Informacija

6.2: Sposobnost proizvodnje štetnih egzotoksina: Pregled - Biologija

6.2: Sposobnost proizvodnje štetnih egzotoksina: Pregled - Biologija



We are searching data for your request:

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

ciljevi učenja

  1. Definirajte egzotoksin i navedite tri vrste egzotoksina.
  2. Navedite glavni način na koji se tijelo brani od egzotoksina.

Egzotoksini (def) su toksini, često proteini u prirodi, koji se izlučuju iz žive bakterije, ali se također oslobađaju bakterijskom lizom. Osim toga, neke bakterije koriste različite sustave izlučivanja kao što je sustav izlučivanja tipa 3 za ubrizgavanje toksina izravno u ljudske stanice. (Kao što smo ranije saznali, lipopolisaharid ili LPS dio gram-negativne bakterijske stanične stijenke poznat je kao endotoksin (def), PAMP koji može inicirati pretjerani upalni odgovor u domaćinu. Izvorno se zvao endotoksin jer se nalazio unutar gram-negativne stanične stijenke, za razliku od toga što se izlučuje iz bakterija kao u slučaju egzotoksina.)

Nisu svi egzotoksini nužno proizvedeni da naškode ljudima. Neki mogu biti dizajnirani da igraju ulogu u fiziologiji bakterija, kao što je otpor bakteriofaga, reguliranje stanične funkcije ili prepoznavanje kvoruma. Drugi se toksini mogu proizvoditi prvenstveno za ciljanje protozoa, insekata i manjih životinja, a oštećenje ljudskih stanica postaje slučajna nuspojava.

Postoje tri glavne vrste egzotoksina:

  1. superantigeni (Toksini tipa I);
  2. egzotoksini koji oštećuju stanične membrane domaćina (toksini tipa II); i
  3. A-B toksini i drugi toksini koji ometaju funkciju stanice domaćina (Toksini tipa III).

Tijelo je glavni obrana od egzotoksina je proizvodnja od antitoksinska antitijela. Jednom kada se antitijelo veže na egzotoksin, toksin se više ne može vezati za receptore na membrani stanice domaćina.

Sada ćemo pogledati svaku od ove tri vrste egzotoksina.

Sažetak

  1. Egzotoksini su toksini, često proteinske prirode, izlučeni iz žive bakterije.
  2. Neke bakterije koriste različite sustave izlučivanja kako bi ubrizgale toksine izravno u ljudske stanice.
  3. Postoje tri glavne vrste egzotoksina: superantigeni (toksini tipa I); egzotoksini koji oštećuju stanične membrane domaćina (toksini tipa II); i A-B toksini i drugi toksini koji ometaju funkciju stanice domaćina (toksini tipa III).
  4. Glavna obrana tijela od egzotoksina je proizvodnja antitoksinskih protutijela. Jednom kada se antitijelo veže na egzotoksin, toksin se više ne može vezati za receptore na membrani stanice domaćina.

Pitanja

Studija materijal u ovom odjeljku, a zatim napisati odgovori na ova pitanja. Nemoj samo kliknite na odgovore i napišite ih. Ovo neće testirati vaše razumijevanje ovog vodiča.

  1. Navedite tri vrste egzotoksina.
    1. (odgovor)
    2. (odgovor)
    3. (odgovor)
  2. Definirajte egzotoksin. (odgovor)
  3. Glavna obrana tijela od egzotoksina je ________________________________________________. (odgovor)


Što znamo o mutacijama životinja u Černobilu

Nesreća u Černobilu 1986. godine rezultirala je jednim od najvećih nenamjernih ispuštanja radioaktivnosti u povijesti. Grafitni moderator reaktora 4 bio je izložen zraku i zapaljen, ispucavajući oblake radioaktivnih padavina širom današnje Bjelorusije, Ukrajine, Rusije i Europe. Iako malo ljudi sada živi u blizini Černobila, životinje koje žive u blizini nesreće omogućuju nam proučavanje učinaka radijacije i mjerenje oporavka od katastrofe.

Većina domaćih životinja udaljila se od nesreće, a one deformirane domaće životinje koje su rođene nisu se razmnožavale. Nakon prvih nekoliko godina nakon nesreće, znanstvenici su se usredotočili na proučavanje divljih životinja i kućnih ljubimaca koji su bili ostavljeni, kako bi saznali o utjecaju Černobila.

Iako se nesreća u Černobilu ne može usporediti s učincima nuklearne bombe jer se izotopi oslobođeni iz reaktora razlikuju od onih proizvedenih nuklearnim oružjem, i nesreće i bombe uzrokuju mutacije i rak.

Ključno je proučiti učinke katastrofe kako bi se pomoglo ljudima da razumiju ozbiljne i dugotrajne posljedice nuklearnih ispuštanja. Štoviše, razumijevanje učinaka Černobila može pomoći čovječanstvu da reagira na druge nesreće nuklearnih elektrana.


