MCB2000­ Exam Four Lecture Notes 

What is selective toxicity?

Agents Used to Treat Fungal Infections

­ Selective toxicity­ where are the weakest parts of the bacteria/organism to attack

­ Cell wall is made of peptidoglycan, humans don’t have that, very good target,  Penicillin based antibiotics do this 

­ Protein Synthesis­ translation, good target, both use ribosomes, Human ribosomes  are different, Eukaryotic Ribosome is different that Prokaryotic, good target as well

­ Metabolic Activities­ both perform Krebs cycle, Glycolsis, electron transport system,  shared, antimetabolites­ compounds given to the patient that don’t harm the host

­ Folic acid­ required to make DNA and RNA, everyone must use one way or another,  Human bodies don't make this, we get it from the outside, Bacteria make their own  folic acid­ good to target

What is protein synthesis?

Don't forget about the age old question of What role do aminoacyl­ trna synthetases play in translation?

­ ­ sulfur drugs target metabolic activities 

­ DNA/RNA molecules­ transcription, replication, making DNA and making RNA, drugs  against this replication 

­ Cell Membrane­ fungi have some differences from other Eukaryotes, cannot use  penicillin against them, don’t have a cell wall made of peptidoglycan, good target  against Fungi­ Ergosterol­ Azoles­ synthesis of Ergosterol, Polyenes­ target the  structure of Estergol, Amphotericin B­ most common anti­fungal Drug

Actions of Antiviral Drugs We also discuss several other topics like What is competitive exclusion?

­ Obligate Intracellular Pathogens­ go inside cell, take over, use their machinery  ­ More difficulty with viruses than anything else

­ Try to treat symptoms, Supportive Therapy­ doesn't cure the disease itself ­ Prevent penetration and entry into the host, need to understand the receptor ­ Stop the un­coding­ good target 

Metabolic activity means what?

­ Targeting the release of Nucleic Acid inside the host 

­ Prevent the Virus from Assembly: 

­ HIV infection­ RNA virus­ must be converted into DNA­ get into the host chromosome

­ The enzymes RT takes RNA and makes DNA out of it, only Retroviruses have this  (HIV), RT is a great Target, Drug called RT Inhibiter­ prevents Enzyme from doing its  job

­ Tamiflu­ block the entry of the Virus by interfering with the fusion of the virus with the  cell membrane of the host, stop the release of the virus from getting out and  spreading, prophylaxis of the Flu

­ Structure Analong­ looks like the nucleotides but doesn't function properly, against  herpesvirus 

­ Riboviron­ hemorrhagic fever, against Hep

­ RT inhibitors­ most famous is AZT

­ Drug of choice against reverse transcriptase, against HIV is protease inhibiters,  second drug against HIV, protease is an enzyme, prohibits the virus from packaging  the protein and making more viruses, prevent the virus from synthesizing its nucleic  acid  We also discuss several other topics like What is temporal discounting?

­ Not a lot of choices of treatments against viruses

Mechanisms of Drug Resistance

­ B­ Lactam Ring­ Penicillin based antibiotics 

­ possible to pump the drug out, change the target from getting in, modify the drug,  bypass your pathway and go through a detour

­ goal is to not let the drug effect your processes­ by prohibiting the drug from binding,  having it pave another road, stopping it from the blocked pathway

­ when you take antibiotics your immune system relies on the Normal Flora­ microbial  antagonism, your bacteria prevents other bacteria from establishing residence in your  body, they cover up your processes (sexual organs, intestines, skin, colon)

­ taking antibiotics decreases your normal flora, if you discontinue it your body will  replenish and repopulate it

­ some food comes with some bacteria that helps you repopulate­ Probiotics, yogurt

­ antimicrobial agents don’t work for all diseases because not all diseases are caused  by microbes We also discuss several other topics like What is the marginal propensity to consume (mpc)?

­ Chemotherapeutics­ refers to all chemicals you take to protect you against all types of diseases, heart medicine, blood pressure medicine, help with your own physiology If you want to learn more check out What are the differences in muscle fiber type ?

­ antibiotics­ chemicals against bacterial

­ antimicrobials­ against all microbes that cause infection 

­ MIC­ minimum inhibitory concentration, lowest amount of drug that kills or stops  microbes from growing, needed for drug companies to decide how much the want you take and how many times a day­ the regimen, less than MIC­more than MIC­ neither  will work

Immune System

­ designed to protect against all things coming at us

­ a network of vessels that run around the whole body

­ made of cells, organs, supporting molecules

­ Lymphatic system­ location of immune system, sucks all free liquid back into the  system, collects the free liquid around the body, “storm drain”, organs, tissues,  vessels

­ lymphocytes­ NK, part of innate and acquired immunity  We also discuss several other topics like What is hubble’s law all about?

­ phagocytes­ phagocytic cells, part of immune system, they have an organ inside  called lysosome (small organelle), inside you find hydrolytic enzymes (kill bacteria protease­lysozyme), harsh chemicals in it (oxidizing agents­peroxides) can damage  the bacteria or fungi, bind to infections and bring bacteria in­ phagosome­ fuses with  lysosome, exposes bacteria to the chemicals and it alienates and dissolves the  bacteria, spits it out

­ that process ^ happens with dead cells and other small microbes that enter the body ­ mast cells­ basophils, inflammatory response cells­ like allergy

­ elephant foot disease­ where lymphatic tissue is blocked so the free liquid is not  circulating back, the body swells and makes more skin to compensate, keeps growing and becomes twice­three times the size, inability to recycle/collect the liquid

­ microbes attack us, compounds from outside come in, our own cells can become  cancerous, cuts and bruises 

­ divide the host immune system into components

­ Innate: non­specific (doesn’t care if the infection is bacterial, viral, what type of either,  it provides protection non specifically), components include dividing into lines of  defense first and second, born with this, responds always the same way­fever inflammation

­ First line of defense­ skin, mucous membrane, surface protection, enzymes,  molecules

­ Second line of defense­ phagocytosis, physically eat and remove the infection,  inflammation, pain, swelling, redness, warm touch, fever….

­ : complement proteins­ always present in the blood­inactive from­when infection  enters they become activated­ complement fixation­activated, membrane attack  complex­ MAC, pokes a hole onto the bacteria, leaks lysis killed , opsonization­  coating the bacteria­ labeling it with bacteria, attack phagocytic cells, 

­ Acquired: specific (looks to see what type of infection­ viral?­ then what type hepatitis?), these components develop over time­ if you never get exposed to flu virus you will never develop protection against it, Third layer

­ Third layer/line of defense­ cells and supporting molecules as well, main­ B cells and  T cells 

­ There is cooperation between the Innate and the Acquired immune systems, always  need the first­second­third line of defenses against infections, there is separate work  for each one but there is also overlap for each of them

­ Anatomical Defenses:

­ Skin­ low pH, sweat, lysozyme­ enzyme that kills bacteria, salt, normal flora that  prevents other bacteria from establishing an infection

­ Saliva and Tears 

­ Stomach­ acidity

­ Intestinal Enzymes­ bile salts, kill bacteria 

­ Kidney­ steril

­ Bladder­ contains some bacteria, urinating gets rid of bacteria­ holding your bladder is not good­ can cause bacteria to travel up and cause kidney infection 

­ Cilia­ short appendages, cover trachea, can become inactivated by viral infection­  makes you prone to secondary bacterial infection

­ Upper Respiratory­ job to trap particles before they reach the lung 

­ Lymph nodes­ under armpits, neck area, groin, midsection, liquid pass through these  and detect infection

Blood Components

­ all blood components come from the Bone Marrow

­ Stem Cells­ raw molecule or dough that can be shaped into anything you want, can  make red/white/platelets 

­ all blood components come from bone marrow, stem cells in bone marrow, all  components that run the blood come from bone marrow­ red, white, platelets

­ platelets­ involved in blood clot, prevents you from bleeding to death, can leave blood  and come out in the open, free liquid

­ red blood cells­ erythrocytes, carry oxygen around, leaves heart and comes back,  circulation process, remain in the blood

­ white blood cells­ leukocytes, involved in the immune system, free liquid ­ Myloid­ some turn into erythrocytes

Cytokines

­ proteins produced by the immune system cells, used for attacking bacteria,  communication, activating each other

­ trigger the other cells to differentiate and multiply 

­ Interferons­ important against viruses  

­ produce TNF­ important regarding cancer cells, destroy and kill other cells

­ inflammatory mediators­ not cytokines, but are chemicals that stimulate and cause  inflammation, degranulate mast cells­eosinophils­basophils­ see infection and release granules that are inflammatory, EX: histamine, serotonin, result in typical allergic  reaction

Inflammation

­ result of body producing inflammatory compound 

­ results in redness, swelling, heat, pain 

­ all of this happens on the site of injury or infection 

­ Acute­ quick to develop, heals quickly, beneficial, very good 

­ Chronic­ slow, low grade, damaging, lasts long  

­ remove infection right away to prevent chronic inflammation 

­ non specific event, part of innate immunity, reacts the same way no matter what  ­ brings recruitment of phagocytic cells, attracts them to the area, fights infection  

