Bei den meisten Bakterien vorhanden:
- Ist der Membran nach aussen angelagert
- Sie garantiert die Beweglichkeit
der Zelle
- Sie ist semipermeabel und kontrolliert den Ein- und Austritt
gelöster
Substanzen
Die Gramfärbung
Die Gramfärbung ermöglicht die Erkennung von 2 verschieden Zellwandtypen:
Gram + und Gram –.
Erste Unterscheidung:
Man stellt einen Ausstrich auf einem Objektträger her, färbt
diesen mit Kristallviolett
(basischer Farbstoff) und fügt KI3 hinzu.
Die Zellen, die den Komplex nach dem Auswaschen mit Alkohol zurückbehalten,
erscheinen violett (+) und die Zellen, in denen der Komplex durch den Alkohol
zerstört wurde, sind nicht gefärbt (-).
Zweite Unterscheidung:
Man macht eine Gegenfärbung (Safralin › rosa). Gram- erscheinen
rosa, Gram+ bleiben violett.
Bakterienzellwand allgemein
Das Stützskelett der Bakterienzellwand besteht aus einem einheitlichen
Polymer, dem Peptidoglykan Murein. Dieses Makromolekül ist ein Heteropolymer.
Durch Peptidbindungen sind die heteropolymeren Ketten miteinander zu einem
sackförmigen Riesenmolekül, dem Murein-Sacculus, verbunden. Diese
heteropolymeren Ketten haben eine Länge, die nur etwa einem Zehntel
des Bakterienumfangs entspricht. Man nimmt an, dass Ketten, bestehend aus
50 bis 500 Disacchariden, durch Peptidbindungen zusammengehalten werden.
Der an die Cytoplasmamembran anschliessende Raum (periplasmatischer Raum)
hat gelartige Konsistenz.
¨In der Zellwand gibt es Aminosäuren, welche bei Tieren und Pflanzen
nicht vorhanden sind:
- M-Diaminopimelinsäure
- D-Formen des Alanins und der Glutaminsäure
- Die Zellwand ist die
Achillesferse der Bakterien. Therapeutika, die spezifisch nur die Zellwand
der Bakterien und ihre Synthese angreifen, sind für
höhere
Wirtsorganismen unschädlich.
Die Zellwand Gram-positiver Bakterien
Bei Gram-positiven Bakterien ist das Mureinnetz zu 30-70% an der Trockenmasse
der Zellwand beteiligt (40 Schichten dick). Bei bestimmten Bakterien sind
die Tetrapeptidseitenketten der Mureinsäure durch Interpeptidketten
miteinander verbunden. Der Proteingehalt in Gram-positiven Bakterien ist
gering. Charakteristisch ist das Vorhandensein von Teichonsäuren,
d.h. Ketten von 8-50 Glycerin- und Ribitmolekülen, die über Phosphat-brücken
miteinander verestert sind.
Die Zellwand Gram-negativer Bakterien
Bei Gram-negativen Bakterien ist das Mureinschicht zweidimensional und
zu weniger als 10% an der Trockenmasse der Zellwand beteiligt. Im Gegensatz
zu den Gram-positiven Bakterien enthält sie keine
Teichoide.
Ihre Aussenmembran wird durchquert von Proteinen mit einem Loch in der
Mitte (Porine). Sie dienen als Filter und hindern grosse Moleküle
am Eintritt. Sie enthält zudem hydrophobe Lipopolysaccharide. Zur
Erhaltung der Stabilität der Lipopolysaccharidschicht ist Ca2+ nötig.
Um bei Gram-negativen Bakterien die Mureinschicht aufzulösen, müssen
zuerst durch EDTA Ca2+-Ionen entfernt werden, so dass das mureinauflösende
Enzym Lysosym wirken kann.
Die Lipide sind sehr toxisch, wenn sie freigesetzt werden und ins Blut von Tier
oder Mensch gelangen (› Endotoxine).
Damit die Lipide freigesetzt werden, muss die Zelle zerstört werden. Die
von der lebenden Bakterie abgegebene Substanzen bezeichnet man als Exotoxine.
Bemerkung: im Fall von Blutvergiftung (allgemeine Infektion im Blut durch
pathogene Bakterien) besteht die Gefahr eines septischen Schocks, wenn
durch Abtötung der Bakterien deren Lipide ins Blut freisetzt werden.
Die Wirkung von Lysosym und Penicillin
Lysosym:
- spaltet die glykosidische Bindung des Mureins.
- Findet man im Eiweiss
von Eukaryonten, z.B. Mensch (Tränen, Sekrete
der
Mukosa).
- Es ist eine erste Barriere, die sich den Bakterien entgegenstellt:
- Es
ist konstitutiv, d.h. dem Organismus immer präsent, unabhängig
davon,
ob Bakterien vorhanden sind oder nicht.
