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Gram+ vs. Gram-Durch die zusätzliche Membranhülle erwerben Gram-negative ein zusätzliches Zellkompartiment, das Periplasma.

Die gramnegative ZellhülleDie „äußere Membran“ ist keine „Einheitsmembran“.Ihre innere Schicht besteht zwar aus Phospholipiden, dieäußere aber ausLipopolysaccharid.

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Die äußere Membran

Lipopolysaccharid (LPS)Das Lipopolysaccharid-Molekül läßt sich in drei Abschnittegliedern:- Das hydrophobe Lipid A bildet die innerste Schicht derinneren Lage der „äußeren Membran“- Das Core-Polysaccharid enthält 7er und 8er-Zucker(Heptose, Ketodesoxyoctonsäure KDO)- Die verzweigten Zuckerketten des O-Antigenbereichsvariieren zwischen verschiedenen Bakterienarten. Siekönnen daher zur Klassifizierung verwendet werden.

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LPS: Die Struktur des Lipid A

Lipid A bildet dieInnenseite der äußerenLage der äußerenMembran (die ja auch ein„bilayer“ ist). Es wirktstark immun-stimulierend und kanneinen tödlichen Schock(Endotoxin) erzeugen(Problem nach Bakterien-Lyse durch Antibiotika)

LPS: Die Struktur der Core-RegionDie Core-Region ist bei allen Gram-negativen relativeinheitlich aufgebaut. Sie enthält eine Heptose (7er-Zucker)und eine Octose, Ketodesoxyoctonsäure (KDO).

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LPS: Ungewöhliche KohlenhydrateZucker der Core-Region (Heptose und Ketodesoxy-octonsäure) und des O-antigenen Bereichs (Rhamnose undAbequose).

LPS: O-AntigenDer O-antigene Bereich des LPS besteht aus verzweigtenKohlenhydratketten, seine Zusammensetzung variiertzwischen verschiedenen Spezies stark. Ein Kohlenhydrat-“motiv“ aus einigen Zuckern wird mehrfachaneinandergehängt (das ()n der nächsten Folie bedeutet nWiederholungen des gezeigten Motivs in der Klammer).Das O-Antigen wirkt stark immunogen. Antikörper gegen einO-Antigen erkennen andere O-Antigene nicht (verleihen alsokeine Immunität gegen andere Bakterien). Die spezifischenAntikörper lassen sich auch zur Bestimmung(Klassifizierung) von Bakterien einsetzen.

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Strukturendes LPS

LPS-MutantenMutationen im LPS bei Salmonella typhimurium veränderndas Aussehen der Kolonie (von glatt/smooth auf rauh/rough).Dabei sind diePolysaccharid-ketten unter-schiedlich starkverkürzt.

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Membrankanäle und PorineDie Gram-negative Zellwand ist undurchlässig für hydrophobeSubstanzen (durch die hydrophilen Zucker des LPS) und fürhydrophile (durch die äußereMembran). Zur Stoffaufnahmedurch die Membran dienenhauptsächlich Poren ausPorinprotein-Trimeren.Moleküle bis 700 Daltonkönnen durchtreten. Fürbestimmte Substanzen besitztdie äußere Membranspezifische Transporter(Vitamin B12, Trisaccharide,Eisenchelate).

LipoproteinDas Lipoprotein(Brauns Lipoprotein,Murein-Lipoprotein)verknüpft die äußereMembran (in die es mitFettsäureresteneintaucht) mit demMurein (an das eskovalent gebunden ist).Es ist mit 700.000Molekülen pro Zelle dashäufigste Protein von E.coli.

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PeriplasmaDas Periplasma enthält hohe Konzentrationen an Proteinen(neben Oligosacchariden, die den osmotischen Druckhochsetzen). Darunter sind Bindeproteine für Nahrung(Aminosäuren: Arg, Leu; Zucker: Galactose, Glucose,Arabinose; Vitamine: B12, Thiamin; Ionen: Phosphat, Sulfat),Verdauenzyme (Phosphatasen, Proteasen, Endonuclease I)und Entgiftungsenzyme (β-Lactamasen gegen Penicilline undCephalosporine, die sonst die Mureinbiosyntheses stören,Aminoglycosid-phosphorylierende Enzyme).

