Bakterie - czym są i gdzie żyją?

Bakterie to najmniejsze i najstarsze spośród znanych nam organizmów. Pojawiły się na Ziemi najwcześniej 3,4 miliarda lat temu. Komórka jest wielkości od 0,2 do 80 mikrometrów, lecz w każdej bakteria zawiera kolistą nić DNA. Otoczona błoną plazmatyczną, ścianą komórkową, oraz otoczką śluzową. Komórka zaopatrzona w fimbrie (delikatne czujki na ścianie komórki) oraz zwykle w rzęski ułatwiające ruch. Wyróżniamy różne kształty m.in. ziarniaki, laseczki, przecinkowce, śrubowce, cylindryczne, spiralne, kolonijne. Występują najczęściej w koloniach jako dwoinki, gronkowce, pakietowce, paciorkowce. Wyróżniamy bakterie właściwe, śluzowe, krętki, nitkowate. Są to najprostsze organizmy, które potrafią przeżyć we wszystkich środowiskach - nazywamy je organizmami kosmopolitycznymi. Bakterie żyją wszędzie (od 3000 m głębokości pod skorupą Ziemską, aż do 32 000 m wysokości, w głębinach oceanów gdzie temperatura wynosi ok. 100°C, a ciśnienie dochodzi do 265 atmosfer), lecz szczególnie upodobały sobie miejsca brudne. W naszych jelitach żyją ich miliony. Gdy środowisko jest niesprzyjające bakterie wytwarzają przetrwalniki, które są bardzo odporne na wysoką bądź niską temperaturę i wysychanie. Potrafią one żyć bardzo długo dzięki zapewnionym przez naturę grubym i wielowarstwowym osłonom i w znacznym stopniu odwodnionej cytoplazmie. Gdy warunki stają się lepsze przekształcają się w żywe i zdrowe bakterie.

Bakteryjne choroby zakaźne - informacje ogólne

Choroba zakaźna - jest to zmiana w budowie lub funkcjonowaniu innego organizmu wywołana przez mikroorganizmy. Mikroorganizmy zdolne do wywołania choroby nazywamy patogenami. Patogeny są zdolne do zainfekowania swojego gospodarza i wywołania u niego choroby. Może być ona spowodowana przez produkty wytwarzane przez bakterie, np. toksyny, lub reakcję immunologiczną wywołaną obecnością bakterii. Ból, gorączka, zaczerwienienie to typowe objawy choroby bakteryjnej. Istnieje wiele specjalistycznych określeń związanych ze zdolnością bakterii do wywoływania chorób. Oto niektóre z nich:

·         Kolonizacja - zasiedlenie przez bakterie określonego miejsca w gospodarzu i namnożenie się w nim.

·         Infekcja (zakażenie) - zasiedlenie przez patogena określonego miejsca i namnożenie się w gospodarzu.

·         Nosicielstwo bezobjawowe - zakażenie bakteriami chorobotwórczymi bez objawów choroby.

·         Infekcja ogólnoustrojowa - zakażenie obejmujące cały organizm.

·         Posocznica - obecność bakterii i wytwarzanych przez nie produktów we krwi.

·         Toksemia - zatrucie spowodowane obecnością toksyn we krwi.

Patogen musi być zdolny do przenoszenia się między gospodarzami i do ich zasiedlania. Musi więc mieć możliwość zakażania nowych organizmów, zdobywania w nich pokarmu i mnożenia się, jednocześnie unikając układu odpornościowego (lub niszcząc go). Cechy bakterii, które umożliwiają im to, nazywamy czynnikami wirulencji. Z kolei stan zdrowia gospodarza jest ważnym czynnikiem chorobotwórczości. Prawdziwymi patogenami są bakterie zdolne do zakażenia normalnych, zdrowych osobników. Jeżeli organizm jest osłabiony, wówczas może zostać zaatakowany także przez inne bakterie, zwane patogenami oportunistycznymi. Np. pseudomonas aeruginosa, niezdolny do zakażenia zdrowej skóry, może zainfekować skórę poparzoną i spowodować jej rozległe uszkodzenia. W wyniku zarażenia wirusem HIV, organizm ludzki staje się nadwrażliwy na infekcje takimi bakteriami, które dla osób zdrowych nie są patogenne.

