I. Актуализация знаний

II. Мотивация к учебной деятельности

III. Формулирование темы урока, постановка цели

IV. Изучение нового материала

Затем учащиеся знакомятся с разными типами обмена веществ у бактерий и продолжают анализировать ЭОР “Общая характеристика бактерий”, в ходе чего изучают условия жизни бактерий из соответствующей таблицы.

http://files.school-collection.edu.ru/dlrstore/41bc632e-9777-40f5-9975-8eaeeb6e96d0/%5BBIO6_07-50%5D_%5BTI_01%5D.htm

Условия жизни бактерий

Для изучения способа размножения бактерий учащиеся просматривают соответствующую анимацию.

http://files.school-collection.edu.ru/dlrstore/00000337-1000-4ddd-3b5e-010046bb2fd1/0024.swf

После её просмотра учащиеся приходят к выводу, что бактерии размножаются простым делением клетки надвое. При благоприятных условиях деление клеток у некоторых бактерий может происходить через каждые 20-30 минут.

Затем учитель обращается к учащимся с вопросом: “Как бактерии переносят неблагоприятные условия среды?” и предлагает просмотреть анимацию ЭОР “Приспособленность бактерий к неблагоприятным условиям”.

http://files.school-collection.edu.ru/dlrstore/00000338-1000-4ddd-4de3-040046bb2fd1/0025.swf

В ЭОР “Общая характеристика бактерий”

http://files.school-collection.edu.ru/dlrstore/41bc632e-9777-40f5-9975-8eaeeb6e96d0/%5BBIO6_07-50%5D_%5BTI_01%5D.htm

учащиеся находят сведения о том, что благодаря способности образовывать споры, бактерии: длительно сохраняются, переживают неблагоприятные условия, распространяются.

Затем учитель предлагает учащимся выполнить физкультминутку.

Физкультминутка

Раз – подняться, потянуться,
Два – согнуться, разогнуться,
Три – в ладоши 3 хлопка,
Головою 3 кивка,
На четыре – руки шире,
Пять – руками помахать,
Шесть – за парту сесть опять.

Учащиеся работают в группах и выполняют интерактивные задания “Составление схемы строения бактериальной клетки”, “Формы бактериальных клеток”, “Составление схемы “Питание цианобактерий”.

http://files.school-collection.edu.ru/dlrstore/0000033b-1000-4ddd-73a0-0d0046bb2fd1/0028.swf

http://files.school-collection.edu.ru/dlrstore/00000339-1000-4ddd-ccea-070046bb2fd1/0029.swf

http://files.school-collection.edu.ru/dlrstore/00000342-1000-4ddd-2421-250046bb2fd1/0046.swf

Учащиеся работают индивидуально, выполняя тестовые задания по двум вариантам (приложение 2).

Учитель предлагает учащимся оценить деятельность на уроке, используя технологию “Рефлексивная мишень”. Учащиеся получают нарисованную на листе формата А3 мишень, которая разделена на четыре сектора “Моё настроение”, “Моя деятельность”, “Работа в группе”, “Деятельность учителя”, в которых отмечены параметры оценки. Каждый участник педагогического взаимодействия “стреляет” четыре раза в мишень, делая отметку маркером или стикером в зависимости от оценки действия. Мишень вывешивается и комментируется учителем [6].

Изучить текст § 9, ответить на вопросы параграфа.

По выбору:

– изучить дополнительный текст со с. 38;
– либо индивидуально, либо в паре, либо группой:
– выполните модель бактериальной клетки;
– подготовьте сообщения по материалам Интернет и дополнительной литературы на темы: “Клубеньковые бактерии”, “Цианобактерии”, “Молочнокислые бактерии”, “Болезнетворные бактерии”;
– придумайте научно-популярный рассказ, в котором бактерии играли бы важную роль. попробуйте оформить своё произведение как сценарий фильма или мультфильма;
– заложите опыт, доказывающий необходимость мыть руки перед едой.

Методика проведения опыта

Чтобы убедиться в необходимости мыт руки перед едой, проведите следующий опыт. Приготовьте питательную смесь для бактерий. Возьмите клубень картофеля, помойте его и почистите. Разрежьте пополам и вымочите в течение 2-3 часов в 1 %-м растворе соды. Затем сварите его и разрежьте на ломтики. Ломтики положите на фильтровальную бумагу в 3 чашки Петри. Это и есть питательная среда для выращивания бактерий. (Чашки Петри необходимо предварительно тщательно помыть и высушить). Прикоснитесь пальцами немытой рукой к питательному раствору в одной из чашек. К питательному раствору в другой чашке прикоснитесь пальцами вымытой без мыла руки. К раствору в третьей чашке прикоснитесь, предварительно тщательно вымыв руки с мылом. Накройте чашки Петри крышками и поставьте в несильно освещённое тёплое место. На результаты опыта посмотрите через 2-3 дня. Сравните результаты. Сделайте мини-доклад о своём опыте на следующем уроке биологии [5].

Источники

1. Биология: 5 класс: учебника для учащихся общеобразовательных учреждений / И.Н. Пономарёва, И.В. Николаев, О.А. Корнилова. – М.: Вентана-Граф, 2012. – 128 с.: ил.
2. Биология: 5 класс: методическое пособие / И.Н. Пономарёва, И.В. Николаев, О.А. Корнилова. – М.: Вентана-Граф, 2013. – 80 с.
3. Биология: тестовые задания: 6 класс: дидактические материалы /Е.А. Солодова. – М.: Вентана-Граф, 160 с.
4. Биология: энциклопедия для детей, том 2 / М. Аксёнова, С. Исмаилова и др., издание второе, переработанное и дополненное. Москва “Аванта+”, 1994.
5. Калинина А.А. Поурочные разработки по биологии. 6 (7) класс. – М.: Вако, 2005. – 352 с. – (В помощь школьному учителю).
6. http://www.zankov.ru/exp/article=2152
7. Список используемых на данном уроке ЭОР (приложение 3).

Что такое микробы? (для детей)

Наши тела просто потрясающие. День за днем ​​они много работают — переваривают пищу, перекачивают кровь и кислород, посылают сигналы из нашего мозга и многое другое.

Но есть группа крошечных захватчиков, которые могут вызвать болезнь в нашем организме — их называют микробами.

Некоторые дети могут подумать, что микробы — это жуки, или другие отвратительные вещи. На самом деле микробы — это крошечные организмы или живые существа, которые могут вызывать болезни. Микробы настолько малы и коварны, что незаметно проникают в наши тела.На самом деле микробы настолько крошечные, что вам нужно использовать микроскоп, чтобы увидеть их. Когда они попадают в наши тела, мы не знаем, что нас поразило, пока у нас не появятся симптомы, свидетельствующие о том, что на нас напали!

Какие типы микробов существуют?

Микробы можно найти по всему миру и в самых разных местах. Четыре основных типа микробов — это бактерии, вирусы, грибы и простейшие. Они могут вторгаться в растения, животных и людей, а иногда и вызывать болезни.

Бактерии (скажем: BAK-teer-ee-uh) — крошечные одноклеточные существа, которые для жизни получают питательные вещества из окружающей среды.В некоторых случаях этой средой является человеческое тело. Бактерии могут размножаться вне тела или внутри него, поскольку они вызывают инфекции. Некоторые инфекции, которые могут вызывать бактерии, включают ушные инфекции, ангины (тонзиллит или стрептококковая ангина), кариес и пневмония (скажем: new-MO-nyuh).

Но не все бактерии плохие. Некоторые бактерии полезны для нашего организма — они помогают поддерживать баланс. Хорошие бактерии живут в нашем кишечнике и помогают нам использовать питательные вещества из пищи, которую мы едим, и выделяют отходы из того, что осталось.Без этих важных микробов-помощников мы не смогли бы полноценно питаться здоровой пищей! Некоторые бактерии также используются учеными в лабораториях для производства лекарств и вакцин (например, VAK-seens).

Вирусы (скажем: VY-rus-iz) должны находиться внутри живых клеток, чтобы расти и воспроизводиться. Большинство вирусов не могут выжить очень долго, если они не находятся внутри живого существа, такого как растение, животное или человек. Все, в чем живет вирус, называется его хозяином. Когда вирусы попадают в организм людей, они могут распространяться и вызывать болезни.Вирусы вызывают ветряную оспу, корь, грипп и многие другие заболевания. Поскольку некоторые вирусы могут непродолжительное время жить на чем-то вроде дверной ручки или столешницы, не забудьте регулярно мыть руки!

Грибы (скажем: FUN-guy) — это многоклеточные (состоящие из множества клеток) организмы, похожие на растения. В отличие от других растений, грибы не могут добывать себе пищу из почвы, воды и воздуха. Вместо этого грибы получают питание от растений, людей и животных. Они любят жить в сырых, теплых местах, а многие грибки не опасны для здоровых людей.Примером того, что вызвано грибками, является микоз, зудящая сыпь, которая иногда возникает между пальцами ног у подростков и взрослых.

Protozoa (скажем: pro-toh-ZOH-uh) — одноклеточные организмы, которые любят влагу и часто распространяют болезни через воду. Некоторые простейшие вызывают кишечные инфекции, которые приводят к диарее, тошноте и боли в животе.

стр. 1

Что делают микробы?

Как только микробы проникают в наши тела, они надолго остаются в них. Они поглощают питательные вещества и энергию и могут производить токсины (скажем: TOK-sinz), которые представляют собой белки, которые действуют как яды.Эти токсины могут вызывать симптомы распространенных инфекций, такие как лихорадка, насморк, сыпь, кашель, рвота и диарея.

Как врачи выясняют, что делают микробы? Они присматриваются. Изучая образцы крови, мочи и других жидкостей под микроскопом или отправляя эти образцы в лабораторию для дополнительных анализов, врачи могут определить, какие микробы живут в вашем теле и как они вызывают у вас заболевание.

Как защитить себя от микробов?

Большинство микробов распространяется через воздух при чихании, кашле или даже дыхании.Микробы также могут распространяться через пот, слюну и кровь. Некоторые переходят от человека к человеку, прикасаясь к чему-то зараженному, например, пожимая руку простуженному человеку, а затем касаясь собственного носа.

Держаться подальше от вещей, которые могут распространять микробы, — лучший способ защитить себя. И это означает . . .

Ручная стирка ! Запомните слова, которых боятся микробы — мыло и вода. Хорошее и частое мытье рук — лучший способ победить этих крошечных воинов.Мойте руки каждый раз, когда вы кашляете или чихаете, перед едой или приготовлением пищи, после посещения туалета, после прикосновения к животным и домашним животным, после игр на улице и после посещения больного родственника или друга.

Есть правильный способ вымыть руки. Используйте теплую воду с мылом и потрите руки вместе не менее 15 секунд, примерно столько же, сколько нужно, чтобы спеть «С Днем Рождения».

Прикрывайте нос и рот, когда чихаете, и прикрывайте рот, когда кашляете, чтобы не допустить распространения микробов.Поэтому, если вам нужно кашлять, лучше всего делать это в локте, чтобы не испачкать руки.

Использование салфеток для чихания и насморка — еще одно отличное оружие против микробов. Но не бросайте салфетки на пол, чтобы забрать их позже. Выбросьте их в мусорное ведро и снова вымойте руки!

Еще один способ бороться с инфекциями и предотвращать их — это делать все плановые прививки от врача. Никто не любит делать уколы, но они помогают укрепить вашу иммунную систему и подготовить ее к борьбе с микробами.Вы также можете поддерживать свою иммунную систему сильной и здоровой, правильно питаясь, регулярно занимаясь спортом и хорошо выспавшись. Все это поможет вам подготовиться к борьбе с микробами, вызывающими болезни.

Теперь, когда вы знаете факты о микробах, вы все еще можете время от времени подхватить кашель или простуду, но вы будете готовы предотвратить проникновение большей части этих микробов.

бактерий | Что такое микробиология?

Бактерии — одноклеточные микробы.Структура клетки проще, чем у других организмов, поскольку в ней нет ядер или мембраносвязанных органелл. Вместо этого их центр управления, содержащий генетическую информацию, находится в единой петле ДНК. У некоторых бактерий есть дополнительный круг генетического материала, называемый плазмидой. Плазмида часто содержит гены, которые дают бактерии некоторое преимущество перед другими бактериями. Например, он может содержать ген, который делает бактерии устойчивыми к определенному антибиотику.

Бактерии подразделяются на пять групп в зависимости от их основных форм: сферические (кокки), стержневые (бациллы), спиральные (спириллы), запятые (вибрионы) или штопоры (спирохеты).Они могут существовать в виде отдельных ячеек, в парах, цепочках или кластерах.

