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6.2: Die Fähigkeit, schädliche Exotoxine zu produzieren: Ein Überblick - Biologie

6.2: Die Fähigkeit, schädliche Exotoxine zu produzieren: Ein Überblick - Biologie


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Lernziele

  1. Definieren Sie Exotoxin und listen Sie drei Arten von Exotoxinen auf.
  2. Nennen Sie die wichtigste Art und Weise, wie sich der Körper gegen Exotoxine verteidigt.

Exotoxine (def) sind Toxine, oft Proteine ​​in der Natur, die von einem lebenden Bakterium sezerniert, aber auch bei bakterieller Lyse freigesetzt werden. Darüber hinaus verwenden einige Bakterien verschiedene Sekretionssysteme wie das Typ-3-Sekretionssystem, um Toxine direkt in menschliche Zellen zu injizieren. (Wie bereits erwähnt, ist der Lipopolysaccharid- oder LPS-Teil der gramnegativen Bakterienzellwand als Endotoxin bekannt (def), ein PAMP, das eine übermäßige Entzündungsreaktion im Wirt auslösen kann. Es wurde ursprünglich Endotoxin genannt, weil es sich innerhalb der Gram-negativen Zellwand befand und nicht wie im Fall von Exotoxinen von Bakterien sezerniert wurde.)

Nicht alle Exotoxine werden notwendigerweise produziert, um dem Menschen zu schaden. Einige können so konzipiert sein, dass sie eine Rolle in der bakteriellen Physiologie spielen, wie z. B. Resistenz gegen Bakteriophagen, Regulierung der Zellfunktion oder Quorum Sensing. Andere Toxine können hauptsächlich gegen Protozoen, Insekten und kleinere Tiere produziert werden, und die Schädigung menschlicher Zellen wird zu einer zufälligen Nebenwirkung.

Es gibt drei Haupttypen von Exotoxinen:

  1. Superantigene (Typ-I-Toxine);
  2. Exotoxine, die die Wirtszellmembranen schädigen (Typ-II-Toxine); und
  3. A-B-Toxine und andere Toxine, die die Wirtszellfunktion beeinträchtigen (Typ III-Toxine).

Die Hauptsache des Körpers Abwehr von Exotoxinen ist die Produktion von Antitoxin-Antikörper. Sobald der Antikörper an das Exotoxin bindet, kann das Toxin nicht mehr an die Rezeptoren auf der Wirtszellmembran binden.

Wir werden uns nun jede dieser drei Arten von Exotoxinen ansehen.

Zusammenfassung

  1. Exotoxine sind Toxine, oft Proteine ​​in der Natur, die von einem lebenden Bakterium abgesondert werden.
  2. Einige Bakterien verwenden verschiedene Sekretionssysteme, um Toxine direkt in menschliche Zellen zu injizieren.
  3. Es gibt drei Haupttypen von Exotoxinen: Superantigene (Typ-I-Toxine); Exotoxine, die die Wirtszellmembranen schädigen (Typ-II-Toxine); und A-B-Toxine und andere Toxine, die die Wirtszellfunktion stören (Typ-III-Toxine).
  4. Die wichtigste Abwehr des Körpers gegen Exotoxine ist die Produktion von Antitoxin-Antikörpern. Sobald der Antikörper an das Exotoxin bindet, kann das Toxin nicht mehr an die Rezeptoren auf der Wirtszellmembran binden.

Fragen

Lernen das Material in diesem Abschnitt und dann ausschreiben die Antworten zu diesen Fragen. Nicht Klicken Sie einfach auf die Antworten und schreiben Sie sie auf. Dies wird Ihr Verständnis dieses Tutorials nicht testen.

  1. Nennen Sie drei Arten von Exotoxinen.
    1. (ans)
    2. (ans)
    3. (ans)
  2. Definiere Exotoxin. (ans)
  3. Die wichtigste Abwehr des Körpers gegen Exotoxine ist ________________________________________________. (ans)


Was wir über die Tiermutationen von Tschernobyl wissen

Der Unfall von Tschernobyl 1986 führte zu einer der höchsten unbeabsichtigten Freisetzungen von Radioaktivität in der Geschichte. Der Graphit-Moderator von Reaktor 4 wurde der Luft ausgesetzt und entzündet, wobei er radioaktiver Niederschlag über das heutige Weißrussland, die Ukraine, Russland und Europa schoss. Während heute nur noch wenige Menschen in der Nähe von Tschernobyl leben, ermöglichen es uns Tiere, die in der Nähe des Unfalls leben, die Auswirkungen der Strahlung zu untersuchen und die Erholung von der Katastrophe abzuschätzen.

Die meisten Haustiere sind von dem Unfall weggezogen, und die missgebildeten Nutztiere, die geboren wurden, reproduzierten sich nicht. In den ersten Jahren nach dem Unfall konzentrierten sich die Wissenschaftler auf Studien an zurückgelassenen Wild- und Haustieren, um die Auswirkungen von Tschernobyl zu erfahren.

Obwohl der Unfall von Tschernobyl nicht mit den Auswirkungen einer Atombombe verglichen werden kann, weil sich die vom Reaktor freigesetzten Isotope von denen einer Atomwaffe unterscheiden, verursachen sowohl Unfälle als auch Bomben Mutationen und Krebs.

Es ist von entscheidender Bedeutung, die Auswirkungen der Katastrophe zu untersuchen, um den Menschen zu helfen, die schwerwiegenden und lang anhaltenden Folgen der Freisetzung von Atomwaffen zu verstehen. Darüber hinaus kann das Verständnis der Auswirkungen von Tschernobyl der Menschheit helfen, auf andere Unfälle in Kernkraftwerken zu reagieren.


Inhalt

Bakterien erzeugen Toxine, die entweder als Exotoxine oder Endotoxine klassifiziert werden können. Exotoxine werden gebildet und aktiv sezernierte Endotoxine bleiben Teil der Bakterien. Normalerweise ist ein Endotoxin Teil der äußeren Bakterienmembran und wird erst freigesetzt, wenn das Bakterium vom Immunsystem abgetötet wird. Die Reaktion des Körpers auf ein Endotoxin kann schwere Entzündungen beinhalten. Im Allgemeinen wird der Entzündungsprozess normalerweise als vorteilhaft für den infizierten Wirt angesehen, aber wenn die Reaktion schwerwiegend genug ist, kann sie zu einer Sepsis führen.

Einige bakterielle Toxine können bei der Behandlung von Tumoren verwendet werden. [2]

Toxinose ist eine Pathogenese, die allein durch das bakterielle Toxin verursacht wird und nicht unbedingt eine bakterielle Infektion beinhaltet (z. B. wenn die Bakterien abgestorben sind, aber bereits Toxine produziert haben, die aufgenommen werden). Es kann verursacht werden durch Staphylococcus aureus Giftstoffe zum Beispiel. [3]

Cyanobakterien sind wichtige autotrophe Bakterien im Nahrungsnetz des Wassers. Explosionen von Cyanobakterien, die als Algenblüten bekannt sind, können Giftstoffe produzieren, die sowohl für das Ökosystem als auch für die menschliche Gesundheit schädlich sind. Der Nachweis des Ausmaßes einer Algenblüte beginnt mit der Entnahme von Wasserproben in verschiedenen Tiefen und an verschiedenen Stellen der Blüte. [4]

Festphasen-Adsorptionstoxin-Tracking (SPATT) Bearbeiten

SPATT ist ein nützliches Werkzeug bei der Verfolgung von Algenblüten, da es zuverlässig, empfindlich und kostengünstig ist. Einer der Nachteile ist, dass es im Vergleich zu hydrophoben Verbindungen keine sehr guten Ergebnisse für wasserlösliche Toxine liefert. Dieses Werkzeug wird hauptsächlich verwendet, um die interzellulären Konzentrationen von Toxinen zu bestimmen, aber die Cyanobakterien können auch lysiert werden, um die Gesamttoxinmenge in einer Probe zu bestimmen. [4]

Polymerase-Kettenreaktion (PCR) Bearbeiten

Die PCR ist ein molekulares Werkzeug, das die Analyse genetischer Informationen ermöglicht. PCR wird verwendet, um die Menge bestimmter DNA in einer Probe zu amplifizieren, bei der es sich normalerweise um spezifische Gene in einer Probe handelt. Genetische Ziele für Cyanobakterien in der PCR umfassen das 16S-ribosomale RNA-Gen, das Phycocyanin-Operon, die intern transkribierte Spacer-Region und das RNA-Polymerase-β-Untereinheitsgen. PCR ist wirksam, wenn das Gen eines bekannten Enzyms zur Herstellung des mikrobiellen Toxins oder das mikrobielle Toxin selbst bekannt ist. [4]

