Mikroorganizmalar konağa çeşitli yollardan girse bile, ilk basamak yüzeye tutunma (aderens) ile başlar. Patojenlerin tutunmasını sağlayan faktörler, kolonizasyon yapan fakat patojen olmayan bakterilerinkiyle aynıdır. Ancak, patojenler her zaman kolonizasyon basamağında kalmaz. Patojen bakterilerin çoğu normal flora elemanı değildir ve tutunmak için kolonizasyon yapan bakterilerle yarışması gereklidir. Çeşitli tıbbi nedenlerle, sıklıkla da antibiyotik kullanımı ile normal flora bozulabilir ve yarış invazyon yapacak bakteri lehine sonuçlanır. Mikroorganizmanın epitel yüzeye yaklaşımı, çekici ve itici güçler arasındaki denge ile sağlanır. İkisi arasındaki sıkı temas, özgül olmayan etkileşim, hücre duvarındaki hidrofobik ve hücre zarındaki lipofilik alanlarla sağlanır. Glikokaliks ve slime tabaka, bakteri ve konak hücre arasında özgül olmayan aderensı sağlar (Örneğin: Staphylococcus epidermidis). Özgül aderens ise, bakteri adezinleri ve konak hücre reseptörleri ile sağlanır. Adezinler patojen bakterilerin tropizmini belirler. Böylece patojen belli bölgeleri veya alanları infekte etme ayrıcalığı gösterir. Örneğin Streptococcus pneumoniae pnömoniye sebep olur, ancak üretrit yapmaz. Fibrinojen, fibronektin, kollejen ve heparinle ilişkili polisakkaritler, epitel hücrelerin mukozal yüzeyini örten ekstraselüler matriksin başlıca komponentleridir. Bu yapılar bakteri adezinleri için reseptör olarak rol oynar. Fibronektin, S. aureus, S. pyogenes, Treponema pallidum ve Mycobacterium türlerinin hücre duvarındaki fibronektin-bağlayıcı faktörleri (adezinler) bağlar. Fibrinojen, A, C ve G grubu streptokokları bağlar, integrin ailesinin bir üyesi de Yersinia pseudotuberculosis’in major invazyon faktörünü bağlar.
Bakteri virulans faktörleri ile hedef hücre arasındaki etkileşim, patojenin nüfuz etmesine veya lokal hücre hasarına ya da her ikisine birden sebep olur. Ayrıca adezinler, iltihabi cevabı, mast hücre degranülasyonunu, nötrofillerin bakterileri fagositozunu ayarlar.
Bakteriler konak hücreye yapışma (adezyon) için fimbrialarla ilişkili olan ve olmayan adezyon sistemlerini kullanırlar. Fimbria (adi pilus) ve fibril yapılar, fimbrialarla ilişkili adezyon sistemleri olup, bakterinin konak hücre zarına tutunmasını sağlayan filamentöz (ipliksi) uzantılardır. Kolonizasyon faktörleri olarak adlandırılan bu yapılar, konjugasyonda rol oynayan seks pilusundan ve bakteri hareketini sağlayan flajellalardan farklıdır. E. coli suşlarında 20 farklı kolonizasyon faktörü saptanmıştır. Bunlardan bazıları, özellikle üropatojen suşlarda, E. coli’ nin üriner mukozaya tutunmasını sağlar. İnvazyon yapan Neisseria meningitidis ve Neisseria gonorrhoeae suşlarında da pilus yapısının rolü bulunmuştur.
Lektinler (karbonhidrat bağlayıcı protein) Klamidya türlerinde hücre yüzeyindeki lektin, ve S. pyogenes’de ağızdaki epitel hücrelerine bağlanmayı sağlayan lipoteikoik asit, Pseudomonas aeruginosa’nın akciğer epitel hücrelerine bağlanmasında rol oynayan dış membran proteini, porin F (OprF), fimbrialarla ilişkili olmayan adezinlerdir.
İnfeksiyon mikroorganizmaların konağa invazyonu ile başlar. Bakteriler konak dokuları ile yakın ilişki içinde çoğalırlar ve inaparan infeksiyondan fulminan infeksiyona kadar şiddeti değişen sayısız infeksiyona sebep olurlar.
Bakterinin dokulara veya organlara invazyonu, yüzey bariyerlerinin bozulması veya direkt virulans faktörlerinin etkisi ile olur. Deri ve mukozaların bozulmasında rol oynayan çeşitli faktörler Tablo 14.1’de görülmektedir.
İnvazyonu sağlayan faktörler, birden çok genin kontrol ettiği mekanizmalardır. Bazı Shigella invazyon faktörleri plazmid üzerinde kodlanırlar, konjugasyonla E. coli’ye aktarıldığında invaziv olmayan bu bakteriler de invazyon özelliği kazanırlar. Son zamanlarda Salmonella ve Y. pseudotuberculosis’de de invazyonda rol oynayan genler saptanmıştır. (Kapsül ve diğer yüzey yapıları)
Kapsüllü bir çok bakteri (Örneğin: S. pneumoniae, B. anthracis, ) daha virulan ve fagositoza daha dirençlidir. Serumun bakterisit etkisine de kapsüllü bakteriler daha dirençlidir. Bu dirençte hücre duvarındaki lipopolisakkarit yapısı da rol oynar. (Endotoksinler)
Endotoksin, Gram negatif bakterilerin hücre duvarının dış membranında bulunan toksik, lipopolisakkarit (LPS) bileşiklerinden oluşur. Endotoksinin konak üzerine biyolojik etkisi letal olabilir. Toksisite, lipit molekülü (lipid A) ile ilişkilidir. İmmünojenik özelliği ise,polisakkarit molekülü ile ilişkilidir. Gram negatif bakterilerin hücre duvarı antijenleri (O antijenleri), LPS bileşikleridir.
Enterobacteriaceae ailesinin üyeleri çeşitli uzunlukta O-özgül yan zincirlerini içerir. Oysa N. gonorrhoeae, N. meningitidis, ve B. pertussis sadece merkezi polisakkarit ve lipid A içerir. Bazı araştırıcılar bu tip endotoksini, enterik basillerdeki endotoksinden kimyasal farklılığını vurgulamak için lipooligosakkarit (LOS) olarak adlandırırlar.Tüm endotoksinlerin biyolojik aktiviteleri esas olarak aynıdır. Ancak bazı endotoksinlerin etkinliği daha fazladır. Ekzotoksinler, bakteri hücrelerinden salgılanan protein yapıda toksinlerdir. Tüm toksik maddeler içinde, zehir etkisi en fazla olanlardır. Yüksek molekül ağırlıklı ekzotoksin proteinleri ısıya duyarlı iken, düşük molekül ağırlıklı olanlar ısı ile bozulmazlar.
Hem Gram pozitif hem de Gram negatif bakteriler tarafından salgılanırlar. Endotoksinlerin sistemik etkilerine karşın, ekzotoksinlerin etki yeri daha lokaldir ve özgül hücre tipleri veya reseptörleri ile sınırlıdır. Ekzotoksinler mükemmel antijenik özellik gösterir, antitoksin denen özgül antikorların oluşumunu sağlarlar. Konak hücrede oluşturduğu biyolojik etkilerine göre; nörotoksinler, sitotoksinler ve enterotoksinler olmak üzere gruplandırılabilirler. Nörotoksinler, özellikle Clostridium türleri tarafından üretilirler. Sitotoksinler daha büyük, daha heterojen gruptur. Konak hücre özgüllüğü ve toksik bulguları vardır. Difteri toksini C. diphtheriae tarafından salgılanan bir sitotoksindir, birçok hücrede protein sentezini inhibe eder. Enterotoksinler, barsak epitelinden su ve elektrolitlerin aşırı salgılanmasını stimüle ederek, ishale neden olur (kolera toksini). Bazı enterotoksinler sitotok****** (E. coli’nin shiga-benzeri enterotoksini). Ayrıca enterotoksinler ayrıca normal düz kas kontraksiyonunu bozarak, abdominal kramplara yol açar ve barsaktan su absorpsiyonu için zamanı azaltırlar.
Hem hayvanlar hem de bakteriler metabolizma ve üreme için demire ihtiyaç duyarlar. Doku sıvılarında demiri tutan mekanizmalar sayesinde, vücuda girebilen bu bakterilerin üremesi sınırlanır. Kandaki demir ise; her zaman serbest olarak bulunmadığından bakterilerce kullanılamaz. Kandaki demirin çoğu eritrositlerdeki hemoglobine veya transferrine bağlı olarak bulunur. Aynı şekilde süt ve diğer salgılardaki (gözyaşı, tükrük, bronşlardaki mukus, safra ve gastrointestinal sıvı) demir, laktoferrine bağlıdır. Bazı bakteriler, ökaryotlardaki demir bağlayan bu proteinler için reseptörler içerirler. (Örneğin; Neisseria türlerinde transferrin bağlayan dış membran proteinleri). Bu özgül reseptörler sayesinde üreme için esas olan demirin alımı kolaylaşır. Birçok bakteri ise, konaktaki demiri yakalamak için siderofor denen maddeler salgılar. Demir yokluğunda; siderofor sentezinde rol oynayan enzimleri kodlayan genlerin transkripsiyonu tetiklenir, aynı zamanda bir seri demir bağlayan yüzey reseptörleri sentezlenir. Bu reseptörler, bağlanmış demiri taşıyan sideroforlara bağlanır.. Sideroforların bağlayıcı güçleri çok yüksek olup, transferrin ve laktoferrine bağlı demiri bile alarak bakteriye verebilirler. “Enterochelin” Escherichia ve Salmonella türleri tarafından üretilen bir siderofordur. Deneysel çalışmalar Enterochelin sentezleme kapasitesini kaybetmiş Salmonella mutantlarının farelerle yapılan letalite deneylerinde virulansını kaybettiğini göstermiştir. Birçok patojen bakteri tarafından siderofor üretilmesi, önemli bir virulans mekanizması sayılır.