Permeabilisierung der äußerenMembran

Die äußere Membran läßt sich durch Behandlung mit EDTAdurchlässig machen. EDTA ist ein Chelator („Scherenartig“zugreifender Komplexbildner), der Magnesium-Ionen bindet.Dadurch lockert sich die LPS-Struktur. PeriplasmatischeProteine laufen aus. Das Murein wird zugänglich fürzugegebene Verdauungsenzyme (Lysozym*) und kann zurHerstellung von Spheroplasten abverdaut werden. Diese sindosmotisch sehr labil, können aber die Zellwand wiederaufbauen.Definition: Protoplasten haben keinerlei Mureinhülle mehr,Sphaeroplasten (Spheroplasten) noch Reste davon.

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Permeabilisierung der äußerenMembran - *Lysozym

Lysozym, ein Enzyme, das den Mureinsacculus verdaut, dientbei höheren Tieren als erster Schritt der Bakterienabwehr.Lysozym kommt in unserer Tränenflüssigkeit vor, und imHühnereiweiß, das die wichtigste Quelle zur Isolierung desEnzyms ist.

PlasmolyseBei hohem osmotischen Druck schrumpft das Cytoplasma,bleibt aber an ca. 200 Stellen mit der äußeren Membranverbunden. Diese (Bayer´s Junctions; innere und äußereMembran verbunden) dienen dem Stofftransport nach außen.

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Besondere Zellwände:Säurefeste Zellwand

Mycobacterien (Gram-+; z.B. M. tuberculosis) tragen eineWachsschicht auf dem Mureinsacculus, der aus Mycolsäure-estern besteht. Die Wand ist extrem undurchlässig, dadurchsind Mycobakterien schlecht antibiotisch angreifbar. DasWachs schützt auch vor Phagozytose (durch Freßzellen).Mycobacterien wachsen meist langsam (Generationszeit 24 h).Mit Isoniacid kann man die Mycolsäure-Biosyntheseverhindern und die Mycobakterien angreifbar machen.Der hydrophobe Farbstoff Carbolfuchsin läßt sich nicht mitSalzsäure (die nicht durch das Wachs kommt) auswaschen,daher „säurefeste Zellwand“.

Besondere Zellwände:Säurefeste Zellwand

In Bezug auf die Schutzwirkung ist die Zellwand derMycobacterien dener der Gram-negativen überlegen.

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MycolsäurenMycolsäuren tragen sehr lange Alkanketten, sie sind überArabinogalactan (Polysaccharid) an das Murein gebunden.

MycolsäurenIm „Cord Factor“ sind Mycolsäuren an das DisaccharidTrehalose gebunden. Sein Vorkommen ist mit dem Wachs-tum in Schnurform (cord) gekoppelt, die Voraussetzung fürdie Infektiosität von M. tuber-culosis ist(> Pathogenitäts-faktor).

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MycobakterienSchnurartiges („cord-like“) Wachstum infektiöser M. tuber-culosis.

Besondere Zellwände:Pseudokristalline Zellwand

Selbstaggregierende Proteinewerden ausgeschleust und bildeneine oder mehrere kristallineSchichten („S-Schicht“, 2-D-Kristalle) um den Murein-sacculus (bei Gram+) bzw. umdie äußere Membran (beiGram-). Sie schützen wohl vorPhagozytose.**Bei Archaeen kann die S-Schicht die Zellwand bilden(direkt über der Cytoplasma-membran).

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CytoplasmaBei Eubakterien erscheint der Bereich innerhalb derCytoplasmamembran, das Cytoplasma oder Cytosol, imelektronenmikroskopischen Bild weitgehend unstrukturiert.Manchmal sind Membraneinstülpungen in Schichten oderBläschen (Vesikeln) zu sehen. Auch körnige Strukturen,„Einschlüsse“ können sichtbar sein, die u.a. als Speicherdienen („Speichergranula“). Sie können Kohlenhydrateenthalten (Glycogen), Fette oder Polyphosphat (das direktzur ATP-Synthese dient, es enthält auch die energiereichenSäureanhydridbindungen). Immer im EM erkennbar sindRibosomen und das Nucleoid, wo sich das Bakterien-chromosom befindet.