Бактерии встречаются во всех средах обитания на Земле: в почве, камнях, океанах и даже в арктическом снегу. Некоторые живут внутри или на других организмах, включая растения и животных, включая людей. В организме человека примерно в 10 раз больше бактериальных клеток, чем клеток человека. Многие из этих бактериальных клеток выстилают пищеварительную систему. Некоторые бактерии живут в почве или на мертвых растениях, где они играют важную роль в круговороте питательных веществ.Некоторые виды вызывают порчу продуктов питания и повреждение урожая, но другие невероятно полезны при производстве ферментированных продуктов, таких как йогурт и соевый соус. Относительно немного бактерий являются паразитами или патогенами, вызывающими болезни у животных и растений.

Как размножаются бактерии?

Бактерии размножаются двойным делением. В этом процессе бактерия, представляющая собой единственную клетку, делится на две идентичные дочерние клетки.Бинарное деление начинается, когда ДНК бактерии делится на две части (повторяется). Затем бактериальная клетка удлиняется и разделяется на две дочерние клетки, каждая из которых имеет ДНК, идентичную родительской клетке. Каждая дочерняя клетка является клоном родительской клетки.

При благоприятных условиях, например при правильной температуре и наличии питательных веществ, некоторые бактерии, такие как Escherichia coli , могут делиться каждые 20 минут. Это означает, что всего за семь часов одна бактерия может произвести 2 097 152 бактерии.Еще через час количество бактерий вырастет до колоссальных 16 777 216 человек. Вот почему мы можем быстро заболеть, когда в наш организм вторгаются патогенные микробы.

Механизм выживания

Некоторые бактерии могут образовывать эндоспоры. Это спящие конструкции, которые чрезвычайно устойчивы к агрессивным физическим и химическим условиям, таким как тепло, УФ-излучение и дезинфицирующие средства. Это очень затрудняет их уничтожение. Многие бактерии, продуцирующие эндоспоры, являются опасными патогенами, например Bacillus anthracis , вызывающая сибирскую язву.

• Микробиология сегодня: микобактерии

  Микробактерии, вызывающие туберкулез у людей и животных, Mycobacterium tuberculosis и Mycobacterium bovis , представлены в этом издании Microbiology Today вместе с Mycobacterium leprae , вызывающей проказу, и Mycobacterium ulcerans, вызывающей Язва Бурули.

• Строим бактериальные мостики

  Часто первое, что приходит на ум, когда мы думаем о микробах в искусственной среде, — это повреждение, разложение, изменение цвета и окрашивание строительных материалов и их поверхностей. То, что мы часто не принимаем во внимание, — это их способность действовать как «биоинженеры».

• Объяснение туберкулеза

  Туберкулез (ТБ) — изнурительное полиорганное заболевание, вызываемое бактерией Mycobacterium tuberculosis.Самая серьезная форма заболевания — туберкулез легких, инфекция легких и дыхательных путей.

• Устойчивость к противомикробным препаратам (УПП)

  Угроза устойчивости к противомикробным препаратам (УПП) теперь признана во всем мире, и, по оценкам, 10 миллионов человек в год будут умирать из-за устойчивости к противомикробным препаратам к 2050 году, если не будут приняты срочные меры.

• Псевдомонады — друг и враг

  Виды рода Pseudomonas являются одними из наиболее изученных бактерий в научном сообществе.Бактерии этого рода широко используются в качестве модельных организмов в микробных исследованиях и включают ряд важных видов в таких областях, как патогенность растений, биоремедиация и микробиология окружающей среды.

• Streptomyces — природное решение УПП

  Помимо того, что Streptomyces играет огромную роль в медицинской и фармацевтической промышленности, они также играют важную роль в окружающей среде; способствует разложению органических веществ и плодородию почвы.

Изображений

Микробиология сегодня : микобактерии. Библиотека научных фотографий.
Строим бактериальные мостики. Б. Реэкстинг.
Объяснение туберкулеза. iStock / Dr_Microbe.
Устойчивость к противомикробным препаратам. digicomphoto / Thinkstock.
Псевдомонады — друг и враг. iStock / Dr_Microbe .
Streptomyces — Природное решение против УПП. Thinkstock.
Подкасты. Роджер Харрис / Библиотека научных фотографий.

Микроорганизмов | TheSchoolRun

Существует различных типов микроорганизмов, или микробов, что ученые до сих пор не знают, сколько их, но они знают, что микроорганизмы делают много разных вещей! Есть хороших микробов, , которые используются в пищевых продуктах, другие используются в медицине, и многое другое используется для очистки окружающей среды. плохих микробов не так уж и много, но они вызывают тошноту или вызывают гниение и разрушение.

Бактерии — действительно важные микробы, без них жизнь на Земле не могла бы существовать!

Бактерии имеют всего одну клетку , имеющую форму сферы, стержня или спирали. Единственная бактерия, называемая бактерией , действительно крошечная; миллионы уместились бы на булавочной головке! Бактерии существуют уже миллионов лет , и они могут жить в любой части земли, независимо от того, насколько жарко или холодно.

Очень немногие бактерии вредны для вас, большинство из них помогает поддерживать ваше здоровье. Хорошие бактерии используются при приготовлении некоторых молочных продуктов, которые вы любите есть, а также некоторых видов лекарств. Бактерии — одни из лучших разлагателей — они расщепляют мертвые и разлагающиеся органические вещества, от листьев до насекомых. Лучше всего то, что бактерии можно использовать для очистки разливов нефти, чтобы сохранить окружающую среду здоровой. Плохие бактерии больше всего любят, когда вы или ваше окружение негигиенично или грязно.Они используют любой шанс, чтобы захватить власть и размножиться. Бактерии могут очень быстро копировать себя, поэтому всего одна вредная бактерия может вызвать у вас болезнь или испортить вашу пищу!

Вирусы — очень простые микробы, они не могут многое сделать сами. Вирусу нужен хост (другой живой организм), который дает им все необходимое для работы. Вирусы используют любую возможность, чтобы найти хозяина. Они проникают внутрь клеток хозяина и захватывают его. Вирусы используют механизм клетки-хозяина для создания большого количества копий, на самом деле такого количества, что клетка разрывается и заражает другие клетки вокруг нее.Они могут очень быстро производить больше вирусов — всего один вирус может превратиться в множество вирусов и вызвать у вас заболевание. простуды и — это вирусы, которые для своего распространения полагаются на то, что хозяин кашляет или чихает рядом с другим хозяином. очень важно прикрывать нос и рот, если вы кашляете или чихаете, и лучшая часть вашего тела для этой работы — изгиб локтя — таким образом, вирус не на ваших руках!

Грибы растут повсюду . Они не могут приготовить пищу сами по себе, поэтому им приходится получать питательные вещества от хозяина.Они растут на множестве разных хозяев, везде, где тепло и влажно. Грибы не могут двигаться, поэтому они производят спор , похожих на семена. Споры разлетаются на ветру или в воде, на животных или одежде и находят новое место для роста, в котором есть все необходимое. Если они не могут его найти, они просто переходят в спящий режим (спят, пока не появится нужное место).

Паразиты не очень независимы — им нужен другой организм, их хозяин, чтобы жить в нем или в нем.Ресурсы от их хозяина, такие как питательных веществ , убежище и все, что им нужно, позволяют паразиту жить и расти. Разным паразитам нужны разные ресурсы, поэтому у каждого есть свой любимый хозяин. Паразиты всегда ищут своего идеального хозяина, но некоторые из них настолько крошечные, что их можно увидеть только в микроскоп, поэтому их легко не заметить.

Простейшие и водоросли — это одноклеточные микроорганизмы, которые получают пищу из окружающей среды.Их можно найти в самых разных местах, включая пресной воды, морской воды и даже в почве. Эта группа большая и очень разнообразная. Их можно использовать для очистки или очищения, но они также могут вызывать множество очень серьезных заболеваний.

Слова, которые необходимо знать:

Кислотность — концентрация кислоты в веществе
Водоросли — организм, принадлежащий к группе, которая обитает в основном в воде и включает морские водоросли. Водоросли отличаются от растений тем, что не имеют настоящих листьев, корней или стеблей
Антибиотики — вещество, вырабатываемое естественным путем, которое убивает бактерии, но не действует против вирусов, используется в качестве лекарства
Бактерии — одноклеточный микроорганизм
Колонии — группы однотипных организмов, которые живут вместе и зависят друг от друга
Заболевания — заболевания людей, растений или животных, не являющиеся прямым результатом телесных повреждений
Окружающая среда — все факторы, влияющие на жизнь и деятельность людей, растений и животных
Грибы — множественное число от грибка.Одноклеточный или многоклеточный организм, который размножается спорами и живет за счет поглощения питательных веществ из органических веществ.
Создать — вызвать что-то или вызвать эффект
Инфекции — передача инфекционных микроорганизмов от одного человека к другому или инфекционный микроорганизм
Инфекционный — болезнь, которая может передаваться от одного человека к другому
Неорганическое — состоит из минералов, а не живого материала
Микроорганизмы — крошечный организм, такой как вирус, простейшее или бактерия, который можно увидеть только под микроскопом
Минералы — вещество, которое естественным образом встречается в горных породах и в земле и имеет свой характерный внешний вид и химический состав
Паразиты — растение или животное, которое живет на или в другом, обычно более крупном, организме-хозяине таким образом, что наносит вред или не приносит пользы хозяину
Частица — очень маленький кусочек чего-то
Protozoa — одноклеточный организм, который может перемещаться
Sp herical — в форме сферы
Споры — небольшая, обычно одноклеточная структура, производимая бессемянными растениями, водорослями, грибами и некоторыми простейшими, способная развиваться в новую особь
Sustaining — чтобы что-то продолжалось чтобы существовать
Вирусы — очень простой микроб, которому требуется хозяин для воспроизведения

Клеточная биология инфекции — Молекулярная биология клетки

Мы только что видели, что патогены представляют собой разнообразный набор агентов.Соответственно, существует множество различных механизмов, с помощью которых патогены вызывают заболевание. Но для выживания и успеха всех патогенов необходимо, чтобы они колонизировали хозяина, достигли соответствующей ниши, избегали защиты хозяина, реплицировались и выходили из инфицированного хозяина, чтобы распространиться на неинфицированного. В этом разделе мы исследуем общие стратегии, которые используются многими патогенами для выполнения этих задач.

Патогены преодолевают защитные барьеры и колонизируют хозяина

Первым шагом заражения является колонизация патогеном хозяина.Большинство частей человеческого тела хорошо защищены от окружающей среды толстым и довольно прочным кожным покровом. Защитные границы в некоторых других тканях человека (глаза, носовые ходы и дыхательные пути, рот и пищеварительный тракт, мочевыводящие пути и женские половые пути) менее надежны. Например, в легких и тонком кишечнике, где кислород и питательные вещества, соответственно, абсорбируются из окружающей среды, барьер представляет собой всего лишь один монослой эпителиальных клеток.

Кожа и многие другие поверхности барьерного эпителия обычно плотно заселены нормальной флорой.Некоторые бактериальные и грибковые патогены также колонизируют эти поверхности и пытаются вытеснить нормальную флору, но большинство из них (а также все вирусы) избегают такой конкуренции, преодолевая эти барьеры, чтобы получить доступ к незанятым нишам внутри хозяина.

Раны барьерного эпителия, включая кожу, позволяют патогенам напрямую проникать внутрь хозяина. Этот путь проникновения не требует особой специализации со стороны патогена. Действительно, многие представители нормальной флоры могут вызвать серьезные заболевания, если попадают через такие раны.Например, анаэробные бактерии рода Bacteroides переносятся как безвредная флора с очень высокой плотностью в толстой кишке, но они могут вызвать опасный для жизни перитонит, если попадают в брюшную полость через перфорацию в кишечнике, вызванную травмой. операция или инфекция стенки кишечника. Staphylococcus из кожи и носа или Streptococcus из горла и рта также ответственны за многие серьезные инфекции, возникающие в результате нарушения эпителиальных барьеров.

