BIOQUÍMICA DEL BIOFILM CARIOGÉNICO - Facultad de … · ENFERMEDADES ASOCIADAS A PLACA:...

Cátedra de Bioquímica General y Bucal –FOUBA-

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BIOQUÍMICA DEL

BIOFILM CARIOGÉNICO

ENFERMEDADES ASOCIADAS A PLACA:

CARIOLOGIA Y PERIODONTOLOGIA

CÁTEDRA DE BIOQUÍMICA GENERAL Y

BUCAL- FOUBA

2012

Dirección Nacional del Derecho de Autor

Expediente Nº 832373


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INTRODUCCIÓN

El desarrollo de la biopelícula o biofilm dental puede considerarse el desencadenante de las

enfermedades prevalentes en la cavidad bucal: caries y enfermedad periodontal.

La caries dental es una enfermedad de origen bacteriano de etiología multifactorial y que

afecta a las estructuras mineralizadas dentales, como el esmalte dental. Cuando alcanza el límite

amelodentinario avanza a un ritmo mayor que en el esmalte pudiendo alterar también de esta forma

a la dentina y aún al cemento. Por tratarse de estructuras mineralizadas, no pueden ser aplicados

los métodos tradicionales para estudiar enfermedades infecciosas. La lesión cariosa es la

manifestación clínica de un proceso patológico que viene aconteciendo desde mucho tiempo antes

de la aparición de la lesión; por lo tanto, no debe ser confundida con la enfermedad.

Si bien esta enfermedad afecta prácticamente a la totalidad de la población mundial

portadora de dientes, su incidencia ha disminuido de manera importante en la mayor parte de los

países desarrollados en los últimos años, probablemente por las campañas de prevención puestas

en marcha.

El biofilm, por ser una estructura viviente, no es definido y estable. Constituye un

conglomerado dinámico y complejo de bacterias, materia orgánica y sustancias inorgánicas. Su

composición varía de una a otra persona, entre distintas localizaciones en la cavidad oral e incluso

entre posiciones diferentes dentro de la misma pieza dental.

Es innegable la relación existente entre la actividad bacteriana y estos procesos, por lo cual

trataremos de explicar los mecanismos de formación de la biopelícula como también las vías

metabólicas de los microorganismos involucrados.

El adecuado conocimiento de su estructura viable y de las relaciones que tiene con el

alimento y los fluidos orales debe dar lugar a técnicas para controlar, inhibir y eliminar el biofilm.

Los dientes no se han de “limpiar” como si se tratara de un depósito inerte en la superficie del

diente, esto implicaría una gran simplificación de la naturaleza del biofilm.

COMPOSICIÓN QUÍMICA DEL BIOFILM EN SALUD

Dado que el biofilm es una inmensa aglomeración de células, su contenido en agua se

parece al de las bacterias y fluctúa entre un 70 y 80%. Estudios recientes han señalado que existen

dos compartimientos principales en el biofilm dental: una fase acuosa y otra fase sólida o celular.

La fase acuosa representa el 10 al 25% del peso total del mismo.

Las proteínas constituyen el componente principal de la fase sólida (30-50% del peso

seco), siendo aportadas por la secreción salival y el fluido crevicular. También se encuentran

lípidos en una concentración que varía entre el 10 y el 15% del peso seco. No se conoce la

naturaleza de éstos, ni su función en la actividad metabólica del biofilm y su virulencia.

Aproximadamente del 5 al 10% del peso seco está constituido por materia inorgánica , con

predominio de calcio, fosfatos y potasio. Los oligoelementos como el flúor, varían según el


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contenido del mismo en el agua y alimentos consumidos.

Los carbohidratos constituyen el otro componente del biofilm que está sometido a grandes

variaciones de concentración y composición. Dicho biofilm contiene entre un 10 y un 20 % del

volumen en forma de polisacáridos.

El principal polisacárido extracelular (PEC) aislado del biofilm es el glucano, un polímero de

la glucosa cuyos enlaces predominantes son α (1→6), además de una elevada proporción de α

(1→3). La fructosa es el componente principal de otro polisacárido hallado en el biofilm,

denominado comúnmente levano o fructano. Una de las diferencias importantes entre el fructano y

el glucano soluble en agua, es que el primero puede ser degradado por el biofilm bacteriano,

mientras que el segundo es muy resistente a la acción hidrolítica enzimática. Por consiguiente el

levano desaparece frecuentemente del biofilm después de haber sido sintetizado, constituyendo así

una reserva de azúcares fermentables para la flora oral.

Otro polisacárido hallado en el biofilm es un polímero formado intracelularmente. El polímero

intracelular (PIC) se parece al almidón o al glucógeno, y está constituido por unidades de glucosa

enlazadas mediante uniones α (1→4).

El significado biológico de los polisacáridos en el biofilm ha sido sometido a numerosos

estudios. Los puntos más importantes son:

1. La formación de polisacáridos representa un mecanismo para almacenar energía en la

célula y a su alrededor, de la cual se dispone en ocasiones cuando se presenta una

necesidad metabólica.

2. La síntesis de los polisacáridos también representa una vía metabólica que permite a las

células bacterianas manejar grandes concentraciones de carbohidratos sin tener que utilizar

las vías glucolíticas u oxidativas.

3. Los polisacáridos extracelulares (PEC) son importantes en los procesos de adherencia

entre las células, así como entre ellas y otras estructuras dentales, como la película y la

hidroxiapatita.

4. Los PEC actúan como una barrera que impide la difusión de nutrientes y productos

metabólicos finales en su entrada o salida del biofilm.

Todos estos factores tienen un significado importante para determinar la patogenia de las

enfermedades asociadas al biofilm, y merecen una cuidadosa consideración por los profesionales

de la salud bucal.

FACTORES NUTRICIONALES

Como toda forma de vida, los microorganismos requieren un aporte de nutrientes para su

mantenimiento y crecimiento. Éstos nutrientes proporcionan a los organismos la energía necesaria

para sus reacciones biosintéticas, así como la materia prima para la síntesis de los componentes

celulares. La microflora oral puede alimentarse de un conjunto de nutrientes que a veces es


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superabundante, pero en otras ocasiones es intermitente y limitado en los sustratos requeridos. Las

fuentes pueden ser los tejidos y secreciones del huésped, su dieta y también productos

metabólicos de los microorganismos que habitan en estrecha proximidad.

Los microorganismos orales presentan gran diversidad de requerimientos nutricionales.

Como fuente de energía algunos de ellos utilizan carbohidratos mientras que otros pueden preferir

aminoácidos o ácidos orgánicos. Para el crecimiento todos necesitan componentes nitrogenados.

Las necesidades de nitrógeno son satisfechas por péptidos, aminoácidos o, en algunos casos,

amoníaco. Todos necesitan vitaminas, minerales, purinas, pirimidinas, ácidos grasos y otros

factores de crecimiento. Debido a la gran diversidad nutricional de los microorganismos, es lógico

esperar que la localización de cada uno de ellos se vea grandemente influida por la disponibilidad

de los nutrientes requeridos.

Por lo tanto, el metabolismo y la actividad nutricional de las bacterias del biofilm dependen

de la disponibilidad de nutrientes. En ocasiones, el metabolismo bacteriano se ha de efectuar con

deficiencia de azúcares, fosfatos o compuestos nitrogenados, según la localización del biofilm.

FORMACIÓN DEL BIOFILM

La formación del biofilm tiene lugar aún en períodos de ayuno. Por tal motivo, la matriz del

biofilm dental en la que están inmersas las bacterias, presentará diferentes texturas, grosor y

composición según se forme en ausencia o en presencia de alimentos.

Formación del biofilm en ausencia de ingesta de ali mento

Luego de un correcto cepillado, a las pocas horas se comienza a colonizar la superficie

dentaria. En ausencia de ingesta de alimentos, las bacterias utilizarán fuentes endógenas de

nutrientes . Son nutrientes endógenos los producidos en la cavidad oral del huésped. Las fuentes

de estas sustancias nutritivas incluyen la saliva, el fluido gingival, las células epiteliales

descamadas y los componentes de la sangre. Si bien, en comparación con la saliva, se secretan

pequeñas cantidades de líquido del surco gingival, éste aporta albúmina, hemina y α-2-globulina,

que son requeridos específicamente por algunos microorganismos.

Además, hay otra fuente de nutrientes endógenos, derivada de la facultad de algunos

microorganismos para utilizar productos metabólicos terminales o factores de crecimiento liberados

por microorganismos vecinos.

Los nutrientes endógenos pueden tener significado en algunos casos, por ejemplo, en

pacientes alimentados exclusivamente por tubos gástricos, en cuyos dientes se ha observado

abundante depósito de biofilm bacteriano.

Por lo tanto, el metabolismo bacteriano dependerá de los sustratos metabolizables

disponibles. En una situación de ayuno y en ausencia de carbohidratos fácilmente metabolizables,

sólo disponen de los azúcares derivados de las glicoproteínas salivales. Esto es posible por la


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acción conjunta de enzimas hidrolíticas extracelulares de dos tipos:

- neuraminidasas que remueven los residuos de ácido siálico provocando la desnaturalización

proteica y su precipitación a partir de la saliva,

- glicosidasas que producen la liberación secuencial de otros azúcares que serán utilizados por las

bacterias como fuente de energía.

La proteólisis de estas proteínas desnaturalizadas produce péptidos y aminoácidos libres

que también podrán actuar como sustratos bacterianos.

En estas condiciones, la matriz extracelular de la biopelícula es delgada y relativamente

porosa derivada en su mayoría de proteínas salivales.

Estas características permiten el paso del oxígeno y fluidos salivales y gingivales hacia el

seno de la biopelícula, así como la difusión de los productos ácidos del metabolismo bacteriano en

sentido opuesto. De esta manera, estos ácidos podrán neutralizarse por acción de los bufferes

salivales o difundir hacia la saliva, con lo cual minimizan el ataque ácido del esmalte.

Formación del biofilm en presencia de alimento

Cuando hay ingesta de alimentos, los microorganismos los utilizarán como fuentes

exógenas de nutrientes . La formación de biopelícula dental es particularmente notoria en las

áreas con fisuras, en los puntos de contacto entre los dientes y en los márgenes gingivales. En

estas áreas los nutrientes serán metabolizados por las bacterias generando productos que

afectarán la integridad de los tejidos dentarios.

La composición, forma y consistencia de la dieta, así como la frecuencia de la ingesta, son

factores importantes a considerar cuando se intenta comprender las relaciones entre la utilización

microbiana de los residuos alimentarios y la composición de la población de bacterias en los

ecosistemas orales. Excepto en situaciones especiales, la eliminación del alimento se completa en

media hora. Además, los nutrientes derivados de los alimentos raramente afectan a la microflora

del surco gingival, ya que el flujo de salida de su líquido actúa impidiendo la penetración de la

saliva y los nutrientes exógenos en este hábitat.

La influencia del contenido de azúcar en la dieta sobre los ecosistemas orales se ha

estudiado más que cualquier otro factor. Hay un gran predominio numérico de microorganismos

que utilizan con preferencia carbohidratos como principal fuente de energía. La mayoría de ellos

elaboran ácidos orgánicos como producto final del proceso, de forma que las zonas donde pueden

acumularse tales ácidos resultan ecológicamente ventajosas para los microorganismos resistentes

a ellos.

La disponibilidad de carbohidratos procedentes de la dieta es intermitente, sin embargo,

algunas bacterias pueden aprovechar el exceso de ellos convirtiéndolos en polisacáridos

intracelulares de reserva (PSI) y/o también en polisacáridos extracelulares (PSE) solubles o

insolubles de reserva y/o de adhesión.

Es necesario tener en cuenta que el tipo de biopelícula que se forme dependerá de las

características de la dieta que se ingiera. Así, el consumo de una dieta rica en proteínas y grasas y


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aún aquella que contiene glucosa o almidón resultará poco estructurada y porosa. En cambio, en

caso de dietas ricas en sacarosa la biopelícula adquiere el aspecto de una capa gelatinosa. Esto

sugiere que existe una relación directa entre el consumo de sacarosa y la presencia de ciertos

homopolisacáridos que serán sintetizados por la flora cariogénica de la biopelícula y que darán a la

misma las características de resistencia y adhesividad.

ACTIVIDADES BIOQUÍMICAS DE LAS BACTERIAS DEL BIOFIL M

ACTIVIDADES EXTRACELULARES DEL BIOFILM

Desde un punto de vista bioquímico, las reacciones más importantes en el biofilm dental

son las relacionadas con la utilización metabólica del sustrato proporcionado por la mezcla

alimento-saliva que entra en contacto con las bacterias del biofilm. Por esta razón, la clase de

alimento y la frecuencia de ingestión tienen máxima importancia para determinar la naturaleza del

biofilm formado, así como su potencial patógeno.

Cuando se mastican alimentos, algunas partículas quedan retenidas sobre las mucosas y

las superficies de la lengua, y también se depositan en los dientes, particularmente en las áreas

interproximales. La saliva contiene α-amilasa, que actúa aleatoriamente sobre las moléculas de

almidón dando, como productos de hidrólisis, una mezcla de glucosa, maltosa, dextrina y polímeros

pequeños de glucosa (9-10 unidades). Este efecto de la amilasa salival tiene poca importancia

desde el punto de vista de la digestión de alimentos; sin embargo, no debe ser subestimado en

relación con la salud oral. El almidón, debido a su alto peso molecular no es capaz de difundir en el

biofilm, pero los productos derivados de la rotura del mismo pueden proporcionar sustratos

fermentables algún tiempo después del la masticación del mismo, teniendo en cuenta que es una

molécula con un alto grado de retentividad.