CytoplasmaDas strukturlos erscheinende Cytoplasma besteht vorwiegendaus Wasser und Proteinen. Im Cytoplasma finden die meistenbiochemischen Reaktionen der Zelle statt (der Metabolismusder Zelle: Abbau von Nährstoffen - Katabolismus, Aufbauvon Zellkomponenten - Anabolismus).Katabole Reaktionen sind z.B. die Glycolyse (Energie-gewinnung durch Glucoseabbau) und der Citratcyklus(Tricarbonsäurezyklus), bei dem Reduktionsäquivalente fürdie Zellatmung (die an der Cytoplasmamembran stattfindet)erzeugt werden.Anabol sind die Synthese von Aminosäuren, Monosaccha-riden (Gluconeogenese) und Polysacchariden, von Proteinen(Translation), das Verdoppeln der DNA (Replikation) unddas Umschreiben der DNA in RNA (Transkription).

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Nucleoid

Das Bakterienchromosom ist zwar nicht wie bei Eukaryontenin einem abgetrennten Organell, sein Bereich ist aber anderszusammengesetzt als das übrige Cytoplasma. Die DNA istdort eng gepackt, dort sind auch die Proteine für Replikationund Transkription konzentriert.Das eigentliche Bakterienchromosom ist mehrere MBp(Megabasenpaare) groß und zum Ring geschlossen.Außerdem können kleinere DNA-Ringe vorhanden sein, diePlasmide. Manche Plasmide sind so groß (Vibrio cholerae >1MBp), daß man sie als zweites Chromosom betrachten kann.Das Bakterienchromosom ist an die Zellwand angeheftet, dasist für die Verteilung bei der Zellverdopplung wichtig.

NucleoidDurch spezielle Anfärbung (der DNA) läßt sich das Nucleoiddeutlich sichtbar machen.

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Nucleoid

Mit dem Elektronen-mikroskop läßt sichder Unterschied vonNucleoid und übrigemCytosol direkt sehen.(Die Linien imunteren Bild sindaufgemalt, um dieAbgrenzung derBereiche zuverdeutlichen)

Ribosomen

Ribosomen sind Komplexe aus RNA und Proteinen, andenen die Proteine synthetisiert werden. Dabei wird einemRNA als Bauvorschrift abgelesen, die einzubauendenAminosäuren werden durch einen 3-Buchstaben-Code vonNucleotiden (Triplett-Code) bestimmt.Eine Bakterienzelle enthält bis zu 20.000 Ribosomen.Ribosomen bestehen aus zwei Untereinheiten (große undkleine, beide mit Protein und RNA).

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RibosomenBakterielle Ribosomen sind etwas kleiner (und arbeiten vielschneller) als eukaryontische Ribosomen („70 S“ gegen „80S-Ribosomen“, S ist die Svedbergeinheit, die aussagt, wieschnell ein Teilchen in der Zentrifuge absinkt (sedimentiert)).

Ribosomen sind ein beliebter Angriffspunkt für antibakteri-elle Antibiotika (Tetracycline, Erythromycin,Streptomycin, Chloramphenicol). Diese Antibiotikahemmen nur das 70 S-Ribosom, sollten also beim Patienten(Mensch, Eukaryont) keinen Schaden machen. Allerdings sindunsere Mitochondrien eigentlich Bakterien (Endosymbion-ten) mit 70 S-Ribosomen und werden von Chloramphenicolgeschädigt (die anderen Antibiotika werden nicht in dieeukaryontische Zelle aufgenommen).

EndosporenSporen als Verbreitungsformenwerden von verschiedenenOrganismengruppen gebildet(Pilze, Actinomyceten(grampositiveBodenbakterien)…).Die nur von einigen Gram-positiven (Gattungen Bacillus,Clostridium, Desulfotomaculum,Sporolactobacillus, Thermo-actinomyces) gebildetenEndosporen sind die wohlwiderstandfähigstenLebensformen.

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EndosporenEndosporen entstehen innerhalb der Bakterienzelle. Vonaußen wird eine schützende Hülle gebildet.

Die durch Hungerausgelöste Sporenbildung istin den ersten 5 Stundennoch reversibel (durch Glucosegaberückgängig zu machen).