Enzymhemmung Bearbeiten

Es gibt viele verschiedene Möglichkeiten, Enzymspiegel durch die Verwendung von Enzymhemmung zu überwachen. Das allgemeine Prinzip bei vielen davon ist die Nutzung des Wissens, dass viele Enzyme von phosphatfreisetzenden Verbindungen wie Adenosintriphosphat angetrieben werden. Unter Verwendung von radioaktiv markiertem 32 P-Phosphat kann eine fluorometrische Analyse verwendet werden. Oder einzigartige Polymere können verwendet werden, um Enzyme zu immobilisieren und in einem elektrochemischen Biosensor zu wirken. Insgesamt sind die Vorteile eine schnelle Reaktionszeit und eine geringe Probenvorbereitung. Einige der Nachteile sind ein Mangel an Spezifität in Bezug auf die Möglichkeit, Messungen sehr kleiner Mengen an Toxin zu erhalten, und die Starrheit der Assays bei der Anwendung bestimmter Verfahren auf verschiedene Toxine. [4]

Immunchemische Methoden Bearbeiten

Dieses Nachweisverfahren verwendet Säugetier-Antikörper, um an mikrobielle Toxine zu binden, die dann auf verschiedene Weise verarbeitet werden können. Zu den kommerziellen Wegen zur Verwendung des immunchemischen Nachweises gehören Enzyme-Linked Immunosorbent Assays (ELISA). Dieser Assay hat den Vorteil, dass er auf eine breite Palette von Toxinen screenen kann, kann jedoch je nach verwendetem Antikörper Probleme mit der Spezifität haben. [4] Ein exotischerer Aufbau beinhaltet die Verwendung von CdS-Quantenpunkten, die in einem elektrochemilumineszenten Immunsensor verwendet werden. [5] Ein wichtiger Aspekt immunchemischer Methoden, die in Laboratorien getestet werden, ist die Verwendung von Nanodrähten und anderen Nanomaterialien zum Nachweis mikrobieller Toxine. [4]

Es gibt über 200 Clostridium-Arten auf der Welt, die an alltäglichen Orten wie Erde, Wasser, Staub und sogar unserem Verdauungstrakt leben. Einige dieser Arten produzieren unter anderem schädliche Giftstoffe wie Botulinumtoxin und Tetanustoxin. Die meisten Clostridium-Spezies, die Toxine aufweisen, weisen typischerweise binäre Toxine auf, wobei die erste Einheit daran beteiligt ist, das Toxin in die Zelle zu bringen, und die zweite Einheit zellulären Stress oder Deformation verursacht. [6]

Botulinum Neurotoxin Bearbeiten

Botulinum Neurotoxine (BoNTs) sind die Erreger der tödlichen Lebensmittelvergiftungskrankheit Botulismus und könnten aufgrund ihrer extremen Toxizität und einfachen Herstellung eine große Bedrohung für die biologische Kriegsführung darstellen. Sie dienen auch als leistungsstarke Werkzeuge zur Behandlung einer ständig wachsenden Liste von Erkrankungen. [7]

Tetanustoxin Bearbeiten

Clostridium tetani produziert Tetanustoxin (TeNT-Protein), das bei vielen Wirbeltieren (einschließlich Menschen) und Wirbellosen zu einem tödlichen Zustand führt, der als Tetanus bekannt ist.

Diese Toxine werden von Vibrio-Bakterienarten produziert und reichern sich gerne in Meereslebewesen wie dem Kugelfisch an. Diese Toxine werden produziert, wenn Vibriobakterien durch Veränderungen der Temperatur und des Salzgehalts der Umgebung gestresst werden, was zur Produktion von Toxinen führt. Die Hauptgefahr für den Menschen besteht beim Verzehr von kontaminierten Meeresfrüchten. Tetrodotoxin-Vergiftungen werden in nördlicheren und typischerweise kälteren Meeresgewässern üblich, da höhere Niederschläge und wärmeres Wasser aufgrund des Klimawandels Vibrio-Bakterien zur Produktion von Toxinen anregen. [8]

Immunevasion-Proteine ​​aus Staphylococcus aureus weisen eine signifikante Konservierung von Proteinstrukturen und eine Reihe von Aktivitäten auf, die alle auf die beiden Schlüsselelemente der Wirtsimmunität, Komplement und Neutrophile, gerichtet sind. Diese sezernierten Virulenzfaktoren unterstützen das Bakterium beim Überleben der Immunantwortmechanismen. [9]

Bisher wurde nur ein virales Toxin beschrieben: NSP4 aus Rotavirus. Es hemmt den durch Mikrotubuli vermittelten sekretorischen Weg und verändert die Organisation des Zytoskeletts in polarisierten Epithelzellen. Es wurde aufgrund der Beobachtung, dass das Protein bei intraperitonealer oder intrailealer Verabreichung bei Säuglingsmäusen in altersabhängiger Weise Diarrhöe verursachte, als das virale Enterotoxin identifiziert. [10] NSP4 kann im Magen-Darm-Trakt neonataler Mäuse durch Aktivierung einer alters- und Ca2+-abhängigen Anionenpermeabilität der Plasmamembran eine wässrige Sekretion induzieren. [11]


6.2: Die Fähigkeit, schädliche Exotoxine zu produzieren: Ein Überblick - Biologie

Bakterielle Toxigenese

Toxigenese, oder die Fähigkeit, Toxine zu produzieren, ist ein zugrunde liegender Mechanismus, durch den viele bakterielle Krankheitserreger Krankheiten hervorrufen. Auf chemischer Ebene gibt es zwei Haupttypen von bakteriellen Toxinen, Lipopolysaccharide, die mit der Zellwand gramnegativer Bakterien assoziiert sind, und Proteine, die von Bakterienzellen freigesetzt werden und an Gewebestellen wirken können, die von der Stelle des Bakterienwachstums entfernt sind. Die zellassoziiert Toxine werden als Endotoxine und der extrazellulär diffusionsfähige Toxine werden als Exotoxine.

Endotoxine sind zellassoziierte Substanzen, die strukturelle Bestandteile von Bakterien sind. Die meisten Endotoxine befinden sich in der Zellhülle. Im Kontext dieses Artikels bezieht sich Endotoxin speziell auf das Lipopolysaccharid (LPS) oder Lipooligosaccharid (LOS), das sich in der äußeren Membran gramnegativer Bakterien befindet. Obwohl es sich um strukturelle Bestandteile von Zellen handelt, können lösliche Endotoxine aus wachsenden Bakterien oder aus Zellen, die als Folge wirksamer Abwehrmechanismen des Wirts oder durch die Aktivität bestimmter Antibiotika lysiert werden, freigesetzt werden. Endotoxine wirken im Allgemeinen in der Nähe des Bakterienwachstums oder der Anwesenheit.

Exotoxine werden normalerweise von Bakterien sezerniert und wirken an einer Stelle, die dem Bakterienwachstum entzogen ist. In einigen Fällen werden Exotoxine jedoch erst durch Lyse der Bakterienzelle freigesetzt. Exotoxine sind normalerweise Proteine, minimal Polypeptide, die enzymatisch oder durch direkte Einwirkung auf Wirtszellen wirken und eine Vielzahl von Wirtsreaktionen stimulieren. Die meisten Exotoxine wirken an Gewebestellen, die vom ursprünglichen Punkt der bakteriellen Invasion oder des Wachstums entfernt sind. Einige bakterielle Exotoxine wirken jedoch an der Stelle der Pathogenkolonisation und können bei der Invasion eine Rolle spielen.

BAKTERIELLE PROTEINTOXINE

Exotoxine werden normalerweise von lebenden Bakterien während des exponentiellen Wachstums ausgeschieden. Die Produktion des Toxins ist im Allgemeinen spezifisch für eine bestimmte Bakterienart, die die mit dem Toxin verbundene Krankheit hervorruft (z Clostridium tetani produziert nur Tetanustoxin Corynebacterium diphtheriae produziert das Diphtherie-Toxin). Normalerweise produzieren virulente Stämme des Bakteriums das Toxin, während nicht-virulente Stämme dies nicht tun, und das Toxin ist die Hauptdeterminante der Virulenz (z. B. Tetanus und Diphtherie). Früher dachte man, dass die Exotoxinproduktion hauptsächlich auf grampositive Bakterien beschränkt ist, aber sowohl grampositive als auch gramnegative Bakterien produzieren eindeutig lösliche Proteintoxine.

Bakterielle Proteintoxine sind die stärksten bekannten menschlichen Gifte und behalten ihre hohe Aktivität bei sehr hohen Verdünnungen. Die Letalität der stärksten bakteriellen Exotoxine wird in Tabelle 1 unten mit der Letalität von Strychnin, Schlangengift und Endotoxin verglichen.

TABELLE 1. LETHALITÄT VON BAKTERIELLEN PROTEINTOXINEN

Toxin
Toxische Dosis (mg)
Gastgeber
Tödliche Toxizität
im Vergleich zu:



Strychnin Endotoxin (LPS) Schlangengift
Botulinumtoxin 0,8x10 -8 Maus 3x10 6 3x10 7 3x10 5
Tetanus-Toxin 4x10 -8 Maus 1x10 6 1x10 7 1x10 5
Shiga-Toxin 2,3x10 -6 Kaninchen 1x10 6 1x10 7 1x10 5
Diphtherie-Toxin 6x10 -5 Meerschweinchen 2x10 3 2x10 4 2x10 2

Normalerweise zeigt die durch ein Exotoxin verursachte Schädigungsstelle den Ort der Aktivität dieses Toxins an. Begriffe wie Enterotoxin, Nervengift, Leukozidin oder Hämolysin sind beschreibende Begriffe, die den Zielort einiger wohldefinierter Proteintoxine angeben. Einige Bakteriengifte, die offensichtlich den Tod eines Tieres herbeiführen, sind einfach als . bekannt tödliche Gifte, und obwohl die betroffenen Gewebe und die Zielstelle oder das Substrat bekannt sein können, ist der genaue Mechanismus, durch den der Tod eintritt, nicht klar (z. B. Milzbrand LF).

