2 Genetik 1

2.3 Formale Genetik .................................... 12.3.1 Allgemeines und Begriffe ...................... 12.3.2 Mendel-Gesetze .................................... 22.3.3 Wichtige Vererbungs gänge im

Blutgruppensystem ............................... 32.3.4 Autosomale und gono somale Verer-

bungsgänge ........................................... 62.3.5 Mitochondriale Vererbungsgänge .......... 92.3.6 Vererbungsgänge bei Zwillingen ........... 92.3.7 Stammbäume ........................................ 92.4 Populationsgenetik .............................. 102.5 Mutationen .......................................... 112.5.1 Punktmutation ..................................... 122.5.2 Rasterschubmutation (Frameshift) ...... 13

3 Allgemeine Mikrobiologie und  Ökologie 17

3.1 Prokaryonten und Eukaryonten ........... 173.2 Allgemeine Bakteriologie..................... 173.2.1 Morphologische Grundformen ............ 173.2.2 Bestandteile einer Bakterienzelle ........ 183.2.3 Genetische Organisation einer

Bakterienzelle ...................................... 183.2.4 Zytoplasma .......................................... 203.2.5 Zellmembran ....................................... 243.2.6 Zellwand .............................................. 243.2.7 Kapsel .................................................. 273.2.8 Fimbrien (Pili) ....................................... 30

3.2.9 Geißeln ................................................ 303.2.10 Bakterielle Sporen ............................... 303.3 Bakterienphysiologie ........................... 313.3.1 Nährmedium ....................................... 313.3.2 Verhalten gegenüber Sauerstoff .......... 313.3.3 Exkurs: Clostridienstämme ................. 313.3.4 Verhalten gegenüber pH und

Temperatur .......................................... 323.4 Antibiotika ........................................... 323.4.1 Angriff am prokaryontischen Ribosom 323.4.2 Angriff an der Zellwand ....................... 333.4.3 Resistenzen ......................................... 333.5 Bakterienklassi�zierung ....................... 373.6 Pilze ..................................................... 383.6.1 Sprosspilze .......................................... 403.6.2 Fadenpilze ........................................... 403.6.3 Antimykotika ........................................ 403.6.4 Pilztoxine ............................................. 413.7 Viren .................................................... 413.7.1 Aufbau ................................................. 413.7.2 Vermehrungszyklus ............................. 423.7.3 Virenklassi�kation ................................ 433.7.4 Bakteriophagen ................................... 433.7.5 Retroviren (RNA-Viren) ........................ 433.7.6 Viroide ................................................. 433.7.7 Prionen ................................................ 433.8 Ökologie .............................................. 473.8.1 Symbiose............................................. 473.8.2 Kommensalismus ................................ 473.8.3 Parasitismus ........................................ 473.8.4 Die Nahrungskette ............................... 47

Inhalt

Wichtiger Hinweis für alle LeserDie Medizin ist als Naturwissenschaft ständi-gen Veränderungen und Neuerungen unter-worfen. Sowohl die Forschung als auch kli-nische Erfahrungen führen dazu, dass der Wissensstand ständig erweitert wird. Dies gilt insbesondere für medikamentöse Therapie und andere Behandlungen. Alle Dosierungen oder Applikationen in diesem Buch unterlie-gen diesen Veränderungen. Obwohl das MEDI-LEARN Team größte Sorg-falt in Bezug auf die Angabe von Dosierungen oder Applikationen hat walten lassen, kann es hierfür keine Gewähr übernehmen. Jeder Leser ist angehalten, durch genaue Lektüre der Beipackzettel oder Rücksprache mit einem Spezialisten zu überprüfen, ob die Dosierung oder die Applikationsdauer oder -menge zu-trifft. Jede Dosierung oder Applikation erfolgt auf eigene Gefahr des Benutzers. Sollten Feh-ler auffallen, bitten wir dringend darum, uns darüber in Kenntnis zu setzen.

