Virulentsusfaktorid

Blogi, mis räägib kõigest, mis on Leonhardile oluline ja/või huvitav. Kommenteerige, tellige, lugege, nautige ja õppige.

Virulentsusfaktorid on mikroorganismi komponendid, mis määravad tema võimet põhjustada haigusi (virulentsust), kuid ei ole iseenesest tema elutegevuseks vajalikud.

Bakteriaalsed virulentsusfaktorid on tavaliselt valgud või teised molekulid, mida sünteesivad ensüümid. Neid valke võivad kodeerida kromosomaalne DNA, bakteriofaagne DNA või plasmiidsed geenid. Bakterid kasutavad hulgatunnetust (ingl quorum sensing ehk QS), et sünkroonida molekulide eritamist. Virulentsusfaktorid vastutavad peremeesrakkude haigestumise eest, kuna inhibeerivad sihtrakkude kaitsefunktsioone.

Sisukord

Tavalisemad virulentsusfaktorid

Helicobacter pylori

• Adhesioon. Paljud bakterid peavad raku nakatamiseks kõigepealt kinnituma selle pinnale. Virulentsusfaktoreid, mis aitavad bakteril kinnituda, nimetatakse adhesiinideks. Harilikult seonduvad mikroobid sellistele rakuretseptoritele, mis on rakus vajalikud oluliste funktsioonide täitmiseks.
• Kolonisatsioon. Mõned virulentsed bakterid produtseerivad erilisi valke, mis võimaldavad neil koloniseerida teatud osa organismist. Helicobacter pylori on võimeline ellu jääma mao happelises keskkonnas tänu ureaasile. Ureaasi tootmine neutraliseerib mao happelisust ja soodustab bakteri paljunemist. Kui bakter nakatab mao limaskesta, võib see viia maohaavade ja ka vähi tekkeni. Helicobacter pylori erinevate tüvede virulentsusaste korreleerub toodetud ureaasi hulgaga.
• Invasioon. Osa patogeenseid baktereid produtseerib proteiine, mis lõhuvad peremeesraku membraani või kutsuvad esile endotsütoosi. Need faktorid võimaldavad bakteril siseneda peremeesorganismi rakkudesse ja hõlbustavad tema liikumist peremeesorganismi kudedes.
• Immuunvastuse inhibiitorid. Osa baktereid toodab virulentsusfaktoreid, mis suruvad maha peremeesorganismi immuunsüsteemi kaitsereaktsioonid. Näiteks seisneb üks tavaline mikroobide strateegia selliste valkude tootmises, mis kinnituvad organismi antikehadele. Streptococcus pneumoniae polüsahhariidne limakapsel inhibeerib peremeesorganismi õgirakkude võime fagotsüteerida patogeeni rakke.
• Toksiinid. Mõned bakterid toodavad toksiine, mis põhjustavad peremeesorganismis rakkude ja kudede kahjustusi. Näiteks võivad toidus sisalduvad bakterid toota toksiine, mis põhjustavad toidumürgistust. Mõned sellistest bakteritest suudavad ellu jääda ja põhjustada haigestumist ka pärast toidu läbi küpsetamist. Samas inaktiveerub osa bakteriaalsetest toksiinidest kõrge kuumuse juures.

Toksiinid

Võimet toota toksiine tuntakse toksigeensusena. Keemilise koostise põhjal jagunevad bakteriaalsed toksiinid kaheks: lipopolüsahhariidid (peamiselt gramnegatiivsete bakterite välismembraani koosseisus) ja valgud. Valke sekreteerivad mitmesugused bakterid. Raku koosseisus olevaid toksiine, nagu lipopolüsahhariide, nimetatakse endotoksiinideks. Sekreteeritavaid valgulisi toksiine, mis difundeeruvad ekstratsellulaarselt, tuntakse eksotoksiinide nime all.

Endotoksiinid

Endotoksiline lipopolüsahhariid (LPS) koosneb polüsahhariidsest ahelast ja lipiidsest sabast. LPSi toksiliseks komponendiks on lipiid A, mis paikneb lipiidse saba tipmises osas. Kui bakter saab kahjustada või hävib, siis vabaneb selle membraanist endotoksiin ja põhjustab põletikulist immuunvastust. Kaasasündinud (mittespetsiifiline) immuunsus reageerib suurele hulgale patogeenidele, kaasa arvatud LPS-endotoksiinidele. Seda vahendavad Tolli-sarnased retseptorid (TLR) – retseptorid, mis tuvastavad patogeenide epitoope. Tolli-sarnane retseptor, mis reageerib lipopolüsahhariididele, on TLR-4.

Eksotoksiinid

Bakteri Staphylococcus aureus pilt skaneeriva elektronmikroskoobiga (SEM)

Eksotoksiine eritavad ainult elusad bakterid, kusjuures erinevad bakteriliigid sekreteerivad erinevaid toksiine. Toksiin on tähtsaim tegur virulentsuse juures. Näiteks eksotoksiine mitte tootvad Escherichia coli tüved on peaaegu mittevirulentsed või madala virulentsustasemega. Toksiinid võivad kahjulikult mõjuda ka väga madalal kontsentratsioonil. Eksotoksiinidele pannakse tavaliselt selline nimetus, mis annab teavet, mis organsüsteemile aine mõjub, näiteks neurotoksiin, leukotoksiin, enterotoksiin ja hemolüsiin.

Eksotoksiinide toimemehhanism

Eksotoksiinid evivad järgmisi funktsioone:

• Rakumembraani kahjustamine. Näiteks Clostridium perfringens'i α-toksiin toimib fosfolipaasi C-na, mis põhjustab rakumembraani degradatsiooni. Staphylococcus aureus'e α-toksiin tekitab sihtraku membraani poori. Sellele järgneb ioonide sisse- ja väljavool, mis põhjustab raku lõhkemise.
• Valgusünteesi inhibeerimine. Toksiinide valgusünteesiga seotud märklaudadeks on ribosomaalne RNA ja elongatsioonifaktorid. Mõjutades neid molekule, takistab bakter peremeesrakku valke sünteesimast ning sellele järgneb raku surm. Näiteks võib tuua difteeriatoksiini.
• Raku signaalraja häirimine. Sellised toksiinid mõjutavad valke, mis on seotud signaalradadega, neid blokeerides või muutes. Signaalradade modifitseerimine takistab rakulisi funktsioone. Näiteks Escherichia coli tsütotoksilised nekrootilised faktorid modifitseerivad RHO GTP-seonduvaid valke. Nende muutmine lõhub raku tsütoskeletti ja seega ka rakumembraani.
• Neurotransmitterite inhibeerimine. Selliste toksiinide märklauaks on sünaptilise pilu valgud. Need takistavad neurotransmitterite vabanemist presünaptilisest membraanist. Nii toimivad näiteks Clostridium botulinum'i neurotoksiin või Clostridium tetani toksiin.
• Immuunvastuse mõjutamine. Üks immuunvastuse modifitseerimise näidetest on superantigeen, mis aktiveerib massiliselt mittespetsiifilisi T-rakke. Näiteks TSS-1, mida sekreteerib Staphylococcus aureus, põhjustab toksilise šoki sündroomi. TSS-1 antigeen interakteerub spetsiifilisel moel peremeesorganismi immuunsüsteemi T-rakkudega. See põhjustab suure hulga põletikuliste tsütokiinide eritumise, mis mõjuvad laostavalt peremeesorganismile.

Grampositiivse ja gramnegatiivse bakteri võrdlus. Grampositiivseid baktereid katab pealt ainult peptidoglükaani kiht. Gramnegatiivseid baktereid katab pealt lisaks ka välismembraan.

Toksiinide sekretsioon

Virulentsusfaktorite sekretsiooniks grampositiivsetest bakteritest on vaja valke transportida läbi rakumembraani. See protsess toimub järgmiselt:

• Valk SecB (suunab valke ekspordile) seondub eksporditava toksiini külge. Seondumine toimub bakteri tsütoplasmas.
• SecB hõlbustab seondumist sekretsiooniraja ATPaasi (SecA) külge.
• Transmembraansele valkkompleksile, mis koosneb kolmest sekretsiooniraja abivalgust SecY, SecG ja SecE, seondub membraanis paiknev valk SecA.
• Sekretsiooniks suunatud toksiin seondub SecYGE kompleksi külge ning protsessile aitab kaasa ATPaas SecA.
• Transmembraanses valkkompleksis SecYGEs toimuvad mitmed väiksed konformatsioonimuutused, mille tõttu sekreteeritakse ekspordiks suunatud toksiin rakust välja. Konformatsiooniliste muutuste tekkimine kulutab energiat, mida saadakse ATP fosforüleerimisest (seda viib läbi SecA ATPaas).