Sadržaj

Bakterije stvaraju toksine koji se mogu klasificirati kao egzotoksini ili endotoksini. Generiraju se egzotoksini i aktivno izlučeni endotoksini ostaju dio bakterija. Obično je endotoksin dio vanjske membrane bakterije i ne oslobađa se sve dok imunološki sustav ne ubije bakteriju. Odgovor tijela na endotoksin može uključivati ​​tešku upalu. Općenito, upalni proces se obično smatra korisnim za zaraženog domaćina, ali ako je reakcija dovoljno teška, može dovesti do sepse.

Neki se bakterijski toksini mogu koristiti u liječenju tumora. [2]

Toksinoza je patogeneza uzrokovana samim bakterijskim toksinom, a ne uključuje nužno bakterijsku infekciju (npr. kada su bakterije umrle, ali su već proizvele toksin, koji se proguta). Može biti uzrokovano Staphylococcus aureus toksini, na primjer. [3]

Cijanobakterije su važne autotrofne bakterije u hranidbenoj mreži vode. Eksplozije cijanobakterija poznatih kao cvjetanje algi mogu proizvesti toksine štetne i za ekosustav i za ljudsko zdravlje. Detekcija opsega cvjetanja algi počinje uzimanjem uzoraka vode na različitim dubinama i mjestima u cvatu. [4]

Praćenje toksina adsorpcije u čvrstoj fazi (SPATT) Uredi

SPATT je koristan alat za praćenje cvjetanja algi jer je pouzdan, osjetljiv i jeftin. Jedna od mana je što ne daje baš dobre rezultate za vodotopive toksine u usporedbi s hidrofobnim spojevima. Ovaj alat se uglavnom koristi za određivanje međustaničnih koncentracija toksina, ali se cijanobakterije također mogu lizirati kako bi se odredila ukupna količina toksina u uzorku. [4]

Lančana reakcija polimeraze (PCR) Uredi

PCR je molekularni alat koji omogućuje analizu genetskih informacija. PCR se koristi za povećanje količine određene DNK unutar uzorka koji su obično specifični geni unutar uzorka. Genetske mete za cijanobakterije u PCR-u uključuju 16S ribosomalni RNA gen, fikocijanin operon, unutarnju transkribiranu razmaknicu i gen RNA polimeraze β podjedinice. PCR je učinkovit kada je poznat gen poznatog enzima za proizvodnju mikrobnog toksina ili sam mikrobni toksin. [4]

Inhibicija enzima Uredi

Postoji mnogo različitih načina praćenja razine enzima korištenjem inhibicije enzima. Općenito načelo u mnogim od njih je korištenje spoznaje da mnoge enzime pokreću spojevi koji oslobađaju fosfate kao što je adenozin trifosfat. Korištenjem radioaktivno obilježenog 32 P fosfata može se koristiti fluorometrijska analiza. Ili se jedinstveni polimeri mogu koristiti za imobilizaciju enzima i djelovanje u elektrokemijskom biosenzoru. Sveukupno, prednosti uključuju brzo vrijeme odgovora i malu pripremu uzorka. Neki od nedostataka uključuju nedostatak specifičnosti u smislu mogućnosti dobivanja očitanja vrlo malih količina toksina i krutost testova u primjeni određenih postupaka na različite toksine. [4]

Imunokemijske metode Uredi

Ova metoda detekcije koristi protutijela sisavaca za vezanje na mikrobne toksine koji se zatim mogu obraditi na različite načine. Od komercijalnih načina korištenja imunokemijske detekcije bio bi enzimski imunosorbentni testovi (ELISA). Prednost ovog testa je što može provjeriti širok raspon toksina, ali može imati problema sa specifičnošću ovisno o korištenom antitijelu. [4] Egzotičnija postavka uključuje korištenje CdS kvantnih točaka koje se koriste u elektro-kemiluminiscentnom imunosenzoru. [5] Glavni aspekt imunokemijskih metoda koje se testiraju u laboratorijima je uporaba nanožica i drugih nanomaterijala za otkrivanje mikrobnih toksina. [4]

U svijetu postoji preko 200 vrsta Clostridium koje žive na svjetovnim mjestima kao što su tlo, voda, prašina, pa čak i naš probavni trakt. Neke od ovih vrsta proizvode štetne toksine kao što su botulinum toksin i tetanus toksin, između ostalih. Većina vrsta klostridija koje imaju toksine obično imaju binarne toksine pri čemu je prva jedinica uključena u unos toksina u stanicu, a druga jedinica uzrokuje stanični stres ili deformaciju. [6]

Botulinum neurotoksin Uredi

botulinum neurotoksini (BoNT) uzročnici su smrtonosne bolesti botulizma zbog trovanja hranom i mogu predstavljati veliku prijetnju biološkom ratu zbog svoje ekstremne toksičnosti i lakoće proizvodnje. Oni također služe kao moćni alati za liječenje sve većeg popisa zdravstvenih stanja. [7]

Tetanus toksin Uredi

Clostridium tetani proizvodi tetanusni toksin (TeNT protein), što dovodi do smrtonosnog stanja poznatog kao tetanus kod mnogih kralježnjaka (uključujući ljude) i beskralježnjaka.

