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Aufbau von Bakterien
Bakterien stellen einzellige Lebewesen dar und werden zu den Prokaryoten gezählt.
Prokaryoten sind Lebewesen, die keinen Zellkern besitzen.
Als Prokaryoten besitzen Bakterien keinen Zellkern. Stattdessen ist ihr Erbgut in Form von ringförmigen DNA-Strukturen organisiert. Diese bezeichnet man als sogenannte Bakterienchromosomen. Sie werden aufgrund ihrer funktionellen Ähnlichkeit zum Zellkern der Eukaryoten auch Kernäquivalente genannt. Darüber hinaus liegt die DNA im Bakterium auch als Plasmid vor.
Plasmide sind zirkuläre DNA-Moleküle, welche häufig Informationen für Antibiotikaresistenzen beinhalten. In Plasmiden liegt die DNA doppelsträngig vor.
Insgesamt schwirrt die DNA also frei im Zytoplasma umher. Sie befindet sich nicht in einem durch eine Zellmembran abgetrennten Zellkompartiment.
Alle Bakterien sind im Besitz einer Zellmembran, welche das Zytoplasma umgibt. Außerdem verfügen fast alle Bakterien über eine Zellwand. Diese beinhaltet als wichtigen Bestandteil das Murein. Dabei handelt es sich um einen aus Zuckern und Peptiden aufgebaute Substanz, die der Zellwand Stabilität verleiht. Den Mykoplasmen fehlt eine solche Zellwand.
Mykoplasmen sind eine Bakteriengattung, die an verschiedensten Infektionen (zum Beispiel im Atem- oder Genitaltrakt) beteiligt sein können und typischerweise keine Zellwand besitzen.
Auch im Bezug auf die Zellorganellen unterscheiden sich Bakterienzellen von eukaryotischen Zellen. Wie eukaryotische Zellen besitzen Bakterien Ribosomen zur Proteinbiosynthese. Diese unterscheiden sich aber geringfügig von den eukaryotischen Ribosomen, weshalb man sie auch als Angriffspunkt für die antibakterielle Therapie nutzen kann. Denn Eukaryonten besitzen sogenannte 80S Ribosomen, während Bakterien 70S Ribosomen aufweisen.
Die Bezeichnungen 80S und 70S beschreiben das Sedimentationsverhalten der Ribosomen. S steht hierbei für Svedberg-Einheiten. So benötigt ein 1S-Partikel Sekunden, um unter bestimmten Bedingungen zu sedimentieren (d.h. sich auf dem Boden einer Flüssigkeit abzusetzen.)
Andere Zellorganellen wie Mitochondrien, Chloroplasten oder endoplasmatisches Retikulum fehlen den Bakterien hingegen.
Neben den bereits besprochenen Bestandteilen kann ein Bakterium außerdem verschiedene Organellen zur Fortbewegung besitzen. Dazu zählen z.B. Flagellen bzw. Geißeln.
Je nach Anzahl und Anordnung der Geißeln unterscheidet man folgende Formen der Begeißelung:
Monotrich: Es liegt nur eine Geißel vor.
Lophotrich: Es liegen mehrere Geißeln vor, die sich alle an einem Pol der Zelle befinden.
Amphitrich: Auf beiden Polen des Bakteriums liegen Geißeln vor.
Peritrich: Das Bakterium wird ringsum von Geißeln umgeben.
Darüber hinaus sind manchmal noch eine zusätzliche Hülle, oder Vesikel vorhanden. Die zusätzliche Hülle nennt man Kapsel. Neben dem Schutz vor Austrocknung kann die Kapsel mitunter für die schädliche Wirkung von Bakterien verantwortlich sein. Sie ist in der Regel aus Zuckermolekülen aufgebaut.
Eigenschaften von Bakterien
Bakterien sind eine sehr vielfältige Gruppe von Lebewesen. Sie können sich z.B. im Hinblick auf ihre Größe, Form und ihren Stoffwechsel unterscheiden. In den folgenden Abschnitten lernst du verschiedene wichtige Eigenschaften von Bakterien kennen.
Größe
Bakterien sind in der Regel zwischen 0,2 und 10 μm groß. Bestimmte Arten können aber auch bis zu 700 µm groß sein.
Bakterien, die im Bezug auf ihre Größe deutlich überdurchschnittlich ausfallen, bezeichnet man auch als Riesenbakterien. Zu diesen wird beispielsweise das Bakterium Thiomargarita namibiensis gezählt. Es ist so groß, dass man es sogar ohne die Vergrößerung durch ein Mikroskop erkennen kann. Denn das Schwefelbakterium kann bis zu 0,075 cm groß werden.
