STRUKTURY KOMÓRKOWE I ICH FUNKCJE
Osłony komórkowe:
otoczka / egzopolisacharyd,
ściana komórkowa,
błona cytoplazmatyczna.
Rzęski
Fimbrie (pili)
Przetrwalniki
Wtręty (inkluzje) cytoplazmatyczne
Materiał genetyczny (nukleoid, plazmidy)
Cytoplazma, mezosomy, rybosomy
ŚCIANA KOMÓRKOWA
Peptydoglikan (syn. mureina, mukopeptyd) - występuje u wszystkich bakterii z wyjątkiem rodzajów Mycoplasma, Halobacterium oraz form L bakterii. Cząsteczka peptydoglikanu to heteropolimer o złożonej budowie:
Szkielet mureiny - naprzemiennie ułożone reszty N-acetyloglukozoaminy
i kwasu N-acetylomuraminowego, połączonych wiązaniami β-1,4 (wiązanie wrażliwe na działanie lizozymu).
Łańcuch tetrapeptydowy - dołączony do kwasu N-acetylomuraminowego
(L-alanina, kwas D-glutaminowy, kwas diaminopimelinowy - DAP lub
L-lizyna i D-alanina).
Poprzeczne mostki peptydowe - łączą (sieciują) tetrapeptydy sąsiednich łańcuchów peptydoglikanu (np. pentaglicyna u Staphylococcus aureus).
Ściana komórkowa bakterii Gram(+):
Peptydoglikan [stanowi 50-90% składników ściany komórkowej
(40 warstw)],
Kwasy tejchojowe zawierające reszty rybitolu lub glicerolu połączone wiązaniami fosfodiestrowymi:
rybitolowy kwas tejchojowy (kwas tejchojowy ściany), zbudowany
z fosforanu polirybitolu, związany kowalencyjnie z peptydoglikanem,
glicerolowy kwas tejchojowy (lipotejchojowy) - zbudowany
z fosforanu glicerolu, związany z glikolipidami błony,
Kwasy tejchuronowe, zbudowane z reszt kwasów cukrowych (np. kwasu D-glukuronowego),
Polisacharydy (mannoza, ramnoza, glukoza, arabinoza itp.),
Białka (np. białko M u Streptococcus pyogenes - czynnik wirulencyjny; białko A u Staphylococcus aureus).
Ściana komórkowa bakterii Gram(-):
Peptydoglikan - 5-20% składników ściany komórkowej; zwykle pojedyncza warstewka mureiny zlokalizowana w przestrzeni peri-plazmatycznej.
Błona zewnętrzna ściany komórkowej - podwójna warstwa fosfolipidów,
w której zewnętrzna warstewka została zastąpiona lipopolisacharydem.
W skład błony zewnętrznej wchodzą:
lipopolisacharyd (LPS) - zbudowany z 3 części: lipidu A (warunkuje aktywność endotoksyny), oligosacharydu rdzeniowego (antygen wspólny - CA-common antigen) oraz O-swoistego łańcucha bocznego (antygen somatyczny O),
białka [białka porynowe (np. OmpC)- umożliwiają swobodną dyfuzję cząsteczek przez błonę, białka receptorowe dla bakteriofagów (np. Lam B), białka nieporynowe (np. OmpA, receptor fimbrii płciowych), białka enzymatyczne: proteazy, fosfolipazy, białka wiążące penicyliny - PBP].
Przestrzeń periplazmatyczna - między błoną wewnętrzną (cytoplazmatyczną) a błoną zewnętrzną; zawiera liczne białka enzy-matyczne (transportowe, degradujące (hydrolazy),syntetyzujące.
Lipoproteina (LP) - tworzy mostki między peptydoglikanem a błoną zewnętrzną.
Działanie fizjopatologiczne endotoksyn G(-) bakterii jelitowych:
indukcja Il-1 (pirogenu endogennego) - gorączka,
leukopenia,
hipotensja,
upośledzenie perfuzji (ukrwienia narządów) i kwasica metaboliczna,
aktywacja dopełniacza na drodze alternatywnej poprzez uczynnienie C3,
rozsiane krzepnięcie wewnątrznaczyniowe (DIC) - endotoksyna aktywuje czynnik XII uruchamiając kaskadę krzepnięcia,
wstrząs endotoksyczny - wynik niewydolności wielonarządowej.
