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B978-3-437-41387-2.00005-X

10.1016/B978-3-437-41387-2.00005-X

978-3-437-41387-2

Abb. 5.1

[L253]

Das Lactose-Operon – die drei Enzyme lacZ, lacY und lacA werden nur in Anwesenheit von Lactose transkribiert

Abb. 5.2

[G157]

Bakterienzelle und eukaryontische Zelle im Vergleich

Abb. 5.3

[L253]

Zellwand und Zellmembran bei grampositiven (a) und gramnegativen (b) Bakterien

Abb. 5.4

[L253]

Blunt Ends und Sticky Ends

Abb. 5.5

[L253]

Wachstumskurve von Bakterien:

  • 1.

    Lag Phase

  • 2.

    Log Phase

  • 3.

    Retardationsphase

  • 4.

    stationäre Phase

  • 5.

    Absterbephase

Abb. 5.6

[L231]

Morphologie der Bakterien:

  • a)

    Kokken

  • b)

    Diplokokken

  • c)

    Streptokokken

  • d)

    Staphylokokken

  • e)

    Stäbchen

  • f)

    Spirillen

  • g)

    Vibrionen (gekrümmte Stäbchen)

  • h)

    Spirochäten

Abb. 5.7

[L231]

  • a)

    Septierte Hyphen

  • b)

    coenozytische Hyphen

Abb. 5.8

[L253]

Das HI-Virus und seine Struktur

Abb. 5.9

[G157]

Zyklus der Virusvermehrung

Abb. 5.10

[P118]

Lytischer und lysogener Zyklus

Abb. 5.11

[L231]

Verschiedene Viren:

  • a)

    Tabakmosaikvirus

  • b)

    Adenovirus

  • c)

    Influenzavirus

  • d)

    Bakteriophage

Abb. 5.12

[L253]

Die Vermehrung der Prionen

Mikrobiologie – Klein und manchmal gemein

  • 5.1

    Bakterien87

    • 5.1.1

      Aufbau88

    • 5.1.2

      Bakterielle Zellwand und Zellmembran90

    • 5.1.3

      Besonderheiten92

    • 5.1.4

      Wachstumsverhalten94

    • 5.1.5

      Antibiotika95

    • 5.1.6

      Klassifikation und wichtige Vertreter95

  • 5.2

    Pilze98

    • 5.2.1

      Aufbau98

    • 5.2.2

      Systematik98

    • 5.2.3

      Toxine99

    • 5.2.4

      Antimykotika99

  • 5.3

    Viren99

    • 5.3.1

      Aufbau99

    • 5.3.2

      Vermehrung100

    • 5.3.3

      Klassifikation102

    • 5.3.4

      Übertragung103

    • 5.3.5

      Viroide104

  • 5.4

    Prionen104

  • 5.5

    Übungen105

Vieles, was ihr in diesem Kapitel lernt, wird in der Klinik wieder relevant. Da die Mikrobiologie zudem noch gern gefragt wird, lohnt sich aufmerksames Lesen gleich doppelt.

Wir werden uns mit grundlegendem Wissen zu Bakterien, Pilzen, Viren und Prionen befassen, wobei auf die Bakterien der größte Teil entfällt.

Bakterien

Bakterien gehören zu den Prokaryonten:BakterienBakterienProkaryonten, die wir ganz am Anfang dieses Buchs kennengelernt haben. Da wir Menschen zu den Eukaryonten gehören, gibt es einige wichtige Besonderheiten im Aufbau der Zellen, auf die wir als Erstes eingehen wollen. Mit diesem Wissen zur Struktur der Bakterienzellen, werdet ihr euch die weiteren Fakten leicht einprägen können.

Aufbau

Das wichtigste Merkmal der Prokaryonten: Sie besitzen keinen Zellkern, sondern ein Kernäquivalent (Nucleoid), d. h. ein geschlossenes, auf engen Raum gepacktes, Bakterienchromosom. Wir haben bereits diverse Merkmale der Bakterienzelle kennengelernt, von denen einige jetzt nochmal aufgegriffen werden. Alle relevanten Charakteristika findet ihr in der Tabelle am Ende dieses Kapitels.

Für Ahnungslose

Kann man die Begriffe „Bakterien“ und „Prokaryonten“ synonym verwenden? Der Begriff Prokaryonten beinhaltet die Bakterien, aber er umfasst zusätzlich noch die Archaeen. Da diese im Medizinstudium nicht relevant sind (es sind auch keine humanpathogenen Arten bekannt), wollen wir an dieser Stelle nicht weiter auf sie eingehen. Nur so viel: Auch wenn ihr noch nie von ihnen gehört habt, habt ihr wahrscheinlich gerade welche im Mund.

  • DNA: Das Kernäquivalent ist nicht von einer Membran umgeben und besitzt keine Histone. Da Bakterien nur ein Chromosom besitzen, ist die DNA zwar doppelsträngig aber der Chromosomensatz selbstverständlich haploid. Da das Chromosom ringförmig ist, reicht ein einzelner Origin of Replication (ORI) aus, um die gesamte DNA zu replizieren. Eine weitere Besonderheit der Bakterien-DNA: Es gibt keine Introns und entsprechend muss auch nicht gespleißt werden!

    Die Gene sind in Form von Funktionseinheiten organisiert, die Operons genannt werden. Auf diese Weise wird die Aktivität des Gens reguliert. Wie funktioniert so ein Operon? Die Details zu diesem Thema werden euch noch in der Biochemie begegnen, deswegen nur das Wichtigste: Die RNA-Polymerase bindet an den Promotor. Zwischen dem Promotor des Gens und den Bereichen, die die Proteine codieren, liegt ein DNA-Abschnitt, der Operator genannt wird. An diesen Bereich kann ein sogenannter Repressor binden und auf diese Weise die Arbeit der RNA-Polymerase blockieren. Der Repressor kann natürlich gehemmt werden, sonst könnte keine Transkription stattfinden. Beispielsweise kann der Zucker Lactose den Repressor für die Enzyme, die zum Lactoseabbau notwendig sind, hemmen. Diese werden dann synthetisiert und die Lactose kann abgebaut werden. Das hat natürlich den Vorteil, dass die Zelle in Abwesenheit von Lactose diese Enzyme nicht synthetisiert und keine Ressourcen verschwendet (Abb. 5.1). Operons sind in einigen Bakterien auch für die Resistenz gegen bestimmte Antibiotika bedeutsam: Sie besitzen ein Resistenzgen gegen das Antibiotikum Tetracyclin. Die Translation dieses Gens in ein Protein wird aber normalerweise von einem Repressor (der an die Operator-DNA bindet) unterdrückt. Gelangt nun aber Tetracyclin in die Zelle, bindet es an den Repressor und die Resistenzgene werden synthetisiert, sodass das Bakterium die Antibiotikatherapie übersteht.

    Zum Abschluss: Bei Bakterien enthält eine mRNA häufig Informationen für mehrere verschieden Proteine. Man bezeichnet sie dann als polycistronisch.

  • Bakterien:PlasmidePlasmide: Bakterien besitzen nicht nur DNA in ihrem Kernäquivalent, sondern verfügen zusätzlich über extrachromosomale, ringförmige DNA, die im Zytoplasma schwimmt. Diese sogenannten Plasmide (es kann durchaus auch mehrere geben) werden unabhängig vom restlichen Genom repliziert und dann zufällig auf die Tochterzellen verteilt. Wofür codieren Plasmide? Sie enthalten z. B. Resistenzen gegen Antibiotika (R-Plasmid). Außerdem können Proteine produziert werden, die die Virulenz des Bakteriums steigern oder es dem Bakterium ermöglichen, seine Plasmide an andere Bakterien weiterzugeben (Fertilitätsplasmid, F-Plasmid). Wie Plasmide von einem Bakterium zum anderen gelangen, sodass sich Antibiotikaresistenzen ausbreiten können, werden wir später im Kapitel besprechen.

Für Ahnungslose

Was kann man sich unter „Resistenzen gegen Antibiotika“ vorstellen? Sie verhindern, dass das Bakterium von den Antibiotika abgetötet wird. So können die Plasmide z. B. für Proteine codieren, die das Antibiotikum aus den Zellen transportieren (Efflux-Bakterien:Efflux-PumpenPumpen) oder es durch Spaltung bestimmter Strukturen inaktivieren (β-Lactamasen).

