Факторы патогенности поверхностные структуры бактерий СПб. ГУ 2012

План лекции 1. Бактериальные L – формы и L – трансформация 2. Протопласты, сферопласты 3. Бактериальная капсула 4. Адсорбция и адгезия бактерий – 1 -й фактор патогенности 5. Бактериальная колонизация 6. Бактериальные фимбрии 7. Движение бактерий. Инвазия - 2 -й фактор патогенности 8. Строение жгутиков 9. Работа жгутиков 10. Таксисы бактерий

1 вопрос. Бактериальные L – формы и L – трансформация n L – формы бактерий – институт Листера. n Бактериальные L – формы - это бактерии с n n разрушенной клеточной стенкой. При разрушении клеточной стенки может происходить L – трансформация или лизис. L – трансформация - потеря клеточной стенки с сохранением жизнеспособности бактерии. L – основные трансформирующие агенты: лизоцим и пенициллин. L – трансформирующие агенты вызывают потерю клеточной стенки без лизиса клетки.

Электронная микрофотография L-форм бактерий

Свойства L – форм бактерий n L – формы плеоморфны, могут иметь форму нити, шара, кольца или другую неправильную форму. n При потере клеточной стенки бактерии долгое время могут существовать и без нее. n Раньше думали, что L – формы не способны к размножению. n В настоящее время установлено, что в организме больных с хроническими заболеваниями (цистит, артрит и т. д. ) L – формы способны к размножению.

Колония бактерий в L – форме

Морфология колоний L – форм n Форма "яичницы-глазуньи". n Включает клетки неправильной формы, часть которых проваливается в глубину ППС. n Для выращивания L–форм на плотной питательной среде необходима сыворотка, стабилизация ЦПМ стеролами.

Преимущество L–форм бактерий n L–формы устойчивы ко всем агентам, n n действующим на клеточную стенку. После устранения воздействия фактора, вызвавшего трансформацию, L – формы способны реверсировать. L–формы - один из способов переживания бактериями неблагоприятных воздействий окружающей среды (действия АМП). В процессе эволюции у некоторых бактерий произошла окончательная потеря клеточной стенки и они превратились в микоплазмы – р. Mycoplasma.

2 вопрос. Протопласты, сферопласты n Протопласты и сферопласты - бактерии шарообразной формы с разрушенной клеточной стенкой. n Из Гр- бактерий образуются протопласты (на ЦПМ отсутствуют остатки клеточной стенки). n Из Гр+ бактерий образуются сферопласты (на ЦПМ могут находиться остатки клеточной стенки). n При изменении условий, протопласты и сферопласты могут либо лизироваться и погибнуть, либо восстановить клеточную стенку – регенерировать и вызвать рецидив заболевания.

Протопласт – Гр-бактерия с разрушенной клеточной стенкой

Поверхностные структуры бактерий. Все, что над бактериальной клеточной стенкой

3 вопрос. Бактериальная капсула n Капсула – структурный компонент бактериальной клетки на поверхности клеточной стенки. n К–АГ - капсульный антиген (материал капсулы).

Капсулы клеток Clostridium sp. Световая микроскопия Увел. X 2200.

Состав бактериальной капсулы n 1. полисахариды (Streptococcus mutans) n 2. моносахариды и вода n 3. полипептид (Bacillus anthracis) n 4. полисахарид и полипептид n 5. целлюлоза

Строение капсулы n 1. Микрокапсула n 2. Капсулы n 3. Слизистые слои

Ультратонкий срез клетки Shigella flexneri. Микрокапсула (гликокаликс).

Ультратонкий срез бактериальной клетки Acinetobacter sp. Ув. 40000. Капсула.

Электронная микрофотография Бактериальных клеток в агрегатах слизи

Функции капсулы n n n 1. Защитная (Klebsiella pneumoniae, Streptococcus pneumoniae). 2. Антигенная – К-АГ - фактор патогенности (E. coli 70 разновидностей К-АГ). 3. Вещество капсулы определяет иммунологическую мимикрию (Yersinia pestis). 4. У роящихся бактерий (Proteus mirabilis) слизь способствует движению. 5. Функция прикрепления к субстрату - адгезия (Streptococcus mutans).

4 вопрос. Адсорбция и адгезия бактерий – 1 -й фактор патогенности бактерий n Адсорбция – прикрепление в результате взаимодействия зарядов. n Адгезия – прикрепление за счет белковадгезинов и рецепторов (специфическое прикрепление).

Адсорбция n Прикрепление бактерий к различным поверхностям. n Чем больше гидрофобность клеточной поверхности, тем легче бактерия прилипает к субстрату. n Отрицательный заряд поверхности бактериальной клетки обусловливает адсорбцию.

