Информация

В какъв стадий на бактериален растеж може пеницилинът да инхибира растежа на клетъчната стена?

В какъв стадий на бактериален растеж може пеницилинът да инхибира растежа на клетъчната стена?


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Бактериалният растеж има 3 основни етапа: лаг-фаза, логаритмична фаза и стационарна фаза. Чудех се кой от тях пеницилинът може да инхибира растежа на клетъчната стена на бактериите и защо. Мислех, че отговорите ще бъдат лаг и логаритмична фаза, защото в тези точки бактериите се размножават най-много, докато в стационарна фаза повечето от бактериите са във възрастна форма с вече добре оформена бактериална стена, но не съм съвсем сигурен.


Това е наистина добър въпрос, който изисква от вас да оцените няколко различни детайла и да преодолеете няколко имплицитни предположения, които може би имате.

  • Етапите на бактериален растеж, които споменавате, се отнасят само за a население на бактерии. Отделните клетки не преминават през тези етапи.
  • Съответно, етапите на растеж на бактериалната популация са независим на етапа на растеж на бактериалната клетъчна стена.

Можете да имате зрели или незрели бактерии на всеки етап от "бактериален растеж", или с напълно оформени стени, или без никакви. Това разбиране трябва да отговори частично на въпроса ви.

Ето още няколко неща, които трябва да имате предвид за по-пълно разбиране:

  1. Пеницилините са а клас на молекули, с различна ефикасност и бионаличност в тялото и в различни видове стени и мембрани.
  2. Потискането на разпространението на бактерии може да се постигне с помощта на два вида антибиотици... бактерициден или бактериостатичен нечий. Бактерицидно означава, че бактериите умират, докато бактериостатично означава, че растежът им се забавя или спира.
  3. Пеницилините са бактерициден агенти, които упражняват механизма си на действие чрез инхибиране на синтеза на бактериалната клетъчна стена и чрез индуциране на бактериален автолитичен ефект. Така че дори зрелите бактерии ще умрат в по-късните етапи на израстване. По принцип няма значение на какъв етап на растеж са бактериите, бактерицидният механизъм ще се осъществи независимо.
  4. Пенцилините са по-ефективни срещу грам-положителните бактерии. Грам-отрицателните бактерии имат липополизахарид и протеинов слой, който заобикаля пептидоглигановия слой на клетъчната стена, който действа като бариера за пеницилина да достигне целта си (която е отговорна за завършването на синтеза на пептидогликани, структурния компонент на бактериалната клетъчна стена ). Въпреки това, пеницилинът може да попадне в грам-отрицателни клетки, например чрез канали, наречени порини.

Това са повече или по-малко много стандартни знания, които лесно се търсят. Статията на Уикипедия за пеницилина е добро място да се ориентирате, ако все още не сте го направили.


Пеницилинът е бета-лактамен антибиотик, който инхибира ензима транспептидаза (пеницилин-свързващ протеин). Транспептидазата е необходима за кръстосаното свързване на муреинови мономери, необходими за синтеза на клетъчната стена.

Тъй като пеницилинът се свързва с транспептидазата, той не му позволява да участва в кръстосаното свързване на муреинови мономери и следователно синтезът на клетъчната стена не може да бъде завършен. Ето как пеницилинът инхибира растежа на бактериите.

Сега фазите (закъснение, дневник, стационарни), които споменахте, се използват, когато културата на бактериални колонии се отглежда и не се използва за една бактерия.


Как се случва антибиотичната резистентност

Антибиотиците спасяват животи, но всеки път, когато се използват антибиотици, те могат да причинят странични ефекти и да доведат до антибиотична резистентност.

От 40-те години на миналия век антибиотиците значително намаляват заболяванията и смъртността от инфекциозни заболявания. Въпреки това, докато използваме лекарствата, микробите развиват защитни стратегии срещу тях. Това прави лекарствата по-малко ефективни.

Антимикробните средства лекуват инфекции, причинени от микроби

Микробите са много малки живи организми, като бактериите. Повечето микроби са безвредни и дори полезни за хората, но някои могат да причинят инфекции и болести. Лекарствата, използвани за лечение на тези инфекции, се наричат ​​антимикробни средства. Най-често познатото антимикробно средство са антибиотиците, които убиват или спират растежа на бактериите.

Два вида микроби

  • Бактериите причиняват заболявания като стрептокок в гърлото и хранително отравяне. Бактериалните инфекции се лекуват с лекарства, наречени антибиотици (като пеницилин).
  • Гъбичките причиняват заболявания като атлетски крак и гъбични инфекции. Гъбичните инфекции се лекуват с лекарства, наречени противогъбични.

Как микробите стават устойчиви и се разпространяват

  1. Микроби (бактерии и гъбички) са навсякъде. Някои ни помагат. Някои разболяват хората, културите или животните. Някои от тези микроби са устойчиви на антибиотици.
  2. Антибиотиците убиват микробите, които причиняват инфекции. Но устойчивите на антибиотици микроби намират начини да оцелеят. Антибиотиците също убиват добрите бактерии, които предпазват тялото от инфекция.
  3. Устойчивите на антибиотици микроби могат да се размножават. Някои устойчиви микроби също могат да дадат своята устойчивост директно на други микроби.
  4. След като се появи резистентност към антибиотици, тя може да се разпространи в нови условия и между държави.