Sind die Begriffe Pathogenität und Virulenz Synonyme? Pathogenität ist die Fähigkeit einer Spezies, Krankheiten zu verursachen. Der Begriff Virulenz wird tatsächlich häufig synonym verwendet, kann aber auch das Verhältnis von der Menge der Mikroorganismen zur Schwere der verursachten Krankheit, also gewissermaßen das Ausmaß der Pathogenität bezeichnen. Plasmide, die die Virulenz steigern, codieren z. B. für Exotoxine, also Stoffe, die von den Bakterien abgegeben werden und den Wirtsorganismus schädigen.

  • Organellen: Dieser Abschnitt fällt im Vergleich zu den Eukaryonten wesentlich kürzer aus. In der Prokaryontenzelle ist nämlich die Kompartimentierung, also die Untergliederung der Zelle in Reaktionsräume, wesentlich geringer ausgeprägt – Mitochondrien, Golgi-Apparat und ER fehlen. Findet in Bakterien dann keine Atmungskette statt? Doch, denn die Enzyme der Atmungskette können in der Membran der Bakterienzelle lokalisiert sein, über die dann auch der Protonengradient aufgebaut wird.

  • Bakterien:RibosomenRibosomenRibosomen: Wir haben bereits gelernt, dass sich die bakteriellen Ribosomen von denen der Eukaryonten unterscheiden. Bakterien besitzen (wie die Mitochondrien) 70S-Ribosomen, die aus einer 50S- und einer 30S-Untereinheit bestehen. Diesen Unterschied macht man sich bei der Antibiotikatherapie zunutze. Außerdem wissenswert: Auf den mRNAs der Prokaryonten gibt es die Shine-Delgarno-SequenzProkaryonten:Shine-Delgarno-Sequenz, eine Basenfolge, die dafür sorgt, dass die mRNA von den Ribosomen erkannt wird und binden kann.

  • Zellmembran und Zellwand: Bakterien besitzen wie die Eukaryonten eine Zellmembran, die aber, genau wie die innere Mitochondrienmembran, kein Cholesterin enthält. Zusätzlich aber besitzen Bakterien noch eine Zellwand, die der Zelle eine feste Form gibt. Da dieses Thema sehr prüfungsrelevant ist, werden wir darauf nochmal separat eingehen.

  • FlagellenBakterien:Flagellen: Viele Bakterien sind in der Lage, sich aktiv fortzubewegen und nutzen dafür Flagellen, die ihr euch wie eine Schiffsschraube an der Bakterienoberfläche vorstellen könnt. Das Flagellum selbst wird dabei nicht verformt, sondern gedreht. Bakterien können mehrere Flagellen auf der gesamten Zelle (peritrich) oder nur ein einzelnes Flagellum (monotrich) aufweisen. Besitzen sie an zwei gegenüberliegenden Zellpolen Flagellen, spricht man von amphitrich, wohingegen Bakterien, deren Flagellen sich auf einen Zellpol konzentrieren, als lophotrich bezeichnet werden.

    Manche Autoren verwenden den Begriff „Flagellen“ ausschließlich für Bakterien und unterscheiden davon die „Geißeln“ der Eukaryonten. In vielen Lehrbüchern werden beide Begriffe allerdings synonym verwendet.

  • PiliBakterien:Pili: Pili, die auch Fimbrien genannt werden, sind ebenfalls Strukturen auf der Bakterienoberfläche, die aber im Gegensatz zu den Flagellen nicht der Fortbewegung dienen. Sogenannte Haftpili dienen der Adhäsion des Bakteriums an Strukturen in der Umgebung während die Konjugations- oder Sexpili genutzt werden, um Plasmide zwischen den Bakterien zu übertragen.

  • Kapsel: Manche Bakterien umgeben sich mit einer Kapsel aus Polysacchariden, die Wassermoleküle binden und so einen zähen Schleim bilden. Die Kapsel schützt die Bakterien vor der Phagozytose z. B. durch Zellen des Immunsystems. Als das Beispiel schlechthin für kapselbildende Bakterien solltet ihr euch schon jetzt die Pneumokokken merken.

In Abb. 5.2 sind zum Vergleich die Bestandteile einer Prokaryonten- und einer Eukaryontenzelle dargestellt.

Für die Klausur

Wenn ihr richtig Eindruck schinden wollt, könnt ihr euch auch noch mehr Beispiele merken:

SHiNE SKiS

Streptococcus pneumoniae, Haemophilus influenzae b, Neisseria meningitidis, E. coli, Salmonella, Klebsiella, (B)-Streptokokken

Bakterielle Zellwand und Zellmembran

Bakterien besitzen zusätzlich zur Zellmembran eine Zellwand, die für verbesserten Schutz sorgt. Da sie zudem die Zielstruktur für einige Antibiotika ist, sollten wir uns mit ihrem Aufbau vertraut machen.Zellmembran:bakterielle
Der wichtigste Bestandteil der Bakterienzellwand ist das Murein, ein Pepitdoglycan, das zu einer vielschichtigen Struktur, dem sogenannten Mureinsacculus, vernetzt ist.

Für Ahnungslose

Was ist ein Peptidoglykan? Aus dem Namen kann man es schon erahnen: Ein Peptidoglykan besteht aus Protein und Zucker. Beim Murein besteht der Zuckeranteil aus langen Ketten, in denen sich Moleküle von N-Acetylmuraminsäure (NAM)N-Acetylmuraminsäure (NAM) und N-Acetylglucosamin (NAG)N-Acetylglucosamin (NAG) abwechseln. Diese werden von Peptiden quervernetzt, sodass ein festes Geflecht entsteht.

Die bakterielle Zellwand ist nicht nur das Ziel von diversen Antibiotika, sondern auch von Lysozym, einem Enzym, das von diversen Organismen zur Abwehr von Bakterien abgegeben wird (z. B. im Speichel oder in der Tränenflüssigkeit) und die glykosidischen Bindungen zwischen NAM und NAG spaltet.
Es gibt allerdings auch Bakterien, die ohne Zellwand auskommen. Die zwei prominentesten Beispiele solltet ihr kennen:
  • Mykoplasmen: Die Mykoplasmen sind zwar sehr klein, können aber zu einem großen Problem werden. Im Studium begegnen euch am häufigsten Mycoplasma pneumoniae als Erreger der atypischen Pneumonie. Da Mykoplasmen keine Zellwand besitzen, zeigen sie sich von Antibiotika, die an der Zellwandsynthese angreifen (z. B. Penicillin), weitgehend unbeeindruckt.

  • L-Formen: Einige Bakterien, die von Natur aus eine Zellwand besitzen, sind in der Lage, auch ohne diese zu überleben. So kann es z. B. durch eine Therapie mit einem Antibiotikum, das an der Zellwandsynthese angreift, dazu kommen, dass die Bakterien sich plötzlich mit ihrer Zellmembran begnügen und keine Zellwand mehr ausbilden. Entsprechend verfehlt das Antibiotikum dann seinen Zweck. Die zellwandlose Form der Bakterien wird nach ihrem Entdeckungsort, dem Lister-Institut in London, L-Form genannt.

Achtung!

Verwechselt die MykoplasmenMykoplasmen nicht mit den Mykobakterien, die ihr noch kennenlernen werdet. Mykobakterien besitzen nämlich sehr wohl eine Zellwand (sogar eine ziemlich massive). Falls ihr durcheinander kommt:

MykoPLASMEN bestehen fast nur aus (Zyto)PLASMA, haben also keine Zellwand.

Zwar besitzen fast alle Bakterien eine Zellwand, aber diese ist nicht bei allen gleich ausgeprägt. Man kann die Bakterien sogar anhand der Unterschiede im Aufbau ihrer Zellwand unterteilen und zwar in grampositive und gramnegative Arten.
Die Begriffe grampositiv und gramnegativ leiten sich von der Gramfärbung ab, deren Ablauf ihr grob kennen solltet:
  • 1.

    Die Zellen werden mit einem violetten Farbstoff (Karbol-Gentianaviolett) gefärbt.

  • 2.

    Dann versucht man die Färbung mit hochprozentigem Alkohol auszuwaschen …

  • 3.