Einige bakterielle Toxine werden als Invasine verwendet, da sie lokal wirken, um die bakterielle Invasion zu fördern. Beispiele sind extrazelluläre Enzyme, die Gewebematrizen oder Fibrin abbauen, wodurch sich die Bakterien ausbreiten können. Dazu gehören Collagenase, Hyaluronidase und Streptokinase. Andere Toxine, die auch als Invasine bezeichnet werden, bauen Membrankomponenten wie Phospholipasen und Lecithinasen ab. Die porenbildenden Toxine, die eine Pore in eukaryontische Membranen einbringen, werden ebenfalls als Invasine angesehen, aber sie werden hier betrachtet.

Einige Proteingifte haben sehr spezifische zytotoxische Aktivität (d. h. sie greifen bestimmte Zelltypen an). Tetanus- und Botulinumtoxine greifen beispielsweise nur Neuronen an. Aber einige Toxine (wie sie von Staphylokokken, Streptokokken, Clostridien usw breite zytotoxische Aktivität und verursachen einen unspezifischen Tod verschiedener Zelltypen oder eine Schädigung von Geweben, was schließlich zu Nekrose führt. Toxine, die Phospholipasen sind, wirken auf diese Weise. Dies gilt auch für porenbildende Hämolysine und Leukocidine.

Bakterielle Proteintoxine sind stark antigen. In vivo neutralisiert ein spezifischer Antikörper die Toxizität dieser bakteriellen Exotoxine (Antitoxin). In vitro kann es jedoch sein, dass spezifische Antitoxine ihre Aktivität nicht vollständig hemmen. Dies legt nahe, dass sich die antigene Determinante des Toxins vom aktiven Teil des Proteinmoleküls unterscheiden kann. Der Neutralisationsgrad des aktiven Zentrums kann vom Abstand vom antigenen Zentrum des Moleküls abhängen. Da das Toxin jedoch in vivo vollständig neutralisiert wird, legt dies nahe, dass andere Wirtsfaktoren in der Natur eine Rolle bei der Toxinneutralisierung spielen müssen.

Proteinexotoxine sind von Natur aus instabil. Mit der Zeit verlieren sie ihre toxischen Eigenschaften, behalten aber ihre antigenen. Dies wurde erstmals von Ehrlich entdeckt, der für dieses Produkt den Begriff "Toxoid" prägte. Toxoide sind entgiftete Toxine, die ihre Antigenität und ihr immunisierendes Vermögen behalten. Die Bildung von Toxoiden kann beschleunigt werden, indem Toxine mit einer Vielzahl von Reagenzien behandelt werden, darunter Formalin, Jod, Pepsin, Ascorbinsäure, Ketone usw. Die Mischung wird mehrere Wochen bei 37 Grad bei einem pH-Bereich von 6 bis 9 gehalten. Die resultierenden Toxoide können verwendet werden für künstliche Impfung gegen Krankheiten, die durch Krankheitserreger verursacht werden, bei denen die primäre Determinante der bakteriellen Virulenz die Toxinproduktion ist. Toxoide sind wirksame Immunisierungsmittel gegen Diphtherie und Tetanus, die Teil des DPT (DTP)-Impfstoffs sind.

Toxine mit enzymatischer Aktivität

Als Proteine ​​viele bakterielle Toxine ähneln Enzymen auf verschiedener Weise. Wie Enzyme sind sie durch Hitze denaturiert, saure und proteolytische Enzyme, sie katalytisch wirken, und sie stellen aus Spezifität der Aktion. Die Substrat (im Wirt) kann ein Bestandteil von Gewebezellen, Organen oder Körperflüssigkeiten sein.

A plus B Untereinheitsanordnung

Viele Proteintoxine, insbesondere solche, die intrazellulär (in Bezug auf Wirtszellen) wirken, bestehen aus zwei Komponenten: einer Komponente (Untereinheit A) ist verantwortlich für die enzymatische Aktivität des Toxins die andere Komponente (Untereinheit B) beschäftigt sich mit Bindung an einen spezifischen Rezeptor auf der Wirtszellmembran und Übertragen des Enzyms durch die Membran. Die enzymatische Komponente ist erst aktiv, wenn sie vom nativen (A+B) Toxin. Isolierte A-Untereinheiten sind enzymatisch aktiv, es fehlt ihnen jedoch an Bindungs- und Zelleintrittsfähigkeit. Isolierte B-Untereinheiten können an Zielzellen binden (und sogar die Bindung des nativen Toxins blockieren), aber sie sind nicht toxisch.

Es gibt eine Vielzahl von Möglichkeiten, Toxin-Untereinheiten zu synthetisieren und zu arrangieren: A + B weist darauf hin, dass das Toxin als zwei separate Proteinuntereinheiten synthetisiert und sezerniert wird, die an der Zielzelloberfläche interagieren A-B oder A-5B weist darauf hin, dass die A- und B-Untereinheiten getrennt synthetisiert werden, jedoch während der Sekretion und Bindung an ihr Ziel durch nichtkovalente Bindungen verbunden sind 5B zeigt an, dass die Bindungsdomäne des Proteins aus 5 identischen Untereinheiten besteht. A/B bezeichnet ein als einzelnes Polypeptid synthetisiertes Toxin, das in A- und B-Domänen unterteilt ist, die durch proteolytische Spaltung getrennt werden können.

Anheftung und Eintrag von Toxinen

Es gibt mindestens zwei Mechanismen des Toxineintrags in Zielzellen.

In einem Mechanismus namens direkter Zugang, bindet die B-Untereinheit des nativen (A+B)-Toxins an einen spezifischen Rezeptor auf der Zielzelle und induziert die Bildung einer Pore in der Membran, durch die die A-Untereinheit in das Zellzytoplasma überführt wird.

Bei einem alternativen Mechanismus bindet das native Toxin an die Zielzelle und die A+B-Struktur wird durch den Prozess von . in die Zelle aufgenommen rezeptorvermittelte Endozytose (RME). Das Toxin wird in der Zelle in einem membranumschlossenen Vesikel namens an . internalisiert Endosom. H + -Ionen dringen in das Endosom ein und senken den internen pH-Wert, was die Trennung der A + B-Untereinheiten bewirkt. Die B-Untereinheit beeinflusst die Freisetzung der A-Untereinheit aus dem Endosom, so dass sie ihr Ziel im Zellzytoplasma erreicht. Die B-Untereinheit verbleibt im Endosom und wird an die Zelloberfläche rezykliert.

In beiden oben genannten Fällen muss ein großes Proteinmolekül in eine Membranlipiddoppelschicht, entweder die Zellmembran oder die Endosomenmembran, inserieren und diese durchqueren. Diese Aktivität spiegelt sich in der Fähigkeit der meisten A+B- oder A/B-Toxine oder ihrer B-Komponenten wider, sich in künstliche Lipiddoppelschichten einzufügen, wodurch ionendurchlässige Wege entstehen. Wenn die B-Untereinheit eine hydrophobe Region (von Aminosäuren) enthält, die in die Membran inseriert (wie im Fall des Diphtherietoxins), kann sie als T-Domäne (Translokation) des Toxins bezeichnet werden.

Von einigen bakteriellen Toxinen (z. B. Diphtherie) ist bekannt, dass sie sowohl den direkten Eintritt als auch RME nutzen, um in Wirtszellen einzudringen, was nicht überraschend ist, da beide Mechanismen Variationen eines Themas sind. Bakterielle Toxine mit ähnlichen enzymatischen Mechanismen können durch unterschiedliche Mechanismen in ihre Zielzellen gelangen. So ist das Diphtherie-Toxin und Pseudomonas Exotoxin A, die identische Mechanismen der enzymatischen Aktivität aufweisen, dringen auf leicht unterschiedliche Weise in ihre Wirtszellen ein. Das Adenylatcyclase-Toxin von Bordetella pertussis (Pertussis AC) und Milzbrand EF produziert von Bacillus anthracis, wirken in ähnlicher Weise, um die Produktion von cAMP aus intrazellulären ATP-Reserven der Wirtszelle zu katalysieren. Das Anthrax-Toxin dringt jedoch durch rezeptorvermittelte Endozytose in die Zellen ein, während die Pertussis-Adenylatzyklase die Zellmembran direkt durchquert.

Die spezifische Rezeptoren für die B-Untereinheit von Toxinen auf Zielzellen oder -geweben werden in der Regel Sialoganglioside (Glykoproteine) genannt G-Proteine auf der Zellmembran. Beispielsweise verwendet das Cholera-Toxin das Gangliosid GM1, und das Tetanus-Toxin verwendet das Gangliosid GT1 und/oder GD1b als Rezeptoren auf Wirtszellen.

