PODSTAWY BUDOWY FIZJOLOGII I GENETYKI DROBNOUSTROJÓW CZYNNIKI CHOROBOTWÓRCZOŚCI DROBNOUSTROJÓW

Transkrypt

1 PODSTAWY BUDOWY FIZJOLOGII I GENETYKI DROBNOUSTROJÓW CZYNNIKI CHOROBOTWÓRCZOŚCI DROBNOUSTROJÓW ANNA MAJEWSKA KATEDRA I ZAKŁAD MIKROBIOLOGII LEKARSKIEJ WARSZAWSKI UNIWERSYTET MEDYCZNY WARSZAWA 2015

2 KSZTAŁTY KOMÓREK BAKTERYJNYCH KULISTY ZIARENKOWCE DWOINKI TETRADY SZEŚCIANKI PACIORKI CYLINDRYCZNY PAŁECZKI LASECZKI SPIRALNY KRĘTKI PRZECINKOWCE ŚRUBOWCE ROZGAŁĘZIONE NICI PROMIENIOWCE PLEOMORFIZM

3 Neisseria gonnorhoeae Clostridium botulinum Campylobacter spp. Streptococcus spp.

4 WIELKOŚĆ KOMÓREK BAKTERYJNYCH Długość 0,4-20 µm

5 BUDOWA KOMÓRKI BAKTERYJNEJ CYTOPLAZMA NUKLEOID MEZOSOM RYBOSOMY WARSTWY POWIERZCHNIOWE BŁONA CYTOPLAZMATYCZNA ŚCIANA KOMÓRKOWA RZĘSKI FIMBRIE OTOCZKA

6 CYTOPLAZMA CYTOPLAZMA (PROTOPLAZMA) SKŁADA SIĘ Z: WODY JONÓW NIEORGANICZNYCH METABOLITÓW POLIMERÓW KWASÓW NUKLEINOWYCH SUBSTANCJI ZAPASOWYCH WAŻNE PROCESY FIZJOLOGICZNE

7 NUKLEOID BRAK JĄDRA KOMÓRKOWEGO BRAK BŁONY JĄDROWEJ CHROMOSOM BAKTERYJNY ZAWIERA INFORMACJĘ GENETYCZNĄ (jeden lub więcej, nierównoważne, chromosom główny) DNA MA POSTAĆ PODWÓJNEJ SPIRALI, ZŁOŻONEJ Z DWU KOMPLEMENTARNYCH ŁAŃCUCHÓW POLINUKLEINOWYCH ZAWIERA OD KILKUSET DO KILKU TYSIĘCY GENÓW

8 O O P O O Wiązanie fosfodiestrowe CH 2 O H H H H H O O P O C O CH 2 O H H H H H A C G A T C G T A T A G C Cytozyna (C) Tymina (T) Adenina (A) Guanina (G) H H N H O N NH 2 H H H Pirymidyny N CH 3 O N O H H H H N N H N N N H H H Puryny O N N H N N N H

9 CHROMOSOM BAKTERYJNY Haploidalny (częściej dochodzi do mutacji i wymiany genów) Składa się z genów strukturalnych (determinują strukturę białek) Inne elementy genetyczne (pozachromosomowe czynniki dziedziczenia) Plazmidy niezależnie od chromosomu Transpozony (tn) powielają się i przenoszą pomiędzy komórkami Bakteriofagi

10

11 REPLIKACJA MATERIAŁU GENETYCZNEGO SEMIKONSERWATYWNA ŁAŃCUCHY KOMPLEMENTARNE ROZDZIELAJĄ SIĘ, KAŻDY STAJE SIĘ MATRYCĄ NA KTÓREJ ODTWARZANY JEST ŁAŃCUCH KOMPLEMENTARNY POWSTAJĄ DWIE HELISY KAŻDA JEST IDENTYCZNA Z ORYGINALNĄ PODWÓJNĄ SPIRALĄ POLIMERAZA HELIKAZY TOPOIZOMERAZA LIGAZA GYRAZA

12 widełki replikacyjne 5-3 kopiowanie sposób ciągły sposób nieciągły fragmenty Okazaki

13 PLAZMID Kolista cząsteczka dna Autonomiczna replikacja Determinacja cech zwiększających możliwość przeżycia w określonych warunkach środowiskowych (geny oporności, wytwarzanie bakteriocyn)

