Grundlagen der Mikrobiologie: Zellstruktur und Stoffwechsel

Peptidoglycan: Chemische Zusammensetzung

Die sich wiederholende Einheit besteht aus N-Acetylglucosamin (NAG) und N-Acetylmuraminsäure (NAM), die durch β(1-4)-glykosidische Bindungen verknüpft sind. Diese Bindungen können durch Lysozym gespalten werden.

Struktur des Tetrapeptids

Das Tetrapeptid bindet an die COOH-Gruppe der NAM und besteht in der Regel aus:

• L-Alanin
• D-Glutaminsäure
• m-DAP (oder L-Ornithin bei Spirochäten)
• D-Alanin

Gram-negative vs. Gram-positive Bakterien

• Gram-negativ: Besteht meist aus einer einzelnen Schicht. Die Vernetzung erfolgt direkt über Peptidbindungen zwischen der Aminogruppe von m-DAP und der COOH-Gruppe eines anderen Strangs.
• Gram-positiv: Besteht aus mehreren Schichten (bis zu 50 Ebenen bei Bacillus) mit einer hohen Vernetzungsdichte, was eine hohe mechanische Stabilität gegenüber osmotischem Druck (5-15 atm) verleiht.

Säurefeste Bakterien (AFB)

Bestimmte Bakterien wie Nocardia und Mycobacterium widerstehen der Entfärbung mit Salzsäure-Ethanol aufgrund ihres hohen Gehalts an Mykolsäuren (Wachse) und Glykolipiden. Die Zellwandstruktur folgt dem Schema: Peptidoglycan → Arabinogalactan → Mykolsäuren.

Mikrobieller Stoffwechsel

Energiequellen

• Phototrophie: Nutzung von Lichtenergie.
• Chemotrophie: Nutzung chemischer Energie (Chemolithotrophie bei anorganischen Stoffen, Chemoorganotrophie bei organischen Stoffen).

Sauerstoffbedarf

• Aerob: Benötigen O₂ für die Zellatmung.
• Fakultativ anaerob: Überleben mit oder ohne O₂.
• Strikt anaerob: Überleben nur in Abwesenheit von O₂ (z. B. Clostridium).

Bakterielle Zellstrukturen

Kapsel und Glykokalyx

Die Kapsel ist eine starre, umfassende Schicht, während schleimige Schichten flexibler sind. Die Glykokalyx dient der Adhäsion, dem Schutz vor Austrocknung, der Abwehr von Phagozytose und dem Schutz vor antibakteriellen Wirkstoffen.

Vergleich: Prokaryoten vs. Eukaryoten

• Prokaryoten: Ein einzelnes DNA-Chromosom, keine Kernmembran, keine Histone, keine Mitose, 70S-Ribosomen.
• Größen: Typischerweise 0,5 x 3 Mikrometer, jedoch mit großer Varianz von Zwergformen bis hin zu Riesenbakterien.

Historische Meilensteine

• Sulfonamide: Domagk (1935) entdeckte die Wirkung von Prontosil.
• Antibiotika: Fleming (1929) entdeckte Penicillin; Chain und Florey (1940) ermöglichten die medizinische Anwendung.
• Allgemeine Mikrobiologie: Sergei Winogradsky entdeckte die Chemolithotrophie und die Rolle von Bakterien im Stickstoffkreislauf.