Mécanismes d’action des antibiotiques

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1.2 Mécanismes biologiques liés à l’antibiothérapie et à l’antibiorésistance . 32

1.2.2 Mécanismes d’action des antibiotiques

On distingue cinq modes d’action principaux des antibiotiques (cf schéma 1.24) :

— inhibition de la synthèse de la paroi cellulaire

— effet sur la membrane cellulaire

— inhibition de la synthèse protéique

— inhibition de la réplication et de la réparation de l’ADN

— inhibition de la synthèse des folates

Les différents modes d’action et plus particulièrement le mode correspondant à l’in-hibition de la création de la paroi peptidique (car correspondant au mode d’action de l’ampicilline, antibiotique étudié pendant cette thèse) vont être détaillés. Ces modes peuvent se décomposer en deux familles. Les antibiotiques à effet bactéricide (qui tuent les bactéries) et les antibiotiques à effet bactériostatique (qui empêchent la multiplica-tion des bactéries).

Figure 1.24 – Schéma récapitulatif des cinq modes d’action principaux des antibiotiques

Inhibition de la synthèse de la paroi cellulaire

Il existe différents mécanismes permettant d’inhiber la construction de la paroi cellulaire. La famille d’antibiotiques la plus connue ayant cet effet est celle des β -lactames (molécule d’antibiotique contenant un cycle β-lactame, cf figure 1.25) dont les membres sont : la pénicilline et ses dérivés, les céphalosporines, les monobactames et carbapénèmes. Initialement, les antibiotiques de la famille des β-lactames étaient principalement efficaces contre les bactéries Gram +, le développement d’antibiotiques de la famille des β-lactames à spectre large a permis l’obtention d’une activité contre les bactéries Gram -. Afin de comprendre précisément le rôle des antibiotiques de la famille des β-lactames, il est important de revenir non pas sur la composition de la paroi de peptidoglycanes mais sur la manière dont elle est synthétisée par la bactérie.

Figure 1.25 – Structure générale des dérivés de la pénicillines, le cycleβ-lactame est repré-senté en rouge, le R représente différents groupements donnant des dérivés de la pénicilline.

[35]

La cible des β-lactames est une enzyme responsable de la solidité de la paroi cel-lulaire. Comme expliqué précédemment, cette dernière est principalement composée de peptidoglycanes, réseau formé de chaînes de disaccharides (N-acetylglucosamine et acide N-acetylmuramique) (cf figure 1.23) sur lesquelles sont greffés des chaînons de peptides. Ces derniers sont reliés entre eux par l’enzyme transpeptidase formant ainsi

1.2. Mécanismes biologiques liés à l’antibiothérapie et à l’antibiorésistance 41 un réseau de peptidoglycanes schématisé en figure 1.26. C’est cette enzyme qui est la cible des β-lactames [56, 57]. L’inhibition des liaisons entre les chaînes peptidiques au sein de la paroi de peptidoglycanes mène à une paroi cellulaire faible incapable de maintenir l’intégrité de la bactérie face à la pression osmotique, conduisant à un écla-tement de la bactérie. Lors de l’inhibition de la transpeptidase, le cycleβ-lactame de l’antibiotique s’ouvre afin de se lier de manière covalente et durable à la transpeptidase (avec une demi-vie allant de quelques heures à quelques jours) [35], interrompant ainsi le cycle catalytique. Dans la figure 1.27 est présentée la réaction chimique de liaison du cycleβ-lactame avec la transpeptidase.

Figure 1.26 – Schéma bidimensionnel du réseau formé par les peptidoglycanes. En réalité cette structure est tridimensionelle.

Figure 1.27 – Réaction entre le cycleβ-lactame et la transpeptidase [35]

Il est important de remarquer sur la figure 1.27 que la liaison de l’antibiotique avec la transpeptidase s’effectue via rupture du cycle (entre le carbone du carbonyle intra cyclique et l’azote de la fonction β-lactame). Cette considération est importante car il s’agira lors des études par simulations numériques de vérifier l’accessibilité de cette fonction carbonyle, et la possibilité de rupture du cycle pour confirmer la potentielle activité bactéricide de l’antibiotique au sein des systèmes étudiés dans cette thèse.

D’autres méthodes d’inhibition de la synthèse de la paroi cellulaire existent et sont utilisées via d’autres familles d’antibiotiques. Par exemple, on pourra citer les

glyco-peptides comme la vancomycine qui intervient en complexifiant les terminaisons pep-tidiques empêchant ainsi l’agrégation en réseau. Une vision schématique est présentée dans la figure 1.28 qui montre la séquestration des terminaisons peptidiques par la vancomycine.

Figure 1.28 – Schématisation de la séquestration des terminaisons peptidiques par la vancomycine [35]

Effet sur la membrane cellulaire

Au delà d’attaques contre la paroi de peptidoglycanes, certains antibiotiques ont un effet directement sur la membrane cellulaire, comme la famille des gramicidines découverte par René Dubos, peptide qui s’insère dans la membrane comme un nouveau pore, augmentant la perméabilité cationique [58].

