Загальна характеристика і особливості життєдіяльності бактерій родини Enterobacteriaceae

Хоча ентеробактерії вирощують на складних середовищах, мінімальні харчові потреби цих організмів, зазвичай прості. Представники багатьох родів взагалі не потребують факторів росту (наприклад Escherichia coli, багато видів Salmonella), а у ауксотрофних організмів ці потреби зазвичай прості. Особливо розповсюджена потреба в нікотиновій кислоті, що характерна для багатьох видів роду Proteus. У Salmonella typhi є специфічна потреба в триптофані.

Дослідження механізму регуляції біосинтезу амінокислот у багатьох ентеробактерій виявило характерні особливості цього процесу, які відрізняють данні організми від всіх інших бактерій. Наприклад, перша стадія в біосинтезі амінокислот родини аспартату, перетворення аспарагінової кислоти в аспартилфосфат, у ентеробактерій завжди здійснюється трьома ізофункціональними аспартаткіназами: аспартаткіназою I, яка і інгібується, і репресується треоніном, аспартаткіназою II, яка репресується, але не інгібується метіоніном, і аспартаткіназою III, яка і інгібується, і репресується лізином. Цей тип регуляції аспарагінового шляху не був виявлений ні в однієї бактерії не кишкової групи.

ГЦ-склад ДНК ентеробактерій варіює в широких межах – від 37 до 63%. За виключенням роду Proteus, представники якого суттєво відрізняються за нуклеотидним складом. ГЦ-склад ДНК споріднених організмів трьох видів - Salmonella, Escherichia і Shigella – розрізняються зовсім мало. Діапазон змінення

ГЦ-складу для „класичних” бактерій родини Enterobacteriaceae (від 37 до 59%) дуже близький до діапазону для представників родини з полярним джгутикуванням (від 39 до 63%) [10].

Бродіння

Зброджування сахаридів у ентеробактерій відбувається за шляхом Ембдена-Мейєргофа. Продукти бродіння у різних представників групи розрізняються і якісно, і кількісно. Однак у цих процесів є одна характерна біохімічна властивість, яка рідко зустрічається при інших типах бактеріального бродіння. Мова йде про особливий спосіб розщеплення однієї з проміжних сполук – піровиноградної кислоти (ПВК), що веде до утворення мурашиної кислоти:

СН3СОСООН + КоАSН→СН3СОSКоА+ НСООН.

Таким чином, мурашина кислота часто є основним кінцевим продуктом бродіння. Вона накопичується, хоча не завжди, оскільки деяки з цих бактерій володіють формнатгідрогенліазою, яка розщеплює мурашину кислоту до СО2 і Н2:

НСООН → СО2+Н2.

У таких організмів замість мурашиної кислоти як кінцевого продукту бродіння утворюються еквімолярні кількості Н2 і СО2.

Найбільш розповсюдженим типом перетворення сахаридів при бродінні у ентеробактерій є так зване бродіння змішаного типу, яке приводить до утворення молочної, оцтової, бурштинової і мурашиної кислот (або СО2 і Н2), а також етилового спирту. Такий тип бродіння властив представникам родів Salmonella, Escherichia, Shigella і Proteus. Відношення кількості різних кінцевих продуктів різниться як від штаму до штаму, так і для одного штаму при рості в різних умовах, наприклад при різних значеннях рН. Така різниця відображає ту обставину, що кінцеві продукти утворюються з піровиноградної кислоти трьома незалежними шляхами (рис. 3.1). Утворення газу в результаті зброджування сахаридів є дуже важливою ознакою для ентеробактерій – газоутворювальні бактерії роду Escherichia відрізняються за цим критерієм від патогенних видів групи Shigella і Salmonella typhi, які зброджують сахариди без виділення газу. В випадку простого бродіння змішаного типу газ може утворюватися тільки за рахунок розщеплення мурашиної кислоти; відповідно, утворення газу відображає наявність форміатгідрогенліази. Цей ферментний комплекс, звісно, не суттєвий для бродіння і може загубитися в результаті мутації без зміни здатності бактерії до бродіння. І дійсно, дослід показує, що в природі існують „неаерогенні”, тобто не утворюючі газоподібних продуктів штами такого типового продуценту їх, як Escherichia coli. Тому, хоча виділення газу являє собою корисну ознаку при класифікації ентеробактерій, даний критерій не є безпомилковим.