Das bekannteste und am besten untersuchte bakterielle Toxin ist das Diphtherie-Toxin, das von Corynebacterium diphtheriae. Diphtherie-Toxin ist ein bakterielles Exotoxin des A/B-Prototyps. Es wird als einzelne Polypeptidkette mit einem Molekulargewicht von 60.000 Dalton hergestellt. Die Funktion des Proteins ist in zwei Teile unterscheidbar: Untereinheit A, mit einem m.w. von 21.000 Dalton, enthält die enzymatische Aktivität zur Hemmung des Elongationsfaktors-2, der an der Wirtsproteinsynthese-Untereinheit B beteiligt ist, mit einem MG. von 39.000 Dalton, ist für die Bindung an die Membran einer anfälligen Wirtszelle verantwortlich. Die B-Untereinheit besitzt eine Region T (Translokation)-Domäne, die in die Endosomenmembran inseriert und so die Freisetzung der enzymatischen Komponente in das Zytoplasma sicherstellt.

Abbildung 1. Diphtherie-Toxin (Dtx). A (rot) ist die katalytische Domäne B (gelb) ist die Bindungsdomäne, die den Rezeptor für die Zellanheftung darstellt T (blau) ist die hydrophobe Domäne, die für die Insertion in die Endosomenmembran verantwortlich ist, um die Freisetzung von A sicherzustellen. Das Protein ist in dargestellt seine "geschlossene" Konfiguration.

In vitro, wird das native Toxin in einer inaktiven Form produziert, die durch das proteolytische Enzym Trypsin in Gegenwart von Thiol (Reduktionsmittel) aktiviert werden kann. Die enzymatische Aktivität von Fragment A wird im intakten Toxin maskiert. Fragment B ist erforderlich, damit Fragment A das Zytoplasma anfälliger Zellen erreichen kann. Das C-terminale Ende von Fragment B ist hydrophil und enthält Determinanten, die mit spezifischen Membranrezeptoren auf empfindlichen Zellmembranen interagieren, und das N-terminale Ende von Fragment B (als T-Domäne bezeichnet) ist stark hydrophob. Es wurde gezeigt, dass der spezifische Membranrezeptor für das B-Fragment ein transmembranöses Heparin-bindendes Protein auf der Oberfläche der anfälligen Zelle ist.

Das Diphtherie-Toxin dringt entweder durch direkten Eintritt oder durch Rezeptor-vermittelte Endocytose in seine Zielzellen ein. Der erste Schritt ist die irreversible Bindung des C-terminalen hydrophilen Teils von Fragment B (AA 432-535) an den Rezeptor. Während der RME wird dann das gesamte Toxin in ein endozytisches Vesikel aufgenommen. Im Vesikel sinkt der pH-Wert auf etwa 5, was die Entfaltung der A- und B-Ketten ermöglicht. Dies legt hydrophobe Regionen sowohl der A- als auch der B-Kette frei, die in die Vesikelmembran inserieren können. Das Ergebnis ist die Exposition der A-Kette gegenüber der zytoplasmatischen Seite der Membran. Dort wird durch Reduktion und proteolytische Spaltung die A-Kette im Zytoplasma freigesetzt. Das A-Fragment wird als verlängerte Kette freigesetzt, erhält aber im Zytoplasma seine aktive (enzymatische) globuläre Konformation zurück. Die A-Kette katalysiert die ADP-Ribosylierung von Elongationsfaktor-2 (EF-2), wie in Abbildung 2 gezeigt.


Abbildung 2. Eintrag und Aktivität von Diphtherie-Toxin (Dtx) in empfindlichen Zellen. Die B-Domäne des Toxins bindet an einen verwandten Rezeptor auf einer anfälligen Zelle. Das Toxin wird in einem Endosom durch rezeptorvermittelte Enkozytose aufgenommen. Die Ansäuerung des endozytischen Vesikels ermöglicht die Entfaltung der A- und B-Ketten, wodurch die hydrophobe T-Domäne des Toxins freigelegt wird. Die T-Domäne inseriert in die Endosomenmembran und transloziert das A-Fragment in das Zytoplasma, wo es seine enzymatische Konfiguration wiedererlangt. Die enzymatische A-Komponente verwendet NAD als Substrat. Es katalysiert die Bindung des ADP-Ribose-Anteils von NAD an den Elongationsfaktor (EF-2), der seine Funktion bei der Proteinsynthese inaktiviert.

Tabelle 2 beschreibt mehrere bakterielle Toxine mit bekannter enzymatischer Aktivität und die biologischen Wirkungen der Toxine beim Menschen.

TABELLE 2. BIOLOGISCHE WIRKUNGEN EINIGER BAKTERIELLER EXOTOXINE MIT ENZYMATISCHER AKTIVITÄT

TOXIN (Untereinheit arr)* ENZYMATISCHE AKTIVITÄT BIOLOGISCHE WIRKUNGEN
Cholera-Toxin (A-5B) ADP-Ribosylate eukaryotisches Adenylatcyclase Gs-regulatorisches Protein Aktiviert die Adenylatzyklase Erhöhter intrazellulärer cAMP-Spiegel fördert die Sekretion von Flüssigkeit und Elektrolyten im Darmepithel, was zu Durchfall führt
Diphtherie-Toxin (A/B) ADP-Ribosylate-Dehnungsfaktor 2
Hemmt die Proteinsynthese in tierischen Zellen, was zum Absterben der Zellen führt
Pertussis-Toxin (A-5B) ADP Ribosylate Adenylat Cyclase Gi regulatorisches Protein
Blockiert die Hemmung der Adenylatzyklase Erhöhte cAMP-Spiegel beeinflussen die Hormonaktivität und reduzieren die phagozytische Aktivität
E coli Hitzelabiles Toxin LT (A-5B) ADP Ribosylate Adenylat Cyclase Gs regulatorisches Protein Ähnlich oder identisch mit Cholera-Toxin
Shiga-Toxin (A/5B Glykosidasespaltung ribosomaler RNA (spaltet eine einzelne Adeninbase von der 28S rRNA ab)
Inaktiviert die ribosomale 60S-Untereinheit von Säugetieren und führt zur Hemmung der Proteinsynthese und zum Tod der anfälligen Zellen Pathologie ist Durchfall, hämorrhagische Kolitis (HC) und/oder hämolytisch-urämisches Syndrom (HUS)
Pseudomonas Exotoxin A (A/B) ADP-Ribosylate-Elongationsfaktor-2 analog zum Diphtherietoxin
Hemmt die Proteinsynthese in anfälligen Zellen, was zum Absterben der Zellen führt
Botulinumtoxin (A/B) Zn++-abhängige Protease wirkt auf Synaptobrevin am Motoneuron-Gangliosid
Hemmt die präsynaptische Acetylycholinfreisetzung aus peripheren cholinergen Neuronen, was zu einer schlaffen Lähmung führt
Tetanus-Toxin (A/B) Zn++-abhängige Protease wirkt auf Synaptobrevin im Zentralnervensystem
Hemmt die Freisetzung von Neurotransmittern aus hemmenden Neuronen im ZNS, was zu einer spastischen Lähmung führt
Milzbrand-Toxin LF (A2+B) Metallo-Protease, die MAPKK-Enzyme (Mitogen-aktivierte Proteinkinase-Kinase) spaltet

In Kombination mit der B-Untereinheit (PA) induziert LF die Zytokinfreisetzung und den Tod von Zielzellen oder Versuchstieren
Bordetella pertussis AC-Toxin (A/B) und Bacillus anthracis EF (A1+B)
Calmodulin-regulierte Adenylatzyklasen, die die Bildung von zyklischem AMP aus ATP in empfindlichen Zellen sowie die Bildung von ionendurchlässigen Poren in Zellmembranen katalysieren
Erhöht cAMP in Phagozyten, was zu einer Hemmung der Phagozytose durch Neutrophile und Makrophagen führt, verursacht auch Hämolyse und Leukolyse
Staphylococcus aureus Peeling B Spaltt Desmoglein 1, ein Cadherin, das in Desmosomen der Epidermis vorkommt
(auch ein Superantigen)

Trennung des Stratum granulosum der Epidermis, zwischen den lebenden Schichten und den oberflächlichen toten Schichten.

* Anordnungen von Toxin-Untereinheiten: AB oder A-5B bezeichnet getrennt synthetisierte und durch nichtkovalente Bindungen verbundene Untereinheiten A/B bezeichnet Untereinheitsdomänen eines einzelnen Proteins, die durch proteolytische Spaltung getrennt werden können A+B bezeichnet Untereinheiten, die als separate Proteinuntereinheiten synthetisiert und sezerniert werden, die interagieren an der Zielzelloberfläche 5B zeigt an, dass die Bindungsdomäne aus 5 identischen Untereinheiten besteht.

Porenbildende Toxine bauen, wie der Name schon sagt, eine transmembranöse Pore in eine Wirtszellmembran ein und unterbrechen dadurch den selektiven Ein- und Ausfluss von Ionen durch die Membran. Diese Gruppe von Toxinen umfasst die RTX-Toxine gramnegativer Bakterien, Streptolysin O, das von S. pyogenes, und S. aureus Alpha-Toxin. Im Allgemeinen werden diese Toxine als Untereinheiten produziert, die sich als Pore auf der eukaryontischen Membran selbst anordnen.