Специализированным патогенам, однако, не нужно ждать своевременной раны, чтобы позволить им получить доступ к своему хозяину. Особенно эффективный способ проникновения патогена через кожу — поймать поездку в слюне кусающегося насекомого. Многие членистоногие питаются сосанием крови, а различные группы бактерий, вирусов и простейших развили способность выживать у членистоногих, так что они могут использовать этих кусающих животных в качестве векторов для распространения от одного млекопитающего-хозяина к другому.Как обсуждалось ранее, простейшее, вызывающее малярию, Plasmodium , в своем жизненном цикле развивается через несколько форм, в том числе те, которые специализируются на выживании у человека, а другие — на выживании у комаров (см.). Вирусы, которые распространяются через укусы насекомых, включают возбудителей нескольких типов геморрагической лихорадки, включая желтую лихорадку и лихорадку денге, а также возбудителей многих видов вирусного энцефалита (воспаления головного мозга).Все эти вирусы приобрели способность реплицироваться как в клетках насекомых, так и в клетках млекопитающих, как это требуется для передачи вируса насекомым-вектором. Переносимые с кровью вирусы, такие как ВИЧ, которые не способны реплицироваться в клетках насекомых, редко, если вообще когда-либо, передаются от насекомого человеку.

Эффективное распространение патогена через насекомых-переносчиков требует, чтобы отдельные насекомые потребляли пищу с кровью множества млекопитающих-хозяев. В нескольких поразительных случаях патоген, по-видимому, изменяет поведение насекомого, так что его передача более вероятна.Как и большинство животных, муха цеце (укус которой распространяет простейшего паразита Trypanosoma brucei , вызывающего сонную болезнь в Африке) перестает есть, когда насыщается. Но мухи цеце, несущие трипаносомы, кусают гораздо чаще и глотают больше крови, чем неинфицированные мухи. Присутствие трипаносом ухудшает функцию механорецепторов насекомых, которые измеряют кровоток через пищевод для оценки наполнения желудка, эффективно заставляя муху цеце думать, что она все еще голодна.Бактерия Yersinia pestis , вызывающая бубонную чуму, использует другой механизм для повторного укуса несущей ее блохи: она размножается в передней кишке блохи, образуя агрегированные массы, которые в конечном итоге увеличиваются и физически блокируют пищеварительный тракт. После этого насекомое не может нормально питаться и начинает голодать. Во время неоднократных попыток утолить аппетит, некоторые бактерии из передней кишки попадают в место укуса, передавая чуму новому хозяину ().

Рисунок 25-18

Распространение чумы. На этой микрофотографии показан пищеварительный тракт, отделенный от блохи, которая около двух недель назад поедала кровь животного, инфицированного чумной бактерией Yersinia pestis. Бактерии, размножающиеся в кишечнике блох, производят (подробнее …)

Патогены, колонизирующие эпителии, должны избегать выведения хозяином

Прокатиться через кожу на хоботке насекомого — это всего лишь одна стратегия, которую патогены используют для прохождения через начальные барьеры защиты хозяина.В то время как многие барьерные зоны, такие как кожа, рот и толстый кишечник, густо населены нормальной флорой, другие, включая нижнее легкое, тонкий кишечник и мочевой пузырь, обычно остаются почти стерильными, несмотря на относительно прямой доступ к окружающей среде. Эпителий в этих зонах активно сопротивляется бактериальной колонизации. Как обсуждалось в главе 22, респираторный эпителий покрыт слоем защитной слизи, и скоординированное биение ресничек сметает слизь, захваченные бактерии и мусор вверх и из легких.Эпителий, выстилающий мочевой пузырь и верхние отделы желудочно-кишечного тракта, также имеет толстый слой слизи, и эти органы периодически промываются мочеиспусканием и перистальтикой, соответственно, для вымывания нежелательных микробов. Патогенные бактерии и паразиты, которые инфицируют эти эпителиальные поверхности, обладают определенными механизмами преодоления этих механизмов очистки хозяина. Те, что инфицируют мочевыводящие пути, например, сопротивляются промывающему действию мочи, плотно прилипая к эпителию мочевого пузыря через специфические адгезины , белки или белковые комплексы, которые распознают и связываются с молекулами поверхности клетки-хозяина.Важную группу адгезинов в уропатогенных штаммах E. coli составляют компоненты P pili (см.), Которые помогают бактериям инфицировать почки. Эти поверхностные выступы могут иметь длину в несколько микрометров и, таким образом, способны покрывать толщину защитного слоя слизи. На кончике каждой пилуса находится белок, который прочно связывается с определенным дисахаридом, связанным с гликолипидом, который находится на поверхности клеток мочевого пузыря и почки ().

Рисунок 25-19

Уропатогенный E.coli и P. pili. (A) Сканирующая электронная микрофотография уропатогенной E. coli , частой причины инфекций мочевого пузыря и почек, прикрепленной к поверхности эпителиальных клеток в мочевом пузыре инфицированной мыши. (B) Бактерии крупным планом (подробнее …)

Одним из самых сложных органов для колонизации микробов является желудок. Помимо перистальтического промывания и защиты толстым слоем слизи, желудок наполнен кислотой (средний pH ~ 2). Эта экстремальная среда смертельна для почти всех бактерий, попадающих в пищу.Тем не менее, он заселен выносливой и предприимчивой бактерией Helicobacter pylori , которая только недавно была признана основным возбудителем язвы желудка и, возможно, рака желудка. Хотя старые методы лечения язв (кислотоснижающие препараты и мягкие диеты) все еще используются для уменьшения воспаления, короткий и относительно дешевый курс антибиотиков теперь может эффективно вылечить пациента от рецидивирующей язвы желудка. Гипотеза о том, что язвы желудка могут быть вызваны стойкой бактериальной инфекцией слизистой оболочки желудка, первоначально была встречена со значительным скептицизмом.Это было окончательно доказано молодым австралийским врачом, который сделал первое открытие: он выпил колбу с чистой культурой H. pylori и у него развилась типичная язва. Один из способов выжить в желудке H. pylori — продуцировать фермент уреазу , который превращает мочевину в аммиак и диоксид углерода; Таким образом, бактерия окружает себя слоем аммиака, который нейтрализует желудочную кислоту в непосредственной близости от нее. Бактерии также экспрессируют по крайней мере пять типов адгезинов, которые позволяют им прикрепляться к эпителию желудка, и они производят несколько цитотоксинов, которые разрушают эпителиальные клетки желудка, создавая болезненные язвы.Возникающее в результате хроническое воспаление способствует пролиферации клеток и, таким образом, предрасполагает инфицированного человека к раку желудка.

Более яркий пример активной колонизации — это Bordetella pertussis , бактерия, вызывающая коклюш. Первым этапом инфицирования B. pertussis является колонизация респираторного эпителия. Бактерии обходят нормальный механизм очистки (мукоцилиарный эскалатор , описанный в главе 22), плотно связываясь с поверхностью реснитчатых клеток и размножаясь на них. B. pertussis экспрессирует по меньшей мере четыре типа адгезинов, которые прочно связываются с определенными гликолипидами на реснитчатых клетках. Прикрепившиеся бактерии производят различные токсины, которые в конечном итоге убивают ресничные клетки, что ставит под угрозу способность хозяина избавиться от инфекции. Наиболее известным из них является коклюшный токсин , который, как и токсин холеры, представляет собой АДФ-рибозилирующий фермент. Он ADP-рибозилирует α-субъединицу G-протеина G _и , вызывая нарушение регуляции аденилатциклазы клетки-хозяина и избыточное производство циклического АМФ (обсуждается в главе 15).Не довольствуясь этим, B. pertussis также продуцирует собственную аденилатциклазу, которая неактивна, если не связана с эукариотическим кальмодулином, связывающим кальмодулин Ca ²⁺ . Таким образом, продуцируемый бактериями фермент активен только в цитоплазме эукариотической клетки. Хотя обе бактерии B. pertussis и V. cholerae обладают одинаковым эффектом резкого повышения уровня цАМФ в клетках-хозяевах, к которым они прикрепляются, симптомы заболеваний очень разные, поскольку эти две бактерии колонизируют разные участки организма-хозяина: Б.pertussis колонизирует дыхательные пути и вызывает приступообразный кашель, тогда как V. cholerae колонизирует кишечник и вызывает водянистую диарею.

Не все примеры специфической колонизации требуют, чтобы бактерия экспрессировала адгезины, которые связываются с гликолипидами или белками клетки-хозяина. Энтеропатогенный E. coli , вызывающий диарею у детей младшего возраста, вместо этого использует систему секреции типа III (см.) Для доставки своего собственного экспрессируемого бактериями рецепторного белка (называемого Tir) в клетку-хозяин ().После того, как Tir вставлен в мембрану клетки-хозяина, поверхностный белок бактерии связывается с внеклеточным доменом Tir, вызывая замечательную серию событий внутри клетки-хозяина. Во-первых, белок рецептора Tir фосфорилируется по остаткам тирозина тирозинкиназой белка хозяина. В отличие от эукариотических клеток, бактерии обычно не фосфорилируют тирозиновые остатки, однако Tir содержит пептидный домен, который является специфическим мотивом узнавания для эукариотической тирозинкиназы. Полагают, что фосфорилированный Tir рекрутирует члена семейства малых GTPases Rho, который способствует полимеризации актина посредством ряда промежуточных стадий (обсуждаемых в главе 16).Полимеризованный актин образует уникальный выступ на клеточной поверхности, называемый опорой , который выталкивает плотно прилегающие бактерии вверх примерно на 10 мкм от поверхности клетки-хозяина (,).

Рисунок 25-20

Взаимодействие энтеропатогенной E. coli (EPEC) с клетками-хозяевами. (A) Когда EPEC контактирует с эпителиальной клеткой в ​​слизистой оболочке кишечника человека, он доставляет бактериальный белок Tir в клетку-хозяин через систему секреции типа III. Затем Тир вставляет в (подробнее …)

Эти примеры колонизации хозяина иллюстрируют важность коммуникации между хозяином и патогеном в процессе заражения. Патогенные организмы приобрели гены, кодирующие белки, специфически взаимодействующие с определенными молекулами клеток-хозяев. В некоторых случаях, таких как аденилатциклаза B. pertussis , предок патогена мог получить ген от своего хозяина, тогда как в других, таких как Tir, случайная мутация могла дать начало белковым мотивам, которые распознаются партнер эукариотического белка.

Внутриклеточные патогены имеют механизмы как для входа, так и для выхода из клеток-хозяев

Многие патогены, включая V. cholerae и B. pertussis , заражают своего хозяина, не проникая в клетки-хозяева. Однако другие, включая все вирусы и многие бактерии и простейшие, являются внутриклеточными патогенами . Их предпочтительная ниша для репликации и выживания находится в цитоплазме или внутриклеточных компартментах конкретных клеток-хозяев. У этой стратегии есть несколько преимуществ.Патогены недоступны для антител (обсуждается в главе 24), и они не являются легкими мишенями для фагоцитарных клеток (обсуждаются ниже). Однако такой образ жизни требует, чтобы патоген развил механизмы проникновения в клетки-хозяева, поиска подходящей субклеточной ниши, где он может реплицироваться, и выхода из инфицированной клетки для распространения инфекции. В оставшейся части этого раздела мы рассмотрим некоторые из множества способов, которыми отдельные внутриклеточные патогены используют и изменяют биологию клетки-хозяина для удовлетворения этих требований.

Вирусы связываются с молекулами, отображаемыми на поверхности клетки-хозяина

Первым шагом для любого внутриклеточного патогена является связывание с поверхностью клетки-мишени-хозяина. Для вирусов связывание осуществляется за счет ассоциации вирусного поверхностного белка со специфическим рецептором на поверхности клетки-хозяина. Конечно, рецептор клетки-хозяина не развился с единственной целью — позволить патогену связываться с ним; все эти рецепторы имеют другие функции. Первым таким идентифицированным «вирусным рецептором» был E.coli , который позволяет лямбда бактериофага связываться с бактерией. Его нормальная функция — транспортный белок, отвечающий за усвоение мальтозы.

Вирусы, которые инфицируют клетки животных, обычно используют молекулы рецепторов клеточной поверхности, которые либо очень многочисленны (например, олигосахариды, содержащие сиаловую кислоту, которые используются вирусом гриппа), либо уникально обнаружены в тех типах клеток, в которых вирус может реплицироваться. (например, рецептор фактора роста нервов, никотиновый рецептор ацетилхолина или белок межклеточной адгезии N-CAM, все из которых используются вирусом бешенства для специфического заражения нейронов).Часто один тип рецептора используется многими типами вирусов, а некоторые вирусы могут использовать несколько разных рецепторов. Более того, разные вирусы, инфицирующие один и тот же тип клеток, могут использовать разные рецепторы. Например, гепатит вызывается по крайней мере шестью вирусами, каждый из которых преимущественно реплицируется в клетках печени. Рецепторы четырех вирусов гепатита были идентифицированы, и все они разные. Рецепторы не обязательно должны быть белками; Вирус простого герпеса, например, связывается с протеогликанами гепарансульфата через специфические белки вирусной мембраны.

Часто вирусам требуются как первичный рецептор, так и вторичный корецептор для эффективного прикрепления и проникновения в клетки-хозяева. Важный пример — ВИЧ. Его первичный рецептор — CD4, белок, участвующий в иммунном распознавании, который находится на поверхности многих Т-клеток и макрофагов (обсуждается в главе 24). Для проникновения вируса также требуется наличие корецептора, либо CCR5 (рецептор для β-хемокинов), либо CXCR4 (рецептор для α-хемокинов), в зависимости от конкретного варианта вируса ().Макрофаги чувствительны только к вариантам ВИЧ, которые используют CCR5 для входа, тогда как Т-клетки наиболее эффективно заражаются вариантами, которые используют CXCR4. Вирусы, которые обнаруживаются в течение первых нескольких месяцев после заражения ВИЧ, почти всегда требуют CCR5, что, по-видимому, объясняет, почему люди, несущие дефектный ген ccr5 , не восприимчивы к ВИЧ-инфекции. На более поздних стадиях инфекции вирусы могут либо переключиться на использование корецептора CXCR4, либо адаптироваться к использованию обоих корецепторов; Таким образом, вирус может изменять типы клеток, которые он заражает, по мере развития болезни.

Рисунок 25-21

Рецептор и корецепторы ВИЧ. Все штаммы ВИЧ требуют CD4 в качестве первичного рецептора. На ранних этапах инфекции большинство вирусов используют CCR5 в качестве корецептора, что позволяет им инфицировать макрофаги и их предшественники, моноциты. По мере развития инфекции (подробнее …)

Вирусы проникают в клетки-хозяева путем слияния мембран, образования пор или разрушения мембран

После распознавания и прикрепления к поверхности клетки-хозяина вирус должен проникнуть в клетку-хозяина и высвободить геном нуклеиновой кислоты из его защитной белковой оболочки или липидной оболочки.В большинстве случаев освобожденная нуклеиновая кислота остается в комплексе с некоторыми вирусными белками. Вирусы в оболочке проникают в клетку-хозяина путем слияния либо с плазматической мембраной, либо с эндосомальной мембраной после эндоцитоза (,). Считается, что слияние происходит посредством механизма, подобного SNARE-обеспечиваемому слиянию пузырьков во время нормального внутриклеточного везикулярного движения (обсуждается в главе 13).

Рисунок 25-22

Четыре стратегии удаления оболочки вируса. (A) Некоторые вирусы в оболочке, такие как ВИЧ, сливаются непосредственно с плазматической мембраной клетки-хозяина, высвобождая свой капсид (зеленый) в цитозоль.(B) Другие вирусы в оболочке, такие как вирус гриппа, сначала связываются с поверхностью клетки (подробнее …)

Слияние регулируется как для обеспечения слияния вирусных частиц только с соответствующей мембраной клетки-хозяина, так и для предотвращения слияния вирусных частиц. друг с другом. Для вирусов, таких как ВИЧ, которые сливаются при нейтральном pH на плазматической мембране, связывание с рецепторами или корецепторами обычно запускает конформационные изменения в белке вирусной оболочки, чтобы обнажить обычно скрытый слитый пептид (см.).Другие вирусы в оболочке, такие как грипп, откладывают слияние до окончания эндоцитоза; в этом случае часто именно кислая среда в ранней эндосоме запускает конформационные изменения в вирусном поверхностном белке, который экспонирует слитый пептид (). H ⁺ , закачанный в раннюю эндосому, проникает в частицу вируса гриппа через ионный канал и запускает uncoating вирусной нуклеиновой кислоты, которая непосредственно высвобождается в цитозоль, когда вирус сливается с эндосомной мембраной.У некоторых вирусов снятие оболочки происходит после попадания в цитозоль. В случае вируса леса Семлики, например, связывание рибосом хозяина с капсидом заставляет белки капсида отделяться от вирусного генома.

Рисунок 25-23

Стратегия проникновения, используемая вирусом гриппа. Глобулярные головки вирусного гемагглютинина (НА) опосредуют связывание вируса с рецепторами клеточной поверхности, содержащими сиаловую кислоту. Комплексы вирус-рецептор подвергаются эндоцитозу и в кислой среде (более…)

Сложнее представить, как вирусов без оболочки проникают в клетки-хозяева, поскольку не очевидно, как большие скопления белка и нуклеиновой кислоты могут пересекать плазматическую или эндосомную мембрану. Если механизм проникновения понятен, вирусы без оболочки обычно либо образуют поры в клеточной мембране для доставки вирусного генома в цитоплазму, либо разрушают эндосомальную мембрану после эндоцитоза.

Полиовирус использует первую стратегию.Связывание полиовируса с его рецептором вызывает как рецептор-опосредованный эндоцитоз, так и конформационное изменение вирусной частицы. Конформационное изменение обнажает гидрофобный выступ на одном из белков капсида, который, по-видимому, внедряется в эндосомальную мембрану с образованием поры. Затем вирусный геном попадает в цитоплазму через пору, оставляя капсид либо в эндосоме, либо на поверхности клетки, либо в обоих местах (см.).

Аденовирус использует вторую стратегию.Первоначально он поглощается рецептор-опосредованным эндоцитозом. Когда эндосома созревает и становится более кислой, вирус проходит несколько этапов удаления оболочки, на которых структурные белки последовательно удаляются из капсида. Некоторые из этих шагов требуют действия вирусной протеазы, которая неактивна во внеклеточной вирусной частице (вероятно, из-за внутрицепочечных дисульфидных связей), но активируется в восстанавливающей среде эндосомы. Один из белков, высвобождаемых из капсида, лизирует эндосомальную мембрану, высвобождая остаток вируса в цитозоль.Этот урезанный вирус затем стыкуется с комплексом ядерной поры, и геном вирусной ДНК высвобождается через пору в ядро, где он транскрибируется (см.).

В этих различных стратегиях проникновения вирусы используют множество молекул и процессов клетки-хозяина, включая компоненты клеточной поверхности, рецептор-опосредованный эндоцитоз и стадии созревания эндосом. Эти стратегии снова иллюстрируют изощренные способы, которыми патогены эволюционировали, чтобы использовать базовую клеточную биологию своих хозяев.

Бактерии проникают в клетки-хозяева посредством фагоцитоза

Бактерии намного крупнее вирусов, и они слишком велики, чтобы быть поглощенными рецептор-опосредованным эндоцитозом. Вместо этого они проникают в клетки-хозяева посредством фагоцитоза. Фагоцитоз бактерий — нормальная функция макрофагов. Они патрулируют ткани тела, поглощают и уничтожают нежелательные микробы. Однако некоторые патогены приобрели способность выживать и размножаться в макрофагах после фагоцитоза.

Туберкулез , серьезная легочная инфекция, широко распространенная в некоторых городах, вызывается одним из таких патогенов, Mycobacterium tuberculosis . Эта бактерия обычно попадает при вдыхании в легкие, где она фагоцитируется альвеолярными макрофагами. Хотя микроб может выживать и размножаться в макрофагах, макрофаги большинства здоровых людей с помощью адаптивной иммунной системы сдерживают инфекцию в очаге поражения, называемом бугорком . В большинстве случаев поражение оказывается изолированным внутри фиброзной капсулы, которая подвергается кальцификации, после чего ее можно легко увидеть на рентгеновском снимке легких инфицированного человека. Необычной особенностью M. tuberculosis является его способность десятилетиями выживать в макрофагах, содержащихся в таких поражениях. В более позднем возрасте, особенно если иммунная система ослабляется из-за болезни или лекарств, инфекция может реактивироваться и распространяться в легких и даже в другие органы.

Туберкулез был очевидным явлением в человеческих популяциях на протяжении тысяч лет, но другая бактерия, живущая в альвеолярных макрофагах, была впервые признана патогеном человека только в 1976 году. Legionella pneumophila обычно паразитирует на пресноводных амебах, которые поглощают их путем фагоцитоза. Когда капли воды, содержащие L. pneumophila или инфицированные амебы, попадают в легкие, бактерии могут проникнуть и жить внутри альвеолярных макрофагов (), которые для бактерий должны казаться большими амебами. Эта инфекция приводит к пневмонии, известной как болезнь легионеров . Патоген может эффективно распространяться через центральные системы кондиционирования воздуха, так как амебы, которые являются нормальными хозяевами бактерий, особенно хорошо растут в градирнях кондиционирования воздуха; кроме того, эти системы охлаждения производят микрокапли воды, которые легко вдыхаются.Заболеваемость легионерскими болезнями резко возросла за последние десятилетия, и вспышки часто связаны с системами кондиционирования воздуха в офисных зданиях, больницах и отелях. Другие формы современной аэрозолизации, в том числе декоративные фонтаны и опрыскиватели в супермаркетах, также были причастны к вспышкам этого заболевания.

Рисунок 25-24

Поглощение Legionella pneumophila мононуклеарным фагоцитом человека. На этой электронной микрофотографии показана необычная спиральная структура, индуцированная бактерией на поверхности фагоцита.(Из M.A. Horwitz, Cell 36: 27–33, 1984. © Elsevier.) (Подробнее …)

Некоторые бактерии проникают в клетки, которые обычно не являются фагоцитарными. Один из способов, которым бактерии могут побуждать такую ​​клетку к фагоцитозу, — это экспрессия адгезина, который с высокой аффинностью связывается с белком клеточной адгезии, который клетка обычно использует для прикрепления к другой клетке или внеклеточному матриксу (обсуждается в главе 19). Например, бактерия, вызывающая диарею, Yersinia pseudotuberculosis (близкий родственник бактерии чумы Yersinia pestis ), экспрессирует белок под названием invasin , который связывается с интегринами β1, и Listeria monocytogenes , вызывающий редкую инфекцию. но серьезная форма пищевого отравления, экспрессирует белок, который связывается с E-кадгерином.Связывание с этими белками трансмембранной адгезии заставляет клетку-хозяина попытаться сформировать соединение клеток, и она начинает перемещать актин и другие компоненты цитоскелета к месту прикрепления бактерий. Поскольку бактерия мала по сравнению с клеткой-хозяином, попытка клетки-хозяина распространиться по липкой поверхности бактерии приводит к поглощению бактерии фагоцитами — процессу, известному как механизм инвазии «застежка-молния» (). Сходство этой формы инвазии с естественным процессом клеточной адгезии было подчеркнуто определением трехмерной структуры инвазина.Этот бактериальный белок имеет мотив RGD, структура которого почти идентична структуре нормального сайта связывания β1-интегрина в ламинине (обсуждается в главе 19).

Рисунок 25-25

Механизмы, используемые бактериями для индукции фагоцитоза нефагоцитарными клетками-хозяевами. (A) «Застежка-молния» и (B) триггерные механизмы для индуцированного патогеном фагоцитоза требуют полимеризации актина в месте проникновения бактерий. (C) Кадры из промежутка времени (подробнее …)

Второй путь, по которому бактерии могут вторгаться в нефагоцитарные клетки, известен как пусковой механизм ().Его используют различные патогены, в том числе Salmonella enterica , вызывающая пищевое отравление. Эта драматическая форма инвазии начинается, когда бактерия вводит набор эффекторных молекул в цитоплазму клетки-хозяина через систему секреции типа III. Некоторые из этих эффекторных молекул активируют GTPases семейства Rho, которые стимулируют полимеризацию актина (обсуждается в главе 16). Другие взаимодействуют с элементами цитоскелета более напрямую, разделяя актиновые филаменты и вызывая перестройку перекрестно-связывающих белков.Общий эффект заключается в том, чтобы вызвать резкое локализованное взъерошивание на поверхности клетки-хозяина (), которое выбрасывает большие богатые актином выступы, которые складываются и захватывают бактерии в больших эндоцитарных пузырьках, называемых макропиносомами . Общий вид клеток, в которые вторгается триггерный механизм, подобен драматическому взъерошиванию, вызванному некоторыми факторами роста, предполагая, что в обоих случаях активируются сходные внутриклеточные сигнальные каскады.

Внутриклеточные паразиты активно вторгаются в клетки-хозяева

Для поглощения вирусов рецептор-опосредованным эндоцитозом и бактерий путем фагоцитоза требуется энергия, обеспечиваемая клеткой-хозяином.Патоген является относительно пассивным участником, обычно являющимся триггером для инициации процесса инвазии, но не вносящим метаболическую энергию. Напротив, вторжение внутриклеточных эукариотических паразитов, которые обычно намного крупнее бактерий, происходит по множеству сложных путей, которые обычно требуют значительных затрат энергии со стороны паразита.