La saliva contiene, además, sistemas enzimáticos como las óxidorreductasas o las

deshidrogenasas. Estas pueden convertir, en presencia de NAD, alguno de los polialcoholes (por

ejemplo sorbitol) en fructosa, la que, a su vez, sería mejor metabolizada por las bacterias del

biofilm.

Estas reacciones enzimáticas no han sido evaluadas extensamente con respecto a su

contribución al metabolismo del biofilm y deben ser consideradas en la futura investigación. Sin

embargo, el metabolismo de los monosacáridos y disacáridos ha sido estudiado con mayor detalle.

Tanto los estreptococos cariogénicos (Streptococcus mutans) como los no cariogénicos

(Streptococcus salivarius, mitis, sanguis, milleri) producen cantidades semejantes de polisacáridos

extracelulares pero sólo los sintetizados por los cariogénicos resultarán adhesivos.


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Es decir que:

Estos polisacáridos extracelulares pueden ser homopolímeros de glucosa (glucanos) o de

fructosa (fructanos). Dentro de los glucanos se encuentran los dextranos y mutanos que difieren en

el tipo de unión glucosídica como también en sus funciones y solubilidad en agua. Por su parte los

fructanos están representados por el grupo de los levanos que, en contraposición, son lineales.

Estas características se resumen en el siguiente cuadro:

Denominación

Tipos de uniones

Cadena lineal Ramificación

Funciones

Solubilidad

dextranos

α 1,6 α 1,4 ó α 1,3

Reserva

energética

Sí

Glucanos

mutanos α 1,3 α 1,6 ó α 1,4 Adhesión

No

Fructanos

levanos

β 2,6 ---

Reserva

energética

Sí

Las estructuras correspondientes a dextranos y levanos se muestran en el siguiente esquema:

Figura 1: Estructura de un glucano ramificado donde se ven los enlaces α- 1, 6 de las cadenas lineales y las

ramificaciones α- 1, 4 y α- 1,3.

La diferencia entre los microorganismos cariogénicos y no cariogénicos no reside en la cantidad sino en la calidad de los

polisacáridos que producen.


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Figura 2: Estructura de un fructano lineal con enlaces β- 2,6.

Formación de polisacáridos

La sacarosa tiene importancia especial en el metabolismo del biofilm debido a que los

estreptococos tienen enzimas extracelulares sintetizadoras de homopolisacáridos: las

glucosiltransferasas. Estas enzimas aprovechan específicamente la sacarosa como sustrato para

formar polímeros de elevado peso molecular. Tales enzimas extracelulares no sólo son importantes

por sus facultades sintetizadoras, sino también porque representan los mecanismos de enlace que

producen la agregación de las células. Los dos grupos principales de enzimas sintetizadoras de los

homopolisacáridos son las glucosiltransferasas y las fructosiltransferasas.

Las glucosiltransferasas son un grupo de enzimas extracelulares encontradas en

bacterias como St. sanguis y St. mutans. Son responsables de la síntesis de glucanos para lo cual

hidroliza la molécula de sacarosa y transfiere el residuo de glucosa a un polímero de glucano

preexistente.

glucosiltransferasa

Sacarosa + (glucosa)n (glucosa)n+1 + fructosa

glucano

Por su parte, el residuo de fructosa es captado por la célula bacteriana donde tiene dos

destinos: es metabolizado dando como producto final ácidos orgánicos ó bien es acumulado como

polisacárido intracelular de reserva. Los ácidos mencionados difundirán hacia la matriz de la

biopelícula acidificando el entorno y produciendo el consiguiente descenso de pH.

La reacción no parece requerir un cofactor metálico ni coenzimas, y no resulta afectada por

los iones fluoruro. La enzima tiene un amplio pH óptimo (entre 5 y 7).

