimicrobianos anfipáticos e os fosfolípidos zwitteriónicos da superficie da célula de mamífero é importante no establecemento da unión péptido-célula. Porén, esta interacción hidrófoba é relativamente feble comparada coa electrostática, o que tamén favorece a unión preferencial ás membranas bacterianas antes que ás células de mamífero.

Utilizouse a interferometría de polarización dual in vitro para estudar e cuantificar a asociación coas cabezas polares, inserción na bicapa, formación de poros e alteración final das membranas.Lanlan Yu, Lin Guo, Jeak Ling Ding, Bow Ho, Si-Shen Feng, Jonathan Popplewell, Marcus Swann, Thorsten Wohland. Interaction of an artificial antimicrobial peptide with lipid membranes. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Biomembranes, Volume 1788, Número 2, febreiro de 2009, Páxinas 333-344, Dispoñible en liña 25 outubro de 2008Tzong-Hsien Lee, Kristopher Hall, Adam Mechler, Lisandra Martin, Jonathan Popplewell, Gerry Ronan, Marie-Isabel Aguilar Molecular Imaging and Orientational Changes of Antimicrobial Peptides in Membranes American Peptide Society (2007) Peptides for Youth. Eds. Emanuel Escher, William D. Lubell, Susan Del Valle

 Control 
Realizáronse moitos esforzos para intentar controlar as selectividades celulares. Por exemplo, Katsumi tratou de modificar e optimizar os parámetros fisicoquímicos dos péptidos para controlar as selectividades, incluíndo a carga neta, helicidade, hidrofobicidade por residuo (H), momento hidrófobo (μ) e o ángulo subtendido pola face polar cargada positivamente (Φ). Ademais, probouse con outros métodos como a introdución de D-aminoácidos e aminoácidos fluorados, e substitución de aminoácidos como a Pro→Nlys.

 Resistencia bacteriana 
As bacterias utilizan varias estratexias de resistencia para evitar que as maten os péptidos antimicrobianos. Entre elas están: 
 Algúns microorganismos alteran as cargas netas da súa superficie. Staphylococcus aureus transporta D-alanina desde o citoplasma ao ácido teicoico da superficie, o cal reduce a carga negativa neta debido á introducidón de grupos básicos amino. S. aureus tamén modifica as súas membranas aniónicas por MprF con L-lisina, incrementando a carga positiva neta. 
 A interacción de péptidos antimicrobianos con dianas de membrana poden ser limitada por polisacáridos da cápsula de Klebsiella pneumoniae.
 Pode haber alteración no Lípido A, como ocorre en especies de Salmonella, que reducen a fluidez da súa membrana externa ao incrementaren as interaccións hidrófobas entre unha cantidade aumentada de colas acilo do Lípido A ao engadiren miristato ao Lípido A (con 2-hidroximiristato) e formando Lípido A hepta-acilado engadindo palmitato. O incremento do momento hidrófobo crese que retarda ou anula a inserción de péptidos antimicrobianos na membrana e a formación de poros. 
 Os residuos das proteínas de membrana sofren alteracións. Nalgunhas bacterias gramnegativas, a alteración na produción de proteínas da membrana externa correlaciónase coa resistencia das bacterias a morreren por causa dos péptidos antimicrobianos. 
 A Haemophilus influenzae non tipable transporta os péptidos antimicrobianos ao interior da célula, onde son degradados. E H. influenzae remodela a súa membrana para que pareza que a bacteria xa foi atacada con éxito polos péptidos antimicrobianos, o que a protexe dos ataques de máis péptidos antimicrobianos.Catherine L. Shelton, Forrest K. Raffel, Wandy L. Beatty, Sara M. Johnson, Kevin M. Mason. Sap Transporter Mediated Import and Subsequent Degradation of Antimicrobial Peptides in Haemophilus. PLoS Pathogens, 3 Novembro de 2011, , dispoñible online Os transportadores de casete de unión ao ATP importan péptidos antimicrobianos e unha bomba de fluxo exporta péptidos antimicrobianos. Ambos os transportadores foron asociados coa resistencia a péptidos antimicrobianos. 
 A bacteria produce encimas proteolíticos, que poden degradar péptidos antimicrobianos que orixinan a súa resistencia. 
 As vesículas da membrana externa producidas por bacterias gramnegativas únense a péptidos antimicrobianos e secuéstranos fóra das células, protexendo así as células.Kulkarni, H. M., Swamy, C. V., & Jagannadham, M. V. (2014). Molecular characterization and functional analysis of outer membrane vesicles from the Antarctic bacterium Pseudomonas syringae suggests a possible response to environmental conditions. Journal of proteome research 13 (3),1345–1358.  As vesículas da membrana externa tamén conteñen varias proteases, peptidases e outros encimas líticos, o cal pode ter un papel na degradación de péptidos extracelulares e moléculas de ácidos nucleicos, os cales en caso de que poidan chegar ás células bacterianas poderían ser perigosos para o microorganismo.

Aínda que estes exemplos indican que a resistencia pode evolucionar de forma natural, hai unha preocupación crecente de que o uso de copias farmacéuticas de péptidos antimicrobianos poidan facer que a resistencia apareza máis rapidamente e máis a miúdo. Nalgúns casos, a resistencia a estes péptidos utilizados como fármacos para o tratamento médico pode orixinar resistencia, e non só á aplicación médica dos péptidos, senón tamén aos péptidos antimicrobianos naturais producidos polo propio corpo. Cómpre máis investigación sobre estas moléculas para determinar se o uso de certos péptidos deste tipo producirá máis prexuízos que beneficios ou non.

 Exemplos 
Todas as especies producen péptidos antimicrobianos, entre os que hai péptidos de bacterias, de fungos, da hidra, de insectos, (mastoparán, poneratoxina, cecropina, moricina, melitina etc.), de ras (magainina, dermaseptina e outros), e de mamíferos (por exemplo, catelicidinas, defensinas e protegrinas).

 Bioinformática 

Existen varias bases de datos bioinformáticas para catalogar péptidos antimicrobianos como o CAMP (http://www.bicnirrh.res.in/antimicrobial/ ), CAMP edición 2 (Colección de secuencias e estruturas de péptidos antimicrobianos) (http://www.camp.bicnirrh.res.in/index.php)  a Base de datos de Péptidos Antimicrobianos (http://aps.unmc.edu/AP/main.php), LAMP e BioPD (https://archive.today/20121203110223/http://biopd.bjmu.edu.cn/help.asp). As bases de datos de péptidos antimicrobianos poden dividirse en dúas categorías sobre a base da fonte dos péptidos que conteñen: bases de datos específicas e bases de datos xerais. Adicionalmente, estas bases de datos teñen varias ferramentas para a análise dos péptidos e a súa predición. Por exemplo CAMP ten varias ferramentas como predición AMP, calculador de características, procura BLAST, clustalW, VAST, PRATT, Helical wheel (Roda helicoidal) etc.

 Notas 

 Véxase tamén 
 Bibliografía 
































 Ligazóns externas 
 CAMP:Colección de Péptidos antimicrobianos  no National Institute for Research in Reproductive Health (NIRRH)
 Base de datos de péptidos antimicrobianos en unmc.edu
 UMichOPM - classes - type - 3 - Posicións espaciais calculadas de péptidos na bicapa lipídica


Categoría:Péptidos antimicrobianos
Categoría:Inmunoloxía
Categoría:Sistema inmunitario
Categoría:Proteínas periféricas de membrana