­ Vasodilation­ cell becomes more porous and passes by phagocytic cells, leave and  get out into the open

­ Neutrophils­ major phagocytic cells for bacteria , agent bacteria 

­ Interferon­ fight against viruses, one cell is infected with the virus, fights against and  kills the RNA of the incoming viruses

­ all components of bacteria can act like an antigen, triggers and activates  ­ size restriction to antigens, antigen must be big enough 

­ protein most antigenic 

­ B Cells T cells are part of bone marrow 

­ T cells have to mature in the Thymus and then go to the lymph nodes ­ has to be processed­ 

­  APC­ a cell that recognizes the antigen. processes it, and then presents it to T Cells,  EX: B cells, dendritic cells, macrophages

­ plasma cells­ produce antibodies to fight infection 

­ T­B become memory cells, when hepatitis comes back it binds better the second time ­ Both originated from bone marrow, but t cells mature in bone marrow ­  Specific, B cells has antibodies on there surface, T cells have TCR on the surface. ­ plasma cells neutralize toxins and complete fixation. 

­ T cells are involved in a process called CMI 

­ B cells are involved in a process called AMI 

­ There are three APC’s dendritic cells, b cells and macrophage, their job is to process  the infection. 

­ APC presents the antigen to T helper cells. and releases cytokines ­ antibodies are proteins produced by plasma cells. 

­ theres an antibody for every infection 

­ Opsonization­ cutting the bacteria with the infection 

­ agglutination imobilizes bateria 

­ another consequence of antibodies immunity complex formation is complement  fixation

­ when you neutralize a virus you inactivate them

Characteristics of the Immunoglobulin Classes

­ proteins made and secreted by activated B cells called Plasma cells 

­ antibodies are made of proteins, they are soluble, they float around, they don't last a  while, they float around and then turn over and die and new ones are created

­ every AB is made of 4 pieces­ polypeptide proteins (2 heavy chains­ identical), (2  light chains­ identical)

­ FAB­ part of AB that binds to the AG, bottom part is FC 

­ every AB can bind to 2 AG at the same time 

­ 5 classes that are different in their FAB portion, FAB recognizes each section  individually, if they recognize the same than they are the same FAB

­ IGG­ abundant in the blood, passes through the placenta and protects Fetus from  infection

­ IGA­ abundant in secretions­saliva­body fluid 

­ IGM­ after first infection, made of 5 AB binds together  

­ IGE­ involved in allergies and recognizes allergens 

­ Primary Response­ first ever exposure to an infection, IGM shows up­ predominant  antibody­ slow to develop­ doesn't last very long­ low level response

­ Secondary Response­ anytime after the first time, develops quickly, higher Titer­  higher response, higher antibody, lasts longer

­ Vaccines­ weak forms of the disease to mimic the primary response, they tell your  body you have the infection so that the second time it happens your body detects it  already and you wont have any problems 

Hyposensitivities 

­ Primary Immunodeficiency 

­ Secondary Immunodeficiency 

Hypersensitivities

­ Type 1: immediate type, food allergy, pet dandruff, IGM, EX: asthma, hay fever, can  be systemic as well as localized, degranulate­ mast, basophils, create histamines 

­ Type 2: react to red blood cells of someone else, IGG, EX: autoimmune disease 

­ Type 3: AG/AB deposited someplace in the body, inflammation, complex mediated,  EX: serum sickness, arthritis, lupus

­ Type 4: delayed time, poison ivy, TB tests, T cells, reaction to grafts 

­ different drugs that prevent the deagulination­ CA, amP, don't allow the histamine to  hit the target 

­ Mother = ­RH, baby = + RH, wont affect first child but will effect the memory of the  seance 

­ TB inject proteins from a type of mycobacteria, body creates CMI, takes 48­7 hours,  results in a red bump that is measured

­ MHC1­ different, react to it, graft 

­ Bone Marrow recognize different  

­ graft vs. host­ only in bone marrow transfer, complication of transport, donor stuff  attacks recipient stuff

­ MHC­ if need of organ, check your blood, put on list 

Autoimmune Diseases

­ affects women more than men 

­ usually develops later in life 

­ Clonal anergy­ destroy B and T cells against yourself early in life, your safe but if they come back and are activated again it is not good, this can be because of infection or  drugs

­ chemicals can result in this too 

­ LUPUS: body ache all over 

­ Rheumatoid arthritis­ produce antibodies against your own body ­ graves disease­ against thyroid  

