Bakterien: Struktur, Physiologie & Stoffwechsel

Bakterielle Zellbestandteile

Mykolsäuren und Zellwand

Mykolsäuren sind langkettige, verzweigte Beta-Hydroxysäuren. Sie sind ein wesentlicher Bestandteil des speziellen Zellwandskeletts bestimmter Bakterien, zusammen mit Peptidoglykan (PG), Arabinogalactan usw.

Eigenschaften durch AFB-Zellwand

Die Zellwand säurefester Bakterien (AFB) verleiht besondere Eigenschaften:

• Wachsartiges Aussehen und Konsistenz der Kolonien in Petrischalen.
• Wachstum in Klumpen in flüssigen Medien.
• Hohe Dichtigkeit und Schutzwirkung:
  • Resistenz gegen Austrocknung.
  • Resistenz gegen viele antibakterielle Wirkstoffe (z.B. Desinfektionsmittel, Oxidantien, Säuren und Basen).

Nukleoid: Bakterielles Chromosom

Das Nukleoid repräsentiert das bakterielle Chromosom (DNA), welches typischerweise ein einzelnes, zirkuläres Molekül ist.

Plasmid: Extrachromosomale DNA

Plasmide sind extrachromosomale genetische Elemente (DNA) mit der Fähigkeit zur autonomen Replikation.

Bakterielle Sporen

Sporen sind kugelförmige oder eiförmige, lichtbrechende Strukturen, die innerhalb vegetativer Zellen (Mutterzellen) gebildet werden. Sie bestehen aus Calcium-Dipicolinat (Ca²⁺ und Dipicolinsäure), was ihnen eine hohe Resistenz gegen raue Umweltbedingungen verleiht. Sie können die Mutterzelle deformieren oder nicht-deformierend sein.

Flagellen (Geißeln)

Flagellen (Geißeln) sind lange, extrazelluläre, schraubenförmige Filamente, die aus dem Protein Flagellin bestehen. Sie fungieren als Antigen (Flagellen-Antigen oder H-Antigen). Begeißelungstypen sind:

• Monotrich: Eine einzelne Geißel an einem Pol.
• Lophotrich: Ein Büschel von Geißeln an einem oder beiden Polen.
• Peritrich: Geißeln über die gesamte Zelloberfläche verteilt.

Fimbrien und Pili

Fimbrien sind fadenförmige, gerade und steife Anhängsel, die kürzer und dünner als Geißeln sind und aus dem Protein Pilin bestehen. Sie dienen primär der Adhäsion. Pili sind ähnliche Strukturen; es gibt zwei Haupttypen: Adhäsionspili (zur Anheftung an Oberflächen) und Sexualpili (beteiligt an der Konjugation, dem Austausch genetischen Materials).

Bakterielle Lebensprozesse

Fortpflanzung durch Zweiteilung

Die Fortpflanzung von Bakterien erfolgt typischerweise durch Zweiteilung (binäre Spaltung). Dabei teilt sich eine Mutterzelle in zwei genetisch identische Tochterzellen. Die dafür benötigte Zeit wird als Generationszeit bezeichnet und kann je nach Bakterienart und Umweltbedingungen Minuten, Stunden oder Tage betragen.

Mikrobielle Ernährung

Die mikrobielle Ernährung umfasst verschiedene Aspekte:

• Stoffwechselstrategien: Autotrophie (Selbsternährung aus anorganischen Quellen) und Heterotrophie (Ernährung von organischen Substanzen).
• Nährstoffbedarf: Makronährstoffe (in großen Mengen benötigt, z.B. C, H, O, N, P, S) und Mikronährstoffe (Spurenelemente, in kleinen Mengen benötigt, z.B. Fe, Mn, Zn).
• Nährstofftypen: Essenzielle Nährstoffe (müssen von der Umgebung aufgenommen werden) und spezifische Nährstoffe (nur von bestimmten Mikroorganismen benötigt).
• Stickstofffixierung (N₂-Fixierung): Umwandlung von atmosphärischem Stickstoff (N₂) in Ammoniak (NH₃), durchführbar von einigen Bakterien.
• Wachstumsfaktoren: Organische Verbindungen (z.B. Vitamine, Aminosäuren), die ein Organismus nicht selbst synthetisieren kann und aus der Umgebung aufnehmen muss.

Energiestoffwechsel von Bakterien

Energiequellen: Phototrophie & Chemotrophie

Phototrophie: Energie aus Licht

• Photolithotrophie: Organismen nutzen Licht als Energiequelle und anorganische Verbindungen als Elektronendonatoren.
• Photoorganotrophie: Organismen nutzen Licht als Energiequelle und organische Verbindungen als Elektronendonatoren.

Chemotrophie: Energie aus Chemie

• Chemolithotrophie: Organismen gewinnen Energie aus der Oxidation anorganischer Verbindungen.
• Chemoorganotrophie: Organismen gewinnen Energie aus der Oxidation organischerr Verbindungen.

Gärung: Typen und Produkte

Gärungstypen

Zu den wichtigen Gärungstypen zählen:

• Milchsäuregärung
• Alkoholische Gärung
• Gemischte Säuregärung
• Butylenglykolgärung
• Aceton-Buttersäure-Gärung (z.B. Aceton-Butanol-Ethanol-Gärung)

Typische Endprodukte

Die Endprodukte variieren je nach Gärungstyp:

• Milchsäuregärung: Milchsäure
• Alkoholische Gärung: Ethanol, CO₂
• Gemischte Säuregärung: Ethanol, Bernsteinsäure, Essigsäure, Ameisensäure, Milchsäure, CO₂, H₂
• Butylenglykolgärung: 2,3-Butylenglykol, CO₂
• Aceton-Buttersäure-Gärung: Essigsäure, Aceton, Buttersäure, Butanol, CO₂, H₂