Zusammenfassung
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 Prokaryoten (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
- Einteilung nach Form (auszugsweise)
- Stäbchen : Bspw. Escherichia coli
- Kokken: Runde Bakterien
- Anordnung der Kokken
- Streptokokken: Kettenförmig, wie bspw. Streptococcus pyogenes
- Staphylokokken: Haufenförmig, wie bspw. Staphylococcus aureus (häufiger Auslöser eitriger Abszesse)
- Diplokokken: Paarweise, wie bspw. Neisseria meningitidis oder Streptococcus pneumoniae
- Anordnung der Kokken
- Spirochaeten: Spiralförmig, flexibel, wie bspw. Treponema pallidum (Erreger der Syphilis) und Borrelia burgdorferi (Erreger der Borreliose)
- Vibrionen: Kommaförmig, wie bspw. Vibrio cholerae (Erreger der Cholera)
- Einteilung nach Färbeverhalten
- Grampositiv
- Gramnegativ
- Atypisches Gramverhalten
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 prokaryotischen Zelle
Die Morphologie der prokaryotischen 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 eukaryotischer und prokaryotischer Zellen.
Intrazelluläre Bestandteile und Zellmembran
- Nukleoid
- Genom der prokaryotischen Zelle
- Ringförmiges, doppelhelikales DNA-Molekül
- Keine Kernhülle
- Befindet sich im Zytoplasma
- Plasmide: Kleine DNA-Ringe, die zusätzlich zum Nukleoid u.a. für wichtige Eigenschaften und Pathogenitätsfaktoren kodieren können und sich autonom replizieren
- Ribosomen
- Sedimentationskoeffizient: 70S
- 30S- und 50S-Untereinheit
- Ansatzpunkt für zahlreiche Antibiotika, bspw. Tetracycline und Makrolide (s.u.)
- Zellmembran
- Phospholipiddoppelschicht zwischen Zytoplasma und Zellwand
- Atmungskette und DNA-Replikation an der Innenseite der Membran lokalisiert → Höherer Proteinanteil als in eukaryotischer Zelle
- Enthält Penicillin-bindendes Protein: Enzym, das an der Synthese von Murein beteiligt ist
Prokaryotische Zellen besitzen keinen Zellkern - die ringförmige DNA befindet sich im Zytoplasma und wird Nukleoid genannt!
Prokaryotische Zellen enthalten keine Mitochondrien. Die Atmungskette ist an der Zellmembran der Bakterienzelle lokalisiert!
Prokaryotische 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.
Tetracycline
Die Antibiotika der Klasse der Tetracycline binden an die 30S-Untereinheit der prokaryotischen 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
- 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
- Teichonsäuren: In der Zellwand verankerte Glykopolymere
- Bspw. Staphylokokken, Streptokokken
- 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
- Grampositive Bakterien: Dicke Mureinschichten werden in der Gramfärbung stärker angefärbt → Blau-violette Darstellung im Mikroskop
- 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
β-Lactam-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
- Aufbau: Schleimkapsel aus Polysacchariden und Polypeptiden
- Funktion
- Verhindern der Phagozytose
- Verbesserte Haftfähigkeit an Substrate
- Nährstoffreserve
- Typischer Vertreter: Pneumokokken (grampositive umkapselte Diplokokken)
- 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 oder Bacillus anthracis
- 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), Clostridium perfringens (häufigster Erreger des Gasbrands) 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 Impfungen 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
- Obligat aerob: Sauerstoff für die Energiegewinnung aus der Atmungskette erforderlich
- Typischer Vertreter: Legionella pneumophila
- Obligat anaerob: Energiegewinnung ausschließlich durch anaerobe Glykolyse (Gärung); Sauerstoff ist toxisch
- Typischer Vertreter: Clostridioides difficile
- Fakultativ anaerobe Bakterien: Wachstum mit oder ohne Sauerstoff möglich
- Intrazelluläre Vermehrung: Vermehrung einiger Bakterien obligat intrazellulär
- Typische Vertreter: Chlamydien, Rickettsien
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
- Lag-Phase (= Anlaufphase): Anpassung ans Nährmedium, wenige Zellteilungen
- Log-Phase (= Exponentielle Wachstumsphase): Hohe Wachstumsrate, kurze Generationsdauer
- Stationäre Phase
- Bremsung des Wachstums durch Limitation der Nahrungsstoffe und Zunahme toxischer Stoffwechselprodukte
- Gleichgewicht der Population
- 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 Nukleoid 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
- Konjugation: Weitergabe von Plasmiden zwischen Bakterien
- Transduktion (Bakterien) : Verbreitung genetischer Informationen durch Infektion eines Bakteriums mit einem Bakteriophagen
- Transformation (Bakterien) : Aufnahme freier DNA durch die Zellwand
- 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 β-Lactamase, die den β-Lactam-Ring (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:
- 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, sodass 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, sodass 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.
- Aufbau des Transposons
- Beispiel: Resistenzübertragung mittels Transposition („cut&paste“-Mechanismus)
- 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. β-Lactam-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 prokaryotischen 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 Tetracycline 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?
Meditricks
In Kooperation mit Meditricks bieten wir durchdachte Merkhilfen an, mit denen du dir relevante Fakten optimal einprägen kannst. Dabei handelt es sich um animierte Videos und Erkundungsbilder, die auf AMBOSS abgestimmt oder ergänzend sind. Die Inhalte liegen meist in Lang- und Kurzfassung vor, enthalten Basis- sowie Expertenwissen und teilweise auch ein Quiz sowie eine Kurzwiederholung. Eine Übersicht aller Inhalte findest du im Kapitel „Meditricks“. Meditricks gibt es in unterschiedlichen Paketen – für genauere Informationen empfehlen wir einen Besuch im Shop.
Bakterien
Bakterien Teil 1: Grundlagen
Bakterien Teil 2: Systematik und Virulenzfaktoren
Bakterien Teil 3: Vermehrung und Genetik
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