Прокариоты могут служить причиной заболеваний у высших организмов
Прокариоты могут заселять высшие организмы и служить причиной развития заболеваний.
Основные положения:
- Хотя на теле человека или в его организме обитает много микробов, лишь небольшая их часть представляет собой патогенные бактерии.
- Патогенные бактерии способны заселять ткани организма хозяина, а также размножаться и существовать в них.
- Многие патогенные микроорганизмы продуцируют токсины, которые усугубляют поражение клеток организма хозяина.
Организм животных содержит достаточное количество питательных веществ и обеспечивает поддержание относительно стабильных значений рН, осмотического давления и температуры. Это создает оптимальную среду для роста разнообразных прокариот. Тесные биологические взаимоотношения, существующие между двумя различными организмами, например между микробами и клетками хозяина, называются симбиотическими . В зависимости от степени выгоды или вреда, симбиоз между хозяином и микробом может быть взаимным, комменсальным паразитическим или патогенным ( рис. 20.57 ). Абсолютное большинство прокариот, находящихся в симбиотических отношениях с другими клетками, являются комменсальными резидентами, которые или слабо влияют на организм хозяина, или вообще не оказывают на него никакого влияния. Некоторые комменсальные обитатели оказываются полезными, и в некоторых случаях выполняют нужные функции в организме хозяина. Например, штаммы Е. coli , содержащиеся в желудочно-кишечном тракте, помогают пищеварению.
Микробы, растущие в организме, и не приносящие ему пользы называются паразиты. Некоторые из таких паразитических взаимоотношений оказываются вредными для организма хозяина. Микробы, которые причиняют вред организму хозяина, называются патогенными, и их способность заселять организм и вызывать заболевания является результатом многих факторов как со стороны организма хозяина, так и со стороны микроорганизмов. Патогенные микроорганизмы подразделяются на оппортунистические и первичные. Оппортунистические бактерии вызывают инфекции только при поражениях организма, например при тяжелых ожогах , СПИДе , и у некоторых раковых больных. Первичные патогены вызывают заболевание нормального, здорового организма, и иногда их размножение полностью зависит от самого организма хозяина. Независимо от типа патогена, вызывающего инфекцию, микроб должен проникнуть в организм хозяина, заселить его, избежать атаки со стороны иммунной системы, и начать размножаться. Наряду с этим, первичные патогены должны подготовиться к передаче инфекции к другому хозяину.
До того как патоген вызовет повреждения в организме хозяина, он должен получить доступ к его тканям и начать размножаться. Места первичной инфекции обычно представляют собой открытые участки, например на коже или участки слизистой дыхательного, мочеполового и кишечного эпителия. На поверхности микробных клеток экспрессируются несколько разных молекул, которые связываются с рецепторами, присутствующими в тканях хозяина. Эти адгезивные молекулы представляют собой полисахариды или белки. Например, Streptococcus mutants посредством своей полисахаридной капсулы адсорбируется на поверхности зубной эмали и вызывает кариес . Для прикрепления к клеткам тканей хозяина, многие микробы используют такие поверхностные белковые структуры, как пили . Наличие таких адгезивных органелл часто обеспечивает патогену вирулентность , и при их отсутствии микроорганизмы оказываются неспособными вызвать инфекцию; они обычно уничтожаются и выводятся из организма.
Прикрепление микробов к тканям представляет собой тканеспецифичный процесс и зависит также от вида бактерий. Специфичность по отношению к определенным тканям обычно называют тропностью . Например, микроб, вызывающий гоноррею , Neisseria gonorrhoeae , прочно прикрепляется к эпителию мочеполовой системы и почти не связывается с эпителиальными клетками другой локализации. К числу примеров иллюстрирующих специфичность связывания, в зависимости от вида бактерий, относится связывание с клетками почечного эпителия штамма Е. coli , вызывающего пиелонефрит . Эти штаммы обладают одной из трех разновидностей P-пилей , каждая из которых специфична в отношении почечного эпителия человека, собаки или крысы.
Некоторые бактериальные патогены заселяют эпителий, вызывая инфекцию. Такая инвазия дает микробам доступ к питательным продуктам, которые поддерживают их размножение. Попадание через эпителий в кровеносные сосуды позволяет бактериям расти не только в местах первоначального заселения, но и в более отдаленных. Системные инфекции часто являются результатом проявления активности патогена, получившего доступ в кровь или лимфатическую систему, при инвазии эпителиального слоя.
