Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Микробиология. Ч.3. Мир прокариот. Учебное пособие
.pdf
4.1. микробиота человека и ее значение
около 400 тысяч генов, что в 12 раз больше генома человека. В нормальной микрофлоре выделяют постоянную (резидентную) и временную (транзиторную) микрофлору. Представители постоянной микрофлоры стабильно сохраняются
на протяжении многих месяцев и лет, а транзиторные легко
удаляются при механическом воздействии и купании. Резидентная микрофлора человека образует четкую биологическую
структуру — биопленку, толщина которой колеблется от 0,1
до 0,5 мм. Биопленка образована слоем муцина, продуцируемого микроорганизмами. В нем иммобилизованы микроколонии бактерий, которые могут располагаться в несколько
слоев. Наиболее сложные сообщества складываются в толстом
кишечнике, ротовой полости, носоглотке. Основу постоянной микрофлоры человека составляют облигатно анаэробные
виды. Даже в глубоких слоях кожи число анаэробов
в 3–10 раз выше, чем аэробных бактерий. В толстом кишечнике это соотношение может увеличиться до 1000 : 1 и более.
Число культивируемых анаэробных бактерий, составляющих
микрофлору человека, не превышает 50 % от предполагаемого
истинного количества.
Типичные представители кожной микрофлоры:
Staphylococcus, Micrococcus, Propionobacterium, Corynebacterium, Brevibacterium, Acinetobacter и др. До 70 % кожной
микрофлоры составляют коринебактерии, которые продуцируют липазы, разлагающие выделения потовых и сальных
желёз. Запах пота появляется благодаря деятельности этих
бактерий. На 1 см 2 приходится 10 3–10 6 КОЕ (КОЕ —
колониеобразующие единицы, показатель количества жизнеспособных микроорганизмов в единице объема).
Более 75 % всех микроорганизмов микробиоты обитает
в желудочно-кишечном тракте, около 20 % из них составляют
археи.
В ротовой полости обитает по разным оценкам 300–800
видов, заселяющих различные экологические ниши: слизистая
оболочка, протоки слюнных желез, десневой желобок, ротовая
жидкость, зубная бляшка (зубной налет). Количество микроорганизмов может достигать 10 9 КОЕ/мл. Несмотря на большое
разнообразие, количественно преобладают представители трех
групп: около половины — факультативно и облигатно-анаэробные стрептококки, около четверти составляют вейлонеллы,
71
72
4. прокариоты и здоровЬе человека
около четверти — дифтероиды (коринобактерии, пропионибактерии, эубактерии, актиномицеты). Остальные группы —
кокки, лактобактерии, спирохеты, лептоспиры, фузобактерии,
бактероиды (превотеллы, порфиромонады, собственно бактероиды), нейссерии, микоплазмы, дрожжи (Candida), простейшие
(Eutamebae gingivales, Trichomonas tenax) представлены малыми популяциями.
Больше всего микроорганизмов в толстом кишечнике.
Количество бактерий может достигать 10 10 КОЕ/г содержимого, разнообразие от 700 до 7000 видов по оценкам разных исследователей. Профиль кишечной микрофлоры у каждого человека как правило уникален, однако сформирован
в основном представителями типов Firmicutes и Bacteroides,
составляющих по меньшей мере 75 % от всего микробиома.
В кишечнике человека выделяют три основных энтеротипа —
группы, характеризующиеся сходным составом коменсальной
микробиоты: с преобладанием Гр– бактерий рода Bacteroides
(энтеротип I), с преобладанием рода Prevotella (энтеротип
II), с преобладанием Гр+ бактерий типа Firmicutes, из которых наиболее представлен род Ruminococcus (энтеротип III).
Кроме того в составе кишечной микробиоты выделяются:
Proteus, Klebsiella, Enterobacter, Escherichia, Clostridium,
Bacteroides, Butyrivibrio, Eubacterium и др.
Значение микробиоты разнообразно, можно выделит основные функции:
– Ферментообразующая функция. Микроорганизмы принимают участие в метаболизме углеводов, белков, липидов
и т. д., а также участие в регуляции цикла желчных кислот
и стероидов, гидролизе мочевины. Желочные пигменты —
конечные продукты расщепления гемоглобина и гемсодержащих ферментов. Ежедневно около 200–300 мг желчных пигментов (преимущественно в виде билирубина) экскретируется
с желчью в кишечник. Большая часть (90 %) этого пигмента
находится в конъюгированном состоянии с глюкоронидом,
10 % с сульфатом. Ферменты кишечной микрофлоры (глюкуронидаза и сульфатаза) обеспечивается гидролиз и обратное
всасывание солей желчных кислот. Кишечные бактерии используют ежедневно до 45 г углеводов нашей пищи, при этом
они расщепляют до 30 % неперевариваемых белков, 25 % всей
мочевины, не перевариваемые полисахариды и липиды.
