audioplayaudiobaraudiotime

background image

1

 

 

Classification of organisms                                                                                       microbiology  

Carl Woese devised three classification groups called domain. A domain is larger than a 
kingdom 

Domains 
· Eubacteria: Bacteria that have peptidoglycan cell walls. (Peptidoglycan is the molecular 
structure of the cell walls of eubacteria which consists of Nacetyglucosamine, N-
acetylmuramic acid, tetrapeptide, side chain and murein). 

· Archaea: Prokaryotes that do not have peptidoglycan cell walls 

· Eucarya: Organisms from the following kingdoms: 

Kingdoms 

· Protista: Examples- Algae, protozoa. 

· Fungi: Examples- one-celled yeasts, multicellular molds and mushrooms. 

· Plantae: Examples- moss, conifers, ferns, flowering plant, algae. 

· Animalia: Examples- insects, worms, sponges and vertebrates. 

Host-pathgen relations 

Introduction

The pathogenesis of bacterial infection includes initiation of the infectious process and the 
mechanisms that lead to the development of signs and symptoms of disease. Characteristics 
of bacteria that are pathogens include transmissibility, adherence to host cells, invasion of 
host cells and tissues, toxigenicity, and ability to evade the host's immune system. Many 
infections caused by bacteria that are commonly considered to be pathogens are inapparent 
or asymptomatic. 

Adherence (adhesion, attachment): 

The process by which bacteria stick to the surfaces of host cells. Once bacteria have entered 
the body, adherence is a major initial step in the infection process. 

Carrier: A person or animal with asymptomatic infection that can be transmitted to another 
susceptible person or animal. 

Infection: Multiplication of an infectious agent within the body. Multiplication of the bacteria 
that are part of the normal flora of the gastrointestinal tract, skin, etc, is generally not 
considered an infection; on the other hand, multiplication of pathogenic bacteria (eg, 
Salmonella species)—even if the person is asymptomatic––is deemed an infection. 


background image

2

 

 

Invasion: The process whereby bacteria, animal parasites, fungi, and viruses enter host cells or 
tissues and spread in the body.  

Nonpathogen: A microorganism that does not cause disease; may be part of the normal flora.  

Opportunistic pathogen: An agent capable of causing disease only when the host's resistance 
is impaired (ie, when the patient is "immunocompromised").  

Pathogen: A microorganism capable of causing disease.  

Pathogenicity: The ability of an infectious agent to cause disease.  

Toxigenicity: The ability of a microorganism to produce a toxin that contributes to the 
development of disease.  

Virulence: The quantitative ability of an agent to cause disease. Virulent agents cause disease 
when introduced into the host in small numbers. Virulence involves invasion and toxigenicity  

 

Normal Microbial Flora of the Human Body 

The term "normal microbial flora" denotes the population of microorganisms that inhabit the 
skin and mucous membranes of healthy normal persons. It is doubtful whether a normal viral 
flora exists in humans. 

The skin and mucous membranes always harbor a variety of microorganisms that can be 
arranged into two groups:                                                                                        (1) The resident 
flora consists of relatively fixed types of microorganisms regularly found in a given area at a 
given age; if disturbed, it promptly reestablishes itself.      (2) The transient flora consists of 
nonpathogenic or potentially pathogenic microorganisms that inhabit the skin or mucous 
membranes for hours, days, or weeks; it is derived from the environment, does not produce 
disease, and does not establish itself permanently on the surface. Members of the transient 
flora are generally of little significance so long as the normal resident flora remains intact. 
However, if the resident flora is disturbed, transient microorganisms may colonize, proliferate, 
and produce disease. 

Transmission of Infection 

— 

Microorganisms can be transmitted from environment (human or animals) and affected 

another host by aerosol route, oral route, or nosocomial infection and urogenital route these 
processes can be occurred by several ways: 

— 

1-  direct  contact  from  infected  animal  to  susceptible  person  (zoonotic  disease).  Like 

Bacillus anthracis (caused anthrax). 


background image

3

 

 

2- rodents borne disease like Yersinia pestis. 

3- nosocomial disease by hand personal.  

The Infectious Process 

— 

Once in the body, bacteria must attach or adhere to host cell, usually epithelial cells. After 
the bacteria have established a primary site of infection, they multiply and spread directly 
through tissues or via the lymphatic system to the bloodstream. This infection (bacteremia) 
can be transient or persistent. Bacteremia allows bacteria to spread widely in the body and 
permits them to reach tissues particularly suitable for their multiplication. 