14 TRANSPOZONY Małe fragmenty dna, podatne na translokację w różne miejsca komórki Mogą zawierać różne geny np. determinujące oporność na antybiotyki

15 BAKTERIOFAGI Bakteriofagi wirusy bakteryjne (liza komórek lub włączenie materiału genetycznego do genomu gospodarza)

16

17 REPLIKACJA TRANSLACJA TRANSKRYPCJA

18 TRANKRYPCJA

19 TRANSLACJA trna

20 WYMIANA GENÓW Horyzontalne przekazywanie genów (wymiana odcinków DNA) Transformacja Transdukcja Koniugacja

21 TRANSFORMACJA ZMIANA CECH DZIEDZICZNYCH DANEGO SZCZEPU BAKTERII POD WPŁYWEM POBRANEGO (egzogennego) DNA INNEGO SZCZEPU Trwała zmiana zapisu genetycznego komórki Wpływ na cechy komórki

22 KONIUGACJA ŁĄCZENIE KOMÓREK donor/akceptor WYMIANA MATERIAŁU GENETYCZNEGO REKOMBINACJA

23 TRANSDUKCJA Integracja genomu wirusowego w określone miejsce chromosomu zainfekowanej komórki DNA faga i komórki jest przecinany w określonych miejscach Wbudowanie DNA faga do chromosomu bakterii Bakteria zawierająca wbudowany DNA faga przekazuje fagowy genom komórkom potomnym Genom wirusowy i bakteryjny powielają się wspólnie i zgodnie ze sobą współistnieją

24 RYBOSOMY 50s (23s i 5s RNA), 30s (16s RNA) Polirybosomy Synteza białek (transkrypcja, translacja)

25 BŁONA CYTOPLAZMATYCZNA Substancja koloidalna Białka (70%) Fosfolipidy Węglowodany Mezosom wpuklenie błony cytoplazmatycznej Przytwierdzanie nukleoidu, Miejsce występowania enzymów (synteza, proces oddychania)

26 BŁONA CYTOPLAZMATYCZNA Transport elektronów Transport enzymów Usuwanie wewnątrzkomórkowych i periplazmatycznych enzymów i toksyn Regulacja segregacji chromosomalnego i plazmidowego DNA do komórek potomnych przy podziale komórki Wytwarzanie układów transportowych

27 ŚCIANA KOMÓRKOWA Peptydoglikan (wyjątek - mykoplazmy) Długie łańcuchy polisacharydowe połączone za pomocą mostków peptydowych

28 BAKTERIE GRAM-DODATNIE Wiele warstw peptydoglikanu Łańcuchy polisacharydów Połączone krótkimi peptydami struktura przestrzenna (egzoszkielet) Kwasy tejchojowe Polimery fosforanów glicerolu lub rybitolu wł. antygenowe Kwasy lipotejchojowe Powiązane z bł. cytoplazmatyczną (wł. antygenowe, cytotoksyczne, adhezyjne) Kwasy mykolowe (Corynebacterium, Mycobacterum)

29 ŚCIANA KOMÓRKOWA BAKTERII GRAM - UJEMYCH Pojedyncza warstwa peptydoglikanu (budowa jak u bakterii Gram-dodatnich Błona zewnętrzna (podwójna błona lipidowa, białka) Zewnętrzna lipopolisacharyd (LPS)

30 LPS LPS endotoksyna-czynnik zjadliwości O-antygen, antygen powierzchniowy Właściwości immunogenne Lipid A tkwi w błonie zewnętrznej Najbardziej konserwatywny region

31 OTOCZKA Polisacharydowe otoczki (polimery cukrów, aminocukrów lub kwasów uronowych) Wytwarzanie kontrolowane genetycznie i pod wpływem warunków środowiska Barwienie negatywne Kolonie śluzowate vs szorstkie

32 KOLONIE SZORSTKIE I ŚLUZOWATE R S K.pneumoniae

33 OTOCZKA WŁAŚCIWOŚCI ANTYGENOWE ODPOWIEDŹ HUMORALNA immunoprofilaktyka - pneumovax Adhezja (stała lub okresowa kolonizacja) Ochrona przed wysychaniem w środowisku zewnętrznym Nieprzepuszczalne dla niektórych antybiotyków Streptococcus pneumoniae wiele typów otoczkowych Klebsiella pneumoniae Escherichia coli wiele typów otoczkowych

34 RZĘSKI FILAMENTY O DŁUGOŚCI nm Struktura białkowa (flagelina) Flagelina ma właściwości immunogenne (antygen H) Cecha taksonomiczna, uwarunkowania środowiskowe

35 RZĘSKI Adhezja Wnikanie pod warstwę śluzową na powierzchni komórki nabłonkowej (H. influenzae) Ruch (chemotaksja, aerotaksja)

36 RZĘSKI A MONOTRICHALNE B- LOPHOTRICHALNE C- AMPHITRICHALNE D- PERITRICHALNE

37 FIMBRIE, PILI Struktura białkowa (lektyny) Pojedyncze kilkaset fimbrie zwykłe fimbrie płciowe

38 Fimbrie zwykłe Enterobacteriaceae, rodzaj Pseudomonas Czynnik zjadliwości bakterii Fimbrie P E. coli przyleganie do nabłonka dróg moczowych chronią przed mechanicznym usunięciem ze strumieniem moczu Fimbrie płciowe (F) biorą udział w przenoszeniu informacji genetycznej - koniugacja

39 BIAŁKA POWIERZCHNIOWE Białko M (paciorkowce) Właściwości antyfagocytarne Posiada epitopy wspólne z tkankami ludzkimi Białko A (gronkowce) Białka wiążące fibronektynę, kolagen, elastynę (gronkowce) Proteazy rozkładają przeciwciała IgA Pałeczki niefermentujące P.aeruginosa, gonokoki, meningokoki

40 PRZETRWALNIKI, ENDOSPORY Pozwalają przetrwać niekorzystne warunki środowiskowe Wieloetapowa sporulacja Germinacja komórka wegetatywna Ułożone w komórce centralnie, biegunowo lub podbiegunowo B. anthracis, G. stearothermophilus, rodzaj clostridium (C. botulinum, C. perfringens, C.tetani) G. STEAROTERMOPHILUS

41 CLOSTRIDIUM TETANI

42 BACILLUS ANTHRACIS

43 SPORY- KSZTAŁT 1. OKRĄGŁY 2. ELIPSOIDALNY 3. OWALNY 4. CYLINDRYCZNY 5. NERKOWATY 6. W KSZTAŁCIE BANANA

44 CHOROBOTWÓRCZOŚĆ WŁAŚCIWOŚĆ POSZCZEGÓLNYCH SZCZEPÓW ZDOLNOŚĆ WYTWARZANIA CZYNNIKÓW ZJADLIWOŚCI MIARĄ CHOROBOTWÓRCZOŚCI JEST ZJADLIWOŚĆ (WIRULENCJA)

45 WŁAŚCIWOŚCI CHOROBOTWÓRCZE CECHA STAŁA WARUNKOWANA CHROMOSOMALNIE CECHA ZMIENNA WARUNKOWANA PLAZMIDOWO CECHA ZMIENNA WARUNKOWANA OBECNOŚCIĄ PROFAGA

46 CZYNNIKI WARUNKUJĄCE CHOROBOTWÓRCZOŚĆ BAKTERII UŁATWIAJĄCE ADHEZJĘ I KOLONIZACJĘ UMOŻLIWIAJACE INWAZJĘ DZIAŁAJĄCE TOKSYCZNIE NA KOMÓRKĘ UMOŻLIWIAJĄCE EWAZJĘ

47 ADHEZJA Zdolność przylegania bakterii do powierzchni komórek Białka i polisacharydy powierzchniowe - oddziaływanie sił fizycznych (Van der Waalsa), hemodynamicznych Nieswoiste wiązania chemiczne (kowalentne, wodorowe S. epidermidis) Interakcje swoiste - wiązanie determinant powierzchniowych bakterii z odpowiednimi komórkowymi ligandami (swoiste receptory) Zjawisko wykorzystywane przez bakterie mikroflory fizjologicznej

48 ADHEZJA Fimbrie (pile) białkowe wypustki Zlokalizowane najczęściej na jednym z biegunów bakterii Otoczka Egzogenne polisacharydy

49 KOLONIZACJA Wytworzenie mikrośrodowiska Przetrwanie i namnażanie się bakterii Wytwarzanie biofilmu Powierzchnia błony śluzowej, tworzywa sztuczne (zastawki, protezy) - gronkowce, P. aeruginosa W warunkach naturalnych: bakterie jamy ustnej, pochwy, p. pokarmowego Biofilm patogenny płytka nazębna paciorkowce jamy ustnej