Toxoplasma gondii , кошачий паразит, который также иногда вызывает серьезные инфекции у людей, является поучительным примером.Когда это простейшее контактирует с клеткой-хозяином, оно выступает из ребристой структуры микротрубочек, называемой коноидом , а затем переориентируется так, что коноид касается поверхности клетки-хозяина. Затем паразит медленно проникает в клетку-хозяина. Энергия для вторжения, по-видимому, полностью исходит от паразита, и этот процесс может быть нарушен деполимеризацией актинового цитоскелета паразита, но не хозяина. По мере того, как паразит проникает в клетку-хозяин, он выделяет липиды из пары специализированных органелл, образуя вакуолярную мембрану, состоящую в основном из липидов и белков паразита.Таким образом, организм защищает себя в закрытом мембраной отсеке внутри клетки-хозяина, который не участвует в путях переноса через мембрану клетки-хозяина и не сливается с лизосомами (). Специализированная вакуолярная мембрана позволяет паразиту поглощать промежуточные продукты метаболизма и питательные вещества из цитозоля клетки-хозяина, но исключает более крупные молекулы.

Рисунок 25-26

Жизненный цикл внутриклеточного паразита Toxoplasma gondii . (A) После прикрепления к клетке-хозяину T.gondii секретирует липиды (красный) из внутренних органелл. После инвазии паразит размножается в специальной вакуоли, образованной липидами паразита. (подробнее …)

Совершенно иную, но не менее своеобразную стратегию вторжения использует простейшее Trypanosoma cruzi , которое вызывает полиорганную болезнь (болезнь Шагаса) в основном в Мексике, Центральной и Южной Америке. После присоединения к интегринам β1 на поверхности клетки-хозяина этот паразит вызывает локальное повышение Ca ²⁺ в цитоплазме клетки-хозяина.Сигнал Ca ²⁺ привлекает лизосомы к месту прикрепления паразита, которые затем сливаются с плазматической мембраной, позволяя паразиту проникать в вакуоль, происходящую почти полностью из лизосомальной мембраны (). Как мы обсудим ниже, большинство внутриклеточных патогенов идут на все, чтобы избежать воздействия враждебной протеолитической среды лизосомы, но эта трипаносома использует лизосомы как средства проникновения. В вакуоли паразит секретирует фермент транссиалидазу, который удаляет сиаловую кислоту из лизосомальных гликопротеинов и переносит ее на свои собственные поверхностные молекулы, тем самым покрывая себя сахаром клетки-хозяина.Затем паразит выделяет порообразующий токсин, который лизирует вакуолярную мембрану, высвобождая паразита в цитозоль клетки-хозяина, где он размножается.

Рисунок 25-27

Вторжение Trypansoma cruzi . Этот паразит привлекает лизосомы клетки-хозяина к месту своего прикрепления. Лизосомы сливаются с плазматической мембраной, образуя вакуоль, почти полностью состоящую из лизосомальной мембраны. После непродолжительного пребывания в вакуоли (подробнее …)

Многие патогены изменяют мембранный трафик в клетке-хозяине

Два примера внутриклеточных паразитов, обсужденных в предыдущем разделе, поднимают общую проблему, с которой сталкиваются все патогены, ведущие внутриклеточный образ жизни. , включая вирусы, бактерии и паразиты.Они должны каким-то образом иметь дело с мембранным трафиком в клетке-хозяине. После эндоцитоза клеткой-хозяином они обычно оказываются в эндосомном компартменте, который обычно сливается с лизосомами. Следовательно, они должны либо модифицировать компартмент, чтобы предотвратить его слияние, либо покинуть компартмент до того, как перевариться, либо найти способы выжить во враждебной среде фаголизосомы ().

Рисунок 25-28

Выбор, с которым сталкивается внутриклеточный патоген. После проникновения, как правило, посредством эндоцитоза или фагоцитоза в окруженный мембраной компартмент, внутриклеточные патогены могут использовать одну из трех стратегий для выживания и репликации.Патогены, которые следуют стратегии (подробнее …)

Большинство патогенов используют либо первую, либо вторую стратегию. Гораздо реже можно обнаружить патогены, способные выжить в фаголизосомах. Как мы видели, Trypanosoma cruzi использует путь эвакуации, как и практически все вирусы (см.). Бактерия Listeria monocytogenes также использует эту стратегию. Он проникает в клетки через механизм застежки-молнии, о котором говорилось ранее, и выделяет белок, называемый гемолизином , который образует большие поры в фагосомной мембране, в конечном итоге разрушая мембрану и высвобождая бактерии в цитозоль.Попадая в цитозоль, бактерии продолжают секретировать гемолизин, но не разрушают плазматическую мембрану. Гемолизин избирательно разрушает только фагосомную мембрану по двум причинам: во-первых, он в десять раз более активен при кислом pH, обнаруженном в фагосоме, чем при нейтральном pH, обнаруженном в цитозоле, и, во-вторых, гемолизин содержит последовательность PEST (пептидный мотив богат пролином, глутаматом, серином и треонином), который распознается механизмом деградации белка клетки-хозяина, что приводит к быстрой деградации бактериального гемолизина в протеасоме (см.).Гемолизин стабилен в фагосоме, поскольку механизм деградации не имеет доступа к нему там (). Гемолизин, секретируемый L. monocytogenes , тесно связан с гемолизинами, секретируемыми другими бактериями, которые не являются внутриклеточными патогенами. Однако все эти родственные гемолизины не имеют последовательностей PEST. Похоже, что гемолизин L. monocytogenes приобрел по существу эукариотический белковый домен специально, чтобы позволить регулировать его активность в клетке-хозяине.

Рисунок 25-29

Избирательное разрушение фагосомной мембраны Listeria monocytogenes . L. monocytogenes прикрепляется к E-кадгерину на поверхности эпителиальных клеток и индуцирует собственное поглощение с помощью механизма «застежка-молния» (см. Фиг. 25-25A). Внутри фагосомы бактерия (подробнее …)

На сегодняшний день наиболее распространенной стратегией, используемой внутриклеточными бактериями и паразитами, является изменение эндосомного компартмента, чтобы они могли оставаться там и размножаться.Они должны модифицировать компартмент по крайней мере двумя способами: во-первых, они должны предотвращать лизосомное слияние, а во-вторых, они должны обеспечивать путь для импорта питательных веществ из цитозоля хозяина. У разных патогенов есть разные стратегии для этого. Как мы видели, Toxoplasma gondii создает свой собственный заключенный в мембрану отсек, который не участвует в нормальном движении через мембрану клетки-хозяина и обеспечивает транспорт питательных веществ. Этот вариант недоступен для бактерий, которые слишком малы, чтобы нести их собственный запас мембраны. Mycobacterium tuberculosis каким-то образом препятствует созреванию самой ранней эндосомы, содержащей ее, так что она никогда не подкисляется и не приобретает характеристики поздней эндосомы. Эндосомы, содержащие Salmonella enterica, а , напротив, подкисляют и приобретают маркеры поздних эндосом, но они задерживают их созревание на стадии, предшествующей слиянию лизосом. Другие бактерии, по-видимому, находят убежище во внутриклеточных компартментах, которые полностью отличаются от обычного пути эндоцитоза. Legionella pneumophila , например, реплицируется в компартментах, которые обернуты слоями грубого эндоплазматического ретикулума. Chlamydia trachomatis , бактериальный патоген, передающийся половым путем, который может вызывать бесплодие и слепоту, реплицируется в компартменте, который кажется наиболее похожим на часть экзоцитарного пути (). Механизмы, используемые этими организмами для изменения своих мембранных компартментов, еще не изучены.

Рисунок 25-30

Модификации движения внутриклеточной мембраны бактериальными патогенами.Четыре внутриклеточных бактериальных патогена, Mycobacterium tuberculosis , Salmonella enterica , Legionella pneumophila и Chlamydia trachomatis , все реплицируются в мембранных (подробнее …)

Вирусы также часто изменяют мембранный трафик в клетке-хозяине. . Оболочечные вирусы должны приобретать свою мембрану из фосфолипидов клетки-хозяина. В простейших случаях кодируемые вирусом белки вставляются в мембрану ER и следуют обычным путем через аппарат Гольджи к плазматической мембране, претерпевая различные посттрансляционные модификации на пути .Затем вирусный капсид собирается на плазматической мембране и отрастает от поверхности клетки. Это механизм, используемый ВИЧ. Другие вирусы в оболочке сложным образом взаимодействуют с путями мембранного переноса в клетке-хозяине (). Даже некоторые вирусы без оболочки изменяют мембранный трафик в клетке-хозяине в соответствии со своими целями. Например, репликация полиовируса осуществляется мембраноассоциированной вирусной РНК-полимеразой. Репликация может происходить быстрее, если площадь поверхности мембран клетки-хозяина увеличивается.Для этого вирус вызывает повышенный синтез липидов в клетке-хозяине и блокирует секрецию из ER. Таким образом, внутриклеточные мембраны накапливаются, увеличивая площадь поверхности, на которой может происходить репликация РНК ().

Рисунок 25-31

Сложные стратегии приобретения вирусной оболочки. (A) Капсиды вируса герпеса собираются в ядре, а затем отрастают через внутреннюю ядерную мембрану, приобретая мембранную оболочку. Затем они, по-видимому, теряют это пальто, когда сливаются с внешним (подробнее…)

Рисунок 25-32

Изменения внутриклеточной мембраны, вызванные белком полиовируса. Полиовирус, как и другие вирусы с положительной цепью РНК, реплицирует свой геном РНК с помощью полимеразы, которая связывается с внутриклеточными мембранами. Некоторые из белков, закодированных в его (подробнее …)

Вирусы и бактерии используют цитоскелет клетки-хозяина для внутриклеточного движения

Цитоплазма клеток млекопитающих чрезвычайно вязкая. Он заполнен органеллами и поддерживается сетью филаментов цитоскелета, все из которых препятствуют диффузии частиц размером с бактерию или вирусный капсид.Если патоген должен достичь определенной части клетки, чтобы выполнить часть своего цикла репликации, он должен активно туда перемещаться. Как и в случае транспорта внутриклеточных органелл, патогены обычно используют цитоскелет для активного движения.

Некоторые бактерии, которые реплицируются в цитозоле клетки-хозяина (а не в заключенных в мембрану компартментах), приняли замечательный механизм движения, который зависит от полимеризации актина. Эти бактерии, включая Listeria monocytogenes , Shigella flexneri и Rickettsia rickettsii (вызывающую пятнистую лихорадку Скалистых гор), вызывают зарождение и сборку актиновых нитей клетки-хозяина на одном полюсе бактерии.Растущие нити создают значительную силу и проталкивают бактерии через цитоплазму со скоростью до 1 мкм / сек. Новые волокна образуются в задней части каждой бактерии и остаются позади, как след ракеты, когда бактерия продвигается вперед, деполимеризуясь снова в течение минуты или около того, когда они сталкиваются с факторами деполимеризации в цитозоле. Когда движущаяся бактерия достигает плазматической мембраны, она продолжает двигаться наружу, вызывая образование длинного тонкого выступа с бактерией на его кончике. Эта проекция часто поглощается соседней клеткой, позволяя бактерии проникать в цитоплазму соседа без воздействия внеклеточной среды, тем самым избегая распознавания антителами, продуцируемыми адаптивной иммунной системой хозяина ().

Рисунок 25-33

Основанное на актине перемещение Listeria monocytogenes внутри и между клетками-хозяевами. (A) Эти бактерии вызывают сборку богатых актином хвостов в цитоплазме клетки-хозяина, что позволяет им быстро перемещаться. Подвижные бактерии распространяются от клетки к клетке, образуя (подробнее …)

Молекулярный механизм сборки актина, вызванной патогенами, был определен для двух из этих бактерий. Механизмы разные, что позволяет предположить, что они развивались независимо.Хотя оба используют один и тот же регуляторный путь клетки-хозяина, который обычно контролирует зарождение актиновых филаментов, они используют разные точки этого пути. Как обсуждалось в главе 16, активация малой GTPase Cdc42 факторами роста или другими внешними сигналами вызывает активацию белка, называемого N-WASp, который, в свою очередь, активирует комплекс ARP, который может зародить рост нового актинового филамента. Поверхностный белок L. monocytogenes непосредственно связывается и активирует комплекс ARP, чтобы инициировать образование актинового хвоста, в то время как неродственный поверхностный белок на S.flexneri связывается и активирует N-WASp, который затем активирует комплекс ARP. Примечательно, что вирус осповакцины использует еще один механизм внутриклеточного перемещения, индуцируя полимеризацию актина, снова используя тот же регуляторный путь ().