Völlige Auflösung der Bakterienzelle lässt sich unterbinden,
wenn man den Prozess in isotonischer oder schwach hypertonischer (0.1-0.2
molarer) Saccharoselösung ablaufen lässt. Es entstehen aus den
Zellen die osmotisch sehr empfindlichen, abgerundeten Protoplasten (= abgerundete
Zellen, die keine Zellwandreste enthalten). Diese sind in hypertonischen
und isotonischen Medien stabil, in hypotonischen platzen sie. Durch die
Auflösung der Zellwand wird der Stoffwechsel nicht beeinträchtigt.
Protoplasten atmen wie intakte Zellen, adsorbieren aber keine Phagen.
Penicillin:
Verhindert den letzten Schritt der Zellwandbildung. Es wirkt hauptsächlich
auf Gram positive Bakterien, aber auch auf viele Gram negative Bakterien
abtötend. Die bakterizide Wirkung des Penicillin erstreckt sich nur
auf wachsende Bakterien, nicht wachsende, „ruhende“ Zellen
bleiben verschont.
Die gleichzeitige Behandlung mit mehreren Antibiotika erlaubt eine Verminderung
der Dosen und vergrössert den Effekt durch Zusammenwirkung.
Gleichzeitige Verabreichung von Penicillin und bakteriostatischem Antibiotikum
ist nicht sinnvoll, denn letzteres stoppt das Wachstum der Zelle und das
Penicillin kann nicht mehr wirken, da es nur wachsende Bakterien beeinflusst.
Penicillin-Resistenz:
Übermässige Anwendung von Penicillin führt zu einer Resistenz.
Durch Penicillase (=Enzym, welches das Antibiotikum angreift) kann der aktive
Ring des Antibiotikums zerstört werden, bevor er reagieren konnte. Die
Gene für die Penicillase werden auf einem unabhängigen Genom codiert,
den Plasmiden (DNA - Ausstülpungen) des Hauptgenoms der Bakterien. Diese
Plasmiden sind sehr mobil und können leicht von einem Bakterium ans
andere übertragen werden. Dadurch kann die Resistenz an benachbarte
Organismen weiter-gegeben werden.
Durch zu häufige Behandlung mit Penicillin wird die Resistenz gefördert.
Eine Möglichkeit gegen die Resistenz vorzugehen, besteht darin, im
natürlichen Penicillin Seitenketten zu entfernen und chemisch modifizierte
Ketten anzuheften.
Bakterien ohne Wand (= Mycoplasmen)
- Viele sind Parasiten
- Mycoplasma hat die gleichen Eigenschaften wie
bei tierischen Zellen, d.h. die Membran ist ebenfalls durch Steroide
verstärkt. Da diese
Bakterien die Steroide nicht selbst herstellen können, müssen
sie sie ihrem interzellulären Habitat entziehen, damit sie ihre
Membran stabilisieren können.
- Ihre osmotische Konzentration ist
relativ hoch, aber nicht so hoch wie diejenige der Bakterien mit Zellwand.
- Es
sind die kleinsten Bakterien. Sie wurden leicht mit Viren verwechselt,
hat dann aber festgestellt, dass sie lebende Organismen sind.
- Da sie
eher eine kleine Zellwand haben, wirkt Penicillin nicht. Es werden andere
Antibiotika benutzt, die die ribosomalen Funktionen stören.
Kapseln und Schleime
Den Zellwänden vieler Bakterien sind Schichten stark wasserhaltigen
Materials angelagert: Kapseln und Schleimhüllen. Diese Hüllen
sind für Bakterien nicht lebenswichtig, der Besitz der Kapsel macht
aber pathogene Bakterien resistent gegen Phagocytose.
Kapseln:
Nachweis: nach Zusatz von Farbstoffen, die nicht in
die Kapsel eindringen, ist der Nachweis lichtmikroskopisch möglich.
Die Kapseln erscheinen hell auf dunklem Hintergrund.
Zusammensetzung: die meisten Kapseln bestehen aus Polysacchariden.
Diese Polysaccharide enthalten ausser Glucose Aminozucker, organische
Säuren,
u.a. Die Kapseln einiger Bakterienarten bestehen aus Polypeptiden, in erster
Linie Polyglutamin-Säure.
Schleime:
Zusammensetzung: Schleime bestehen meist aus wenig löslichen Polysacchariden
, welche von der Bakterie ausserhalb der Zelle gesammelt werden.
Funktion: Viele Kapselsubstanzen werden als Schleime in die Umgebung
der Zelle abgegeben, z.B. scheiden die Karies verursachenden Streptokokken
einen aus Polysacchariden bestehenden Schleim aus, wo sich die sauren
Produkte der Streptokokkengärung (v.a.Milchsäure) anhäufen können.
Gut lösliche Polysaccharide ermöglichen den Bakterien, an einer
Oberfläche zu bleiben, z.B. auf dem Geröll eines Flusses.
Eine polar ausgerichtete Schleimausscheidung in Form eines Stiels ermöglicht
einigen Bakterien sogar eine bescheidene Längenveränderung. Ausserdem
werden durch Schleime Einzelzellen zu Zellverbänden zusammengehalten.
› diese Kapseln und Schleime sind sehr resistent gegenüber Enzymen
und bleiben sehr lange erhalten. Sie haben daher eine Schutzfunktion gegenüber
externen Einflüssen (d.h. weniger sensibel gegenüber Phagozytose).
› Die Präsenz einer Kapsel bei pathogenen Bakterien kann ein Virulenzfaktor
sein. Man findet aber nicht immer solche Kapseln, weil ihr Aufbau sehr
energieaufwendig ist.
› Einige dieser Bakterien verwendet man in Kläranlagen. Mit dem
Schmutz bilden die Bakterien Schleime, welche in Form von Flocken ausfällen
und vom Wasser abgetrennt werden können.
Flagellen (Geisseln)
Die Beweglichkeit der Bakterien kann auf verschiedene Weisen bewirkt werden.
Bei den meisten aktiv beweglichen, schwimmenden Bakterien wird Bewegung
durch Rotation von Geisseln (Flagellen) verursacht.
- sie sind fein 10-20nm und
- bestehen aus globulären
Proteinen
Man unterscheidet nach Anordnung der Flagellen polare und peritriche:
Funktion der Geisseln:
- Bei den meisten polar begeisselten Bakterien wirkt die Geissel
als Schubgeissel (wie Schiffs-
schraube) und drückt die Zelle durch das Medium.
- Geisseln sind helical
gewundene Fäden, die durch einen in der Cytoplasmamembran
- lokalisierten
Rotationsmotor angetrieben werden. Die Geissel rotiert mit ca. 3000 Umdrehungen
pro Minute.
- Durch die Geisselrotation rotiert der Zellkörper des
Bakteriums mit ca. 1/3 dieser Geschwindigkeit im entgegengesetzten Drehsinn.
- Geisseln können ihren Drehsinn spontan oder auf einen äusseren
Reiz hin umkehren. Bei einigen polar begeisselten Bakterien hat die Umkehr
des Drehsinns eine Umkehr der Bewegungsrichtung zur Folge.
- Die Geschwindigkeit
der begeisselten Bakterien kann sehr hoch sein: 1.6 -12 mm/min, was dem
300 bis 3000fachen der Körperlänge pro
Min. entspricht.
Das transmembranäre Potential wird genutzt, um die
Flagellen zum Drehen zu bringen.
- Chemotaxis: Bakterien reagieren auf ein chemisches
Signal, in dem sie sich auf das Signal zu bewegen, oder sich von ihm
entfernen.
- Phototaxis:
das Bakterium bewegt sich auf Licht zu, es braucht Wärme
- Aerotaxis:
(+)aerobe, bewegen sich auf sauerstoffreiche
Gebiete zu,
(-)aerobe, bewegen sich von sauerstoffreichen Gebieten weg,
(+/-) bewegen sich je nach ihrem Bedürfnis auf den Sauerstoff
zu oder von ihm weg.
Feinbau der Geisseln:
- Geisseln bestehen aus 3 Abschnitten:
- helicale Geisselfilamente (spezifisches Protein: Flagellin),
welche helical gewunden sind
- Geisselhaken
- Basalkörper
- Geisseln verschiedener Bakterien unterscheiden sich in:
- Dicke
- Länge
- Länge u. Dicke der Schraubenlinie
- Der Basalkörper besteht aus einem zentralen Stift, der
bei Gram-negativen Bakterien 2 Paare von Ringen trägt. Bei Gram-positiven
Bakterien fehlt dieses äussere
Ringpaar (zum Antrieb ist nur das innere Ringpaar nötig).
- O-und H-Antigene:
- H-Antigene: die Bakterien haben eine starke Beweglichkeit.
Die Zellen breiten sich sich wie ein „Hauch“ aus (H-Form).
Die Geissel-Antigene bezeichnet man als H-Antigene.
- O-Antigene: Manche
Stämme breiten sich „ohne Hauch“ (O-Form)
aus. Es sind unbewegliche Stämme ohne Geisseln. Die Antigene der Zelloberfläche
oder des Zellleibes heissen O-Antigene.
Pili
Die Oberfläche mancher Bakterien ist von einer grossen Zahl (10 bis
mehrere 1000) langer, dünner, gerader Fäden bedeckt, die als
Pili bezeichnet werden. Pili kommen bei unbe-geisselten und begeisselten
Arten vor. Sie ermöglichen die Kontaktaufnahme zwischen zwei Zellen
und/oder den Austausch von genetischem Material.