Herausgeber:MEDI-LEARN Verlag GbRDorfstraße 57, 24107 OttendorfTel. 0431 78025-0, Fax 0431 78025-262E-Mail redaktion@medi-learn.de www.medi-learn.de

Verlagsredaktion: Dr. Marlies Weier, Dipl.-Oek./Medizin (FH) Désirée Weber, Denise Drdacky, Jens Plasger, Sabine Behnsch, Philipp Dahm, Christine Marx, Florian Pyschny, Christian Weier

Layout und Satz:Fritz Ramcke, Kristina Junghans, Christian  Gottschalk

Gra� ken: Dr. Günter Körtner, Irina Kart, Alexander Dospil, Christine Marx

Illustration: Daniel Lüdeling

Druck: A.C. Ehlers Medienproduktion GmbH

6. Au� age 2014© 2014 MEDI-LEARN Verlag GbR, Marburg

Das vorliegende Werk ist in all seinen Teilen urhe-berrechtlich geschützt. Alle Rechte sind vorbehal-ten, insbesondere das Recht der Übersetzung, des Vortrags, der Reproduktion, der Vervielfältigung auf fotomechanischen oder anderen Wegen und Speicherung in elektronischen Medien.Ungeachtet der Sorgfalt, die auf die Erstellung von Texten und Abbildungen verwendet wurde, kön-nen weder Verlag noch Autor oder Herausgeber für mögliche Fehler und deren Folgen eine juristi-sche Verantwortung oder irgendeine Haftung über-nehmen.

3 Allgemeine Mikrobiologie und  Ökologie

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3.2.8 Fimbrien (Pili)

Fimbrien (Pili) sind Fortsätze an der Ober�ä-che von Bakterien (s. Abb. 7, S. 18). Man un-terscheidet – Haftpili, die für Adhäsionskontakte z. B. an

Epithelien benötigt werden von – Konjugationspili (Sexpili), über die geneti-

sches Material übertragen werden kann (s. Parasexualität, S. 19).

3.2.9 Geißeln

Manche Stäbchenbakterien besitzen die Fähig-keit, Geißeln auszubilden. Geißeln sind Fortbe-wegungsorganellen, die aus repetitiven Prote-ineinheiten aufgebaut sind. Das Protein heißt Flagellin. Diese Proteinfäden haben die Eigen-schaft, wie ein Propeller zu rotieren und da-durch das Bakterium fortzubewegen. Man be-zeichnet das Flagellin auch als H-Antigen. Da es in unterschiedlichen Formen vorkommt, kann man es zur Bakterientypisierung begei-ßelter Bakterien (z. B. E. coli) benutzen. Geißeln sind in der bakteriellen Zellwand und Zellmembran verankert. Je nach Art der Begeißelung unterscheidet man monotriche (eine Geißel), lophotriche (ein Bündel von Geißeln) und peritriche (über die ganze Zel-le verteilte) Begeißelung.

monotrich lophotrich peritrich

Abb. 13: Begeißelung medi-learn.de/6-bio2-13

Schraubenbakterien können sich auch ohne Geißeln fortbewegen, indem sie um die eige-ne Achse rotieren.

3.2.10 Bakterielle Sporen

Bestimmte Bakterien haben die Fähigkeit zur Sporulation. Sie können unter ungünstigen Be-dingungen eine wasserarme Dauerform (Spo-re) ausbilden. Sporen enthalten die genetische Information des Bakteriums, etwas Zytoplas-ma und eine sehr robuste Sporenwand. Sie ha-ben einen reduzierten Stoffwechsel und sind widerstandsfähig gegen Erhitzen, Austrocknen und andere Umweltein�üsse. Unter günstigen Lebensbedingungen kann die Spore sich wie-der in die vegetative Form eines Bakteriums (normale Lebensform) umwandeln.

Alle Kokken sind unbegeißelt und daher unbe-weglich.

Merke!

