Cours n 5 : Antibiotiques : Mécanismes d action et classification

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1 sur 12 FGSM3 - Formation Générale aux Soins Médicaux de niveau 3

MED0501 - Agent infectieux, Hygiène, Aspects Généraux Pr Thomas GUILLARD

S5 - 10/09/2020

RALITE Mathilde & LHOEST Emeline Correcteur : LOGEART Cassandre

Cours n°5 : Antibiotiques : Mécanismes d’action et classification

Note du correcteur : Ce cours est parvenu uniquement sous forme de diaporama sans aucun commentaire audio. Je vous conseille de vous référer au ronéo de l’année 2019-2020 qui est nettement plus complet. Je me suis permise d’ajouter tout

de même les passages d’explications manquants en italiques.

Les objectifs : être capable de définir :

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Antibiotiques (ATB)

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Les différents mécanismes d’action des ATB

-

Les familles d’ATB en fonction des modes d’action

-

Les principaux ATB dans chacune de ces familles

I) Définitions

Antibiotique (ATB) : C’est une substance produite par des champignons ou des bactéries, ce sont des dérivés sémi-synthétiques ou synthétiques. Ils inhibent sélectivement certaines voies métaboliques des bactéries sans exercer habituellement d’effets toxiques pour les organismes supérieurs.

A l’heure actuelle :

-

De moins en moins de nouveaux ATB

-

De plus en plus de résistances

-

L’utilisation rationnelle des ATB est donc essentielle !!

Mécanismes d’action des ATB :

II) ATB altérant ou agissant sur la synthèse de la paroi bactérienne

Il y a 4 familles d’ATB qui agissent sur la paroi bactérienne :

1. Bêta-lactamines 2. Glycopeptides 3. Fosfomycine 4. Polymyxines

1. Inhibition de la synthèse ou altération de la paroi bactérienne.

2. Inhibition de la synthèse protéique.

3. Inhibition de la synthèse des acides nucléiques (AN)

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2 sur 12 Le peptidoglycane (PG) :

(D’après le cours de l’an passé) :

L’élément principale de la paroi est le peptidoglycane. En fonction de la paroi, on différencie :

Gram + : le peptidoglycane énorme et bien à l’extérieur

Gram - : le peptidoglycane fin et situer entre une membrane interne et une autre externe.

Donc la classification facile au microscope : Pour les gram + : on a une coloration Violette Pour les gram - : on a une coloration Rose On peut remarquer que le peptidoglycane est structurellement différent entre les gram + et les gram –, donc les ATB ne doivent pas avoir les même propriétés.

Structure : Ce sont des filaments réticulés osidiques

composé de

- N-acétyl glucosamine

- Acide N-acétyl muramique avec des bras tétrapeptidiques

- Liaisons β1-4 galactosidique.

Ces dimères forment une chaine autour de la bactérie. Elles sont fixées entres elles en décalés par un pont interpeptidique entre les tétrapeptides et les ANAM. Ces ponts permettent de les accumuler autour de la paroi et de former un amoncellement autour de la paroi pour obtenir une paroi épaisse (= rôle de point de colle).

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3 sur 12 Synthèse :

C'est le rôle des PLP (= protéines liant les pénicillines).

Il y a un équilibre entre la synthèse et la destruction du PG.

Les PLP sont des enzymes dans la paroi et assurant un rôle métabolique dans - Soit glycosyltransférase (GT) ¼ formation de la Liaison β 1-4 galactosidique

entre le NAG et ANAM

- Soit transpeptidase (TP) ¼ formation des ponts Interpeptides portés par les ANAM

En clair les PLP permettent la synthèse des peptidoglycanes :

1. Synthèse intracytoplasmique des précurseurs pentapeptidiques = ANAM avec 5 peptides + NAG

2. Translocation des précurseurs dans l’espace périplasmique (au-dessus de la membrane plasmique)

3. La PLP va assembler les précurseurs pentapeptidiques dans l’espace périplasmique

Gram – : peptidoglycane au niveau de la membrane périplasmique.

Gram + : peptidoglycane à l’extérieur de la membrane plasmique

à Donc par exemple les pénicillines se fixent sur les PLP empêchant ainsi l’assemblage des précurseurs.

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4 sur 12 Les bêta-lactamines (une des plus grandes familles d’ATB) :

Action

Les β-lactamines (ex : pénicilline) inhibent les PLP en se fixant dessus :

= empêchent de créer le pont interpeptidique

= pas de réticulation des chaines

= peptidoglycane complétement lâche et souple

= donc perte de la capacité de résister à la pression osmotique et aux échanges ioniques -> la bactérie meurt.

-

Ciblent les PLP situées dans l’espace périplasmique

-

Les bêta-lactamines sont hydrophiles donc la paroi est un obstacle à la diffusion (besoin des porines pour passer la paroi)

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Analogie structurale avec la terminaison D-Ala-D-Ala du précurseur du PG

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Fixation covalente sur les PLP = substrats suicides des PLP au niveau du site actif

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Activité enzymatique des PLP inhibée par leur liaison avec les Bêta-lactamines

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Action bactéricide Classification

Simplifiée

Pénicillines -

Pénicillines G ou V : Benzylpénicilline, pénicilline V

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Pénicillines A : Ampicilline, amoxicilline

-

Pénicillines M : Méticilline (créée pour détruire Staphylococcus aureus) mais elle n’existe plus), oxacilline (traitement de référence de Staphylococcus aureus non résistant à la méticilline), cloxacilline

-

Carboxypénicillines : Ticarcilline

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Uréidopénicillines : Pipéracilline

-

Pénicilline + inhibiteur de pénicillinase ou de β- lactamases (une molécule qui inhibe la β- lactamases alors la PLP devient libre permettant ainsi la liaison des pénicillines sur la PLP, on l’utilise souvent dans les bactéries qui produisent des pénicillinases): Amoxicilline ou ticarcilline + acide clavulanique

Pipéracilline + tazobactam

Céphalosporines -

de 1ère génération (C1G) : Céfalotine, céfaclor, céfazoline, céfalexine

-

de 2ème génération (C2G) : Céfamandole, céfuroxime, céfotétan, céfoxitine (surtout utilisé en prophylaxie préopératoire et infections respiratoires)à Antibioprophylaxie surtout

-

de 3ème génération (C3G) : importantes : Cefotaxime, ceftriaxone, ceftazidime, cefpodoxime

Attention : Pas d’action sur entérocoques ni Listeria spp.

-

à large spectre (C4G) : Cefpirome, céfépime (action sur les entérobactéries producteur de céphalosporinase naturellement)

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5 sur 12 Les Glycopeptides :

Action et structure

Ils ont une structure 3D en forme de poche.

Ce sont des grosses molécules en forme de manchon qui vont manchonner le motif D-Ala- D-Ala de la chaine peptidique (= deux derniers peptides de la chaîne tétrapeptidique permettant de former les ponts interpeptidiques du PG). On a donc une accumulation des précurseurs pentapeptidiques qui ne peuvent plus être réticulés.

Ainsi ils empêchent la Formation des PG en se fixant aux précurseurs pentapeptidiques.

Action des Glycopeptides :

-

Pas de pénétration dans le cytoplasme = action après translocation

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Protection de D-Ala-D-Ala du précurseur du PG

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Encombrement stérique pour les transpeptidases et glycosyltransférase

-

Pas de précurseurs peptiques disponibles pour la transpeptidation

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Action bactéricide

A retenir

-

Inhibition de la synthèse du PG

-

Bactéricide

-

Spectre étroit : gram +

-

Vancomycine, Teicoplanine et Daptomycine

Note : Les entérocoques Cocci gram+ trouvé dans le tube digestif et les Listéria spp sont résistants au Céphalosporines.

Monobactams

- Aztréonam : anti-gram - (surtout utilisé pour Pseudomonas aeruginosa) (connue aussi par bacille pyocyanique, bacille du pus bleu)

Carbapénèmes -

Stabilité vis à vis des bêta-lactamases : Imipénème, méropénème, doripénème, ertapénème

à à réserver pour les souches résistantes et infections sévères (très utile en dernier recours) pour ne pas favoriser l’émergence des résistances à cette classe d’ATB.

A retenir :

-

Inhibition de la synthèse du PG

-

Bactéricide (important +++)

-

Spectre large (gram + et gram -) mais dépendant :

à chez les gram + : des lipides de la paroi (entérocoques)

à chez les gram - : de la pénétration de la membrane externe (passage lipophile ou par porines)

-

Localisation dans l’espace périplasmique car ciblent les PLP

-

Classification simplifiée : 4 familles de molécules

(Pénicillines, céphalosporines, monobactams et carbapénèmes)

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6 sur 12 La Fosfomycine :

Action à Inhibition de phase précoce (intracytoplasmique) du PG à Synthèse intracytoplasmique des précurseurs pentaptidiques

Pour fabriquer le ANAM il faut une pyruvyltransférase, qui est inhibée par la fosfomycine

= bloque la synthèse des précurseurs en empêchant le transfert de NAG avec le ANAM

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Passage de la membrane externe par les porines (gram -) : canaux dans la membrane des bactéries qui laissent passer quelques ATB hydrophiles qui ne peuvent pas passer par la bicouche lipidique.

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Passage du PG car petite molécule (gram +)

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Passage de la membrane cytoplasmique par transport actif (GlpT et UhpT)

-

Inhibition de la pyruvyl-transférase

-

Bactéricide

A retenir

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Inhibition de la synthèse du PG

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Bactéricide

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Synergie quasi-constante avec les autres ATB

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Spectre large (gram + et gram -)

-

Émergence de mutants résistants = ne pas utiliser en monothérapie

Les Polymyxines : Action

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ATB cycliques naturels isolés de Bacillus

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Affinités pour la membrane externe

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Cycle poly cationique se fixe aux phosphates du LPS (lipopolysaccharides)

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Désorganisation de la membrane externe (comme un savon)

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Rupture osmotique et fuite de composants intracytoplasmiques (ce qui détruit la cellule) A retenir

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Fixation à la membrane externe et désorganisation

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Bactéricides

-

Spectre = gram - (Pseudomonas aeruginosa)

-

Colistine (devient de plus en plus utilisé)

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III) ATB inhibant la synthèse protéique

Dans les familles d’ATB qui inhibent la synthèse protéique il y a : 1. MLSK

2. Chloramphénicol 3. Oxazolidinones 4. Aminosides 5. Cyclines 6. Acide fusidique

• Maintenant, où agit quoi ? :

On sait que les ribosomes sont constitués d’une sous-unité 50S et d’une 30S. Les molécules qui agissent sur le ribosome bloquent la traduction en protéines :

-

Les MLSK et Chloramphénicol agissent sur la sous-unité 50S, particulièrement sur l’ARN 23S.

-

Oxazolidinones : agissent au niveau du site actif présent sur la jonction de la zone 50S et 30S, donc sur les ARN 23S et 16S.

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Cyclines et Aminosides : agissent sur la sous-unité 30S

1. Les MLSK ou Macrolides apparentés : Lincosamides, Synergistines et Kétolides

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Traversée de la membrane cytoplasmique

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Action dans le cytoplasme = fixation ARN 23S

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Bactériostatiques (ML) et bactéricides (SK)

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Spectre étroit = gram +, intracellulaires et quelques gram - (Helicobacter sp., Moraxella catarrhalis…) (notamment dans le traitement des diarrhées infectieuses à campylobacter ou à salmonelle)

-

C’est un des seuls antibiotiques qui sera donné pour traiter les intracellulaires, notamment au niveau pulmonaire. Ici les ß Lactamines seraient inefficaces, car en effet, il n'y a pas de membrane pour les intracellulaires, or les ß-Lactamines agissent sur les membranes.

On y trouve :

- Macrolides (Erythromycine, Clarithromycine, Azithromycine…) - Lincosamides (Lincomycine, Clindamycine…)

- Synergistine (Strertpogramine A + B = pristinamycine) - Kétolides (Télithromycine) antipneumococcique 2. Le Chloramphénicol

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Traversée de la membrane cytoplasmique

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Bactériostatique

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Spectre large = gram +, gram - et intracellulaires

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Toxicité +++ (une des raisons pour laquelle il est peu utilisé en France contrairement aux USA, sauf pour le Thiamphénicol, un dérivé, utilisé dans quelques cas compliqués)

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Thiamphénicol (seule molécule commercialisée en France)

3. Les Oxazolidinones

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Action dans le cytoplasme = distorsion du site de fixation des ARNm (sous-unité 50S)

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Absence de résistance croisée avec autres ATB

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Bactériostatiques (entérocoques) et bactéricides (Streptocoques)

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Spectre étroit = gram +

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Linezolide est le seul représentant 4. Les Aminosides

(très importants) 3ème famille la plus utilisée en médecine

-

Traversée de la membrane externe par les porcines (gram -)