Ove toksine proizvode vibrio vrste bakterija i vole se akumulirati u morskom životu kao što je riba puhač. Ovi toksini nastaju kada su vibrio bakterije pod stresom promjenama temperature i saliniteta okoliša što dovodi do stvaranja toksina. Glavna opasnost za ljude je tijekom konzumiranja kontaminirane morske hrane. Trovanje tetrodotoksinom postaje uobičajeno u sjevernijim i tipično hladnijim morskim vodama jer veće oborine i toplije vode zbog klimatskih promjena pokreću vibrio bakterije da proizvode toksine. [8]

Proteini imunološke evazije iz Staphylococcus aureus imaju značajno očuvanje proteinskih struktura i niz aktivnosti koje su sve usmjerene na dva ključna elementa imuniteta domaćina, komplementa i neutrofila. Ovi izlučeni čimbenici virulencije pomažu bakteriji u preživljavanju mehanizama imunološkog odgovora. [9]

Do sada je opisan samo jedan virusni toksin: NSP4 iz rotavirusa. Inhibira sekretorni put posredovan mikrotubulima i mijenja organizaciju citoskeleta u polariziranim epitelnim stanicama. Identificiran je kao virusni enterotoksin na temelju opažanja da je protein uzrokovao proljev kada se davao intraperitonealno ili intra-ilealno kod dojenčadi miševa na način ovisan o dobi. [10] NSP4 može inducirati vodenu sekreciju u gastrointestinalnom traktu neonatalnih miševa aktivacijom anionske propusnosti plazma membrane ovisne o dobi i Ca2+. [11]


6.2: Sposobnost proizvodnje štetnih egzotoksina: Pregled - Biologija

Bakterijska toksigeneza

Toksigeneza, ili sposobnost proizvodnje toksina, temeljni je mehanizam kojim mnogi bakterijski patogeni proizvode bolest. Na kemijskoj razini, postoje dvije glavne vrste bakterijskih toksina, lipopolisaharidi, koji su povezani sa staničnom stijenkom gram-negativnih bakterija, i proteini, koji se oslobađaju iz bakterijskih stanica i mogu djelovati na tkivnim mjestima uklonjenim s mjesta rasta bakterija. The povezane sa stanicama otrovi se nazivaju endotoksini i izvanstanični difuzijski otrovi se nazivaju egzotoksini.

Endotoksini su tvari povezane sa stanicama koje su strukturne komponente bakterija. Većina endotoksina nalazi se u ovojnici stanice. U kontekstu ovog članka, endotoksin se posebno odnosi na lipopolisaharid (LPS) ili lipooligosaharid (LOS) koji se nalazi u vanjskoj membrani gram-negativnih bakterija. Iako su strukturne komponente stanica, topljivi endotoksini mogu se osloboditi iz rastućih bakterija ili iz stanica koje su lizirane kao rezultat učinkovitih obrambenih mehanizama domaćina ili djelovanjem određenih antibiotika. Endotoksini općenito djeluju u blizini rasta ili prisutnosti bakterija.

Egzotoksini obično ih luče bakterije i djeluju na mjestu udaljenom od rasta bakterija. Međutim, u nekim slučajevima egzotoksini se oslobađaju samo lizom bakterijske stanice. Egzotoksini su obično proteini, minimalno polipeptidi, koji djeluju enzimski ili izravnim djelovanjem na stanice domaćina i stimuliraju različite odgovore domaćina. Većina egzotoksina djeluje na tkivnim mjestima udaljenim od izvorne točke bakterijske invazije ili rasta. Međutim, neki bakterijski egzotoksini djeluju na mjestu kolonizacije patogena i mogu igrati ulogu u invaziji.

BAKTERIJSKI PROTEINSKI TOKSINI

Egzotoksine obično luče žive bakterije tijekom eksponencijalnog rasta. Proizvodnja toksina općenito je specifična za određenu bakterijsku vrstu koja uzrokuje bolest povezanu s toksinom (npr. samo Clostridium tetani proizvodi samo tetanusni toksin Corynebacterium diphtheriae proizvodi toksin difterije). Obično virulentni sojevi bakterije proizvode toksin, dok nevirulentni sojevi ne proizvode, a toksin je glavna determinanta virulencije (npr. tetanus i difterija). Nekada se smatralo da je proizvodnja egzotoksina ograničena uglavnom na Gram-pozitivne bakterije, ali jasno je da i Gram-pozitivne i Gram-negativne bakterije proizvode topljive proteinske toksine.

