Bakteriální toxiny

Z WikiSkript

Obecné vlastnosti toxických bakteriálních proteinů

  • toxicita – součást patogenity, schopnost mikroba poškozovat hostitele
  • u plísní, parazitů, nejčastěji u bakterií
  • termolabilní
  • dobrými imunogeny, aktivita blokována neutralizačními Ig
  • mohou být změněny v toxoidy (využívány k aktivní imunizaci)
  • způsob toxického působení charakteristický pro jednotlivé toxiny
Exotoxiny a endotoxiny
  • exotoxiny – toxické bakteriální proteiny secernované do okolí producenta, G+
  • endotoxiny – součástí buněčné stěny, do okolí se uvolňuje až po rozpadu bakterie, G−, lipopolysacharid v zevní membráně stěny u G- bakterií
  • produkce kódována chromozomálně, na plazmidech nebo vázána na specifického bakteriofága (difterický)
  • produkce ovlivňována koncentrací iontů (Fe, Ca, Mg)
Dělení podle místa zásahu
  • reakce s membránami eukaryotických buněk – poškození buněk – cytolytické bakterie
  • proniknutí do buněk po vazbě na specifický receptor, ovlivnění fyziologie buněk
Dělení podle cílových orgánů

Exotoxiny

  • exotoxiny – toxické bakteriální proteiny, secernovány do okolí producenta
  • tvorba toxinu není pro růst a množení mikroba nezbytná, za jistých podmínek je ale užitečná pro jeho přežití a šíření
  • geny často v plazmidech
  • rozdílná vnímavost buněk dána přítomností receptorů

Rozdělení exotoxinů podle mechanismu účinku

Faktory průniku a šíření

  • hydrolytické enzymy rozrušující mezibuněčnou hmotu
  • hyaluronidáza, elastáza, DN-áza, streptokináza (fibrinolysin – průnik přes fibrinové bariéry, rozpuštění krevních sraženin…)

Cytolyziny

  • reakce s membránami eukaryotických buněk, které poškozuje
  • cytolysiny a hemolysiny
  • hydrolýza fosfolipidů fosfolipázami C a D
    • odnímají z fosfolipidů polární skupiny – destabilizace membrány a lýza buněk
    • Clostridium perfringens – intravaskulární hemolýza při myonekróze, intravaskulární koagulopatie
    • beta hemolysin (sfingomelináza) S. aureus
  • tvorba pórů v membráně – podlouhlé molekuly se včlení do membrány, vznik kanálků, kudy proniká voda, neenzymatická povaha lýzy

Toxiny ovlivňující fyziologii buněk

  • zvýšená produkce cAMP
    • vazba ADP-ribózy na regulační složky adenylcyklázy – zvýšená koncentrace cAMP působí sekreci Cl a vody a zábranu absorpce Na+ – únik tekutin, průjmy (cholerový toxin, termolabilní enterotoxin E. coli)
  • pertusový toxin B. pertussis – ovlivnění hladiny cAMP v neutrofilech – omezení chemotaxe a pohyblivosti

Zástava proteosyntézy

  • následný úhyn buněk
  • často dvě složky:
    • A: toxická aktivita
    • B: vazba na buněčnou membránu (specifický receptor) a pohlcení toxinu – endocytóza
  • přenos adenosindifosfátribosylové skupiny z NAD na cílovou molekulu (elongační faktor 2 – záškrtový toxin) – zástava proteosyntézy – smrt buněk

Neurotoxiny

  • fungují jako peptidázy, účinkují v nervových synapsích na bílkoviny odpovědné za přenos neurotransmiterů
Tetanický toxin (tetanospasmin)
  • Clostridium tetani se ve formě spor dostane do rány a vyklíčí
  • toxin proniká krví a lymfou do motorických neuronů
  • ruší synaptický přenos na inhibičních neuronech → kontinuální stimulace excitačními transmitery
  • svalové křeče (smrt na srdeční selhání nebo udušení vlivem křečí dýchacího svalstva)
Botulotoxin
  • Clostridium botulinum
  • nejúčinnější známý jed – LD50 činí 10 ng/kg
  • klobásový jed, biologická zbraň, terapie spastických onemocnění, kosmetologie
  • nejedná se o infekci, ale o intoxikaci
  • působí na PNS – ze střevní sliznice krví k nervosvalovým ploténkám
  • dva polypetidové řetězce:
    • H: vazba na neurony
    • L průnik do buňky – blokáda malých synaptických vesikul obsahujících acetylcholin – neuromuskulární spojení – obrna svalů
  • smrt na ochrnutí bránice
Searchtool right.svg Podrobnější informace naleznete na stránce Botulismus.


Superantigeny

Superantigeny také působí jako bakteriální toxiny.

Searchtool right.svg Podrobnější informace naleznete na stránce Superantigen.


Endotoxin

Pencil.png upravit

Červeně – O-antigen, žlutě – střední polysacharidová část, zeleně – lipid A

Endotoxin je lipopolysacharidový komplex (LPS), který je součástí buněčné stěny gramnegativních bakterií.

Charakteristika

Pojem endotoxin byl zaveden jako kontrast k exotoxinu, což je toxin uvolňovaný bakteriemi do okolí, zatímco endotoxin je uvolněn až po zániku buněčné stěny bakterie. Dnes je pojem endotoxin synonymem pro lipopolysacharid (LPS), který je důležitou součástí vnější membrány gramnegativních bakterií. Lipopolysacharidy však nejsou pouze škodlivými látkami, mají důležitou roli i pro bakterii samotnou – přispívají ke strukturní stabilitě a chrání membránu před některými chemickými útoky. Vzhledem k důležitosti lipopolysacharidu pro bakteriální buňku se tato molekula stala terčem výzkumu baktericidních látek.