Bakterienformen
Bakterien lassen sich anhand ihrer Morphologie, d.h. ihrer Gestalt, einteilen. Am verbreitetsten sind hierbei folgende Formen:
Kokken: Als Kokken bezeichnet man kugelförmige Bakterien. Wichtige Vertreter dieser Gruppe sind z.B. die Streptokokken, die sich kettenförmig anordnen. Bei den Staphylokokken sind die Bakterien in den Zellverbänden traubenförmig gruppiert.
Stäbchen: Stäbchenbakterien weisen eine zylinderförmige Form auf. Ein bekannter Vertreter dieser Kategorie ist das Bakterium Escherichia coli, welches im Verdauungstrakt zu finden ist.
Schraubenförmige Bakterien: zu den schraubenförmigen Bakterien zählen zum Beispiel Leptospiren, welche als Erreger der Leptospirose grippeähnliche Symptome hervorrufen können.
Vermehrungskurve Bakterien
Bakterien vermehren sich asexuell. Dazu erfolgt eine Zweiteilung der Bakterienzelle. Durch diese Zellteilung ergibt sich für die meisten Bakterienkulturen in einem Medium unter optimalen Bedingungen eine charakteristische Wachstumskurve. Diese lässt sich in vier Phasen einteilen:
Latenzphase (Lag-Phase): Bakterien teilen sich nach der Übertragung (Verimpfung) in ein geeignetes Medium nicht sofort. Stattdessen müssen sie sich in der Lag-Phase erst auf die Zellteilung vorbereiten. Dazu produzieren sie vermehrt bestimmte Enzyme, die zum Abbau der Nährstoffe des Mediums notwendig sind.
Logarithmische Phase (Log-Phase): Die Log-Phase beschreibt die Zeit, in der sich die Bakterien exponentiell vermehren. Je nach Art des Bakteriums kann diese Phase über Wochen dauern. Die Geschwindigkeit der Vermehrung bleibt in dieser Phase konstant.
Stationäre Phase: Eine elementare Voraussetzung für das Wachstum einer Bakterienkolonie ist das Vorhandensein von lebensnotwendigen Nährstoffen (Substraten). In der stationären Phase kommt es infolge eines Mangels an Nährstoffen in der Kultur zum Erlöschen des Wachstums, sodass ein Plateau in der Kurve zu verzeichnen ist.
Absterbe-Phase: In der Absterbe-Phase findet nicht nur kein Wachstum mehr statt, sondern die Bakterien gehen zu Grunde. Das liegt daran, dass die Nährstoffe des Mediums in dieser Phase nicht mehr ausreichend sind, um alle Bakterien am Leben zu erhalten. Aber auch die Anhäufung schädlicher Endprodukte des bakteriellen Stoffwechsels spielt hierbei eine Rolle. Daher sinkt die Kurve in dieser Phase ab.
In der folgenden Abbildung siehst du die typische Wachstumskurve einer Bakterienkolonie. Die quantitative Bestimmung, also die Bestimmung der Anzahl, erfolgt hierbei anhand der KBE - der koloniebildenden Einheiten. Diese sind in der y-Achse aufgetragen, während die Zeit auf der x-Achse dargestellt ist.
Eine Bakterienzelle ist mit bloßem Auge nicht zu erkennen. Vermehren sich Bakterien aber und bilden durch ihre Anhäufung sichtbare Kolonien, so lassen sich diese Auszählen. Die Anzahl der gebildeten Kolonien kann dann dementsprechend als Maß für die Zahl vermehrungsfähiger Bakterien herangezogen werden.
Die Zeit, die Bakterien benötigen um sich zu verdoppeln, bezeichnet man als Generationszeit. Sie kann bei den verschiedenen Bakteriengattungen ganz unterschiedlich ausfallen. So beträgt die Generationszeit für Clostridium perfringens je nach Umweltbedingungen lediglich einige Minuten. Andere Bakterien hingegen benötigen viele Stunden, z.B. Mycobacterium tuberculosis.
Beziehung zu Sauerstoff
Die verschiedenen Bakterien verhalten sich im Bezug auf Sauerstoff unterschiedlich.
Obligat aerobe Bakterien: Obligat aerobe Bakterien können ohne Sauerstoff nicht wachsen.