Рис. 3.1 - Шляхи утворення із ПВК типових кінцевих продуктів кислотного бродіння змішаного типу.

 

Іншою ознакою, яка має велике значення для ідентифікації ентеробактерій, є здатність зброджувати дисахарид лактозу, що обумовлено наявністю у цих організмів β-галактозідази. Ефективність зброджування лактози залежить ще і від наявності специфічної пермеази галактозидів, яка сприяє проникненю лактози в клітину. Штами які мають β-галактозідазу, але позбавленні пермеази, не можуть поглинати лактозу зі швидкістю, яка достатня для інтенсивного бродіння, і зазвичай класифікуються як не здатні до зародження цього сахариду. Зброджування лактози властиво Escherichia, але відсутні у Salmonella, Shigella і Proteus. Деякі штами Shigella утворюють β-галактозідазу, але не можуть зброджувати лактозу із-за відсутності пермеази.

1.4 Генетика бактерій родини Enterobacteriaceae

Відкриття явища переносу генів у ентеробактерій при кон’югації і трансдукції дозволило доволі детально дослідити генетичні родинні відносини між деякими її представниками. Утворення хромосомних гібридів між E. coli і бактеріями родів Salmonella і Shigella каже про дуже високу ступінь генетичної гомології цих бактерій, що підтверджується і порівнянням хромосомних карт двох найбільш вивчених в цьому відношенні видів − Salmonella typhimurium і Escherichia coli. Як видно на рис. 4.1 і 4.2, де представленні в спрощеному вигляді хромосомні карти цих двох організмів, багато маркерів розташовуються на обох хромосомах в однакових локусах.

Про близьку генетичну спорідненість груп Escherichia, Salmonella і Shigella свідчить також висока ступень ДНК-ДНК-гібридизації in vitro. Утворення ж хромосомних гібридів між бактеріями цієї підгрупи і представниками інших родів ентеробактерій (Proteus, Enterobacter) відбувається дуже рідко. Крім того, випробування по гібридизації ДНК-ДНК вказують, що ступень генетичної гомології між представниками підгрупи Escherichia− Salmonella− Shigella та іншими групами ентеробактерій доволі низька. Ентеробактерії, що належать до різних родів, можуть отримувати плазміни від донорних штамів E. coli при кон’югації і потім зберігати їх як позахромосомні елементи (ефективність кон’югації варіює в широких межах; таблиця 4.1). Таким чином серед бактерій кишкової групи можуть розповсюджуватися F-фактори, які містять додаткові гени (наприклад F-lac), і R-фактори, які визначають стійкість до різноманітних лікарських засобів [10].

Рис. 4.1 - Генетична карта E. coli К12 в спрощеному вигляді

Рис. 4.2 - Генетична карта S. typhimurium в спрощеному вигляді

1.5 Екологія бактерій родини Enterobacteriaceae

Середовищем проживання для більшості ентеробактерій є кишковий тракт хребетних тварин і людини.

В організмі людини багато ентеробактерій містяться в складі мікробних біоценозів тонкого і товстого кишечника. Патогенні види зустрічаються тільки у хворих і бактеріоносіїв.

З випорожненнями людей і тварин ентеробактерії потрапляють в навколишнє середовище. В ній вони можуть зберігатися на протязі різних строків в залежності від виду і умов. Деякі з них (E. coli) використовуються в санітарній мікробіології в якості показників фекального забруднення навколишнього середовища .

Кишкова паличка наприклад може зберігатися в воді і ґрунті декілька місяців.

Широке розповсюдження сальмонел в природі і різноманіття шляхів, якими вони проникають в організм людини, пояснюється їх генетичною пластичністю. Сальмонели легко знаходять екологічні ніші і адаптуються до найрізноманітніших умов.