Složení

Lipopolysacharid se skládá ze 3 částí:

  1. lipid A,
  2. oligosacharidové jádro,
  3. O-antigen.

Lipid A – tvoří lipidovou složku endotoxinu zodpovědnou za toxicitu gramnegativních bakterií a díky své hydrofobní povaze (glykolipid) se kotví v jejich vnější membráně. I přes svůj toxický efekt je však rozpoznání lipidu A lidským imunitním systémem klíčové pro zahájení imunitní reakce a její následné zvládnutí. Aktivuje zejména monocyty a makrofágy, k čemuž stačí koncentrace v řádu pikogramů na mililitr krve. Pokud se v lidském těle nachází ve vysokých koncentracích, je možné, že způsobí endotoxický šok, který může skončit smrtí.

Oligosacharidové jádro – je tvořeno krátkým řetězcem sacharidových zbytků (často heptózy, vyskytuje se i ketodeoxyoktulosonová kyselina) a spojuje lipid A s O-antigenem.

O-antigen – tvoří opakující se oligosacharidové jednotky. Nachází se nejzevněji, jedním koncem je připojen k oligosacharidovému jádru a vyčnívá z povrchu mikroba. Je nositelem největší variability a určuje antigenní specifičnost. Pokud má lipopolysacharid kompletní O-řetězec, vypadají kolonie při kultivaci na pevném růstovém médiu jako hladké a vlhké. Jestliže má však O-řetězec zkrácený, pak kolonie vypadají drsně a suše – takové bakterie mají často zranitelnější membrány hydrofobními antibiotiky. Polysacharidový řetězec je velmi variabilní mezi různými bakteriemi a určuje jejich sérotyp. Cukerné řetězce hladkých lipopolysacharidů mohou překrýt proteiny vnější membrány a zamaskovat je tak před imunitním systémem hostitele.

Uvolnění endotoxinu

K uvolnění endotoxinu může dojít:

  • po fagocytóze a intracelulární destrukci bakterie,
  • při rozpadu bakterií účinkem vlastních autolytických enzymů,
  • v důsledku cytolýzy komplementem,
  • účinkem membránově působících antibiotik.

Biologické účinky

  • Působí jako pyrogen – zvýšení teploty – toxin stimuluje mononukleární fagocyty k produkci endogenních pyrogenů (interleukin-1 a TNF) – vyvolává horečku a vazodilataci.
  • Aktivace komplementového systému (alternativní dráhou) – důsledkem je cytolýza buňky spojená s dalším uvolňováním toxinu.
  • Stimulace odpovědi imunitního systému – aktivace makrofágů, neutrofilů, lymfocytů B – vznik lokální zánětlivé reakce, při vyšších koncentracích – vznik endotoxického šoku.
  • Poruchy srážlivosti:
  • Působí chemotakticky na polymorfonukleáry.
  • Při velkých koncentracích může vzniknout endotoxémie (přítomnost endotoxinu v krvi) – sepse vyvolané G− bakteriemi.
  • Nízká hladina endotoxinu v organismu působí pozitivně (stimulace imunity).
  • Ve velké koncentraci nastává riziko toxického šoku a DIC (často končí smrtí).
Endotoxický šok

25–40 % těchto případů končí smrtí, protože neexistuje efektivní léčba na zvrácení toxické aktivity lipidu A. U infekcí gramnegativními bakteriemi jsou endotoxiny z velké části zodpovědné za závažné klinické projevy, jako třeba u meningokokových infekcí a Waterhouse-Friderichsenova syndromu (selhání nadledvin z důvodu krvácení) způsobených převážně bakterií Neisseria meningitidis.

Endotoxin působí také jako silný mitogen B-lymfocytů a aktivátor polyklonálních B-lymfocytů, což hraje roli v rozvoji odpovídající chronické imunitní odpovědi, pokud nebyla bakterie zničena v akutní fázi.

Kontaminace endotoxiny

Endotoxiny mohou často kontaminovat látky, se kterými je prováděn výzkum, nebo se jinak medicínsky využívají. To se může týkat například plasmidové DNA pro využití v genové terapii, ovalbuminu ve výzkumu nebo i laboratorních pomůcek. Jedna bakterie Escherichia Coli obsahuje kolem 2 milionu molekul lipopolysacharidu. Endotoxiny jsou navíc velmi tepelně stabilní (nedají se zničit běžnými sterilizačními metodami ani autoklávováním) a díky své hydrofobicitě vykazují velkou afinitu k dalším hydrofobním materiálům, jako jsou například plasty. Pokud by se kontaminace ponechala a došlo by k přenosu do lidského organismu, propukla by zánětlivá reakce, která by mohla být nebezpečná nebo by mohla narušit výsledky testů. Je proto nezbytné endotoxiny odstranit. K tomu se využívá depyrogenace. Tato metoda spočívá v zahřátí až na 250–300 ˚C na 30 minut, což endotoxiny bezpečně zničí. Velmi citlivá zkouška na přítomnost endotoxinu se nazývá Limulus test, který je založen na principu koagulace krve ostrorepa. Ta se v přítomnosti i malého množství lipopolysacharidu srazí díky velmi silnému amplifikačnímu efektu na enzymy koagulační kaskády.

Možné využití

Enzymy zapojené v biosyntéze nebo modifikaci lipidu A mohou poskytnout přístup nejen k novým derivátům lipidu A, které mohou být užitečné jako adjuvans nebo antagonisté endotoxinů, ale mohou být využity i pro nové bakteriální vakcíny. Monofosforylovaný lipid A získaný z bakterie Salmonella minnesota se využívá jako adjuvans v kombinaci s kamencem a byl nedávno schválen jako vakcína pro lidský papillomavirus a virovou hepatitidu B.


Odkazy

Související články

Zdroj