Fakultativ anaerobe Bakterien: Fakultativ anaerobe Bakterien sind nicht auf Sauerstoff angewiesen. Sie können ihn aber nutzen und er schadet ihnen nicht.
Mikroaerophile Bakterien: Mikroaerophile Bakterien benötigen Sauerstoff in geringer Konzentration. Von zu viel Sauerstoff können sie Schaden nehmen.
Obligat anaerobe Bakterien: Für obligat anaerobe Bakterien ist Sauerstoff schädlich.
- Staphylokokken sind aerobe Bakterien.
- E. coli ist fakultativ anaerob.
- Clostridien hingegen sind obligat anaerob.
Stoffwechsel
Auch im Bezug auf ihren Stoffwechsel sind Bakterien untereinander sehr unterschiedlich. So gibt es z.B. photoautotrophe Cyanobakterien, denen Licht als Energiequelle dient. Als Kohlenstoffquelle nutzen sie dabei Kohlenstoffdioxid.
Die meisten Bakterien verwenden allerdings chemische Reaktionen zur Energiegewinnung. Handelt es sich bei der Energiequelle um organische Stoffe, so bezeichnet man die Bakterien als organotroph. Im Falle von anorganischen Stoffen spricht man hingegen von lithotrophen Bakterien. Als Kohlenstoffquelle verwenden diese Bakterien zumeist organischen Kohlenstoff, weshalb man sie als heterotroph bezeichnet.
Sporenbildung
Einige Bakterien sind dazu in der Lage, bei ungünstigen Umweltbedingungen Sporen zu bilden. Die Sporen sind inaktive Dauerformen der Bakterien, die ihnen ein Überleben bei widrigen Umgebungsbedingungen ermöglichen. Das liegt daran, dass die Sporen resistent gegenüber Hitze und UV-Strahlung sind und sie keinen aktiven Stoffwechsel aufweisen. Verändern sich die Umweltbedingungen wieder zum Positiven, so kann das Bakterium wieder in seine vegetative, vermehrungsfähige Form übergehen.
Zu den sporenbildenden Bakterien gehören zum Beispiel die Clostridien. Diese sind u.a. für Tetanus verantwortlich.
Bakterien Steckbrief
Die wichtigsten Eigenschaften von Bakterien kannst du dir in diesem kurzen Steckbrief nochmal genauer anschauen.
| Eigenschaft | |
Besonderheiten im Aufbau | Kein Zellkern, meist Zellwand, Erbinformation als Kernäquivalent und in Form von Plasmiden, 70S-Ribosomen |
Größe | i.d.R. 0,2 - 10 μm |
Form bzw. Gestalt | Viele Formen möglich , z.B. kokkoid, stäbchen- oder schraubenförmig |
Vermehrung | Zweiteilung (Zellteilung) |
Sauerstoff | Aerob, fakultativ anaerob, obligat anaerob |
Stoffwechsel | Phototrophe und chemotrophe Vertreter |
Abgrenzung von Bakterien zu Viren
Oft werden Bakterien und Viren als Krankheitserreger über einen Kamm geschert. Doch gibt es wesentliche Unterschiede zwischen Bakterien und Viren. So sind Bakterien um einiges größer als die Viren, deren Größe sich im Nanometerbereich abspielt (zwischen ca. 20 nm und 100 nm). Darüber hinaus besitzen Viren keinen eigenen Stoffwechsel und können sich nicht selbstständig vermehren, weswegen sie auf einen Wirt angewiesen sind. Damit werden sie im Gegensatz zu den Bakterien nicht zu den Lebewesen gezählt. Entsprechend primitiver ist auch ihr Aufbau: Viren verfügen lediglich über ein Genom, ein Capsid und in einigen Fällen über eine Virushülle.
Als Kapsid bezeichnet man die aus Proteinen bestehende Verpackung der viralen Erbinformation.
Einteilung von Bakterien
Bakterien können nach verschiedensten Gesichtspunkten eingeteilt werden, die du zum Teil bereits kennengelernt hast. Eine Kategorisierung von Bakterien ist z.B. möglich nach:
Färbeverhalten, z.B. im Rahmen der Gram-Färbung
Form
Relevanz von Sauerstoff
Die derzeit genaueste Methode zur Einteilung ist die phylogenetischen Klassifizierung. Im Rahmen genetischer Analysen betrachtet man hierzu bestimmte Basensequenzen der 16S rRNA oder andere Markergene.
Arten von Bakterien
Wie andere Lebewesen auch, werden Bakterien zur korrekten wissenschaftlichen Benennung hierarchisch nach
Stamm,
Klasse,
Ordnung,
Familie,
Gattung
und Art
eingeteilt. Im Bezug auf Bakterien spricht man im weiteren Verlauf der Nomenklatur aber nicht wie bei Tieren von Rassen, sondern von Subspezies. Heutzutage bedeutend für die Nomenklatur von Bakterien ist der International Code of Nomenclature of Prokaryotes, kurz ICNP. Entsprechend dem ICNP erhält jede Spezies einen Genus- (bzw. Gattungs-) und einen Artnamen.
Staphylococcus aureus ist ein weit verbreitetes Bakterium. Es gehört zum Stamm der Firmicutes. Innerhalb dieses Stammes lässt es sich in die Klasse der Bacilli und die Ordnung der Bacillales einteilen. Es gehört der Familie der Staphylococcaceae an. Der Gattungsname ist Staphylococcus und das Epitheton, also der Artname, lautet aureus (lat. für "golden"). Das lässt sich auf die goldene Farbe der Kolonien zurückführen, die das Bakterium bildet.
Bedeutung von Bakterien
Wie bereits erwähnt, spielen Bakterien in den verschiedensten Bereichen unseres Lebens eine wichtige Rolle. In den folgenden Abschnitten lernst du ihre Bedeutung als Infektionserreger, als Symbionten unseres Körpers und in der Lebensmittelindustrie kennen.
Bedeutung von Bakterien als Infektionserreger
Am wohl häufigsten hört man von Bakterien in Zusammenhang mit Erkrankungen. Ganz unberechtigt ist das nicht, denn Bakterien sind als Krankheitserreger von großer Bedeutung. Sie können für eine Vielzahl von Infektionskrankheiten verantwortlich sein.
Hier siehst du einige Beispiele für Krankheiten, die von Bakterien ausgelöst werden:
Borreliose
Bakterien sind auch häufig für Wundinfektionen verantwortlich und können lebensbedrohliche Blutvergiftungen hervorrufen.
Die schädliche Wirkung von Bakterien kommt dabei in den meisten Fällen durch Toxine zustande. So besitzen zum Beispiel gramnegative Bakterien wie E. coli giftig wirkende Substanzen in ihrer Zellwand, die man als Endotoxine bezeichnet. Sie werden beim Tod des Bakteriums freigesetzt.
Das Bakterium Escherichia coli ist in der Regel ein harmloser Darmbewohner. Liegt aber beispielsweise ein Defekt des Immunsystems vor, so kann das Bakterium auch Harnwegsinfektionen oder Wundinfektionen verursachen.
Es gibt aber auch E. coli-Stämme, die obligat pathogen sind. Das bedeutet, dass diese Bakterien immer dazu in der Lage sind, Krankheiten auszulösen.Dazu zählt unter anderem ETEC (kurz für enterotoxische Escherichia coli). ETEC ist ein wichtiger Durchfallerreger. Das Bakterium bildet ein Enterotoxin, also eine Substanz, die den Verdauungstrakt schädigt.Neben ETEC gibt es noch andere obligat pathogene E. coli-Stämme wie EHEC, EIEC oder ETEC.
Andere Bakterien, zum Beispiel Clostridium botulinum, produzieren sogenannte Exotoxine. Das Botulinumtoxin ist ein bekanntes Beispiel für ein solches Exotoxin. Es hemmt die Erregungsübertragung zwischen den Nervenzellen und führt daher zu einer Muskellähmung.
Obwohl das Botulinumtoxin das stärkste in der Natur vorkommende Gift darstellt, wird es in der Medizin auch für therapeutische Zwecke genutzt. So gilt es aufgrund seiner relaxierenden Wirkung als wirksames Mittel gegen Migräne. Auch zur Beseitigung von Falten kommt es unter seinem Handelsnamen Botox zum Einsatz.
Bakterien im Blut
Das Bakterien für einen überschaubaren Zeitraum mal im Blut auftreten ist an sich erstmal nichts Ungewöhnliches und muss keine gravierenden Folgen nach sich ziehen. Man spricht hierbei auch von einer Bakteriämie. Hierfür reicht manchmal schon ein Besuch beim Zahnarzt aus. I.d.R. werden die Bakterien innerhalb kurzer Zeit durch die körpereigene Abwehr beseitigt.
Problematisch ist es aber, wenn sich eine Infektion über das Blut ausbreitet und in andere Organe gelangt. Infolgedessen kommt es zu einer überschießenden Reaktion des Immunsystems, die zum Organversagen führen kann. Man spricht hierbei auch von einer Blutvergiftung oder Sepsis. Diese kann auch von anderen Infektionserregern wie Viren und Pilzen ausgelöst werden und bezieht sich im Gegensatz zum Terminus Bakteriämie nicht nur auf Bakterien.
Bedeutung von Bakterien als Flora
Die meisten Bakterien, die uns im Alltag begleiten sind vollkommen harmlos oder sogar nützlich. Sie unterstützen uns z.B. als Darmflora bei der Verdauung und produzieren Vitamine.
Wichtig sind beispielsweise auch die Milchsäurebakterien im Bereich der Scheide. Diese machen potentiellen Krankheitserregern dort eine Ansiedlung schwer. Das erreichen sie unter anderem durch das Absenken des pH-Werts im Intimbereich. Als Hautflora befinden sich Bakterien auf unserer gesamten Körperoberfläche und leisten auch dort einen wichtigen Beitrag zur Abwehr von Krankheitserregern.
Bedeutung von Bakterien in der Lebensmittelindustrie
Sogar in der Lebensmittelindustrie spielen Bakterien eine wichtige Rolle. Für die Herstellung von Käse oder Joghurt werden beispielsweise Milchsäurebakterien benötigt. Auch für die Produktion von Sauerkraut sind Milchsäurebakterien essentiell.
Darüber hinaus gibt es noch viele weitere Einsatzgebiete für Bakterien. Sie werden z.B. auch in Klärwerken zur Reinigung der Abwässer eingesetzt oder sind in der Medizin zur Herstellung von Insulin von Bedeutung.
Bakterien – Das Wichtigste
Bakterien sind winzige Lebewesen, die keinen Zellkern aufweisen.
Neben dem fehlenden Zellkern finden sich bei Bakterien noch weitere Unterschiede zu eukaryotischen Zellen. Dazu zählen z.B. die fehlenden Mitochondrien oder die mureinhaltige Zellwand.
Bakterien können sich im Bezug auf ihre Form, ihre Abhängigkeit von Sauerstoff, ihren Stoffwechsel und ihr Verhalten bei Anfärbung deutlich voneinander unterscheiden.
Bakterien spielen in verschiedensten Lebensbereichen eine wichtige Rolle, z.B. als Krankheitserreger. Aber auch als Symbionten in und auf unserem Körper oder bei der Herstellung von Lebensmitteln sind sie relevant.
Bakterien sind ursächlich für viele wichtige Infektionskrankheiten wie Scharlach, Keuchhusten oder Tetanus.
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Häufig gestellte Fragen zum Thema Bakterien
Was verursachen E. coli Bakterien?
Die meisten E. coli-Bakterien sind harmlose Darmbewohner. In bestimmten Fällen können sie aber unter anderem auch für Harnwegsinfektionen, Wundinfektionen und Durchfall verantwortlich sein.
Was ist der Unterschied zwischen Bakterien und Viren?
Bakterien sind um einiges größer als Viren, deren Größe sich im Nanometerbereich bewegt (zwischen ca. 20 nm und 100 nm). Darüber hinaus besitzen Viren keinen eigenen Stoffwechsel und können sich nicht selbstständig vermehren, weswegen sie auf einen Wirt angewiesen sind. Entsprechend primitiver ist auch ihr Aufbau: Viren verfügen lediglich über ein Genom, ein Capsid und in einigen Fällen über eine Virushülle. Damit werden sie im Gegensatz zu den Bakterien nicht zu den Lebewesen gezählt.
Was gibt es für Bakterien?
Es gibt eine Vielzahl an verschiedenen Bakterien, die sich anhand verschiedener Charakteristika unterscheiden lassen. Eine Möglichkeit zur Unterscheidung ist die Form. Hierbei wird im Allgemeinen zwischen Stäbchen, Kokken und schraubenförmigen Bakterien unterschieden. Außerdem lassen sich Bakterien beispielsweise in pathogene (krankheitsauslösende) und harmlose, apathogenen Bakterien einteilen. Darüber hinaus unterscheidet man z.B. gramnegative und grampositive Bakterien im Hinblick auf das Färbeverhalten ihrer Zellwand.
Wie entsteht eine Bakterie?
Die Vermehrung erfolgt bei Bakterien ungeschlechtlich durch Zweiteilung. Aus einer Bakterienzelle können also zwei Tochterzellen entstehen.
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