Адгезия - 1 -й фактор патогенности n Адгезия обусловлена капсулой, белкамиn n n адгезинами и рецепторами. Адгезия за счет белков-адгезинов и рецепторов специфическое прикрепление. Адгезия - 1 -й этап, определяющий весь дальнейший ход патологического процесса – 1 -й фактор патогенности. Бактерии должны прикрепиться, прежде чем начнут развиваться в организме хозяина. После прикрепления они способны приступать к заселению и освоению данного ареала. Первым и определяющим колонизацию бактерий фактором является адгезия.

5 вопрос. Бактериальная колонизация n Колонизация - заселение ареала и образование микробного сообщества. n В модельных условиях лаборатории колонизация - рост бактерий в виде колоний (отдельных округлых образований). n В естественных условиях рост бактерий происходит в виде биопленок (рост на поверхности ППС).

Схема бактериальной колонизации (образование биопленок)

Сканирующая электронная микроскопия Колонизация поверхности бактериальными клетками Actinomyces sp.

Сканирующая электронная микроскопия Микроорганизмы в биопленке на поверхности зуба

Сканирующая электронная микроскопия Биопленка на поверхности эпителия кишечника

6 вопрос. Бактериальные фимбрии. Синонимы: пили, ворсинки n Адгезии, кроме капсулы и белков-адгезинов, способствуют n n n фимбрии. Фимбрии - специализированные белковые структуры (пилин) на поверхности бактериальных клеточных стенок, обеспечивающие адгезию. Фимбрии - цилиндрические образования, как правило, цельные внутри, реже полые (конъюгативные). Средняя длина 4 -10 нм, могут достигать длины до нескольких мкм. Ширина варьирует от 2 до 20 нм. У клеток может быть одновременно несколько типов фимбрий. Наряду с адгезией фимбрии выполняют ряд других функций.

Электронограмма. Бактериальные фимбрии E. coli

Палочковидная бактерия с фимбриями Ув. х15 000 Кокки с фимбриями Ув. х12 000

Классификация фимбрий 1. Фимбрии общего типа (к любым контролируются геномом в составе хромосомы ). субстратам, 2. Фимбрии E. coli для прикрепления только к клеткам эпителия кишечника (контролируются плазмидами – внехромосомной ДНК). 3. Фимбрии, определяющие повышенную способность к колонизации (Neisseria gonorrhoeae и N. meningitides). 4. Фимбрии для прикрепления и перемещения по субстрату с целью его колонизации (Pseudomonas aeruginosa). 5. Половые фимбрии (sex-pili) - передача генетического материала в процессе конъюгации.

Половые фимбрии (sex-пили E. coli)

7 вопрос. Движение бактерий. Инвазия - 2 -й фактор патогенности n Движение бактерий происходит за счет жгутиков. n Жгутики - поверхностные структуры, n n обеспечивающие движение. Подвижность синонимом жизни – неотъемлемое свойство всего живого на Земле. Движение обеспечивает проникновение (инвазию) вглубь организма-хозяина. Инвазия - 2 -й фактор патогенности. Возможность движения повышает конкурентноспособность микроорганизмов.

Позитивно окрашенные клетки E. Жгутики coli

Типы движения n n 1. Подтягивающий тип движения – за счет фимбрий ( Pseudomonas aeruginosa). 2. Движение плавающего типа. Осуществляется в жидких средах за счет наружных жгутиков – V. cholerae. 3. Движение по типу роения – по поверхности плотных питательных сред - Proteus vulgaris за счет наружных жгутиков по слизи. 4. Движение в вязких средах за счет периплазматических жгутиков. Спирохеты – Treponema pallidum.

Типы жгутикования 1. Монотрихиальный - единственный жгутик на полюсе – монотрих (Vibrio cholerae) n

Типы жгутикования 2. Лофотрихиальный - пучок на одном полюсе клетки –– лофотрих (р. Pseudomonas)

Типы жгутикования 3. Амфитрихиальный - пучки жгутиков на двух полюсах – амфитрих (р. Spirillum).

Типы жгутикования 4. Перитрихиальный - жгутики по всей поверхности клетки – перитрих (р. Salmonella).

8 вопрос. Строение бактериального жгутика n Бактериальный жгутик – полая белковая структура спиралевидной формы (флагеллин). n Жгутики можно опосредованно видеть в световой микроскоп (темнопольная микроскопия). n Детали строения жгутика – видны только в электронном микроскопе.

Строение бактериального жгутика крюк Базальное тело

Три субструктуры жгутика n 1. Нить (филамента) – пропеллер (за пределами клетки). n 2. Крюк - соединительная структура, обеспечивает соединение между мотором и нитью. n 3. Базальное тело (трансмембранный белок - мотор).

Строение жгутика Гр- бактерий 1 — нить; 2 — крюк; 3 — базальное тело; 4 — стержень; 5 — L-кольцо; 6 — P-кольцо; 7 — S-кольцо; 8 — M-кольцо; 9 — ЦПМ; 10 — периплазматическое пространство; 11 — пептидогликановый слой; 12 — наружная мембрана

1 субструктура – нить n Нить жгутика – полый цилиндр из 11 овальных несократимых белков под углом 45° образуют трехмерную спираль – выполняет механическую функцию. n Диаметр около 20 нм. n Длина от 5 до 20 мкм. n Mм белка флагеллина 25 -70 к. Да. n Белковая структура - Н-АГ - жгутиковый антигенный комплекс.

