Einführung in die Medizinische Mikrobiologie

Die Medizinische Mikrobiologie beschäftigt sich mit der Biologie von Infektionserregern. Dabei reicht das Spektrum der Erreger von den in der Tat mikroskopisch kleinen Bakterien und Viren bis hin zu den parasitierenden Bandwürmern. Es sind also Viren, Bakterien, Pilze und Parasiten anzutreffen. Damit finden sich unter den Infektionserregern Vertreter verschiedener biologischer Reiche; es sind Prokaryonten (kernlose) und Eukaryonten (kernhaltige) vertreten. Viren und Prione sind zwar infektiöse Agentien, sind aber für die Replikation auf lebende Zellen angewiesen.

 Tabelle 1: Vergleich verschiedener Mikroorganismen
 
  Zellmembran Kernmembran Nukleinsäure Zellwand Eigene Proteinsynthese
Bakterien
Ja
Nein
DNS und RNS
Ja (einige Ausnahmen)
Ja
Viren
Nein
Nein
DNS oder RNS
Nein
Nein
Pilze
Ja
Ja
DNS und RNS
Ja
Ja
Parasiten
Ja
Ja
DNS und RNS
Nein
Ja
Prione
Nein
Nein
Nein*
Nein
Nein
* es gibt eine immer  noch nicht ganz sicher widerlegte Hypothese, dass Prione doch Nukleinsäure enthalten.
 

Bakterienphysiologie

Die Bakterienzelle ist von einer typischen Zellmembran (unit membrane) umgeben. Wie in Tabelle 1 dargestellt, besitzen Bakterien jedoch keinen Zellkern und verfügen meistens über eine Zellwand. Diese dient im Wesentlichen dazu, dem osmotischen Druck entgegen zu wirken. Weiterhin sind in ihr Anhängsel verankert, die der Wechselwirkung des Bakteriums mit seiner Umwelt dienen.


 
 

Abb. 1 Prinzipieller Aufbau einer Bakterienzelle

Innerhalb der Bakterienzelle findet sich die genetische Information im Wesentlichen auf dem Chromosom, das aber frei in der Zelle vorliegt, also nicht von einer Kernmembran umgeben ist. Daneben ist bei Bakterien genetische Information auch auf extrachromosomaler zirkulärer DNS, den Plasmiden, gespeichert. Während das ringförmige Chromosom einfach vorliegt, können Plasmide in einer hohen Kopienzahl vorliegen. Meist sind die auf den Plasmiden kodierten Gene für das Bakterium nicht essentiell, können aber für das Überleben in bestimmten Umgebungen notwendig sein. Typische Beispiele für plasmidkodierte Eigenschaften sind Toxine und Antibiotikaresistenzen.
 

Stoffwechsel

Bakterien benötigen Stickstoff-, Kohlenstoff-, Schwefel-, ect., und Energiequellen. Beim Abbau von energiereichen Verbindungen entsteht NADH2 , von dem die Wasserstoffelektronen auf andere Substanzen übertragen werden müssen. Bei Bakterien, die über eine Atmungskette verfügen, werden die Elektronen auf Sauerstoff übertragen, liegt keine Atmungskette vor, dienen andere Verbindungen als Elektronenakzeptoren. Dies können anaorganische Verbindungen wie Nitrat, aber auch organische Stoffe sein.
Durch die Aktivität der Atmungskette wird ein Protonengradient über die Membran aufgebaut, der beim Einstrom von Protonen die membrangebundene ATPase antreibt und so ATP generiert.
 

Die bakterielle Zellwand

Ein Zellwand findet sich bei fast allen medizinisch relevanten Bakterien, Ausnahmen sind nur die primär zellwandlosen Mykoplasmen und die sekundär (z.B. nach Antibiotikatherapie) zellwandlosen L-Formen.
 
Grundgerüst der Zellwand ist eine Polysaccharidkette aus N-Acetyl-Glucosamin (NAG) und N-Acetyl-Muraminsäure (NAM). An den Lactylrest der NAM ist ein Pentapeptid gekoppelt, dass D-Aminosäuren enthält. Über dieses Peptid erfolgt eine Verknüpfung verschiedener Polysaccharidstränge, so dass ein dreidimensional vernüpftes Netzwerk entsteht.
 
 
 
 
 

 
Die Verknüpfung der Peptide erfolgt über das erste D-Ala der einen und das L-Lys der anderen Kette. Bei vielen Bakterien ist eine direkte Verknüpfung realisiert, bei einigen (z.B. Staphylokokken) befinden sich zwischen diesen Aminosäureresten weitere Peptide (bei S. aureus z.B. Pentaglycin). 
Bei den gramnegativen Enterobakterien findet sich statt des L-Lysins meso-diamino-Pimelinsäure.
 
 

 

Zwei verschiedene Zellwände

Es gibt einmal Bakterien, die eine dünne Zellwand mit einem nur einschichtigen Murein aufweisen (die Gracilicutes) und welche, die ein vielschichtiges Murien besitzen (Firmicutes). Die Gracilicutes zeichnen sich durch eine zusätzliche, äußere Membran aus, in der sich Proteine (die Porine) befinden, die den Stoffaustausch mit der Umgebung regeln. Da die Porine typischerweise einige Antibiotika nicht passieren lassen, die aber Zugang zu der Zellwand der "Dickhäuter" haben, kann man anhand des Zellwandaufbaus gewisse Vorhersagen über die Antibiotikaempfindlichkeit der Bakterien machen.

Abb. 2 Struktur der Zellwand

Unterschieden werden können die Strukturen durch die Gramfärbung, bei der sich die Bakterien mit der dicken Zellwand blau, die mit der dünnen rot anfärben. Man bezeichnet die blau gefärbten als grampositiv, die roten als gramnegativ.

Die Gramfärbung
Die Bakterien werden auf dem Objektträger durch Hitzeeinwirkung fixiert (1). In diesem Zustand sind sie mikroskopisch noch nicht (gut) sichtbar. Danach erfolgt eine Färbung mir Kristallviolett (2), durch die alle vorhandenen Bakterien blau gefärbt werden (n.b. es gibt Ausnahmen, die den Farbstoff nicht oder nur schlecht aufnehmen, z.B. Mykobakterien). Nach Beizung mit Jod-Kaliumjodid und Entfärbung (Differenzierung) mit Alkohol halten nur die Bakterien mit mehrschichtigem Murein den Farbstoff zurück, die mit einschichtigem Murein geben ihn wieder ab (3). Um auch diese Bakterien sichtbar zu machen, verwendet man eine Gegenfärbung (Safranin, Fuchsin) (4). Ganz gute Bilder und weitere Erklärungen (englisch) im Gram Stain Tutor.

07.12.1999 S. Gatermann