La polymixine, autre antibiotique agissant comme détergent et détruisant l’intégrité de la bicouche lipidique formant la membrane, permet la destruction de bactéries par sortie des éléments hydrosolubles de la bactérie dans le milieu [59]. L’antibiotique s’in-sère entre les phospholipides externes et entraîne une augmentation anormale de la perméabilité membranaire conduisant à la fuite du matériel intracellulaire vers l’exté-rieur. Les cellules eucaryotes étant elles aussi sensibles à un tel mécanisme, ce genre d’antibiotique est utilisé dans des configurations présentant un risque minimal (notam-ment pour des affections intestinales car l’antibiotique ne peut pas traverser la barrière intestinale). Leur faible utilisation leur assure cependant un faible nombre de souches résistantes, il est donc souvent utilisé comme un antibiotique de dernier recours.

Inhibition de la synthèse protéique

L’acteur central du processus de synthèse des protéines, par lequel l’ARN messa-ger (issu de la transcription de l’ADN) est traduit en protéine, est le ribosome. Ainsi,

1.2. Mécanismes biologiques liés à l’antibiothérapie et à l’antibiorésistance 43 environ la moitié des antibiotiques agissant par inhibition de la synthèse protéique agissent sur, ou au sein, du ribosome. D’autres mécanismes comme l’inhibition de la traduction de l’ARN messager existent. On distingue quatre grandes familles d’anti-biotiques agissant sur la synthèse protéique :

— les aminoglycosides ou aminosides (contenant la streptomycine) qui viennent introduire des erreurs dans la traduction de l’ARN messager conduisant à des protéines aberrantes [60].

— les cyclines (contenant la tétracycline) qui se fixent à la sous-unité 30s du ribosome empêchant la synthèse protéique [61].

— les macrolides et plus récemment les kétolides qui miment l’apparence d’une molécule d’ARN de transfert et viennent prendre sa place au sein du ribosome bloquant ainsi l’agrégation peptidique par encombrement stérique [62].

— les phénicolés qui inhibent la peptidyl transférase, enzyme nécessaire à l’élon-gation des chaînes peptidiques [63].

Inhibition de la réplication et de la réparation de l’ADN

La réplication (ou la réparation) de l’ADN permettant la multiplication bacté-rienne est la quatrième cible des antibiotiques (effet bactériostatique). Les antibiotiques les plus récents inhibant la réplication de l’ADN font partie de la famille des quinolones.

Ils agissent en se liant avec une enzyme de la cellule appelée ADN-gyrase (membre d’un groupe plus large d’enzymes appelées topoisomérases). Cette enzyme intervient en uti-lisant l’énergie pourvue par l’hydrolyse de l’ATP afin de forcer un déroulement local de la double hélice d’ADN pour permettre sa transcription et sa réplication [64, 65]. Pour se répliquer l’ADN est tout d’abord déroulé par une topoisomérase (cf figure 1.29). Par la suite les deux brins sont séparés par l’enzyme hélicase. Enfin l’intervention de plu-sieurs enzymes permet de compléter le brin manquant générant ainsi deux molécules d’ADN à partir d’une seule [66, 67]. En inhibant l’ADN-gyrase, les quinolones bloquent la machinerie de réplication à la première étape [68]. Un autre type de topoisomérase permet le surenroulement de la molécule d’ADN, permettant ainsi un stockage plus compact de l’information génétique. Cette enzyme est elle aussi visée par certains an-tibiotiques de la famille des quinolones, induisant des cassures du brin d’ADN (effet clastogène) [69]. Les quinolones se fixent ensuite au bout du brin d’ADN empêchant son ré-assemblement Enfin, il a été démontré récemment que les quinolones s’attaquaient aussi à la topoisomérase IV [67, 70], une enzyme responsable de la séparation des deux nouveaux brins d’ADN post réplication. Dans ces deux cas la bactérie ne peut plus se reproduire et finit par mourir d’apoptose (mort cellulaire programmée). La revue [66]

présente une liste des différents antibiotiques de la famille des fluoroquinones (sous-famille des quinolones principalement utilisées cliniquement) ainsi que de leur mode d’action spécifique.

Figure 1.29 – Schématisation de la réplication d’ADN

Inhibition de la synthèse de folates

L’avantage de ce mode d’action est sa sélectivité. En effet la production intra-cellulaire de folates est spécifique aux cellules procaryotes. Les organismes eucaryotes obtiennent les folates nécessaires via leur alimentation. Ainsi, en bloquant sélectivement la synthèse intracellulaire des folates, on s’assure de ne pas perturber le fonctionnement des cellules de l’hôte.

Les folates sont une classe de molécules (regroupant la vitamine B9, les acides fo-liques et la folacine) indispensables au fonctionnement métabolique de la cellule, plus particulièrement lors de la synthèse d’ADN et d’ARN en permettant la méthylation de l’ADN et touchant donc par extension la synthèse de protéines. La première classe d’antibiotiques permettant l’inhibition de la synthèse de folates est les sulfonamides dont la découverte fut considérée comme étant celle de la première famille d’antibio-tiques (cf section 1). Une classe plus récente est celle des diaminopyrimidines, avec des antibiotiques comme le triméthoprime et le pyriméthamine qui agissent en inhi-bant non pas la synthèse mais la réduction des folates. Ces antibiotiques sont donc des antibiotiques bactériostatiques car empêchant la reproduction cellulaire en bloquant indirectement la synthèse d’ADN. Ils sont actifs contre des bactéries Gram + comme Gram -.

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