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Traversée du PG (gram + et gram -) (« En gros ça traverse bien, y’a pas de problème »)

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Traverse de la membrane cytoplasmique énergie-dépendant (systèmes de transport actif de la respiration bactérienne)

Pour pouvoir passer les membranes, les aminosides doivent utiliser la chaîne de phosphorylation oxydative (la chaine respiratoire) comme moyen énergétique pour pénétrer dans la bactérie. Ce qui explique que les aminosides agissent :

• Très bien sur les bactéries en aérobie

• Beaucoup moins bien sur les bactéries anaérobies

Les bactéries anaérobies strictes et aérotolérants comme les streptocoques sont résistants à bas niveau aux aminosides. Donc en labo quand on teste les ATB pour déceler une résistance aux aminosides pour les streptocoques, on utilise des charges plus élevées que pour les entérobactéries par exemple.

Ce qui implique pour le clinicien, qu'il va pouvoir utiliser l'association Aminosides + ß-Lactamines si et seulement s’il n’y a pas de résistance importante à haut niveau.

Si nous avons un streptocoque qui est sensible, on peut utiliser cette association.

Par contre si l'ATB testé à haut niveau est intermédiaire ou résistant, cette association ne peut plus être faite : on l’utilise seulement quand il n'y a pas de résistance à haut niveau.

En revanche, les aminosides sont complètement efficaces chez les entérobactéries par exemple.

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Bactéricides

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Spectre large = gram + et gram -

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Gentamicine, Amikacine, Tobramycine, Streptomycine…

5. Les Cyclines

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Traversée de la membrane cytoplasmique par diffusion passive

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Action dans le cytoplasme = fixation à la sous-unité 30S

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Bactériostatiques

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Tétracycline (chef de file), Doxycline, Minocycline

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IV) ATB agissant sur les acides nucléiques

1) Quinolones Lors de la réplication du chromosome, la fourche de réplication d’ADN va s’ouvrir et les polymérases vont assurer la réplication du chromosome bactérien. Les topoisomérases sont des enzymes qui modifient la topologie de l’ADN et assurent l’ouverture de la double hélice (par sa capacité à assurer le surenroulement ou le désenroulement de l’ADN) et donc la possibilité de réplication du chromosome bactérien.

Chez les bactéries, il y a 2 types de topoisomérases : les topoisomérases IV et l’ADN gyrase.

Les quinolones agissent dessus en les inhibant en bloquant le complexe ADN- topoisomérase, et gardent donc la fourche ouverte continuellement : impossibilité de synthétiser correctement l’ADN. Elles agissent différemment aussi selon si c’est un gram+ ou gram-.

Doncplus de protéines → la bactérie meurt A retenir sur les Quinolones :

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Inhibition de l’ADN gyrase et de la Topoisomérase IV qui sont ses cibles

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Les topoisomérases contrôlent surenroulement de l’ADN

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Cassures doubles brins

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Blocage réplication et transcription

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Résistances en augmentation

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Bactéricides : les cassures d’ADN ne pouvant être réparées, la cellule meurt.

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Spectre très large : gram + et gram –

è 3 groupes de Quinolones : A) Quinolones « classiques » :

Acide nalidixique (à la base appelé Negram, parce que ça jouait sur les gram négatifs) agit que sur les entérobactéries, surtout dans les infections urinaires.

B) Fluoroquinolones : ajout d'un atome de Fluor aux Quinolones, ce qui a considérablement modifié le spectre d’action : le spectre est devenu plus large (gram+, gram - et intracellulaires)

Les plus utilisés : Ofloxacine, Ciprofloxacine, Norfloxacine

C) Nouvelles fluoroquinolones : à la base mises sur le marché pour traiter le pneumocoque. Levofloxacine (extrêmement efficace sur les gram-, car, remarquez, LEVOfloxacine, c’est le composé lévogyre de l’ofloxacine, forme très active, jusqu’à 2x plus efficace, pouvant être administré per os), Moxifloxacine (grands concurrents de la Télithromycine dans les infections pulmonaires à pneumocoques

On essaie actuellement de mettre les Quinolones en dernier recours.

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10 sur 12 2) Sulfamides et

Triméthroprime C’est une association de 2 ATB, existant depuis la 1ère Guerre Mondiale.

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Le principe : Ils agissent sur la synthèse des bases puriques, dans le métabolisme de l'acide folique. À partir d'un précurseur de l’acide folique, on pourra avoir des bases puriques et pyrimidiques pour pouvoir fabriquer de l'ADN et ARN.

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Il existe deux étapes clés avec 2 enzymes : la première est la synthèse de l’acide dihydrofolique grâce à la DHPS et la seconde correspond à la réduction de cet acide par la DHFR, la première est inhibée par les sulfamides, la deuxième par les triméthoprimes.

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Les sulfamides inhibent la DHPS ; mais si la bactérie acquiert une mutation de l’enzyme DHPS : la bactérie devient insensible aux sulfamides, la synthèse est restaurée.

-

Donc une seconde molécule a été synthétisé : le triméthroprime qui agit sur la DHFR

.

à Inhibition des phases de synthèses des précurseurs des bases nucléotidiques

A retenir :

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Inhibition de la synthèse des folates (bases d’acides nucléiques)

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Sulfamides = bactériostatiques

-

Triméthroprime = bactériostatique

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Sulfamides + Triméthroprime = Cotrimoxazole = bactéricide ++++

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3) Les Rifamycines

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^Elleinhibe l’ARN polymérase (responsable de transformer l'ADN en ARNm) et donc bloque la transcription.

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Spectre surtout gram + et utilisé pour la BK dans la tuberculose

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Une seule molécule : la Rifampicine

à Inhibition de la transcription, s’intercale entre sous-unités bêta et ARN

4) Les Nitro-

imidazolés On ne connait pas très bien ces molécules. On pense qu'ils agissent en synthétisant des espèces réactives oxygénées, radicaux -Hydroxyl, qui génèrent des cassures d’ADN. Ils doivent subir une réduction par les transporteurs d’électrons intracytoplasmique. Ils

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11 sur 12 sont essentiellement utilisés en parasitologie.

En bactériologie : Métronidazole = bactérie anti-anaérobie

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Bactéricides

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Spectre : anaérobies +++ (utilisé en chirurgie digestive), ou microaérophiles (cultivés à des basses concentrations d’oxygène)

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Métronidazole : seule molécule utilisée en bactériologie, dans le traitement des infections anaérobies

C’était jusqu’à longtemps le traitement à Clostridium difficile NON COMPLIQUÉ (et non pas COMPLIQUÉ comme à l’hôpital). A l’hôpital cette bactérie est traitée avec de la vancomycine.

A retenir :

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Réduction par les transporteurs d’électrons intracytoplasmiques

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Bactéricides

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Spectre = anaérobies, microaérophiles et antiparasitaires

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Métronidazole

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Dérivés intermédiaires actifs (= radicaux libres ?)

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Coupures des brins d’ADN

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Traitement des infections à Clostridium difficile

5) Les Nitrofuranes

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Mode d’action proche des Nitro-imidazolés (mais très peu connu)

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Réduction par les nitroréductases

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Dérivés intermédiaire actifs (= radicaux libres ?)

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Coupures des brins d’ADN

A retenir :

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Bactéricides ou bactériostatiques selon la dose

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Spectre large = gram - et gram +

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Nitrofurantoine

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Traitement des infections urinaires uniquement

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12 sur 12 Mécanismes d’action des ATB et classification : synthèse

Annales 2018-2019 :

Q27 : Parmi les ATB ci-dessous, indiquez celui/ceux ayant une activité sur la paroi ? A) Glycopeptides

B) Cyclines C) Quinolones D) Synergistines E) Monobactams

Q31 : Parmi les propositions suivantes concernant les aminosides, quelle(s) est(sont) la(les) proposition(s) exacte(s) ?

A) Les aminosides ont un large spectre d’action B) Les aminosides se fixent à l’ARN 16S

C) Les aminosides ont une activité bactériostatique D) Les aminosides ont une activité sur la paroi E) Les aminosides ont une activité bactéricide

Annales 2019-2020 :

Q24 : Parmi les propositions suivantes, indiquez quelle est la réponse exacte.

A) Les bêta-lactamines se fixent au site actif du ribosome B) Les bêta-lactamines inhibent la synthèse d’ADN

C) Les bêta-lactamines sont inhibées par les protéines liant les pénicillines D) Les bêta-lactamines inhibent la synthèse du peptidoglycane

E) Les bêta-lactamines ont pour cible les bêta-lactamases bactériennes

Réponses :

2018-2019 : Q27 : AE et Q31 : ABCD 2019-2020 : Q24 : D