OTOCZKI, (GLIKOKALIKS, ŚLUZ POLISACHARYDOWY)
Otoczki - bakteryjne egzopolimery (polimery zewnątrzkomórkowe)
o grubości 0,2-1,0 μm, ściśle związane ze strukturami powierzchniowymi komórki bakteryjnej. Synteza otoczek jest kontrolowana genetycznie; ale może być też zależna od warunków środowiska (np. obecność CO2 indukuje syntezę otoczki u Bacillus anthracis). Szczepy otoczkowe wytwarzają na podłożu stałym kolonie gładkie (typu S), zaś bezotoczkowe kolonie szorstkie (typu R). Otoczki trudno barwią się konwencjonalnymi metodami barwienia. Ich obecność można wykryć stosując:
barwienie negatywne (tusz chiński, nigrozyna),
barwienie negatywno-pozytywne (metoda Burii-Ginsa),
test puchnięcia otoczek (swoiste przeciwciała).
Budowa chemiczna otoczek:
otoczki polisacharydowe - większość bakterii otoczkowych (np. Enterobacteriaceae, Streptococcus pneumoniae, Neisseria, Haemophilus) - zbudowane z cukrów obojętnych (heksozy, pentozy), aminocukrów lub kwasów uronowych, :
homopolimery cukrowe (np. otoczka szczepu E. coli K1 zbudowana
z kwasu N-acetyloneuraminowego),
heteropolimery cukrowe (otoczki Streptococcus pneumoniae),
otoczki peptydowe (niektóre bakterie Gram-dodatnie):
Bacillus anthracis (otoczka zbudowana z kwasu D-glutaminowego),
Bacillus subtilis (otoczka zbudowana z mieszaniny izomerów D i L kwasu glutaminowego).
Właściwości immunogenne otoczek
Otoczki bakteryjne indukują odporność humoralną w zakażonym organizmie (produkcja przeciwciał). Ze względu na właściwości serologiczne otoczki wielu gatunków bakterii (np. Enterobacteriaceae) noszą nazwę antygenu K (niem. Kapselantigene).
Różnice w budowie chemicznej otoczek są podstawą wyodrębnienia typów otoczkowych w obrębie określonego gatunku bakterii. Przykłady:
Streptococcus pneumoniae - 85 typów otoczkowych,
Escherichia coli - ponad 100 typów otoczkowych.
Praktyczne zastosowanie otoczek bakteryjnych w profilaktyce chorób zakaźnych. Przykład: szczepionka Pneumovax (23 typy serologiczne otoczek Streptococcus pneumoniae), indukuje wysokie miana przeciwciał skierowanych przeciw wielocukrom otoczkowym, utrzymujące się przez 2-3 lata.
Oprócz antygenu K niektóre bakterie tworzą na powierzchni komórek duże ilości śluzu, zbudowanego z polisacharydu, luźno związanego z komórką:
antygen M (Escherichia coli),
antygen Vi (Salmonella typhi),
glikokaliks (Staphylococcus spp.),
śluz polisacharydowy (Pseudomonas aeruginosa).
Biologiczne właściwości otoczek:
ochrona komórek bakteryjnych przed niekorzystnymi czynnikami środowiska (wyschnięciem),
wpływ na dyfuzję różnych molekuł zarówno z jak i do komórki (utrudniona penetracja niektórych antybiotyków do komórek okrytych otoczką),
udział w wiązaniu niektórych kationów (Mg+2),
udział w patogenezie; bakterie chorobotwórcze, izolowane z materiałów klinicznych prawie zawsze wykazują obecność otoczek, pasażowanie szczepów bakteryjnych in vitro z reguły prowadzi do ich utraty.