EndosporenEndosporen werden von den Bakterien in Notzeiten (Hungeroder andere ungünstige Umweltbedingungen) als Überlebens-formen gebildet. Sie überstehen Temperaturen über 100°C,starke Strahlung, Trockenheit und giftige Chemikalien undkönnen viele hundert Jahre überleben. Das Geheimnis derStabilität ist insbesondere die extreme Entwässerung auf<15% Wasseranteil.

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Endosporen: Besondere Bestandteile10-15% der Sporen-Trockenmasse ist Calcium-Dipicolinat, esentsteht etwa parallel zum Ansteigen der Hitzeresistenz. DieCortex (innere Sporenhülle) ist ein spezielles, wenigquervernetztes Murein, der Sporenmantel (Exosporium)besteht überwiegend aus Protein(aus viel Cystein und hydro-phoben Aminosäuren) und ist sodick, daß er 80% des gesamtenSporenproteins enthält.

Dipicolinsäure

EndosporenWegen der Endosporen muß zur Sterilisation auf 121°C erhitztwerden. Einige Sporenbildner sind gefährliche Pathogene:Milzbranderreger B. antracis, C. tetani erzeugtWundstarrkrampf, C. botulinum Lebensmittelvergiftung(Botulinus-Toxin ist das stärkste bekannte Gift, es führt zurParalyse), C. perfringens Gas-Gangrän.

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FlagellenFlagellen dienen Bakterien zur Fortbewegung. Ihr äußererTeil (aus vielen Untereinheiten des Proteins Flagellin) ist einestarre Schraube (macht also keine Schlängelbewegungen),der von einem Rotor in der Zellwand gedreht wird.

Flagellen

Flagellen können einzeln (monotriche Bakterien), an beidenSeiten (amphitrich), in Büscheln (lophotrich) oder um dieganze Zelle herum (peritrich) auftreten.

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FlagellenBei Gram-positiven ist die Flagelle mit zwei Scheiben ver-ankert, bei Gram-negativen mit vier. Die innerste (M-Ring), inder Cytoplamamembran, ist jeweils der eigentliche Motor.

FlagellenDie Bewegungsenergie wird durch einen Protonenflußaufgebracht, dazu muß die Zelle einen Protonengradientenüber die Membran erzeugen und aufrechterhalten.

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FlagellenBakterien können zwischen Schwimmen (meist für 1-2Sekunden) und Taumeln (Sekundenbruchteile, dabei ändertsich die Schwimmrichtung) umschalten, indem sie dieDrehrichtung des Motors umkehren. Bei Schwimmen auf eingünstiges Signal zu (steigende Nährstoffkonzentration) wirddie Schwimmphase verlängert. Voraussetzung für dasgerichtete Schwimmen ist die Fähigkeit, Umweltsignale(Nahrung, Sauerstoff, Licht…) wahrzunehmen und zuverarbeiten.

FlagellenBei Spirocheten liegen die Flagellen als „Axialfilamente“ imPeriplasma. Dadurch ist die ganze Zelle schraubenförmigund dient als Rotor. Spirocheten können in besonders zähenMedien (Schlamm, Schleim) vorankommen.Treponema pallidum, der Syphilis-Erreger, ist ein Spirochete.

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Pili (= Fimbrien)

Pili sind ebenfalls länglicheZellanhängsel aus vielenProteinuntereinheiten(Pilinen). Sie dienen derAnheftung an andere Zellenoder an Oberflächen.Bei infektiösen Stämmen istder Pilus oft für die Infektio-sität verantwortlich (Patho-genitätsfaktor).

Pili (= Fimbrien)

Unterschiedliche Piline erzeugen unterschiedliche Pili. An denPili sitzen noch ein oder mehrere Adhesinmoleküle, die für diespezifische Verankerung zuständig sind.

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Pili (= Fimbrien)Neben dem Strukturgen (für Pilin) und Adhesingenen enthältdas Operon für die Pili-Synthese noch Regulatorgene undGene für Chaperones, die für die Proteinfaltung wichtig sind.

Pili (= Fimbrien)Mit dem Sex-Pilus (F-Pilus) verankern sich E. colismiteinander zum Austausch von genetischem Material.