Bakterijski proteinski toksini najmoćniji su poznati ljudski otrovi i zadržavaju visoku aktivnost pri vrlo visokim razrjeđenjima. Smrtonosnost najjačih bakterijskih egzotoksina uspoređuje se sa smrtnošću strihnina, zmijskog otrova i endotoksina u tablici 1 u nastavku.

TABLICA 1. SMRTNOST BAKTERIJSKIH PROTEINSKIH TOKSINA

Toksin
Toksična doza (mg)
Domaćin
Smrtonosna toksičnost
u usporedbi sa:



Strihnin endotoksin (LPS) Zmijski otrov
Botulinski toksin 0,8x10 -8 Miš 3x10 6 3x10 7 3x10 5
Tetanus toksin 4x10 -8 Miš 1x10 6 1x10 7 1x10 5
Shiga toksin 2,3x10 -6 Zec 1x10 6 1x10 7 1x10 5
Toksin difterije 6x10 -5 zamorac 2x10 3 2x10 4 2x10 2

Obično mjesto oštećenja uzrokovano egzotoksinom označava mjesto djelovanja tog toksina. Pojmovi kao što su enterotoksin, neurotoksin, leukocidin ili hemolizin su opisni pojmovi koji označavaju ciljno mjesto nekih dobro definiranih proteinskih toksina. Nekoliko bakterijskih toksina koji očito uzrokuju smrt životinje poznati su jednostavno kao smrtonosni toksinii iako su zahvaćena tkiva i ciljno mjesto ili supstrat mogu biti poznati, precizan mehanizam po kojem dolazi do smrti nije jasan (npr. antraks LF).

Neki se bakterijski toksini koriste kao invazini jer djeluju lokalno kako bi potaknuli invaziju bakterija. Primjeri su ekstracelularni enzimi koji razgrađuju tkivne matrice ili fibrin, dopuštajući bakterijama da se šire. To uključuje kolagenazu, hijaluronidazu i streptokinazu. Drugi toksini, koji se također smatraju invazinima, razgrađuju komponente membrane, kao što su fosfolipaze i lecitinaze. Toksini koji stvaraju pore koji umeću pore u eukariotske membrane također se smatraju invazinima, ali će ih ovdje razmotriti.

Neki proteinski toksini imaju vrlo specifična citotoksična aktivnost (tj. napadaju određene vrste stanica). Na primjer, tetanus i botulinum toksini napadaju samo neurone. Ali neki toksini (kako ih proizvode stafilokoki, streptokoki, klostridije, itd.) imaju prilično široka citotoksična aktivnost i uzrokuju nespecifičnu smrt različitih vrsta stanica ili oštećenje tkiva, što na kraju rezultira nekrozom. Toksini koji su fosfolipaze djeluju na taj način. To vrijedi i za hemolizine i leukocidine koji stvaraju pore.

Bakterijski proteinski toksini su jaki antigenski. In vivo, specifično antitijelo neutralizira toksičnost ovih bakterijskih egzotoksina (antitoksin). Međutim, in vitro, specifični antitoksin možda neće u potpunosti inhibirati njihovu aktivnost. To sugerira da se antigenska determinanta toksina može razlikovati od aktivnog dijela proteinske molekule. Stupanj neutralizacije aktivnog mjesta može ovisiti o udaljenosti od antigenskog mjesta na molekuli. Međutim, budući da je toksin potpuno neutraliziran in vivo, to sugerira da drugi čimbenici domaćini moraju igrati ulogu u neutralizaciji toksina u prirodi.

Proteinski egzotoksini su inherentni nestabilan. S vremenom gube svoja toksična svojstva, ali zadržavaju antigena. To je prvi otkrio Ehrlich koji je skovao izraz "toksoid" za ovaj proizvod. Toksoidi su detoksificirani toksini koji zadržavaju svoju antigenost i sposobnost imunizacije. Stvaranje toksoida može se ubrzati tretiranjem toksina raznim reagensima uključujući formalin, jod, pepsin, askorbinsku kiselinu, ketone, itd. Smjesa se održava na 37 stupnjeva pri pH rasponu od 6 do 9 nekoliko tjedana. Dobiveni toksoidi mogu se koristiti za umjetna imunizacija protiv bolesti uzrokovanih patogenima gdje je primarna determinanta virulencije bakterija proizvodnja toksina. Toksoidi su učinkovita imunizirajuća sredstva protiv difterije i tetanusa koji su dio DPT (DTP) cjepiva.

Toksini s enzimskom aktivnošću

Kao proteini, mnogi bakterijski toksini nalikuju enzimima na više načina. Poput enzima, jesu denaturiran toplinom, kiseli i proteolitički enzimi, oni djelovati katalitički, i izlažu specifičnost djelovanja. The supstrat (u domaćinu) može biti sastavni dio stanica tkiva, organa ili tjelesne tekućine.

