Consilium medicum начало :: поиск :: подписка :: издатели :: карта сайта

ИНФЕКЦИИ И АНТИМИКРОБНАЯ ТЕРАПИЯ  
Том 2/N 2/2000 ПРАКТИЧЕСКОМУ ВРАЧУ О КЛИНИЧЕСКОЙ МИКРОБИОЛОГИИ

Место бактерий в живой природе


С.В. Сидоренко

Государственный научный центр по антибиотикам, Москва

Клиническая микробиология как прикладная дисциплина призвана решать чисто утилитарные задачи по этиологической диагностике инфекционных болезней и обоснованию рациональной терапии. Однако желательно, чтобы врач был не только ремесленником-профессионалом, но и отчасти философом, поэтому он должен представлять общие закономерности эволюции живых существ, в том числе и возбудителей инфекций.
   Все формы жизни на Земле, за исключением вирусов, имеют клеточную организацию, характеризуются наличием общих или родственных биомолекул (в первую очередь белков и нуклеиновых кислот), используют единую стратегию роста и размножения, что однозначно указывает на их происхождение от общего (универсального) предшественника. Поиски универсального предшественника связаны с фундаментальным вопросом возникновения жизни на Земле и являются важнейшей общебиологической проблемой. В начале 40-х годов утвердилось мнение, что все живые существа в зависимости от особенностей клеточной организации можно разделить на два основных царства: эукариоты (обладающие истинным ядром) и прокариоты (лишенные истинного ядра) [1].
   В 1977 г. C.Woese и G.Fox показали, что прокариоты не являются гомогенной таксономической группой, а состоят из двух существенно различающихся групп: собственно бактерий (Bacteria) и архебактерий (Archaea) [2]. К архебактериям были отнесены микроорганизмы, обитающие в экстремальных условиях (крайне высокая температура, высокие концентрации солей и кислая среда: рН 0,5 - 4,0) и обладающие уникальным метаболизмом. О других существенных различиях между бактериями и архебактериями будет сказано ниже. Была предложена трехдоменная модель эволюционных взаимоотношений живых существ, согласно которой бактерии, с одной стороны, а эукариоты и архебактерии, с другой, представляют две ветви эволюции, происходящие от одного общего предшественника. Упрощенный вариант трехдоменной модели приведен на рис. 1.
   К настоящему времени представления об эволюции жизни существенно усложнились, в серии работ, опубликованных в 1996 - 1998 гг., R.Gupta предложил новую модель [3, 4], однако перед ее рассмотрением необходимо остановиться на общем строении бактерий.
   Морфология и строение бактерий
   При изучении в световом микроскопе выделяют две основные формы микроорганизмов: кокки (шаровидные структуры) и бациллы (палочковидные структуры). Встречаются промежуточные (коккобациллы) и производные (нитевидные) формы. Таксономически важным признаком микроорганизмов является наличие жгутиков и их расположение.
   Более тонкое строение бактерий выявляется с помощью электронной микроскопии. При этом обнаруживаются как общие для всех микроорганизмов структуры, так и уникальные, на которых основано разделение бактерий на основные таксономические группы: грамотрицательные и грамположительные
.