Стратегии за защита от микроби

Антибиотиците се борят с микробите (бактерии и гъбички). Но микробите се борят и намират нови начини за оцеляване. Техните защитни стратегии се наричат ​​съпротивителни механизми. Бактериите развиват механизми за резистентност, като използват инструкции, предоставени от тяхната ДНК. Често гените за резистентност се намират в плазмиди, малки парченца ДНК, които носят генетични инструкции от един зародиш на друг. Това означава, че някои бактерии могат да споделят своята ДНК и да накарат други микроби да станат резистентни.

Примери за защитни стратегии за микроби

Микробите могат да използват защитни стратегии, за да устоят на ефектите на антибиотиците. Ето няколко примера.

Механизми за съпротива (отбранителни стратегии)
Механизми за съпротива
(Стратегии за отбрана)
Описание
Ограничете достъпа до антибиотика Микробите ограничават достъпа, като променят входовете или ограничават броя на входовете.

пример: Грам-отрицателните бактерии имат външен слой (мембрана), който ги предпазва от околната среда. Тези бактерии могат да използват тази мембрана, за да предпазят селективно антибиотичните лекарства от навлизане.

пример: някои Pseudomonas aeruginosa бактериите могат да произвеждат помпи, за да се отърват от няколко различни важни антибиотични лекарства, включително флуорохинолони, бета-лактами, хлорамфеникол и триметоприм.

пример: Klebsiella pneumoniae бактериите произвеждат ензими, наречени карбапенемази, които разграждат карбапенемите и повечето други бета-лактамни лекарства

пример: някои Стафилококус ауреус бактериите могат да заобиколят лекарствените ефекти на триметоприм

пример: Ешерихия коли бактерии с mcr-1 ген може да добави съединение към външната страна на клетъчната стена, така че лекарството колистин да не може да се закопчае върху него.


Пеницил: описание, структура и възпроизвеждане

Penicillium е сапрофитна гъба, известна като синя или зелена плесен. Според Raper и Thom (1949), родът включва 1 36 вида, разпространени по целия свят. Те се намират в почвата, във въздуха, върху разлагащите се плодове, зеленчуци, месо и др.

“Чудното лекарство” пеницилинът е открит за първи път от сър Александър Флеминг в болницата Сант Мери, Лондон, през 1929 г. по време на работата му с бактерия Staphylococcus aureus, отговорна за цирея, карбункул, сепсис при рани и изгаряния и др. със спора на плесен (Penicillium notatum), която след подходящ растеж причинява смърт на 5. aureus, показваща литична зона около себе си.

Той изолира и нарече това антимикробно съединение пеницилин. По-късно Raper и Alexander (1945) избират щам P. crysogenum, по-ефективен от P. notatum, за производството на пеницилин. Значението на Penicillium е споменато в Таблица 4.6.

Вегетативна структура на Пеницил:

Вегетативното тяло е мицелово (фиг. 4.42А, Б). Мицелът е обилно разклонен с преградни хифи, съставени от тънкостенни клетки, съдържащи едно до много ядра (фиг. 4.42C). Всяка преграда има централна пора, чрез която се поддържа цито- и шиплазмената непрекъснатост.

Някои мицели растат по-дълбоко в субстрата, за да абсорбират хранителния материал, а други остават върху субстрата и растат мицелиален филц. Резервната храна присъства под формата на маслени топчета.

Възпроизвеждане в Пеницил:

Penicillium се размножава по вегетативен, асексуален и полов път.

1. Вегетативно размножаване:

Осъществява се чрез случайно разбиване на вегетативния мицел на два или повече фрагмента. След това всеки фрагмент расте индивидуално като майчиния мицел.

2. Безполово размножаване:

Безполовата репро­duction се осъществява от едноклетъчни, едноядрени, неподвижни спори, конидии, образувани върху конидиофора (фиг. 4.43).

Конидиофорът се развива като изправен клон от всяка клетка на вегетативния мицел. Конидиофорът може да бъде неразклонен (P. spinulosum, P. thomii) или да става различно разклонен (P. expansum). Клонът на конидиофора (фиг. 4.44B) е известен като ramus (множествено число rami), който допълнително става разклонен, известен като metulae. На върха на всяка метула се развиват редица фиалиди или стеригми с форма на колба.

Всяка стеригмата развива на върха си множество конидии, разположени базипетално (по-младата близо до майката, а по-старата далеч от нея). При видовете (P. spinulosum) с неразклонен кони и шидиофор стеригматите се развиват на върха на конидиофора. Рядко (P. claviforme) много конидиеносци се агрегират, за да образуват плод с форма на клуб, наречен коремий, който развива конидии, известни като коремиоспори.