S. aureus Alpha-Toxin gilt als das Modell der oligomerisierenden porenbildenden Zytotoxine. Das Alpha-Toxin wird als Vorläufermolekül mit 319 Aminosäuren synthetisiert, das eine N-terminale Signalsequenz von 26 Aminosäuren enthält. Das sezernierte reife Toxin oder Protomer ist ein hydrophiles Molekül mit einem Molekulargewicht von 33 kDa. Sieben Toxinprotomere fügen sich zu einem 232 kDa pilzförmigen Heptamer zusammen, das drei verschiedene Domänen umfasst. Die Cap- und Rim-Domänen des Heptamers befinden sich an der Oberfläche der Plasmamembran, während die Stammdomäne als transmembranöser Ionenkanal durch die Membran dient.

TABELLE 3. EINIGE PORENBILDENDE BAKTERIELLE TOXINE

Toxin
Bakterielle Quelle
Ziel
Krankheit
Perfringiolysin O
Clostridium perfringens
Cholesterin
Gasbrand
Hämolysin
Escherichia coli
Zellmembran
UTI
Listeriolysin
Listeria monocytogenes
Cholesterin
systemische Meningitis
Milzbrand EF
Bacillus anthracis
Zellmembran
Milzbrand (Ödem)
Alpha-Toxin Staphylococcus aureus
Zellmembran
Abszesse
Pneumolysin
Streptococcus pneumoniae
Cholesterin
Lungenentzündung Mittelohrentzündung
Streptolysin O
Streptococcus pyogenes
Cholesterin
Halsentzündung
Leukozidin
Staphylococcus aureus Phagozytenmembran
pyogene Infektionen

Superantigene: Toxine, die das Immunsystem stimulieren

Mehrere bakterielle Toxine können direkt auf die T-Zellen und Antigen-präsentierenden Zellen des Immunsystems einwirken. Eine Beeinträchtigung der immunologischen Funktionen dieser Zellen durch Toxine kann zu Erkrankungen des Menschen führen. Eine große Familie von Toxinen in dieser Kategorie sind die sogenannten pyrogenen Exotoxine, die von Staphylokokken und Streptokokken produziert werden, deren biologische Aktivitäten eine starke Stimulation des Immunsystems, Pyrogenität und Verstärkung des Endotoxinschocks umfassen.

Pyrogene Exotoxine sind sezernierte Toxine von 22 kDa bis 30 kDa und umfassen Staphylokokken-Enterotoxine der Serotypen A-E, G und H Gruppe A Streptokokken pyrogene Exotoxine A-C Staphylokokken-Exfoliatin-Toxin und Staphylokokken-TSST-1.

Im Allgemeinen sind die starken immunstimulierenden Eigenschaften von Superantigenen ein direktes Ergebnis der Toxinbindung an bestimmte Regionen außerhalb der Peptidbindungsspalte der Haupthistokompatibilitätsklasse-II-Moleküle (MHC II), die auf der Oberfläche antigenpräsentierender Zellen exprimiert werden, und an spezifische Vß Elemente am T-Zell-Rezeptor von T-Lymphozyten. Dies führt zu einer massiven Proliferation von bis zu 20 % der peripheren T-Zellen. Begleitend zur T-Zell-Proliferation erfolgt eine massive Freisetzung von Zytokinen aus Lymphozyten (z. B. Interleukin-2, Tumornekrosefaktor ß, Gamma-Interferon) und Monozyten (z. B. IL-1, IL-6, Tumornekrosefaktor a). Diese Zytokine dienen als Mediatoren der Hypotonie, des hohen Fiebers und des diffusen erythematösen Hautausschlags, die für das toxische Schocksyndrom charakteristisch sind.

Die Enterotoxine von Staphylokokken sind Superantigene, aber es ist nicht bekannt, ob diese Aktivität zu Erbrechen oder Durchfall beiträgt, der für eine Staphylokokken-Lebensmittelvergiftung charakteristisch ist.

Kontrolle der Synthese und Freisetzung von Proteintoxinen

Die Regulation der Synthese und Sekretion vieler bakterieller Toxine wird durch regulatorische Elemente, die auf Umweltsignale empfindlich reagieren, streng kontrolliert. Beispielsweise wird die Produktion von Diphtherie-Toxin durch die Verfügbarkeit ausreichender Eisenmengen im Medium für das Bakterienwachstum vollständig unterdrückt. Nur unter Bedingungen begrenzter Eisenmengen im Wachstumsmedium wird die Toxinproduktion dereprimiert. Die Expression von Cholera-Toxin und verwandten Virulenzfaktoren (Adhäsinen) wird durch die Umgebungsosmolarität und Temperatur gesteuert. In B. Keuchhustenist die Induktion verschiedener Virulenzkomponenten gestaffelt, so dass anfänglich Bindungsfaktoren produziert werden, um die Infektion zu begründen, und Toxine synthetisiert und später freigesetzt werden, um der Wirtsabwehr entgegenzuwirken und das Überleben der Bakterien zu fördern.

Die Prozesse, durch die Proteintoxine von Bakterienzellen zusammengesetzt und sezerniert werden, sind ebenfalls variabel. Viele der klassischen Exotoxine werden mit einer NH-terminalen Leader-(Signal-)Sequenz synthetisiert, die aus einigen (1-3) geladenen Aminosäuren und einer Reihe von (14-20) hydrophoben Aminosäuren besteht. Die Signalsequenz kann während der Translation an die zytoplasmatische Membran binden und in diese inserieren, so dass das Polypeptid sezerniert wird, während es synthetisiert wird. Das Signalpeptid wird gespalten, wenn das Toxin (Protein) in das Periplasma freigesetzt wird. Alternativ kann das Toxin intrazytoplasmatisch synthetisiert werden, dann an eine Leader-Sequenz zur Passage durch die Membran gebunden werden. Häufig werden Chaperonproteine ​​benötigt, um diesen Prozess zu steuern. Einige Mehrkomponenten-Toxine, wie das Cholera-Toxin, werden in ihren Untereinheiten synthetisiert und getrennt in das Periplasma sezerniert, wo sie zusammengebaut werden. In Gram-negative bacteria, the outer membrane poses an additional permeability barrier that a protein toxin usually has to mediate if it is to be released in a soluble form. It has been proposed that some Gram-negative exotoxins (e.g. E coli ST enterotoxin) might be released in membrane vesicles composed of outer membrane components. Since these vesicles possibly possess outer membrane-associated attachment factors, they could act as "smart bombs" capable of specifically interacting with and possibly entering target cells to release their contents of toxin.

The genetic ability to produce a toxin, including regulatory genes, may be found on the bacxterial chromosome, plasmids and lysogenic bacteriophages. Sometimes they occur within pathogenicity islands. In any case, the processes of genetic exchange in bacteria, notably Konjugation und Transduktion, can mobilize genetic elements between strains and species of bacteria. Horizontaler Gentransfer (HGT) of genes that encode virulence is known to occur between species of bacteria. This explains how E coli und Vibrio cholerae produce a nearly identical diarrhea-inducing toxin, as well as how E. coli O157:H7 acquired ability to produce shiga toxin form Shigella dysenteriae . The intestinal tract is probably an ideal habitat for bacteria to undergo HGT with one another.

There is conclusive evidence for the pathogenic role of diphtheria, tetanus and botulinum toxins, various enterotoxins, staphylococcal toxic shock syndrome toxin, and streptococcal pyrogenic exotoxins. And there is good evidence for the pathological involvement of pertussis toxin, anthrax toxin, shiga toxin and the necrotizing toxins of clostridia, in bacterial disease. But why certain bacteria produce such potent toxins is mysterious and is analogous to asking why an organism should produce an antibiotic. The production of a toxin may play a role in adapting a bacterium to a particular niche, but it is not essential to the viability of the organism. Most toxigenic bacteria are free-living in nature and in associations with humans in a form which is phenotypically identical to the toxigenic strain but lacking the ability to produce the toxin.

A summary of bacterial protein toxins and their activities is given in Tables 4. Details of the mechanisms of action of these toxins and their involvement in the pathogenesis of disease is discussed in chapters with the specific bacterial pathogens.

For more information and references on bacterial toxins go to this website: Bacterial Toxins: Friends or Foes?


Biological evaluation and regulation of medical devices in Japan

17.3.7 Pyrogen test

Pyrogens include endotoxins (toxins derived from gram-negative-bacteria) and non-endotoxic pyrogens (substances derived from microorganisms other than gram-negative-bacteria, or from chemical substances). Iryokiki-Shinsa No.36 mentions the pyrogen test – using a rabbit – that can detect both endotoxins and non-endotoxic pyrogenic substances, and the in vitro endotoxin test, widely used as a method of detecting microbial contamination (endotoxins). The pyrogen test using a rabbit involves administering a physiological saline solution extract of the test substance venously, and determining the existence of pyrogens from the rise in body temperature after administration. Die in vitro endotoxin test includes the gelation method, which indexes the formation of a gel that occurs via endotoxins derived from gram-negative bacteria acting on a lysate test solution prepared from limulus amebocyte lysate, and the turbidimetric and colorimetric methods that index optical changes. The test method selected differs according to the purpose of the test (a limit test to check below default values, a quantitative test to check content) and the characteristics (color, existence of reaction interference factors) of the prepared extract. Endotoxins and non-endotoxic pyrogens display both behavior and body temperature raising mechanisms that are complex and indistinct and it is necessary to select extraction conditions according to the properties of the material and the product’s purpose of use.

The test method given in Iryokiki-Shinsa No.36 is fundamentally determination criteria equivalent to the pyrogen test method included in the general test methods listed by the Japanese pharmacopeia. It differs slightly from US Pharmacopeia (USP) or European Pharmacopoeia (EP) determination standards. In any case, the test is conducted in consideration of various terms and conditions, such as the content, characteristic, application, etc., of the medical device’s raw materials. The test substance or its extract, is administered into the auricular vein of a rabbit, body temperature (rectal temperature) is measured continuously over 3 h, and any difference from the reference body temperature is looked for. When the body temperature (rectal temperature) of at least 2 out of 3 animals rises 0.6°C or more within 3 h post-administration, the result is judged as being positive for pyrogens. Although it cannot be considered as a positive result in and of itself, if one animal shows a body temperature rise of 0.6°C or the sum of the maximum temperature of three animals exceeds 1.4°C, a second test must be performed. Five animals are used for this second test and, if two or more animals then show a body temperature rise of 0.6°C or more, the result is considered positive.

For medical devices that use naturally-derived materials with the possibility of contamination by endotoxins (collagen, gelatin, alginate, etc.), it is preferable for an in vitro endotoxin test to be performed as well and the quantity of endotoxins measured. This test and evaluation must be performed for medical devices in contact with circulating blood or implanted in the body.

ISO 10993 contains no parts that address the pyrogen test. This test is, however, noted in Annex F (informative) of ISO 10993-11, not as being indispensable but as requiring a determination on whether it needs to be performed based on the examination of various factors, such as whether it involves the materials and components of the medical device or a new substance. Just like guidelines in Japan, ASTM F 748 contains a selection table for the corresponding test items. Iryokiki-Shinsa No.36 recognizes that tests conducted under standards such as ISO 10993-11 and USP display a detection sensitivity that is equivalent to domestic test methods.


How Many Types of Exotoxins are there?

There are three types of exotoxins. Sie sind:

1. A-B toxin:

A-B toxins are the polypeptides composed of part A and part B. Part A is an active enzymatic component taking part in altering the functions of host cells through inhibition of protein synthesis. Part B is a binding component that mediates the attachment of the toxin to the receptors of host cells.

Bacteria that produce exotoxins: Clostridium tetani, Clostridium diphtheria, Vibrio cholerae, S. aureus.

Giftstoffe: Tetanospasmin, Diphtheria toxin, Cholera toxin, Exfoliatin.

Target cells: Different types of cells throughout the body.

Mechanisms of these types of exotoxins: Different toxins show different mechanisms of actions. Few of them are as below:

  • Tetanospasmin inhibits the release of inhibitory neurotransmitters.
  • Diphtheria toxins cause ADP ribosylation of EF-2 resulting in inhibition of protein synthesis.
  • Cholera toxins cause ADP ribosylation of adenylate cyclase, leading to rising in cyclic AMP.
  • Neurotoxin prevents the transmission of nerve impulses: flaccid paralysis results.
  • Neurotoxin blocks nerve impulses to muscle relaxation pathways: results in uncontrollable muscle contractions.
  • Cytotoxin inhibits protein synthesis, especially in nerve, heart, and kidney cells.
  • Enterotoxin causes secretion of large amounts of fluids and electrolytes that result in diarrhea.
  • Exfoliatin is a protease that breaks down desmoglein protein in desmosomes of skins causing scalded skin syndromes.

Diseases: Spastic paralysis Myopathy, Polyneuropathy, Profuse watery diarrhea
Botulism, Tetanus, Diphtheria, Scalded skin syndrome, Cholera, Traveler’s diarrhea, Anthrax.

2. Membrane-disrupting Toxins:

Among three types of exotoxins, membrane-disrupting toxins are the toxins that cause damage to host cells by breaking down the structure of their plasma membranes or by forming protein channels or by disrupting the phospholipids.

Bacteria that produce exotoxins: Staphylococcus aureus, Listeria monocytogenes, Clostridium perfringens, Clostridium difficile.

Giftstoffe: Leukocidin, α-Toxin (lecithinase), Hemolysin, Listeriolysin, Perfringolysin-O, Streptolysins. Streptolysin O and Streptolysin L.

Target cells: Many cell types including erythrocytes, phagocytic leukocytes, and macrophages.

Mechanisms: Different toxins show different mechanisms of actions. Few of them are as below:

  • Leukocidins and Hemolysins destroy their target cells (leukocytes and erythrocytes respectively) by forming protein channels in the plasma membrane of their target cells.
  • Die alpha-toxin such as lecithinase causes lysis of cell membranes by breaking down lecithin into phosphorylcholine and diglyceride.
  • Phospholipase removes polar head groups from phospholipids.
  • Cytotoxin destroys massive red blood cell (hemolysis) and destroys host cell cytoskeleton.
  • Enterotoxin causes the release of fluids and electrolytes resulting in diarrhea.

Diseases: Tissue necrosis, Gas gangrene, Food poisoning, Antibiotic-associated diarrhea.

3. Superantigens:

Superantigens are the antigens that stimulate the production of a large amount of T cells and also stimulate these T cells to produce a large amount of cytokine.

Bacteria that produce exotoxins (superantigens): Streptococcus pyogenes, Staphylococcus aureus.

Superantigens/toxins: Streptococcal pyogenic exotoxin, Toxic shock syndrome toxin, Staphylococcal enterotoxin A (SEA).

Target cells: T cells, macrophages.

Mechanisms: Different toxins/superantigens show different mechanisms of actions. Few of them are as below:

  • Both streptococcal pyogenic exotoxin and toxic shock syndrome toxin cause T cell stimulation, the ­release of cytokines (IL-1, IL-2, TNF), possible enhancement of LPS activities.
  • Released cytokines stimulate enteric nervous systems to activate the vomiting center in the brain.
  • Enterotoxin causes secretion of fluids and electrolytes that results in diarrhea.
  • The toxin causes secretion of fluids and electrolytes from capillaries that decreases blood volume and lowers blood pressure.

Diseases: Fever, rash, nausea, vomiting, diarrhea toxic shock-like syndrome, Toxic shock syndrome, food poisoning.


Inhalt

Plants are capable of producing and synthesizing diverse groups of organic compounds and are divided into two major groups: primary and secondary metabolites. [9] Secondary metabolites are metabolic intermediates or products which are not essential to growth and life of the producing plants but rather required for interaction of plants with their environment and produced in response to stress. Their antibiotic, antifungal and antiviral properties protect the plant from pathogens. Some secondary metabolites such as phenylpropanoids protect plants from UV damage. [10] The biological effects of plant secondary metabolites on humans have been known since ancient times. The herb Artemisia annua which contains Artemisinin, has been widely used in Chinese traditional medicine more than two thousand years ago. [ Zitat benötigt ] Plant secondary metabolites are classified by their chemical structure and can be divided into four major classes: terpenes, phenylpropanoids (i.e. phenolics), polyketides, and alkaloids. [11]

Terpenoids Edit

Terpenes constitute a large class of natural products which are composed of isoprene units. Terpenes are only hydrocarbons and terpenoids are oxygenated hydrocarbons. The general molecular formula of terpenes are multiples of (C5h8)n, where 'n' is number of linked isoprene units. Hence, terpenes are also termed as isoprenoid compounds. Classification is based on the number of isoprene units present in their structure. Some terpenoids (i.e. many sterols) are primary metabolites. Some terpenoids that may have originated as secondary metabolites have subsequently been recruited as plant hormones, such as gibberellins, brassinosteroids, and strigolactones.

Number of isoprene units Name Kohlenstoffatome
1 Hemiterpene C5
2 Monoterpene C10
3 Sesquiterpene C15
4 Diterpene C20
5 Sesterterpene C25
6 Triterpene C30
7 Sesquarterterpene C35
8 Tetraterpene C40
More than 8 Polyterpene

    , present in Azadirachta indica, the (Neem tree) , present in Artemisia annua, Chinese wormwood , present in Cannabis sativa, cannabis , glycosylated triterpenes present in e.g. Chenopodium quinoa, quinoa.

Phenolic compounds Edit

Phenolics are a chemical compound characterized by the presence of aromatic ring structure bearing one or more hydroxyl groups. Phenolics are the most abundant secondary metabolites of plants ranging from simple molecules such as phenolic acid to highly polymerized substances such as tannins. Classes of phenolics have been characterized on the basis of their basic skeleton.

No. of carbon atoms Basic skeleton Klasse
6 C6 Simple phenols
7 C6 - C1 Phenolic acids
8 C6 - C2 Acetophenone, Phenyle acetic acid
9 C6 - C3 Phenylepropanoids, hydroxycinnamic acid, coumarins
10 C6 - C4 Naphthoquinone
13 C6 - C1- C6 Xanthone
14 C6 - C2 - C6 Stilbene, anthraquinone
15 C6 - C3 - C6 Flavonoids, isoflavanoids
18 (C6 - C3 ) 2 lignans, neolignans
30 ( C6 - C3 - C6)2 Biflavonoids

An example of a plant phenol is:

Alkaloids Edit

Alkaloide are a diverse group of nitrogen-containing basic compounds. They are typically derived from plant sources and contain one or more nitrogen atoms. Chemically they are very heterogeneous. Based on chemical structures, they may be classified into two broad categories:

  • Non heterocyclic or atypical alkaloids, for example hordenine or n-methyltyramine, colchicine, and taxol
  • Heterocyclic or typical alkaloids, for example quinine, caffeine, and nicotine

Examples of alkaloids produced by plants are:

    , present in Datura stramonium , present in Atropa belladonna, deadly nightshade , present in Erythroxylum coca the Coca plant , present in the Nachtschattengewächse (nightshade) plant family and morphine, present in Papaver somniferum, the opium poppy and vinblastine, mitotic inhibitors found in Catharanthus roseus, the rosy periwinkle

Many alkaloids affect the central nervous system of animals by binding to neurotransmitter receptors.

Glucosinolates Edit

Glucosinolates are secondary metabolites that include both sulfur and nitrogen atoms, and are derived from glucose, an amino acid and sulfate.

An example of a glucosinolate in plants are:

Many drugs used in modern medicine are derived from plant secondary metabolites.

The two most commonly known terpenoids are artemisinin and paclitaxel. Artemisinin was widely used in Traditional Chinese medicine and later rediscovered as a powerful antimalarial by a Chinese scientist Tu Youyou. She was later awarded the Nobel Prize for the discovery in 2015. Currently, the malaria parasite, Plasmodium falciparum, has become resistant to artemisinin alone and the World Health Organization recommends its use with other antimalarial drugs for a successful therapy. Paclitaxel the active compound found in Taxol is a chemotherapy drug used to treat many forms of cancers including ovarian cancer, breast cancer, lung cancer, Kaposi sarcoma, cervical cancer, and pancreatic cancer. [14] Taxol was first isolated in 1973 from barks of a coniferous tree, the Pacific Yew. [fünfzehn]

Morphine and codeine both belong to the class of alkaloids and are derived from opium poppies. Morphine was discovered in 1804 by a German pharmacist Friedrich Sertürnert. It was the first active alkaloid extracted from the opium poppy. It is mostly known for its strong analgesic effects, however, morphine is also used to treat shortness of breath and treatment of addiction to stronger opiates such as heroin. [16] [17] Despite its positive effects on humans, morphine has very strong adverse effects, such as addiction, hormone imbalance or constipation. [17] [18] Due to its highly addictive nature morphine is a strictly controlled substance around the world, used only in very severe cases with some countries underusing it compared to the global average due to the social stigma around it. [19]

Codeine, also an alkaloid derived from the opium poppy, is considered the most widely used drug in the world according to World Health Organization. It was first isolated in 1832 by a French chemist Pierre Jean Robiquet, also known for the discovery of caffeine and a widely used red dye alizarin. [21] Primarily codeine is used to treat mild pain and relief coughing [22] although in some cases it is used to treat diarrhea and some forms of irritable bowel syndrome. [22] Codeine has the strength of 0.1-0.15 compared to morphine ingested orally, [23] hence it is much safer to use. Although codeine can be extracted from the opium poppy, the process is not feasible economically due to the low abundance of pure codeine in the plant. A chemical process of methylation of the much more abundant morphine is the main method of production. [24]

Atropine is an alkaloid first found in Atropa belladonna, a member of the nightshade family. While atropine was first isolated in the 19th century, its medical use dates back to at least the fourth century B.C. where it was used for wounds, gout, and sleeplessness. Currently atropine is administered intraveinously to treat bradycardia and as an antidote to organophosphate poisoning. Overdosing of atropine may lead to atropine poisoning which results in side effects such as blurred vision, nausea, lack of sweating, dry mouth and tachycardia. [25]

Resveratrol is a phenolic compound of the flavonoid class. It is highly abundant in grapes, blueberries, raspberries and peanuts. It is commonly taken as a dietary supplement for extending life and reducing the risk of cancer and heart disease, however no there is no strong evidence supporting its efficacy. [26] [27] Nevertheless, flavonoids are in general thought to have beneficial effects for humans. [ Zitat benötigt ] Certain studies shown that flavonoids have direct antibiotic activity. [28] A number of in vitro and limited in vivo studies shown that flavonoids such as quercetin have synergistic activity with antibiotics and are able to suppress bacterial loads. [29]

Digoxin is a cardiac glycoside first derived by William Withering in 1785 from the foxglove (Digitalis) Pflanze, Anlage. It is typically used to treat heart conditions such as atrial fibrillation, atrial flutter or heart failure. [30] Digoxin can, however, have side effects such as nausea, bradycardia, diarrhea or even life-threatening arrhythmia.

The three main classes of fungal secondary metabolites are: polyketides, nonribosomal peptides and terpenes. Although fungal secondary metabolites are not required for growth they play an essential role in survival of fungi in their ecological niche. [31] The most known fungal secondary metabolite is penicillin discovered by Alexander Fleming in 1928. Later in 1945, Fleming, alongside Ernst Chain and Howard Florey, received a Nobel Prize for its discovery which was pivotal in reducing the number of deaths in World War II by over 100,000. [32]

Examples of other fungal secondary metabolites are:

Lovastatin was the first FDA approved secondary metabolite to lower cholesterol levels. Lovastatin occurs naturally in low concentrations in oyster mushrooms, [33] red yeast rice, [34] and Pu-erh. [35] Lovastatin's mode of action is competitive inhibition of HMG-CoA reductase, and a rate-limiting enzyme responsible for converting HMG-CoA to mevalonate.

Fungal secondary metabolites can also be dangerous to humans. Claviceps purpurea, a member of the ergot group of fungi typically growing on rye, results in death when ingested. The build-up of poisonous alkaloids found in C. purpurea lead to symptoms such as seizures and spasms, diarrhea, paresthesias, Itching, psychosis or gangrene. Currently, removal of ergot bodies requires putting the rye in brine solution with healthy grains sinking and infected floating. [36]

Bacterial production of secondary metabolites starts in the stationary phase as a consequence of lack of nutrients or in response to environmental stress. Secondary metabolite synthesis in bacteria is not essential for their growth, however, they allow them to better interact with their ecological niche. The main synthetic pathways of secondary metabolite production in bacteria are b-lactam, oligosaccharide, shikimate, polyketide and non-ribosomal pathways. [37] Many bacterial secondary metabolites are toxic to mammals. When secreted those poisonous compounds are known as exotoxins whereas those found in the prokaryotic cell wall are endotoxins.

An example of a bacterial secondary metabolite with a positive and negative effect on humans is botulinum toxin synthesised by Clostridium botulinum. This exotoxin often builds up in incorrectly canned foods and when ingested blocks cholinergic neurotransmission leading to muscle paralysis or death. However, botulinum toxin also has multiple medical uses such as treatment of muscle spasticity, migraine and cosmetics use.

Examples of other bacterial secondary metabolites are:

Phenazine Edit

Polyketide Bearbeiten

Nonribosomal peptides Edit

    , from the soil bacterium Amycolatopsis orientalis. , von Actinoplanes strain ATCC 33076. , from Actinoplanes teicomyceticus. , von Brevibacillus brevis. , von Bacillus subtilis (Tracy strain). , von Paenibacillus polymyxa.

Ribosomal peptides Edit

Glucosides Edit

Alkaloids Edit

Selective breeding was used as one of the first biotechnological techniques used to reduce the unwanted secondary metabolites in food, such as naringin causing bitterness in grapefruit. [38] In some cases increasing the content of secondary metabolites in a plant is the desired outcome. Traditionally this was done using in-vitro plant tissue culture techniques which allow for: control of growth conditions, mitigate seasonality of plants or protect them from parasites and harmful-microbes. [ Zitat benötigt ] Synthesis of secondary metabolites can be further enhanced by introducing elicitors into a tissue plant culture, such as jasmonic acid, UV-B or ozone. These compounds induce stress onto a plant leading to increased production of secondary metabolites.

To further increase the yield of SMs new approaches have been developed. A novel approach used by Evolva uses recombinant yeast S. cerevisiae strains to produce secondary metabolites normally found in plants. The first successful chemical compound synthesised with Evolva was vanillin, widely used in the food beverage industry as flavouring. The process involves inserting the desired secondary metabolite gene into an artificial chromosome in the recombinant yeast leading to synthesis of vanillin. Currently Evolva produces a wide array of chemicals such as stevia, resveratrol or nootkatone.

Nagoya protocol Edit

With the development of recombinant technologies the Nagoya Protocol on Access to Genetic Resources and the Fair and Equitable Sharing of Benefits Arising from their Utilization to the Convention on Biological Diversity was signed in 2010. The protocol regulates the conservation and protection of genetic resources to prevent the exploitation of smaller and poorer countries. If genetic, protein or small molecule resources sourced from biodiverse countries become profitable a compensation scheme was put in place for the countries of origin. [39]


What is Exotoxin?

Exotoxins are soluble proteins which can act as enzymes. Being an enzyme, it can catalyze many biochemical reactions, and it is reusable. A small amount of exotoxins is enough to generate toxicity. They are secreted to the cell surrounding during their exponential growth or during cell lysis. Therefore, exotoxins are considered an extracellular component. Both gram-negative and gram-positive bacteria produce exotoxins.

Exotoxins are more toxic than endotoxins. Furthermore, they are specific to certain bacterial strains. They produce diseases only specific to that toxin. Zum Beispiel, Clostridium tetani produce tetanus toxin. Sometimes exotoxins act in very remote regions from where they originate by the growth or lysis. Exotoxins can destroy a part of host cells or inhibit their function.

Figure 02: Immune Response to Exotoxins

There are three types of exotoxins: enterotoxins, neurotoxins, and cytotoxins. Their names give an indication of the site of action. Enterotoxins act on the lining of the gastrointestinal tract while neurotoxins act on the function of neurons, and cytotoxins damage the functioning of host cells. Cholera, diphtheria, and tetanus are diseases that arise due to exotoxins. In fact, exotoxins are highly antigenic. Hence, they can stimulate the immune system. By stimulating the immune system, they produce antitoxins to neutralize the toxin.


6.2: The Ability to Produce Harmful Exotoxins: An Overview - Biology

Mechanisms of Bacterial Pathogenicity (page 1)

EIN Erreger is a microorganism that is able to cause disease in a plant, animal or insect. Pathogenicity is the ability to produce disease in a host organism. Microbes express their pathogenicity by means of their virulence, a term which refers to the degree of pathogenicity of the microbe. Hence, the determinants of virulence of a pathogen are any of its genetic or biochemical or structural features that enable it to produce disease in a host.

The relationship between a host and a pathogen is dynamic, since each modifies the activities and functions of the other. The outcome of such a relationship depends on the virulence of the pathogen and the relative degree of resistance or susceptibility of the host, due mainly to the effectiveness of the host defense mechanisms.


Staphylococcus aureus , arguably the most prevalent pathogen of humans, may cause up to one third of all bacterial diseases ranging from boils and pimples to food poisoning, to septicemia and toxic shock. Electron micrograph from Visuals Unlimited, with permission.

The Underlying Mechanisms of Bacterial Pathogenicity

Two broad qualities of pathogenic bacteria underlie the means by which they cause disease:

1. Invasiveness is the ability to invade tissues. It encompasses mechanisms for Kolonisation (adherence and initial multiplication), production of extracellular substances which facilitate invasion ( invasins ) and ability to bypass or overcome host defense mechanisms.

2. Toxigenesis is the ability to produce toxins. Bacteria may produce two types of toxins called exotoxins und endotoxins. Exotoxins are released from bacterial cells and may act at tissue sites removed from the site of bacterial growth. Endotoxins are cell-associated substance. (In a classic sense, the term endotoxin refers to the lipopolysaccharide component of the outer membrane of Gram-negative bacteria). However, endotoxins may be released from growing bacterial cells and cells that are lysed as a result of effective host defense (e.g. lysozyme) or the activities of certain antibiotics (e.g. penicillins and cephalosporins). Hence, bacterial toxins, both soluble and cell-associated, may be transported by blood and lymph and cause cytotoxic effects at tissue sites remote from the original point of invasion or growth. Some bacterial toxins may also act at the site of colonization and play a role in invasion.


Acid-fast stain of Mycobacterium tuberculosis, the agent of tuberculosis (TB). The bacteria are the small pink-staining rods. More than one-third of the world population is infected. The organism has caused more human deaths than any other bacterium in the history of mankind. Although its ability to produce disease is multifactorial, it is not completely understood. American Society of Microbiology, with permission.


Molekularbiologie der Zelle. 4. Auflage.

Unsere adaptive immune system saves us from certain death by infection. An infant born with a severely defective adaptive immune system will soon die unless extraordinary measures are taken to isolate it from a host of infectious agents, including bacteria, viruses, fungi, and parasites. Indeed, all multicellular organisms need to defend themselves against infection by such potentially harmful invaders, collectively called pathogens. Invertebrates use relatively simple defense strategies that rely chiefly on protective barriers, toxic molecules, and phagocytic cells that ingest and destroy invading microorganisms (microbes) and larger parasites (such as worms). Vertebrates, too, depend on such innate immune responses as a first line of defense (discussed in Chapter 25), but they can also mount much more sophisticated defenses, called adaptive immune responses. The innate responses call the adaptive immune responses into play, and both work together to eliminate the pathogens (Figure 24-1). Unlike innate immune responses, the adaptive responses are highly specific to the particular pathogen that induced them. They can also provide long-lasting protection. A person who recovers from measles, for example, is protected for life against measles by the adaptive immune system, although not against other common viruses, such as those that cause mumps or chickenpox. In this chapter, we focus mainly on adaptive immune responses, and, unless we indicate otherwise, the term immune responses refers to them. We discuss innate immune responses in detail in Chapter 25.

Figure 24-1

Innate and adaptive immune responses. Innate immune responses are activated directly by pathogens and defend all multicellular organisms against infection. In vertebrates, pathogens, together with the innate immune responses they activate, stimulate adaptive (more. )

The function of adaptive immune responses is to destroy invading pathogens and any toxic molecules they produce. Because these responses are destructive, it is crucial that they be made only in response to molecules that are foreign to the host and not to the molecules of the host itself. The ability to distinguish what is ausländisch from what is selbst in this way is a fundamental feature of the adaptive immune system. Occasionally, the system fails to make this distinction and reacts destructively against the host's own molecules. Eine solche autoimmune diseases can be fatal.

Of course, many foreign molecules that enter the body are harmless, and it would be pointless and potentially dangerous to mount adaptive immune responses against them. Allergic conditions such as hayfever and asthma are examples of deleterious adaptive immune responses against apparently harmless foreign molecules. Such inappropriate responses are normally avoided because the innate immune system calls adaptive immune responses into play only when it recognizes molecules characteristic of invading pathogens called pathogen-associated immunostimulants (discussed in Chapter 25). Moreover, the innate immune system can distinguish between different classes of pathogens and recruit the most effective form of adaptive immune response to eliminate them.

Any substance capable of eliciting an adaptive immune response is referred to as an antigen (antiKarosserie Generator). Most of what we know about such responses has come from studies in which an experimenter tricks the adaptive immune system of a laboratory animal (usually a mouse) into responding to a harmless foreign molecule, such as a foreign protein. The trick involves injecting the harmless molecule together with immunostimulants (usually microbial in origin) called adjuvants, which activate the innate immune system. This process is called immunization. If administered in this way, almost any macromolecule, as long as it is foreign to the recipient, can induce an adaptive immune response that is specific to the administered macromolecule. Remarkably, the adaptive immune system can distinguish between antigens that are very similar—such as between two proteins that differ in only a single amino acid, or between two optical isomers of the same molecule.

Adaptive immune responses are carried out by white blood cells called lymphocytes. There are two broad classes of such responses𠅊ntibody responses und cell-mediated immune responses, and they are carried out by different classes of lymphocytes, called B cells and T cells, respectively. In antibody responses, B cells are activated to secrete antibodies, which are proteins called immunoglobulins. The antibodies circulate in the bloodstream and permeate the other body fluids, where they bind specifically to the foreign antigen that stimulated their production (Figure 24-2). Binding of antibody inactivates viruses and microbial toxins (such as tetanus toxin or diphtheria toxin) by blocking their ability to bind to receptors on host cells. Antibody binding also marks invading pathogens for destruction, mainly by making it easier for phagocytic cells of the innate immune system to ingest them.

Figure 24-2

The two main classes of adaptive immune responses. Lymphocytes carry out both classes of responses. Here, the lymphocytes are responding to a viral infection. In one class of response, B cells secrete antibodies that neutralize the virus. In the other, (more. )

In cell-mediated immune responses, the second class of adaptive immune response, activated T cells react directly against a foreign antigen that is presented to them on the surface of a host cell. The T cell, for example, might kill a virus-infected host cell that has viral antigens on its surface, thereby eliminating the infected cell before the virus has had a chance to replicate (see Figure 24-2). In other cases, the T cell produces signal molecules that activate macrophages to destroy the invading microbes that they have phagocytosed.

We begin this chapter by discussing the general properties of lymphocytes. We then consider the functional and structural features of antibodies that enable them to recognize and neutralize extracellular microbes and the toxins they make. Next, we discuss how B cells can produce a virtually unlimited number of different antibody molecules. Finally, we consider the special features of T cells and the cell-mediated immune responses they are responsible for. Remarkably, T cells can detect microbes hiding inside host cells and either kill the infected cells or help other cells to eliminate the microbes.

  • Lymphocytes and the Cellular Basis of Adaptive Immunity
  • B Cells and Antibodies
  • The Generation of Antibody Diversity
  • T Cells and MHC Proteins
  • Helper T Cells and Lymphocyte Activation
  • Verweise

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Bemerkungen:

  1. Nijora

    Matchloses Thema ....

  2. Kagataur

    Ich gratuliere, Sie wurden mit einfach brillanter Idee besucht

  3. Mazull

    Ich entschuldige mich, aber meiner Meinung nach geben Sie den Fehler zu. Ich kann es beweisen. Schreiben Sie mir in PM.

  4. Eman

    Thema gelesen?



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