  Внешние структуры бактерий. Деление бактерий на грамположительные и грамотрицательные основано на различиях, выявляемых при окраске микроорганизмов по методу, предложенному Гансом Христианом Иоахимом Грамом (сокращенно по Граму). Микроорганизмы, окрашивающиеся в сине-фиолетовый цвет, получили название грамположительных, окрашивающиеся в красный - грамотрицательных. В последующем оказалось, что характер окраски по Граму полностью коррелирует с особенностями строения клеточной оболочки. Строение грамположительных и грамотрицательных бактерий схематически изображено на рис. 2.
   Для всех клеточных форм жизни (в том числе и для бактерий) характерно наличие внутренней
(цитоплазматической) мембраны, отделяющей содержимое клетки (цитоплазму) от внешней среды. Цитоплазматическая мембрана представляет собой двойной слой из молекул фосфолипидов (фосфолипидный бислой). Структура цитоплазматической мембраны у грамположительных и грамотрицательных микроорганизмов одинакова.
   Снаружи от цитоплазматической мембраны у всех бактерий (за исключением инволюционных форм: микоплазм и хламидий) находится слой пептидогликана (клеточная стенка). Именно пептидогликан является структурой, ответственной за поддержание специфической формы бактерии и выдерживающей внутриклеточное давление, достигающее нескольких атмосфер. Пептидогликан состоит из параллельных полисахаридных цепей, образующих вокруг микробной клетки каркас, жесткость которого обеспечивается поперечными сшивками между полисахаридными цепями. Поперечные сшивки формируются за счет замыкания ковалентных связей между короткими боковыми цепями аминокислотной природы, отходящими под прямым углом от основных полисахаридных цепей. Замыкание поперечных сшивок осуществляет группа специализированных ферментов. Функцию этих ферментов специфически подавляют b-лактамные антибиотики, в чем и заключается механизм действия этих препаратов. Благодаря способности связываться с пенициллином ферменты получили название пенициллинсвязывающих белков (ПСБ).