— 

Pneumococcal  pneumonia  is  an  example  of  the  infectious  process.  S  pneumoniae  can  be 
cultured  from  the  nasopharynx  of  5–40%  of  healthy  people.  Occasionally,  pneumococci 
from the nasopharynx are aspirated into the lungs 

Adherence Factors 

Once bacteria enter the body of the host, they must adhere to cells of a tissue surface. If they 
did  not  adhere,  they  would  be  swept  away  by  mucus  and  other  fluids  that  bathe  the  tissue 
surface.  Adherence,  which  is  only  one  step  in  the  infectious  process,  is  followed  by 
development of microcolonies and subsequent steps in the pathogenesis of infection. 

The  interactions  between  bacteria  and  tissue  cell  surfaces  in  the  adhesion  process  are 
complex. Several factors play important roles: surface hydrophobicity and net surface charge, 
binding molecules on bacteria (ligands), and host cell receptor interactions. Bacteria and host 
cells  commonly  have  net  negative  surface  charges  and,  therefore,  repulsive  electrostatic 
forces.  These  forces  are  overcome  by  hydrophobic  and  other  more  specific  interactions 
between bacteria and host cells.  

Bacteria also have specific surface molecules that interact with host cells. Many bacteria have 
pili,  hair-like  appendages  that  extend  from  the  bacterial  cell  surface  and  help  mediate 
adherence of the bacteria to host cell surfaces. For example, some E coli strains have type 1 
pili,  which  adhere  to  epithelial  cell  receptors  containing  D-mannose;  adherence  can  be 
blocked in vitro by addition of D-mannose to the medium. E coli organisms that cause urinary 
tract infections commonly do not have D-mannose-mediated adherence but have P-pili, which 
attach to a portion of the P blood  

— 

Therefore the important adherence factors include: 

 

capsule  

 

2-pili like P pili of E.coli 

 

interaction between bacterial cell components (ligands) and specific host receptors. 

 

different charges between bacterial surface and host cell surface (electrostatic force) 


background image

4

 

 

Invasion of Host Cells & Tissues 

— 

For  many  disease-causing  bacteria,  invasion  of  the  host's  epithelium  is  central  to  the 
infectious  process.  Some  bacteria  (eg,  salmonella  species)  invade  tissues  through  the 
junctions  between  epithelial  cells.  Other  bacteria  (eg,  yersinia  species,  N  gonorrhoeae, 
Chlamydia  trachomatis
)  invade  specific  types  of  the  host's  epithelial  cells  and  may 
subsequently enter the tissue. Once inside the host cell, bacteria may remain enclosed in a 
vacuole composed of the host cell membrane, or the vacuole membrane may be dissolved 
and  bacteria  may  be  dispersed  in  the  cytoplasm.  Some  bacteria  (eg,  shigella  species) 
multiply within host cells, whereas other bacteria do not. 

— 

"Invasion"  is  the  term  commonly  used  to  describe  the  entry  of  bacteria  into  host  cells, 
implying  an  active  role  for  the  organisms  and  a  passive  role  for  the  host  cells.  In  many 
infections,  the  bacteria  produce  virulence  factors  that  influence  the  host  cells,  causing 
them to engulf (ingest) the bacteria. The host cells play a very active role in the process. 

— 

Toxin production and other virulence properties are generally independent of the ability of 
bacteria  to  invade  cells  and  tissues.  For  example,  Corynebacterium  diphtheriae  is  able  to 
invade the epithelium of the nasopharynx and cause symptomatic sore throat even when 
the C diphtheriae strains are nontoxigenic. 

— 

 

— 

M  cells  normally  sample  antigens  and  present  them  to  macrophages  in  the  submucosa. 
Shigellae are phagocytosed by the M cells, pass through the M cells, and escape killing by 
macrophages.  

— 

L  monocytogenes  from  the  environment  is  ingested  in  food.  Presumably,  the  bacteria 
adhere to and invade the intestinal mucosa, reach the bloodstream, and disseminate. The 
pathogenesis  of  this  process  has  been  studied  in  vitro.  L  monocytogenes  adheres  to  and 
readily  invades  macrophages  and  cultured  undifferentiated  intestinal  cells.  The  listeriae 
induce engulfment by the host cells.  