› Sexpilus: Dieser Pilus
ist länger als alle anderen und einzigartig. Er ermöglicht
die Konjugation mit einem anderen Bakterium, mit dem Ziel einer genetischen
Rekombination durch Anastomose. 
Sobald der Pilus einer Bakterie mit einer anderen Bakterie in Kontakt getreten
ist, kontraktiert sich der Pilus und nähert die beiden Bakterien einander.
Durch den Uebertritt des Pilus-kodierenden DNA-Abschnitts von einer Zelle
in die andere kommt es zur genetischen Rekombination. Ist das Genom übertragen,
trennen sich die Bakterien wieder.
Sporen
Zur Bildung von (Endo-)sporen ist nur eine kleine Gruppe von Bakterien fähig.
Endosporen halten sehr hohe Temperaturen aus. Alle übrigen Bakterien
und vegetativen Zellen der Sporenbildner werden durch 10 Minuten langes Erhitzen
bei 80°C abgetötet (pasteurisiert). Für die Abtötung von
Endosporen greift man zur Sterilisation. Sie ist aber sehr arbeits- und kostenaufwendig.
Bis auf eine Ausnahme sind die endosporenbildenden Bakterien stäbchenförmige,
Gram-positive Bakterien. Die meisten sind durch peritrich inserierte Geisseln
beweglich. Als Spore befindet sich die Zelle in einem Schlafzustand, d.h.
sie ist inaktiv und verbraucht sehr wenig von ihren Reserven.
Endosporen
› die resistentesten Zellen
Morphologie und Ultrastruktur
- Die Form und Anordnung der Endospore ist charakteristisch für
jedes Bakterium.
- Dicke Wand, bestehend aus 2 Schichten: Die dickere, innen
gelegene Cortex besteht aus Murein und erscheint eher durchsichtig; Die
zweite, aussen gelegene Hülle ist von Protein-natur und reich an
Aminosäuren
(v.a. Cystein). Durch die Ausbildung von Disulfatbrücken erscheint
sie dichter und weniger durchsichtig. Eine dritte Schicht, das sog.
Exosporium, ist nicht immer vorhanden.
- Im Cytoplasma der Spore findet
man Stoffe, die es sonst nirgendwo gibt, z.B. Dipicholinsäure,
welche im Zytoplasma in hoher Konzentration und in Form von dichtem
Gel vorhanden ist. Ihre Funktion ist das Erhalten der Zelle in einem
inaktiven Zustand.
Bildung:
Sporenbildung wird ausgelöst, wenn Nährstoffe fehlen oder sich
Stoffwechselprodukte anhäufen.
Die Sporenbildung beginnt im Innern der Bakterie mit der Ansammlung von proteinhaltigem
Material. Unter Verwendung von vorhandenen Speicherstoffen erfolgen zahlreiche
Stoffumwandlungen.
Nach Zugabe des fehlenden Nährstoffes nach einer gewissen Zeit wird
die Sporenbildung wieder unterdrückt.
Physiologische Eigenschaften der Spore: Das Cytoplasma
ist stark dehydratisiert –5% (Normalsituation
des Bakteriums 70% - 80%).
Eine derartige Dehydratisierung würde die Organismen denaturieren, wenn
es keine Dipicolinsäure in Form von dichtem Gel gäbe. Seine Aufgabe
ist es, die Spore in einem Zustand von fast 0 Aktivität zu konservieren,
aber immer bereit, aktiviert zu werden (Quantität an Dipicolinsäure
= Ca++ Quantität).
In flüssigem Zustand wäre die Säure fatal für die Zelle. › Reife
Sporen haben keine erkennbare Stoffwechselaktivität
Resistenz:
- Gegenüber erhöhter Temperaturen › Die
Hitzeresistenz wird auf den extrem geringen Wasserhaushalt zurückgeführt.
- Gegenüber Chemikalien (externe Membran hydrophob)
- Gegenüber
Strahlung › Die Strahlenresistenz der Sporen
ist höher als die der vegetativen Zellen
› Eine gebildete Spore in günstigen Bedingungen
wird unter Temperaturschock nicht aktiviert werden › Schwachpunkt.
› Lebensdauer der Sporen: in Form von Sporen können
Bakterien lange Zeit im Zustand latenten Lebens überdauern.
Technik der Tyndalisation: ½ Stunde auf 100°C
erhitzen, Aktivierung während 24 Stunden
lassen, von neuem erhitzen. Ist das Bakterium einmal aktiviert, ist es nicht
mehr hitzeresistent. Das Vorgehen muss 3 mal nacheinander wiederholt werden. |