По време на развитието на конидия върхът на стеригмата набъбва и ядрото й се разделя митотично на две ядра, от които едно мигрира в подутия връх и чрез преградната стена оточната област се отрязва от майката и образува едноядрения конидий.

Върхът на стеригмата отново набъбва и по същата процедура се образува втори конидий, който изтласква първия към външната страна. Този процес се повтаря няколко пъти и така се образува верига от конидии.

Конидиите (фиг. 4.44C) са с овална, елипсовидна или кълбовидна структура с гладка, грапава, ехинулирана външна повърхност и с различни цветове и цветове като зелено, жълто, синьо и др.

След узряване, конидии се отделят от майката и се разнасят от вятъра. Върху подходящ субстрат те покълват (фиг. 4.44D), като развиват зародишна тръба. Ядрото претърпява многократно митотично делене и всички ядра влизат в зародишната тръба. Образуването на прегради продължава с удължаване на зародишната тръба и накрая се развива нов септиран разклонен мицел.

3. Сексуално размножаване:

Сексуалното размножаване е изследвано само при няколко вида (фиг. 4.44). Показва големи вариации от изогамия (P. bacillosporum), оогамия (P. vermiculatum) до соматогамия (P. brefeldianum). Повечето от видовете са хомоталични, с изключение на няколко като P. luteum са хетероталични. Аскокарпите се образуват рядко. Въз основа на аскокарпите могат да бъдат определени различни родове като Europenicillium, Talaromyces и Carpenteles.

Родът Talaromyces се състои от 15 вида. Всички изследвани видове Talaro­myces са хомоталови. Разказът за сексуалното размножаване се занимава с Talaromyces vermiculatus (= Penicillium vermiculatum) е описан от Dangeard (1907). Тази скорост показва оогамен тип сексуално размножаване. Женските и мъжките полови органи са съответно аскотониум и антеридий’.

Аскогониумът се развива от всяка клетка на вегетативната нишка като изправено едноядро и едноклетъчно тяло (фиг. 4.44E). След това ядрото претърпява повтарящи се митотични деления и произвежда 32 или 64 ядра (фиг. 4.44F).

Антеридият се развива едновременно с аскотония от всяка съседна хифа (фиг. 4.44F). Той също така е безядрено и едноклетъчно и шиларен клон, който се навива около аскотониума. Апикалната област на антеридиалния клон се отрязва от преграда и образува къс, донякъде надут едноклетъчен и едноядрен антеридий (фиг. 4.44G).

След узряване както на аскотониума, така и на антеридиума, върхът на антеридия се огъва и докосва аскотониалната стена. Общата стена в точката на контакт се разтваря и двете цитоплазми след това се смесват.

Ядрото на .antheridium не мигрира (фиг. 4.44H) в ascogonium (Dangeard, 1907). По-късно сдвояването на ядрата в аскотониума става само от аскотониалните ядра. След това аскотониумът се разделя чрез преградна стена на множество двуядрени и шиатни клетки, подредени едноредно (фиг. 4.44Н).

Някои от двуядрените клетки на ascogo­nium излизат чрез образуването на многоклетъчни и шиларни аскогенни разклонени хифи, чиито клетки също са дикариотни (фиг. 4.441). Апикалните клетки на дикариотния мицел набъбват и функционират като клетки-майки на аскус (фиг. 4.44J).

И двете ядра на майчината клетка на аскус претърпяват кариогамия и образуват диплоидно (2n) ядро ​​(фиг. 4.44K). След това ядрото претърпява първо мейоза, след това мито и шизис, което води до образуването на 8 ядра, които след натрупване на цитоплазма образуват 8 аскоспори (фиг. 4.44L).

С развитието на аскогония и антеридия много стерилни хифи постепенно се заплитат с тях и накрая след образуването и образуването на аскоспори, общата структура се превръща в кръгло плодно тяло т.е. клейстотеций (фиг. 4.44М). Аскулите са разположени неправилно вътре в клистотеция. Аскоспорите могат да имат кълбовидна, елипсовидна или лещовидна форма с гладка, ехинуклеативна, назъбена (фиг. 4.44N) или разклонена външна стена като колело в страничен изглед.

Аскоспорите се освобождават от разтварянето на аскуса и стената на клейстотеция. Аскоспората покълва върху подходящ субстрат чрез развитие на зародишна тръба (фиг. 4.440) и в крайна сметка в мицел като майката.


Растежът на бактериите протича в 4 фази, както е описано по-горе. Но грам-положителните бактерии са податливи по време на логаритмичната фаза на бактериалния растеж. По време на логаритмичната фаза бактериите са чувствителни, т.к

  • Бактериите растат експоненциално и увеличават клетъчната си маса.
  • Клетката е малка по размер.
  • Клетката произвежда своите протеини, аминокиселини и други прекурсорни единици.
  • По това време клетъчната мембрана е по-малко пропусклива, тъй като клетката се нуждае от хранителни вещества от околната среда.
  • Когато хранителните вещества се поемат от клетката, антибиотиците също се движат вътре в клетката.
  • Пеницилинът, когато влезе, разгражда своята субединица на клетъчната стена.
  • Бактериалните клетки отслабват и умират
  • Тази фаза е медицински важна, тъй като в тази фаза бактериите са чувствителни към лекарства.

