Bakterielle Infektion – Morphologie und Aufbau der Bakterien

Bild: “Colorized scanning electron micrograph of Escherichia coli” von NIAID. Lizenz: CC BY 2.0

Definition der bakteriellen Infektion

Das Eindringen von Bakterien in einen Wirtsorgansismus, ob passiv oder aktiv, wird als Infektion (lat. inficere „hineintun“) bezeichnet, wenn deren Vermehrung und die Reaktion des Wirtes darauf zu einer Erkrankung führen. Bakterien, die im Menschen eine Erkrankung auslösen können, werden als humanpathogen bezeichnet.

Morphologie und Aufbau der Bakterien

In einem Größenbereich von 0,2 -2 μm gibt es drei verschiedene Grundformen, auf die die Morphologie aller Eubakterien zurückgeht.

• Kokken: kugelförmig oder oval. Oft in Gruppen von zwei, vier oder acht (Diplokokken, Tetraden, Sarcinen) Zellen, in Traubenform (Staphylokokken) oder Kettenform (Streptokokken) gelagert.
• Stäbchen: stabförmig, in verschiedenen Erscheinungsformen: schlank (z.B. Mykobacterium tuberculosis), plump (z.B. Escherichia coli), zugespitzte oder abgerundete Enden etc.
• Schraubenförmig: morphologische ausgeprägte Windungen; dazu gehören Spirillen, Borrelien, Treponemen und Leptospiren

Prokaryonten unterscheiden sich in ihrem Aufbau stark von unseren eukaryontischen Zellen. Obwohl sich Bakterien wiederum untereinander in ihrem Stoffwechsel, Aufbau, und Virulenz enorm unterscheiden, gibt es Strukturen, die allen gemein sind. In der Tabelle sind die wichtigsten Organellen und ihre Funktion dargestellt. Die Zellwand wird im nächsten Absatz gesondert behandelt, da sie eine bedeutende Rolle für Einstufung und Therapie der Bakterien spielt.

Zellwand

Die wichtigste Aufgabe der festen Zellwand ist es, dem hohen osmotischen Innendruck des Bakteriums standzuhalten und das Platzen der Zelle zu verhindern. Die Zellwand aller Bakterien besteht aus Peptidoglykan oder auch Murein. Dies ist ein Gitter bestehend aus den Polysacchariden N-Acetylmuraminsäure und N-Acetylglucosamin, welche durch kurze Peptidseitenketten vernetzt werden. Damit die Unterscheidung in die zwei Unterarten – gram-positiv und gram-negativ- besser verständlich ist, wird zunächst die Gram-Färbung erklärt.

Die Gramfärbung

Bild: “Microscopic image of a Gram stain of mixed Gram-positive cocci (Staphylococcus aureus ATCC 25923, purple) and Gram-negative bacilli (Escherichia coli ATCC 11775, red). Magnification:1,000.” von Y tambe. Lizenz: CC BY-SA 3.0

Bei der Gram-Färbung werden Bakterien mithilfe von Kristallviolett und der Lugolschen Lösung angefärbt. Anschließend werden die Zellen gut mit Alkohol gewaschen und mit Eosin (rotem Farbstoff) gegengefärbt.

Eine dicke Mureinschicht verhindert das Auswaschen des Farbstoffes – die Färbung war also positiv und die Bakterien erscheinen blau unter dem Mikroskop. Bei einer sehr dünnen Mureinschicht wird der Farbstoff wieder aus den Zellen ausgewaschen – sie sind gram-negativ und nur durch die rote Gegenfärbung sichtbar.

Schematic of the envelopes of Gram-positive (on the right) and Gram-negative bacteria (on the left)” Lizenz: CC BY 3.0

Entscheidend für das Ausbilden einer Zellwand sind die Transpeptidasen, welche die einzelnen Komponenten der Peptidoglykane miteinander verknüpfen. Sie sind ein wichtiger Angriffspunkt für Penicilline und andere Antibiotika.

Stoffwechsel

In diesem Artikel wird nur auf humanpathogene Bakterien eingegangen. Diese sind immer chemosynthetisch ( im Gegensatz zu photosynthetischen Bakterien ) und organotroph ( sie beziehen ihre Energie aus organischen Stoffen). Zur Energiegewinnung werden, wie auch in Eukaryonten, organische Stoffe oxidiert und Elektronen sowie H+-Ionen übertragen. Bakterien nutzen dafür zwei verschiedene Stoffwechselwege.

Respiration

Die Atmung ist durch die Übertragung von H+-Ionen auf Sauerstoff gekennzeichnet. Es gibt sowohl aerobe Respiration als auch anaerobe Respiration, bei welcher der Sauerstoff chemisch in einem Salz gebunden ist. Die Ausbeute der Respiration ist ca. zehnfach größer als die Ausbeute der Fermentation.