    … und die Zellen mit einem Farbstoff namens Karbolfuchsin rot zu färben.

Gramnegative Bakterien durchlaufen diesen Prozess und sind folglich am Ende rot gefärbt. Grampositive Bakterien sind dagegen durch eine Zellwand gekennzeichnet, die aus wesentlich mehr Mureinschichten besteht, als die der gramnegativen. Bei ihnen wird die blaue Färbung durch den Alkohol nicht ausgewaschen, sodass die Zellen trotz der anschließenden Behandlung mit dem roten Farbstoff violett/blau bleiben.

Lerntipp

grampositiv = p(b)lau

Wenn man sich die Zellwände von grampositiven und -negativen Bakterien genauer ansieht, erkennt man noch weitere Unterschiede (Abb. 5.3):
  • Bei den grampositiven Bakterien schließt sich außen an die Zellmembran die stark ausgeprägte Zellwand an. In der Zellmembran sind Teichonsäuren verankert, die durch die Zellwand hindurchlaufen und nach extrazellulär ragen. Die Teichonsäuren fungieren als Chelatoren, halten also Ionen fest, und erhöhen dabei die Stabilität der Zellwand. Übrigens: Die ebenfalls verwendete Bezeichnung Lipoteichonsäure macht nur deutlich, dass die Teichonsäuren in Lipiden verankert sind.

  • Bei gramnegativen Bakterien schließt sich an die Zellmembran ebenfalls die Zellwand an. Diese ist allerdings wesentlich dünner und nochmal von einer äußeren Membran umgeben. In dieser Membran sind Lipopolysaccharide verankert, die wiederum als Endotoxine von Bedeutung sind.

Für Ahnungslose

Was sind Endotoxine? Endotoxine werden von Bakterien nicht aktiv abgegeben (dann würde man von Exotoxinen sprechen), sondern werden z. B. beim Zerfall der Bakterien frei. Sie können dann beim Kontakt mit dem Immunsystem zu Fieber führen, wirken also pyrogen. Besonders fies: Einige Endotoxine sind sehr hitzestabil, sodass man sie nicht einfach durch Abkochen zerstören kann.

Für die Klausur

Gelegentlich wird in Examen nach Toll-Like Receptors (TLRs)Toll-Like Receptors gefragt. Dabei handelt es sich um Rezeptoren, die auf Makrophagen sitzen und diesen dabei helfen, Krankheitserreger zu erkennen. Wie machen sie das? Die TLRs erkennen Moleküle oder Strukturen innerhalb von Molekülen, die auf Krankheitserregern gehäuft auftreten, sogenannte PAMPs (Pathogen-Associated Molecular Patterns)PAMPs (Pathogen-Associated Molecular Patterns). Ein Beispiel für PAMPs sind die Lipopolysaccharide. Aufgrund der Fähigkeit, pathogene Strukturen zu erkennen, zählt man die TLRs zu den Pattern-Recogniton Receptors (PRRs)Pattern-Recogniton Receptors (PRRs).

Besonderheiten

In diesem Kapitel wollen wir nun auf einige Dinge eingehen, die die Bakterien so effizient machen.
Wir haben bereits gelernt, dass Bakterien Plasmide, also extrachromosomale DNA, besitzen, die sie an andere Bakterien weitergeben können. Angenommen, auf einem Plasmid kommt es zu einer Mutation, sodass ein Gen entsteht, das dem Bakterium hilft, mit seiner Umwelt fertig zu werden, z. B. weil das Produkt des Gens zu einer Antibiotikaresistenz führt. Das Bakterium gibt nun Kopien dieses Plasmids an seine Artgenossen weiter, die durch die neue Antibiotikaresistenz eine höhere Überlebenswahrscheinlichkeit haben als die Bakterien ohne das Plasmid. Richtig hilfreich wird das Plasmid aber erst, wenn die Bakterien auch tatsächlich mit dem Antibiotikum in Kontakt kommen. Dieser Selektionsdruck führt dazu, dass Bakterien ohne das Plasmid sterben. Unsere Bakterien mit Antibiotikaresistenz müssen nun nicht mehr mit den anderen Bakterien um die begrenzten Ressourcen (Platz, Nährstoffe etc.) konkurrieren und können sich stark vermehren, sodass sehr viele Bakterien mit Antibiotikaresistenz entstehen.
Ihr seht: Die Fähigkeit zur Weitergabe von Plasmiden ist für Bakterien extrem nützlich. Da es sich gewissermaßen um eine Art der Fortpflanzung (wenn auch ohne die Entstehung von Keimzellen) handelt, spricht man wahlweise von Parasexualität oder horizontalem Gentransfer. Den Bakterien stehen dafür drei sehr gern geprüfte Möglichkeiten zur Verfügung:
  • TransformationBakterien:Transformation: Bakterien können unter bestimmten Bedingungen freie DNA aufnehmen. Im Labor kann man die Bakterien auch dazu „zwingen“, freie DNA aufzunehmen, damit sie sich danach zusammen mit dem aufgenommenen Plasmid vermehren. Abschließend isoliert man die Plasmide wieder und hat die Bakterien gewissermaßen als biologischen Kopierer genutzt.

  • KonjugationBakterien:Konjugation: Die Konjugation kommt unserer Vorstellung von Fortpflanzung noch am nächsten. Dabei bilden Bakterien, die über einen Fertilitätsfaktor verfügen (man bezeichnet sie auch als F+), einen Fertilitäts- bzw. Sexpilus aus, über den die Plasmide direkt von einem Bakterium zum nächsten gelangen können.

  • TransduktionBakterien:Transduktion: Bei der Transduktion wird die Bakterien-DNA durch Viren übertragen. Dabei ist der Bakteriophage (so bezeichnet man Viren, die sich auf Prokaryonten spezialisiert haben) in erster Linie darauf aus, seine eigene Erbinformation in das bakterielle Genom zu integrieren. Dass dabei gelegentlich auch Teile der bakteriellen DNA mitgenommen werden, ist ein eher für die Bakterien nützlicher Nebeneffekt.

Lerntipp

  • Bei der Konjugation sind die Bakterien (K)onnected, also über einen Fertilitätspilus verbunden.

  • Bei der TransFormation geht es um die Aufnahme Freier DNA.

  • Übrig bleibt die Transduktion, die mithilfe von Viren stattfindet.

Die Fähigkeit, DNA aufzunehmen, ist allerdings nicht ganz ohne Risiko: Wenn z. B. fremde DNA – also die einer anderen Spezies – in die Zelle gelangt, kann diese zum Problem werden. Aus diesem Grund besitzen Bakterien in ihrem Zytoplasma Enzyme namens Restriktionsendonucleasen.

Für Ahnungslose

Was verrät uns der Name „Restriktionsendonuclease“? Nucleasen sind Enzyme, die DNA oder RNA spalten. Die Silbe „endo“ macht deutlich, dass die Spaltung mitten im Molekül und nicht nur an den Rändern stattfindet, was auch sinnvoll ist, wenn man die DNA zerstören möchte.

Die Restriktionsendonucleasen spalten die DNA an palindromischen Sequenzen. Palindromische Sequenzen sind Abschnitte der DNA, die sich auf beiden Strängen des Doppelstrangs gleich lesen.
Bei der Spaltung eines Doppelstrangs durch Restriktionsendonucleasen können Blunt oder Sticky Ends entstehen (Abb. 5.4).
  • Blunt Ends:Blunt Ends Bei der Entstehung von Blunt Ends schneidet das Enzym auf dem kürzesten Weg einmal durch den Doppelstrang. Die Chance, dass die zwei Fragmente wieder zusammenfinden, ist relativ gering.

  • Sticky Ends:Sticky Ends Schneidet das Enzym Sticky Ends, entstehen an den Enden der Doppelstrangfragmente kleine Einzelstränge, die zueinander komplementär sind. Da sich zwischen ihnen erneut Wasserstoffbrückenbindungen ausbilden können, besteht die Chance, dass sich die Stränge wieder zusammenlagern. Dann muss nur noch eine DNA-Ligase das Zucker-Phosphat-Rückgrat verbinden und der Doppelstrang ist so gut wie neu. Schneidet man ein Gen und ein Plasmid mit den gleichen Restriktionsenzymen, kann man das Gen in das Plasmid einbauen, weshalb diese Enzyme auch im Labor von großer Bedeutung sind.

Weil es hier gerade gut passt, wollen wir uns noch mit einer anderen mobilen Form der DNA befassen – den Transposons. Beachtet aber: Im Gegensatz zu den anderen Dingen in diesem Kapitel, gibt es Transposons nicht nur bei Bakterien, sondern unter anderem auch in Pflanzen und im Menschen. Transposons sind Abschnitte der DNA, die ihre Position im Genom verändern können. Die Transposons sind dabei häufig von repetitiver DNA umgeben. Transposons können der Zelle Vorteile verschaffen, wobei eine übermäßige Aktivität auch die Gefahr der Zerstörung der DNA birgt.
Man unterscheidet einerseits Klasse-I-Transposons (Retrotransposons), bei denen zunächst die DNA in RNA transkribiert wird. Die RNA wird dabei von einer reversen Transkriptase wieder in DNA umgeschrieben, die dann an anderer Stelle wieder ins Genom eingebaut wird (copy and paste). Bei den Klasse-II-Transposons (DNA-Transposons) andererseits wird das Gen direkt herausgeschnitten und an einer anderen Stelle in die DNA eingebaut (cut and paste).
So weit so gut – aber was macht das Bakterium, wenn mal schlechtere Zeiten kommen? Manche Bakterienarten können sich mittels Sporulation helfen. Das Bakterium bildet (Endo)Sporen, die durch einen stark reduzierten bzw. nicht existenten Stoffwechsel auch mit wenig Nährstoffen und ungünstigen Temperaturen kein Problem haben. Die Sporen enthalten DNA und ein wenig Wasser, gut geschützt von einer soliden Wand. Wenn die Umweltbedingungen wieder besser werden, kann aus einer Spore wieder die aktive (vegetative) Form des Bakteriums entstehen. Die zwei prominentesten Bakteriengattungen, die Sporen bilden können, sind Clostridium und Bacillus.
Übrigens: Der Aufbau von Sporen macht sie nicht nur resistent gegen Nährstoffmangel und ungünstige Temperaturen, sondern stellt auch viele Desinfektionsverfahren vor große Probleme.

Achtung!

Die Sporen der Bakterien dienen lediglich zum Überleben. Wir werden auch noch die Sporen der Pilze kennenlernen, mit denen diese sich vermehren.

Wachstumsverhalten

Welche Bedingungen müssen erfüllt sein, damit Bakterien wachsen und wie gestaltet sich dieses Wachstum? Natürlich unterscheiden sich die Bakteriengattungen in ihren Anforderungen, aber nichtsdestotrotz kann man einige Gemeinsamkeiten finden:
  • Bakterien:WachstumsverhaltenTemperatur: Die Bakterien, die ihr im Rahmen eures Medizinstudiums kennenlernen werdet, sind in der Regel an den Mensch als Wirt angepasst und z. T. sogar humanpathogen. Entsprechend liegt ihr Temperaturoptimum, also die Temperatur, bei der sie am besten wachsen, bei 37 °C.

  • pH-Wert: Beim pH-Wert gibt es kein einheitliches pH-Optimum, denn schließlich gibt es auch verschiedene pH-Werte im menschlichen Körper. Ein Großteil der Bakterien mag es eher neutral, während z. B. Helicobacter pylori an den sauren pH des Magens angepasst ist und dort Entzündungen der Magenschleimhaut (Gastritis) auslösen kann.

  • Nährstoffe: Auch Bakterien brauchen Nährstoffe, aber die sind im menschlichen Körper natürlich reichlich vorhanden. Im Labor werden die Bakterien in der Regel mit Glucose und Pepton (einem Gemisch aus verschiedenen Peptiden) versorgt. Die Anzucht der Bakterien kann dabei in flüssigen Nährlösungen oder auf Nährböden stattfinden. Der Hauptbestandteil der Nährböden ist in der Regel Agar (ein Polysaccharid).

  • Sauerstoff: Da sich die Menge an verfügbarem Sauerstoff zwischen Mundhöhle, Darm, Haut und Urogenitaltrakt offensichtlich stark unterscheidet, ist es nur logisch, dass es auch bei den Bakterien unterschiedliche Präferenzen hinsichtlich der Sauerstoffkonzentration gibt. Man unterscheidet obligat aerobe Bakterien, die auf Sauerstoff angewiesen sind, von fakultativ aeroben Bakterien die auch ohne Sauerstoff überleben können. Dafür setzen sie wahlweise auf Gärung oder anaerobe Atmung, die euch in der Biochemie im Detail beschäftigen werden.

    Es gibt allerdings auch Bakterien, die nur in Abwesenheit von Sauerstoff überleben können, man spricht von obligat anaeroben Arten. Kann ein Bakterium zwar in Anwesenheit von Sauerstoff überleben, aber diesen nicht verstoffwechseln ist es aerotolerant. Bakterien, die die Abwesenheit von Sauerstoff bevorzugen, aber auch in Anwesenheit von Sauerstoff wachsen, sind fakultativ anaerob. Bakterien die grundsätzlich CO2 bevorzugen, werden allgemein als capnophil bezeichnet.

Wenn nun die Voraussetzungen, damit unser Bakterium wachsen kann, erfüllt sind, ergibt sich eine charakteristische Wachstumskurve (Abb. 5.5):
  • 1.

    Latenzphase (Lag Phase): Während dieser Zeit passt sich das Bakterium an die ihm zur Verfügung stehenden Nährstoffe an. Da die Bakterien, was die Zellteilung angeht, in dieser Zeit noch nicht „Vollgas“ geben können, steigt die Kurve zunächst noch nicht so steil an.

  • 2.

    Exponentielle Phase (Log Phase): Hier teilen sich die Bakterien mit maximaler Geschwindigkeit. Da aus jedem Bakterium zwei neue entstehen, verlauft die Kurve exponentiell (dieser Fakt wird allerdings in der Grafik durch die logarithmische Y-Achse verschleiert).

  • 3.

    Stationäre Phase: Das enorme Wachstum der Bakterien verbraucht natürlich die vorhandenen Nährstoffe. Mit Beginn des Nährstoffmangels verlangsamt sich das Wachstum (manche Autoren sprechen von der Retardationsphase) so lange, bis genau so viele Bakterien sterben, wie neue entstehen. Die Zahl der Bakterien bleibt dann konstant.

  • 4.

    Absterbephase: Wenn die Nährstoffe aufgebraucht sind oder die Ausscheidungsprodukte der Bakterien toxische Konzentrationen erreichen, sterben die Bakterien und die Wachstumskurve beginnt zu fallen.

Wie schnell Bakterien wachsen können, hängt neben den Bedingungen natürlich auch von der Bakteriengattung ab. Während Escherichia coli sich alle 20 Min. teilen kann, also eine Generations- bzw. Reduplikationszeit von nur 20 min besitzt, brauchen andere Arten, wie die Mykobakterien (nicht Mykoplasmen!), aufgrund ihrer aufwendigen Zellwandsynthese wesentlich länger.

Antibiotika

Man unterscheidet bei den Antibiotika, die wir zur Bekämpfung von Bakterien einsetzen, zwischen bakteriziden und bakteriostatischen Mitteln. Bakterizide Antibiotika töten Bakterien, wohingegen bakteriostatische Stoffe lediglich ihr Wachstum hemmen.
AntibiotikaVon den Antibiotika, die ihr in der Vorklinik kennen solltet, haben wir erfreulicherweise schon einen großen Teil bei den Hemmstoffen der Translation besprochen. Auch den Begriff der Resistenz haben wir schon kennengelernt, sodass wir nur nochmal kurz auf das Penicillin eingehen müssen:
Ihr habt bereits gelernt, dass Penicillin die Zellwandsynthese hemmt. Genauer gesagt hemmt es die Aktivität der Transpeptidase, die bei grampositiven Zellen das Murein vernetzt. Damit die Hemmung der Transpeptidase tatsächlich einen Effekt auf die Bakterienpopulation hat, müssen sich die Zellen allerdings teilen – sonst findet quasi keine Zellwandsynthese statt. Da sich bei einer akuten Infektion die Bakterien aber meistens stärker teilen, als dem Patienten lieb ist, stellt dieser Faktor in der Regel kein Problem dar.
Übrigens: Penicillin gehört zu den β-Lactam-Antibiotika. Genau dieser β-Lactam-Ring wird von den β-Lactamasen, die einige Bakterien als Resistenz besitzen, gespalten.

Für Ahnungslose

Was sind Lactame? Lactame sind intramolekulare, cyclische Amide. Was sind Amide? Amide sind funktionelle Gruppen, die bei der Reaktion einer Aminogruppe mit einer Carboxylgruppe entstehen. Findet diese Reaktion innerhalb eines Moleküls statt und entsteht dabei ein Ring, spricht man von einem Lactam.

Klassifikation und wichtige Vertreter

Wir haben bereits gelernt, dass die Einteilung in grampositive und gramnegative Arten eine Möglichkeit darstellt, um Bakterien zu klassifizieren. Da Bakterien zudem über eine relativ starre Zellwand verfügen, besitzen sie eine definierte Form. Am relevantesten sind dabei die Kugelbakterien (Kokken), die Stäbchen und die helix- bzw. wendelförmigen Spirochäten. Außerdem sind manche Bakterienarten nicht gern allein. Gerade bei den Kugelbakterien gibt es Arten die grundsätzlich nur paarweise (Diplokokken), in Haufen (Staphylokokken) oder zu langen Ketten aneinandergereiht (Streptokokken) vorkommen (Abb. 5.6). In der folgenden Tabelle findet ihr die Bakterien, die man spätestens für das Physikum kennen sollte. Bei den Erkrankungen reicht in der Regel das erste Beispiel. Danach werden wir noch auf einige Fakten zu den besonders prüfungsrelevanten Vertretern eingehen.
Bakterien:Klassifikation

Lerntipp

Wenn ihr in der mündlichen Prüfung zeigen wollt, was ihr könnt, nennt eurem Prüfer diese Auswahl der durch Streptococcus Streptococcus pyogenespyogenes verursachten Erkrankungen:

NIPPLES:

  • Nekrotisierende Fasziitis

  • Impetigo (Hauterkrankung)

  • Pharyngitis

  • Pneumonie

  • Lymphangitis

  • Erysipel

  • Scharlach

Wir beginnen unsere Besprechung der Prüfungsfragen-Dauerbrenner mit dem Bakterium, das euch auch in der Klinik leider öfters begegnen wird – dem Methicillin-resistenten Staphylococcus aureus. Staphylococcus aureusDieser Keim ist gegen sämtliche β-Lactam-Antibiotika (und leider meistens auch noch einige andere) resistent und somit schwer zu therapieren. Der Schlüssel zur Lösung des Problems ist die Isolation betroffener Patienten sowie die konsequente Einhaltung von Hygienemaßnahmen, da nur noch wenige Reserveantibiotika wie Vancomycin zur Verfügung stehen. Auch andere Keime weisen bereits solche Multiresistenzen auf. Ein erwähnenswertes Beispiel sind die Vancomycin-resistenten Enterokokken.
Nun kommen wir zur Gattung der gramnegativen Chlamydien, die unter anderem Entzündungen der Lunge und des Genitalbereichs verursachen können. Ihr solltet euch aber vor allem merken, dass sich Chlamydien nur innerhalb einer Wirtszelle vermehren können – sie sind obligat intrazellulär.
Der bekannteste Vertreter der Mykobakterien ist M. tuberculosis, der Erreger der Tuberkulose. Mykobakterien werden zu den „säurefesten Stäbchen“ gezählt. Sie lassen sich mit der Gramfärbung nur sehr schlecht färben. Der Aufbau der Zellwand ähnelt zwar dem der grampositiven Bakterien, sie verfügt aber zudem über einen hohen Lipidgehalt (ein Bestandteil ist die namensgebende Fettsäure Mykolsäure). Dies macht die Synthese sehr aufwendig und führt zu der langen Generationszeit von bis zu 24 h. Mit bestimmten Stoffen kann man die Mykobakterien trotzdem färben, und ist die Farbe einmal in der Zelle, sind weder Alkohol noch Säuren in der Lage, sie wieder zu entfärben. Daher kommt die Bezeichnung „säurefeste Stäbchen“. Die Färbemethode, mit der man versucht, säurefeste Bakterien nachzuweisen, wird Ziehl-Neelsen-Färbung genannt.
Zu guter Letzt betrachten wir die vier wichtigsten Vertreter aus der Gattung der obligat-anaeroben Clostridien.
  • ClostridienClostridium tetani: Das Bakterium Clostridium tetani produziert das Tetanospasmin, ein Toxin, das ein Protein des SNARE-Komplexes namens Synaptobrevin spaltet. Die betroffenen Neurone können dann ihre Neurotransmitter nicht mehr ausschütten. Da vorwiegend inhibitorische (also hemmende) Interneurone betroffen sind, kommt es zu massiven Krämpfen. Krämpfe der Gesichtsmuskulatur führen dabei zu einem Symptom namens Risus sardonicus, dem Teufelsgrinsen. Da Clostridien, wie bereits besprochen, die Fähigkeit zur Bildung langlebiger Sporen besitzen, die fast überall vorkommen, sollte bei Patienten mit Verletzungen der Haut der Impfschutz sichergestellt sein.

  • Clostridium botulinum: Vom Botulinustoxin, dem stärksten bakteriellen Toxin, hat wahrscheinlich jeder schon gehört. Auch dieses Toxin spaltet Komponenten des SNARE-Komplexes, allerdings vor allem in Neuronen, die Acetylcholin an den motorischen Endplatten (also den Verbindungen zwischen Nerv und Muskel) freisetzen. Die Folge: Der Muskel kontrahiert nicht mehr und es kommt zu einer schlaffen Lähmung, die, wenn die Atemmuskulatur betroffen ist, tödlich enden kann. Die ersten Symptome treten oft an kleineren Muskeln, wie denen der Augen, oder der Gesichtsmuskulatur auf. Seinen Namen hat das Bakterium vom lateinischen „botulus“ (Wurst), da die Sporen oftmals in Wurstkonserven gelangten, in denen sich dann die Bakterien vermehrten, da dort anaerobe Bedingungen herrschen.

  • Clostridium perfringens: Gerade tiefe Wunden sind anfällig für die massivste Form der Wundinfektion, den Gasbrand. Dieser wird vor allem durch C. perfringens verursacht, dessen Toxine enzymatische Aktivität besitzen und sich regelrecht durch das Gewebe fressen. Namensgebend ist die Entstehung knisternder Gasbläschen im Wundgebiet. Auch wenn eine chirurgische/medikamentöse Therapie erfolgt, kann die Krankheit tödlich enden. C. perfringens kann zusätzlich auch Lebensmittelvergiftungen verursachen.

  • Clostridium difficile: C. difficile kann die antibiotikaassoziierte bzw. pseudomembranöse Kolitis verursachen. Normalerweise wird das Wachstum von C. difficile im Darm durch die Konkurrenz mit den anderen Bakterien der Darmflora gehemmt. Werden diese aber durch eine Antibiotikatherapie ausgelöscht, schlägt die Stunde von C. difficile, das sich stark vermehrt und eine Entzündung des Darms sowie Durchfall und Bauchkrämpfe auslöst.

wichtige Bakterien und Erkrankungen

Tab. 5.1
GattungMorphologie/AnfärbbarkeitKlinik
Staphylococcusgrampositive HaufenkokkenVon einfachen Abszessen bis Toxic Shock Syndrom und Sepsis (vor allem S. aureus)
Streptococcusgrampositive Kettenkokken
  • Scharlach

  • Erysipel

  • Nekrotisierende Fasziitis (vor allem S. pyogenes)

Pneumococcusgrampositive Diplokokken
mit KAPSEL
  • Pneumonie

  • Meningitis

Clostridiumgrampositive Stäbchen
  • Botulismus (C. botulinum)

  • Tetanus (C. tetani)

  • Gasbrand (C. perfringens)

  • Pseudomembranöse Kolitis (C. difficile)

Mycobacteriumsäurefeste Stäbchen
  • Tuberkulose (M. tuberculosis)

  • Lepra (M. leprae)

Neisseriagramnegative Diplokokken
  • Tripper/Gonorrhö (N. gonorrhoeae)

  • Meningitis (N. meningitidis)

Bacillusgrampositive Stäbchen
  • Milzbrand (B. anthracis)

Escherichiagramnegative Stäbchen
  • Diarrhö

  • Harnwegsinfektionen (vor allem E. coli)

Helicobactergramnegative Stäbchen, gekrümmtGastritis/Magengeschwüre (H. pylori)
Treponemagramnegative SpirochätenSyphilis (T. pallidum)

Pilze

Krankheiten, die von Pilzen verursacht werden, bezeichnet man als Mykosen. PilzePilze:MykosenGegen Pilze kann sich unser Immunsystem aber in der Regel sehr gut zur Wehr setzen, sodass es, wenn überhaupt, nur zu lokalen Infektionen (z. B. „Fußpilz“) kommt. Ist das Immunsystem dagegen geschwächt, können Pilze dem Körper auch stärker zusetzen. Es kommt zu einer systemischen Infektion, die tödlich enden kann. Da der Pilz dabei eine sich bietende Gelegenheit (die Schwächung des Immunsystems) nutzt, spricht man auch von einer opportunistischen Infektion.

Aufbau

Pilze gehören zu den Eukaryonten, besitzen also einen Zellkern (und auch Mitochondrien). Auch wenn man einige aufgrund ihrer Erscheinung den Pflanzen zuordnen möchte, können sie keine Photosynthese betreiben, sind heterotrophe Organismen und bilden innerhalb der Eukaryonten neben Tieren und Pflanzen ein eigenes Reich.
Pilze:AufbauWichtig: Pilze besitzen neben einer Zellmembran auch eine Zellwand aus Polysacchariden (unter anderem Chitin). Die Zellmembran enthält anstelle von Cholesterin ein verwandtes Lipid namens Ergosterin. Beide Strukturen können im Rahmen einer antimykotischen Therapie als Ziele fungieren.

Systematik

Pilze werden aufgrund ihrer Morphologie u. a. in Faden- und Sprosspilze unterteilt:
  • Pilze:Faden-Fadenpilze: Vielzellige Pilze, die aus mehreren Zellfäden bestehen, heißen Fadenpilze. Die Zellfäden werden dabei als Hyphen und das ganze Gebilde als Mycel bezeichnet. Sind die Hyphen durch Zellwände getrennt (die allerdings über große Poren verfügen), spricht man von septierten Hyphen. Fehlen die Septen und das Zytoplasma erstreckt sich ununterbrochen über das gesamte Mycel, ist von coenozytischen Hyphen die Rede (Abb. 5.7). Viele Fadenpilze bilden zur Vermehrung Sporen, von denen manche über einen haploiden und andere über einen diploiden Chromosomensatz verfügen. Die Vermehrung erfolgt also entweder geschlechtlich oder ungeschlechtlich. Als wichtiges Beispiel für Fadenpilze solltet ihr euch die Aspergillen (Singular: Aspergillus), eine Gattung der Schimmelpilze, einprägen.

  • Pilze:Spross-Sprosspilze: Bei den Sprosspilzen handelt es sich um Einzeller. Diese vermehren sich durch Sprossung. Dabei stülpt sich die Tochterzelle aus der Ursprungszelle aus und schnürt sich ab. Schnürt sich die Zelle nicht vollständig ab, bleibt eine Verbindung bestehen. Das entstehende Gebilde sieht den Fadenpilzen ähnlich, weshalb man es als Pseudomycel bezeichnet. Zu den Sprosspilzen gehören unter anderem die Hefen, von denen ihr euch Candida albicans als humanpathogenen Vertreter merken solltet.

Toxine

Wir haben gelernt, dass Pilze lebensgefährliche Infektionen auslösen können, und jetzt kommen auch noch einige Toxine dazu. Damit ihr die Pilze nicht als das personifizierte Böse in Erinnerung behaltet, denkt daran, dass das Penicillin, das ebenfalls von Pilzen stammt, schon sehr viele Leben gerettet hat.

Antimykotika

Wir haben nun genug Gründe kennengelernt, warum es gut wäre, sich gegen Pilze wehren zu können. Wir wollen uns die Mittel der Wahl anschauen:Pilze:Toxine
  • Pilze:AntimykotikaAntimykotikaAzol-Antimykotika hemmen die Ergosterin- und damit auch die Zellmembransynthese. Sie sind z. B. in Präparaten gegen Haut- und Schleimhautmykosen enthalten.

  • Griseofulvin hemmt über einen noch nicht vollständig aufgeklärten Mechanismus die Funktion der Mikrotubuli (damit auch die Mitose) sowie die Chitinbildung. Es inhibiert folglich die Zellwandsynthese und hilft auf diese Weise ebenfalls bei Hautmykosen.

  • Amphotericin B kommt vor allem bei schweren Mykosen zum Einsatz. Es bildet mit dem Ergosterin der Zellmembran Komplexe und stört so deren Funktion. Da das Ergosterin der Pilze allerdings mit dem humanen Cholesterin verwandt ist, kommt es häufig zu massiven Nebenwirkungen.

Pilztoxine

Tab. 5.2
ToxinErläuterung
α-AmanitinDas Gift des Knollenblätterpilzes hemmt vor allem die RNA-Polymerase II, in höheren Konzentrationen auch III.
AflatoxineAflatoxine werden von Schimmelpilzen wie Aspergillus flavus gebildet. Sie wirken akut hepatotoxisch und werden zudem im Körper in karzinogene Metaboliten umgewandelt.
ErgotaminErgotamin wird vom Mutterkorn (Claviceps purpurea) gebildet, einem Pilz, der vor allem Getreide befällt. Seine Derivate sind hauptsächlich als Medikamente bei bestimmten Kopfschmerzen relevant.
MuskarinDas Gift des Fliegenpilzes wird euch in der Physiologie als Parasympathomimetikum noch detailliert beschäftigen.

Viren

Viren sind im Gegensatz zu den Bakterien keine Lebewesen, sondern infektiöse Partikel. Wenn man es ganz genau nimmt, bezeichnet man die Form des Virus, die außerhalb von Zellen umherschwirrt, um einen neuen Wirt zu infizieren, als Virion. Da die Viren keine Lebewesen sind und entsprechend über keinen eigenen Stoffwechsel verfügen, sind sie zur Vermehrung auf andere Organismen angewiesen. In der Regel schaden sie diesen und man könnte sie daher als Parasiten bezeichnen, was aber umstritten ist, da Parasiten in der Regel als Lebewesen definiert sind. Wenn ihr den Begriff „parasitär“ im Sinne von „den Parasiten ähnlich“ verwendet, solltet ihr auf der sicheren Seite sein!
VirenDa Viren in normalerweise nur wenige hundert Nanometer groß sind, könnt ihr sie mit dem Lichtmikroskop (im Gegensatz zu den Bakterien) nicht erkennen. Es gibt allerdings Ausnahmen, wie die Megaviren oder die erst vor wenigen Jahren entdeckten Pandoraviren, die, was ihre Größe angeht, schon an kleine Bakterien heranreichen.

Aufbau

Im Inneren eines Virus findet sich dessen Erbinformation. Dabei handelt es sich entweder um RNA ODER DNA. Da das Genom geschützt werden muss, ist es von einer Proteinhülle, dem Capsid, umgeben. Erbinformation und Capsid werden auch als Nucleocapsid zusammengefasst. Einige Viren haben zusätzlich zum Capsid noch eine Lipidhülle. Als Beispiel ist in (Abb. 5.8) der Aufbau eines HI-Virus dargestellt.

Vermehrung

Ganz allgemein: Das Virus will von der Wirtszelle vermehrt werden. Dafür muss es zunächst sein Genom in der Wirtszelle freisetzen. Nachdem Viruskopien erstellt wurden, muss die DNA wieder in Capside verpackt werde, die dann die Zelle verlassen. Selbstverständlich gibt es von Virus zu Virus Unterschiede, was die Vermehrung angeht, trotzdem kann man einen grundsätzlichen Zyklus beschreiben (Abb. 5.9):Viren:Aufbau
  • 1.