— 

Toxins 

— 

Toxins  produced  by  bacteria  are  generally  classified  into  two  groups:  exotoxins  and 
endotoxins.  

— 

Exotoxins 

— 

Many gram-positive and gram-negative bacteria produce exotoxins of considerable medical 
importance.  Some  of  these  toxins  have  had  major  roles  in  world  history.  For  example, 
tetanus caused by the toxin of C tetani killed as many as 50,000 soldiers of the Axis powers 
in  World  War  II.  Many  exotoxins  consist  of  A  and  B  subunits.  The  B  subunit  generally 


background image

5

 

 

mediates adherence of the toxin complex to a host cell and aids entrance of the exotoxin 
into the host cell. The A subunit provides the toxic activity.  

— 

C botulinum causes botulism. It is found in soil or water and may grow in foods (canned, 
vacuum-packed, etc) if the environment is appropriately anaerobic. An exceedingly potent 
toxin  (the  most  potent  toxin  known)  is  produced.  It  is  heat-labile  and  is  destroyed  by 
sufficient heating.  

—

 

Some S aureus strains growing on mucous membranes  or in wounds, elaborate toxic shock 
syndrome toxin-1 (TSST-1),
 which causes toxic shock syndrome. The illness is characterized 
by shock, high fever, and a diffuse red rash that later desquamates; multiple other organ 
systems are involved as well. TSST-1 is a super antigen and stimulates lymphocytes to 
produce large amounts of IL-1 and TNF. The major clinical manifestations of the disease 
appear to be secondary to the effects of the cytokines. TSST-1 may act synergistically with 
low levels of lipopolysaccharide to yield the toxic effect. 

 

Negative Bacteria

-

Lipopolysaccharides of Gram

 

—

 

The lipopolysaccharides (LPS, endotoxin) of gram-negative bacteria are derived from 
cell walls and are often liberated when the bacteria lyse. The substances are heat-
stable, have molecular weights between 3000 and 5000 (lipooligosaccharides, LOS) and 
several million (lipopolysaccharides), and can be extracted (eg, with phenol-water). 

 

—

 

The pathophysiologic effects of LPS are similar regardless of their bacterial origin 
except for those of bacteroides species, which have a different structure and are less 
toxic. LPS in the bloodstream is initially bound to circulating proteins which then 
interact with receptors on macrophages and monocytes and other cells of the 
reticuloendothelial system. IL-1, TNF, and other cytokines are released, and the 
complement and coagulation cascades are activated. The following can be observed 
clinically or experimentally: fever, leukopenia, and hypoglycemia; hypotension and 
shock resulting in impaired perfusion of essential organs (eg, brain, heart, kidney); 
intravascular coagulation; and death from massive organ dysfunction.

 

—

 

 

 

 

—   

 

 


background image

6

 

 

—

 

Differences between exo and end

 

 

 

endotoxin

 

exotoxin

 

proberty

Bacterial 

 

chromosome

Plasmid or 

 

bacteriophage

 

Gene location

 

lps

 

proteins

 

composition

Non specific fever 

 

and shock

 

specific

 

Action 

Stable at 100 C° for 

 

1 hr

Labile destroyed at 

 

60C°

 

Heat stability 

 

No 

 

yes

 

diffusibility

 

Weak 

 

Strong 

 

Antigenicity 

 

Weak 

 

Strong 

 

Toxicity 

 

no

 

Yes 

Convertibility to 

 

toxoid 

 

Gram -ve

 

Mainly G+ve

 

Produced by

—    

 

Peptidoglycan of Gram-Positive Bacteria 

— 

The peptidoglycan of gram-positive bacteria is made up of cross-linked macromolecules 
that surround the bacterial cells. Vascular changes leading to shock may also occur in 
infections due to gram-positive bacteria that contain no LPS. Gram-positive bacteria have 
considerably more cell wall-associated peptidoglycan than do gram-negative bacteria. 
Peptidoglycan released during infection may yield many of the same biologic activities as 
LPS, though peptidoglycan is invariably much less potent than LPS. 


background image

7

 

 

— 

Enzymes 

— 

Many species of bacteria produce enzymes that are not intrinsically toxic but do play 
important roles in the infectious process for examples : - 

— 

Tissue-Degrading Enzymes 

— 

Many bacteria produce tissue-degrading enzymes. The best-characterized are enzymes 
from C perfringens), S aureus , group A streptococci , and, to a lesser extent, anaerobic 
bacteria. The roles of tissue-degrading enzymes in the pathogenesis of infections appear 
obvious but have been difficult to prove, especially those of individual enzymes. For 
example, antibodies against the tissue-degrading enzymes of streptococci do not modify 
the features of streptococcal disease. 

— 

In addition to lecithinase, C perfringens produces the proteolytic enzyme collagenase, 
which degrades collagen, the major protein of fibrous connective tissue, and promotes 
spread of infection in tissue. 

— 

 

— 

S aureus produces coagulase, which works in conjunction with serum factors to coagulate 
plasma. Coagulase contributes to the formation of fibrin walls around staphylococcal 
lesions, which helps them persist in tissues. Coagulase also causes deposition of fibrin on 
the surfaces of individual staphylococci, which may help protect them from phagocytosis or 
from destruction within phagocytic cells. 

— 

Hyaluronidases are enzymes that hydrolyze hyalouronic acid, a constituent of the ground 
substance of connective tissue. They are produced by many bacteria (eg, staphylococci, 
streptococci, and anaerobes) and aid in their spread through tissues. 

— 

IgA1 Proteases 

— 

Immunoglobulin A is the secretory antibody on mucosal surfaces. It has two primary forms, 
IgA1 and IgA2, that differ near the center, or hinge, region of the heavy chains of the 
molecules. IgA1 has a series of amino acid in the hinge region that are not present in IgA2. 
Some bacteria that cause disease produce enzymes, IgA1 proteases, that split IgA1 at 
specific proline-threonine or proline-serine bonds in the hinge region and inactivate its 
antibody activity. IgA1 protease is an important virulence factor of the pathogens 
gonorrhoeae, N meningitidis, H influenzae,
 and S pneumoniae. . 

— 

 

— 

 

— 

 


background image

8

 

 

— 

Antiphagocytic Factors 

— 

Many bacterial pathogens are rapidly killed once they are ingested by polymorphonuclear 
cells or macrophages. Some pathogens evade phagocytosis or leukocyte microbicidal 
mechanisms by adsorbing normal host components to their surfaces. For example, 
aureus
 has surface protein A, which binds to the Fc portion of IgG. Other pathogens have 
surface factors that impede phagocytosis—eg, S pneumoniae, N meningitidis; many other 
bacteria have polysaccharide capsules. S pyogenes (group A streptococci) has M protein. 
gonorrhoeae
 (gonococci) has pili. Most of these antiphagocytic surface structures show 
much antigenic heterogeneity. For example, there are more than 90 pneumococcal 
capsular polysaccharide types and more than 80 M protein types of group A streptococci. 
Antibodies against one type of the antiphagocytic factor (eg, capsular polysaccharide, M 
protein) protect the host from disease caused by bacteria of that type but not from those 
with other antigenic types of the same factor. 

— 

A few bacteria (eg, capnocytophaga and bordetella) produce soluble factors or toxins that 
inhibit chemotaxis by leukocytes and thus evade phagocytosis by a different mechanism. 

— 

Intracellular Pathogenicity 

— 

Some bacteria (eg, M tuberculosis, brucella species, and legionella species) live and grow in 
the hostile environment within polymorphonuclear cells, macrophages, or monocytes. The 
bacteria accomplish this feat by several mechanisms: They may avoid entry into 
phagolysosomes and live within the cytosol of the phagocyte; they may prevent 
phagosome-lysosome fusion and live within the phagosome; or they may be resistant to 
lysosomal enzymes and survive within the phagolysosome. 

— 

Antigenic Heterogeneity 

— 

The surface structures of bacteria (and of many other microorganisms) have considerable 
antigenic heterogeneity. Often these antigens are used as part of a serologic classification 
system for the bacteria. The classification of the 2000 or so different salmonellae is based 
principally on the types of the O (lipopolysaccharide side chain) and H (flagellar) antigens. 
Similarly, there are more than 100 E coli O types and more than 100 E coli K (capsule) 
types. The antigenic type of the bacteria may be a marker for virulence, related to the 
clonal nature of pathogens .  

— 

 

 




رفعت المحاضرة من قبل: Mubark Wilkins
المشاهدات: لقد قام 10 أعضاء و 105 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل