Характеристики на плазмидите

Особености на плазмидите - Раздел Образование, В. Павличенко и А. В. Абрамов · Плазмиден геном, представен само от двойноверижна ДНК. Възпроизвеждане на Pla.

Плазмидният геном е представен само от двойноверижна ДНК.
Възпроизвеждането на плазмидите става чрез самовъзпроизвеждане на тяхната ДНК и не изисква синтез на структурни протеини и процеси на самосглобяване.
Плазмидите живеят само в бактерии.
Плазмидите имат генни системи, които им дават способността да се самопренасят или да се мобилизират за прехвърляне от клетка в клетка.

Плазмидите, влизащи в бактериална клетка, не се размножават неконтролируемо в нея и не потискат функциите на бактериалната хромозома, а съжителстват с нея и сами контролират образуването на броя на възможните им копия на клетъчна хромозома. За разлика от вирусите, плазмидите не само не причиняват смъртта на клетките, които са тяхното естествено местообитание, но, напротив, много често ги даряват с важни допълнителни (селективни) свойства. Това е основната фундаментална биологична разлика между плазмидите и вирусите. Плазмидите чрез своето присъствие осигуряват възпроизвеждането на бактерии в неблагоприятни за тях условия (например в присъствието на химиотерапевтични лекарства) и, спасявайки бактериите от смърт, осигуряват тяхното собствено съществуване.

В бактериите много често се срещат криптични плазмиди, т.е. плазмиди, чиито функции все още не са установени. Следователно тяхната класификация несъмнено ще бъде прецизирана. Вече са известни плазмиди, които контролират различни фактори на бактериална патогенност (фактори на адхезия, фактори на инвазия и др.).

Таблица.8. Класификация на плазмидите според свойствата, които придават на своите носители

Категории	Имоти
F - плазмиди	Донорски функции
R - плазмиди	Лекарствена резистентност
Сол - плазмиди	Синтез на колицини
Ent - плазмиди	Синтез на ентеротоксини
Hly - плазмиди	Синтез на хемолизини
Биоразградими плазмиди	Разрушаване на различни органични и неорганични съединения, включително такива, съдържащи тежки метали
Криптни плазмиди	Не се знае

Плазмидите се разпределят между бактериите по два начина: чрез трансфер от родителската клетка към дъщерните клетки по време на клетъчното делене, т.е. вертикално, и чрез трансфер между клетките в бактериалната популация, независимо от клетъчното делене, т.е. хоризонтално. Има няколко генетични механизма за трансфер на плазмиди между бактериални клетки:

а) чрез трансформация;

б) с помощта на трансдуциращи фаги;

в) чрез мобилизиране за трансфер с помощта на конюгативни плазмиди.

Медицинско и общобиологично значение на плазмидите. Значението на плазмидите за медицината се състои в това, че те контролират синтеза на различни фактори на патогенност в много видове бактерии, включително причинителите на чума, антракс и йерсиниоза. дизентерия, ешерихиоза и др. Няма съмнение, че появата на диарогенни Escherichia coli (ентеротоксигенни, ентеропатогенни, ентероинвазивни и др.) е следствие от тяхното придобиване на плазмиди, които ги даряват с адхезионни фактори, инвазия и способност да синтезират термолабилни и термостабилни ентеротоксини. Наличието на такива плазмиди в природата (особено при широк спектър от гостоприемници) може да бъде реална причина за образуването на нови варианти на патогенни бактерии.

R-плазмидите играят също толкова важна роля. В широк спектър от приложенияантибиотици и други химиотерапевтични лекарства, има естествен подбор на онези щамове патогенни бактерии, които са носители на R-плазмиди. Сред тях се образуват нови епидемични клонове на патогенни бактерии. В момента те играят водеща роля в епидемиологията на инфекциозните заболявания и от тяхното разпространение до голяма степен зависи ефективността на антибиотичната и химиотерапията и в крайна сметка здравето и живота на хората.

Общото биологично значение на плазмидите се състои в това, че те изпълняват най-малко три важни функции за бактериите, като осигуряват съществуването на двете бактерии и техните собствени едновременно. Първо, те контролират обмена на генетичен материал в бактериите. На второ място, чрез контролиране на синтеза на патогенни фактори, те осигуряват благоприятни възможности за възпроизвеждане на патогенни бактерии в техните естествени условия (при животни и хора) и, следователно, за запазване на тези видове в природата. Трето, плазмидите са уникално биологично средство за самозащита на бактериите, тъй като им осигуряват придобит и наследен специфичен имунитет срещу различни химически (лекарствени и други вещества) и други агенти.

По този начин плазмидите се запазват в природата благодарение на взаимно изгодната връзка, която се е развила между тях и бактериите. Бактериите за тях са естествено местообитание, а за бактериите те са допълнителни геноми, свободно циркулиращи между тях с набори от такива гени, които благоприятстват запазването на бактериите в природата.

Бактериите имат три вида гени, които контролират синтеза на факторите на патогенност: гени на тяхната собствена хромозома; гени, въведени от плазмиди; гени, въведени от умерени конвертиращи фаги. Например, синтезът на холероген в Vibrio cholerae се извършвагени на токсичния оперон на тяхната собствена хромозома. Синтезът на екзотоксини и адхезионни фактори в ентеротоксигенни щамове на Escherichia coli се осъществява от гени, въведени от Ent плазмиди. Синтезът на ексфолиативен токсин тип А в стафилококите се контролира от хромозомния ген, а тип В - от плазмидния ген; синтез на екзотоксин в Corynebacterium diphtheriae - въведен от токс-гените на коринефага.

Наличието в света на микробите на допълнителни източници на гени за патогенност, чиито носители се оказаха вируси и плазмиди, несъмнено беше един от факторите за появата на бактерии, патогенни за хората и животните.

Резистентност към лекарства при бактериите. Има два вида резистентност към лекарства при бактериите: естествена или естествена и придобита.

Естествената лекарствена резистентност е видова черта. Той е присъщ на всички представители на този вид и не зависи от първичния контакт (контакти) с този антибиотик, не се основава на специфични механизми. Най-често тази резистентност е свързана с недостъпността на мишените за този антибиотик, поради много слабата пропускливост на клетъчната стена и цитоплазмената мембрана или други причини. Ако съществува ниска пропускливост за няколко антибиотика, това ще определи мултирезистентността на такива бактерии. Придобитата лекарствена резистентност възниква при отделни представители на този вид бактерии само в резултат на промени в генома им. Има два варианта на генетични промени. Една от тях е свързана с мутации в определени гени на бактериалната хромозома, в резултат на което продуктът на атакувания ген престава да бъде мишена за този антибиотик. Това се случва или поради промяна в структурата на протеина, или защото той става недостъпен.за антибиотик.

В друг случай бактериите стават резистентни към антибиотик или дори към няколко антибиотика наведнъж поради придобиването на допълнителни гени, пренасяни от R-плазмидите. Не съществуват други механизми на придобита лекарствена резистентност. Въпреки това, придобивайки резистентност към антибиотик и още повече към няколко антибиотика наведнъж, такива бактерии получават най-полезните предимства: поради селективния натиск на антибиотиците, щамовете на този вид, които са чувствителни към тях, се изтласкват, а антибиотично-резистентните варианти оцеляват и започват да играят основна роля в епидемиологията на това заболяване. Именно те стават източници на образуването на онези бактериални клонове, които осигуряват епидемичното разпространение на патогена. Решаваща роля в разпространението на лекарствена резистентност, включително множествена, играят R-плазмидите поради способността им да се самопренасят.

Биохимични основи на антибиотичната резистентност. Могат да бъдат разграничени следните пет биохимични механизма на формиране на резистентност.

Унищожаване на антибиотичната молекула. Този механизъм е в основата главно на формирането на резистентност към бета-лактамни антибиотици.
Модифициране на структурата на антибиотична молекула, в резултат на което се губи неговата биологична активност. Гените, съдържащи се в R-плазмидите, кодират протеини, които причиняват различни модификации на антибиотичните молекули чрез тяхното ацетилиране, фосфорилиране или аденилиране. По този начин се инактивират аминогликозиди, макролиди, хлорамфеникол, клиндамицин и други антибиотици.
Промени в структурата на чувствителните към антибиотици мишени. Промените в структурата на 70S рибозомните протеини са в основата на резистентността към стрептомицин,аминогликозиди, макролиди, тетрациклини и други антибиотици. Промяната в структурата на бактериалните гирази в резултат на мутация води до образуване на резистентност към хинолони; РНК полимерази - към рифампицин; пеницилин-свързващи протеини (транспептидази) - към бета-лактами и др.
Образуването от бактерии на "обходен" метаболитен път за биосинтеза на целевия протеин, който е нечувствителен към това химиотерапевтично лекарство, е механизмът, който е в основата на резистентността към сулфаниламидни лекарства.
Образуване на механизъм за активно отстраняване на антибиотика от клетката, в резултат на което той няма време да достигне целта си (един от вариантите на резистентност към тетрациклини).

В M. tuberculosis е открит необичаен механизъм на резистентност към изониазид. Действието на изониазид върху туберкулозен бацил зависи от наличието на плазмид в последния, който съдържа специален ген. Продуктът на този ген превръща неактивния изониазид в активна форма, която разрушава бактериалната клетка. Загубата на този ген прави M.tuberculosis резистентна към изониазид.

В някои случаи инактивирането на антибиотиците, което е в основата на резистентността към тях, може да се извърши от бактерии по различни механизми. Така например има три механизма, отговорни за образуването на резистентност към бета-лактамни антибиотици: слаба пропускливост на външната мембрана на клетъчната стена на грам-отрицателни бактерии, която осигурява естествена резистентност; промяна в структурата на пеницилин-свързващите протеини в резултат на мутации, което води до загуба на техния афинитет към антибиотика; производство на бета-лактамази, които разрушават антибиотика.

Има три вида резистентност към тетрациклини: 1) резистентност, определена от отстраняването на тетрациклин от клетката от протеин на цитоплазмената мембрана; 2)стабилност, определена от промяна в структурата на целевия протеин на рибозомата; 3) стабилност, определена от модификацията на тетрациклин в неактивна форма.

Възможно е бактериите да имат и други механизми за формиране на резистентност към лекарства.

Така в отговор на мощната атака, която хората нанесоха срещу бактериите с антибиотици, те отговориха с уникални биологични реакции, чиято сила не отстъпва на силата на атаката. Бактериите дадоха адекватен отговор на всеки нов антибиотик: появиха се резистентни към него щамове, които анулираха биологичната активност на това лекарство. Така е било и така ще бъде винаги. Това не може да се пренебрегне и не трябва да се пренебрегва. Следователно е необходимо да се предвидят начини за постоянно преодоляване на това препятствие, защото докато съществуват инфекциозни заболявания, те трябва да могат да ги лекуват ефективно.

Възниква въпросът какви са възможностите и начините за формиране на лекарствена резистентност при бактериите? Тъй като те се медиират само на генетично ниво, възниква друг въпрос: откъде идват новите гени за резистентност към лекарства? Съпротивата, която възниква в резултат на мутацията, е разбираема и разбираема, но не играе основна роля. Основната роля принадлежи на гените, съдържащи се в R-плазмидите. В крайна сметка те не могат да възникнат веднага, de novo, това е изключено. Следователно в природата трябва да има един вид фонд от гени за лекарствена резистентност, откъдето бактериите могат постоянно да „улавят“ онези гени, които са им необходими в дадена ситуация. Най-вероятно такъв генофонд се формира за сметка на гени, които присъстват в производителите на антибиотици. Всеки от тях е защитен от антибиотика, който синтезира. Тази самозащита се контролира от съответния ген. Следователно, колкото и в природатаантибиотици, срещу всеки от тях трябва да има ген за самозащита, ген за резистентност към този антибиотик. В природата, особено в почвата, както и в червата на хората и животните, микроорганизмите съжителстват в толкова близки взаимоотношения, че им предоставя постоянна възможност за обмен на генетичен материал чрез различни механизми, включително конюгация. Тъй като много гени за лекарствена резистентност носят преносими елементи, това им осигурява възможност за голяма мобилност. Те могат да се движат в хромозомата, да преминават от хромозоми към плазмиди, да образуват нови варианти на плазмиди и да претърпят други трансформации.

По този начин обменът на гени за лекарствена резистентност между микроорганизми в естествени условия очевидно е напълно възможен. Самият антибиотик започва да играе решаваща роля в тяхното разпространение сред патогени на инфекциозни заболявания при хора и животни. Животът показва, че преди всичко гените за лекарствена резистентност към всеки нов антибиотик се появяват в клиничните щамове и след това започва по-нататъшното им циркулиране в природата. Имайки определена мобилност, самите тези гени претърпяват модификация, мутации и в резултат на това образуват групи, семейства от гени, които определят устойчивостта към различни варианти на модифицирания антибиотик. Въпреки че остава много да се проучи в това отношение, общата тенденция и степента на лекарствена резистентност при бактериите вече е напълно разбираема.