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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
Cátedra de Bioquímica General y Bucal –FOUBA-
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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 alimento
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 BIOFILM
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:
La diferencia entre los microorganismos cariogénicos y no
cariogénicos no reside en la cantidad sino en la calidad de los
polisacáridos que producen.
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
Funciones
Solubilidad
Reserva
Sí
Cadena lineal Ramificación
dextranos
 α 1,6
α 1,4 ó  α 1,3
energética
Glucanos
mutanos
α 1,3
levanos
β 2,6
Fructanos
α 1,6 ó  α 1,4
Adhesión
---
No
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.
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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 polisacáridos
GLUCOSA
FRUCTOSA
Figura 3: Estructura de la sacarosa
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
Sacarosa
Bacteria
Matriz proteica
Polisacáridos extracelulares
Glucosa
Fructosa
Figura 4: Formación de polisacáridos extracelulares por bacterias del biofilm a partir de sacarosa dietaria.
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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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pH
en salud
cariogénico
Tiempo (min)
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
pH de la placa
podemos comparar las variaciones de pH entre la biopelícula oclusal y la biopelícula interproximal.
Oclusal
Interproximal
Tiempo (min)
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
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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 dependiente
de la fuerza protomotriz
Sistema del
fosfoenolpiruvato
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 factores de control que se
resisten a dichos cambios. Por otra parte, en un biofilm cariogénico, con
poco acceso de saliva, los cambios de pH no podrán ser neutralizados tan
fácilmente por lo cual pueden causar alteraciones en 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”.
MANCHA BLANCA
Zona de reprecipitación
Biofilm
Biofilm
Esmalte
Esmalte
(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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