Kuna gramnegatiivsetel bakteritel on kaks plasmamembraani, siis vajavad nad toksiinide väljutamiseks keerulisemat sekretsioonisüsteemi. Tavaliselt kasutavad sellised bakterid toksiinide sekretsiooniks mahukat, mitmest alaühikust koosnevat transmembraanset valku, mis läbib nii sisemist kui ka välimist plasmamembraani ja ka periplasmat kahe membraani vahel.

Gramnegatiivsed bakterid

Blogi, mis räägib kõigest, mis on Leonhardile oluline ja/või huvitav. Kommenteerige, tellige, lugege, nautige ja õppige.

Gramnegatiivsed bakterid (tähistatakse G(–) või GN) on bakterid, mis erinevalt grampositiivsetest bakteritest kaotavad Grami meetodiga uurimisel pärast etanooliga loputamist aluselist värvust (kristallvioletti).

Gramnegatiivne Pseudomonas aeruginosa (punased pulkbakterid) mikroskoobi all

Grami meetodil lisatakse pärast kristallvioleti kasutamist kontrastvärvus (tavaliselt safraniin), mistõttu kõik gramnegatiivsed bakterid värvuvad punaseks või roosaks. Meetodi abil saab klassifitseerida baktereid rakukesta järgi. Grampositiivsed bakterid säilitavad kristallvioletse värvuse pärast nende pesemist etanooliga.

Gramnegatiivsete bakterite patogeensuse võime on tihti tingitud konkreetsetest komponentidest, mis asuvad rakuümbrises (tsütoplasma membraan, õhuke peptidoglükaankiht, välismembraan, limaskest). Üks komponentidest on lipopolüsahhariidi kiht (LPS), mis kuulub endotoksiinide hulka. Sattudes inimese organismi, kutsub LPS esile kaasasündinud immuunvastuse, mis toob kaasa tsütokiinide tootmise ja immuunsüsteemi aktiveerimise. Tsütokiinide tootmise tõttu tekib põletik.

Sisukord

Omadused

Gramnegatiivsetele bakteritele on iseloomulikud järgmised omadused:

Gramnegatiivse bakteri rakukesta ehitus

1. Tsütoplasma membraan.
2. Õhuke peptidoglükaani kiht (mis on palju õhem kui grampositiivsetel bakteritel).
3. Välismembraan, mis sisaldab väljapoole ulatuvaid lipopolüsahhariide (LPS) ja sissepoole ulatuvaid fosfolipiide. LPS koosneb omakorda lipiid A-st, polüsahhariidist, mis on molekuli tsentriks, ning O antigeenist.
4. Välismembraanis olevad poriinid moodustavad kanaleid, mille kaudu toimub hüdrofiilsete madalmolekulaarsete ainete (aminohapped, sahhariidid, ioonid) difusioon. 
5. Peptidoglükaankihi ja tsütoplasma membraani vahel on ruum, mida nimetatakse periplasmaatiliseks ruumiks ehk periplasmaks.
6. S-kiht on otseselt kinnitatud välismembraanile.
7. Kui on olemas vibur ehk flagell, siis viburi basaalkeha koosneb kahestest sisemistest ketastest: M (membraan) ja S (supramembraan); ja kahestest stabiliseeritavatest välimistest ketastest: P (periplasma) ja L (LPS). 
8. Ei sisalda teihhoiinhappeid ega lipoteihhoiinhappeid. 
9. Lipoproteiidid on kinnitatud polüsahhariidi selgroole.
10. Valdav osa gramnegatiivsetest bakteritest sisaldab Brauni lipoproteiine (Braun's lipoprotein), mille eesmärk on peptidoglükaankihi ja välismembraani omavaheline ühendamine kovalentsidemega. 
11. Valdav osa ei moodusta spoore (v.a Coxiella burnetii, mis produtseerib spoorisarnaseid struktuure).