Raspored podjedinica A plus B

Mnogi proteinski toksini, osobito oni koji djeluju intracelularno (s obzirom na stanice domaćina), sastoje se od dvije komponente: jedne komponente (podjedinica A) odgovoran je za enzimska aktivnost toksina druga komponenta (podjedinica B) bavi se obvezujući do specifičnog receptora na membrani stanice domaćina i prijenos enzima preko membrane. Enzimska komponenta nije aktivna sve dok se ne oslobodi iz prirodnog (A+B) toksin. Izolirane A podjedinice su enzimski aktivne, ali nemaju sposobnost vezanja i ulaska u stanicu. Izolirane B podjedinice mogu se vezati za ciljne stanice (pa čak i blokirati vezanje nativnog toksina), ali su netoksične.

Postoji niz načina na koje se podjedinice toksina mogu sintetizirati i rasporediti: A + B označava da se toksin sintetizira i izlučuje kao dvije odvojene proteinske podjedinice koje međusobno djeluju na površini ciljane stanice A-B ili A-5B ukazuje da se A i B podjedinice sintetiziraju odvojeno, ali su povezane nekovalentnim vezama tijekom izlučivanja i vezanja za njihov cilj 5B označava da se vezna domena proteina sastoji od 5 identičnih podjedinica. A/B označava toksin sintetiziran kao jedan polipeptid, podijeljen na A i B domene koje se mogu odvojiti proteolitičkim cijepanjem.

Vezanje i ulazak toksina

Ima ih barem dva mehanizma ulaska toksina u ciljne stanice.

U jednom mehanizmu tzv izravan ulazak, B podjedinica prirodnog (A+B) toksina veže se na specifični receptor na ciljnoj stanici i inducira stvaranje pora u membrani kroz koju se A podjedinica prenosi u staničnu citoplazmu.

U alternativnom mehanizmu, nativni toksin se veže na ciljnu stanicu i A+B struktura se u stanicu unosi postupkom endocitoza posredovana receptorima (RME). Toksin se internalizira u stanici u membrani zatvorenoj vezikuli zvanoj an endosom. H + ioni ulaze u endosom smanjujući unutarnji pH što uzrokuje razdvajanje A+B podjedinica. B podjedinica utječe na oslobađanje podjedinice A iz endosoma tako da će doći do cilja u staničnoj citoplazmi. B podjedinica ostaje u endosomu i reciklira se na površinu stanice.

U oba gore navedena slučaja, velika proteinska molekula mora se umetnuti u membranski lipidni dvosloj i prijeći ga, bilo staničnu membranu ili membranu endosoma. Ova aktivnost se ogleda u sposobnosti većine A+B ili A/B toksina, ili njihovih B komponenti, da se umetnu u umjetne lipidne dvosloje, stvarajući ionsko propusne putove. Ako B podjedinica sadrži hidrofobnu regiju (aminokiselina) koja se umeće u membranu (kao u slučaju toksina difterije), može se nazvati T (translokacijskom) domenom toksina.

Poznato je da nekoliko bakterijskih toksina (npr. difterija) koristi i izravan ulazak i RME za ulazak u stanice domaćina, što nije iznenađujuće budući da su oba mehanizma varijacije na temu. Bakterijski toksini sa sličnim enzimskim mehanizmima mogu ući u svoje ciljne stanice različitim mehanizmima. Dakle, toksin difterije i Pseudomonas egzotoksin A, koji ima identične mehanizme enzimske aktivnosti, ulazi u stanice domaćina na malo različite načine. Toksin adenilat ciklaze Bordetella pertussis (pertussis AC) i antraks EF koju proizvodi Bacillus anthracis, djeluju slično kako bi katalizirali proizvodnju cAMP iz intracelularnih ATP rezervi stanice domaćina. Međutim, toksin antraksa ulazi u stanice endocitozom posredovanom receptorom, dok pertusis adenilat ciklaza prolazi izravno kroz staničnu membranu.

The specifični receptori jer B podjedinica toksina na ciljnim stanicama ili tkivima obično su sialogangliozidi (glikoproteini) tzv. G-proteini na staničnoj membrani. Na primjer, toksin kolere koristi gangliozid GM1, a toksin tetanusa koristi gangliozid GT1 i/ili GD1b kao receptore na stanicama domaćina.

Najpoznatiji i proučavan bakterijski toksin je toksin difterije, koji proizvodi Corynebacterium diphtheriae. Toksin difterije je bakterijski egzotoksin A/B prototipa. Proizvodi se kao jedan polipeptidni lanac s molekularnom težinom od 60.000 daltona. Funkcija proteina se može razlikovati u dva dijela: podjedinica A, s m.w. od 21 000 daltona, sadrži enzimsku aktivnost za inhibiciju faktora elongacije-2 uključenog u podjedinicu B sinteze proteina domaćina, s m.w. od 39 000 daltona, odgovoran je za vezanje na membranu osjetljive stanice domaćina. B podjedinica posjeduje regiju T (translokaciju) domenu koja se umeće u endosomsku membranu čime osigurava oslobađanje enzimske komponente u citoplazmu.

Slika 1. Toksin difterije (Dtx). A (crvena) je katalitička domena B (žuta) je vezna domena koja prikazuje receptor za vezivanje stanice T (plava) je hidrofobna domena odgovorna za umetanje u membranu endosoma kako bi se osiguralo oslobađanje A. Protein je ilustriran na svoju "zatvorenu" konfiguraciju.

In vitro, prirodni toksin se proizvodi u neaktivnom obliku koji se može aktivirati proteolitičkim enzimom tripsinom u prisutnosti tiola (reducirajući agens). Enzimska aktivnost fragmenta A maskirana je u netaknutom toksinu. Fragment B je potreban kako bi se omogućilo da fragment A stigne u citoplazmu osjetljivih stanica. C terminalni kraj fragmenta B je hidrofilan i sadrži determinante koje stupaju u interakciju sa specifičnim membranskim receptorima na osjetljivim staničnim membranama, a N-terminalni kraj fragmenta B (nazvan T domena) je snažno hidrofoban. Pokazalo se da je specifični membranski receptor za B fragment transmembranski protein koji veže heparin na površini osjetljive stanice.

Toksin difterije ulazi u svoje ciljne stanice bilo izravnim ulaskom ili endocitozom posredovanom receptorom. Prvi korak je ireverzibilno vezanje C-terminalnog hidrofilnog dijela fragmenta B (AA 432-535) na receptor. Tijekom RME, cijeli toksin se tada preuzima u endocitnu vezikulu. U vezikuli pH pada na oko 5 što omogućuje odvijanje A i B lanaca. To razotkriva hidrofobne regije i A i B lanaca koji se mogu umetnuti u membranu vezikula. Rezultat je izlaganje A lanca citoplazmatskoj strani membrane. Tamo redukcija i proteolitičko cijepanje oslobađa lanac A u citoplazmi. Fragment A se oslobađa kao produženi lanac, ali ponovno dobiva svoju aktivnu (enzimsku) globularnu konformaciju u citoplazmi. A lanac katalizira ADP ribozilaciju faktora elongacije-2 (EF-2) kao što je prikazano na slici 2.


Slika 2. Ulazak i aktivnost toksina difterije (Dtx) u osjetljivim stanicama. B domena toksina veže se na srodni receptor na osjetljivoj stanici. Toksin se preuzima u endosomu enkocitozom posredovanom receptorom. Zakiseljavanje endocitne vezikule omogućuje odvijanje A i B lanaca otkrivajući hidrofobnu T domenu toksina. T domena se umeće u endosomsku membranu translocirajući A fragment u citoplazmu gdje ponovno dobiva svoju enzimsku konfiguraciju. Enzimska komponenta A koristi NAD kao supstrat. On katalizira vezanje ADP-riboze dijela NAD-a na faktor elongacije (EF-2) koji inaktivira njegovu funkciju u sintezi proteina.

Tablica 2 opisuje nekoliko bakterijskih toksina s poznatim enzimskim djelovanjem i biološke učinke toksina na ljude.

TABLICA 2. BIOLOŠKI UČINCI NEKIH BAKTERIJSKIH EGZOTOKSINA UZ ENZIMSKO AKTIVNOST

TOKSIN (podjedinica arr)* ENZIMSKA AKTIVNOST BIOLOŠKI UČINCI
Toksin kolere (A-5B) ADP ribozilira regulatorni protein eukariotske adenilat ciklaze Gs Aktivira adenilat ciklazu, povećana razina intracelularnog cAMP-a potiče izlučivanje tekućine i elektrolita u crijevnom epitelu što dovodi do proljeva
Toksin difterije (A/B) ADP ribozilati faktor elongacije 2
Inhibira sintezu proteina u životinjskim stanicama što dovodi do smrti stanica
Pertusis toksin (A-5B) ADP ribozilatira adenilat ciklazu Gi regulatorni protein
Blokira inhibiciju adenilat ciklaze povećane razine cAMP-a utječu na aktivnost hormona i smanjuju fagocitnu aktivnost
E coli toplotno labilan toksin LT (A-5B) ADP ribozilira adenilat ciklazu Gs regulatorni protein Sličan ili identičan toksinu kolere
Shiga toksin (A/5B Glikozidaza cijepanje ribosomske RNA (cijepa jednu adeninsku bazu od 28S rRNA)
Inaktivira ribosomsku podjedinicu 60S sisavca i dovodi do inhibicije sinteze proteina i smrti osjetljivih stanica. Patologija je proljev, hemoragični kolitis (HC) i/ili hemolitičko-uremijski sindrom (HUS)
Pseudomonas egzotoksin A (A/B) ADP ribozilira faktor elongacije-2 analogno toksinu difterije
Inhibira sintezu proteina u osjetljivim stanicama, što dovodi do smrti stanica
botulinum toksin (A/B) Proteaza ovisna o Zn++ djeluje na sinaptobrevin na gangliozid motornih neurona
Inhibira presinaptičko oslobađanje acetilikolina iz perifernih kolinergičkih neurona što rezultira mlitavom paralizom
Tetanus toksin (A/B) Proteaza ovisna o Zn++ djeluje na sinaptobrevin u središnjem živčanom sustavu
Inhibira oslobađanje neurotransmitera iz inhibitornih neurona u CNS-u što rezultira spastičnom paralizom
Antraks toksin LF (A2+B) Metallo proteaza koja cijepa enzime MAPKK (mitogen-aktivirana protein kinaza kinaza)

U kombinaciji s B podjedinicom (PA), LF inducira oslobađanje citokina i smrt ciljnih stanica ili pokusnih životinja
Bordetella pertussis AC toksin (A/B) i Bacillus anthracis EF (A1+B)
Adenilat ciklaze regulirane kalmodulinom koje kataliziraju stvaranje cikličkog AMP iz ATP-a u osjetljivim stanicama, kao i stvaranje ionsko propusnih pora u staničnoj membrani
Povećava cAMP u fagocitima što dovodi do inhibicije fagocitoze od strane neutrofila i makrofaga također uzrokuje hemolizu i leukolizu
Staphylococcus aureus Piling B Cijepa desmoglein 1, kadherin koji se nalazi u dezmosomima u epidermi
(također superantigen)

Odvajanje granuloznog sloja epiderme, između živih slojeva i površinskih mrtvih slojeva.

* raspored podjedinica toksina: AB ili A-5B označava podjedinice sintetizirane odvojeno i povezane nekovalentnim vezama A/B označava domene podjedinica jednog proteina koje se mogu odvojiti proteolitičkim cijepanjem A+B označava podjedinice sintetizirane i izlučene kao zasebne proteinske podjedinice koje međusobno djeluju na površini ciljne stanice 5B ukazuje da je vezna domena sastavljena od 5 identičnih podjedinica.

Toksini koji tvore pore, kao što ime sugerira, ubacuju transmembranoznu poru u membranu stanice domaćina, čime se ometa selektivni priljev i izljev iona kroz membranu. Ova skupina toksina uključuje RTX toksine gram-negativnih bakterija, streptolizin O koji proizvodi S. pyogenes, i S. aureus alfa toksin. Općenito, ovi se toksini proizvode kao podjedinice koje se samosastavljaju kao pora na eukariotskoj membrani.

S. aureus alfa-toksin se smatra modelom oligomerizacije citotoksina koji stvaraju pore. Alfa-toksin se sintetizira kao prekursorska molekula od 319 aminokiselina koja sadrži signalni slijed N-terminala od 26 aminokiselina. Izlučeni zreli toksin, ili protomer, je hidrofilna molekula s molekulskom težinom od 33 kDa. Sedam protomera toksina sastavlja se u heptamer od 232 kDa u obliku gljive koji se sastoji od tri različite domene. Domena kapice i ruba heptamera smještena je na površini plazma membrane, dok matična domena služi kao transmembranski ionski kanal kroz membranu.

TABLICA 3. NEKI BAKTERIJSKI TOKSINI KOJI stvore pore

Toksin
Bakterijski izvor
Cilj
Bolest
perfringiolizin O
Clostridium perfringens
kolesterol
plinska gangrena
hemolizin
Escherichia coli
stanična membrana
UTI
listeriolizin
Listeria monocytogenes
kolesterol
sistemski meningitis
antraks EF
Bacillus anthracis
stanična membrana
antraks (edem)
alfa toksin Staphylococcus aureus
stanična membrana
apscesi
pneumolizin
Streptococcus pneumoniae
kolesterol
pneumonija upala srednjeg uha
streptolizin O
Streptococcus pyogenes
kolesterol
strep u grlu
leukocidin
Staphylococcus aureus membrana fagocita
piogene infekcije

Superantigeni: Toksini koji stimuliraju imunološki sustav

Nekoliko bakterijskih toksina može djelovati izravno na T stanice i stanice imunološkog sustava koje predstavljaju antigen. Oštećenje imunoloških funkcija ovih stanica toksinom može dovesti do ljudske bolesti. Jedna velika obitelj toksina u ovoj kategoriji su takozvani pirogeni egzotoksini koje proizvode stafilokoki i streptokoki, čije biološke aktivnosti uključuju snažnu stimulaciju imunološkog sustava, pirogenost i pojačavanje endotoksinskog šoka.

Pirogeni egzotoksini su izlučeni toksini od 22 kDa do 30 kDa, a uključuju stafilokokne enterotoksine serotipove A-E, G i H grupe A, pirogeni egzotoksini streptokoka A-C, stafilokokni eksfoliatin toksin i stafilokokni TSST-1.

Općenito, snažna imunostimulirajuća svojstva superantigena izravna su posljedica vezanja toksina na različite regije izvan rascjepa za vezanje peptida glavnih molekula klase II histokompatibilnosti (MHC II), izraženih na površini stanica koje predstavljaju antigen, i na specifični Vß elemenata na T-staničnom receptoru T-limfocita. To rezultira masivnom proliferacijom do 20% perifernih T stanica. Proliferaciju T-stanica prati masovno oslobađanje citokina iz limfocita (npr. interleukin-2, faktor nekroze tumora ß, gama interferon) i monocita (npr. IL-1, IL-6, faktor nekroze tumora a). Ovi citokini služe kao posrednici hipotenzije, visoke temperature i difuznog eritematoznog osipa koji su karakteristični za sindrom toksičnog šoka.

Stafilokokni enterotoksini su superantigeni, ali nije poznato pridonosi li ta aktivnost povraćanju ili proljevu karakterističnom za stafilokokno trovanje hranom.

Kontrola sinteze i otpuštanja proteinskih toksina

Regulacija sinteze i izlučivanja mnogih bakterijskih toksina strogo je kontrolirana regulatornim elementima koji su osjetljivi na signale iz okoline. Na primjer, proizvodnja toksina difterije potpuno je potisnuta dostupnošću adekvatnih količina željeza u mediju za rast bakterija. Samo u uvjetima ograničenih količina željeza u mediju za rast dolazi do smanjenja proizvodnje toksina. Ekspresija toksina kolere i srodnih čimbenika virulencije (adhezina) kontrolirana je osmolarnošću i temperaturom okoliša. U B. hripavac, indukcija različitih komponenata virulencije je poremećena, tako da se čimbenici vezivanja stvaraju u početku kako bi se uspostavila infekcija, a toksini se sintetiziraju i oslobađaju kasnije kako bi se suprotstavili obrambenim snagama domaćina i potaknuli preživljavanje bakterija.

Procesi kojima se proteinski toksini sastavljaju i izlučuju od strane bakterijskih stanica također su promjenjivi. Mnogi klasični egzotoksini sintetizirani su s NH terminalnim vodećim (signalnim) slijedom koji se sastoji od nekoliko (1-3) nabijenih aminokiselina i niza (14-20) hidrofobnih aminokiselina. Signalna sekvenca se može vezati i umetnuti u citoplazmatsku membranu tijekom translacije tako da se polipeptid izlučuje dok se sintetizira. Signalni peptid se cijepa dok se toksin (protein) oslobađa u periplazmu. Alternativno, toksin se može sintetizirati intracitoplazmatski, zatim vezati na vodeću sekvencu za prolaz kroz membranu. Često su potrebni proteini chaperone za vođenje ovog procesa. Neki višekomponentni toksini, kao što je toksin kolere, imaju svoje podjedinice sintetizirane i izlučene odvojeno u periplazmu gdje se skupljaju. Kod Gram negativnih bakterija vanjska membrana predstavlja dodatnu barijeru propusnosti koju proteinski toksin obično mora posredovati ako se želi osloboditi u topivom obliku. 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 konjugacija i transdukcija, can mobilize genetic elements between strains and species of bacteria. Horizontalni prijenos gena (HGT) of genes that encode virulence is known to occur between species of bacteria. This explains how E coli i 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. The 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. Oni su:

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.

Toksini: 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.

Toksini: 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.
  • The 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.


Sadržaj

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. [ potreban je citat ] 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 Ime Atomi ugljika
1 Hemiterpene C5
2 Monoterpene C10
3 Seskviterpeni 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 Razred
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

Alkaloidi 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 Solanaceae (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. [15]

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. [ potreban je citat ] 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) biljka. 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

Poliketidi Uredi

Nonribosomal peptides Edit

    , from the soil bacterium Amycolatopsis orientalis. , from Actinoplanes strain ATCC 33076. , from Actinoplanes teicomyceticus. , from Brevibacillus brevis. , from Bacillus subtilis (Tracy strain). , from 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. [ potreban je citat ] 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. Na primjer, 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)

A patogena 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. Dakle, 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 kolonizacija (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 i 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.


Molecular Biology of the Cell. 4. izdanje.

Naše adaptivni imunološki sustav 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 stranim from what is sebe 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. Takav 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 (antitijelo 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. Ovaj proces se zove imunizacija. 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 i cell-mediated immune responses, and they are carried out by different classes of lymphocytes, called B cells and T cells, respectively. U 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
  • Reference

Prema dogovoru s izdavačem, ovoj je knjizi moguće pristupiti pomoću značajke pretraživanja, ali je nije moguće pregledavati.


Gledaj video: Oddelek za biologijo - Katedra za ekologijo in varstvo okolja (Kolovoz 2022).