Bakterien: Struktur, Ernährung und Fortpflanzung

Einführung in die Welt der Bakterien

Die Bakterien sind sehr einfache Organismen, sogenannte Prokaryoten. Basierend auf ihrer Form unterscheidet man: stäbchenförmige Bakterien (Bazillen), Kokken (Kugelform), Spirillen (Schrauben- oder Stabform) sowie Vibrionen (Kommaform).

Bakterielle Struktur

Die Kapsel: Eine bakterielle Schleimschicht, die die Zellwand umgibt (nur bei einigen Bakterien vorhanden). Funktion: Sie erschwert den Nachweis durch Antikörper sowie Fresszellen des Wirtes, erleichtert die Bildung von Kolonien und greift in Austauschprozesse von Wasser, Ionen und Nährstoffen ein.

Zellwand: Sie gibt der Bakterienzelle ihre Form. Die unterschiedliche Zusammensetzung der Zellwand führt dazu, dass Bakterien verschieden reagieren, wenn sie mit der Gram-Färbung behandelt werden.

Der Prozess der Gram-Färbung

Zellen mit Hitze fixieren, Kristallviolett hinzufügen und 30 Sekunden warten, mit Wasser spülen, Lugolsche Lösung hinzufügen und 30 Sekunden warten, mit Wasser spülen, mit Aceton spülen, Wasser hinzufügen, Safranin hinzufügen und 1 Minute warten, abschließend mit Wasser abspülen. Gram-positive Bakterien erscheinen blau, Gram-negative rot.

In beiden Arten von Bakterienwänden gibt es eine Schicht aus Murein (Peptidoglykan), die aus NAG- und NAM-Ketten besteht, die miteinander verbunden sind.

• Gram-positiv (+): Besitzen eine einschichtige (monostratifizierte) Wand aus einer dicken Mureinschicht, in der Teichoinsäuren assoziiert sind.
• Gram-negativ (-): Besitzen eine zweischichtige (biostratifizierte) Wand mit einer nur dünnen Mureinschicht.

Funktion der Zellwand: Um die Form von Bakterien zu halten; sie ist durchlässig für bestimmte Moleküle. Das Enzym Lysozym spaltet die glykosidischen Bindungen des Mureins. Penicillin wirkt, indem es die Bildung von Peptidverbindungen zwischen den langen Ketten von NAG und NAM während ihrer Synthese verhindert.

Interne Strukturen und Genetik

Die Plasmamembran: Sie umgibt das Zytoplasma. Die Membran unterscheidet sich von der der Eukaryoten dadurch, dass sie kein Cholesterin enthält. Funktion: Direkte DNA-Replikation durch DNA-Polymerase, Zellatmung durch die Präsenz des bakteriellen Enzyms ATP-Synthase etc.

Das bakterielle Chromosom: Es besteht aus einer doppelsträngigen, ringförmigen DNA, die sich in der Regel in einer verdichteten Region des Zytoplasmas befindet, dem sogenannten Nucleoid. Das bakterielle Chromosom ist mit Proteinen und RNA assoziiert. Bakterien können auch kleine, ringförmige DNA-Moleküle besitzen, die Plasmide genannt werden; diese haben die Fähigkeit zur autonomen Replikation. Manche Plasmide können sich reversibel in das bakterielle Chromosom integrieren und werden dann Episomen genannt.

Pili und Fimbrien

Haare (Pili): Sie sind hohle und längliche Strukturen, welche die Bakterien benutzen, um an verschiedenen Oberflächen zu haften. Sie kommen vorwiegend bei Gram-negativen Bakterien vor und bestehen aus dem Protein Pilin. Es gibt zwei Arten:

1. Sexpili: Sie sind lang und dienen der Konjugation, um genetisches Material zwischen Bakterien auszutauschen.
2. Fimbrien: Diese Haare sind kurz und werden verwendet, um an Oberflächen zu haften.

Rolle der Ernährung

Bakterien können alle verfügbaren Arten des Stoffwechsels nutzen:

• Fotoautotroph: Nutzen Lichtenergie, um Kohlendioxid (CO₂) zu fixieren (z. B. grüne Schwefelbakterien, Purpurbakterien und Cyanobakterien).
• Photoheterotroph: Benötigen Lichtenergie, nutzen aber organische Moleküle wie Alkohole, Fettsäuren und Kohlenhydrate als Kohlenstoffquelle (z. B. grüne und violette Nicht-Schwefel-Bakterien).
• Quimioautotroph (Chemoautotroph): Wie nitrifizierende Bakterien.
• Quimioheterotroph (Chemoheterotroph): Ernähren sich von toter organischer Substanz (Saprophyten) oder leben als Parasiten; dies betrifft die Mehrheit der Bakterien (pathogen oder apathogen).

Fortpflanzungsfunktionen

Die Fortpflanzung erfolgt asexuell durch Zweiteilung (Bipartition) oder Spaltung, was eine Verdoppelung der bakteriellen DNA und die anschließende Trennung der beiden Moleküle voraussetzt. Die Tochterzellen sind genetisch identisch. Bakterien besitzen zudem Mechanismen zur parasexuellen Reproduktion, durch die sie genetische Informationen mit anderen austauschen, unabhängig von der Artzugehörigkeit. Es gibt drei Arten des genetischen Austauschs:

1. Die Konjugation: Ein Prozess, bei dem ein Bakterium als Geber (Donor) mittels eines Sexpilus DNA an ein anderes Bakterium (Empfänger/Rezeptor) weitergibt. Geber-Bakterien besitzen ein besonderes Plasmid, den F-Faktor (Fertilität), der die Gene für die Herstellung der Sexpili enthält. Bakterien mit Plasmiden werden als F+, Empfänger als F- bezeichnet. Bei der Übertragung wird meist nur einer der beiden DNA-Stränge des Plasmids übertragen. Der Empfänger wird dadurch ebenfalls zu F+. Manchmal integriert sich das F-Plasmid in die bakterielle DNA (als Episom); dieses Bakterium wird dann Hfr-Zelle (High Frequency of Recombination) genannt.

2. Transduktion: Ein Phänomen des genetischen Austauschs durch einen Überträger, in der Regel ein Virus (Bakteriophage), der versehentlich bakterielle DNA-Fragmente von einem Wirt zum nächsten transportiert.

3. Transformation: Ein Prozess, bei dem Bakterien freie DNA-Fragmente aus ihrer Umgebung aufnehmen, die beispielsweise durch die Lysis (Auflösung) anderer Bakterien freigesetzt wurden.