Związek między otoczką a chorobotwórczością:
Streptococcus pneumoniae - szczepy S chorobotwórcze, szczepy R niechorobotwórcze (Griffith, 1928),
E. coli K5, K1,
Haemophilus influenzae b,
Neisseria meningitidis a, b, c itp.,
Rola bakteryjnych egzopolimerów (otoczek / glikokaliksu) w procesie chorobotwórczym;
ochrona przed fagocytozą,
ochrona przed przyłączeniem opsonin (przeciwciał, składników dopełniacza), prowadząca do zablokowania opsonofagocytozy,
adhezja do nabłonka (kolonizacja) i powierzchni stałych (protezy ortopedyczne, zastawki naczyniowe, cewniki) -
Bacteroides fragilis - adhezja do komórek nabłonka za pośrednictwem otoczek,
Streptococcus mutans, Staphylococcus epidermidis adhezja za pośrednictwem glikokaliksu.
RZĘSKI
Nitkowate, cylindryczne twory - aparat ruchu wielu gatunków bakterii Gram(+) i Gram(-). Rzęski zbudowane są z 3 części:
włókna,
haczyka,
ciałka podstawowego (bazalnego).
Włókno - zbudowane z monomerów białka (flagelliny) cechującego się immunogennością (antygen H). Stosując metody serologiczne można wyróżnić liczne typy antygenów H w obrębie jednego gatunku (Salmonella typhimurium - 60, Escherichia coli - 53, Yersinia enterocolitica - 19).
Haczyk - zbudowany z jednego rodzaju białka (immunogenność), łączy włókno z ciałkiem podstawowym.
Ciałko podstawowe - 4 pierścienie (L, P, S i M) przez które przechodzi centralny rdzeń. Ciałko bazalne zakotwicza rzęskę w osłonach komórkowych bakterii (ścianie komórkowej i błonie cytoplazmatycznej.
Ze względu na sposób ułożenia rzęsek na komórce bakteryjnej wyróżnia się następujące typy urzęsienia:
monotrichalne - pojedyncza rzęska umieszczona biegunowo (Vibrio),
ditrichalne - pojedyncze rzęski na obu biegunach komórki,
lofotrichalne - pęczek rzęsek na jednym lub obu biegunach komórki (Helicobacter),
peritrichalne - rzęski umieszczone dookoła komórki (Proteus).
Komórki bakteryjne mogą tracić rzęski w wyniku:
mutacji,
nieodpowiednich warunkach hodowli (np. Listeria monocytogenes, Yersinia enterocolitica, Yersinia pseudotuberculosis) wytwarzają rzęski w zakresie temperatur 22-300C, nie wytwarzają w temperaturze 370C.
FIMBRIE (PILI)
Sztywne, powierzchniowe twory zbudowane z białka piliny (białko immunogenne). Występują u bakterii Gram-ujemnych oraz nielicznych Gram-dodatnich (Corynebacterium, Streptococcus). Fimbrie są krótsze i delika-tniejsze od rzęsek. Ich liczba na powierzchni komórki jest zróżnicowana (od kilku do kilkuset. Wyróżnia się dwa typy fimbrii:
fimbrie płciowe,
fimbrie adhezyjne (zwykłe).
Fimbrie płciowe - obecne w niewielkiej liczbie (1-3) na powierzchni komórek bakterii Gram(-). Uczestniczą w transferze materiału genetycznego (plazmidy, chromosomalny DNA) z komórki dawcy (F+, R+, Hfr) do biorcy (F-, R-, Hfr-)
w procesie koniugacji. Fimbrie płciowe rozpoznają, a następnie wiążą się
z białkiem receptorowym (OmpA) na powierzchni komórki biorcy. Zawierają one kanał umożliwiający przekazywanie materiału genetycznego. Geny kodujące fimbrie płciowe znajdują się w obrębie plazmidów koniugacyjnych. Niektóre fimbrie płciowe są miejscem receptorowym dla bakteriofagów (np. fimbrie F - f1, f2, QB).