В какъв стадий на бактериален растеж може пеницилинът да инхибира растежа на клетъчната стена? - Биология

Тук разглеждаме ролята на антибиотиците, със специален акцент върху клинично полезните антибиотици, които се използват за контрол на бактериални инфекции при хора. Тази страница разглежда 3 основни теми:

Антибактериалният ефект на пеницилин е открит от Александър Флеминг през 1929 г. Той отбелязва, че гъбична колония е нараснала като замърсител върху агарова плоча, набраздена с бактерията Стафилококус ауреус, и че бактериалните колонии около гъбичките са прозрачни, тъй като клетките им лизират. Флеминг е посветил голяма част от кариерата си на намиране на методи за лечение на инфекции на рани и веднага осъзнава важността на гъбичния метаболит, който може да се използва за контрол на бактериите. Веществото е наречено пеницилин, тъй като гъбичният замърсител е идентифициран като Пеницил notatum. Флеминг открива, че е ефективен срещу много грам-положителни бактерии в лабораторни условия и дори използва локално прилагани сурови препарати от това вещество, от филтрати на културата, за контрол на очни инфекции. Той обаче не можа да пречисти това съединение поради неговата нестабилност и едва през периода на Втората световна война (1939-1945) двама други британски учени, Флори и Чейн, работещи в САЩ, успяват да произведат антибиотика в промишлен мащаб за широко приложение. И тримата учени си поделиха Нобеловата награда за тази работа и с право - пеницилинът бързо се превърна в "чудотворното лекарство", което спаси буквално милиони животи. Той все още е антибиотик на "предна линия", често използван за някои бактериални инфекции, въпреки че развитието на резистентност към пеницилин в няколко патогенни бактерии сега ограничава неговата ефективност (виж по-късно).

Действието на пеницилина се вижда в Фигура А. Това показва „плоча с наслагване“, в която има централна колония на гъбичките Penicillium notatum се оставя да расте върху агар за 5-6 дни, след което плочата се покрива с тънък филм от разтопен агар, съдържащ клетки на жълтата бактерия, Micrococcus luteus. Производството на пеницилин от гъбичките създава зона на инхибиране на растежа на бактерията. Тази демонстрация е паралел на това, което Александър Флеминг би забелязал първоначално, въпреки че видя инхибиране и клетъчен лизис на бактерията Стафилококус ауреус.

Фигура Б показва типичните асексуални спорови структури на един вид Пеницил. Спорите се произвеждат във вериги от клетки с форма на колба (фиалиди), които се намират на върховете на подобна на четка въздушна структура.

Този морфогенетичен ефект на пеницилина може да бъде демонстриран чрез отглеждане на грам-положителни или грам-отрицателни бактерии в присъствието на сублетални концентрации на пеницилин. Изображенията по-долу показват оцветени по Грам клетки на Bacillus cereus които са били култивирани в отсъствието на пеницилин (изображение отляво) или в присъствието на ниска концентрация на производното на пеницилин, наречено ампицилин (изображение отдясно). Въздействайки върху кръстосаното свързване на бактериалната клетъчна стена, пеницилинът кара бактерията да расте като по-големи клетки с по-рядко клетъчни деления.

Разширената роля на пеницилините идва от откритието, че естествените пеницилини могат да бъдат модифицирани химически чрез премахване на ацилната група, за да напусне 6-аминопенициланова киселина (виж диаграмата по-горе) и след това добавяне на ацилни групи, които придават нови свойства. Тези модерни полусинтетични пеницилини като ампицилин, карбеницилин (виж диаграмата) и оксацилин имат различни специфични свойства като:

  • устойчивост на стомашни киселини, така че да могат да се приемат през устата,
  • степен на резистентност към пеницилиназа (ензим, разрушаващ пеницилин, произвеждан от някои бактерии)
  • разширен спектър на действие срещу някои грам-отрицателни бактерии.

Въпреки че пеницилините все още се използват клинично, тяхната стойност е намалена от широкото развитие на резистентност сред целевите микроорганизми, както и от алергичната реакция на някои хора към пеницилин.

Феноменалният успех на пеницилина доведе до търсенето на други микроорганизми, произвеждащи антибиотици, особено от почвената среда. Един от ранните успехи (1943 г.) е откриването на стрептомицин от почвен актиномицет, Streptomyces griseus. Както е показано в Фигури C и д, актиномицетите са бактерии, които произвеждат разклонени нишки, по-скоро като гъбични хифи, но с диаметър само около 1 микрометър. Те също така произвеждат голям брой сухи, прахообразни спори от въздушните си хифи.