Рисунок 25-34

Молекулярные механизмы нуклеации актина различными патогенами. Бактерии Listeria monocytogenes и Shigella flexneri и вирус коровьей оспы перемещаются внутриклеточно с использованием полимеризации актина.Чтобы вызвать зародышеобразование актина, все эти патогены привлекаются (подробнее …)

Другие патогены полагаются, прежде всего, на транспорт, основанный на микротрубочках, для перемещения внутри клетки-хозяина. Это движение особенно хорошо иллюстрируется вирусами, поражающими нейроны. Важный пример — нейротропные альфа-вирусы герпеса, группа, которая включает вирус, вызывающий ветряную оспу. При инфицировании сенсорных нейронов вирусные частицы транспортируются в ядро ​​с помощью транспорта на основе микротрубочек, вероятно, опосредованного прикреплением капсидов к моторному белку динеину.После репликации и сборки в ядре обернутый вирус транспортируется по микротрубочкам от тела нейрональной клетки вниз по аксону, предположительно путем прикрепления к моторному белку кинезина ().

Рисунок 25-35

Распространение вируса герпеса в аксоне. Эта нервная клетка была инфицирована альфа-вирусом герпеса, который был генетически сконструирован для экспрессии зеленого флуоресцентного белка (GFP), слитого с одним из его капсидных белков. В этом сегменте аксона несколько (больше…)

Одна бактерия, которая, как известно, ассоциируется с микротрубочками, — это Wolbachia . Этот удивительный род включает в себя множество видов паразитов или симбионтов насекомых и других беспозвоночных, живущих в цитозоле каждой клетки животного. Инфекция распространяется вертикально от матери к потомству, так как Wolbachia также присутствуют в яйцах. Бактерии обеспечивают их передачу в каждую клетку, связываясь с микротрубочками, и поэтому они разделяются митотическим веретеном одновременно с сегрегацией хромосом при делении инфицированной клетки ().Как мы обсудим позже, инфекция Wolbachia может значительно изменить репродуктивное поведение насекомых-хозяев.

Рисунок 25-36

Флуоресцентная микрофотография Wolbachia (красный) , ассоциированных с микротрубочками (зеленый) митотических веретен в эмбрионе Drosophila . Группы бактерий на полюсах веретена будут разделены на две дочерние клетки при делении каждой инфицированной клетки. (подробнее …)

Вирусы берут на себя метаболизм клетки-хозяина

Большинство внутриклеточных бактерий и паразитов несут основную генетическую информацию, необходимую для их собственного метаболизма и репликации, и полагаются на свои клетки-хозяева только в качестве питательных веществ.Вирусы, напротив, используют базовый аппарат клетки-хозяина для большинства аспектов своего воспроизводства: все они зависят от рибосом клетки-хозяина для производства своих белков, а некоторые также используют ДНК и РНК-полимеразы клетки-хозяина для репликации и транскрипции соответственно.

Многие вирусы кодируют белки, которые модифицируют аппарат транскрипции или трансляции хозяина, чтобы способствовать синтезу вирусных белков по сравнению с белками клетки-хозяина. В результате синтетическая способность клетки-хозяина направлена ​​главным образом на производство новых вирусных частиц.Полиовирус, например, кодирует протеазу, которая специфически расщепляет компонент фактора связывания ТАТА TFIID (см.), Эффективно блокируя транскрипцию всей клетки-хозяина посредством РНК-полимеразы II. Вирус гриппа продуцирует белок, который блокирует как сплайсинг, так и полиаденилирование транскриптов мРНК, которые, следовательно, не могут быть экспортированы из ядра (см.).

Инициация трансляции большинства мРНК клетки-хозяина зависит от распознавания их 5′-кэпа группой факторов инициации трансляции (см.).Инициация трансляции мРНК хозяина часто ингибируется во время вирусной инфекции, так что рибосомы клетки-хозяина можно более эффективно использовать для синтеза вирусных белков. Некоторые вирусы кодируют эндонуклеазы, которые отщепляют 5′-кэп мРНК клетки-хозяина. Некоторые даже после этого используют высвободившиеся 5′-кэпы в качестве праймеров для синтеза вирусных мРНК, процесс, называемый отрыванием кэпов . Несколько других геномов вирусной РНК кодируют протеазы, которые расщепляют определенные факторы инициации трансляции. Эти вирусы полагаются на 5′-кэп-независимую трансляцию вирусной РНК с использованием внутренних сайтов входа в рибосомы (IRES) (см. 2).

Некоторые ДНК-вирусы используют ДНК-полимеразу клетки-хозяина для репликации своего генома. Эти вирусы должны решить проблему: ДНК-полимераза экспрессируется на высоком уровне только во время S-фазы клеточного цикла, тогда как большинство клеток, которые заражают вирусы, проводят большую часть своего времени в фазе G ₁ . Аденовирус решает эту проблему, заставляя клетку-хозяина перейти в S-фазу. Его геном кодирует белки, которые инактивируют как Rb, так и p53, два ключевых супрессора клеточного цикла (обсуждаются в главе 17).Как и следовало ожидать от любого механизма, который индуцирует нерегулируемую репликацию ДНК, эти вирусы часто являются онкогенными.

Патогены могут изменять поведение организма-хозяина, способствуя распространению патогена

Как мы видели, патогены часто изменяют поведение клетки-хозяина таким образом, чтобы способствовать выживанию и репликации патогена. Точно так же патогены часто изменяют поведение всего организма-хозяина, чтобы способствовать распространению патогена, как мы видели ранее для Trypanosoma brucei и Yersinia pestis. В некоторых случаях трудно сказать, приносит ли конкретная реакция хозяина больше пользы хозяину или патогену. Например, такие патогены, как Salmonella enterica , которые вызывают диарею, обычно вызывают самоограниченные инфекции, поскольку диарея эффективно вымывает возбудитель. Однако диарея, насыщенная бактериями, может передать инфекцию новому хозяину. Точно так же кашель и чихание помогают избавиться от болезнетворных микроорганизмов из дыхательных путей, но они также передают инфекцию новым людям.У человека, больного простудой, за одно чихание может образоваться 20000 капель, все они переносят риновирус или вирус короны.

Пугающий пример патогена, изменяющего поведение хозяина, наблюдается при бешенстве, впервые описанном в египетских писаниях более 3000 лет назад. Этот вирус размножается в нейронах и вызывает у инфицированных людей или животных «бешенство»: они необычайно агрессивны и у них возникает сильное желание укусить. Вирус выделяется со слюной и передается через укушенную рану в кровоток жертвы, передавая инфекцию новому хозяину.

Toxoplasma gondii , эукариотический паразит, который образует повреждения в мышечной и мозговой ткани, является столь же замечательным примером. Он может завершить свой жизненный цикл только у своего обычного хозяина — кошек. Если он заражает промежуточного хозяина, такого как грызун или человек, инфекция становится для паразита тупиком, если только промежуточный хозяин не съеден кошкой. Поведенческие исследования показывают, что крысы, инфицированные T. gondii , теряют свой врожденный страх перед кошками и вместо этого предпочитают искать места, пропитанные кошачьей мочой, а не места, пропитанные мочой кролика, что в точности противоположно нормальному поведению крыс.

Но самый яркий пример патогенов, изменяющих поведение хозяина, принадлежит Wolbachia . Эти бактерии манипулируют сексуальным поведением своего хозяина, чтобы максимизировать свое распространение. Как описано ранее, Wolbachia передаются потомству вертикально через яйца. Однако, если они живут в мужчине, они попадают в тупик, поскольку они исключены из спермы. У некоторых видов Drosophila , Wolbachia модифицируют сперму своего хозяина так, что они могут оплодотворять яйца только инфицированных самок.Эта модификация создает репродуктивное преимущество инфицированных самок перед незараженными, так что общая доля носителей Wolbachia увеличивается. У других видов хозяев инфекция Wolbachia убивает самцов, но щадит самок, увеличивая количество самок в популяции и, следовательно, количество особей, которые могут производить яйца для передачи инфекции. У некоторых видов ос инфекция Wolbachia позволяет самкам производить яйцеклетки, которые развиваются партеногенетически, без необходимости оплодотворения спермой; у этого вида самцы полностью уничтожены.Для некоторых хозяев Wolbachia стал незаменимым симбионтом, а лечение инфекции приводит к гибели хозяина. В одном случае люди используют эту зависимость: филяриатную нематоду, вызывающую африканскую речную слепоту, трудно убить с помощью противопаразитарных препаратов, но когда людей с речной слепотой лечат антибиотиками, излечивающими инфекцию нематод Wolbachia , нематодную инфекцию тоже арестован.

Патогены быстро развиваются

Сложность и специфичность молекулярных взаимодействий между патогенами и их клетками-хозяевами может свидетельствовать о том, что вирулентность будет трудно получить путем случайной мутации.Тем не менее, постоянно появляются новые патогены, а старые патогены постоянно меняются, что затрудняет лечение знакомых инфекций. У патогенов есть два больших преимущества, которые позволяют им быстро развиваться. Во-первых, они очень быстро реплицируются, обеспечивая большой материал для двигателя естественного отбора. В то время как люди и шимпанзе приобрели 2% -ное различие в последовательностях генома в течение примерно 8 миллионов лет дивергентной эволюции, полиовирусу удается изменить свой геном на 2% за 5 дней, то есть примерно за то время, которое требуется вирусу, чтобы перейти изо рта человека в организм человека. кишка.Во-вторых, на эту быструю генетическую изменчивость действует мощное селективное давление, обеспечиваемое адаптивной иммунной системой хозяина и современной медициной, которые уничтожают патогены, которые не могут измениться.

Небольшим примером постоянной борьбы между инфекцией и иммунитетом является феномен антигенной изменчивости. Важным адаптивным иммунным ответом против многих патогенов является выработка антител, распознающих специфические антигены на поверхности патогена (обсуждается в главе 24).Многие патогены уклоняются от полного уничтожения антителами, меняя эти антигены в ходе инфекции. Некоторые паразиты, например, подвергаются запрограммированным перестройкам генов, кодирующих их поверхностные антигены. Наиболее ярким примером являются африканские трипаносомы, такие как Trypanosoma brucei , паразит, вызывающий сонную болезнь и распространяемый насекомыми-переносчиками ( T. brucei является близким родственником T. cruzi (см.), Но он реплицируется вне клеток, а не внутри клеток). T. brucei покрыт гликопротеином одного типа, называемым -специфическим гликопротеином ( VSG ), который вызывает защитный ответ антител, который быстро избавляет от большинства паразитов. Однако геном трипаносомы содержит около 1000 генов VSG , каждый из которых кодирует VSG с различными антигенными свойствами. Только один из этих генов экспрессируется в любой момент времени путем копирования в активный сайт экспрессии в геноме. Экспрессируемый ген VSG может неоднократно изменяться путем перестройки генов, которые копируют новые аллели в сайт экспрессии.Таким образом, несколько трипаносом с измененным VSG избегают опосредованного антителами клиренса, реплицируются и вызывают рецидив заболевания, что приводит к хронической циклической инфекции).

Рисунок 25-37

Антигенная изменчивость трипаносом. (A) Существует около 1000 различных генов VSG в Trypanosoma brucei , но только один сайт для экспрессии гена VSG . Неактивный ген копируется в сайт экспрессии путем преобразования гена, где он теперь экспрессируется.Редкое переключение (подробнее …)

Другой тип антигенной вариации происходит во время заражения вирусами, имеющими подверженные ошибкам механизмы репликации. Ретровирусы, например, приобретают в среднем одну точечную мутацию за каждый цикл репликации, потому что вирусная обратная транскриптаза, продуцирующая ДНК из генома вирусной РНК, не может исправить ошибки неправильного включения нуклеотидов. Типичная нелеченная ВИЧ-инфекция в конечном итоге может включать геномы ВИЧ со всеми возможными точечными мутациями.В некотором смысле высокая частота мутаций благоприятна для патогена. В результате микроэволюционного процесса мутации и отбора внутри каждого хозяина вирус может переключиться с инфицирования макрофагов на инфицирование Т-клеток (как описано ранее), и после начала лечения он может быстро приобрести устойчивость к лекарствам. Однако, если частота ошибок обратной транскриптазы была слишком высокой, вредные мутации могли бы накапливаться слишком быстро, чтобы вирус выжил. Более того, быстрая диверсификация вирусов у одного хозяина не обязательно ведет к быстрой эволюции вируса в популяции, поскольку мутировавший вирус может не заразить нового хозяина.Для ВИЧ-1 степень этого ограничения может быть оценена путем изучения разнообразия последовательностей у разных людей, инфицированных этим вирусом. Примечательно, что только около одной трети нуклеотидных положений в кодирующей последовательности вируса являются инвариантными, а нуклеотидные последовательности в некоторых частях генома, таких как ген env , могут различаться на целых 30%. Эта необычайная геномная пластичность значительно затрудняет попытки разработать вакцины против ВИЧ, а также может привести к быстрой устойчивости к лекарствам (см. Ниже).Еще одним следствием этого стала быстрая диверсификация и появление новых штаммов ВИЧ. Сравнение последовательностей между различными штаммами ВИЧ и очень похожим вирусом обезьяньего иммунодефицита (SIV) из множества разных видов обезьян, по-видимому, указывает на то, что самый вирулентный тип ВИЧ, ВИЧ-1, возможно, перешел от шимпанзе к человеку еще в 1930 году. ).