Rodzaj choroby wywołanej przez daną bakterię zależy od miejsca w którym dochodzi do infekcji (skóra, drogi oddechowe, przewód pokarmowy, drogi moczowo-płciowe, tkanki lub krew). Zwykle współgra on z mechanizmem przenoszenia bakterii i ich zdolnością unikania reakcji układu odpornościowego. W przypadku wielu chorób takich jak np. błonica (choroba górnych dróg oddechowych, wywołana przez maczugowca błonicy Corynebacterium diphteriae), tężec (infekcja głębokich ran wywołana przez laseczkę tężca Clostridium tetani), czy cholera (infekcja przewodu pokarmowego - przecinkowiec cholery Vibrio cholerae), objawy spowodowane są wytwarzaniem przez drobnoustroje bardzo silnych toksyn, które zdolne są do wywoływania poważnych uszkodzeń komórek w miejscach odległych od miejsca zakażenia. Inne choroby, jak np. choroba weneryczna- rzeżączka, czy choroba płuc- choroba legionistów, są wynikiem zdolności bakterii do chronienia się bakterii w komórkach gospoda- rza. Niektóre bakterie mogą wywołać tylko jeden określony rodzaj choroby, dotyczy to np. przecinkowca cholery (Vibrio cholerae) albo pałeczki ksztuśca (Bordetella pertussis). Istnieją też takie, które mogą być przyczyną różnych chorób w zależności od miejsca infekcji i czynników wirulencji. Przykładem właśnie takiej bakterii jest paciorkowiec ropny (Streptococcus pyogenes), który jest główną przyczyną ostrego zapalenia gardła. Gdy jednak bakteria wytwarza erytrotoksynę, pojawia się znaczniej poważa choroba - płonica, która powoduje tzw. wysypkę płoniczną. W niewielu przypadkach zaobserwowano iż infekcja tym paciorkowcem powoduje chorobę reumatyczną, uszkodzenie zastawek serca, lub zapalenie nerek. Uważa się, że choroby te są powodowane przez reakcje autoimmunologiczne, wywołane obecnością antygenów bakteryjnych, które są podobne do antygenów gospodarza. Nie jest to koniec możliwości tej bakterii, gdyż wykazano, iż jej szczepy powodować mogą chorobę potencjalnie śmiertelną - posocznicę.

W niektórych przypadkach identyfikacja patogena i określenie sposobu powstawania choroby jest proste. Np. objawy cholery można łatwo wytłumaczyć obecnością Vibrio cholerae w przewodzie pokarmowym i wytwarzaniem toksyny, która powoduje duże utraty wody z organizmu. Jednak nie wszystkie choroby powiązać można z drobnoustrojami, które je wywołują, np. dopiero niedawno dowiedziono, że wrzody żołądka powoduje bakteria Helicobacter pylori, wcześniej uważano iż silne kwasowe środowisko żołądka jest nieodpowiednie do rozmnażania się bakterii. Nawet w dobie ultranowoczesnych technik laboratoryjnych, niektórych szczepów bakterii nie udało się wyhodować na pożywkach i dokładnie zbadać.

Inwazja i jej sposoby - dlaczego bakterie są skuteczne?

Czego musi dokonać mikroorganizm, by wywołać infekcję? Musi dotrzeć do odpowiedniego miejsca w gospodarzu, w którym może przetrwać i rozmnożyć się. Musi też uniknąć mechanizmów obronnych. Czynniki wirulencji, jakimi musi dysponować dany mikroorganizm, aby doprowadzić do infekcji zależą od:

·         Mechanizmu dzięki któremu bakteria dostaje się do gospodarza.