– Sporen können nur von bestimmten Bakteri-engattungen wie Clostridien und Bacillus ge-bildet werden.

– Es entsteht immer nur eine Spore aus einem Bakterium.

– Im Gegensatz zu Pilzsporen dienen bakteriel-le Sporen NICHT der Vermehrung.

Merke!

Übrigens …Bacillus anthracis ist der Erreger des Milzbrandes. Während des Zwei-ten Weltkriegs experimentierten die Engländer auf einer Insel mit Milz-brandsporen, woraufhin die Insel bis in die 1990er Jahre unbewohnbar war …

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3

3.3 Bakterienphysiologie

aerob, können aber auch auf aerobe Energie-gewinnung ausweichen.Zusätzlich dazu gibt es noch die capnophilen Keime, die einen hohen CO2-Anteil in ihrer Um-gebung bevorzugen.

3.3.3 Exkurs: Clostridienstämme

Clostridien (grampositive Stäbchen) sind nicht nur Sporenbildner (s. 3.2.10, S. 30), sondern auch ein gutes Beispiel für anaerobe Bakteri-en. Insgesamt existieren vier Unterarten, de-ren prüfungsrelevante Besonderheiten im Fol-genden erläutert werden.1. Das Bakterium Clostridium botulinum pro-

duziert das Botulinumtoxin (Botox), wel-ches das stärkste bekannte Gift darstellt. Es hemmt die Acetylcholinfreisetzung an der motorischen Endplatte und führt so zu schlaffen Lähmungen. Klinisch kommt es zunächst an den kleinen Augenmuskeln zu Symptomen: Das früheste Anzeichen sind Doppelbilder. Die Lähmungen können dann weiter fortschreiten und durch eine Atem-lähmung zum Tod führen.

bevorzugter Wachstums-bereich für Aerobier

bevorzugter Wachstums-bereich für Anaerobier

�üssiges Nährmedium

Luft(21 % O2)

Abb. 14: Verhalten gegenüber Sauerstoff

medi-learn.de/6-bio2-14

3.3 Bakterienphysiologie

In diesem Abschnitt geht es darum, welche An-sprüche Bakterien an ihr Nährmedium stellen, damit sie im Körper oder auf einer Laborplat-te wachsen können.

3.3.1 Nährmedium

Für die Anzucht von Bakterien kann man �üs-sige oder feste Nährböden benutzen. Wenn ein Bakterium sich vermehrt, wird bei der �üssi-gen Kultur eine Trübung und bei dem festen Nährboden eine Kolonie sichtbar.Ein festes Nährmedium stellt man z. B. mit Agar her, einer Substanz aus Tang, die auch bei höheren Temperaturen ihre Konsistenz bewahrt.Um zu wachsen, brauchen Bakterien Nähr-stoffe, die den Nährböden zugesetzt werden: – Kohlenstoff wird in Form von Glucose zu-

gesetzt, die Stickstoffquelle ist meist Pep-ton (verkochtes Fleisch).

– Von den Mikroelementen wie z. B. Fe und Cu braucht ein Bakterium wesentlich weniger.

Meistens reicht eine Bebrütungszeit von 12 Stunden, um eine Kultur zu bewerten. Ausnah-me: langsam wachsende Bakterien wie Myko-bakterien (s. Mykobakterien, S. 27).

3.3.2 Verhalten gegenüber Sauerstoff

Es gibt sowohl obligat aerobe Bakterien, die nur in Anwesenheit von Sauerstoff wachsen, als auch obligat anaerobe Keime, für die Sau-erstoff schädlich ist (s. Abb. 14, S. 31).Aerobe Keime gewinnen ihre Energie über die Atmungskette, für anaerobe Bakterien be-steht diese Möglichkeit nicht – sie nutzen die Gärung.Zwischen diesen beiden Extremen sind die fakultativ anaeroben und die fakultativ aero-ben Bakterien einzuordnen. Fakultativ anaero-be Bakterien sind in der Regel aerob, können aber durchaus auch auf anaerobe Stoffwech-selwege umschalten. Analog dazu sind die fakultativ aeroben Keime normalerweise an-

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Wunden sollte man daher immer den Impf-schutz gegen Tetanus überprüfen.

4. Clostridium dif�cile ist für antibiotikaindu-zierte Durchfälle verantwortlich. Die ausge-löste Erkrankung heißt pseudomembranö-se Kolitis.

3.3.4 Verhalten gegenüber pH und Temperatur

Humanpathogene Keime bevorzugen beim pH-Wert und der Temperatur logischerwei-se das Milieu, welches im menschlichen Kör-per vorherrscht: Sie haben ein Temperaturop-timum bei 37 Grad und schätzen einen relativ neutralen pH-Wert. Daher sind die Eintritts-pforten des Körpers für viele Keime eine un-überwindbare Barriere – z. B. das saure Milieu des Magens (pH 1) oder der Scheide (pH 4,5).

3.4 Antibiotika

Antibiotika sind Mittel zur Bekämpfung von Mi-kroorganismen. Substanzen, welche die Ver-mehrung und das Wachstum von Bakterien hemmen, bezeichnet man als bakteriostatisch. Stoffe, die Bakterien abtöten, nennt man bakte-rizid (s. Abb. 15, S. 33). Diese Begrif�ichkei-ten gelten analog für Pilze: fungistatisch und fungizid. Es gibt zwar eine Vielzahl verschiede-ner Antibiotika – im Rahmen der Biologie sind glücklicherweise jedoch nur solche mit den hier dargestellten zwei Angriffspunkten prüfungs-relevant. Weitere prüfungsrelevante Antibiotika erwarten dich in Band 4 der Biochemie.

3.4.1 Angriff am prokaryontischen Ribosom

– Das Antibiotikum Chloramphenicol hemmt die große (50S-)Untereinheit der Prokary-

Übrigens …Es gibt ein Bakterium, das sich speziell an das Überleben im sauren Magen-milieu angepasst hat. Es heißt Helico-bacter pylori und ist für viele Magen-geschwüre verantwortlich.

Es gibt mehrere Botoxunterarten (A bis F), die zum Teil über unterschiedliche Mecha-nismen die Acetylcholinfreisetzung hem-men. Subtyp B greift z. B. am SNARE-Protein (soluble N-ethylmaleimide-sensitive-fac-tor attachment receptor) an und hemmt die Verschmelzung der Vesikel mit der Zell-membran.Der Name Clostridium botulinum kommt von lat. botulus: Wurst. Denn in Wurstkon-servenbüchsen war zu Zeiten früher Konser-vierungstechniken, in denen Sporen nicht zuverlässig vernichtet wurden, eine sauer-stoffarme, optimale Umgebung für das Aus-keimen dieser Anaerobier gegeben.

2. Clostridium tetani produziert das Tetanus-toxin. Dieses Neurotoxin hemmt die Neu-rotransmitterausschüttung (GABA und Glycin) an den inhibitorischen Synapsen spinaler Motoneurone. Hierbei wirkt es als Metalloprotease und spaltet ein bei der Exo-zytose der Transmitter unabdingbares Mo-lekül: das Synaptobrevin. Durch den Wegfall der Inhibition kommt es zur Übererregbar-keit der Motoneurone. So sind die auftre-tenden spastischen Lähmungen zu erklä-ren. Klinisch imponiert unter anderem der Risus sardonicus (Teufelsgrinsen), bei dem die Gesichtsmuskulatur sich zu einem „Lä-cheln“ verkrampft.

3. Clostridium perfringens ist der Auslöser des Gasbrandes. Damit bezeichnet man eine rasch fortschreitende nekrotisierende Fas-zienentzündung, die nur sehr selten auftritt. Sporen von Clostridien �ndet man im Erdbo-den (anaerobes Milieu). Wenn sie mit Staub und Dreck tief genug in eine Wunde gelangen, sind sie vor Sauerstoff geschützt und erfreu-en sich bester Gedeihbedingungen. Dieser In-fektionsweg ist klassisch für Tetanus und das Clostridium perfringens. Bei verschmutzten

Übrigens …Botox wird gerne in der Schönheits-chirurgie benutzt, um Falten „wegzu-spritzen“.

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3

3.4.2 Angriff an der Zellwand

3.4.3 Resistenzen

Hier unterscheidet man natürliche von erwor-benen Resistenzen. Eine natürliche Resistenz liegt in den charakteristischen Eigenschaften von Bakterien begründet. Beispiel: Gegen My-koplasmen, die keine Zellwand besitzen, wird man mit Penicillin wenig ausrichten können.Erworbene Resistenzen entstehen durch Mu-tationen und können durch Plasmide verbreitet werden. Beispiel: Die Gene für β-Lactamasen, die den essenziellen β-Lactamring des Penicil-lins spalten und dadurch das Antibiotikum in-aktivieren.Für solche Fälle hat man glücklicherweise heu-te die Betalactamaseinhibitoren, die einem emp�ndlichen Penicillin beigemischt werden können und es damit vor dem Abbau schützen.

MRSA

Ein wichtiger Keim, den du im Zusammenhang mit Resistenzen kennen solltest, ist MRSA. Die Abkürzung steht für „methicillinresistenter Staphylococcus aureus“. Zwar führen MRSA-Keime nicht häu�ger zu Infektionen als norma-

70S

Chloramphenicol

Tetracycline

50S 30S 40S 60S

80S

Prokaryonten Eukaryonten

Abb. 16: Angriff am Ribosom medi-learn.de/6-bio2-16

onten. Die große Untereinheit der eukary-ontischen Ribosomen wird dagegen nicht beein�usst.

– Tetrazyclin wirkt an der kleinen (30S-)Un-tereinheit der Prokaryonten hemmend. Auf-grund der unterschiedlichen Bauweise wer-den eukaryontische Ribosomen auch von diesem Antibiotikum nicht beein�usst.

Beide Wirkstoffe hemmen also durch Angriff an den prokaryontischen Ribosomen die pro-karyontische Proteinbiosynthese. Trotzdem weisen sie beim Menschen Nebenwirkungen auf, da sie die Translation in unseren Mito-chondrien stören, die ja ebenfalls 70S-Ribo-somen besitzen (s. Endosymbiontentheorie, Skript Biologie 1).

3.4.2 Angriff an der Zellwand

Penicilline gehören zu den β- Lactam- Anti-biotika (sie besitzen einen sehr reaktiven β- Lactamring). Ihre Wirkung besteht in der Hem mung eines bakteriellen Enzyms: der Transpeptidase. Diese ist für die Quervernet-zung der Mureineinheiten in der Zellwand zu-ständig. Am emp�ndlichsten sind daher grampositive Bakterien, da sie eine dicke Zell-wand aufweisen.

Resistenz gegenAntibiotikum

ohneAntibiotikum

bakteriostatischesAntibiotikum

bakteriozidesAntibiotikum

Abb. 15: Antibiotika-Wirkungen

medi-learn.de/6-bio2-15

3 Allgemeine Mikrobiologie und  Ökologie

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3

Übrigens …Eine Übertragung von MRSA erfolgt häu�g nosokomial, d. h. im Kranken-haus. Die größte Gefahr geht für die Patienten von kontaminierten Händen des medizinischen Fachpersonals aus. Um die Ansteckungsgefahr zu mini-mieren, werden daher betroffene Pati-enten im Krankenhaus meist isoliert.

Ein Überleben von Bakterien, die eigentlich durch einen Wirkstoff abgetötet werden sollten, be-zeichnet man als Persistenz.

Merke!

le Staphylococcus-aureus-Stämme, aber da es sich um einen multiresistenten Keim handelt, ist er schlecht behandelbar. Eine antibiotische Therapie sollte daher nur nach individueller Resistenzprüfung durchgeführt werden. Meist kommen dafür Reserveantibiotika (z. B. Vanco-mycin) zum Einsatz.

DAS BRINGT PUNKTE

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Im Bereich „ Bakterienphysiologie“ ist es wis-senswert, dass

– Bakterien bestimmte Ansprüche in Be-zug auf pH, Temperatur und Sauer-stoffgehalt an ihr Nährmedium stellen,

– für obligat aerobe Bakterien, die nur in Anwesenheit von Sauerstoff wachsen, die Abwesenheit von Sauerstoff töd-lich ist,

– meist zwölf Stunden Bebrütungszeit ausreichen, um eine Kultur zu bewerten,

– die Reduplikationszeit von E. coli ca. 20 Minuten beträgt.

Zu den Antibiotika solltest du dir unbedingt merken, dass

– bakteriostatische Antibiotika die Ver-mehrung und das Wachstum von Bak-terien hemmen.

– bakterizide Antibiotika Bakterien abtöten.

– Chloramphenicol die große (50S-)Un-tereinheit der Prokaryonten hemmt.

– Tetrazyclin an der kleinen (30S-)Unter-einheit der Prokaryonten hemmend wirkt.

– Penicilline zu den β-Lactam-Antibiotika gehören. Sie hemmen die bakteriel-le Transpeptidase, die für die Quer-vernetzung der Mureineinheiten in der Zellwand zuständig ist.

– erworbene Resistenzen durch Mutatio-nen entstehen. Sie können durch Plas-mide verbreitet werden.

– natürliche Resistenzen ihren Ursprung in charakteristischen Eigenschaften von Bakterien (keine Zellwand = un-emp� ndlich gegen Penicillin) haben.

Die folgenden Prüfungsfragen solltest du dir nicht nur bis zum Examen merken, denn Antibiotika und MRSA werden dir bei deiner späteren ärztlichen Tätigkeit immer wieder über den Weg laufen.

1. Kennen Sie den Wirkmechanis-mus von β-Lactam-Antibiotika?

2. Kennen Sie Antibiotika, die an bakteriel-len Ribosomen ansetzen?

3. Erläutern Sie die Abkürzung MRSA.

1. Kennen Sie den Wirkmechanismus von β-Lactam-Antibiotika?β-Lactam-Antibiotika wie Penicilline greifen an der Zellwand der Bakterien an. Ihre Wir-kung besteht in der Hemmung der Transpep-tidase, eines bakteriellen Enzyms, das für die Quervernetzung der Mureineinheiten in der Zellwand zuständig ist.

Am emp� ndlichsten sind Bakterien, die eine dicke Zellwand aufweisen, also grampositi-ve Bakterien.

2. Kennen Sie Antibiotika, die an bakteriellen Ribosomen ansetzen?Das Antibiotikum Chloramphenicol hemmt die große (50S-)Untereinheit der prokary-ontischen Ribosomen. Tetrazyclin hingegen wirkt an der kleinen (30S-)Untereinheit. Bei-

FÜRS MÜNDLICHE

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FÜRS MÜNDLICHE

de Antibiotika wirken somit selektiv an bak-teriellen Ribosomen, die eukaryontischen (80S-)Ribosomen werden nicht beein� usst.Es können jedoch Nebenwirkungen auftre-ten, da die (70S-)Ribosomen der Mitochon-drien ebenfalls gehemmt werden.

3. Erläutern Sie die Abkürzung MRSA.MRSA steht für „methicillinresistenter Sta-phylococcus aureus“. Dabei handelt es sich um einen oft nosokomial übertragenen Keim, der aufgrund seiner Antibiotikaresis-tenzen schlecht therapierbar ist.

PauseLäuft der Kopf schon heiß?Etwas Abkühlung gefällig?Kein Problem: Kurze Pause!

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