Der Bau

Bakterien sind Einzeller

Normale Einzeller enthalten alle Bestandteile einer pflanzlichen oder tierischen Zelle, wie z.B. die Dictyosomen, Mitochondrien, Plastiden und einen Zellkern, in dem sich die Erbanlagen befinden


1.2 Das Bakterium

- Zellmembran aus 1. Gram - positive Bakterien mit einer Membran aus Murein und 2. Gram negative Bakterien mit einer Membran aus einer dnnen Murinschicht und einer zustzlich von auen bedeckten Lipoid-Protein - Schicht

- die Zellwand der Bakterien zeigt also keine bereinstimmungen mit anderen Zellwnden, da das Murein eine neue Verbindung aus Zuckern und Aminosuren ist

- wie bei allen Biomembranen kontrolliert die Zellmembran den Stoffein- und austritt

- zur Fortbewegung dienen Geiseln, die sich wie ein Propeller drehen ( E. Coli Bakterien haben Geieln ber die gesamte Oberflche verteilt)

- ebenfalls auf der Oberflche befinden sich bei manchen Bakterien die sogenannten Pili, bestehend aus langen dnnen Proteinfden, die zur Kontaktaufnahme mit anderen Zellen dienen

- Bakterien besitzen keinen Zellkern, folglich schwimmt die DNA (ein ringfrmiger Doppelstrang) im Zellplasma frei herum

- zustzlich zum Bakterienchromosom befindet sich auch noch ein Plasmid im Zellplasma, das zustzliche genetische Informationen enthlt

- da die haploiden Bakterien keinen Zellkern haben, bezeichnet man sie als Prokaryoten, im Gegensatz zu den Eukaryoten, zu denen Tiere, Pflanzen und Pilze gehren

- weiterhin befinden sich in einem Bakterium, wie auch in normalen Einzellern die Ribosomen zur Proteinbiosynthese (Translation)

- typische Zellorganellen, wie Mitochondrien, Plastiden, Endoplasmatisches Retikulum und Dictyosomen fehlen dem Bakterium


2. Das Wachstum von Bakterienkulturen

- aufgrund ihrer vielfltigen Stoffwechselwege sind Bakterien in der Lage sich den unterschiedlichsten Lebensbedingungen anzupassen sie knnen fast berall berleben, deshalb spricht man auch von der Allgegewrtigkeit der Bakterien

- Bakterien vermehren sich durch Zweiteilung, also durch die mitotische Teilung

Es ergibt sich folgende Wachstumskurve einer Bakterienkolonie:

Anlaufphase:

- zunchst wird der Stoffwechsel der Bakterien aktiviert

- Enzyme werden synthetisiert, zur Verwertung der vorhandenen Nhrstoffe

- in diesem Zusammenhang findet die Transkription statt, so da sich ein Anstieg der RNA auf das 8 bis 12fache beobachten lt

- die Zellteilungen beginnen einzusetzen

Exponentielle Phase:

- es liegt eine konstante maximale Teilungsrate vor, deshalb ist diese Phase durch einen linearen Kurvenverlauf gekennzeichnet es herrschen optimale Kulturbedingungen

- z.B. so wrde eine unbeschrnkt exponentiell wachsende Kultur die Weltmeere innerhalb von nur 5 Tagen ausfllen

Stationre Phase:

- ohne unbegrenztes Nhrstoffangebot setzt jedoch mit verknappten Nhrstoffen ein langsameres Wachstum ein, das Wachstum sinkt so lange, bis die Zahl mit den sterbenden Zellen bereinstimmt es entsteht also ein Gleichgewicht

- das Wachstum wird zustzlich gehemmt durch Stoffwechselprodukte der Bakterien, die sie in ihrem Wachstum negativ beeinflussen

Absterbephase:

- nach einiger zeit wirken sich die ungnstigen Faktoren (Nhstoffmangel/hohe Stoffwechselbelastung) so negativ aus, da es zu einer stetigen Abnahme der Kultur kommt

Aufbau

Bakterien besitzen zumeist eine Zellwand, alle besitzen Cytoplasma mit Cytoplasmamembran und Ribosomen. Die DNA liegt als strangfrmiges, in sich geschlossenes Molekl, als so genanntes Bakterienchromosom, frei im Cytoplasma vor. Bei einigen Bakterien kommen auch zwei Bakterienchromosomen vor, beispielsweise bei Ralstonia eutropha Stamm H16. Hufig befindet sich im Cytoplasma weitere DNA in Form von kleineren, ebenfalls strangfrmigen, in sich geschlossenen Moleklen, den Plasmiden, die unabhngig vom Bakterienchromosom vervielfltigt und bei der Fortpflanzung weitergegeben werden oder von einem Individuum auf ein anderes bertragen werden knnen. Das Genom des Darmbakteriums Escherichia coli besteht aus knapp 4,7 Millionen Basenpaaren, deren Sequenz vollstndig bekannt ist. Das DNA-Molekl ist etwa 1,4 Millimeter lang, aber nur 2 Nanometer breit und enthlt rund 4400 Gene. Trotz seiner Lnge von mehr als dem Tausendfachen des Zelldurchmessers ist es auf einen Bereich von etwa der Hlfte des Zelldurchmessers (vermutlich hochgeordnet) zusammengeknuelt (Nucleoid). Neben dem Genom von E. coli sind auch von einer groen Anzahl weiterer Bakteriengenome die Nukleinsurebasen-Sequenzen vollstndig bekannt (siehe Sequenzierte Organismen). Eine Besonderheit der Bakterien ist auch die RNA-Polymerase. Sie besitzen nur eine, die aus nur 5 Untereinheiten ( (2x), , ' und ) besteht. Die archaelle RNA-Polymerase besitzt 11-12 Untereinheiten und Eukaryoten besitzen mehrere RNA-Polymermasen, die aus bis 12 Untereinheiten bestehen.Erluterungen zum Bakterien-SchemaEs wird ein Lngsschnitt eines Bakteriums schematisch dargestellt.

Nicht alle dargestellten Strukturelemente sind immer und bei allen Bakterien vorhanden.

Bei allen Bakterien sind immer vorhanden: Cytoplasmamembran, Cytoplasma, Nucleoid und Ribosomen.

Thylakoide (dienen der Phototrophie) sind in sehr verschiedener Form bei allen phototrophen Bakterien vorhanden, mit Ausnahme der Chlorobien.

Chlorosomen (dienen der Phototrophie) sind bei Chlorobien vorhanden.

Soweit eine Zellwand vorhanden ist (bei weitaus den meisten Bakterien), ist sie bei gramnegativen Bakterien dnn, bei grampositiven Bakterien dick.

Gramnegative Bakterien besitzen auerhalb der Zellwand eine weitere Biomembran, die sog. uere Membran, die im Schema nicht dargestellt ist.

Soweit Flagellen (Geieln) vorhanden sind, ist ihre Anzahl (1 bis viele) und ihre Anordnung je nach Bakterienart verschieden. Auch ihre Lnge variiert. Sie sind immer wendelfrmig.

Soweit Pili vorhanden sind, ist ihre Anzahl (1 bis viele), Lnge und Anordnung verschieden.

Soweit eine Schleimhlle, Glykokalix auerhalb der Zellwand vorhanden ist, kann sie je nach Bakterienart und ueren Bedingungen verschieden dick sein und aus verschiedenen Schleimstoffen bestehen.

Soweit Plasmide vorhanden sind, ist ihre Anzahl unterschiedlich.

Soweit Gasvesikel vorhanden sind, ist ihre Gre und Anzahl je nach Bakterienart und ueren Umstnden verschieden.

Lebensweise und Vermehrung

LebensweiseLebensweise und Stoffwechsel der Bakterien sind sehr differenziert ausgeprgt. So gibt es Bakterien, die Sauerstoff bentigen (aerobe Bakterien oder Aerobier), Bakterien, fr die Sauerstoff Gift ist (obligat anaerobe Bakterien oder obligate Anaerobier), und Bakterien, die tolerant gegenber Sauerstoff sind (fakultative Anaerobier). Einige Bakterien sind zur Photosynthese fhig, also phototroph, zum Beispiel die frher auch Blaualgen genannten Cyanobakterien, die meisten sind dagegen chemotroph. Von den Chemotrophen sind die meisten heterotroph, einige jedoch chemoautotroph, und zwar lithoautotroph.Manche Bakterien (z.B. Bacillus) bilden Dauerstadien (Sporen) aus, in denen der komplette Stoffwechsel zu Erliegen kommt. In diesem Zustand knnen die Bakterien fr sie ungnstige - auch extreme - Umweltbedingungen berstehen und mehrere Jahre berdauern. Andere Bakteriengattungen haben eine andere Strategie entwickelt und ihren Stoffwechsel direkt an extreme Umweltbedingungen angepasst. Sie werden als Extremophile bezeichnet.Die meisten Bakterien leben in der Natur in Form von Biofilmen zusammen.Vermehrung

Die Vermehrung der Bakterien erfolgt asexuell durch Zellteilung. Das kann durch Querteilung (besonders bei zylindrischen Bakterien), durch Knospung, durch Sporenbildung oder auf andere Weise geschehen. Alle Nachkommen weisen ein identisches Genom auf und bilden daher einen Klon.Gentransfer

Bei einer Konjugation knnen Bakterien mit Hilfe sogenannter Sexpili (Proteinrhren) DNA untereinander austauschen (horizontaler und vertikaler Gentransfer). Mittels der Sexpili knnen sich die Zellen annhern und dann ber eine Plasmabrcke DNA (das Bakterien-Chromosom ganz oder teilweise sowie Plasmide) von einer Zelle zur anderen bertragen. Da die Pili nicht direkt an der DNA-bertragung beteiligt sind, kann sie auch ohne diese erfolgen, wenn sich zwei Bakterienzellen eng aneinander legen. Dieser Gentransfer wird v.a. von Gram- negativen Bakterien praktiziert. Bei Gram- positiven Bakterien herrscht v.a. der Mechanismus der Tansduktion vor. Hierbei werden Bakteriophagen als Vektor benutzt. Transformation, die Aufnahme von nackter DNA ist dagenen kaum verbreitet.Bewegung

Bakterien bewegen sich meist frei im Flssigmedium schwimmend durch Flagellen, auch als Geieln bezeichnet, die anders als die Geieln der Eukaryoten (z.B. Protisten) nicht nach dem 9+2-Muster aufgebaut sind, sondern aus einem langen, wendelfrmigen, etwa 15 bis 20 nm dicken Proteinfaden bestehen. Zudem wirken die Flagellen der Bakterien nicht antreibend durch Formvernderung wie die Geieln der Eukaryoten, sondern sie werden wie ein Propeller gedreht. Die Drehbewegung wird an einer komplizierten Basalstruktur durch einen Protonenstrom erzeugt, hnlich wie bei einer Turbine, die durch einen Flssigkeits- oder Gasstrom angetrieben wird. Dazu ist ein Protonenkonzentrationsgeflle erforderlich. Spirochaeten bewegen sich dadurch, dass sie sich um sich selbst drehen und dank ihrer wendelfrmigen Krper sich gewissermaen durch das umgebende Medium schrauben. Einige Bakterien bewegen sich nicht freischwimmend, sondern durch Kriechen, zum Beispiel Myxobakterien und einige Cyanobakterien.Verschiedene Umweltfaktoren knnen die Bewegungsrichtung der Bakterien beeinflussen. Diese Reaktionen werden als Phototaxis, Chemotaxis (Chemotaxis gegenber Sauerstoff: Aerotaxis), Mechanotaxis und Magnetotaxis bezeichnet.Endosymbiontenhypothese

Aufgrund biochemischer Untersuchungen nimmt man heute an, dass einige Organellen, die in den Zellen vieler Eukaryoten vorkommen, ursprnglich eigenstndige Bakterien waren (Endosymbiontentheorie); dies betrifft die Chloroplasten und die Mitochondrien. Diese Organellen zeichnen sich durch eine Doppelmembran aus und enthalten eine eigene zirkulre DNA, auf der je nach Art 5 bis 62 Gene enthalten sein knnen. Belege dafr sind die Ergebnisse der rRNA-Sequenzierung und die Organellproteine, die eine strkere Homologie zu den Bakterienproteinen ausweisen, als zu den Eukaryoten. Die Codons von Mitochondrion und Chloroplast hneln der Codon Usage der Bacteria ebenfalls mehr.Bedeutung

kologische BedeutungUnverzichtbar fr bedeutende geochemische Stoffkreislufe sind viele Bodenbakterien, die als Destruenten wirken beziehungsweise Nhrsalze fr die Pflanzen verfgbar machen.Eine groe Gruppe von Bakterien bilden die so genannten Cyanobakterien, die frher etwas irrefhrend auch als Blaualgen bezeichnet wurden. Da sie Prokaryonten sind, gehren sie nicht zu den Algen. Sie betreiben Photosynthese und sind entsprechend unabhngig von organischer Nahrung, brauchen jedoch Licht zur Energieversorgung. Gemeinsam mit den Grnalgen (Chlorophyta) und anderen Algengruppen bilden sie das Phytoplankton der Meere und Sgewsser und so die Nahrungsgrundlage vieler kosysteme.Spezielle Bakterien kommen als Symbionten im Darm oder in anderen Organen vieler Lebewesen vor und wirken bei der Verdauung und weiteren physiologischen Vorgngen mit. Escherichia coli und Enterokokken sind die bekanntesten Vertreter dieser Gruppe. Aber auch anaerobe Bifidobakterien gehren dazu.

Medizinische BedeutungBakterien spielen im menschlichen Krper eine groe Rolle. So leben im menschlichen Darm eine Vielzahl von Bakterien, die zusammen die verdauungsfrdernde Darmflora bilden. Die Haut des gesunden Menschen ist von harmlosen Bakterien besiedelt, die die Hautflora bilden. Besonders hohe Bakterienzahlen finden sich auf den Zhnen. Bakterien knnen aber auch als Krankheitserreger wirken. Einige Bakterien verursachen eitrige Wundentzndungen (Infektionen), Sepsis (Blutvergiftung) oder die Entzndung von Organen (z.B. Blasen- oder Lungenentzndung). Um diesen Erkrankungen vorzubeugen, wurden von der Hygiene, einem Fachgebiet der Medizin, zwei Methoden zum Kampf gegen Bakterien entwickelt:Sterilisation ist ein Verfahren, mit dessen Hilfe medizinische Gerte und Materialien keimfrei gemacht werden.Desinfektion ist ein Verfahren, um die Zahl von Bakterien auf der Haut oder Gegenstnden stark zu vermindern (z.B. mit Hndedesinfektionsmitteln).Sind die Bakterien einmal in den Krper eingedrungen und haben eine Infektion ausgelst, stellen heute die Antibiotika ein wirksames Mittel gegen Bakterien dar; zum Beispiel Penicilline, die durch Pilze der Gattung Penicillium gebildet werden. Penicillin strt die Synthese der Bakterien-Zellwand, daher wirkt es nur gegen wachsende Bakterien. Allerdings sind viele Antibiotika im Laufe der Zeit gegen bestimmte Bakterien unwirksam geworden. Deshalb werden Bakterien in mikrobiologischen Laboratorien untersucht und ein Resistenztest durchgefhrt. Bei der Behandlung mit Antibiotika muss beachtet werden, dass nicht nur pathogene (krankmachende) Bakterien, sondern auch mutualistische (ntzliche) Bakterien durch das Medikament gestrt bzw. gettet werden knnen. Dies kann soweit fhren, dass zunchst in geringer Zahl im Darm lebende Bakterien der Art Clostridium difficile, die von Natur aus gegen viele Antibiotika resistent sind, die Oberhand im Darm gewinnen und schwere Durchflle auslsen.Eine Resistenz gegen Antibiotika kann naturgegeben oder die Folge einer Mutation sein. Um das zu beweisen, entwickelten die Biologen Max Delbrck und Salvador Edward Luria den Fluktuationstest.Eine ltere Methode der rzte beim Kampf gegen bakterielle Infektionen stellt die Operation mit Erffnung und Suberung des Eiterherdes dar, gem dem uralten lateinischen Chirurgenspruch: Ubi pus, ibi evacua zu deutsch: Wo Eiter ist, dort entleere ihn. Bei groen Eiterherden ist diese Methode in Verbindung mit der Gabe von Antibiotika viel wirksamer, als nur der Einsatz von Antibiotika allein.Bakterien auf und im MenschenInsgesamt leben etwa 1010 Bakterien in unserem Mund.Auf der menschlichen Haut befinden sich bei durchschnittlicher Hygiene etwa hundertmal so viele Bakterien, nmlich insgesamt etwa eine Billion, allerdings sehr unterschiedlich verteilt: an den Armen sind es nur wenige tausend, in fettigeren Regionen wie der Stirn schon einige Millionen und in feuchten Regionen wie den Achseln mehrere Milliarden pro Quadratzentimeter. Dort ernhren sie sich von rund zehn Milliarden Hautschuppen, die tglich abgegeben werden, von Mineralstoffen und Lipiden, die aus den Hautporen abgeschieden werden.99% aller mit uns lebenden Mikroorganismen, nmlich mehr als 1014 mit mindestens 400 verschiedenen Arten, darunter vorwiegend Bakterien, leben in unserem Verdauungstrakt, vor allem im Dickdarm und bilden die sog. Darmflora.Ein Mensch besteht aus etwa 10 Billionen (1013) Zellen, auf und in ihm befinden sich somit etwa zehnmal so viele Bakterien.Biotechnische BedeutungDie Fhigkeit einer groen Anzahl von Bakterien, fr den Menschen wichtige Stoffe wie Antibiotika und Enzyme zu produzieren, wird in der Biotechnik genutzt. Neben klassischen Verfahren in der Nahrungsmittelproduktion gehrt auch die Nutzung ihrer Fhigkeiten zur Beseitigung problematischer Abflle sowie zur Produktion von Medikamenten hierher. Hufig werden zu diesem Zweck ntzliche Teile des Genoms bestimmter Bakterien in das Genom einfach zu haltender, einfach zu kultivierender und weitgehend ungefhrlicher Bakterien wie Escherichia coli eingepflanzt (Gentechnik).