·         Rodzaju kolonizowanego miejsca, a więc czy jest to błona śluzowa czy tkanki gospodarza.

Mikroorganizmy mogą być przenoszone między gospodarzami bardzo różnymi sposobami. Droga zakażenia zależy od rodzaju bakterii. Bakterie, które zdolne są do przeżycia w środowisku zewnętrznym, mogą być przenoszone z pożywieniem, wodą lub powietrzem, podczas gdy inne nie przeżyją na zewnątrz nawet paru sekund i muszą przenosić się poprzez kontakt bezpośredni. Droga przekazywania zależy też od miejsca infekcji: bakterie znajdujące się w powietrzu zyskują dostęp do dróg oddechowych m.in. do płuc i nosogardzieli. Roznoszone za pośrednictwem pokarmów i wody, mają łatwy dostęp do układu pokarmowego. Niektóre bakterie zasiedlają błony śluzowe i koncentruje się na produkcji zewnątrzkomórkowych toksyn i enzymów a jeszcze inne penetrują tkanki i błony gospodarza (np. Salmonella typhi). Często źródłem zakażenia okazuje się ugryzienie np. przez insekta.

Tabela: Drogi przenoszenia się bakterii

Wiadomo, że przeżycie bakterii w danym gospodarzu zależy od możliwości utrzymania się w środowisku. Niemal wszystkie powierzchnie organizmu są chronione przez tzw. ruchy omywające, które przeciwdziałają przyczepianiu się bakterii do ścian komórek nabłonkowych. Bakterie patogenne mają na to sposób w postaci tzw. adhezyn, które pomagają im przyczepić się do komórki gospodarza. Wiele adhezyn wykształca się w tzw. fimbrie - długie cylindryczne twory, wystające na zewnątrz komórki. Uważa się, że niwelują one elektrostatyczne oddziaływania patogena i gospodarza. Warto wspomnieć, że niektóre szczepy tych samych bakterii wykształcają odmienne fimbrie, i dlatego zaatakować mogą tylko konkretne organizmy, np. bakteria E. Coli wywołująca biegunki, wytwarzająca adhezynę K88 może zainfekować tylko nabłonek jelitowy świni, natomiast ta, która wyposażona jest w adhezynę PAP jest niebezpieczna dla układu moczowego człowieka. Większość powierzchni organizmu jest pokryta śluzem, więc bakterie aby dostać się do komórek nabłonkowych, muszą pokonać tą barierę. Pomagają im w tym rzęski, za pomocą których mogą się poruszać, lub związki - mucynazy, które rozkładają śluz. Niezwykle pomysłowy sposób na przeżycie w ciele żywiciela znalazły bakterie typu Mycobacterium tuberculosis i L. monocytogenes. Mogą one przeżyć we wnętrzu fagocytów, co czyni je trudnymi do usunięcia. Niektóre bakterie powodują hamowanie fagocytozy lub wytwarzają otoczki uodparniające. Jeszcze inne bakterie stosują sprytny kamuflaż, starając się upodobnić do naturalnych składników gospodarza np. wytwarzanie otoczek polisacharydowych, wtedy są podobne do cukrów (E. Coli), lub okrywają się białkiem gospodarza - Staphylococcus aureus. W takim przebraniu organizm rozpoznaje intruza jako własne białko. Wreszcie znakomita broń bakterii, która polega na zmianie składnika swojej powierzchni - powoduje to taki efekt, że przeciwciała organizmu stają się nieskuteczne, gdyż nie potrafią zwalczać nowopowstałych składników.