Fimbrie zwykłe (adhezyjne) - syntetyzowane w dużej liczbie (kilkaset) na powierzchni komórek bakterii Gram-ujemnych (Enterobacteriaceae, Haemophilus, Pseudomonas, Acinetobacter, Neisseria gonorrhoeae). Należą do lektyn - białek rozpoznających i wiążących swoiste receptory (polisacharydy, glikoproteiny, glikolipidy) na komórkach gospodarza. Uznawane za wyznaczniki chorobotwórczości - uczestniczą w adhezji /asocjacji komórek bakteryjnych do powierzchni nabłonka wyścielającego drogi oddechowe, przewód pokarmowy, układ moczowy (kolonizacja).
Adhezja (przyleganie) - trwałe i nieodwracalny związek między komórką bakteryjną a daną powierzchnią. Interakcja ta ma charakter wysoce swoistego wiązania adhezyny (np. fimbrie) do receptora na powierzchni komórki nabłonkowej.
Asocjacja - odwracalny związek między komórką bakteryjną a określoną powierzchnią, wynikający z sił Van der Waalsa, wiązań wodorowych, interakcji jonowych i hydrofobowych.
Przykłady fimbrii adhezyjnych:
fimbrie typu 1 (mannozowrażliwe - MS - Mannose Sensitive)
CFA I, CFA II (Colonization Factor Antigen) kolonizacja nabłonka jelitowego u ludzi,
K88 - kolonizacja rąbka szczoteczkowego świń,
K99 - kolonizacja jelita cieląt,
fimbrie typu P - kolonizacja nabłonka dróg moczowych u ludzi (uropatogenne szczepy E. coli).
ADHEZJA
CZYNNIKI BAKTERYJNE WARUNKUJĄCE ADHEZJĘ:
ujemnie naładowana powierzchnia drobnoustroju,
hydrofobowość struktur powierzchniowych (białek, lipidów),
wytwarzane przez drobnoustroje substancje / struktury powierzchniowe uczestniczące w adhezji i / lub adhezyn:
śluz,
glikokaliks,
kwasy tejchojowe,
różnorodne białka adhezyjne (intymina - EPEC, EHEC, inwazyny - Yersinia enterocolitica, Yersinia pseudotuberculosis),
glikoproteiny powierzchniowe,
LPS,
fimbrie adhezyjne,
włókienka - rod-like fimbriae
STRUKTURY KOMÓREK / TKANEK GOSPODARZA UCZESTNICZĄCE W PROCESIE ADHEZJI DROBNOUSTROJÓW:
natywne białka zewnątrzkomórkowej macierzy (ECM - extracellular matrix):
obecne na komórce (tkance nabłonkowej) gospodarza,
obecne w uszkodzonych tkankach (rany, skrzep)
kolagen (15 rodzajów)
białka glikozylowane (fibronektyna, laminina, witronektyna),
proteoglikany,
elastyna,
kwas hialuronowy.
Integryny - glikoproteiny zlokalizowane w błonie komórkowej, odpowiedzialne za wzajemną adhezję komórek oraz adhezję komórek do białek zewnątrzkomórkowej macierzy (ECM).
PRZETRWALNIKI (ENDOSPORY)
Formy przetrwalne (spoczynkowe) wytwarzane przez niektóre rodzaje bakterii (Bacillus, Clostridium) w niekorzystnych warunkach środowiska (brak wody, substancji odżywczych itp.). Na ogół jedna komórka bakteryjna wytwarza tylko jedną endosporę, która może zajmować różne położenie w komórce: centralne, biegunowe lub podbiegunowe. Średnica przetrwalnika może być mniejsza lub większa od średnicy komórki. Proces wytwarzania endospor nosi nazwę sporulacji. Kiełkowanie przetrwalników w sprzyjających warunkach środowiska nazywamy germinacją.
WTRĘTY CYTOPLAZMATYCZNE
ziarnistości wolutyny (polimer metafosforanu) - Corynebacterium diphtheriae,
polimer kwasu poli-β-hydroksymasłowego - Bacillus megaterium,
ziarenka wolnej siarki,
ziarenka skrobi,
ziarenka lipidów.
1
8