Формирование нити жгутика n Ряды белков – в разном конформационном n n состоянии, за счет этого они соединяются и образуют спираль. Жгутик образуется в результате самосборки без затраты энергии. Увеличение длины жгутика происходит на конце нити. Новые молекулы белка проходят через полый цилиндр и присоединяются к дистальному концу жгутика. На конце нити есть шапочка (пробка), которая закрывает цилиндр, чтобы белки не выскочили из него.

Вторая субструктура – крюк n Нить присоединяется к крюку. n Крюк находится за пределами клетки. n Состоит из 22 молекул белка. n Крюк поддерживает нить.

3 субструктура - базальное тело (БТ) n Крюк присоединяется к БТ, которое определяет работу нити жгутика. n БТ–основной генератор движения жгутика. n БТ встроено в клеточную стенку бактерии. n БТ состоит из нескольких дисков. n У Гр(-) бактерий – 4 диска. n Гр(+) - 3 диска. n Диски - белковые структуры.

9 вопрос. Работа жгутиков n Жгутик вращается за счет движения крюка. n Вращение крюка происходит за счет энергии движения n n n протонов – протондвижущей силы (ПДС). Протоны Н+, проходя с внешней мембраны по системе дисков до нижнего СМ-диска, где находятся отрицательно заряженные АК, заряжают его белки положительно. При перескакивании протонов происходит поворот жгутика. После поворота с карбоксильных групп АК протоны уходят в цитоплазму. У бактерий могут быть разные типы жгутиков, работающие за счет Н+, или ионов Na+. Жгутик можно сравнить с электрическим мотором, но работающим на Н+, или ионах Na+, а не на электронах.

Принцип работы жгутика

Работа жгутиков n Жгутик работает как винт или пропеллер. n Скорость вращения крюка – 300 об/сек n Ср. скорость движения – 100 мкм/сек n Самый быстрый пловец Vibrio cholerae n - 72 cм/час n В сравнении с человеком - 100 км/час

Направление движения бактерий n Жгутики при плавании собираются в пучок и n n n начинают вращаться против часовой стрелки. Затем происходит пробег бактерии, после чего жгутики начинают вращаться по часовой стрелке. При этом бактерия совершает небольшой кувырок. Направление движения – случайное. Частота кувырков и пробегов будет одинаковой, если условия среды не меняются. При изменении условий меняются параметры движения.

Вращение бактерий и их жгутиков при движении В А Расположение жгутиков E. coli при движении: А – вращение жгутиков против часовой стрелке В – вращение жгутиков по часовой стрелке

Кинез Реакция, проявляющаяся в изменении скорости плавания - кинез. Траектория кинеза – ломанная линия.

11 вопрос. Таксисы бактерий n Плавание с определенной целью – поиск n n питательных субстратов или избегание действия неблагоприятных факторов. Целенаправленное передвижение - способность к таксису. Плыть в направлении более благоприятных условий – положительный таксис. Избегать неблагоприятных условий – отрицательный таксис. Таксис – ориентированное движение МО в направлении к аттрактанту и удаление от репеллента.

Разновидности таксисов n 1. хемотаксис – реакция на изменение концентрации растворенных веществ n n n n 2. аэротаксис - кислорода 3. осмотаксис - осмолярности 4. фототаксис - освещенности 5. термотаксис - температуры 6. тигмотаксис – механического воздействия 7. гальванотаксис – электрического тока 8. магнитотаксис – магнитного поля

Литература n 1. В. М. Бондаренко, Т. В. Мацулевич. Дисбактериоз кишечника как n n n клинико-лабораторный синдром. М. : ГЭОТАР-Медиа. 2007. 300 стр. 2. А. И. Коротяев, С. А. Бабичев. Медицинская микробиология, иммунология и вирусология. СПб. : Спец. Лит. 2000. 600 стр. 3. А. С. Лабинская, Л. П. , Блинкова, А. С. Ещина. Частная медицинская микробиология. М. : Медицина. 2005. 600 стр. 4. А. В. Пиневич. Микробиология. Биология прокариотов. В 2 -х том. СПб. : СПб. ГУ. 2007. 350, 330 стр. 5. О. К. Поздеев. Медицинская Микробиология. М. : ГЭОТАР-Медиа. 2005. 765 стр. 6. О. В. Рыбальченко, В. М. Бондаренко, В. П. Добрица. Атлас ультраструктуры микробиоты кишечника человека. СПб. : ИИЦ ВМА. 2008. 112 стр. с ил. 7. Современная микробиология. Прокариоты. Под ред. Й. Ленгелера, Г. Древса, Г. Шлегеля. М. : Мир. 2005. в 2 -х том. 655, 495 стр.