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Bakterien

Abstract

Bakterien sind kleine, einzellige Lebewesen, die sich von Zellen tierischer oder pflanzlicher Lebewesen vor allem durch das Fehlen eines Zellkerns unterscheiden. Daher werden sie unter dem Namen Prokaryonten (von griech. pro = "vorher", "anstatt" und karyon = "Kern") zusammengefasst. Bakterien gehören einerseits zur gesunden und notwendigen Besiedelung des Menschen, können aber auch eine Reihe von Infektionskrankheiten auslösen. Hier soll ein Überblick über die Unterteilung der Bakterien, ihre morphologischen Besonderheiten und ihre Genetik gegeben werden.

Morphologische Grundformen der Bakterien

Harnwegsinfekt durch Escherichia coli
E. coli sind gramnegative Stäbchenbakterien und gehören zur physiologischen Darmflora. Aufgrund der anatomischen Verhältnisse können sie jedoch besonders bei Frauen leicht aus dem Darm in die Harnwege gelangen und dort eine Infektion hervorrufen. Ein Harnwegsinfekt äußert sich durch Schmerzen und Brennen beim Wasserlassen. Bei der mikrobiologischen Diagnostik stellen sich die gramnegativen Stäbchenbakterien im Mikroskop rot dar.

Besonderheiten der prokaryontischen Zelle

Die Morphologie der prokaryontischen Zelle weist einige Besonderheiten auf, die im Folgenden grob dargestellt werden. Weitere Informationen über die einzelnen Zellkompartimente finden sich unter: „Die Zelle“. Dort findet sich auch der Vergleich eukaryontischer und prokaryontischer Zellen.

Intrazelluläre Bestandteile und Zellmembran

Prokaryontische Zellen besitzen keinen Zellkern - die ringförmige DNA befindet sich im Zytoplasma und wird Nucleoid genannt!

Prokaryontische Zellen enthalten keine Mitochondrien. Die Atmungskette ist an der Zellmembran der Bakterienzelle lokalisiert!

Prokaryontische Zellen besitzen 70S-Ribosomen mit einer 30S- und einer 50S-Untereinheit!

Makrolide
Makrolidantibiotika binden an die 50S-Untereinheit der Ribosomen und hemmen so die bakterielle Proteinsynthese, wodurch die Bakterien in ihrem Wachstum gehemmt werden. Therapeutische Anwendung finden Makrolide u.a. bei Infektionen mit Streptokokken, aber auch bei intrazellulären Erregern wie Chlamydien.

Tetrazykline
Die Antibiotika der Klasse der Tetrazykline binden an die 30S-Untereinheit der prokaryontischen Ribosomen. Sie verhindern das Zellwachstum, indem sie die Translation (Proteinbiosynthese) hemmen. Zum Erregerspektrum gehören bspw. Neisserien.

Chloramphenicol
Das Antibiotikum Chloramphenicol bindet an die große Untereinheit der bakteriellen Ribosomen (50S-Untereinheit) und hemmt deren Peptidyltransferaseaktivität. Der Bakterienstoffwechsel wird also auf Höhe der Translation gehemmt.

Besonderheit der bakteriellen Zellwand

Mit wenigen Ausnahmen (bspw. Mykoplasmen) besitzen die meisten Bakterien eine Zellwand: Diese umgibt die Zellmembran und stabilisiert das Bakterium zusätzlich. Die Zellwand bietet eine Angriffsfläche für verschiedene Antibiotika.

  • Funktion
    • Form und Stabilisierung des Bakteriums
    • Verankerung von Pili und Geißeln
    • Schutz vor chemischen Noxen und Zerplatzen
  • Aufbau: Unterschiedlich dicke Schichten aus Murein, sog. "Mureinsacculus" → Unterschiedliche Anfärbbarkeit in der Gramfärbung
  • Anfärbbarkeit
    • Grampositive Bakterien: Dicke Mureinschichten werden in der Gramfärbung stärker angefärbt → Blau-violette Darstellung im Mikroskop
    • Gramnegative Bakterien: Einschichtiger Mureinsacculus → Rote Darstellung nach der Gramfärbung
      • Phospholipidmembran : Ist über Lipoproteine mit dem einschichtigen Mureinsacculus verankert und enthält Lipopolysaccharide
      • Lipopolysaccharide (LPS)
        • Befinden sich an der Oberfläche der Phospholipidmembran und weisen nach außen
        • Sog. Endotoxine: Lösen beim Absterben der Bakterienzelle toxische Reaktion beim Wirt aus
      • Bspw. E. coli
  • Besonderheiten
    • Zellwandlose Bakterien: Bspw. Mykoplasmen
    • Atypische Zellwand
      • Mykobakterien: Besonderer Wandaufbau aus Wachs und Lipiden → Nährstoffe gelangen aufgrund des Zellwandaufbaus nur schwer in das Innere der Bakterien → Langsames Wachstum und Vermehrung
  • Klinische Relevanz: Zellwandsynthese Ansatzpunkt für Penicillin (s.u.)

Gramfärbung
Die Gramfärbung wurde schon 1884 von dem dänischen Pathologen Christian Gram entwickelt und macht sich die unterschiedliche Mureinkonzentration der bakteriellen Zellwände zu Nutze. Die erste Färbung erfolgt in zwei Schritten mit Kristallviolett und Lugol-Lösung sowie einer Spülung mittels Alkohol. Bei Bakterien mit einer dicken Mureinschicht lässt sich der Farbstoff durch den Alkohol nicht auswaschen, sie stellen sich daher unter dem Mikroskop blau dar (= „grampositiv“) . Bei einer dünnen Mureinschicht wird der Farbstoff ausgewaschen, sodass es wieder zu einer kompletten Entfärbung kommt. Um im Anschluss auch die gramnegativen Bakterien darzustellen, wird das Präparat in einem weiteren Schritt mit Fuchsin gefärbt. Grampositive Bakterien behalten weiterhin die blaue Farbe aus den ersten Schritten, während sich die gramnegativen Bakterien nun rot darstellen.

Gramnegative Bakterienzellen sind von innen nach außen wie folgt aufgebaut: 1. Innere Zellmembran 2. Einschichtiger Mureinsacculus 3. Äußere Membran mit Lipopolysacchariden!

Die äußere Membran gramnegativer Bakterien enthält Lipopolysaccharide. Diese sog. Endotoxine, die beim Absterben des Bakteriums entstehen, gehören zu den Auslösern schwerer systemischer Entzündungsreaktionen (Sepsis). Die Endotoxine sind charakteristisch für gramnegative Bakterien!

Penicillin
Betalaktam-Antibiotika wie Penicillin wirken vor allem gegen grampositive Erreger antibiotisch, deren Zellwände aus dicken Mureinschichten bestehen. Penicillin verhindert durch die irreversible Hemmung des Enzyms Transpeptidase die Quervernetzung der Untereinheiten des Mureins, wodurch es bakterizid wirkt.

Pathogenitätsfaktoren (Virulenzfaktoren)

Pathogenitätsfaktoren (Virulenzfaktoren) verleihen einem Bakterium seine Infektiosität und tragen so zur Entstehung von Krankheiten bei. Viele der hier genannten Pathogenitätsfaktoren treten jedoch nur bei bestimmten Bakterien auf - die meisten Bakterien besitzen bspw. keine Kapsel, die Pneumokokken hingegen schon.

  • Kapsel
  • Geißeln (Flagellen)
    • Funktion: Rotieren der Geißeln → Gerichtete Fortbewegung des Bakteriums
    • Aufbau: Schraubenform aus langen Ketten aus Flagellin
    • Anzahl: Zelle mit einer (Monotrich) oder mehreren Geißeln (Polytrich)
    • Anordnung an Zelle
      • Monopolar: An einem Zellende
      • Bipolar: An beiden Zellenden
      • Peritrich: Auf der Oberfläche verteilt
  • Pili (Fimbrien)
    • Funktion: Adhärenz = Anheften von Bakterien aneinander oder an Wirtszellen
    • Aufbau: Ähnlich den Geißeln, jedoch deutlich kleiner (v.a. gramnegative Bakterien, bspw. wichtigster Pathogenitätsfaktor der uropathogenen E. coli)
      • Sonderform Sexpili: Proteinrohre zur Kontaktaufnahme mit anderen Bakterien → Ermöglichung von Genaustausch
  • Sporen
    • Aufbau: Hülle aus Sporenwand, -rinde und -mantel
    • Funktion: Dauerformen von Bakterien, die unter ungünstigen äußeren Verhältnissen gebildet werden → Überdauerung der äußeren Zustände
    • Eigenschaften: Resistent gegen Erhitzen oder chemische Noxen (z.B. Desinfektionsmittel!)
    • Bildung: Abbau des Zytoplasmas bis auf kleinen Rest, der DNA, RNA, Ribosomen und Enzyme enthält → Eingeschränkter Stoffwechsel, bis die Verhältnisse wieder besser sind
    • Typische Vertreter: Grampositive Stäbchenbakterien wie z.B. Clostridien
  • Endotoxine (s.o.)

Sporenbildung
Sporen verschiedener gefährlicher Bakterien können Jahrzehnte überleben, während derer sie Temperaturen von über 100°C tolerieren und auch gegen viele Desinfektionsmittel resistent sind. Bekannte Sporenbildner sind bspw. Clostridium tetani (Erreger des Wundstarrkrampfs) oder Bacillus anthracis (Erreger des Milzbrands).

Pathogenitätsfaktoren von Pneumokokken
Pneumokokken (Streptococcus pneumoniae), die u.a. Lungen- und Hirnhautentzündungen erregen, erhalten ihre Pathogenität u.a. durch ihre Schleimkapsel, die sie vor der Phagozytose durch Makrophagen schützt. Im Mikroskop stellen sie sich als grampositive, paarweise gelagerte Kokken dar. Die Milz als lymphatisches Organ spielt eine besondere Rolle bei der Abwehr bekapselter Bakterien. Muss sie (bspw. nach einer Verletzung) entfernt werden, müssen die Betroffenen prophylaktisch unbedingt Schutzimpfungen gegen Pneumokokken aufgrund der erhöhten Infektanfälligkeit erhalten!

Wachstum und Vermehrung der Bakterien

Die Bakterien können anhand ihres Bedarfs an Sauerstoff unterschieden werden: Einige können sich nur in Anwesenheit, andere nur in Abwesenheit von Sauerstoff vermehren. Dies kann im klinischen Alltag von großer Relevanz sein, etwa bei einer Infektion mit Anaerobiern. In diesem Falle muss eine Wunde offen behandelt werden, um das Wachstum der Bakterien zu verhindern.

Einteilung nach Sauerstoffbezug und intrazellulärem Wachstum

Bakterienkulturen

  • Definition: Anzüchtung von Bakterien in der bakteriologischen Diagnostik auf verschiedenen Nährmedien
  • Funktion: Mikroskopische Identifizierung, bspw. aus Abstrichmaterial zur Untersuchung der Ansprechbarkeit auf Antibiotika
  • Kulturmedien
    • Selektivmedien: Isolation von Bakterien mit bestimmten Eigenschaften
    • Anreicherungsnährböden: Optimale Kultivierung des gewünschten Bakteriums

Wachstumskurve der Bakterien

  • Wachstumskurve: Beschreibt die charakteristische Zunahme einer bakteriellen Zellkonzentration
    1. Lag-Phase (= Anlaufphase): Anpassung ans Nährmedium, wenige Zellteilungen
    2. Log-Phase (= Exponentielle Wachstumsphase): Hohe Wachstumsrate, kurze Generationsdauer
    3. Stationäre Phase
      • Bremsung des Wachstums durch Limitation der Nahrungsstoffe und Zunahme toxischer Stoffwechselprodukte
      • Gleichgewicht der Population
    4. Absterbephase
      • Verschlechterung der Lebensbedingungen, z.B. durch Mangel an Nährstoffen
      • Abnahme der Zellpopulation

Clostridien (z.B. C. difficile, C. tetani) sind obligate Anaerobier und Sporenbildner!

Bakteriengenetik und Antibiotikaresistenzen

Das Genom eines Bakteriums liegt in seinem Nucleoid vor. Die Genaktivität wird v.a. reguliert, indem die Transkription gesteuert wird. Siehe dazu auch: Genexpression und Proteinbiosynthese. Genetische Informationen können auf verschiedene Weisen übertragen werden.

Mechanismen der Genvariabilität

  • Intrazelluläre Mechanismen
    • Hohe Mutationsrate
    • Homologe Rekombination
  • Interzelluläre Mechanismen
  • Transposition: Austausch genetischer Informationen in Form eines sog. Transposons ("springendes Gen" mit typischem Aufbau, s.u.) innerhalb eines Genoms oder zwischen den Genomen verschiedener Bakterien, die sich in ihrer Gensequenz nicht ähneln

Entstehung von Antibiotikaresistenzen

Bakterien besitzen die Fähigkeit, Resistenzen gegen Antibiotika zu entwickeln, die sie mittels Plasmiden auch untereinander austauschen können. Da sie hohe Mutationsraten besitzen und die Generationen sehr kurz dauern, sind Bakterien besonders anpassungsfähig. Dies hat durch den großzügigen Einsatz von Antibiotika große Relevanz gewonnen - ein bekanntes Beispiel hierfür sind die sogenannten „Krankenhauskeime“, die sich mit den gängigen Antibiotika nicht mehr bekämpfen lassen.

  • Mögliche Resistenzmechanismen mit Beispielen
    • Veränderung der Zielstruktur: Mutation im Gyrase-Gen sorgt für Resistenz gegen Fluorchinolone, da diese nicht mehr an der Gyrase ansetzen können
    • Inaktivierung: Bildung einer Betalaktamase, die den Betalaktamring (bspw. des Penicillins) spaltet
    • Ausschleusung: Tetracycline werden durch Membranproteine aktiv aus der Zelle gepumpt
  • Resistenztypen
    • Natürliche Spezies- oder Gattungsresistenz
    • Neumutation
    • Genübertragung
      • Beispiel: Resistenzübertragung mittels Transposition („cut&paste“-Mechanismus)
        • Aufbau des Transposons
          • "Vorgelagerte" Insertionssequenz (IS-Element) bestehend aus:
            • Inverted Repeat (IR; kurze, gegenläufige Sequenzwiederholungen)
            • Gene, die für für die Transposition wichtige Proteine kodieren (z.B. für Transposase)
          • Gene für eine Antibiotikaresistenz, z.B. gegen Vancomycin
          • "Nachgelagertes" IS-Element
        • Mechanismus
          • Die Transposase bindet an die Enden des Transposons (genauer an die Inverted Repeats) und erzeugt Strangbrüche
          • Die Ziel-DNA-Sequenz wird geschnitten, so dass versetzte Schnitte mit freien 5'-Enden entstehen
          • Das ausgeschnittene Transposon wird in die Ziel-DNA-Sequenz auf einem R-Plasmid eingebaut
          • DNA-Polymerase füllt die entstandenen Lücken, so dass sich vor und nach dem Transposon die gleichen Sequenzen bilden
        • Ergebnis: Das Transposon befindet sich mit dem Resistenzgen (in diesem Beispiel der Vancomycin-Resistenz) nun auf einem R-Plasmid, das auf andere Bakterien übertragen werden kann.
  • Entstehung multiresistenter Erreger: Gabe von Antibiotika mit breitem Wirkungsspektrum oder verfrühter Abbruch einer Antibiotikatherapie erzeugt Selektionsdruck, der das Wachstum der resistenten Bakterien begünstigt

MRSA
Der sog. "Methicillin-resistente Staphylococcus aureus" (MRSA) hat durch Modifikation seines Penicillin-Bindeproteins die Fähigkeit der Bindung der sog. Betalaktam-Antibiotika verloren. MRSA führt v.a. in Krankenhäusern zu Wundinfektionen bei Patienten mit Risikofaktoren. Für die Ausweichtherapie kann Vancomycin verwendet werden, allerdings treten inzwischen bereits Infektionen mit Vancomycin-resistenten MRSA auf (VRSA).

Wiederholungsfragen zum Kapitel Bakterien

Morphologische Grundformen der Bakterien

Wie werden runde Bakterien bezeichnet und wie können sie angeordnet sein?

Was ist der häufigste Erreger von Harnwegsinfektionen? Beschreibe seine Form und sein Gramverhalten!

Welcher Erregertyp lässt sich häufig in eitrigen Abszessen finden? Beschreibe seine Form und sein Gramverhalten!

Beschreibe die Form der Spirochäten-Bakterien! Welche Erkrankung löst das zu den Spirochäten gehörende Treponema pallidum aus?

Besonderheiten der prokaryontischen Zelle

Wo findet in der Bakterienzelle die Energiegewinnung statt?

Die sog. Lipopolysaccharide (LPS) kommen nur in gramnegativen Bakterien vor. Wo genau sind sie lokalisiert und was geschieht mit ihnen beim Zerfall der bakteriellen Zelle?

Welche Zelleigenschaft bestimmt, ob sich ein Bakterium grampositiv oder gramnegativ anfärben lässt?

Die Mykobakterien, zu denen auch der Erreger der Tuberkulose gehört (Mycobacterium tuberculosis), besitzen einen besonderen Zellwandaufbau. Wodurch zeichnet er sich aus und welche Auswirkungen hat dies auf die Zellprozesse?

Wie entfaltet Penicillin seine antibiotische Wirkung? Gegen welche Bakterienart ist es vor allem wirksam?

Auf welche gemeinsame Art und Weise entfalten die Antibiotikagruppen der Makrolide und Tetrazykline sowie Chloramphenicol ihre Wirkung?

Wo befindet sich die bakterielle DNA und wie liegt sie vor?

Pathogenitätsfaktoren

Beschreibe die Form und das Gramverhalten der Pneumokokken (Streptococcus pneumoniae)! Welches ist ihr wichtigster Pathogenitätsfaktor und welche Funktion hat dieser?

Wie tragen die sog. Pili (= Fimbrien) zur Infektiosität eines Bakteriums bei? Für welches Bakterium sind sie der wichtigste Pathogenitätsfaktor?

Was sind Geißeln (= Flagellen)?

Wie nennt man die sehr resistente Dauerform von Bakterien, die von einigen Bakterien bei ungünstigen äußeren Verhältnissen gebildet werden kann? Welche Bakterien sind das typischerweise?

Wachstum und Vermehrung der Bakterien

Nenne ein Beispiel für ein Bakterium, welches keinen eigenen Energiestoffwechsel besitzt und daher für seine Vermehrung auf das ATP der Wirtszelle angewiesen ist!

Wie nennt man Bakterien, die nur unter sauerstoffarmen Bedingungen wachsen können? Nenne einen typischen Vertreter!

Bakteriengenetik und Antibiotikaresistenzen

Durch welche interzellulären Mechanismen kann ein Bakterium zusätzliche genetische Informationen (bspw. Pathogenitätsfaktoren) erhalten?