­ HSV8­ herpes simplex virus, skin reaction 

­ Myasthenia Graves­ neurotransmitters are blocked, message doesn't reach th  muscle, causes problems, type of paralysis

Categories of Immunodeficiency with Selected Examples ­ missing B cells, T cells, phagocytic cells, complement proteins  

­ result in less than perfect immune system 

­ Agammaglobullernia­ no B cells, primary, born with it 

­ Bi George syndrome 

­ Secondary develops later in life­ malnutrition, diseases like HIV, stress

­ immunosuppressive drugs­ make you weak, steroids result in this too ­ removal of spleen  

Serology

­ pregnancy testing­ produces a protein that isn't normally available, not very much false positives 

­ Acquired Immunity­ AMI, CMI, specificity, antigen is recognized by antibody, one  antibody fro every antigen

­ when bacteria enters, there are antibodies that fight against every aspect of the cells  (pili, capsule, cell wall)

­ Serology­ studies the interaction between antigen and antibody 

­ : AG/AB­ results in complement fixation, neutralization, agglutinate, opsonizate,  precipitate 

­ : In Vitro­ in the lab 

­ : In Vivo­ in the human body 

Indirectly 

­ looking for the presence of an unknown antibody, Detect programs of M, indirect  detect the AB made in response 

Immunologic Methods­ Testing  

­ Flourisone antibody test: uses a microscope to detect, fluorescent dye, detected  under UV light, good identification technique 

­ ELISA: make a plate with 96 holes, put diff amounts of AG/AB on the plate, they  interact, enzyme attaches to the antibody, adding substrate causes the color to differ, this is a colorimetric test based on the development of color because of the action of  the enzyme, more color­ more enzyme­ more antibody present, used to detect the  presence of infection agent ­ measles­, direct technique to detect the presence of a  pathogen, Indirect­ detects presence of antibody produced by the agent against an  infection, measures Titer amount as well ­ how much virus? how much antibody  produced?

­ Flow Cytometry: machine that measures cells, tells you how many you have,  attaches different antibodies to cells, the machine separates and measures them 

­ Monoclomal Antibody: population of antibody that are recognized to only one Antigen, for HIV, Hepatitis, Chicken pox, labs can go purchase this, produced by taking HIV  virus­ injecting an animal­ mouse­ produces antibody against the HIV­ kill the animal­  take the spleen­ spleen provides B cells that produced the Antibody that was looked  for­ fused with Cancer cells­ make a hybridome (mix of animal cell and cancer cell)­  produces antibody that never dies

Applied and Environmental Microbiology 

­ only a fraction of microbes cause disease 

­ microbes are the first one to appear 

­ without microbes life is impossible to maintain  

­ microbes can take CO2 and fix it, N2 and fix it or release it 

­ essential for modifying, degrading, and producing  

­ add carbon to the soil, clean up dead organic material 

­ extract minerals from Ores, mining 

­ bottom of the food chain for marine and water 

­ play a major role in carbon, nitrogen, oxygen, and sulfur cycle 

­ CO2 and CH4 combination contributes to Global Warming

­ microbes can be autotrophs, phototrophs, methanogens, methanotrophs  ­ can fix methane gas, produce it, control it  

­ we are protected from the UV light by the Ozone  

­ Global Warming­ infrared, H4, CO2, too much CO2 and Methane­ more heat stays  with us and increases the temperature

­ Carbon­ organic, methane, CO2 

­ denitrification­ worst enemy of farmers, remove nitrogen from the soil, remove the  fertilizer

­ cows graze all day and produce methane  

Raw Sewage 

­ mixture of organic and in­organics 

­ goal is to remove these excess organics before releasing the water back, microbes ar involved in removing the organic portion

­ sewage goes through Three Treatments 

­ Primary­ separation of solids form liquids, no microbes involved 

­ Secondary­ organics are removed, microbes involved 

­ Tertiary­ in­organics are removed, no microbes involved  

­ Sludge Digester­ a lot of organics in here, anaerobic process, placed in big tanks,  microbes digest organics and produce methane gas

­ Archaea­ helpful to the planet, involved in the sludge digestion process, they are  methanogens, burn fumes 

­ organics are associated with the BOD (Biological Oxygen Demand)  ­ you have to treat the sewage to remove the BOD 

Septic Tank 

­ comparable to the primary treatment 

­ dig a hole in backyard, place concrete block, sewage goes into this container, there is a draining field, the access liquid goes into the ground, the solid portion stays in,  every few years it is pumped out and taken to the landfill 

Drinking Water

­ requires proper taste, color, oder (chemicals) 

­ Alum­ technique that removes chemicals  

­ Activated Charcoal­ removes chemicals 

­ Ozone, UV light, chlorine­ kills microbes  

­ Ozone needed to kill cysts of parasites 

­ chlorine­ best way to make water safe that is available now, kills microbes 

Applied Fields of Microbiology 

­ Biotechnology­ allows to produce hormone, growth factors 

­ Food Microbiology­ fermentation 

­ Applied and Environmental Microbiology­ remove pollution­bioremediation ­ Industrial­  mass produce compound 

­ Bioremediation­ cleanup of biological wastes 

­ Bacterial plastic­ biodegradable plastic, polymers 

­ Microbial Leaching­ extracting metals from ore in mining  

­ Bio­reporters Bio­sensors­ sense chemicals and toxins in the soil ­ Biodegradation of Xenobiotics (purely manmade, chemists made them) ­ Geochemical Recycling­ converting one form to another, C, N 

Coverting Microbes 

­ Denitrification­  

­ Nitrogen Fixation­ converting gas into usable form 

­ Ammonification­ converting organics into ammonia, later turned to nitrate, break  down of organics into ammonia

Extremophiles 

­  Archaea 

­ temperature extremes, pH extremes, acidity, salinity, pressure

­ Black Smokers­ found on Sea floor, minerals come out of the vent, no oxygen or  organic compound, all is inorganic, no light, super concentrated minerals, bacteria  grow around them

LAST MINUTE TEST TIPS AND FINAL NOTES MENTIONED IN LECTURE 4/6 

divide content into Antibiotics ­ targets, ex­ sterilization:killing all life forms, Aespet (2),  Immune System (1), Applied and Environmental Studies (3)

Prions­ hardest ones to kill, they are a piece of infectious protein, acellular, not live, hard to destroy

Endospores­ resistant to killing, dormant forms of bacteria, different than fungal spores­  they are not hard to kill

TB agent­ resistant to chemicals 

Overall, gram negatives are harder to kill than gram positives 

actions against the cell­ cell wall, membrane, metabolism, protein synthesis, also  Nucleic acid and DNA/RNA

radiation is a physical way to damage the cell, UV light causes Thymmine Diner­ fuse  two T’s together, gamma ray and X ray break the chromosome­the damage is more  severe because it is hard to repair

Chemicals and temperature denature proteins, enzymes, denatured molecules lose  their function, bacteria dies

Gram Negative are more resistant because they have porins (channels that prevent the  chemical from entering the bacteria­ an additional layer

Selective Toxicity­ most important factor, means to spare the host and damage the  infectious agent, no side effects 

Chemotherapeutic Agents­ chemicals that treat a disease, Antibiotics, Antimicrobial 

Who produces antibiotics? produced to kill competition, grow fungi and bacteria in the  lab that produce antibodies, they are extracted to be used to kill bacteria

First target of antibiotics is the Cell Wall, they have Beta lactam ring most common example of penicillin is penicillin G, now it is converted into methicillin 

bacteria break down the ring where the antibiotics cant work anymore, this is a huge  issue with MRSA

fungi have no cell wall like bacteria, peptidoglycan is effected by beta lactam ring 

two classes of anti fungal drugs­ Polyenes and Azoles, they effect ergosterol  polyenes effect the function, azoles effect the synthesis 

attachment and entry is the most important to consider with viruses  

AZT is a drug that prevents the RT that converts the RNA of the virus into DNA, with  HIV

lymphatic and blood system are similar except there are no red blood cells in the  lymphatic cells

metastasis happens faster when the cancer finds its way into the lymph node  most B cells, T cells, macrophages are found in the lymphatic system

Phagocytic cells engulf, eat up the bacteria 

Diapedesis­ technique that white blood cells use to leave the vessels and come out into  the open

complement proteins­ attach to the infection, poke a hole into it, kill it, mark it,  opsonization, find the bacteria, cover with protein, accumulate on the surface of the  bacteria and open it up, the bacteria loses itself and induces lysis 

B cells­ only produce antibody 

T cells­ don’t produce antibody 

proteins have the most antigen  

antigen and antibody binding results in complement fixation, opsonization, agglutination, neutralizing

IGG most abundant antibody 

IGE contributes to allergies  

primary response is lower, made of IGM, wears off quickly 

secondary response is made of IGG, lasts longer 

Memory cells­ T & B, remember the infection the second time around, vaccines are  used to mimic the primary response so that the body is prepared for the second time  around 

STUDY CARDS FOR LECTURE NOTES EXAM 4

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