Klassifikatsioon

Gramnegatiivse ja grampositiivse bakteri rakukesta ehituse võrdlus

Grami järgi värvimine on kiire ja tõhus diagnostiline meetod selleks, et grupeerida liike Bacteria domeeni allüksusteks. Riik Monera oli ajalooliselt jagatud neljaks hõimkonnaks Grami meetodi järgi: Firmacutes (Firmicutes), Gracilicutes, Mollicutes ning Mendocutes. 1987. aastal tunnistas molekulaarne fülogeeniaga valeks teooria, et gramnegatiivsete bakterite taksonitel on olemas üks eellane ehk taksonid moodustavad monofüleetilise rühma. Kuigi mõned professorid, näiteks Thomas Cavalier-Smith, toetavad monofüleetilisi rühmi ning võtavad need arvesse rühmana, mis koosneb viimasest ühisest eellasest ja kõikidest selle eellase järeltulijatest, ehk monofüleetiliseks klaadiks. Riigi allüksuseks võetakse siis Negibacteria. 

Gramnegatiivsete bakterite peptidoglükaankihi ehitus

Peptidoglükaan on heteropolüsahhariid. Seda moodustavates ahelates vahelduvad N-atsetüülmuraamhape (NAM) ja N-atsetüülglükoosamiin (NAG). Need kaks monomeeri on omavahel seotud ß-1,4-glükosiidsidemega. 

Krüotomograafia näitas, et gramnegatiivsete bakterite peptidoglükaanvõrk on ühekihiline. Glükaanahelad on erineva pikkusega ning paiknevad raku pikiteljega risti, kuigi omavahel nad ei ole paralleelsed ning nendevahelised ruumid ei ole ühesugused. Glükaanahelad on ühendatud võrgustikuks peptiididega, mis tagavad struktuuri dünaamilisust pikitelje suunas.

Liikide näiteid

Proteobakterite hõimkond on gramnegatiivsete bakterite suurim rühm, mis sisaldab liike sugukonnast Enterobacteriaceae (perekondadest Escherichia, Salmonella, Shigella ja teisi), seltsist Pseudomonadales (Pseudomonas, Moraxella) ja teistest sugukondadest perekondi: Helicobacter (sugukond Helicobacteraceae), Stenotrophomonas (sugukond Xanthomonadaceae), Bdellovibrio (sugukond Bdellovibrionaceae), Legionella (sugukond Legionellaceae), sugukonnast Acetobacteraceae baktereid ja teisi. Teised märkimisväärsed gramnegatiivse bakterite liike sisaldavad hõimkonnad on Cyanobacteria ehk tsüanobakterid, Spirochaetae, Chlorobi ehk rohelised väävlibakterid ja Chloroflexi ehk rohelised mitteväävlibakterid.

Mõni gammaproteobakter nakatab eelistatult hingamisteid (Hemophilus influenzae, Klebsiella pneumoniae, Legionella pneumophila, Pseudomonas aeruginosa), kuseteid või -põit (Escherichia coli, Proteus mirabilis, Enterobacter cloacae, Serratia marcescens) ning mõni seedeelundkonda (Helicobacter pylori, Salmonella enteritidis, Salmonella typhi).

Haiglainfektsiooniga seotud gramnegatiivne bakter (Acinetobacter baumannii) põhjustab bakterieemiat, sekundaarse meningiiti ja hingamisteedega seotud kopsupõletikku intensiivhooldusega haigla osakondades.

Ravi

Üks unikaalsetest gramnegatiivsete bakterite omadustest on välismembraan. Välismembraani välimise kihi üheks komponendiks on lipopolüsahhariid, mille lipiidne osa toimib nagu endotoksiin. Kui endotoksiin jõuab vereringesüsteemi, kutsub see esile toksilist reaktsiooni, mille tulemusena tekivad põdejale palavik, hingamisteede põletik ja kõrge hingamissagedus ning madal vererõhk. See omakorda võib viia endotoksilisele šokile, mis võib olla fataalne.

Välismembraan kaitseb bakterirakku antibiootikumide, värvainete ja detergentide toime vastu, mis tavaliselt mõjuvad sise- ehk tsütoplasma membraanile või rakukestale (peptidoglükaankihile). Välismembraan tagab kaitse lüsotsüümi ja penitsilliini vastu. Kuid tänapäeva arenenud meditsiin annab võimaluse hävitada patogeenide kaitsvat välismembraani, kasutades lüsotsüümi etüleendiamiintetraatseethapet ja ampitsiliini. Peale ampitsiliini kasutatakse ka klooramfenikooli, streptomütsiini ja nalidiksiinhapet.