Фигура C. Ръб на колония от агар от актиномицета, Streptomyces griseus, гледано при ниско увеличение (обектив x10 на комбиниран микроскоп). Както всички актиномицети, този вид расте като тесни нишки, с въздушни клони, които завършват с вериги от спори. Спирално оформените въздушни спорови вериги, типични за рода Streptomyces се виждат на това изображение. Фиг. D. По-голямо увеличение на някои от въздушните хифи и спорови вериги.

Фигура Е. Плака с агар, показваща инхибиране на растежа на гъбички от замърсяваща колония от бацил видове. Изображението е предоставено от IW Sutherland

Организъм производител

Сайт или начин на действие


Защо има толкова малко клинично полезни антибиотици?

Няколко стотици съединения с антибиотична активност са изолирани от микроорганизми през годините, но само няколко от тях са клинично полезни. Причината за това е, че само съединения с селективна токсичност могат да се използват клинично - те трябва да са високоефективни срещу микроорганизъм, но да имат минимална токсичност за хората. На практика това се изразява чрез терапевтичен индекс - съотношението на токсичната доза към терапевтичната доза. Колкото по-голям е индексът, толкова по-добра е неговата терапевтична стойност.

От таблицата по-горе ще се види, че повечето от антибактериалните средства действат върху синтеза на бактериалната стена или синтеза на протеини. Пептидогликанът е една от основните мишени на стената, тъй като се намира само в бактериите. Някои от другите съединения са насочени към синтеза на бактериален протеин, тъй като бактериалните рибозоми (наречени 70S рибозоми) са различни от рибозомите (80S) на хората и други еукариотни организми. По същия начин, единият противогъбичен агент, показан в таблицата (гризеофулвин), се свързва специфично с тубулиновите протеини, които изграждат микротубулите на гъбичните клетки, тези тубулини са малко по-различни от тубулините на хората.

Сравняване на антибиотичната чувствителност на различни бактерии


Фигура F. Тестване за чувствителност към антибиотици. Петри блюда бяха разпръснати инокулирани с Staphylococcus albus (бял растеж) или Micrococcus luteus (жълт растеж) преди антибиотичния анализ "цитирани пръстени" да бъдат поставени върху повърхността на агара. Цветните дискове в края на всяка спица на стъпалата са импрегнирани с различни антибиотици. По посока на часовниковата стрелка отгоре (стрелката) това са: Новобиоцин, Пеницилин G, Стрептомицин (бял диск), Тетрациклин, Хлорамфеникол, Еритромицин, Фузидиева киселина (зелен диск) и Метицилин. Ясните зони на потискане на бактериалния растеж около отделните антибиотични дискове са доказателство за чувствителност към тези антибиотици.

Диаметърът на прозрачната зона е свързан с първоначалната концентрация на антибиотиците (която се различава за антибиотиците на пръстена), неговата разтворимост и скоростта на дифузия през агар. Стандартните тестове, извършвани върху много бактерии от производителите на тези дискове за анализ, позволяват диаметърът на зоната за изчистване да бъде свързан с минималната инхибираща концентрация (MIC) на всеки антибиотик за тествания щам. След това MIC може да се сравни с известните тъканни нива на тези антибиотици, когато те се прилагат на пациенти, за да се прецени дали антибиотиците биха били ефективни за лечение на определени патогени.

Многократната или продължителната употреба на антибиотици създава натиск за селекция, благоприятстващ растежа на устойчиви на антибиотици мутанти. Те могат да бъдат открити чрез сравняване на размера на зоните за изчистване (или дори пълната липса на зони за изчистване) на бактериални щамове в анализи на плочки като тези по-горе. Чрез използването на тези дискове е възможно също така да се открие появата на отделни мутантни клетки с антибиотична резистентност в култура на щам, който е чувствителен към антибиотици. Пример за това е показан на фигура G (по-долу).

Фигура G. Ефекти на различни антибиотици върху растежа на a бацил щам. Дясното изображение показва близък план на новобиоциновия диск (маркиран със стрелка върху цялата плоча). В този случай някои отделни мутантни клетки в бактериалната популация са били резистентни към антибиотика и са довели до малки колонии в зоната на инхибиране.

Антибиотичната резистентност не е скорошен феномен. Напротив, този проблем беше разпознат скоро след въвеждането на естествените пеницилини за контрол на заболяването и беше установено, че бактериалните щамове, съхранявани в колекции от култури от преди "антибиотичната ера", съдържат гени за устойчивост на антибиотици. Въпреки това, в някои случаи ситуацията вече е тревожна, с появата на патогенни щамове, които показват множествена резистентност към широк спектър от антибиотици. Един от най-важните примери се отнася до множествено резистентни щамове на Стафилококус ауреус в болници. Някои от тези щамове причиняват сериозни вътреболнични (придобити в болница) инфекции и са резистентни към почти всички полезни антибиотици, вкл. метицилин, цефалоспорини и други бета-лактами които са насочени към синтеза на пептидогликан, макролидни антибиотици като еритромицин и на аминогликозидни антибиотици като стрептомицин и неомицин, всички от които са насочени към бактериалната рибозома. Единственото съединение, което може да се използва ефективно срещу тези стафилококи, е по-стар антибиотик, ванкомицин, което има някои нежелани ефекти върху хората. Напоследък някои клинични щамове на S. aureus са развили резистентност дори към това съединение.