   В деталях строения пептидогликана между грамотрицательными и грамположительными микроорганизмами существуют различия. У грамотрицательных микроорганизмов пептидогликан является достаточно тонкой однослойной структурой, а у грамположительных - многослойной. В состав клеточной стенки грамположительных бактерий входит также ковалентно связанный с пептидогликаном слой анионного (отрицательно заряженного) полимера. По особенностям строения этот слой различается у отдельных видов микроорганизмов, он может состоять из тейхоевых, липотейхоевых, тейхуроновых кислот или липогликанов. Физиологическая роль тейхоевых кислот окончательно не установлена, в качестве эффективного барьера для диффузии гидрофильных соединений или элемента экзоскелета их рассматривать нельзя. В то же время тейхоевые кислоты способны индуцировать воспалительную реакцию в организме человека и животных.
   Принципиальные различия между грамположительными и грамотрицательными микроорганизмами выявляются в строении наиболее поверхностных структур. У грамположительных бактерий над пептидогликаном и тейхоевыми кислотами располагается лишь аморфная капсула полисахаридной (крахмалоподобной) природы.
   Для грамотрицательных бактерий наличие сложной внешней мембраны. Основу внешней мембраны составляет липополисахарид (ЛПС). Молекула ЛПС (рис. 3) состоит из трех фрагментов: консервативной структуры - липида А (практически одинакового у всех грамотрицательных бактерий); относительно консервативной олигосахаридной структуры (коровой зоны) и высоковариабельной полисахаридной цепи (О-цепи), имеющей уникальное строение у каждого вида микроорганизмов.
   ЛПС грамотрицательных бактерий, прежде всего его фрагмент липид А, играет ключевую роль в патогенезе системной воспалительной реакции, являясь наиболее активным из всех известных стимуляторов продукции провоспалительных цитокинов (IL-1, IL-6, фактора некроза опухолей).
   Липополисахаридный слой практически непроницаем для экзогенных гидрофильных соединений, к которым относится большинство питательных веществ (сахаров, аминокислот) и антибиотиков. Транспорт перечисленных соединений внутрь бактериальной клетки осуществляется через воронкообразные белковые структуры (пориновые каналы), встроенные в липополисахаридный слой. Гидрофобные соединения (среди антибиотиков к таковым относятся хинолоны, макролиды и тетрациклины) способны диффундировать через липополисахаридный слой.
   Сравнительно высокомолекулярные антибиотики, такие как гликопептиды, природные пенициллины с трудом проникают через пориновые каналы грамотрицательных бактерий, чем и объясняется природная устойчивость этих микроорганизмов к перечисленным препаратам.
   Каким же образом окраска по Граму позволяет выявлять тонкие различия в строении поверхностных структур микроорганизмов?
   Окраска по Граму - это последовательная обработка мазка из нативного клинического материала или суспензии микроорганизмов: кристаллическим фиолетовым, раствором Люголя
, обесцвечивание смесью этилового спирта с ацетоном, докрашивание сафранином.
   Считается, что кристаллический фиолетовый более прочно удерживается в гидрофильной области многослойного пептидогликана и тейхоевых кислот грамположительных бактерий и медленнее вымывается при обесцвечивании органическими растворителями, таким образом, при короткой обработке смесью спирта и ацетона синее окрашивание не исчезает. Вымывание же красителя из липофильной наружной мембраны грамотрицательных бактерий происходит очень быстро, в результате чего эти микроорганизмы утрачивают синий цвет, а при обработке сафранином приобретают красное окрашивание. Вполне очевидно, что обесцвечивание является наиболее критичным этапом окрашивания: при длительном обесцвечивании практически любой грамположительный микроорганизм может выглядеть как грамотрицательный.
   Описанные особенности объясняют часто выявляемый на практике феномен грамвариабельности. Для многих микроорганизмов на различных стадиях роста характер реального окрашивания может не соответствовать строению клеточной стенки. Существуют и более сложные ситуации. Так, микроорганизмы рода Mobiluncus при окрашивании чаще всего выглядят как грамотрицательные, однако строение их клеточной стенки типично для грамположительных.
   Внутреннее строение бактерий. По внутреннему строению грамположительные и грамотрицательные бактерии практически не различаются. В цитоплазме бактерий находятся органеллы, синтезирующие белок (рибосомы), а также нуклеиновые кислоты.
   Основной нуклеиновой кислотой, несущей генетическую информацию, является дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). Бактериальная ДНК существует в виде хромосомы и плазмид.
   Бактериальная хромосома представляет собой кольцевую молекулу ДНК. В состав хромосомы входят жизненно важные гены, определяющие уникальность данного вида микроорганизмов. В отличие от эукариотических организмов у бактерий хромосома не окружена специальной мембраной, т.е. истинное ядро отсутствует. Длина бактериальной хромосомы приблизительно в 1000 раз превосходит длину клетки. Несмотря на значительные линейные размеры, бактериальная хромосома занимает лишь незначительную часть объема цитоплазмы, это достигается за счет компактной пространственной организации хромосомной ДНК. Поддержание определенной пространственной организации бактериальной хромосомы осуществляет сложный аппарат, важную роль в его функционировании играют ферменты топоизомеразы. Наиболее важные из них ДНК-гираза и топоизомераза IV. Топоизомеразы являются мишенью действия хинолоновых антибактериальных препаратов. Подавляя активность топоизомераз, хинолоны нарушают пространственную организацию бактериальной ДНК и, таким образом, тормозят рост и размножение микроорганизмов.
   Плазмиды также представляют собой кольцевые молекулы ДНК, однако их размеры намного меньше, чем у хромосомы. Плазмиды относятся к подвижным генетическим элементам, это означает, что в отличие от хромосомы они способны передаваться от одной бактериальной клетки к другой. Этот процесс является одним из основных путей генетического обмена у бактерий. Плазмиды не являются обязательным компонентом микробной клетки. В состав плазмид могут входить гены, определяющие устойчивость бактерий к факторам внешней среды, в том числе и к антибиотикам, вирулентность и другие свойства, не являющиеся жизненно важными, но обеспечивающие их обладателям определенные преимущества в процессе эволюции.
   Синтез белка происходит на рибосомах и является сложным, многоэтапным процессом, детальное рассмотрение которого выходит за рамки данной работы. Следует лишь упомянуть о том, что бактериальные рибосомы состоят из двух субъединиц: большой (50S субъединицы) и малой (30S субъединицы). Рибосомы являются мишенью действия многих антибиотиков, угнетающих биосинтез белка. С большой субъединицей рибосом связываются макролидные и линкозамидные антибиотики, а также хлорамфеникол. С малой субъединицей связываются аминогликозидные и тетрациклиновые антибиотики.
   Рибосомы состоят из белков и РНК. Рибосомы эукариотических и прокариотических организмов несколько различаются по размерам и структуре.
   Входящие в состав рибосом рибонуклеиновые кислоты (РНК) являются одним из наиболее консервативных элементов микробной клетки. Выделяют два основных вида рибосомальной РНК: 16S
pPHK (входящую в состав малой субъединицы) и 23SрРНК (входящую в состав большой субъединицы). Изучение 16S рРНК составляет основу геносистематики не только бактерий, но и всех живых существ в целом. Оценка гомологии первичной нуклеотидной последовательности рРНК позволяет оценить степень родства микроорганизмов и построить родословное дерево их эволюции. Чем выше степень гомологии рРНК каких-либо групп живых существ, тем они эволюционно и таксономически ближе. Широко известно сравнение рРНК с “молекулярными часами” эволюции (C.Woese).
   В настоящее время на основе данных геносистематики происходит интенсивный пересмотр таксономического положения многих видов микроорганизмов. Достижения геносистематики приводят к необходимости пересматривать многие устоявшиеся представления. Так, возбудителя чумы Yersinia p
estis следует рассматривать как сравнительно недавно возникший клон Yersinia pseudotyberculosis. Кишечную палочку и возбудителя дизентерии - шигеллы с генетической точки зрения можно рассматривать как один вид.
   После краткого знакомства со строением бактерий целесообразно вернуться к их отличиям от архебактерий.
   - Рибосомы архебактерий ближе по структуре к эукариотическим, чем к бактериальным.
   - Аппарат транскрипции (прежде всего ДНК-зависимая РНК-полимераза) архебактерий существенно отличается от бактериального.
   - У архебактерий отсутствует пептидогликан. Поверхностный слой гликопротеина тесно связан с цитоплазматической мембраной.
   Новое в представлениях об эволюции живых существ
   Выделение трех царств живых существ явилось важной ступенью в понимании эволюции жизни. В ходе развернувшихся в последние годы интенсивных исследований для оценки эволюционных взаимоотношений между организмами кроме последовательности рРНК использовали данные об аминокислотных последовательностях консервативных белков, таких как белки теплового шока и некоторые ферменты транскрипции и трансляции. Сопоставление результатов исследования эволюционного родства отдельных биологических молекул обнаруживает ряд противоречий и не позволяет воссоздать предположительные начальные этапы эволюции жизни. Основная проблема касается взаимоотношений трех царств живых существ с предполагаемым универсальным предшественником. Не ясно, шла ли эволюция по трем независимым направлениям или между отдельными царствами существуют связи.
   Для рационального объяснения накопившихся противоречий R.Gupta выдвинул гипотезу, основанную на признании возможности образования химерных существ в результате слияния микроорганизмов, относящихся к разным царствам (следует отметить, что возможность образования на ранних этапах эволюции химер признавалась и другими исследователями).
   Упрощенная схема эволюции живых существ по Gupta приведена на рис. 4. При создании этой схемы учитывались не только данные о гомологии рРНК, но и результаты компьютерного анализа первичной структуры некоторых важнейших белков (белков теплового шока, рибосомальных и ряда других). Основными положениями новой теории являются следующие.