Клебсієли – широко розповсюджені бактерії. Вони порівняно стійкі до факторів навколишнього середовища завдяки наявності капсули і можуть на протязі тривалого часу зберігатися в ґрунті, воді, приміщеннях. Разом з тим вони зустрічаються в складі мікробних біоценозів в організмі людини і тварин.

Протеї P. vulgaris і P. mirabilis є мешканцями кишечника багатьох тварин, виявляються також в стічних водах і ґрунті. Всі види протеїв можуть виділятися з хворих людей.

 

РОЗДІЛ 2. ПАТОГЕНІСТЬ І ТОКСИНОУТВОРЕННЯ БАКТЕРІЙ РОДИНИ ENTEROBACTERIACEAE

 

Патогенна дія ентеробактерій пов’язана з ліпополісахаридами клітинної стінки.

Вірулентність ентеробактерій визначається їх адгезивною здатністю, яка обумовлена позитивним хемотаксисом між поверхневими структурами мікробу і рецепторами епітеліальних клітин. Крім того, адгезивність пояснюється наявністю у багатьох ентеробактерій ворсинок, а також структурою ЛПС. Після „прилипання” до епітеліальних клітин ешерихії, які викликають дизентерієподібні колі-інфекції, і шигели проникають всередину цих клітин і там розмножуються: сальмонели розмножуються в макрофагах лімфоїдної тканини тонкого кишечника (в пейерових бляшках) і внутрішніх органах, а ешерихії – на поверхні клітин. Потім бактерії поступають у просвіт кишечника.

Токсигенність ентеробактерій обумовлена ендотоксином і екзотоксинами (ентеротоксинами і цитотоксинами). Перший являє собою ЛПС клітинної стінки. Він вивільняється тільки після руйнування бактеріальних клітин. Ентеротоксигенні ешерихії продукують два типи ентеротоксину білкової природи, які розрізняються чутливістю до температури. Їх утворення контролюється Ent-плазмідою. Термолабільний ентеротоксин, який утворюється ешерихіями і шигелами, за своїми властивостями схожий на холероген, який продукується холерним вібріоном. Багато ешерихій, які викликають колі-ентерити і дизентерієподібні захворювання, а також шигели Флекснера, Зонне, сальмонели тощо, здатні утворювати ентеротоксини [3].

 

До дійсного часу систематизовано біля ста патогенних серотипів кишкової палички, що викликають захворювання в людини, тварин, у тому числі і птахів.

З представників групи кишкової палички найбільш патогенної вважають підгрупу A. aerogenes (І.С.Загаєвський). Ці бактерії часто викликають колібактеріоз у телят і дітей, важкі мастити в корів, гостре запалення легких і сечостатевих шляхів у людини і тварин. Крім захворювання, деякі види бактерій кишкової палички викликають псування молока і молочних продуктів [14].

Сальмонели утворюють ендотоксин, який виявляє ентотропну, нейротропну і пірогенну дію. Білки зовнішньої мембрани обумовлюють адгезивні властивості. Стійкість до фагоцитозу пов’язана з наявністю мікрокапсули.

Вірулентні властивості шигел визначаються їх адгезією на епітельних клітинах товстого кишечника, проникненням і розмноженням в цих клітинах. Токсигенність шигел пов’язана з утворенням двох білкових токсинів: ентеротоксину і цитотоксину. За механізмом дії ентеротоксин нагадує холероген, хоча його токсичність виявляється набагато слабше. Цитотоксин шигел порушує синтез білка на рибосомах клітин кишечника. Разом з тим після руйнування бактеріальних клітин вивільняється ендотоксин, який діє на нервову і судинну системи.

Бактерії роду Proteus відносяться до умовно-патогенних мікроорганізмів. Їх патогенність визначається ЛПС клітинної стінки, з якими пов’язані вірулентні і токсичні властивості (ендотоксин) [3].

2.1 Резистентність бактерій родини Enterobacteriaceae

Ешерихії володіють більшою стійкістю до факторів навколишнього середовища, ніж шигели і сальмонели. Вони можуть на протязі декількох місяців зберігатися в воді і ґрунті, гинуть при нагріванні до 55°С на протязі години, а при 60°С − через 15 хв.; в 5% розчині фенолу, 3 % розчині хлораміну і в розчині сулеми 1:1000 – через декілька хвилин [3].

Сальмонели доволі стійкі до низької температури – в холодній воді можуть зберігатися до 1,5 років; дуже чутливі до дезінфікуючих засобів, високої температури, ультрафіолетовому випромінюванню. В харчових продуктах (м’ясі, молоці та ін.) сальмонели можуть не тільки довго зберігатися, але й розмножуватися [1].

Різні види шигел неоднаково стійкі до факторів навколишнього середовища. Найбільшою стійкістю володіють шигели Зонне, які виживають у воді відкритих водоймищ до 1½ міс., а в водопровідній воді при кімнатній температурі – до 2½ міс., в той час як шигели Флекснера – до 2 тижнів. Шигели групи А найменш стійкі до різних фізичних і хімічних дій [1].

Клебсієли гинуть при температурі 65°С через 60 хв., в розчинах звичайних дезінфікуючих засобів.

До багатьох антибіотиків (пеніциліни, макроліти тощо) клебсієли стійкі. Вони володіють чутливістю до ампіциліну, аміноглікозидам, тетрацикліну, левоміцетину. В останній час збільшилась кількість резистентних форм до перелічених антибіотиків.

Протеї порівняно стійкі до дії факторів навколишнього середовища. Переносять нагрівання при температурі 60°С на протязі години, а також зберігають життєздатність в слабких розчинах фенолу та інших дезінфікуючих речовин. Протеї володіють стійкістю до багатьох антибіотиків.

Найбільш чутливі до аміноглікозидів, особливо до гентаміцину. Відмічається також чутливість P. mirabilis до ампіциліну. Багато штамів P. morganii чутливі до тетрацикліну і нітрофуроновим препаратам [3].

 

РОЗДІЛ 3. ІМУНІТЕТ ДО БАКТЕРІЙ РОДИНИ ENTEROBACTERIACEAE

 

Ешерихії

При колі-бактеріозах, які проявляються гнійними запальними процесами, часто ослаблюється імунна система організму, пригнічується фагоцитарна реакція, що призводить до порушення природних бар’єрів і розповсюдженню збудника.

В імунітеті при ешерихіозах провідну роль відіграють:

1) транс плацентарна передача  антитіл (IgG) і їх проникнення із  крові дитини в кишечник;

2) пасивна ентеральна  імунізація антитілами материнського  молока;

3) продукція секреторних  антитіл SIgA лімфатичними клітинами  кишечника.

Імунітет дітей молодшого віку при дизентерієподібні колі-інфекції принципово відрізняється від такого при колі-ентериті. При цьому основне значення мають отриманні від матері IgG, які дифундують із крові в просвіт кишечника. В той же час ці антитіла не запобігають дітей від колі-ентериту, а антитіла, які містяться, в крові матері IgM не здатні подолати плацентарний бар’єр. Цим пояснюється те, що діти перших місяців життя не сприймають ешерихії, які викликають дизентерієподібну колі-інфекцію, і шигелам і висока чутливість до збудників колі-ентеритів.

Утворення місцевого імунітету в кишечнику немовлят, а в деяких випадках і в більш дорослих дітей пов’язано з секреторними антитілами SIgA, які містяться в грудному молоці. Пасивна ентеральна імунізація цими антитілами, а також продукція секреторних антитіл аналогічного класу лімфатичними клітинами кишечника сприяє покриттю ними слизової оболонки кишечника, що перешкоджає „прилипанню” до неї бактерій. Діти, що знаходяться на штучному годуванні і які не отримали достатньої кількості IgM і IgA, більш сприятливі до колі-ентеритів [3].