50 BŁONA BIOLOGICZNA - BIOFILM Polimery zewnątrzkomórkowych polisacharydów wytwarzane po adhezji Nasila adhezję Odporność na mechanizmy obronne gospodarza Zaburzenie fagocytozy, Upośledzenie prezentacji antygenów, Przenikania antybiotyków i przeciwciał, Umożliwia i interakcję pomiędzy drobnoustrojami

51 BIOFILM Fragmentacja i możliwość rozprzestrzeniania drogą krwi zatory septyczne ogniska zakażenia wtórnego Trójwymiarowa struktura utworzona z agregatów komórek bakteryjnych i macierzy pozakomórkowej Mikrokolonie oddzielone są od siebie kanałami, przez które przepływa woda, dostarczająca koloniom substancji odżywczych oraz usuwająca resztki przemiany materii

52 INWAZJA Proces wieloczynnikowy Toksyny Białka enzymatyczne Białka powierzchniowe komórki bakteryjnej (inwazyny)

53 BIAŁKA POWIERZCHNIOWE Bakteriocyny hydrolizują peptydoglikan Y. pestis pestycyna E. coli kolicyna P. aeruginosa - piocyna Hialuronidaza niszczy substancje podstawową tkanki łącznej (gronkowce, paciorkowce) Kolagenaza enzym, rozpuszcza kolagen obecny w tkance kostnej i chrzęstnej (C. perfringens) Koagulaza wytrącanie fibrynogenu (S. aureus) umożliwia tworzenie się ropni zamkniętych, ograniczających penetrację antybiotyków Fibrynolizyna - S. pyogenes rozpuszcza włóknik

54 TOKSYNY BAKTERYJNE Proste lub złożone związki peptydowe, polisacharydowe pochodzenia bakteryjnego, łącząc się z receptorami prowadzą do: Uszkodzenia komórkii Zaburzenie funkcji fizjologicznych Choroba organizmu człowieka Śmierć

55 TOKSYNY ENDOTOKSYNY LPS składnik ściany komórkowej bakterii Gram - ujemnych (lipid A) Lipid A o aktywuje komórki do produkcji cytokin, o aktywuje dopełniacz o uwalnianie po rozpadzie komórki o Wstrząs endotoksyczny

56 TOKSYNY EGZOTOKSYNY - Rozpuszczalne substancje białkowe wydzielane do środowiska - Stymulują układ odpornościowy - Wykorzystywane w produkcji szczepionek (toksoidów) taksoid tężca

57 EGZOTOKSYNY - CYTOTOKSYNY Cytotoksyny uszkadzają błony komórkowe Leukocydyna leukocyty, płytki krwi: P. aeruginosa, S. aureus Cytotoksyny zaburzające syntezę białek Cytotoksyna tchawicza B. pertussis hamuje ruch rzęsek

58 HEMOLIZYNY

59 EGZOTOKSYNY - NEUROTOKSYNY Toksyna tężcowa (tetanospazmina) Zaburza wydzielanie acetylocholiny na zakończeniach komórek nerwowych Porażenie spastyczne w przebiegu tężca UŚMIECH SARDONICZNY

60 S. AUREUS - EKSFOLIATYNY Toksyna epidermolityczna Złuszczające, pęcherzowe zapalenie skóry Rozwarstwienie warstwy ziarnistej naskórka Niemowlęta

61 TOKSYNA A I B C.DIFFICILE

62 EGZOTOKSYNY O WŁAŚCIWOŚCIACH SUPERANTYGENÓW Egzotoksyna A A. pyogenes paciorkowcowy zespół wstrząsu toksycznego Toksyna TSST 1 gronkowcowy zespół wstrząsu toksycznego

63 EWAZJA UNIKANIE MECHANIZMÓW OBRONNYCH GOSPODARZA Ukrywanie antygenów Pasożytnictwo wewnątrzkomórkowe (rodzaj Legionella, Chlamydia, Listeria) Kolonizacja miejsc trudno dostępnych (ujście gruczołów wydzielania zewnętrznego) Wiązanie się z białkami gospodarza (Staphylococcus spp., Streptococcus spp.) lub produkcja antygenów podobnych do antygenów gospodarza (H. pylori, C.jejuni) Zmienność antygenowa (Borrelia Spp.) Otoczka Biofilm