Поскольку первоначальный очаг заражения редко бывает достаточно обширным, патоген должен размножиться в организме, чтобы вызвать ощутимые последствия. Ткани организма хозяина являются подходящим местом для роста бактерий. Однако в тканях существует недостаток некоторых необходимых питательных компонентов, и патогенные микроорганизмы должны быть способны более эффективно использовать имеющиеся ресурсы и в то же время противостоять атакам со стороны иммунной системы хозяина. Преимуществом обладают бактерии, способные использовать сложные источники питания, например гликоген . Патогены могут конкурировать с клетками организма хозяина за микроэлементы, например за железо. В клетках животных есть два белка, трансферрин и лактоферрин , которые связывают и переносят железо. Таким образом в тканях организма хозяина находится очень мало свободной формы железа. Для обхода этой системы у патогенных бактерий существуют эффективные комплексы, хелатирующие железо, которые называются сидерофоры . Они помогают им накапливать железо из окружающей среды.
Патогенные бактерии продуцируют множество вирулентных факторов , которые помогают им инфицировать организм хозяина и поддерживать патологический процесс. К числу грамположительных патогенов относятся Streptococci , Staphylococci и Pneumococci , которые продуцируют ферменты, расщепляющие полисахариды клетки хозяина, что дает возможность инфекции распространяться по тканям. Clostridium является продуцентом коллагеназы , которая деполимеризует коллагеновые структуры, скрепляющие ткани хозяина, в результате чего микроб распространяется по организму. Streptococcus pyogenes распространяется по тканям благодаря действию стрептокиназы , которую продуцирует этот микроорганизм. Стрептокиназа ослабляет фибриновые структуры клеток и тканей хозяина, препятствующие распространению патогена. Наоборот, некоторые патогены способны локализоваться (образовывать защитную оболочку вокруг своей клетки) за счет продуцирования ферментов, обеспечивающих образование фибринового сгустка. К числу хорошо известных ферментов такого типа относится коагулаза , продуцируемая Staphylococcus aureus . Микроорганизмы, продуцирующие коагулазу, покрываются фибриновой оболочкой, и считается, что она предохраняет микроб от действия защитных систем организма хозяина.
Наряду с попаданием бактерий и их размножением поражение организма хозяина усиливается под действием бактериальных токсинов. Выделяемые токсины называются экзотоксинами , и они способны повреждать ткани, расположенные далеко от места первичной инфекции. По механизму действия экзотоксины можно подразделить на три группы.
- Цитолитические экзотоксины , например гемолизин , действуют на цитоплазматические мембраны клеток организма хозяина и вызывают их лизис. Штаммы бактерий, обладающие гемолитическим действием, легко идентифицируются при выращивании на агаре, содержащем кровь. При выделении гемолизина происходит лизис эритроцитов , что приводит к образованию белых участков на фоне красного агара.
- Представителем второй группы экзотоксинов является токсин, продуцируемый Corynebacterium diphtheriae , который вызывает заболевание дифтерией . Когда Corynebacterium попадает в среду с низким содержанием железа (что свидетельствует о попадании бактерии в организм хозяина), она начинает секретировать дифтерийный токсин , который попадает в клетки организма хозяина и вызывает остановку трансляции.
- К третьей группе относятся нейротоксины , включая ботулинический токсин, продуцируемый Clostridiun botulinum . Для человека это наиболее токсичный из известных токсинов. Ботулинический токсин блокирует высвобождение ацетилхолина из нервных клеток , что приводит к необратимому расслаблению мышц и к параличам.
Каждый патогенный микроорганизм использует свои детерминанты вирулентности, вызывающие то или иное инфекционное заболевание. Для микроорганизмов, продуцирующих сильные токсины, начальная степень инвазии и темпы размножения микробов не играют критической роли. Например, Clostridium tetani не относится к инвазивным микроорганизмам, поскольку продуцирует мощный токсин. Инфекция С. tetani часто приводит к смертельному исходу. В то же время Streptococcus pneumoniae не продуцирует токсин, однако из-за высоких темпов размножения микроорганизма в легочной ткани инфекции оказываются смертельными. Большие количества бактерий в ткани легких ослабляют иммунную систему организма и вызывают пневмонию . Исследование механизмов вирулентности прокариот обеспечивает разработку новых терапевтических средств для борьбы с инфекционными заболеваниями.
Система иммунной защиты организма хозяина по отношению к патогенам подразделяется на два типа: врожденная и адаптивная.
Врожденная система иммунитета является "конститутивной", т.е. функционирует всегда. Эта система обеспечивает общую защиту от инвазии и заселения организма патогенными микробами. Эффективным средством врожденной защиты организма служит кожа, поскольку она защищает находящиеся под ней ткани от контакта с патогенами. Мембраны клеток слизистой оболочки обеспечивают защиту от патогенных микробов, продуцируя вещества, ограничивающие их рост.
Система адаптивной защиты организма включается только после попадания инфекции в организм хозяина. Эта система включает гуморальный и клеточный иммунный ответ . Оба типа ответа специфичны и позволяют организму хозяина распознавать патогенные факторы, которые ранее попадали в организм, что позволяет эффективно бороться с ними. Динамика взаимоотношений организма хозяина с патогенными микробами представляет собой бурно развивающуюся область исследований.
Смотрите также:
