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Grundlagen der Mikrobiologie und Virologie

Abstract

Zu den Mikroorganismen zählen die Bakterien, Pilze und Viren. Als Überträger einer Vielzahl teils lebensbedrohlicher Infektionskrankheiten ist die Kenntnis über Aufbau, Lebensweisen, Infektionsmechanismen und therapeutische Ansätze dieser Mikroorganismen von besonderer Relevanz. Hier gibt es einen Überblick über Grundlagen der mikrobiologischen Ökologie, der Viren und der Pilze. Die Bakterien stellen ein recht umfangreiches Thema dar und werden gesondert unter „Bakterien“ behandelt.

Grundlagen der mikrobiologischen Ökologie und der Infektionen

Die Ökologie beschäftigt sich mit dem Zusammenspiel zwischen Lebewesen und Umwelt und den Lebewesen untereinander. Die Infektiologie ist eine fächerübergreifende Disziplin, die sich mit dem Verlauf und den Auswirkungen von Erkrankungen durch Mikroorganismen (Bakterien, Pilzen, Parasiten, Viren und Prionen) beschäftigt.

Zelltypen

Energiekreislauf innerhalb eines Ökosystems

  • Ökosystem: Gemeinschaft aller Mikroorganismen und abiotischen Faktoren eines Biotops
  • Energiekreislauf zwischen den verschiedenen Elementen des Ökosystems
    • Produzenten: Pflanzen produzieren unter Verbrauch von Sonnenenergie organische Verbindungen
    • Primärkonsumenten: Verwerter von Pflanzen und deren Produkten ("Pflanzenfresser", Herbivoren)
    • Sekundärkonsumenten: Ernähren sich von Primärkonsumenten ("Fleischfresser", Carnivoren)
    • Destruenten: Wandeln organische Substanzen wieder in anorganische Substanzen um
      • Bakterien und Pilze verwerten Abfallprodukte aller Produzenten und Konsumenten
      • Anorganische Substanzen stehen den Produzenten wieder zur Verfügung
  • Nahrungskette
    • Hierarchie der o.g. Teile des Energiekreislaufs (Pflanzlicher Produzent → Pflanzenfresser → Fleischfresser → Destruent)
    • Eingebrachte Schadstoffe werden an die nächsten Glieder der Nahrungskette weitergegeben

Quecksilbervergiftung
Durch die Ableitung industrieller Abwässer kann Quecksilber in Flüsse und Meere gelangen. In den Fischen reichert es sich als Methylquecksilber an. Der häufige Verzehr von mit Methylquecksilber vergifteten Fischen kann beim Menschen zur chronischen Quecksilbervergiftung führen, die sich u.a. durch Schädigungen des zentralen Nervensystems und der Niere äußert. Das Quecksilber hat in diesem Fall den Menschen nicht direkt, sondern über die Nahrungskette erreicht.

Wechselbeziehungen zwischen artverschiedenen Organismen

  • Symbiose: Zusammenleben zweier Arten in gegenseitigem Nutzen
    • Beispiel: Döderlein-Bakterien der Vaginalflora setzen das Glycogen der abgeschilferten Vaginalzellen zu Milchsäure um
      • Nutzen für die Döderlein-Bakterien: Bezug von Energie aus dem Glycogen
      • Nutzen für menschlichen Körper:
        • Aufrechterhaltung eines sauren Milieus
        • Schutz vor Fehlbesiedlung durch pathogene Keime, die im sauren Milieu nicht leben können
  • Kommensalismus: Nutzung eines Wirtsorganismus ohne Nutzen oder Schaden für diesen
    • Beispiele:
      • Besiedelung der Haut mit zahlreichen Keimen, die sich von Abschilferungen ernähren, für den Menschen aber keinen besonderen Nutzen darstellen
      • Löwen hinterlassen Nahrungsreste für Geier, die diese verzehren
  • Parasitismus: Nutzung eines Wirtsorganismus mit gleichzeitigem Schaden für diesen
    • Beispiel: Die weibliche Anopheles-Mücke saugt das Blut ihres Wirts, wobei die Malaria übertragen werden und so sogar zum Tode des Wirts führen kann

Infektion und Pathogenität

Das Aufeinandertreffen von Mikroorganismus und Mensch kann unterschiedlich verlaufen.

  • Kolonisation: Besiedlung von Haut und Schleimhäuten mit Mikroorganismen ohne klinische Symptome oder Invasion des Körpers
    • Diese "natürliche Flora" kommt bei jedem Menschen vor, ist in ihrer Zusammensetzung aber individuell
      • Zwar lassen sich hier z.T. auch pathogene Erreger finden, die Mikroorganismen der "natürlichen Flora" hindern diese jedoch am Wachstum und damit an der Infektion des Organismus
  • Invasion: Aktives Eindringen in Gewebe und Zellen
  • Infektion: Eindringen und Vermehrung von pathogenen Erregern in einem Wirtsorganismus, was typischerweise eine Abwehrreaktion und/oder Schädigung mit Zeichen der Entzündung hervorruft
    • Fakultativ pathogene Mikroorganismen: Führen nur unter bestimmten Bedingungen (wie z.B. einer Immunschwäche oder in bestimmten Organen ) zu einer Infektion
    • Obligat pathogene Keime: Können auch einen immunkompetenten Wirt befallen und führen regelhaft zu einer Infektion
  • Opportunistische Infektion
  • Nosokomiale Infektion: Infektion, die in zeitlichem Zusammenhang mit einem Krankenhausaufenthalt oder einer ambulanten/stationären medizinischen Maßnahme (z.B. auch Pflegeeinrichtungen, Altenheim) steht
  • Zoonose
  • Virulenz: Ausmaß der Pathogenität

Ablauf von Infektionen

Je nachdem, wie weit eine Infektion in der Bevölkerung verbreitet ist, spricht man von einer Endemie, Epidemie und/oder einer Pandemie. Infektionserkrankungen zeigen dabei einen heterogenen, jedoch typischen Verlauf.

  1. Kontakt mit einem Erreger in ausreichender Menge (sogenannte Infektionsdosis )
    • Die Aufnahme erfolgt meistens über natürliche Körperöffnungen (z.B. über Atemwege oder fäkal-oral)
  2. Nach Ablauf der Inkubationszeit kommt es zur Erkrankung
  3. Die Erkrankung kann ausheilen, persistieren oder zum Tod führen
  4. Heilt die Erkrankung aus, ist bei manchen Erregern eine lebenslange Immunität möglich (z.B. Mumps oder Röteln)

Viren

Viren bestehen nur aus einer Nucleinsäure (DNA oder RNA), besitzen keine Ausstattung für Stoffwechsel, Replikation und Proteinbiosynthese und sind daher abhängig von Wirtszellen: Sie befallen diese, vermehren sich mit deren Ausstattung und werden anschließend freigesetzt, wobei sie die Wirtszelle zerstören. Sie gehören demnach zu den Parasiten.

Virusbegriff

Viren sind Parasiten, die zur Vermehrung Wirtszellen benötigen!

Aufbau von Viren

Ein Virus enthält entweder DNA oder RNA!

Viraler Lebenszyklus

Der Vermehrungszyklus von Bakteriophagen und der von Viren eukaryontischer Zellen unterscheidet sich. Hier wird nur auf den Vermehrungszyklus letzterer eingegangen. Viren gelangen nach der Infektion in ihr entsprechendes Wirtsorgan; dort durchlaufen sie einen langen Replikationszyklus, an dessen Ende die Zusammenlagerung der einzelnen Bestandteile steht.

  1. Anheften (Adsorption) an der Wirtszelle: Die Infektion mit Viren ist von Oberflächenmerkmalen der Wirtszellen abhängig (z.B. infiziert das HI-Virus alle Zellen mit CD4-Oberflächenmerkmal)
  2. Eindringen (Penetration) in die Wirtszelle
    • Bei unbehüllten Viren durch Endozytose oder Transmembrantransport
    • Behüllte Viren fusionieren entweder mit der Hülle der potentiellen Wirtszelle oder dringen ebenfalls mittels Endozytose ein
  3. Freisetzung (Uncoating) der Nucleinsäure
  4. Vermehrung (Replikation) der Nucleinsäure und Bildung von Virusproteinen
  5. Zusammenbau (Assembly) der Viruskomponenten im Anschluss an Translation und Transkription
  6. Freisetzung der Viren: Bei behüllten Viren durch Knospung, bei unbehüllten Viren mittels Wirtszelllyse
    • Der Zeitraum zwischen Uncoating in der Wirtszelle und der Produktion erkennbarer Viruspartikel wird „Eklipse“ genannt

Translation und Replikation des viralen Genoms

Retroviren erhalten ihren Namen durch ihre charakteristischen Bestandteile: Reverse Transkriptase und Onkogene!

Tumorentstehung durch Viren

Sowohl DNA- als auch RNA-Viren können zur Tumorentstehung beitragen. Dabei unterscheiden sie sich in den Mechanismen.

Genetische Variabilität am Beispiels des Influenzavirus

Das virale Genom wird durch verschiedene Mechanismen variiert. Durch die Veränderung der viralen Antigene oder sogar der Virussubtypen wird die Ausbreitung der Viren unterstützt, da noch keine Abwehrmechanismen gegen diese Form existieren.

  • Antigendrift: Geringfügige Veränderung der Antigenstruktur (Hämagglutinin und/oder Neuraminidase) durch Punktmutationen
    • Die Bezeichnung des Subtyps verändert sich dadurch nicht (z.B. H5N1 "Vogelgrippe" bleibt H5N1)
  • Antigenshift
    • Bei einer Co-Infektion zweier Influenzasubtypen können durch Austausch ganzer Genabschnitte (Reassortment) zwischen Viren neue Influenzasubtypen entstehen (z.B. H3N1 → H2N1)
    • Dieser Prozess wird durch den Kontakt von humanpathogenen und xenogenen Influenzaviren begünstigt

Übertragungswege

Humanpathogene Viren können auf diverse Weisen übertragen werden. Die wichtigsten Übertragungswege sind hier dargestellt.

  • Oral
  • Fäkal-Oral
  • Blut
  • Tröpfcheninfektion
  • Vektoren

Therapie und Prävention

Die Infektion einer Zelle durch einen Virus bzw. die Integration des viralen Genoms in das der Zelle ist irreversibel. Therapeutische Ansätze bestehen in der Verhinderung der weiteren Vermehrung der Viren durch sog. Virostatika oder in der Prävention einer Infektion (z.B. durch Impfungen).

Ansatzpunkt im viralen Vermehrungszyklus Beispiele für Medikamente
Anheften und Eindringen des Virus in die Wirtszelle, Freisetzung der Nucleinsäure
Replikation des viralen Genoms Ansatzpunkt DNA-Polymerase
Ansatzpunkt reverse Transkriptase (z.B. Tenofovir bei HIV-Infektion)
Translation der viralen mRNA
Zusammenbau der Viruskomponenten
  • Proteaseinhibitoren (z.B. Boceprevir)
Ausschleusung und Freisetzung neuer Viren aus der Wirtszelle

Virostatika
Virostatika hemmen die Ausbreitung von Viren, indem sie den viralen Vermehrungszyklus an verschiedenen Stellen unterbrechen. Da der Höhepunkt der viralen Vermehrung meist mit Einsetzen der klinischen Symptomatik schon erreicht ist, muss eine rasche Diagnostik erfolgen, um die Virustatika rechtzeitig einsetzen zu können.

Für weiterführende Informationen zur speziellen Virologie und zur Virusdiagnostik siehe Kapitel: Allgemeine Virologie

Pilze

Überblick

  • Pilze: Eukaryontische Lebewesen, die als Ein- oder Vielzeller auftreten
  • Heterotrophe Ernährung: D.h. Notwendigkeit organischer Substanzen als Energiequellen
  • Mykosen: Durch Pilze ausgelöste Infektionskrankheiten
    • Bei immunkompetenten Patienten: Oft nur lokale Infektionen
    • Bei immunsupprimierten Patienten (z.B. HIV-Patienten oder Patienten nach Knochenmarkstransplantation): Beteiligung innerer Organe und des Systems
  • Drei Typen humanpathogener Pilze
    • Dermatophyten (Fadenpilze): Befallen vorwiegend Haut, Haare und Nägel
    • Hefen (Sprosspilze): Befall von Haut, Schleimhaut und inneren Organen möglich
    • Schimmelpilze: Bilden makroskopisch sichtbare "Schimmel" auf Nahrungsmitteln aus und können im Körper u.a. zu Allergien führen

Pilze gehören nicht zu den Pflanzen. Sie können keine Photosynthese betreiben!

Aufbau und Charakteristika von Pilzen

Es gibt viele Merkmale zur Differenzierung von Pilzen; der Großteil leitet sich aber von den vier hier aufgeführten Grundelementen ab.

  • Vor allem Dermatophyten und Schimmelpilze
    • Hyphe: Vielzelliger Verband von Pilzzellen, die durch porenhaltige Septen miteinander verbunden sind
    • Mycel: Hyphengeflecht, das durch asexuelle Vermehrung entsteht
  • Vor allem Hefen
    • Sprosszellen: Bei einzelligen Pilzen durch Sprossung entstandene Tochterzellen
    • Pseudomycel: Ketten von Sprosszellen, die hyphenartig gestreckt sind, aber durch vollständige Septen getrennt werden

Vermehrung

Pilze können sich sowohl sexuell als auch asexuell fortpflanzen.

  • Asexuelle (= ungeschlechtliche) Fortpflanzung
    • Sporenbildung: Dauerformen von Pilzen, die v.a. ihrer Verbreitung dienen
    • Sprossung: „Abschnüren“ von Tochterzellen
    • Zerfall von Hyphen
  • Sexuelle (= geschlechtliche) Fortpflanzung: Verschmelzung zweier Zellen führt zur Entstehung einer diploiden Zygote

Besonderheiten der Pilzzelle

Azol-Antimykotika
Die Ergosterolsynthese der Zellmembran der Pilze kann als Angriffspunkt für die Therapie mit Antimykotika verwendet werden. Die Azol-Antimykotika erzielen ihre Wirkung über die Hemmung der Ergosterolsynthese und haben so ein breites Wirkspektrum bei der Behandlung von Mykosen.

Von Pilzen synthetisierte Stoffe

Verschiedene Stoffe werden durch Pilze produziert, die für den Menschen klinische Bedeutung besitzen:

Knollenblätterpilzvergiftung
Eine Vergiftung mit Amanitin, dem Gift des Knollenblätterpilzes, führt nach ca. 12 Stunden zu gastrointestinalen Symptomen wie Erbrechen und Durchfällen. Im Verlauf kann es zu toxischem Versagen von Leber und Nieren kommen. Wird die Vergiftung rechtzeitig erkannt, sollte mittels Magenspülung und/oder der Gabe von Aktivkohle die Resorption des Giftes verhindert werden. Das Antidot Silibinin kann die Wirkung abfangen. Bis zu 15% der Betroffenen versterben allerdings.

Mutterkornvergiftung
Eine Vergiftung mit dem Gift des Mutterkornpilzes (Ergotamin) führt neben Kopfschmerzen und Übelkeit zu weiteren Symptomen, die sich durch die stimulierende Wirkung des Ergotamins an α-adrenergen Rezeptoren erklären. Die hervorgerufene Vasokonstriktion kann zu Gefühllosigkeit bis hin zum Absterben von Armen und Beinen führen. Bei Schwangeren kommt es durch Kontraktionen des Uterus zu Fruchtabgängen. Im Mittelalter wurde Ergotamin aus diesem Grunde als Abtreibungsmittel genutzt.

Wiederholungsfragen zum Kapitel Grundlagen der Mikrobiologie und Virologie

Grundlagen der mikrobiologischen Ökologie und der Infektionen

Der häufige Verzehr von Fischen geht mit dem Risiko einer Vergiftung mit welchem Schwermetall einher und weshalb?

Definiere Symbiose und nenne ein Beispiel im menschlichen Körper!

Definiere Parasitismus! Welche parasitäre Tropenkrankheit wird von Mücken der Gattung Anopheles übertragen?

Viren

Beschreibe den allgemeinen Aufbau von Viren und den speziellen Aufbau des Influenzavirus!

Was bedeutet Reassortment von viralen Genabschnitten und welche Folgen hat dies? Welches Virus ist für sein häufiges Reassortment bekannt?

Zu welcher Virusspezies gehört das Humane Immundefizienzvirus (HIV)? Welche Besonderheit weist diese Spezies bezüglich ihres Vermehrungszyklus auf und inwiefern ist dies ein Ansatzpunkt für eine medikamentöse Therapie?

Wie vermehren sich DNA-Viren in ihren Wirtszellen?

Pilze

Was sind Aflatoxine?

Was sind Auswirkungen einer Vergiftung mit dem Mutterkornpilz?

Eine Sammlung von allgemeineren und offeneren Fragen zu den verschiedenen prüfungsrelevanten Themen findest du im Kapitel Beispielfragen aus dem mündlichen Physikum.