La enzima fructosiltransferasa encontrada en St. salivarius, A. viscosus y algunos St.

mutans, sintetiza otro polisacárido extracelular importante, homopolímero de la fructosa, al que se

denomina levano o fructano. Este es un polímero de la D-fructofuranosa que muestra un

predominio de enlaces β (2→6), tales polímeros tienen elevado peso molecular, son bastante

solubles y fácilmente degradables. Dado que estas bacterias también son capaces de degradar

dicho polímero, es difícil determinar la verdadera producción de fructano por las bacterias del

biofilm. El sustrato específico para las fructosiltransferasas es la sacarosa, de la que se usa la

fructosa para incrementar el polímero fructofuranosa, liberando una molécula de glucosa en el

proceso. En este caso, la glucosa restante será captada por la célula bacteriana y destinada a la

obtención de energía o almacenada como polímero intracelular de reserva, teniendo el mismo


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efecto sobre la biopelícula bacteriana que los descriptos en el caso de la glucosiltransferasa.

fructosiltransferasa

Sacarosa + (fructosa)n (fructosa)n+1 + glucosa

fructano

Aunque el glucano y el fructano son los principales polímeros extracelulares formados en el

biofilm a partir de la sacarosa, no se deben considerar como los únicos polímeros del biofilm, o que

otros azúcares no pudieran ser utilizados por otros sistemas enzimáticos para producir

polisacáridos diferentes.

Energía de enlace para la síntesis de los polisacár idos

GLUCOSA FRUCTOSA

La sacarosa tiene una unión glucosídica entre α-D-glucosa y β-D-fructosa que incluye los

grupos reactivos de ambas hexosas y que tiene una energía libre de hidrólisis equivalente a la del

ATP. Tal energía es utilizada para la reacción de polimerización. La energía libre de hidrólisis de

maltosa y lactosa es mucho más baja, por lo tanto estos disacáridos no resultan efectivos para la

síntesis de polisacáridos extracelulares. Esto explica por que, si bien otros azúcares pueden ser

metabolizados por las bacterias, la sacarosa es el único hidrato de carbono eficiente para la

síntesis de polímeros extracelulares.

Propiedades del biofilm supragingival

Según hemos explicado, la matriz del biofilm recién formado, en presencia de sacarosa se

convierte con el tiempo en una malla gruesa y gelatinosa de proteínas y polisacáridos, a la que

llamaremos biopelícula madura.

Esmalte

BacteriaMatriz proteica

SacarosaPolisacáridos extracelulares

GlucosaFructosa

Figura 4: Formación de polisacáridos extracelulares por bacterias del biofilm a partir de sacarosa dietaria.

Figura 3: Estructura de la sacarosa


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El efecto de esta biopelícula gruesa consiste en una limitación del libre movimiento de las

moléculas entre la saliva y el biofilm, por ejemplo el oxígeno. Se crea así un ambiente anaeróbico

que favorece la fermentación de los azúcares con producción de distintos ácidos orgánicos tales

como: láctico, fórmico, acético, propiónico, butírico, que se acumulan al difundir con mayor

dificultad y no ser neutralizados por los buffers salivales.

Figura 5: Movimiento de los metabolitos entre la saliva y el fluido del biofilm

Algunos de los polisacáridos formados presentan propiedades de adhesión impidiendo el

barrido de la biopelícula por efecto de la saliva. Otros pueden actuar como reserva de

carbohidratos para uso de las bacterias. En efecto, en el ayuno nocturno los levanos actúan como

reserva energética ya que son degradados por levanasas bacterianas. El Streptococcus mutans

también puede degradar sus depósitos intracelulares, semejantes al glucógeno, obteniendo energía

durante los períodos de escasez de nutrientes.

Es aceptado actualmente que el proceso cariogénico depende más de la forma y frecuencia

de ingestión de azúcar que de la cantidad total de éste que se consume. De modo que si se han de

consumir dulces, es más conveniente hacerlo durante las comidas (seguido de una correcta higiene

dental) que entre ellas.

Curva de Stephan

Es sabido que no todos los hidratos de carbono de la dieta serán utilizados de igual forma

por las bacterias de la biopelícula.

Los carbohidratos poliméricos, como el almidón, son menos accesibles como sustratos para

las bacterias de la biopelícula que aquellos de bajo peso molecular. Ello se debe a que los

polisacáridos, dado su alto peso molecular difunden con menor facilidad que los mono o

disacáridos. Además los polisacáridos deben ser hidrolizados antes de ser metabolizados.

El impacto de los diferentes hidratos de carbono sobre el pH de la biopelícula bacteriana fue

estudiado por Stephan en 1940, quien realizó una medición directa de los cambios de pH en la


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biopelícula dental utilizando un electrodo de antimonio. Así comprobó que luego de realizar

enjuagues con soluciones diluídas de glucosa, fructosa o sacarosa se producía una caída del pH

en minutos, originando condiciones de descalcificación en la superficie dental. Este descenso del

pH se debió a un incremento de la actividad glucolítica bacteriana. Sobre un biofilm bucal el pH

mínimo (aproximadamente 5.5) se alcanzó entre los 15 y 20 minutos después del enjuague con el

carbohidrato fermentable, correspondiendo ese valor a la máxima producción de ácido láctico.

