Biologie für Mediziner: Grundlagen der medizinischen Mikrobiologie

Bakterien

Alle Lebewesen werden unterteilt in drei Domänen:

• Eukaryonten (Lebewesen mit Zellkern): Menschen, Tiere, Pflanzen, Pilze
• Prokaryonten (Lebewesen ohne Zellkern): Bakterien
• Archaeen: „Urbakterien“

Protisten fassen die Gruppen einzelliger Erreger mit Zellkern (also Eukaryonten) zusammen. Zu den Protisten gehören:

• Protozoen (wichtige Erreger: Malaria, Schlafkrankheit)
• einzellige Algen
• bestimmte Pilze

Morphologie und Aufbau der Bakterien

Bakterien sind Prokaryonten: Sie haben keinen abgegrenzten Zellkern. Die DNA liegt also ohne Membran zusammengedrängt im Kernäquivalent, dem Nucleoid, im Zytoplasma vor. Auch existieren keine sonstigen inneren Kompartimentsysteme wie bei Eukaryonten (kein ER, keine Mitochondrien, etc.): Der ganze Stoffwechsel eines Bakteriums findet im Zytoplasma statt.

Die zwei wichtigsten Merkmale, mit denen Bakterien mikroskopisch klassifiziert werden können, sind die äußere Erscheinungsform des Bakteriums, die Gram-Färbung und die Art der Begeißelung (falls vorhanden).

Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über die morphologische Klassifikation von Bakterien.

Bild: “Verschiedene Anordnungen von Kokken: (a) Streptokokken (Zellteilung in einer Ebene), (b) Diplokokken (bleiben als zwei Kokken nach der Zellteilung), (c) Tetraden (Zellteilung in zwei Ebenen), (d) Paketkokken oder Sarcinen (Zellteilung in allen drei Ebenen), (e) Staphylokokken (Zellteilung erfolgt unregelmäßig in mehreren Ebenen).” von Y tambe. Lizenz: CC BY-SA 3.0

Die Zellwand der Bakterien

Die Zellwand schließt sich an die Außenseite der Zellmembran an. Sie dient der mechanischen Stabilität und dem Stoffaustausch. Bestandteil fast jeder Bakterienwand ist das Peptidoglykan Murein. Murein besteht aus N-Acetylglucosamin und N-Acetylmuraminsäure. Durch Längs- und Quervernetzung durch Oligopeptide entsteht ein Mureinsacculus, der die Zelle schützt und konträr zum osmotischen Druck wirkt.

Klassifikation der Bakterien nach Gram-Färbung

Um Bakterien zu typisieren, wird die Methode der Gram-Färbung nach dem dänischen Bakteriologen Hans Christian Gram (1853–1938) genutzt. Sie stellt ein wichtiges diagnostisches Mittel dar, da Gram-negative Bakterien durch eine zusätzliche Membran in Form einer Lipiddoppelschicht weniger empfindlich gegen Penicillin sind.

Arbeitsschritte der Gram-Färbung:

• Violett-Färbung der Zellen
• Auswaschen der Färbung mit Alkohol
• Rot-Färbung der Zellen

Gram-positive Bakterien: violett, Gram-negative Bakterien: rot

Bild: “Schema einer Zellwand gram-negativer Bakterien” von Matthias M. Lizenz: CC BY-SA 3.0

Gram-positive Bakterien haben eine dickere Mureinschicht. Gram-negative Bakterien besitzen eine im Vergleich dünnere Mureinschicht, dafür aber eine zweite Membran in Form einer Lipiddoppelschicht.

Für den Wirt ist eine Infektion mit Gram-negativen Bakterien kritischer. Die Lipopolysaccharide der zweiten Membranschicht können bei Zersetzung durch den Wirtskörper als Endotoxine freigesetzt werden. Endotoxine wirken als Pyogene und lösen hohes Fieber und Schüttelfrost aus.

Übersicht Gram-positive und Gram-negative Bakterien und Erkrankungen

Geißeln und Pili bei Bakterien

In etwa 50 % der Prokaryonten können sich mittels Geißeln (Flagellen) fortbewegen. Geißeln können monotrich (in Einzahl) oder polytrich (in Mehrzahl) am Bakterium auftreten. Die bakteriellen Geißeln bestehen aus dem Protein Flagellin und sind nicht mit Ausstülpungen der Zellmembran umhüllt. Angeordnet sind die Flagellen monopolar (Geißeln an einem Zellende), bipolar (an beiden Zellenden) oder peritrich (über das ganze Bakterium verteilt).

Teils sind die Proteine der Geißeln artspezifisch und wirken so als Antigene, die in der Serologie identifiziert werden können (z.B. bei Salmonellen und E. Coli).

Pili gleichen im Aufbau den Geißeln, sind jedoch viel kleiner. Durch die Pili (auch Fimbrien) kann das Bakterium besser an Oberflächen und an andere Bakterien anheften. Die Adhärenz eines Bakteriums an einen potentiellen Wirt wird durch Fimbrien ermöglicht: Diese stellen somit einen Virulenz-Faktor dar.

Der Stoffwechsel der Bakterien

Fast alle Bakterien benötigen organische Substanzen zum Überleben und zählen deshalb zu den heterotrophen Organismen. Weiter klassifiziert werden Bakterien nach ihrer Beziehung zu Sauerstoff.

Bakteriengenetik

Bakterien sind in der Lage untereinander Genmaterial zu übertragen. Dadurch, dass Bakterien fähig sind, fremde DNA in ihr Genom zu integrieren, können sie ihren vorhandenen Genbestand neu kombinieren. Verschiedene Bakterienstämme können genetische Eigenschaften so untereinander transferieren.

Die drei Mechanismen der Genübertragung

• Konjugation: parasexuelle Übertragung durch Kontakt mittels F-Pili
• Transduktion: Gentransfer durch Bakteriophagen (Viren, die Bakterien infizieren)
• Transformation: Aufnahme von freier, isolierter Fremd-DNA in das Bakteriengenom

Die Ursache der pathogenen Wirkung von Bakterien

Verschiedene Faktoren beeinflussen die Virulenz (Stärke der Pathogenität) von Bakterien.

• Anzahl der eingedrungenen Bakterien
• Besitz von Adhäsinen
• Invasionsfaktoren
• Vermehrungsrate
• Bildung von Endo- und Exotoxinen
• Fähigkeit, sich dem Immunsystem zu entziehen

Endotoxine: Endotoxine entstehen beim Abbau von Bestandteilen der bakteriellen Zellwand (siehe oben), wenn Bakterien absterben. Durch Endotoxine werden beim Wirt durch Zytokine die Komplementkaskade und die Gerinnungskaskade aktiviert, was sich zu einem septischen Schock entwickeln kann. Krankheitsunspezifische Symptome, die Endotoxine auslösen sind: Fieber, Schmerzen, Schock, Abgeschlagenheit und Unwohlsein.

Exotoxine: Manche Bakterien können selbst Toxine produzieren und sezernieren. Sind diese gegen einen Wirt gerichtet, leidet dieser an sehr schweren krankheitsspezifischen Symptomen. Beispiele sind das Cholera-Toxin, Botulinus-Toxin, Diphterie-Toxin und das Tetanus-Toxin.

Die antibakteriellen Substanzen: Antibiotika und Chemotherapeutika

Bakterizide Substanzen töten Bakterien ab, bakteriostatische hemmen lediglich das Wachstum. Antibiotika sind aus Bakterien und Pilzen synthetisierte Stoffe, die gegen andere Mikroorganismen wirken. Antibiotika und Chemotherapeutika greifen in bestimmte Schritte des bakteriellen Zellstoffwechsels ein. Sie inhibieren Replikation, Transkription und Translation oder schädigen die bakterielle Zellwand oder Zellmembran. Zum Beispiel hemmen Penicilline die Mureinsynthese.

Pilze

Pilze gehören zu den Eukaryonten und besitzen, wie Pflanzen, Zellwände, Vakuolen, eine Plasmaströmung und sind unbeweglich. Diese bestehen jedoch bei fast allen Pilzen aus Chitin, nicht aus Zellulose. Pilze betreiben keine Photosynthese, sondern erhalten ihre Substrate für den Stoffwechsel durch ihre Eigenschaft als Saprophyten (Faulstoffverwerter).

Die Wachstumsformen und Vermehrung von Pilzen

Pilze bestehen meist aus Zellfäden, den Hyphen. Der Organismus eines Pilzes besteht aus Röhrensystemen, wobei die Hyphen ein stark verzweigtes Netz bilden, das Myzel. Hefen stellen Ausnahmen dar, die keine Hyphen und kein Myzel ausbilden.

Pilze können sich sexuell und asexuell fortpflanzen. Asexuelle Vermehrung erfolgt durch Zweiteilung, Zerfall der Hyphen, Sprossung (bei Hefen) oder Bildung von Konidien (enthält asexuelle, mitotisch gebildete Sporen). Sexuelle Fortpflanzung entsteht durch Verschmelzung zweier physiologisch verschiedener Zellen. Die entstandene diploide Zelle kann nun auskeimen und diploide Zellen bilden. Wenn die Reduktionsteilung erst im Stadium der Zygote stattfindet, dann entstehen haploide Sporen.

Die toxischen Syntheseprodukte der Pilze

Einige Pilze können toxische Substanzen produzieren, die für den Menschen eine Gefahr darstellen. Die folgende Übersicht fasst die wichtigsten produzierenden Pilze, ihre toxischen Substanzen und die Wirkung dieser zusammen.

Bild: “Knollenblätterpilz Heidelberg Deutschland” von Grossbildjaeger. Lizenz: CC BY-SA 3.0

Die pathogene Wirkung der Pilze

Die Infektionskrankheiten, welche durch Pilze verursacht werden, heißen Mykosen. Beim gesunden Menschen stellen sie in den meisten Fällen kein Problem dar. Bei herabgesetztem Immunsystem jedoch brechen sie als opportunistische Infektionen aus.

• Dermatophyten: Keratinophile Pilze befallen humane Haut, Haare und Nägel.
• Hefen und Schimmelpilze befallen Schleimhäute von Intestinal- und Respirationstrakt (hohes Risiko nach antibiotischer Behandlung!).
• Systemische Mykosen entstehen durch die Aufnahme von Pilzsporen aus der Atemluft, die sich in verschiedenen inneren Organen manifestieren können: Schwere Infektionen sind die Folge, die letal enden können. (Risikopatienten sind z.B. HIV-Patienten)

Synthese von Antibiotika

Flemming fand 1928 heraus, dass einige Pilze in der Lage sind, antibiotisch wirksame Stoffe zu produzieren: Penicillin aus Penicillium notatum, Cephalosporin aus der Gattung Acremonium und Griseofulvin aus Penicillium griseofulvum. 50 dieser ca. 2000 charakterisierten antibiotischen Stoffe werden als Chemotherapeutika eingesetzt.

Viren

Viren sind zwischen 20 nm und 300 nm große infektiöse Partikel. Viren können nicht eigenständig wachsen, noch sich vermehren. Sie benutzen stattdessen Wirtszellen. Sie dringen in diese ein und verwenden den fremden Stoffwechsel für die eigene Reproduktion. Bakteriophagen sind besondere Viren: Sie nutzen Bakterien als Wirte, indem sie nicht in sie eindringen, sondern ihr Genom in das Bakterium injizieren.

Aufbau und Klassifikation des Virus

Bild: “Paramyxoviridae Schema” von Gleiberg. Lizenz: CC BY-SA 2.0 DE

Die genetische Information des Virus liegt in Form eines Nucleoids aus DNA oder RNA vor. Das Nucleoid ist vom Capsid, einer Proteinhülle umgeben, teils von einer zusätzlichen Hülle aus Lipiden und Glykoproteinen. Manche Viren besitzen Enzyme, z.B. die Reverse Transkriptase.

Viren werden klassifiziert nach folgenden Eigenschaften:

• RNA oder DNA?
• Einzelsträngiges oder doppelsträngiges Genom?
• Nackt oder umhüllt (zusätzliche Hülle)?
• Kubische, helikale oder komplexe Capsidsymmetrie?
• Tiere, Pflanzen oder Menschen als Wirt?
• Immunologische Eigenschaften?
• Empfindlich gegen chemische oder physikalische Eigenschaften?

Die Vermehrung der Viren

Bei der Art der Vermehrung ist zwischen Bakteriophagen und Viren eukaryontischer Zellen zu unterscheiden.

Vermehrungszyklus von Bakteriophagen

Phagen sind aus einem Kopf mit Einzel-oder Doppelstrang aufgebaut und einem Schwanz, der zum Anheften an das Wirtsbakterium dient. Dieser hohle Schwanz injiziert nach Penetration der Bakterienzellwand sein Genom in das Bakterium. Danach können zwei verschieden Zyklen durchlaufen werden: Der lytische Vermehrungszyklus und der temperente Zyklus.

Beim lytischen Vermehrungszyklus wird die DNA sofort transkribiert. Die Proteinstrukturen und die Hüllen des Phagen werden vom Wirt reproduziert, später auch die DNA. Das Bakterium stirbt dabei ab.

Beim temperenten Zyklus findet Lysogenie statt. Der Begriff Lysogenie bezeichnet den Vorgang der Integration der Phagen-DNA in das Bakterienchromosom. Es entstehen Prophagen, die zunächst zusammen mit der Bakterien-DNA repliziert und vererbt werden.

Vermehrungszyklus der Viren eukaryontischer Zellen

In diesem Fall dringen die Viren vollständig in die Wirtszelle ein. Das Genom wird im Inneren der infizierten Zelle freigesetzt.

Die 6 Stadien im Replikationszyklus des Virus:

• Adsorption: Bindung an die Wirtszelle
• Penetration: Einschleusung in die Zelle
• Uncoating: Capsid/Hülle werden abgebaut.
• Replikation: Virale Nukleinsäure und virale Proteine werden synthetisiert.
• Maturation: Synthesebestandteile formen sich zu neuen Viren.
• Liberation: Neue Viren verlassen die Zelle durch Lyse der Membran oder Abschnürung aus der Zellmembran.

Sonderfall Retroviren

Bei Retroviren liegt die Erbinformation in Form von RNA statt DNA vor. Retroviren besitzen ein spezielles Enzym, die Reverse Transkriptase. Die RT schreibt die RNA in DNA um, bevor diese in Wirtzellen eingeschleust wird. Das bekannteste Beispiel eines Retrovirus ist das HI-Virus, Verursacher von AIDS.

Prionen

Der Begriff Prionen ist aus dem Englischen Proteinaceous Infectious Particle abgeleitet. Der Name ist gleichzeitig Definition: Prionen sind kleinste pathogene infektiöse Proteine. Prionen verbindet man mit einigen degenerativen Erkrankungen, z.B. mit der Bovinen Spongiformen Enzephalopathie (BSE), dem „Rinderwahnsinn“.

Weitere Krankheiten sind Scrapie bei Schafen, die Creutzfeld-Jakob-Krankheit und die Kuru-Kuru-Krankheit (ausschließlich bei einem Stamm aufgetreten, der kannibalischen Riten nachgeht). Der Übertragungsmechanismus von Prionen ist aktuell nicht abschließend geklärt.

Beliebte Prüfungsfragen in der Biologie für Mediziner: Mikrobiologische Grundlagen

Die Lösungen befinden sich unterhalb der Quellenangabe.

1. Ein Endotoxinschock kann im Verlauf von Infektionskrankheiten auftreten. Er entsteht durch die Freisetzung von Lipopolysacchariden. Bei welcher Infektion ist dies am ehesten zu befürchten?

1. Retroviren
2. Gram-negative Stäbchen
3. Gram-positive Stäbchen
4. Gram-positive Diplokokken
5. fakultative Anaerobiern

2. Pilze können Toxine freisetzen. Welche Zuordnung ist korrekt?

1. Aflatoxin – Aspergillus flavus
2. Amanitin – Fliegenpilz
3. Ergotamin – Knollenblätterpilz
4. Cyclosporin A – Mutterkorn
5. Muscarin – Tolypocladium

3. Die Retroviridae stellen eine bestimmte Gruppen von Viren dar. Welches Stadium im Vermehrungszyklus von Viren war ausschlaggebend für den Namen dieser speziellen Viren?

1. Penetration
2. Transkription
3. Maturation
4. Uncoating
5. Liberation

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Quellen

Wenisch (2013): mediscript Kurzlehrbuch Biologie – Elsevier Verlag.

Poeggel (2009): Kurzlehrbuch Biologie -Thieme Verlag.

Lösungen zu den Fragen: 1B, 2A, 3B

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