Bakterien: Struktur, Klassifizierung und Wachstum

Einführung in die Welt der Bakterien

Es gibt nützliche und krankheitserregende Bakterien sowie kleine Lebewesen mit einer einfachen Struktur. Bakterien sind Organismen, die als komplexe und vielfältige Wesen aus einer biochemischen Maschinerie bestehen. Die meisten bakteriellen Prokaryonten sind einzellige Organismen. Bakterien besitzen einige grundlegende Formen: Kokken, Kokkobazillen, Bazillen, Vibrios, Spirillen und Spirochäten.

Bakterien haben verschiedene Mechanismen der Ernährung: Einige ernähren sich durch die Aufnahme von Nährstoffen, während andere autotroph sind (sie betreiben Photosynthese oder Chemosynthese). Die Bakterien vermehren sich ungeschlechtlich.

Struktur der Bakterien

In der bakteriellen Struktur sind jene Bestandteile von Bedeutung, die an der Interaktion mit dem Wirt (dem Menschen oder dem Körper, in dem das Bakterium wirkt) beteiligt sind. Einige Bakterien entgehen dem körpereigenen Immunsystem. Das Erbgut von Bakterien befindet sich im Zytoplasma in Form eines einzigen ringförmigen DNA-Moleküls, welches dem Chromosom entspricht. Einige besitzen extrachromosomale Funktionen (Plasmide), die den Bakterien eine Resistenz gegen Antibiotika verleihen.

Bakterien besitzen ein Zytoskelett, aber keine membranumbundenen Organellen. Sie verfügen jedoch über eine starre Zellwand, die sich von der von Pflanzen und Pilzen unterscheidet. Das dichte Zytoplasma enthält Ribosomen, Glykogen-Speicher-Granulate sowie Lipid- und Phosphatgruppen.

Die Enzyme, die für die metabolische Aktivität im Zytoplasma verantwortlich sind und mit der Zellatmung sowie der Photosynthese zu tun haben, befinden sich in der Plasmamembran oder in den bakteriellen Mesosomen. Die bakterielle Struktur lässt sich in konstante Strukturen und akzessorische Strukturen einteilen. Die konstanten Strukturen sind essenziell für das Leben der Bakterien, während die akzessorischen Strukturen (wie Geißeln, Kapseln und Fimbrien) nicht in allen Bakterien vorkommen, diesen jedoch Vorteile verschaffen.

Gram-positive und Gram-negative Bakterien

Christian Gram entwickelte eine Färbemethode, mit der eine spezifische Identifizierung möglich ist. Bakterien, die nicht gefärbt werden, sind Gram-negativ (Gram-), während die gefärbten Gram-positiv (Gram+) sind. Dies liegt daran, dass die bakterielle Zellwand unterschiedliche Strukturen aufweist:

• Gram-positive Bakterien: Bestehen aus Peptidoglycan und Teichonsäuren.
• Gram-negative Bakterien: Besitzen neben einer dünneren Peptidoglycanschicht eine äußere Membran mit Lipoproteinen und Lipopolysacchariden (LPS).

Gruppen von Bakterien nach ihrer Form

Diplokokken

Wenn sich eine Kokke in einer Ebene teilt, entstehen Diplokokken. Es gibt zwei Hauptarten: Neisserien (verbunden über angrenzende Flächen, ähneln Kaffeebohnen) und Pneumokokken (längliche Diplokokken, die häufigste Ursache für Lungenentzündungen).

Streptokokken

Hierbei ist die Kokke in einer Ebene verteilt, bleibt aber nach der Teilung in Ketten vereint.

Staphylokokken

Die Kokken teilen sich in mehreren Ebenen, was zu einer traubenförmigen Anordnung führt.

Stäbchenbakterien (Bazillen)

Stäbchen haben wenig Neigung, sich nach der Teilung zu vereinigen, aber es gibt zwei Gruppen:

• Haverhill-Typ: Kommt in der Gattung Bacillus vor.
• Palisaden-Typ: Die Stäbchen sind nach der Teilung an einem Ende verbunden.

Reproduktion von Bakterien

Bakterien vermehren sich durch einfache Zweiteilung. Bei diesem Vorgang verdoppelt die Zelle ihre DNA und teilt diese dann gleichmäßig zwischen den Tochterzellen mit den verschiedenen zellulären Komponenten auf. So können Bakterien in einer bestimmten Umgebung mit optimalen Bedingungen exponentiell (1, 2, 4, 8, 16...) ansteigen. Die meisten teilen sich in weniger als einer Stunde. Andere jedoch, wie die Erreger von Lepra und Tuberkulose, vermehren sich deutlich langsamer.

Charakteristika des Bakterienwachstums

Bakterien weisen eine Wachstumskurve auf, die in mehreren Stufen verläuft:

• Lag-Phase: Zeitraum, in dem sich die Bakterien an die Umwelt anpassen, um ihr Wachstum zu starten; hierfür müssen neue Proteine und Enzyme synthetisiert werden.
• Exponentielle Phase: Gekennzeichnet durch beschleunigte bakterielle Vermehrung unter optimalen Bedingungen.
• Stationäre Phase: Das Wachstum der Bakterienpopulation stagniert aufgrund der Erschöpfung von Nährstoffen und der Anhäufung von Stoffwechselabfällen.
• Absterbephase (Niedergang): Charakterisiert durch eine stetige Zunahme der Sterblichkeit der Population, was zu ihrem Aussterben führt.

Übertragung von genetischem Material

In prokaryotischen Zellen wird durch das Einbringen eines DNA-Fragments von einer Spenderzelle in eine Wirtszelle genetische Variabilität erzeugt. Es gibt drei Mechanismen:

• Transduktion: Das DNA-Fragment wird durch ein Virus (Bakteriophage) übertragen.
• Transformation: Beinhaltet das Aufnehmen von DNA eines zerstörten Bakteriums, was zu einer genetischen Veränderung in der Rezeptorzelle führt.
• Konjugation:
  • A) Plasmid-Konjugation: Ein Strang des Plasmids wird geöffnet und durch die Pili auf das Empfängerbakterium übertragen.
  • B) Chromosomale Konjugation: Der chromosomale DNA-Strang, in den zuvor Plasmid-DNA integriert wurde, öffnet sich und ein Strang wird auf das Empfängerbakterium übertragen.

Bakterielle Resistenz

Alexander Fleming entdeckte das Penicillin in einer Schimmelpilzkultur, da Bakterien in der Nähe des Pilzes nicht wuchsen. Die Übertragung von Plasmiden zwischen Bakterien ermöglicht die Weitergabe von genetischem Material, das für Resistenzen verantwortlich ist. Diese Plasmid-DNA dient als adaptiver Mechanismus, um ungünstigen Bedingungen zu widerstehen.