Después de esto, hubo una recuperación lenta hasta alcanzar los valores de pH iniciales,

aproximadamente a los 60 minutos, a medida que el ácido láctico fue reemplazado por otros ácidos

más débiles y se produjo la difusión y neutralización por bufferes salivales.

pH

Tiempo (min)

Figura 6: Curva de Stephan mostrando la respuesta de la biopelícula dental humana a la sacarosa.

El estudio se hizo sobre una biopelícula desarrollada durante 72 hs. A tiempo 0 los

pacientes se realizan un enjuague prolongado (60 seg.) con solución de sacarosa al 10%.

En contraste con los monosacáridos y la sacarosa, las soluciones de almidón al 10%

tuvieron poco efecto o ninguno sobre el pH de la biopelícula por las razones antes comentadas. Los

alcoholes o azúcares como el xilitol (derivado de xilosa) o el sorbitol (derivado de glucosa) no son

metabolizados por las bacterias de la biopelícula y por lo tanto no producen caída de pH. Por esta

razón se ha extendido su uso como edulcorantes alternativos de la sacarosa para productos

seguros dentalmente o no cariogénicos.

Stephan realizó la misma curva en un grupo de pacientes con baja actividad cariogénica y

en otro con alta actividad. En el primer grupo el descenso del pH del biofilm luego del enjuague fue

menor y el retorno a los valores iniciales fue más rápido que en el segundo grupo.


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Figura 7: Curva de Stephan en un biofilm en salud y en biofilm cariogénico.

Debemos tener en cuenta además que los valores de pH varían de un sitio a otro

dependiendo del espesor de la biopelícula y el acceso de saliva. De tal forma que en el gráfico

podemos comparar las variaciones de pH entre la biopelícula oclusal y la biopelícula interproximal.

pHde

la p

laca

Tiempo (min)

Oclusal

Interproximal

Figura 8: Curva de Stephan en un biofilm oclusal y en otro interproximal.

ACTIVIDADES INTRACELULARES DEL BIOFILM

Una vez formado el biofilm en la superficie del diente, las bacterias continúan metabolizando

los sustratos disponibles para satisfacer sus necesidades energéticas y producir componentes

estructurales destinados al mantenimiento y la reproducción.

Los carbohidratos son la fuente principal de energía y pueden provenir de la dieta o de los

polisacáridos intracelulares.

Desde el punto de vista metabólico las biopelículas bacterianas pueden dividirse en dos

grandes grupos según su principal fuente energética:

a) las que utilizan preferentemente carbohidratos que convierten en ácidos orgánicos y tienden a

disminuir el pH.

b) las que utilizan preferentemente material nitrogenado y producen sustancias básicas que tienden

a incrementar el pH;

Es importante destacar que las bacterias usan ambos tipos de sustratos aunque cada

bacteria en particular metaboliza preferencialmente uno de ellos. Las bacterias del biofilm

pH

Tiempo (min)

en salud

cariogénico


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supragingival utilizan como principal fuente de energía los hidratos de carbono .

Todos estos sustratos pueden provenir de la dieta, del fluido de la biopelícula, de la saliva o

del fluido gingival.

El desarrollo de caries depende inversamente de la exposición a la saliva; así, los dientes

anteriores inferiores que están continuamente bañados por ella son en general más resistentes a

las caries mientras que los superiores, en dónde su acceso es más limitado, son más proclives a

desarrollarlas. Por otra parte, aquellas regiones muy expuestas a la saliva, especialmente en el

lado lingual de los incisivos inferiores y en el lado bucal de los molares superiores, tienden a

desarrollarse con el tiempo cálculos supragingivales. Esto es debido principalmente a que en esos

puntos se localiza la salida del conducto excretor de glándulas salivales cuyo fluido presenta una

alta concentración de calcio y fosfatos que mineralizan a la biopelícula allí formada.

Metabolismo de azúcares y producción de ácidos

Los estreptococos son los organismos más importantes en términos de producción de

ácidos. Los azúcares captados serán fermentados generando distintos tipos de ácidos orgánicos:

láctico principalmente, acético, butírico, fórmico y propiónico. Estos ácidos serán responsables del

descenso del pH y la consecuente desmineralización del esmalte.

Figura 9: Oxidación aeróbica y anaeróbica de la glucosa

Mecanismos de captación de azúcares

Estos microorganismos pueden captar azúcares del medio por dos mecanismos:

1) de alta afinidad

2) de baja afinidad

Estos mecanismos operan en situaciones diferentes pero son ambos imprescindibles para el

metabolismo bacteriano.