Toksyny bakteryjne

Tradycyjne toksyny wytwarzane przez bakterie podzielić można na endotoksyny i egzotoksyny. Endotoksyny wydzielane są zazwyczaj przez bakterie gram ujemne do krwi, w wyniku działania układu immunologicznego gospodarza lub niektórych antybiotyków. Związki bioaktywne są zwyczajnym składnikiem mechanizmów obronnych i pomagają w zwalczaniu infekcji, jednak pod wpływem działania integralnego składnika błony bakterii gram ujemnych (LPS), ich ilość gwałtownie wzrasta, co jest dla organizmu toksyczne. Taką reakcję nazywa się szokiem septycznym. Jego objawy to: gorączka, problemy z krążeniem, trudności funkcjonowania narządów a w efekcie śmierć. Składniki bakterii gram + (peptydoglikan, kwasy tejchojowe) także mogą wywołać szok septyczny. Egzotoksyny natomiast to ogólna nazwa białek bakteryjnych, które są toksyczne dla komórek gospodarza i wytwarzane są przez bakterie G+ i G-. Nazwa zwyczajowa to po prostu "toksyny". Toksyny są na tyle silne, że mogą oddziaływać nawet na miejsca sporo oddalone od źródła zakażenia. W niektórych przypadkach, tj. zatrucie jadem kiełbasianym, niema nawet potrzeby kolonizacji gospodarza. Sama toksyna ma tak silne działanie, że wywołuje poważną chorobę. Ze względu na nazewnictwo toksyny podzielić można na kilka grup:

·         Niektóre, szczególnie te, które są oczywistymi przyczynami choroby, w swojej nazwie zawierają właśnie nazwę bakterii, która je wytwarza, np. maczugowca błonicy

·         Nazwy wskazujące na miejsce oddziaływania toksyn, np. neurotoksyny - układ nerwowy, enterotoksyny - układ pokarmowy. Toksyny aktywne w stosunku do tylko wybranych komórek to cytotoksyny.

·         Niektóre toksyny oznacza się jedynie symbolem literowym, np. toksyna A u Pseudomonas aeruginosa.

·         Nazwa toksyny może wywodzić się też od jej aktywności enzymatycznej, np. Cylkaza adenylanowa u Bordetella pertussis.

Większość toksyn uszkadza błonę lub działa we wnętrzu komórki gospodarza. Jest jeszcze trzecia, niewielka grupa toksyn, zwanych superantygenami, które powodują rodzaj soku septycznego. Rola toksyn wciąż jest tematem dyskusji uczonych, jednakże ustalono, że mogą mieć one znaczenie w:

·         Uwalnianiu składników odżywczych z komórek gospodarza

·         Niszczeniu komórek obrony immunologicznej

·         Ucieczce bakterii z fagolizosomu

Najgroźniejszymi toksynami znanymi człowiekowi są bakteryjne egzotoksyny o działaniu wewnątrzkomórkowym. Niektóre z nich są białkami (jad kiełbasiany - toksyna botulinowa - hamuje uwalnianie neurotransmiterów w obwodowym układzie nerwowym), toksyna cholery działająca na jelita, indukująca silną biegunkę. Toksyny przejawiają zazwyczaj dwuskładnikową budowę, zwaną budową typu A-B. Składnik A, odpowiedzialny jest za toksyczną aktywność enzymatyczną, a składnik B wiąże się z receptorami w błonie gospodarza. Toksyny dwuskładnikowe wykazują bardzo różnorodny wachlarz działania, w zależności od białek z którymi oddziałują i bakterii, które daną toksynę wydzielają, np. bakterie Shigella dysenteriae wydzielają toksynę Shinga, która powoduje modyfikacje w podjednostce rybosomu, a w efekcie śmierć komórki. Bakterie C. botulinum wydzielają jad kiełbasiany, który powoduje porażenie wiotkie neuronów peryferycznych.

Jak się bronimy? - mechanizmy obronne człowieka

Rolą układu odpornościowego jest przede wszystkim zapobieganie inwazji drobnoustrojów, jeśli jednak dojdzie do infekcji, układ musi rozpoznać obecność obcych organizmów i działać tak, aby unicestwić je lub usunąć. Istnieją dwa czynniki tego układu:

·         Obrona nieswoista, która działa natychmiast przeciwko większości mikroorganizmów.

·         Indukowana obrona swoista, w której biorą udział limfocyty T i przeciwciała, działa po wykryciu patogenu lub antygenu.