    Viren:VermehrungAdsorption/Attachment: Damit ein Virus in eine Zelle gelangen kann, muss es erstmal an diese Zelle binden. Da Viren normalerweise Präferenzen hinsichtlich des Zelltyps, den sie befallen, haben, ist diese Bindung meist sehr spezifisch. Diese Spezifität wird erreicht, indem die Capsidproteine des Virus nur mit bestimmten Oberflächenproteinen bzw. Rezeptoren der Wirtszelle interagieren können.

  • 2.

    Penetration: Nun muss das Virus in die Zelle. Bei den meisten humanpathogenen Viren geschieht dies entweder durch Endozytose des Virus oder Fusion der Membranen. Bakteriophagen müssen, um in ihre Wirtszellen zu gelangen, auch die bakterielle Zellwand überwinden. Um das zu schaffen, können einige Bakteriophagen ihr Genom in die Wirtszellen injizieren, ohne dass das sperrige Capsid die Zellwand überwinden muss.

  • 3.

    Uncoating: Wenn es noch nicht geschehen ist, muss das Capsid spätestens jetzt weg. Im einfachsten Fall dissoziiert es einfach ab, ansonsten muss es von viralen Enzymen oder denen der Wirtszelle abgebaut werden.

  • 4.

    Replication: Der Begriff Replikation ist in Bezug auf Viren nicht nur im Sinne der Verdopplung der Erbinformation zu verstehen. Die Wirtszelle produziert nämlich auch die Proteine, die das Virus benötigt. Die dafür benötigten Gene sind natürlich im Genom des Virus enthalten.

  • 5.

    Assembly/Maturation: Bei den meisten Viren setzen sich die neu synthetisierten Bestandteile noch in der Wirtszelle zusammen. Eine Ausnahme davon ist HIV (Human Immunodeficiency Virus), bei dem dieser Prozess erst nach der Virusfreisetzung stattfindet.

  • 6.

    Release/Freisetzung: Auch bei der Virusfreisetzung gibt es mehrere Möglichkeiten. Eine Möglichkeit besteht darin, dass die Wirtszelle lysiert wird und die Viruspartikel auf diese Weise frei werden. Gerade die behüllten Viren (also diejenigen mit einer Lipidhülle) setzten dagegen häufig auf Knospung. Beim Durchtritt durch die Membran der Wirtszelle nehmen sie häufig ein Stück mit, das dann, gegebenenfalls in modifizierter Form, die Lipidhülle des Virus bildet.

Manche Viren (vor allem Bakteriophagen) weichen von diesem klassischen Zyklus etwas ab: Sie integrieren ihr Genom in das der Wirtszelle und machen danach erstmal nichts. Da sich die Wirtszelle aber weiter teilt, entstehen viele neue Zellen, die alle die Virus-DNA enthalten. Man bezeichnet diesen Prozess auch als lysogenen Zyklus. Das Gegenteil wäre der bereits beschriebene lytische Zyklus. Die Viren, die zu einem lysogenen Zyklus fähig sind, heißen temperente Viren. Unter bestimmten Umständen können die Viren aus dem lysogenen wieder in den lytischen Zyklus übergehen, was mit einer massiven Zelllyse einhergeht (Abb. 5.10).
Übrigens: Die virale DNA, die im Rahmen des lysogenen Zyklus für längere Zeit in die Wirtszelle eingebaut ist, wird auch als Provirus (bzw. Prophage bei Bakteriophagen) bezeichnet.
Die Virusvermehrung ist der Ansatzpunkt zahlreicher Virostatika, die aber für das Physikum weit weniger wichtig sind als die Antibiotika.
In Abb. 5.11 ist eine Auswahl verschiedener Viren gezeigt.

Klassifikation

Es gibt sehr viele Möglichkeiten, Viren zu klassifizieren. Am weitesten verbreitet sind die Unterteilung in behüllte und unbehüllte Viren oder die Klassifizierung anhand der viralen Erbinformation (einzelsträngig vs. doppelsträngig, RNA vs. DNA). Bei den RNA-Viren kann es eine wissenswerte Besonderheit im Vermehrungszyklus geben: Manche RNA-Viren enthalten RNA, die direkt als mRNA fungieren kann. Das heißt mit der Translation kann direkt begonnen werden, sobald die virale RNA in der Zelle freigesetzt worden ist. Andere Viren tragen RNA in sich, die komplementär zur mRNA ist. Das heißt das Virus benötigt zunächst eine RNA-abhängige RNA-Polymerase (die es in der Regel selbst mitbringt), um die mRNA zu synthetisieren, sodass die Translation beginnen kann. Als prominentes Beispiel könnt ihr euch das Polio-Virus merken.
Viren:KlassifikationAußerdem gibt es Viren, deren Erbinformation zwar aus RNA besteht, die aber, sobald die Viren in der Wirtszelle angelangt sind, in DNA umgeschrieben wird. Diese wird ins Genom der Wirtszelle integriert und die wiederum synthetisiert dann die mRNAs. Man bezeichnet solche Viren als Retroviren und einer der bekanntesten Vertreter dieser Familie ist das HI-Virus.
Die Enzyme, die aus der RNA die DNA herstellen sind RNA-abhängige DNA-Polymerasen und werden auch als Reverse Transkriptasen bezeichnet. Eine nichtvirale Reverse Transkriptase kennt ihr bereits: Die Telomerase!
Man kann sich denken, dass es für die Wirtszelle zum Problem werden kann, wenn plötzlich ein Virus seine DNA in ihr Genom integriert. Dabei können Gene zerstört oder ihre Aktivität verändert werden. Im besten Fall stirbt die Zelle, im schlimmsten Fall entsteht ein Tumor, der zur Gefahr für den gesamten Organismus wird.
Reverse Transkriptasen werden auch im Labor genutzt, um aus der fragilen RNA vergleichsweise stabile cDNA (copy DNA) herzustellen. Außerdem hat die Erstellung von cDNA mithilfe der mRNA eines bestimmten Gens einen weiteren Vorteil gegenüber der genomischen DNA: Sie besitzt keine Introns, da die mRNA bereits gespleißt wurde.
Erfreulicherweise muss man sehr wenig zu einzelnen Viren wissen. Lediglich zu den Influenza- bzw. Grippeviren solltet ihr ein paar Fakten kennen.
  • Influenzaviren besitzen ein Genom aus einzelsträngiger (ss), segmentierter RNA.

  • Sie besitzen unter anderem zwei Membranproteine namens Hämagglutinin (H) und Neuraminidase (N), die für die Einteilung in Subtypen wichtig sind. Beispielsweise gehörte die „Vogelgrippe“, über die 2005 intensiv berichtet wurde, zum Subtyp H5N1.

  • Im Zusammenhang mit Influenzaviren solltet ihr die Begriffen Antigendrift und Antigenshift kennen:

    • Ihr habt euch vielleicht schon einmal gefragt, warum es nötig ist, den Impfstoff gegen die saisonale Grippe jedes Jahr anzupassen. Diese Anpassung wird notwendig, da sich die Antigenstruktur des Virus aufgrund von Punktmutationen in seiner Erbinformation ständig geringfügig ändert (Antigendrift).

    • Manchmal treten aber auch völlig „neue“ Grippeviren auf, gegen die ein gänzlich neuer Impfstoff entwickelt werden muss. Das kann passieren, wenn zwei Viruslinien ihr genetisches Material austauschen und es so zu einer neuen Kombination von Genmaterial (Reassortment) kommt. Voraussetzung dafür ist, dass eine Zelle mit beiden Viruslinien infiziert ist. Als Wirte kommen dabei sowohl Mensch als auch Tier infrage. Diese wesentlich gravierendere Änderung im Antigenprofil des Virus bezeichnet man als Antigenshift.

Für die Klausur

Falls ihr mal gefragt werdet, was Hämagglutinin und Neuraminidase eigentlich machen:

  • Das Hämagglutinin ist ein Glykoprotein, das bestimmte Zucker auf Zellmembranen bindet und dadurch für die Adsorption und Penetration des Virus wichtig ist. Sein Name beruht auf seiner Fähigkeit, Erythrozyten zu verklumpen.

  • Die Neuraminidase spaltet Teile der Zucker ab, an die das Hämagglutinin bindet. Auf diese Weise können die neu gebildeten Viren sich von der Wirtszelle lösen und andere Zellen infizieren.