   1. Архебактерии и грамположительные бактерии относятся к одной таксономической группе - “монодермы”. Их принципиальным общим свойством является наличие только одной мембраны (цитолазматической), однако для них характерен и ряд важных различий в химической структуре основных клеточных компонентов. Ни архебактерии, ни грамположительные бактерии нельзя признать в качестве универсального предшественника всех живых существ. Скорее всего, они развились из общего (универсального) предшественника в результате разнонаправленной эволюции. Следов универсального предшественника до настоящего времени не обнаружено.
   2. Грамотрицательные бактерии произошли из грамположительных в результате удвоения мембраны (это отражается в термине “дидермы”). Фактором, способствующим такому направлению эволюции, могла быть продукция некоторыми грамположительными микроорганизмами антибиотиков. Формирование внешней мембраны существенно повысило устойчивость бактерий к антибиотикам и другим токсическим субстанциям внешней среды.
   3. Предшественником всех эукариотических организмов является “первичная химера”, возникшая в результате слияния архебактерии с грамотрицательной бактерией и интеграции их геномов. Фактов, однозначно подтверждающих существование описанной химеры, в настоящее время не обнаружено.
   4. Дальнейшая эволюция эукариот также связана с явлениями слияния различных клеток.
   - В результате слияния “первичной химеры” с грамотрицательными бактериями, относящимися к генотаксономической группе
a-протеобактерий, возникли клетки, давшие начало животным и простейшим. Митохондрии эукариотических клеток являются отдаленными “потомками” прокариот. Таким образом, в результате слияния не произошло полной интеграции геномов, прокариотическая клетка приобрела характер эндосимбионта, обеспечивающего хозяина энергией.
   - Происхождение пластид, осуществляющих фотосинтез у растений, связано со слиянием эукариотической клетки с цианобактерией, также превратившейся в эндосимбионта.
   Схема эволюции живых существ, предложенная Gupta, далеко не бесспорна, прежде всего потому, что промежуточное ключевое звено, “первичная химера”, не обнаружено. Однако некоторые положения, такие как прокариотическая природа митохондрий, уже давно являются общепризнанными. Значительный интерес вызывает идея возникновения грамотрицательных бактерий в результате удвоения мембраны.
   Практическое значение представлений о месте возбудителей инфекционных болезней в живой природе и соответственно об их таксономическом положении, можно проиллюстрировать на нескольких примерах.
   - Так, одно время актиномицеты, являющиеся грамположительными бактериями, относили
к грибам - эукариотам (некоторые до сих пор придерживаются такой точки зрения). Если признать возбудителя грибом, то лечить актиномикоз целесообразно антифунгальными препаратами, если бактерией, - то пенициллином. Значение для пациента правильного выбора терапевтического средства очевидно.
   - Важный оппортунистический патоген Pnemocystis carinii, вызывающий пневмонию у иммунокомпрометированных пациентов, длительное время относили к простейшим. В конце 80-х годов таксономическое положение микроорганизма было уточнено и показано, что он относится к грибам. Это открыло перспективы разработки новых эффективных препаратов.
   - В некоторых отечественных руководствах по медицинской микробиологии последних лет издания бактерии по-прежнему относят к растениям. Если признать такую точку зрения, то необходимо изменить всю стратегию разработки антибактериальных средств и искать препараты, подавляющие функции эукариотических мишеней.
   Выявление тесной эволюционной связи бактерий с эукариотическими организмами объясняет, хотя бы в общем виде, причины развития побочных эффектов антибактериальных препаратов при лечении инфекционных болезней. Становится понятным, насколько сложно найти антибактериальный препарат, который избирательно подавлял бы только функции прокариотов-возбудителей инфекционных болезней, не влияя на функции организма-хозяина.
   Представление о ключевых моментах эволюции эукариот как о событиях слияния клеток позволяет по-новому взглянуть на саму проблему инфекций. Взаимодействия между клетками эволюционно отдаленных организмов и образование химер можно рассматривать как важнейший механизм формирования биологического разнообразия и возникновения существ с более широкими адаптационными возможностями. С такой точки зрения инфекционные процессы (взаимодействие между эукариотическими и прокариотическими организмами), даже приводящие к гибели отдельных особей и представляющие угрозу существованию целых видов, представляются неизбежной платой за возможность осуществления “прорывов” в эволюции.    
   
Литература:
   1. Stanier RY, van Niel CB. The main outlines of bactreial classification. J Bacteriol 1941; 42: 437-66.
   2. Woese CR and Fox GE. Phylogenetic structure of the prokaryotic domain: the primary kingdoms. Proc Natl Acad Sci USA 1977; 51: 221-71.
   
3. Gupta RS, Johari V. The origin of eukaryotic cell. Trends Biochem 1996; 21: 166-71.
   4. Gupta R. Protein phylogenesis and signature sequences: A reappraisal of evolutionary relationships among archaebacteria, eubacteria, and eukaryotes. Microb Molec Biol Rev 1998; 62: 1435-91.
   
   
   



В начало
/media/infektion/00_02/61.shtml :: Friday, 18-Aug-2000 23:21:29 MSD
© Издательство Media Medica, 2000. Почта :: редакция, webmaster