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1) De alta afinidad

En condiciones de ausencia de alimento o muy baja concentración de azúcares en la

biopelícula y por lo tanto a pH neutro, opera el sistema de la fosfotransferasa.

Este es un sistema de transporte activo de azúcares presente en muchas membranas

bacterianas. Constituye el paso limitante en la producción de energía cuando el estreptococo se

desarrolla a bajas concentraciones extracelulares de azúcares. Es un sistema altamente específico,

presenta alta afinidad para azúcares y cataliza la transferencia de un grupo fosfato desde el

fosfoenolpiruvato al azúcar que es entonces transportado al interior de la célula.

El azúcar fosforilado será utilizado como sustrato para la glucólisis generando dos moles de

fosfoenolpiruvato, uno de los cuales será usado para fosforilar la próxima molécula de azúcar que

ingrese y el otro se usará para la producción de ATP.

Figura 10: Mecanismo de alta afinidad o sistema de la fosfotransferasa.

Este sistema de alta afinidad se satura a concentraciones relativamente bajas de azúcares

pero existe un mecanismo alternativo para la captación de los mismos que le permite al

microorganismo sobrevivir en estas condiciones.

2) De baja afinidad

A medida que aumenta la concentración extracelular de azúcares el sistema de la

fosfotransferasa se va inhibiendo gradualmente, al mismo tiempo se va activando el sistema de

baja afinidad.

Como vemos en la figura 9, en el entorno hay alta concentración de azúcares que serán

metabolizados por los microorganismos generando ácido láctico principalmente, que al pH

intracelular se encuentra ionizado en forma de lactato que difunde al líquido extracelular. Para


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evitar el descenso del pH intracelular que inhibiría a la vía glucolítica los protones son expulsados

en intercambio con iones K+ por la actividad de una ATPasa ligada a la membrana bacteriana. Se

genera un gradiente de protones y por consiguiente una fuerza protomotriz a través de la

membrana celular. Esto favorece el transporte del azúcar hacia el interior en simporte con H+.

Este sistema resulta muy activo en el Streptococcus mutans, aún a pH 5,5, el cual es

desfavorable para otras bacterias de modo que le permite ser dominante en la biopelícula

bacteriana.

Sistema del fosfoenolpiruvato

Sistema dependiente de la fuerza protomotriz

Figura 11: Mecanismo de baja afinidad.

Metabolismo de los azúcares incorporados

Los estreptococos no contienen las enzimas del ciclo de Krebs ni las de la cadena

respiratoria, requieren entonces de la glucólisis para la obtención de energía.

El destino final del piruvato depende de que la disponibilidad de azúcares sea alta o baja:

� Cuando la concentración de azúcar disponible es alta la enzima lácticodeshidrogenasa (LDH)

es activada alostéricamente por fructosa-1,6 bisfosfato y gliceraldehído-3 fosfato que son

intermediarios de la vía glucolítica. Así se favorece la formación de lactato como principal

producto.


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Figura 12: Metabolismo del piruvato en alta disponibilidad de azúcares.

� Cuando la concentración de azúcar disponible es baja, la vía alternativa es la catalizada por la

enzima piruvato formiato liasa (PFL). Esta enzima es inhibida por altas concentraciones de

gliceraldehído-3 fosfato de modo que sólo estará activada cuando este intermediario de la

glucólisis se encuentre en bajas concentraciones.

Esta vía presenta una ventaja para las condiciones desfavorables que debe afrontar la bacteria

ya que genera una molécula extra de ATP a partir del intermediario acetil~ fosfato por cada

molécula de glucosa metabolizada.

Los ácidos producidos por estas vías son transportados fuera de la célula y se acumulan en el

medio externo. Esta acumulación externa retardaría cada vez más la secreción del lactato

intracelular causando una gradual acidificación del citoplasma bacteriano inhibiendo la

glucólisis.

Figura 13: Metabolismo del piruvato en baja disponibilidad de azúcares

Sin embargo esto no ocurre porque otras bacterias como las del género Veillonella utilizan

el ácido láctico como sustrato removiendo de este modo un producto perjudicial para el

estreptococo.

La Veillonella metaboliza el lactato de la siguiente forma:

lactato + H2O acetato + CO2 + 2 H2


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lactato + H2 propionato + H2O

Los ácidos propiónico y acético son más débiles que el láctico y actúan como bufferes

elevando el pH del medio.

En resumen, podemos decir que:

El metabolismo bacteriano produce cambios en el pH del biofilm, los

cuales en un biofilm en salud están sujetos a facto res de control que se

resisten a dichos cambios. Por otra parte, en un bi ofilm cariogénico, con

poco acceso de saliva, los cambios de pH no podrán ser neutralizados tan

fácilmente por lo cual pueden causar alteraciones e n la solubilidad de los

fosfatos de calcio produciendo cambios clínicos en la superficie del

esmalte.

¿CÓMO ES EL MECANISMO BIOQUIMICO INVOLUCRADO EN EL DESARROLLO DE UNA

CARIES DENTAL?

La caries dental causa una reversión de los procesos fisicoquímicos involucrados en la

maduración de los tejidos duros dentales. Una reversión similar se produce en la enfermedad

periodontal, donde hay pérdida del tejido alveolar que sostiene al diente. Ambas condiciones son el

resultado de una persistente acumulación de biofilm de placa bacteriana.

Los fosfatos de calcio existen en una variedad de formas y fases. El pH regula la naturaleza

de la fase sólida y sus propiedades.

En el hueso, el pH se mantiene entre 6.5 y 75, y la actividad celular es capaz de controlar el

intercambio de calcio y fosfato entre la fase sólida y los fluidos tisulares.

En cambio, en el biofilm, como resultado de la actividad metabólica de los microorganismos,

el pH varía entre 4.5 y 8.5. Cuando el pH baja, la hidroxiapatita (HA) se convierte en una sal más

soluble con una relación calcio/fosfato menor.

Ca10(PO4)6(OH)2 + 8H+ 6CaHPO4 + 2H2O + 4Ca2+

Aunque a pH medianamente ácido el fosfato dicálcico (CaHPO4) es la más estable de estas

sales, gradualmente se disocia en sus iones constitutivos que se pierden en saliva.

CaHPO4 + H+ Ca2+ + H2PO4-

Un factor crítico en la solubilización es el área superficial expuesta. El fosfato dicálcico

forma una cubierta protectora para la HA que se encuentra debajo, dado que es removida

lentamente, y la velocidad depende de la concentración de los iones de calcio y fosfato a la que


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está expuesta la superficie del diente.

En la medida en que el ácido es neutralizado a través de esta reacción con la HA, el pH se

incrementa y las condiciones de equilibrio se restablecen.

Como la HA es la forma más estable a pH neutro, el proceso tiende a revertirse; es decir, el

fosfato dicálcico expuesto a soluciones cada vez más alcalinas se convierte en una sal con una

relación calcio/fosfato mayor.

10CaHPO4 + 8OH- Ca10(PO4)6(OH)2 + 4HPO42- + 6H2O

Sin embrago, la estructura de la HA hace improbable que esta reacción ocurra

directamente. Se piensa que el fosfato dicálcico puede sufrir reorientación molecular para formar

fosfato de calcio amorfo no cristalino que actúa como un intermediario en el proceso. La

remineralización es favorecida por la acción catalítica de los iones fluoruros.

Como en la mineralización normal el proceso entero es probablemente dirigido y controlado

por la matriz orgánica, no es sorprendente que la solubilización y la remineralización no presente la

estructura ordenada del esmalte original.

Luego de frecuentes y prolongadas exposiciones al ataque ácido, el proceso ya no es

reversible y gradualmente se produce la pérdida permanente de calcio y fosfato a partir del

esmalte, en particular en las regiones más solubles ricas en magnesio y carbonato. Una zona de

descalcificación se forma inmediatamente debajo de la superficie del esmalte, clínicamente

conocida como “mancha blanca ”.

Esmalte

Biofilm

MANCHA BLANCA

Esmalte

Biofilm

Zona de reprecipitación

(a) (b) Figura 14: Formación de la mancha blanca

En esta figura se esquematiza el intercambio iónico entre la superficie del esmalte y el fluido

de la placa que produce una superficie altamente sustituida (a) y una incipiente lesión cariosa (b),

donde el ataque ácido severo sobre la superficie del esmalte produce una subsuperficie

descalcificada sobre una superficie externa relativamente densa debido a la reprecipitación y a la

migración neta de iones fuera del esmalte. Eventualmente, la superficie irregular y permeable se

rompe y las bacterias invaden el lugar y se forma más placa dentro de la cavidad, la cual bajo


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condiciones de un sistema cerrado causa un ataque ácido más severo y finalmente la destrucción

del esmalte.

CONCLUSION: La cariogenicidad va a depender de:

� Tipo de Hidrato de Carbono en la dieta � Tipo de bacteria � Tipo de polisacárido producido � Frecuencia y oportunidad de exposición al azúcar � Localización del biofilm

Todo esto en función del tiempo.

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