Много от гените на антибиотична резистентност на стафилококите се пренасят плазмиди (вижте Agrobacterium за обсъждане на това), които могат да бъдат разменени с бацил spp. и стрептокок spp., осигуряващи средства за придобиване на допълнителни гени и генни комбинации. Някои се продължават транспозони - сегменти от ДНК, които могат да съществуват или в хромозомата, или в плазмидите. Иронично и трагично е, че бактерията S. aureus което откри антибиотичната ера с оригиналното откритие на Флеминг от 1929 г., може да бъде и първото, което не може да се лекува с огромната батерия от антибиотици, открити и разработени през последните 60 години.

Използване на антибиотици в селското стопанство: създаване на резервоар от резистентни гени?

Един от най-ожесточените обществени дебати в момента се отнася до употребата на антибиотици в селското стопанство и ветеринарната практика. Причината за безпокойство е, че същите антибиотици (или поне антибиотици със същия начин на действие върху бактериите) се използват и за терапия при хора. По този начин е възможно безотговорното използване на антибиотици за нечовешка употреба да доведе до развитие на резистентност, която след това може да се предаде на човешки патогени чрез трансфер на плазмиди. Най-голямата загриженост на всички е свързана с рутинната употреба на антибиотици като фуражни добавки за селскостопански животни - за насърчаване на растежа на животните и за предотвратявам инфекции, а не да излекувам инфекции. Трудно е да се получат точни цифри за количествата антибиотици, използвани по този начин. Но мащабът на потенциалния проблем беше подчертан в скорошен доклад на Асоциация на почвата, който събира данни за общата употреба на различни видове антибиотици за хора и животни:


Съдържание

Има голям брой PBP, обикновено няколко във всеки организъм, и те се намират както като мембранно свързани, така и като цитоплазмени протеини. Например, Spratt (1977) съобщава, че шест различни PBP се откриват рутинно във всички щамове на Е. coli с молекулно тегло от 40 000 до 91 000. [3] Различните PBP се срещат в различен брой на клетка и имат различен афинитет към пеницилин. PBP обикновено се класифицират широко в категории с високо молекулно тегло (HMW) и нискомолекулно тегло (LMW). [4] Протеини, които са еволюирали от PBPs, се срещат в много висши организми и включват протеина LACTB на бозайници. [5]

Всички PBP участват в крайните етапи на синтеза на пептидогликан, който е основният компонент на бактериалните клетъчни стени. Синтезът на бактериалната клетъчна стена е от съществено значение за растежа, клетъчното делене (по този начин възпроизвеждането) и поддържането на клетъчната структура в бактериите. [2] Инхибирането на PBP води до дефекти в структурата на клетъчната стена и неравности в клетъчната форма, например филаментация, псевдомултиклетъчни форми, лезии, водещи до образуване на сферопласти и евентуална клетъчна смърт и лизис. [6]

Доказано е, че PBP катализират редица реакции, участващи в процеса на синтезиране на омрежен пептидогликан от липидни междинни продукти и медииране на отстраняването на д-аланин от предшественика на пептидогликана. Доказано е, че пречистените ензими катализират следните реакции: д-аланин карбоксипептидаза, пептидогликан транспептидаза и пептидогликан ендопептидаза. При всички изследвани бактерии е доказано, че ензимите катализират повече от една от горните реакции. [3] Ензимът има нечувствителен към пеницилин трансгликозилазен N-терминален домен (замесен в образуването на линейни гликанови вериги) и пеницилин-чувствителен транспептидазен С-терминален домен (замесен в кръстосаното свързване на пептидните субединици) и серин в активният сайт се запазва във всички членове на семейството на PBP. [4]

Някои PBP с ниско молекулно тегло се свързват с цитоскелета MreB и следват неговото въртене около клетката, като вмъкват петипдогликан по ориентиран начин по време на клетъчния растеж. [7] За разлика от тях, PBP с високо молекулно тегло са независими от MreB и поддържат целостта на клетъчната стена чрез откриване и поправяне на дефекти в пептидогликана. [8]

PBP се свързват с β-лактамни антибиотици, тъй като те са подобни по химична структура на модулните части, които образуват пептидогликана. [9] Когато се свържат с пеницилин, β-лактам амидната връзка се разкъсва, за да образува ковалентна връзка с каталитичния серинов остатък в активното място на PBPs. Това е необратима реакция и инактивира ензима.

Имаше много изследвания на PBP поради тяхната роля в антибиотиците и резистентността. Синтезът на бактериалната клетъчна стена и ролята на PBP в неговия синтез е много добра цел за лекарства със селективна токсичност, тъй като метаболитните пътища и ензимите са уникални за бактериите. [10] Резистентността към антибиотици е възникнала чрез свръхпроизводство на PBP и образуване на PBP, които имат нисък афинитет към пеницилините (наред с други механизми като производството на лактамаза). Тези експерименти променят структурата на PBP чрез добавяне на различни аминокиселини в протеина, което позволява ново откритие за това как лекарството взаимодейства с протеина. Изследванията върху PBPs доведоха до откриването на нови полусинтетични β-лактами, при които промяната на страничните вериги на оригиналната пеницилинова молекула повишава афинитета на PBP към пеницилин и по този начин повишава ефективността при бактерии с развиваща се резистентност.

β-лактамният пръстен е структура, обща за всички β-лактамни антибиотици. [12]


Как антибиотиците убиват бактериалните клетки, но не и човешките?

За да бъдат полезни при лечението на човешки инфекции, антибиотиците трябва селективно да са насочени към бактериите за унищожаване, а не към клетките на човешкия им гостоприемник. Всъщност съвременните антибиотици действат или върху процеси, които са уникални за бактериите – като синтеза на клетъчни стени или фолиева киселина – или върху специфични за бактерията цели в рамките на процеси, които са общи както за бактериалните, така и за човешките клетки, включително репликация на протеин или ДНК . Следват няколко примера.

Повечето бактерии произвеждат клетъчна стена, която е съставена отчасти от макромолекула, наречена пептидогликан, самата съставена от аминозахари и къси пептиди. Човешките клетки не произвеждат или се нуждаят от пептидогликан. Пеницилинът, един от първите антибиотици, които се използват широко, предотвратява крайния етап на кръстосано свързване, или транспептидацията, при сглобяването на тази макромолекула. Резултатът е много крехка клетъчна стена, която се спуква, убивайки бактерията. Човешкият гостоприемник не причинява никаква вреда, защото пеницилинът не инхибира нито един биохимичен процес, който протича в нас.

Бактериите също могат да бъдат селективно унищожени чрез насочване към техните метаболитни пътища. Сулфонамидите, като сулфаметоксазол, са подобни по структура на пара-аминобензоената киселина, съединение, което е важно за синтеза на фолиева киселина. Всички клетки изискват фолиева киселина и тя може лесно да дифундира в човешките клетки. Но витаминът не може да навлезе в бактериалните клетки и по този начин бактериите трябва да направят свои собствени. Сулфа лекарствата като сулфонамиди инхибират критичен ензим - дихидроптероат синтаза - в този процес. След като процесът бъде спрян, бактериите вече не могат да се развиват.

Друг вид антибиотик - тетрациклин - също инхибира бактериалния растеж, като спира протеиновия синтез. Както бактериите, така и хората извършват протеинов синтез върху структури, наречени рибозоми. Тетрациклинът може да премине през мембраните на бактериите и да се натрупва във високи концентрации в цитоплазмата. След това тетрациклинът се свързва с едно място на рибозомата - 30S (по-малката) рибозомна субединица - и блокира ключово взаимодействие на РНК, което изключва удължаващата се протеинова верига. В човешките клетки обаче тетрациклинът не се натрупва в достатъчни концентрации, за да спре протеиновия синтез.

По същия начин, репликацията на ДНК трябва да се случи както в бактериите, така и в човешките клетки. The process is sufficiently different in each that antibiotics such as ciprofloxacin--a fluoroquinolone notable for its activity against the anthrax bacillus--can specifically target an enzyme called DNA gyrase in bacteria. This enzyme relaxes tightly wound chromosomal DNA, thereby allowing DNA replication to proceed. But this antibiotic does not affect the DNA gyrases of humans and thus, again, bacteria die while the host remains unharmed.

Many other compounds can kill both bacterial and human cells. It is the selective action of antibiotics against bacteria that make them useful in the treatment of infections while at the same time allowing the host to live another day.


Antibiotic resistance: How do antibiotics kill bacteria?

This is a multi-part series on antibiotic resistance in bacteria.

Eventually, we'll reach the ways in which bacteria develop antibiotic resistance, but before we get there, we'll spend a little more time on antibiotics themselves.

What have we learned so far?

1. Antibiotics are natural products, made by bacteria and some fungi. We have also learned about the difference between antibiotics and synthetic drugs. There isn't always a clear distinction since chemical groups can be added to antibiotics, making them partly synthetic and partly natural.

2. Antibiotics are a chemically diverse group of compounds. Antibiotics are not DNA. Neither are they proteins, although some antibiotics contain amino acids, which are the building blocks of proteins. In a way, antibiotics are kind of luxury molecules, since they aren't essential for life.

Bacteria don't even make them until the population reaches a certain density and phase of growth. Even though we can describe all antibiotics with a single word, there is no single description that does justice to these fascinating compounds.

We can group antibiotics into classes, either by chemical similarity - peptide antibiotics all contain amino acids held together by peptide bonds, ß-lactams all have a ß lactam ring - by the range of organisms they can kill - broad spectrum antibiotics kill a wide variety of bacteria, where narrow spectrum antibiotics have more specific targets or by the metabolic pathway that they target.

Perhaps the easiest way to categorize antibiotics is by the organisms that produce them. Even there, antibiotics defy easy groupings. The majority are made by denizens of the dirt, but both fungi and bacteria get into the act.

Но what do antibiotics do?
How do they fulfill their role as agents of warfare? They do kill bacteria - but how? In a bacterial population, do all members get killed? Unfortunately, no, many antibiotics work by preventing bacterial growth. This means that most antibiotics only kill growing bacteria.

They keep bacteria from getting bigger?
No. When we talk about animals, plants, or people growing, we're really describing individual organisms getting larger. But, when we talk about bacterial growth, we're referring to the size of a bacterial population and not just the size of a cell.

In order for bacteria to grow, then, they need to make all the parts necessary for building new bacterial cells. DNA must be copied. New RNA, ribosomes, and proteins must be made. Cell walls must be built. Membranes have to be synthesized. And, then, of course the cells must divide. Many, if not most, antibiotics act by inhibiting the events necessary for bacterial growth. Some inhibit DNA replication, some, transcription, some antibiotics prevent bacteria from making proteins, some prevent the synthesis of cell walls, and so on. In general, antibiotics keep bacteria from building the parts that are needed for growth.

There are some antibiotics that act by attacking plasma membranes. Most antibiotics, though, work by holding bacterial populations in check until the immune system can take over. This also brings us, to our first mechanism of antibiotic resistance.

Persistance is resistance.

If bacteria need to grow in order to be killed by antibiotics, then bacteria, can escape from antibiotics, by NOT growing or by growing very slowly. This phenomenon has been observed with biofilms (colonies of bacteria living on a surface) (1), Е. coli in urinary tract infections (2), and most notably in the slow growing bacteria, that cause tuberculosis, Mycobacterium tuberculosis, and leprosy, Mycobacterium leprae (3).

It seems funny to think that not growing can be a mechanism for survival. But if you're a bacteria, and you can hang around long enough in an inactive, non-growing state, enventually your human host will stop taking antibiotics, they will disappear from your environment and you can go back to growing.

1. P.S. Stewart 2002. "Mechanisms of antibiotic resistance in bacterial biofilms." Int J Med Microbiol. 292(2):107-13.

2. Trülzsch K, Hoffmann H, Keller C, Schubert S, Bader L, Heesemann J, Roggenkamp A. 2003. "Highly Resistant Metabolically Deficient Dwarf Mutant of Escherichia coli Is the Cause of a Chronic Urinary Tract Infection." J Clin Microbiol. 41(12): 5689-5694.

3. Gomez JE, McKinney JD. 2004. Tuberculosis (Edinb). 84(1-2):29-44.


Other articles in this series:
1. A primer on antibiotic resistance: an introduction to the question of antibiotic resistance.
2. Natural vs. synthetic drugs: what is the difference between an antibiotics and synthetic drugs?
3. How do antibiotics kill bacteria? a general discussion of the pathways where antibiotics can act and one characteristic that helps some bacteria survive.
4. Are antibiotics really only made by bacteria and fungi? It depends on what you'd like to call them.
5. The Five paths to antibiotic resistance: a quick summary


Filamentous Fungi and Filamentous Bacteria

Fungi, like bacteria, are ecologically important as decomposers as well as parasites of plants and animals. Both groups of microbes often inhabit the same ecosystem and thus compete for the same food supply. Associated with this competition is the production by both the fungi and bacteria of secondary products that function as microbial growth inhibitors or toxins. These compounds constitute a rich library of antimicrobial agents, many of which have been developed as pharmacologic antibiotics (e.g., penicillin from Penicillium chrysogenum, nystatin from Streptomyces noursei, amphotericin B from S niveus).

The superficial morphologic similarities between actinomycetes (filamentous bacteria) and molds suggest that the two groups have undergone parallel evolution. Despite the production of branching filaments and mold-like spores, the actinomycetes are clearly prokaryotes, whereas fungi are eukaryotes. Moreover, the sexual reproduction of bacteria, which typically occurs by transverse binary fission, should not be confused with asexual processes of budding and fragmentation associated with mitotic nuclear division in fungi. Most of the molds that produce septate vegetative hyphae reproduce exclusively by asexual means, giving rise to airborne propagules called conidia. On the other hand, elaborate mechanisms of sexual reproduction are also demonstrated by members of the Eumycota. Four distinct kinds of meiospores (products of karyogamy-meiosis-cytokinesis) are recognized: oospores (Oomycetes), zygospores (Zygomycetes), ascospores (Ascomycetes), and basidiospores (Basidiomycetes).

A summary of these and other diagnostic features of the fungi is presented inTable 73-1.

Table 73-1

Summary of Diagnostic Features of Fungi.


Antibiotic

Herbal medicine
noun A herb said to kill or inhibit bacterial growth.

Mainstream medicine
(1) noun An agent obtained directly from a yeast or other organism and used against a bacterial infection.
(2) Any agent used to kill or reduce the growth of any infectious agent, including viruses, fungi and parasites.

Молекулярна биология
noun A substance that interferes with a particular step of cellular metabolism, causing either bactericidal or bacteriostatic inhibition sometimes restricted to those having a natural biological origin.