4.1. микробиота человека и ее значение
– Морфокинетическая функция. Микрофлора стимулирует работу кишечника, усиливая перистальтику и процесс
обновления поверхностного эпителия. Предположительно продукты микробного метаболизма служат дополнительным важным источником питания мукозных клеток.
– Гомеостатическая функция. Микрофлора принимает
участие в водно-солевом обмене и поддержании рН, а также
в регуляции газового состава полостей (соотношение газов
в толстом кишечнике). Кислые мукополисахориды связывают большое количество катионов, что отражается на абсорбции воды. Важную роль в разрушении осмотически активных
веществ играет анаэробная микрофлора слепой кишки (фузобактерии, бактероиды, руминококки, бифидобактерии и др.),
имеющая муциназы и питающаяся муцином. Большое число
бактериальных заболеваний сопровождается диареей.
– Регуляторная функция. Микробиота влияет на нормальное функционирование иммунной, эндокринной, сердечно-сосудистой, центральной нервной системы и на формирование иммунной системы. У гнобионтов (стерильных
лабораторных животных) наблюдается недоразвитие основных
иммунных органов (тимуса, лимфоидной ткани кишечника
и т. д.). Метаболитами бактерий, выполняющими коммуникативные и адаптационные функции, выступают вещества, играющие в организме человека роль нейромедиаторов. Представители микрофлоры выделяют ацетилхолин, норадреналин
и дофамин, серотонин, гистамин, глутамат, гамма-аминомасляную кислоту, аминокислоты (аспарагиновую, глицин,
туарин и др.) и т. д. Эти вещества могут оказывать влияние
на память, эмоции, обучение, регуляцию работы эндокринной
системы, участвовать процессах торможения и т. д.
Микроорганизмы вырабатывают витамины С, К, группы
В, никотиновую, фолиевую кислоты, также другие биологически активные вещества: летучие жирные кислоты (ЛЖК),
токсины, бактериоцины, антибиотики. ЛЖК (масляная, пропионовая, уксусная и др.) — важные регуляторы углеводного
и липидного метаболизма в печени и других тканях, в частности они ингибируют гликогенез.
– Защитная функция (иммунизирующая и антагонистическая). Нормальная микрофлора выступает неспецифическим
раздражителем иммунной системы. Бактериальные антигены
73
74
4. прокариоты и здоровЬе человека
вызывают постоянное образование антител в низких титрах
(Ig А), что является основой местной невосприимчивости
к проникновению возбудителя внутрь тканей. Микробиота
обеспечивает колонизационную резистентность. Большинство
видов проявляют выраженный антагонизм в отношении патогенных видов, вырабатывая бактериоцины, кислоты, спирты
и другие вещества, снижающие метаболизм и токсигенные
свойства патогенов.
Необходимо учитывать, что представители микрофлоры
при определенных условиях вызывают гнойно-воспалительные
процессы и другие эндогенные инфекционные заболевания.
Для организма любого животного такой симбиоз на грани патогенности имеет большое значение в плане поддержания своих защитных систем в полной боевой готовности.
В здоровом организме нормальная микрофлора сбалансирована. Стойкое нарушение в равновесии микробных ценозов человека называют дисбактериоз (дисбиоз). Различают кратковременные изменения в составе микрофлоры
(дисбактериальные реакции) и длительные (более 20–30 суток)
изменения в составе микрофлоры (истинный дисбиоз). Первые
обусловлены возрастными, сезонными, пищевыми, стрессовыми факторами, второй развивается в следствие частых инфекций, антибиотико-, гормоно-, химиотерапии , полостных
операций, применением иммунодепрессантов, повышением
общего уровня радиации и др. Под воздействием этих факторов меняется нормальный состав микрофлоры, уменьшается
число облигатных ее представителей. При нарушении сложившегося в ходе эволюции равновесия могут проявляться
потенциально патогенные свойства микроорганизмов. Заболевания, вызванные условно-патогенными представителями
собственной микробиоты человека характеризуются тяжелым
течением, трудно поддаются лечению и сопровождаются высокой летальностью. Потенциально патогенные свойства проявляются почти у всех представителей нормальной микрофлоры человека. Так, Escherichia coli может являться причиной
цистита, холецистита, пиелита и др. Вирулентность штаммов
микробиоты может усиливаться за счет обмена генетической
информацией с проникающими в организм патогенными
микроорганизмами.
4.2. патогенностЬ бактерий и иммУннаЯ защита человека
На фоне дисбиоза могут развиться различные заболевания, например, патологии желудочно-кишечного тракта (синдром раздраженной кишки и др.), иммунопатологические заболевания (ревматоидный артрит и др.), заболевания обменного
характера, нарушения липидного обмена и др.
4.2. Патогенность бактерий и иммунная защита
человека
Патогенность — потенциальная способность микроорганизмов вызывать инфекционный процесс. Это видовой, генетически детерминированный признак. Хотя патогенность
обусловлена генетически, у разных штаммов одного вида она
проявляется не одинаково. Мерой проявления патогенных
свойств, определяющих тяжесть заболевания, служит вирулентность — штаммовый признак патогенного микроорганизма. Вид может иметь высоковирулентные, низковирулентные
и авирулентные штаммы. Вирулентность может меняться
в зависимости от возраста культуры, условий выращивания,
путей попадания микроорганизма в организм хозяина и т. д.
Патогенность определяется особенностями бактерий, сформировавшимися в процессе приспособления их к паразитическому образу жизни: изменением пищевых потребностей,
утратой ряда ферментативных систем, появлением способности
синтезировать ферменты и токсины для проникновения в организм хозяина и противостояния защитным силам организма.
Степень паразитизма патогенных видов не одинакова —
от факультативных паразитов, которые могут жить как сапрофиты и вызывают развитие заболевания при случайном попадании в организм до облигатных внутриклеточных паразитов
(риккетсии и хламидии). Ряд бактерий-симбионтов, относящихся к условно патогенным, вызывают заболевание только
в определенных условиях (ослабление иммунитета, нарушение
микробной экологии и др.).
Патогенность бактерий и иммунная защита хозяина взаимосвязаны. Напротяжении всего периода сосуществования прокариот и эукариот шла сопряжённая эволюция, в результате
75
76
4. прокариоты и здоровЬе человека
которой совершенствовались как факторы патогенности бактерий, так и факторы противостояния макроорганизмов. Под
факторами патогенности понимают способности и свойства
патогена, определяющие развитие инфекционного процесса.
К основным факторам патогенности относятся:
– адгезивные факторы, способствующие прикреплению
и колонизации бактерий на поверхности тела/клеток хозяина.
Обусловлены наличием у патогенов специализированных адгезинов к рецепторам клеток хозяина.
– инвазивные факторы, обеспечивающие инвазию — проникновение патогенов через слизистые (эпителиальные) и соединительнотканные барьеры и распространение их в организме. Увеличение тканевой проницаемости микроорганизмы
обеспечивает за счет выделения ферментов агрессии, например, коллагеназы, нейраминидазы, гиалуронидазы, фибринолизина и др. Фермент коллагеназа, выделяемый многими
возбудителями анаэробных инфекций, вызывает разрушение
тканевых белков, что ведет к расплавлению мышечной ткани.
Нейраминидаза (сиалидаза) обеспечивает отщепление от гликопротеинов, гликолипидов, полисахаридов производные нейраминовой кислоты, что ведет к нарушению межклеточных
контактов. Фермент гиалуронидаза, вырабатываемый стафилококками, стрептококками, пневмококками, осуществляет
гидролиз гиалуроновой кислоты, основного компонента соединительной ткани. Фермент фибринолизин растворяет образующиеся при воспалении сгустки фибрина, препятствующие
проникновению микроорганизмов в организм.
– антифагоцитарные факторы, позволяющие противостоять защитным силам макроорганизма. Механизмы защиты
могут быть как пассивными, призванными скрывать патогена
от иммунной системы хозяина, так и агрессивными. Функции экранирования поверхностных структур бактериальной
клетки, играющих важную роль в их распознавании и рецепторном взаимодействии с хозяином, выполняют как собственные бактериальные капсулы и слизи, так и футляры, образующиеся за счет сорбирования на поверхности бактериальной
клетки сывороточных протеинов хозяина (иммуноглобулинов, фибриногена и др.). Фермент плазмокоагулаза способствует формированию вокруг бактериальных поражений фибриновых барьеров. Часто под действием коагулазы, фибрин
4.2. патогенностЬ бактерий и иммУннаЯ защита человека
откладывается в виде пленки на поверхности бактериальных
клеток и защищает ее от фагоцитов. Роль в уходе от иммунной защиты хозяина играет антигенное варьирование, вызванное точечными мутациями генов, кодирующих антигены,
в результате наблюдается антигенный дрейф и многие поверхностные структуры (жгутики, пили, белковые слои, капсулы, белки клеточной стенки) варьируют от штамма к штамму. Например, по структуре М-белка выделяют 80 сероваров
стрептококков. Защитную функцию выполняет антигенная
(иммунологическая) мимикрия — способность имитировать
метаболиты и структурные компоненты хозяина.
К агрессивным механизмам защиты относится продуцирование бактериями веществ, инактивирующих иммунную
систему. Трипсиноподобные ферменты (протеазы) расщепляют иммуноглобулины класса А, часто эти протеазы действуют неспецифично и расщепляют также лизоцим, фибронектин
и даже компоненты тканей, включая фибробласты. Микроорганизмы выделяют лейкоцидины, блокирующие фагоцитарную
активность и вызывающие лизис фагоцитов (нейтрофилов,
моноцитов, макрофагов) за счет нарушения водно-электролитного баланса клетки. Стрептолизин стрептококков группы
А разрушает эритроциты и фагоциты.
– токсигенные факторы, обуславливающие выработку
токсинов, нарушающих жизнедеятельность организма хозяина
вплоть до его гибели. В некоторых заболеваниях токсический
фактор играет основную роль (дифтерия, столбняк, ботулизм,
холера и др.). Бактериальные токсины имеют различную химическую структуру и характер биологического действия.
По локализации в клетке выделяют экзо- и эндотоксины.
Экзотоксины — продукты метаболизма бактериальной клетки,
выделяющиеся в окружающую среду. Это вещества белковой
природы, термолабильные, высокотоксичные, избирательно
поражающие органы и ткани. Эндотоксины входят в состав
клеточной стенки и высвобождаются только при гибели клетки. По своей химической природе это липополисахариды,
токсичные свойства связаны с липидом А. Эндотоксины разных видов бактерий сходны по структуре и действию, термостабильны, менее токсичны, органотропность выражена слабо.
Небольшие дозы эндотоксинов обладают способностью вызывать
временное повышение устойчивости организма к инфекциям
77
78
4. прокариоты и здоровЬе человека
за счет активации фагоцитов и выработки интерферона в организме. В естественных условиях постоянно происходит иммунизация человека эндотоксинами кишечных бактерий.
Бактериальные заболевания часто сопровождаются поражающим действием токсинов. Например, возбудители холеры и дифтерии не проникают внутрь клеток поражённого организма, заселяя эпителий с поверхности, но воздействуют
токсинами. Дифтерийный токсин блокирует действие фермента трансферазы и тем самым препятствует включению аминокислот в полипептидную цепь. Кроме того, он разрушает
НАД. Негативное воздействие дифтерийного токсина усиливается способностью диффундировать в другие ткани больного.
Холерный токсин активирует мембранную аденилатциклазу,
которая переводит АМФ в циклическую форму, что ведёт
к повышению проницаемости мембран и, вследствие этого,
к обезвоживанию организма больного.
Генетическая информация овыработке токсинов хранится
в профагах или в плазмидах, часто токсигенные свойства бактерий программируются вирусами.
Патогенность бактерий определяется генами, входящими
как в состав бактериальной хромосомы, как и мобильных генетических элементов. В геноме некоторых бактерий обнаружены особые зоны, где сконцентрированы гены, ответственные за патогенность. Они получили название соответственно
«островов» (10–200 т. п. н.) или «островков» (1–10 т. п. н.) патогенности. Эти участки ДНК способны передаваться за счет
горизонтального переноса, так как могут входить в состав
плазмид или ДНК фагов. Вероятно, это один из механизмов
появления новых вирулентных штаммов.
Ответные реакции организма наинфекцию
Инициаторами всех реакций приобретенного иммунитета считаются антигены. Антигены — генетически чужеродные вещества, которые при попадании во внутреннюю среду
организма способны вызвать иммунный ответ в виде образования антител или активации Т-лимфоцитов и взаимодействовать с ними. Антигенами могут выступать как структурные элементы, так и метаболиты чужих и собственных
клеток, синтетические вещества. Антигенный спектр бактерий
4.2. патогенностЬ бактерий и иммУннаЯ защита человека
разнообразен. В зависимости от локализации различают: капсульные (полисахариды, полипептиды), жгутиковые (белок флагеллин), соматические (липополисахариды и тейхоевые кислоты
клеточных стенок), цитоплазматические (компоненты цитоплазмы и липопротеины мембран), внеклеточные (экзотоксины, белки агрессии) антигены. Некоторые микроорганизмы и продукты их метаболизма могут выступать суперагентами. Они могут
непосредственно связываться с Т-лимфоцитами, вызывая их
поликлональную активацию, последние синтезируют избыточное количество цитокинов, что вызывает синдром общей интоксикации организма. Т-лимфоциты погибают в результате апоптоза. Суперагенты могут активировать 2–20 % Т-лимфоцитов,
гибель которых после активации приводит к развитию иммунодефицита. Суперагентами являются, например, энтеротоксины
стафилококков, токсин синдрома токсического шока, ВИЧ и др.
Нормальная микрофлора слизистых оболочек выполняет функцию барьера для патогенных бактерий, обеспечивает
колонизационную резистентность, конкурируя за место и субстрат, выделяя бактерицидные вещества. Клетки слизистых
оболочек образуют бактерицидные вещества (лизоцим, жирные кислоты), они также циркулируют в крови, лимфе, содержатся в слюне, слизях, выделениях кожи, в слёзной жидкости, поддерживая резистентность организма.
В случае проникновения инфицирующих агентов через
механические барьеры защитным механизмом выступает воспалительный процесс, в котором задействованы многие реакции
организма. Внешне воспаление проявляется отёком, покраснением, болью, подъёмом температуры. Начинается воспаление
с активации системы комплемента (26 сывороточных белков)
и высвобождения медиаторов воспалительных реакций —
гистамина, кининов, цитокинов, лейкотриенов — увеличивающих проницаемость сосудов и активирующих клетки системы
фагоцитов и лимфоцитов. Повышение температуры связанно с воздействием простагландинов на центр терморегуляции
гипоталамуса. Капилляры расширяются, и проницаемость их
стенок увеличивается. Фагоциты (моноциты и гранулоциты)
перемещаются к очагам инвазии. Если фактором воспаления
является микробная инфекция, то лейкоциты (нейтрофилы)
проходят из крови сквозь стенки капилляров, и устремляются
к источнику инфекции. Они выделяют ферменты, приводящие
79
80
4. прокариоты и здоровЬе человека
кдеструкции бактерий. Позже подключаются моноциты илимфоциты. Моноциты, мигрируя в различные ткани, увеличиваются в размерах и превращаются в макрофаги, обладающие
повышенной фагоцитарной активностью и обеспечивающие
линии тканевой защиты. В покое макрофаги находятся в виде
ретикулярно-эндотелиальной системы в печени, селезёнке,
костном мозге.
Гуморальный иммунитет обеспечивается выработкой антител. Антитела — это иммуноглобулины, особые белки сыворотки крови, которые продуцируются в ответ на проникновение антигенов и связываться с этими антигенами. Скорость
образования иммуноглобулинов 1000–1500 молекул в секунду.
У млекопитающих представлено 5 классов иммуноглобулинов:
IgM, IgG, IgA, IgE, Ig D. Самыми крупными являются IgM,
которые составляют 10 % от всех Ig. Выполняют функцию
мощной антибактериальной защиты, выражающуюся в лизисе
клеток в присутствии комплемента, особенно активны в отношении эшерихий, шигелл, сальмонел, вибрионов, обуславливают бактерицидную активность крови. Синтезируются при
первичном попадании антигена в организм, после чего синтез
IgM сменяется синтезом IgG. IgG — основной класс иммуноглобулинов, защищающих отбактерий, вирусов итоксинов, составляют 75–80 % от всех Ig. Самые маленькие среди иммуноглобулинов (микролобулины), только IgG способны проникать
через плаценту и формировать у плода пассивный иммунитет.
IgA составляют 10–15 %, их много в секретах слизистых оболочек, где они представляют первую линию защиты и обеспечивают местный иммунитет. Вероятно, IgA участвуют в регуляции количественного и качественного состава микроценозов
слизистых оболочек. IgE участвуют в развитии аллергических
реакций и направлены преимущественно против гельминтов.
Биологическая роль IgD до конца не выяснена. Все иммуноглобулины имеют общие черты строения. В их состав входят
две длинные (тяжёлые) полипептидные цепи и две короткие
(лёгкие) полипептидные цепи. Каждая молекула иммуноглобулина имеет три реакционных центра: два антигенных и один
центр связывания с мембраной иммунной клетки. Антигенные
центры комплементарны выступам на поверхности антигена.
Соответствие антигена антителу высокоспецифичное. В генах
животных и человека закодирована информация о многих
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]