Antimicrobianos naturales

_{Por Juan Pablo Huertas Baquero}

Los antimicrobianos son sustancias que pueden inhibir o detener el crecimiento de microorganismos, estos pueden ser de origen natural (animal, vegetal y microbiano) ó sintético (ácidos orgánicos y ésteres).

Se estima que en la parte aérea de las plantas, la filosfera y especialmente en las hojas, existen alrededor de 106 -107 células/cm2 (108 células/g) de microorganismos, principalmente bacterias. Globalmente las plantas producen más de 100.000 productos naturales de bajo peso molecular, también conocidos como metabolitos secundarios. Esta diversidad tan rica resulta de un proceso evolutivo para la adquisición de defensa mejorada frente a los ataques de microorganismos, insectos y otros animales.

Desde tiempos antiguos y en la actualidad se conocen y reconocen las propiedades antimicrobianas de muchas especias y hierbas usadas en los alimentos. Se han realizado investigaciones y se ha encontrado que los compuestos presentes en estas plantas son derivados simples y complejos del fenol, los cuales son volátiles a temperatura ambiente.

Aceites esenciales

Los aceites esenciales (A.E.) son compuestos lipídicos muy olorosos obtenidos mediante la extracción de diferentes partes de plantas (flores, yemas, semillas, hojas, ramas, corteza, hierba, madrea, frutos, raíces, etc.) usando solventes orgánicos ó técnicas como la destilación. Estos aceites están compuestos por mezclas de ésteres, aldehídos, cetonas, terpenos, hidrocarburos cíclicos y alcoholes. Además son compuestos muy solubles en alcohol pero poco solubles en agua.

Los A.E que contenían un aldehído o un fenol como principal componente fueron los más activos frente a bacterias del tracto respiratorio, seguido por los alcoholes y, con una menor acción antimicrobiana, los aceites que contenían mayoritariamente cetonas, ésteres o hidrocarburos. La actividad de un aceite esencial está relacionada con sus constituyentes principales (estos pueden constituir hasta un 85% del total, mientras que el resto se presentan como trazas), la configuración estructural y grupos funcionales de sus compuestos, y con posibles sinergias entre los compuestos. En consecuencia hay que diferenciar entre la mezcla total del aceite esencial de una planta y cada uno de sus componentes activos.

La composición de los aceites esenciales puede variar mucho dependiendo de la variedad (propiedades determinadas genéticamente), la zona geográfica o climatología (medio ambiente), la edad de la planta, la parte utilizada en la extracción, y el método de secado y extracción del aceite.

Mecanismos de acción de los aceites esenciales

Los aceites esenciales al tener un gran número de compuestos, su acción antimicrobiana no se atribuye a un único mecanismo, sino a varios debido a los múltiples blancos en la célula. Una característica importante de los aceites esenciales es su hidrofobicidad, característica que les permite unirse a los lípidos de la membrana celular desestabilizando su estructura y aumentando su permeabilidad, generando la salida de iones, metabolitos y demás moléculas que pueden conllevar a la muerte. Estudios demuestran que la mayoría de las propiedades antibacterianas frente a microorganismos patógenos por parte de los A.E se debe en un alto porcentaje a los compuestos fenólicos como el timol, el carvacrol y el eugenol presentes en estos.

Según algunos estudios señalan, la localización y la cantidad de grupos hidroxilo sobre los grupos fenólicos de estas moléculas está relacionado con su toxicidad: una mayor oxidación es responsable de una mayor capacidad bactericida. Es razonable pensar que sus mecanismos de acción sean parecidos a los de otros compuestos fenólicos, generalmente se consideran la desestabilización de la membrana citoplasmática, la interrupción en la fuerza protón motriz (FPM), el flujo de electrones, el transporte activo y la coagulación de componentes celulares. También pueden actuar sobre las proteínas de la membrana citoplasmática. Los hidrocarburos lipofílicos pueden acumularse en la bicapa lipídica e interferir en la interacción lípido proteína.

Además, también es posible una interacción directa entre los compuestos lipofílicos con la parte hidrofóbica de la proteína. Como consecuencia, pueden modificar la actividad de las enzimas que regulan la producción de energía o la síntesis de compuestos estructurales.

Aparentemente los componentes de los A.E. interaccionan con las ATPasas que están presentes en la membrana citoplasmática, en su investigación determinaron que el eugenol, el carvacrol, y el cinemaldehido, componentes de aceites esenciales, inhibían la obligada actividad de la ATPasa de membrana de E.coli L.monocytogenes. Las membranas bacterianas contienen un alto número de diferentes enzimas con función ATPasa incluyendo aquellas involucradas en el transporte activo de proteínas, como la ATPasa F1F0 que es la encargada de la regulación del pH celular. La inhibición de estas funciones puede afectar la sobrevivencia celular, las concentraciones para inhibir la actividad de las ATPasas es la misma que se necesita para la desestabilización de la membrana celular, lo que sugiere que la interrupción de las funciones de estas enzimas es una causa secundaria más que una primaria de la muerte celular.

Otra investigación de Gill et al, permitió evidenciar que el carvacrol y el eugenol aumentan la permeabilidad de la membrana afectando la movilidad de E.coli L.monocytogenes ofreciendo gran evidencia que la desestabilización de la membrana es la causa primaria de la muerte celular por acción de estos compuestos. El flagelo de estas bacterias esta estructuralmente integrado a la membrana y el cual recibe energía proveniente del gradiente de protones más que por los intermediarios fosforilados del ATP.

Clavo (Eugenol)

El clavo es una especia proveniente de las plantas del género Syzygium spp, esta ha sido usada desde tiempos antiguos en la medicina tradicional, teniendo usos de expectorante, estimulante, analgésico, anti flatulento, etc, y en la odontología como antiséptico, por lo cual es común encontrarlo en gomas y en cremas dentales para el tratamiento y prevención de la caries

El aceite esencial proveniente del clavo está constituido por 36 componentes y con altas concentraciones de: eugenol, β-caryophyleno, α-humuleno, epóxido de humuleno, etil hexanoato, 2-heptanona, humulenol, calacoreno y calameneno

El eugenol pertenece al grupo de los fenilpropanos que son sustancias ampliamente distribuidas entre los vegetales y se caracterizan por un anillo aromático unido a una cadena de 3 carbonos y derivados biosintéticamente del ácido shikímico 2-metoxi-4-(2-peopenil) fenol (bolilla, 2007), los compuestos con estructura fenólica demostraron tener una actividad antimicrobiana superior debido a su carácter hidrofóbico. Estudios dan importancia al grupo hidroxilo y su localización en la estructura fenólica para obtener una mayor capacidad antimicrobiana.

Se teoriza sobre la posible interacción del grupo hidroxilo con proteínas inhibiendo su acción, concentraciones subletales de eugenol inhibieron la producción de las amilasas y proteasas de B.cereus. El deterioro de la pared celular y el alto grado de la lisis celular también se comprobó en otras investigaciones.

Estudios han comprobado la eficacia del aceite esencial del clavo como antimicrobiano pero todavía no se conoce muy bien su forma de acción, pero se sabe que el componente responsable de esta actividad antimicrobiana es el eugenol. Kamel y col., determinaron la acción antibacteriana del eugenol extraído del clavo sobre S.epidermidis, E.coli, S.aureus, L.monocytogenes, E.fecalis, P.aureginosa, S.typhimurium M.luteus, y determinaron que el menor diámetro de inhibición fue de 8 mm. Para L.monocytogenes el halo de inhibición por parte del A.E fue de 15 mm con una DS (desviación estándar) de 0, dando un resultado muy bueno al compararlo con la gentamicina que dio como resultado un halo de 38mm sobre este mismo microorganismo.

En otro estudio Fu y col., realizaron un estudio de la actividad antimicrobiana del clavo sobre S.epidermidis, E.coli, S.aureus, P.aureginosa, B.subtilis P.vulgaris y encontraron que a menor halo de inhibición fue de 9mm para P.aureginosa y el mayor fue de 18.2mm para P.vulgaris lo cual fueron resultados óptimos teniendo como control la estreptomicina.

Tomillo (Carvacrol y Timol)

El tomillo es una especia proveniente de las plantas del género Thymus spp, y se le atribuyen propiedades antiespasmódica, expectorante, antiséptica, antiinflamatoria y otras más. El tomillo es usado en la industria alimentaria como agente saborizante y aromático y en las preparaciones farmacológicas su aceite esencial esta en el ranking de los 10 aceites esenciales más usados en el mundo.

Se sugiere que la presencia y el número de grupos hidroxilo sobre el grupo fenol de estas moléculas está relacionado con su toxicidad: una mayor hidroxilación es responsable de una mayor capacidad bactericida. La presencia del grupo hidroxilo en la molécula de carvacrol, al igual que en el timol, provoca la entrada y el escape de iones potasio, que conlleva a la disminución del pH, el aumento en el gasto de energía (ATP) y, finalmente, la muerte celular del patógeno.

El aceite esencial que se obtiene del tomillo está compuesto por 60 componentes de los cuales 32 fueron identificados por Bounatirou, y col. Los componentes mayoritarios y a los cuales se les atribuye la capacidad antibacteriana son el timol y el carvacrol y se da alguna responsabilidad minoritaria a los componente minoritarios como lo son el p-cimeno, ¥-terpineno y β-caryphyleno los cuales pueden actuar de manera sinérgica con el timol y el carvacrol aumentando su capacidad antimicrobiana. Muchos autores discrepan sobre cuál es el componente mayoritario del tomillo (timol ó carvacrol) y dan diferentes porcentajes de presencia de cada uno. Burt, 2004, en su revisión da que el timol está entre un 10 a un 64%, el carvacrol está entre un 2 a 11%, el ¥-terpineno entre un 2 a 31% y que el p-cimeno está entre un 10 a 56%, por otro lado Bounatirou, y col., comentan que el p-cimeno está en mayores cantidades cuando el carvacrol está en menores cantidades y esto se presenta cuando la parte de la planta que se usa para la extracción del aceite esencial es muy joven, y aseveran que este aceite es el precursor del carvacrol.

El timol y el carvacrol, son compuestos fenólicos que son similares estructuralmente difiriendo en la posición del grupo hidroxilo. Como ya se dijo en el apartado anterior, los compuestos con estructura fenólica poseen una mayor actividad antimicrobiana que los que no la poseen y la presencia y localización del grupo hidroxilo es un factor importante en esta actividad.

Algunos investigadores, observaron que el carvacrol y el timol actuaban de forma diferente frente a microorganismos Gram positivos y negativos, también en otros estudios no se observó la importancia de la posición del grupo hidroxilo, y la capacidad antimicrobiana del timol y carvacrol fue similar.

El carvacrol y el timol aumentan la permeabilidad de la membrana celular desintegrando la membrana externa de las bacterias Gram negativas, liberando los lipolisacáridos (LPS) y aumentando la permeabilidad de la membrana citoplasmática a ATP. Las mediciones de ATP interno y externo revelaron que el ATP celular interno disminuía mientras que no había un aumento proporcional en el exterior celular, de acuerdo a esto se presume que la tasa de síntesis de ATP disminuyo o que la tasa de hidrólisis de ATP incrementó. En un estudio, se evidenció que las toxinas diarreicas de B.cereus se vieron inhibidas por la presencia de carvacrol tanto en medio de cultivo como en sopa y esto puede deberse a que la excreción de la toxina es un proceso activo, y de acuerdo a las dos presunciones anteriores no hay suficiente ATP o fuerza protonmotriz (FPM) para exportarla fuera de la célula.

Alternativamente el crecimiento específico da a teorizar que la célula usa la energía (ATP) para mantener las funciones vitales para sostener su viabilidad, dejando a un lado la producción de toxinas.

El carvacrol interactúa con la membrana uniéndose a la bicapa de fosfolípidos, provocando la desestabilización de la misma, aumentando su fluidez e incrementando la permeabilidad pasiva. También, se ha observado el paso de metabolitos celulares a través de la membrana celular. El potencial de membrana también disminuye, debilitando la FPM y el gradiente de pH a través de la membrana. Se concluye por tanto que el carvacrol crea canales a través de la membrana empujando las cadenas de ácidos grasos de los fosfolípidos, permitiendo que los iones abandonen el citoplasma.

Por otro lado, el timol se une a las proteínas de membrana de manera hidrofóbica y por puentes de hidrogeno, lo que cambia las características de la permeabilidad de la membrana. Estudios demostraron, que el timol tiene un efecto más inhibitorio en un pH de 5.5 que en uno de 6.5. Al estar en un pH acido la molécula de timol se vuelve más indisociable y por tanto mas hidrofóbica, y por tanto se puede unir mejor a las aéreas hidrofóbicas de las proteínas disolviéndose mejor en la fase lípida lo que puede apoyar la confirmación de la salida de iones intracelulares de K+ por el cambio de la permeabilidad de la membrana.

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