Übertragung

Wie sich Viren im Körper vermehren, wissen wir bereits. Nun müssen wir noch einen Blick darauf werfen, wie sie von Mensch zu Mensch gelangen. Bei der Einteilung der Übertragungswege kann man sich sehr in den Details und Kriterien verlieren. Deswegen gibt es an dieser Stelle nur ein grundlegendes Schema:
  • Viren:ÜbertragungTröpfcheninfektion: Bei der Tröpfcheninfektion verbreitet sich das Virus quasi über die Luft, genauer gesagt über kleine virushaltige Tröpfchen, die beim Sprechen, Niesen oder Husten entstehen. Kleinste Partikel können als Aerosol auch größere Distanzen überwinden, da sie kaum absinken. Klassisches Beispiel: Das Influenzavirus

  • Kontakt- bzw. Schmierinfektion: Wie der Name schon sagt, muss es bei diesem Übertragungsweg zu einer Form von Kontakt kommen, damit sich eine Person infiziert. Wird der Infizierte selbst berührt spricht man von einer direkten Kontaktinfektion. Infiziert man sich dagegen beim Kontakt mit einem kontaminierten Gegenstand, handelt es sich um eine indirekte Kontaktinfektion. Beispiel: Das Hepatitis-A-Virus (aber auch einige Bakterienarten)

  • Austausch von Körperflüssigkeiten: Manche Viren sind nur in bestimmten Körperflüssigkeiten in ausreichend hohen Konzentrationen vorhanden, um eine Infektion zu verursachen oder können an der Luft nicht lange überleben. Damit sie übertragen werden, muss es zur direkten Aufnahme von Körperflüssigkeiten wie Blut, Speichel, Ejakulat etc. kommen. Beispiel: HIV

Für Ahnungslose

Wenn man direkt mit einer Person bzw. ihren Körperflüssigkeiten (z. B. Schweiß) in Kontakt kommt und sich infiziert, handelt es sich dann um eine Schmierinfektion oder eine Infektion über Körperflüssigkeiten? Die Grenze zwischen beiden Übertragungswegen ist in der Tat fließend. Wichtig ist aber vor allem, dass ihr wisst, welche Viren mittels Tröpfcheninfektion übertragen werden können.

Beim Thema Infektionskrankheiten gibt es noch ein paar andere Begriffe, die wir klären sollten – sie beziehen sich allerdings nicht nur auf Viren, sondern sind z. B. auch auf Bakterien anwendbar:
  • Epidemie: EpidemieTritt eine Infektionskrankheit innerhalb einer Population örtlich und zeitlich gehäuft auf, spricht man von einer Epidemie. Ein Beispiel ist ein Choleraausbruch nach einem Erdbeben. Dieser beschränkt sich auf das Gebiet, in dem die hygienischen Bedingungen aufgrund der Folgen des Bebens schlecht sind.

  • Pandemie: PandemieBreitet sich eine Infektionskrankheit über Landesgrenzen oder gar Kontinente hinweg aus, spricht man von einer Pandemie.

  • Endemie: EndemieIst eine Infektionskrankheit auf ein Gebiet beschränkt, tritt dort aber dauerhaft und nicht zeitlich begrenzt auf, spricht man von einer Endemie.

Viroide

Diese Krankheitserreger werden euch in der Klinik wahrscheinblich weniger beschäftigen … denn sie befallen nur Pflanzen. Ihr Genom besteht aus zirkulärer RNA, die von keinerlei Hüllen (weder Capsid noch Lipidhülle) umgeben ist. Warum werden sie überhaupt erwähnt? Gelegentlich tauchen sie in Prüfungsfragen auf – meistens als Falschantwort.
ViroideNachdem ihr jetzt einiges über Viren gelernt habt, entdeckt ihr vielleicht Parallelen zu den Transposons. Auch sie bauen sich in die DNA der Zellen ein und sind dabei nicht immer hilfreich. Es gibt deshalb Spekulationen über eine Verwandtschaft von Transposons und Viren.

Prionen

Der Begriff Prion leitet sich von „Protein“ und „Infection“ ab. Auch wenn viele Mechanismen der durch Prionen verursachten Erkrankungen noch unklar sind, weiß man mittlerweile, dass es sich bei Prionen um fehlgefaltete Proteine handelt. In der Regel werden fehlgefaltete Proteine von der Zelle erkannt und abgebaut. Prionen schaffen es allerdings nicht nur, sich dem Abbau zu entziehen, sondern auch die Fehlfaltung anderer Proteine zu induzieren (Abb. 5.12). Auf diese Weise lagern sich in den infizierten Zellen große Mengen des stabilen Prions ab, die dann irgendwann die Funktion der Zellen stören. In der Regel manifestieren sich diese Störungen vor allem im Nervensystem und führen zum Tod. Einige Beispiele für Prionen-Erkrankungen solltet ihr kennen:
  • PrionenCreutzfeldt-Jakob-Krankheit: Von Creutzfeldt-Jakob existieren sowohl familiäre als auch erworbene Formen. Am prominentesten ist die new variant Creutzfeldt-Jakob-Disease (nvCJD), bei der man davon ausgeht, dass sie durch den Verzehr von BSE (Bovine Spongiforme Enzephalopathie) verseuchtem Rindfleisch verursacht wird. Zudem kommen für CJD iatrogene Übertragungswege wie Hirnhauttransplantationen infrage.

  • Kuru: Bei Kuru handelt es sich um eine Prionen-Erkrankung, die vor allem bei einem Volk in Papua-Neuguinea auftrat. Als Übertragungsweg wurde der rituelle Kannibalismus, den dieses Volk praktizierte, ausgemacht, denn nach dessen Verbot ging die Zahl der Neuerkrankungen stetig zurück. Kuru bedeutet im Übrigen „Muskelzittern“.

  • Scrapie: Die Prionen-Erkrankung Scrapie kommt bei Schafen vor, ist aber prinzipiell auch für den Menschen gefährlich.

Wie Prionen-Erkrankungen übertragen werden, wird nach wie vor diskutiert. Im Labor konnte bereits nachgewiesen werden, dass Prionen auch als Aerosol übertragen werden können.

Achtung!

Die Prionen-Erkrankung beim Schaf heißt Scrapie, die Hautkrankheit Krätze wird dagegen auch Scabies genannt.

Für die Klausur

Bei den Prionen handelt es sich um infektiöse Proteine. Antworten, die euch glaubhaft machen wollen, dass Prionen versuchen, ihre DNA oder RNA zu vermehren, sind folglich falsch!

Übungen

1. Welche Aussage trifft zu?
  • a)

    Das Toxin von Clostridium perfringens spaltet Proteine des SNARE-Komplexes und verursacht Krämpfe.

  • b)

    Die Erbinformation von Prionen liegt unbehüllt vor.

  • c)

    Die Ziehl-Neelsen-Färbung eignet sich zum Anfärben säurefester Stäbchen.

  • d)

    Amphotericin B hat aufgrund der Ähnlichkeit des Chitins zum Cholesterin massive Nebenwirkungen.

2. Vervollständige:
3. Fülle die Lücken aus:
  • _______ kann durch den Konsum von mit _______ verseuchtem Rindfleisch verursacht werden.

  • Der bekannteste Vertreter der Fadenpilze ist _____________________________.

  • Im Labor sind vor allem die Restriktionsendonucleasen von Bedeutung, die beim Schneiden _____ Ends erzeugen.

  • Die __________________ ist eine Form der Parasexualität, bei der Viren die genetische Information übertragen.

4. Welche Aussage trifft nicht zu?
  • a)

    Die Lipoteichonsäure ist ein Beispiel für ein bakterielles Exotoxin.

  • b)

    Penicillin hemmt die bakterielle Transpeptidase.

  • c)

    Die Zellwand der grampositiven Bakterien enthält mehr Mureinschichten als die der gramnegativen.

  • d)

    Bekapselte Bakterien sind gut vor Phagozytose durch Zellen des Immunsystems geschützt.

Tab. zu Frage 2

BakteriumMorphologieErkrankung (Beispiel)
Neisseria meningitidis
Milzbrand
gramnegative Spirochäten
E. coli
Magengeschwüre

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