Fermentation (Gärung)

Statt Sauerstoff dient eine andere organische Verbindung als Wasserstoffakzeptor. Benannt wird die Gärung nach dem entstandenen Endprodukt, bspw. die alkoholische Gärung.

Es ergibt sich folgende Einteilung der Bakterien anhand ihres Stoffwechsels:

• Fakultative Anaerobier: Bakterien können sowohl Atmung als auch Gärung betreiben
• Obligate Aerobier: Bakterien sind auf Atmung und somit Sauerstoff in ihrer Umgebung angewiesen
• Obligate Anaerobier: Bakterien sind optimal auf Gärung eingestellt. Bei Kontakt mit Sauerstoff wird der Stoffwechsel gehemmt und sie sterben ab.
• Aerotolerante Anaerobier: Bakterien sind optimal auf Gärung eingestellt und vertragen sauerstoffreiche Umgebung

Vermehrung der Bakterien – Fortpflanzung und Gentransfer

Bakterien vermehren sich durch einfache Zellteilung. Die beiden Tochterzellen, die aus der ursprünglichen Zelle hervorgehen, besitzen zwei identische (von zufälligen Mutationen abgesehen) Kopien des Genoms. Dieser vertikale Gentransfer von einer Generation zur nächsten erfolgt klonal. Das bedeutet eine Rekombination an Genomen wie in der meiotischen Fortpflanzung ist nicht möglich. Genetische Vielfalt erzielen Bakterien durch horizontalen Gentransfer, also den Austausch von Informationen zwischen zwei Individuen einer Generation. Dieser Austausch ohne Meiose wird auch als Parasexualität bezeichnet.

Transformation

Transformation ist die Aufnahme von DNA in das Bakterium ohne notwendige Vektoren, Brücken oder andere, chemische Hilfsmittel. Einige Bakterienspezies besitzen diese natürliche Kompetenz zur DNA-Aufnahme. Sie erkennen mithilfe von Rezeptoren DNA-Stränge an ihrer Zelloberfläche, fragmentieren diese zu kurzen, einsträngigen Stücken und nehmen sie so in das Zellinnere auf. Liegt dann ein homologer Genabschnitt vor, kann die externe DNA paaren und neue Information in das Genom einbringen. Diese Art des Gentransfers findet nur innerhalb einer Spezies statt, da die Bakterien arteigene DNA erkennen.

Konjugation

Über sogenannte Konjugationsbrücken werden einzelne Plasmide zwischen zwei Zellen ausgetauscht. Das F-Plasmid enthält unter anderem die Gene, die das Ausbilden einer Konjugationsbrücke und die Weitergabe eines Plasmids ermöglichen. Das Bakterium, welches das F-Plasmid enthält, ist demnach die Donor-Zelle, sein Partner der Rezipient. Die Donorzelle bildet F-Pili (pilus lat. Haar) aus, welche Kontakt mit dem Rezipienten knüpfen. Anschließend verkürzen und verschmelzen die Pili, sodass letztendlich eine Pore bzw. kurze Brücke zwischen beiden Bakterien vorliegt. Über den Rolling-cycle-Mechanismus wird ein Einzelstrang am Plasmid synthetisiert, der anschließend im Rezipienten zu einem doppelsträngigen F-Plasmid vervollständigt wird. Der Rezipient kann nun ebenfalls als Donor das F-Plasmid weitergeben.

Bild: “Schematische Zeichnung bakterieller Konjugation.” von Matthias M. Lizenz: CC BY-SA 3.0

Dieser Gentransfer erfolgt nur unidirektional (in eine Richtung). Donor und Rezipient werden in der Literatur gelegentlich mit F+ und F- abgekürzt.

Wachstumskurve der Bakterienpopulation

Die Vermehrung einer Bakterienpopulation folgt einer typischen Wachstumskurve. Sie kann gut beobachtet werden, wenn man eine bestimmte Zellzahl an Bakterien in einer Nährschale aussetzt.  Nach dem Wachsen der Zellindividuen und Anpassen an die neuen Umweltbedingungen (lag-Phase) beginnt ein zunächst langsames Wachstum der Population welches rasch in ein exponentielles Wachstum durch zahlreiche Zellteilungen übergeht (log-Phase). In der Verzögerungsphase verlangsamt sich das Wachstum und gipfelt in einer stationären Phase. Die Bakterienzahl hat auf bis zu 10^9 Zellen/ml zugenommen. Nun folgt aufgrund von Nähstofferschöpfung und Zunahme toxischer Abbauprodukte die Absterbephase.

Bild: “Wachstumskurve einer statischen Bakterienkultur” von M•Komorniczak. Lizenz: CC BY-SA 3.0

Das exponentielle Wachstum macht deutlich, dass bei einer bakteriellen Infektion rasch gehandelt werden sollte und Abwarten eine starke Vermehrung der Erreger und fatale Folgen verursachen kann. Jedoch hängt die Geschwindigkeit des Wachstums von Nährstoffangebot und anderen Umweltbedingungen ab. Um dies für bestimmte Bakterienstämme abzuschätzen, wird die Generationszeit T, also die Dauer einer Teilung der Mutterzelle in zwei Tochterzellen bzw. eine Verdopplung der Bakterienpopulation bestimmt.

Während der exponentiellen Wachstumsphase (log-Phase) kann die Generationszeit T ermittelt werden. Experimentell bestimmt werden die Ausgangszahl Bakterien n_0, und die Zahl der Bakterien n zum Zeitpunkt t. Da es sich um ein exponentielles Wachstum handelt, lautet die Gleichung:

Die Gleichung wird logarithmiert, da sie in dieser Form einer Geradengleichung entspricht. Der Graph der logarithmierten Zellzahl gegen die Zeit t entspricht nun einer Geraden mit der Steigung 0.301/T. Die Generationszeit kann somit aus dem Diagramm abgelesen werden.

Pathogenität und Virulenzfaktoren

Die Pathogenität eines Bakterienstamms bezeichnet die Fähigkeit, eine Krankheit zu erzeugen. Um zu klassifizieren, wie ausgeprägt diese Fähigkeit ist, wird die Virulenz verwendet. Virulenzfaktoren sind:

• Zellwandbestandteile, welche als Antigene erkannt werden
• Oberflächenproteine oder Kapseln
• Exotoxine, welche von Bakterien ausgeschieden werden
• Stoffwechselprodukte, welche ausgeschieden werden
• Stoffwechselprodukte/Endotoxine, welche nach dem Zelltod freigesetzt werden

Die Virulenz verschiedener Arten kann sich stark unterscheiden. Angegeben wird sie mithilfe der LD50 (letale Dosis50), also der Dosis, bei welcher 50 % einer infizierten Testgruppe sterben. Bei Bakterien starker Virulenz, gibt es nur geringe Unterschiede zwischen der LD50 und derjenigen Dosis, bei welcher 100 % der Testgruppe sterben. Ein Beispiel dafür ist Streptococcus pneumoniae. Die LD50 lässt sich nicht bestimmen, da bereits wenige Zellen ausreichen, um die gesamte Testgruppe zu töten. Im Gegensatz dazu ist die LD50 von Salmonella enterica gut von der LD100 abzugrenzen. Für das Töten der gesamten Population wird ca. 100 mal mehr Pathogen benötigt als für das Töten der 50 %.

Beliebte Prüfungsfragen zu Mikrobiologischen Infektionskrankheiten

Die Lösungen befinden sich unterhalb der Quellenangabe.

1. Welches Organell fehlt Bakterienzellen?

1. Plasmamembran
2. Geißeln
3. Zellkern
4. Pili
5. Zellwand

2. Der Unterschied zwischen gram-positiven und gram-negativen Bakterien besteht…

1. …in einem speziell anfärbbaren Oberflächenprotein, welches nur gram-postive Bakterien besitzen.
2. …in der zusätzlichen Membran, die gram-positive Bakterien besitzen.
3. …in der dünneren, zweiten Membran gram-negativer Bakterien.
4. …in Transportern, welche den Farbstoff in gram-positiven Zellen in das Cytosol transportieren.
5. …in den unterschiedlichen Zuckerstrukturen der Mureinschichten positiver und negativer Zellen.

3. Welche der folgenden Aussagen ist richtig?

1. Die Steigung der Gerade von lg n =  lg n₀ + t/T x lg 2 gibt direkt die Generationszeit wieder.
2. LD50 bezeichnet 50 % derjenigen Konzentration, welche 100 % der Versuchstiere töten würde.
3. Horizontaler Gentransfer durch Konjugation ist nur unidirektional möglich.
4. Virulenz ist die Fähigkeit eines Bakteriums, eine Krankheit auszulösen.
5. Obligate Anaerobier können sowohl bei Anwesenheit von Sauerstoff als auch ohne Sauerstoff überleben.

Quellen

Johannes Wöstemeyer: Mikrobiologie, Verlag Eugen Ulmer Stuttgart

Monica Hirsch-Kauffmann, Manfred Schweiger, Michal-Ruth Schweiger: Biologie und molekulare Medizin für Mediziner und Naturwissenschaftler, Thieme Verlag

Madigan, Martinko, Stahl, Clark: Brock Mikrobiologie, 13. Auflage, Pearson Verlag

Lösungen zu den Aufgaben: 1C, 2C, 3C

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