Рисунок 25-38

Диверсификация ВИЧ-1, ВИЧ-2 и родственных штаммов SIV. Генетическое расстояние между любыми двумя вирусными изолятами определяется по кратчайшему пути, соединяющему их в дереве.ВИЧ-1 делится на две группы: основные (M) и выбросы (O). ВИЧ-1 M (подробнее …)

Быстрая эволюция бактерий часто происходит за счет горизонтального переноса генов, а не за счет точечной мутации. Большая часть этого горизонтального переноса генов опосредуется приобретением плазмид и бактериофагов. Бактерии легко подхватывают островки патогенности и плазмиды вирулентности (см.) От других бактерий. Как только бактерия приобрела новый набор генов, связанных с вирулентностью, она может быстро утвердиться в качестве новой причины эпидемий среди людей. Yersinia pestis , например, является инфекцией, эндемичной для крыс и других грызунов, которая впервые появилась в истории человечества в 542 году нашей эры, когда город Константинополь был опустошен чумой. Сравнение последовательностей Y. pestis и его близкого родственника Y. pseudotuberculosis , вызывающего тяжелое диарейное заболевание, позволяет предположить, что Y. pestis , возможно, возник как отдельный штамм всего несколько тысяч лет назад, незадолго до своего появления. дебют в области городской разрухи.

Возникновение и развитие новых инфекционных заболеваний во многих случаях усугубляются изменениями в поведении людей. Например, многолюдные и грязные условия жизни в средневековых городах способствовали распространению чумы от естественного хозяина грызунов. Тенденция современных людей жить в условиях высокой плотности населения в больших городах также создала возможность для инфекционных организмов инициировать эпидемии, такие как грипп, туберкулез и СПИД, которые не могли бы распространяться так быстро или так далеко среди более редких человеческих популяций.В принципе, воздушное путешествие может позволить бессимптомному новому инфицированному хозяину за несколько часов или дней передать эпидемию любому ранее не зараженному населению. Современные методы ведения сельского хозяйства также способствуют появлению определенных типов инфекционных агентов, которые не могли легко развиться в обществах охотников-собирателей древних людей. Например, вирусы гриппа необычны тем, что их геном состоит из нескольких (обычно восьми) цепей РНК. Когда два штамма гриппа заражают одного и того же хозяина, цепи двух штаммов могут перетасоваться, чтобы сформировать новый и отличный тип вируса гриппа.До 1900 года штамм гриппа, инфицировавший людей, вызывал очень легкое заболевание; отдельный штамм гриппа инфицировал домашних птиц, таких как утки и куры, но не мог заразить людей. Однако как птичий, так и человеческий штаммы способны инфицировать свиней и могут рекомбинировать в организме свиньи-хозяина с образованием новых штаммов, которые могут вызывать серьезные заболевания человека. В сообществах, где свиней разводят вместе с цыплятами или индейками, периодически появляются вновь рекомбинированные штаммы гриппа, вызывающие всемирные эпидемии.Первой и самой серьезной из этих эпидемий была эпидемия «испанского гриппа» 1918 года, в результате которой погибло больше людей, чем в Первой мировой войне.

Лекарственно-устойчивые патогены — растущая проблема

В то время как некоторые виды деятельности человека способствовали распространению определенных инфекционных заболеваний. болезни, достижения в области общественной санитарии и медицины предотвратили или облегчили страдания, причиняемые многими другими. Эффективные вакцины и всемирные программы вакцинации ликвидировали оспу и значительно снизили уровень полиомиелита, а многие смертельные детские инфекции, такие как паротит и корь, стали редкостью в богатых промышленно развитых странах.Однако по-прежнему существует много широко распространенных и разрушительных инфекционных заболеваний, таких как малярия, от которых нет эффективных вакцин. Не менее важна разработка лекарств, которые лечат, а не предотвращают инфекции. Самый успешный класс — это антибиотиков, убивающих бактерии. Пенициллин был одним из первых антибиотиков, применяемых для лечения инфекций у людей, который был введен в клиническое использование как раз вовремя, чтобы предотвратить десятки тысяч смертей от инфицированных ран на полях сражений во время Второй мировой войны.Однако быстрая эволюция патогенов позволила бактериям-мишеням очень быстро развить устойчивость к антибиотикам; типичный лаг между введением антибиотика в клиническое использование и появлением устойчивых штаммов составляет всего несколько лет. Подобная лекарственная устойчивость быстро возникает среди вирусов, когда инфекции лечат противовирусными средствами. Популяция вируса у ВИЧ-инфицированного человека, получавшего, например, ингибитор обратной транскриптазы AZT, приобретет полную устойчивость к препарату в течение нескольких месяцев.Текущий протокол лечения ВИЧ-инфекции предполагает одновременное использование трех препаратов, что помогает свести к минимуму приобретение резистентности.

Существует три основных стратегии развития лекарственной устойчивости патогенов. Патогены могут (1) продуцировать фермент, который разрушает лекарство, (2) изменять молекулярную мишень лекарственного средства, так что он больше не чувствителен к лекарству, или (3) предотвращать доступ к мишени, например, активно накачивая препарат вне возбудителя. После того как патоген случайно выбрал эффективную стратегию, недавно приобретенные или мутировавшие гены, которые придают эту устойчивость, часто распространяются по популяции патогенов и могут даже передаваться патогенам разных видов, которых лечат одним и тем же лекарством.Например, высокоэффективный и очень дорогой антибиотик ванкомицин использовался в качестве последнего средства лечения многих тяжелых бактериальных инфекций, приобретенных в больнице, которые уже устойчивы к большинству других известных антибиотиков. Ванкомицин предотвращает одну стадию биосинтеза бактериальной клеточной стенки, связываясь с частью растущей пептидогликановой цепи и предотвращая ее сшивание с другими цепями. Устойчивость может возникнуть, если бактерия синтезирует другой тип клеточной стенки, используя разные субъединицы, не связывающие ванкомицин.Наиболее эффективный тип устойчивости к ванкомицину зависит от транспозона, кодирующего семь генов. Продукты этих генов работают вместе, чтобы определить присутствие ванкомицина, остановить нормальный путь синтеза клеточной стенки бактерий и создать клеточную стенку другого типа. Хотя объединение этих генов в единый транспозон должно было быть сложной эволюционной задачей (для развития устойчивости к ванкомицину потребовалось 15 лет, а не типичное отставание в год или два), транспозон теперь может быть легко передан многим другим людям. патогенные виды бактерий.

Как и большинство других аспектов инфекционных заболеваний, проблема лекарственной устойчивости усугубляется поведением человека. Многие пациенты принимают антибиотики при вирусных заболеваниях, которым не помогают лекарства, включая грипп, простуду и боль в ухе. Постоянное и хроническое злоупотребление антибиотиками таким образом может в конечном итоге привести к устойчивости нормальной флоры к антибиотикам, которая затем может передать устойчивость к патогенам. Так возникло несколько вспышек устойчивой к антибиотикам инфекционной диареи, вызванной, например, Shigella flexneri .Проблема особенно серьезна в странах, где антибиотики доступны без рецепта врача, как, например, в Бразилии, где более 80% штаммов S. flexneri , обнаруженных у инфицированных пациентов, устойчивы к четырем или более антибиотикам.

Антибиотики также неправильно используются в сельском хозяйстве, где они обычно используются в качестве пищевых добавок для стимулирования роста здоровых животных. В Европе в корм скоту обычно добавляли антибиотик, близкий к ванкомицину.Устойчивость, возникающая в нормальной флоре этих животных, широко считается одним из первоначальных источников устойчивости к ванкомицину, которая в настоящее время наблюдается при опасных для жизни инфекциях человека.

Резюме

Все патогены обладают общей способностью взаимодействовать с клетками-хозяевами способами, которые способствуют репликации и распространению патогена, но эти взаимодействия между хозяином и патогеном разнообразны. Патогены часто колонизируют хозяина, прилипая к эпителиальным поверхностям, выстилающим легкие, кишечник, мочевой пузырь и другие поверхности, непосредственно контактирующие с окружающей средой, или вторгаясь через них.Внутриклеточные патогены, включая все вирусы и многие бактерии и простейшие, реплицируются внутри клетки-хозяина, в которую они вторгаются с помощью одного из множества механизмов. Вирусы в значительной степени полагаются на рецептор-опосредованный эндоцитоз для входа в клетки-хозяева, в то время как бактерии используют клеточную адгезию и фагоцитарные пути. Простейшие используют уникальные стратегии инвазии, которые обычно требуют значительных метаболических затрат. Попадая внутрь, внутриклеточные патогены ищут нишу, которая является благоприятной для их репликации, часто изменяя движение мембраны клетки-хозяина и используя цитоскелет для внутриклеточного движения.Помимо изменения поведения отдельных клеток-хозяев, патогены часто изменяют поведение организма-хозяина, способствуя распространению к новому хозяину. Патогены быстро развиваются, поэтому часто возникают новые инфекционные заболевания, а старые болезни получают новые способы уклоняться от попыток человека лечить, предотвращать и искоренять.

Введение в патогены — молекулярная биология клетки

Обычно мы относимся к патогенам враждебно — как к захватчикам, атакующим наши тела. Но возбудитель или паразит, как и любой другой организм, просто пытается жить и производить потомство.Жизнь за счет организма-хозяина — очень привлекательная стратегия, и вполне возможно, что каждый живой организм на Земле подвержен тому или иному типу инфекции или паразитизма (). Человеческий хозяин — это богатая питательными веществами, теплая и влажная среда, которая поддерживает постоянную температуру и постоянно обновляется. Неудивительно, что многие микроорганизмы развили способность выживать и размножаться в этой желанной нише. В этом разделе мы обсудим некоторые общие черты, которыми должны обладать микроорганизмы, чтобы быть заразными.Затем мы исследуем широкий спектр организмов, которые, как известно, вызывают заболевания у людей.

Рисунок 25-1

Паразитизм на многих уровнях. (A) Сканирующая электронная микрофотография блохи. Блохи — распространенный паразит млекопитающих, включая собак, кошек, крыс и людей. Он пьет кровь своего хозяина. Укусы блох распространяют бубонную чуму, передавая патогенные (подробнее …)

У патогенов выработались особые механизмы взаимодействия со своими хозяевами

Человеческое тело — сложная и процветающая экосистема.Он содержит около 10 ¹³ клеток человека, а также около 10 ¹⁴ клеток бактерий, грибов и простейших, которые представляют тысячи видов микробов. Эти микробы, называемые нормальной флорой , обычно ограничены определенными участками тела, включая кожу, рот, толстую кишку и влагалище. Кроме того, люди всегда инфицированы вирусами, большинство из которых редко, если вообще когда-либо, проявляют симптомы. Если для нас нормально жить в такой тесной близости с широким спектром микробов, почему некоторые из них способны вызвать у нас болезнь или смерть?

Патогены обычно отличаются от нормальной флоры.Наши нормальные микробные обитатели вызывают проблемы только в том случае, если наша иммунная система ослаблена или если они получают доступ к обычно стерильной части тела (например, когда перфорация кишечника позволяет кишечной флоре проникать в брюшную полость брюшной полости, вызывая перитонит ). ). Напротив, специализированные патогены не требуют ослабления иммунитета или повреждения хозяина. Они разработали узкоспециализированные механизмы для преодоления клеточных и биохимических барьеров и для вызова специфических реакций организма-хозяина, которые способствуют выживанию и размножению патогена.

Чтобы выжить и размножаться в хозяине, успешный патоген должен быть способен: (1) колонизировать хозяина; (2) найти в организме хозяина нишу, совместимую с питанием; (3) избегать, подрывать или обходить врожденные и адаптивные иммунные ответы хозяина; (4) репликация с использованием ресурсов хоста; и (5) выход и распространение на новый хост. Под жестким давлением отбора, направленным на то, чтобы вызвать только правильные ответы клетки-хозяина для выполнения этого сложного набора задач, патогены развили механизмы, которые максимально используют биологию их организмов-хозяев.Многие из патогенов, которые мы обсуждаем в этой главе, являются опытными и практичными клеточными биологами. Наблюдая за ними, мы можем многое узнать о клеточной биологии.

Признаки и симптомы инфекции могут быть вызваны патогеном или реакцией хозяина

Хотя мы можем легко понять, почему инфекционные микроорганизмы эволюционируют для размножения в хозяине, менее ясно, почему они эволюционируют и вызывают болезнь. Одно из объяснений может заключаться в том, что в некоторых случаях патологические реакции, вызываемые микроорганизмами, повышают эффективность их распространения или размножения и, следовательно, явно имеют избирательное преимущество для патогена.Вирусосодержащие поражения на гениталиях, вызванные инфекцией простого герпеса , например, способствуют прямому распространению вируса от инфицированного хозяина к неинфицированному партнеру во время полового контакта. Точно так же диарейные инфекции эффективно передаются от пациента к ухаживающему за ним. Однако во многих случаях индукция заболевания не имеет очевидных преимуществ для патогена.

Многие симптомы и признаки, которые мы ассоциируем с инфекционным заболеванием, являются прямыми проявлениями иммунных реакций хозяина в действии.Некоторые признаки бактериальной инфекции, включая отек и покраснение в месте инфекции и образование гноя (в основном мертвых лейкоцитов), являются прямым результатом попыток клеток иммунной системы уничтожить вторгшиеся микроорганизмы. Лихорадка также является защитной реакцией, поскольку повышение температуры тела может подавлять рост некоторых микроорганизмов. Таким образом, понимание биологии инфекционного заболевания требует признания вклада как патогена, так и хозяина.

Филогенетически разнообразны патогены

Многие типы патогенов вызывают заболевания у людей. Наиболее известны вирусы и бактерии. Вирусы вызывают различные заболевания, от СПИДа и оспы до простуды. По сути, они представляют собой фрагменты инструкций нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК), завернутые в защитную оболочку из белков и (в некоторых случаях) мембрану (). Они используют базовый аппарат транскрипции и трансляции своих клеток-хозяев для своей репликации.

Рисунок 25-2

Патогены во многих формах.(A) Структура белковой оболочки или капсида полиовируса. Этот вирус когда-то был частой причиной паралича, но это заболевание (полиомиелит) было почти искоренено с помощью широко распространенной вакцинации. (B) Бактерия Vibrio cholerae (подробнее …)

Из всех бактерий, с которыми мы сталкиваемся в нашей жизни, лишь незначительное меньшинство являются специализированными патогенами. Намного более крупные и сложные, чем вирусы, бактерии, как правило, представляют собой свободноживущие клетки, которые сами выполняют большинство своих основных метаболических функций, полагаясь на хозяина в первую очередь для питания ().

Некоторые другие инфекционные агенты являются эукариотическими организмами. Они варьируются от одноклеточных грибов и простейших () до крупных сложных многоклеточных организмов, таких как паразитические черви. Одно из наиболее распространенных инфекционных заболеваний на планете, которым в настоящее время болеют около миллиарда человек, — это заражение кишечника Ascaris lumbricoides . Эта нематода очень похожа на своего кузена Caenorhabditis elegans , который широко используется в качестве модельного организма для генетических исследований и биологических исследований развития (обсуждаемых в главе 21).Однако C. elegans имеет длину всего около 1 мм, тогда как Ascaris может достигать 30 см ().

Некоторые редкие нейродегенеративные заболевания, в том числе коровье бешенство, вызываются необычным типом инфекционной частицы, называемой прион , которая состоит только из белка. Хотя прион не содержит генома, он, тем не менее, может реплицироваться и убивать хозяина.

Даже внутри каждого класса патогенов наблюдается поразительное разнообразие. Вирусы сильно различаются по размеру, форме и содержанию (ДНК против РНК, в оболочке или без нее и т. Д.), И то же самое верно и для других патогенов.Способность вызывать болезнь (патогенез) — это выбор образа жизни, а не наследие, которое разделяют только близкие родственники ().

Рисунок 25-3

Филогенетическое разнообразие патогенов. Эта диаграмма показывает сходство между 16S рибосомной РНК для клеточных форм жизни (бактерий, архей и эукариот). Каждая ветвь помечена именем представителя этой группы и длиной (подробнее …)

Каждый отдельный патоген вызывает заболевание по-своему, что затрудняет понимание базовой биологии инфекции.Но при рассмотрении взаимодействия инфекционных агентов с их хозяевами возникают некоторые общие темы патогенеза. Этим общим темам и посвящена данная глава. Во-первых, мы представляем основные особенности каждого из основных типов патогенов, которые используют особенности биологии клетки-хозяина. Затем мы по очереди исследуем механизмы, которые патогены используют для контроля над своими хозяевами, и врожденные механизмы, которые хозяева используют для контроля над патогенами.

Бактериальные патогены несут специализированные гены вирулентности

Бактерии небольшие и структурно просты по сравнению с подавляющим большинством эукариотических клеток.Большинство из них можно в общих чертах классифицировать по форме стержней, сфер или спиралей, а также по свойствам их клеточной поверхности. Хотя им не хватает сложного морфологического разнообразия эукариотических клеток, они демонстрируют удивительное множество поверхностных придатков, которые позволяют им плавать или прилипать к желаемым поверхностям (). Соответственно, их геномы просты, обычно порядка 1 000 000–5 000 000 пар нуклеотидов (по сравнению с 12 000 000 для дрожжей и более 3 000 000 000 для человека).

Рисунок 25-4

Формы бактерий и структуры клеточной поверхности.Бактерии подразделяются на три различных формы: (A) сферы (кокки), (B) палочки (бациллы) и (C) спиральные клетки (спирохеты). (D) Они также классифицируются как грамположительные, или грамотрицательные. Такие бактерии (подробнее …)

Как подчеркивалось выше, лишь небольшая часть видов бактерий развила способность вызывать болезни у людей. Некоторые из тех, которые вызывают заболевание, могут воспроизводиться только внутри клеток человеческого тела и называются облигатными патогенами .Другие размножаются в резервуаре окружающей среды, таком как вода или почва, и вызывают заболевание только в том случае, если им довелось столкнуться с восприимчивым хозяином; их называют факультативными патогенами . Многие бактерии обычно доброкачественны, но обладают скрытой способностью вызывать заболевание у поврежденного или ослабленного иммунитета; их называют условно-патогенными микроорганизмами .

Некоторые бактериальные патогены придирчивы к выбору хозяина и заразят только один вид или группу родственных видов, тогда как другие являются универсальными. Shigella flexneri , например, вызывающая эпидемическую дизентерию (кровавую диарею) в районах мира, где отсутствует чистая вода, заразит только людей и других приматов. Напротив, близкородственная бактерия Salmonella enterica , которая является частой причиной пищевых отравлений у людей, также может инфицировать многих других позвоночных, включая кур и черепах. Лучшим универсалом является условно-патогенный микроорганизм Pseudomonas aeruginosa , который способен вызывать болезни как у растений, так и у животных.

Значительные различия между вирулентной патогенной бактерией и ее ближайшим непатогенным родственником могут быть результатом очень небольшого количества генов. Гены, которые способствуют способности организма вызывать заболевание, называются генами вирулентности. Белки, которые они кодируют, называются факторами вирулентности . Гены вирулентности часто сгруппированы вместе либо в группы на бактериальной хромосоме, называемые островками патогенности , либо на внехромосомные плазмиды вирулентности ().Эти гены также могут переноситься на мобильных бактериофагах (бактериальные вирусы). Поэтому кажется, что патоген может возникнуть, когда группы генов вирулентности переносятся вместе в ранее невирулентную бактерию. Рассмотрим, например, Vibrio cholerae — бактерию, вызывающую холеру. Некоторые из генов, кодирующих токсины, вызывающие диарею при холере, переносятся мобильным бактериофагом (). Из сотен штаммов Vibrio cholerae , обнаруженных в озерах в дикой природе, заболевания человека вызывают только те, которые инфицированы этим вирусом.

Рисунок 25-5

Генетические различия между патогенами и непатогенами. Непатогенный Escherichia coli имеет одну кольцевую хромосому. E. coli очень тесно связана с двумя типами пищевых патогенов — Shigella flexneri , вызывающей дизентерию, и Salmonella (подробнее …)

Рисунок 25-6

Генетическая организация Vibrio холера . (A) Vibrio cholerae необычно тем, что имеет две кольцевые хромосомы, а не одну.Две хромосомы имеют разные источники репликации (oriC ₁ и oriC ₂ ). Три локуса в патогенных штаммах V. cholerae — это (подробнее …)

Многие гены вирулентности кодируют белки, которые напрямую взаимодействуют с клетками-хозяевами. Например, два гена, несущие фаг Vibrio cholerae , кодируют две субъединицы холерного токсина . Субъединица B этого секретируемого токсичного белка связывается с гликолипидным компонентом плазматической мембраны эпителиальных клеток кишечника человека, который употребил Vibrio cholerae в загрязненной воде.Субъединица B переносит субъединицу A через мембрану в цитоплазму эпителиальных клеток. Субъединица A представляет собой фермент, который катализирует перенос фрагмента ADP-рибозы от NAD к тримерному G-белку G _s , который обычно активирует аденилилциклазу с образованием циклического AMP (обсуждается в главе 15). АДФ-рибозилирование G-белка приводит к чрезмерному накоплению циклического АМФ и дисбалансу ионов, что приводит к массивной водянистой диарее, связанной с холерой. Затем инфекция распространяется фекально-оральным путем через зараженную пищу и воду.

бактерий | Национальное географическое общество

Бактерии населяют различные среды по всей Земле.Они живут практически везде, в том числе в наших телах. Большинство бактерий не причиняют вреда человеку, но некоторые могут инфицировать людей и вызывать болезни. Фактически, бактерии вызвали одни из самых разрушительных заболеваний в истории человечества, такие как бубонная чума и дизентерия.

Бактерии одноклеточные и прокариотические, то есть у них нет ядра, и они намного проще, чем эукариотические клетки. Кроме того, в отличие от эукариотических клеток, у большинства бактерий есть клеточная стенка. Состав клеточной стенки варьируется, и это изменение помогает ученым отличать бактерии друг от друга.Окрашивание по Граму помогает ученым различать типы бактерий на основе компонентов их клеточных стенок. Его часто используют в качестве диагностического теста, чтобы определить, какие бактерии вызывают инфекцию. Хотя бактерии разнообразны, они бывают трех основных форм: стержневые, сферические и изогнутые.

Бактериальная инфекция может возникнуть при проглатывании, вдыхании или контакте с открытой раной. Бактерии могут заразить любую часть тела. Некоторые бактерии очень специфичны в отношении того, какие части тела они заражают.Однако другие могут распространяться по телу через кровоток. Токсины, вырабатываемые бактериями, часто вызывают заболевание, потому что они прикрепляются к клеточным структурам и подавляют их функции.

Улучшение санитарных условий и антибиотики помогли снизить заболеваемость бактериальными инфекциями. Иммунная система обычно борется с вредными бактериями, но в некоторых случаях для лечения бактериальных инфекций необходимы антибиотики. Антибиотики могут быть широкого спектра, действующие на широкий спектр бактерий, или узкого спектра, нацеленные на определенные бактерии.Эти препараты убивают бактерии несколькими способами в зависимости от антибиотика. Антибиотики действуют, разрушая клеточную стенку бактерий, ДНК или рибосомы (органеллы, производящие белки).

Однако чрезмерное употребление антибиотиков может вызвать проблемы. Со временем бактерии могут стать устойчивыми к антибиотикам, что затрудняет лечение инфекций, вызванных новыми устойчивыми штаммами. Одним из таких примеров являются устойчивые к метициллину бактерии Staphylococcus aureus или MRSA. Антибиотики также могут убивать полезные бактерии, которые обитают в организме, если принимать их в течение длительного периода времени.

Хотя бактерии могут проникать в организм человека и вызывать болезни, большинство бактерий не являются вредными. Многие бактерии живут на нашей коже и в нашем пищеварительном тракте и составляют наш микробиом или популяции микробов, сосуществующих в нашем теле и на нем. Этот набор бактерий поддерживает наше здоровье, синтезируя витамины, помогая нам расщеплять пищу и предотвращая рост вредных бактерий.