Mikrobiolobie - Bakteriologie I - PharmXplorer

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Feinstruktur
- Prokaryontes Kernäquivalent: Nukleoid = "nacktes" DNA-Molekül.
Dieses prokaryonte Kernäquivalent entspricht funktionell dem
eukaryonten Zellkern. Bei der Vermehrung der Bakterien steht am
Anfang immer die Reduplikation des Nukleoids.
- Plasmide: extrachromosomale, ringförmige, doppelsträngige DNA-
Struktur: Pathogenitäts- Resistenzplasmide und metabolische Plasmide
- Zytoplasma: große Zahl von in Wasser gelösten nieder- und
hochmolekularen Stoffen, RNS, und viele Ribosomen (70S;
Proteinbiosynthese), Reservestoffe in unlöslicher Form
- Zytoplasmamembran = "unit membrane": Phospholipiddoppelschicht
mit eingebetteten Polypeptidmolekülen.
* semipermeabel
* aktiver Transport von außen nach innen (spezif. Permeasen)
* ausschleusen von Proteinen (Exoenzyme, Exotoxine) nach außen
* Sitz zahlreicher Enzyme für die Biosynthese von
Zellwandstrukturelementen (+Ribosomen)
Zellwand
+ Schutz des Protoplasten vor äußeren Noxen
+ Abbau der osmotischen Druckdifferenz
+ Formgebung der Zelle
Mureinschicht: (verantw. für die Rigidität d. Zellwand):
- Polysaccharidketten (abwechselnd N-Acetylmuraminsäure[MUR] und
N-Acetylglucosamin [GLU]); Ketten sind durch Peptide miteinander
verbunden.
Grampos. Bakterien: bis 40 Mureinschichten; 30% der Trockenmasse der
Zellwand. gramneg. Bakterien: 10% der Trockenmasse der Zellwand.
Äußere Membran: (nur bei gramnegativen Bakterien vorhanden): "unit
membrane" über Lipoproteine mit dem Murein verbunden. Die äußere
Membran enthält Porinproteine, die Kanäle oder Poren bilden. Weiters
ist an die äußere Membran das Lipopolysaccharid (LPS) angelagert,
das auch als Endotoxin!!! bezeichnet wird (Lipid A -
Kernpolysacch.(Core) - O-spezifischen Ketten! Typisierung).
Endotoxin stimuliert Makrophagen zur Produktion des endogenen,
hitzestabilen Pyrogens Interleukin 1.
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Kapseln: Schleim aus Polysacchariden: Schutz vor Phagocytose,
lytischen Enzymen, Phagen, Antigenstruktur (K-Antigene; ca 80
Serotypen bei Pneumokokken).
Geißeln: Beweglichkeit; Protein Flagellin; Geißelproteine sind gute
Antigene (H-Antigen der Enterobakterien). Sie dienen zusammen mit
dem O-Antigen (O-spez. Kette d. LPS) der Typisierung dieser Bakterien.
Pili, Fimbrien, Glykokalix: oberflächliche Anhangsgebilde, die kürzer
sind als Geißeln.Fimbrien und Pili sind zarte Proteinfäden, die für
adhäsive Vorgänge (Kolonisierung von Schleimhäuten) verantwortlich
sind (Adhäsine). Konjugationspili sind fädige Proteinhohlrohre, welche
die Konjugation ermöglichen.
Als Glykokalix werden Polysaccharidfäden bezeichnet, die das "Kleben"
an Zellen oder glatten Oberflächen ermöglichen.
Bakteriensporen: Dauerformen, die das bakterielle Genom bei
"ungünstigen äußeren Bedingungen" schützen. Zytoplasmamembran
stülpt sich ein, wächst um das Nukleoid herum, schnürt sich ab und
bildet einer doppelwandige Endospore. Sporen weisen erhebliche
Resistenzen gegenüber chemischen und physikalischen Noxen auf.
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Physiologie: Bakterienstoffwechsel
(Gesamtheit d. chemischen Reaktionen in der Bakterienzelle)
- anabol oder synthetisch: endergonisch (unter Energieverbrauch)
* photosynthetisch
* chemosynthetisch
Aus einfachsten Nährstoffen können Bakterien in kurzer Zeit
hochkomplizierte organische Moleküle synthetisieren.
Anwendung in der technischen Mikrobiologie:
z.B. Gewinnung von Antibiotika, Aminosäuren, Vitaminen
- katabol: exergonisch (liefern Energie durch Nährstoffabbau)
* lithotroph = anorganische Nährstoffe
* organotroph = organische Nährstoffe
Humanpathogene Bakterien sind chemosynthetisch - organotroph!
+ Energiequelle in Form von oxidierbaren organischen Substraten
+ C- und N-Quellen zur Synthese zahlreicher organischer Verbindungen
+ Mineralien (P, Ca, Mg..) als Aktivatoren von Enzymen
+ organische Verbindungen, die Bakterien nicht selbst synthetisieren
Als Nährstoffe kommen praktisch alle in der Natur vorkommenden
organischen Stoffe in Frage. Die Verarbeitung dieser Stoffe erfolgt
über eine vielfältige Reihe enzymatischer Prozesse, die in 4 Phasen
abläuft:
1) Verdauung: Spaltung organischer Energiequellen außerhalb der Zelle
durch Exoenzyme (manchmal wichtige Pathogenitätsfaktoren!).
2) Aufnahme niedermolekularer Nährstoffe durch passive Diffusion oder
aktiven Transport.
3) Vorbereitung zur Oxidation: z.B. Abspaltung von Carboxyl- oder
Aminogruppen, Phosphorilierung...
4) Oxidation: Entzug von Elektronen und H2-Ionen.
Je nach H2-Akzeptor unterscheidet man die
Respiration oder Atmung: H2-Akzeptor ist der Sauerstoff
anaerobe Respiration: H2-Akzeptor ist Sauerstoff als Bestandteil
eines anorganischen Salzes
Fermentation oder Gärung: H2-Akzeptor ist organische
Verbindung
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CHEMOTHERAPEUTIKA:
chemisch-synthetisch hergestellte, antimikrobiell wirksame
Substanzen,
wie z.B. Sulfonamide
ANTIBIOTIKA:
biosynthetisch gewonnene, antimikrobiell wirksame
Naturstoffe,
wie z.B. Penicillin
BAKTERIOSTASE:
reversible antibiotische Hemmung
des Wachstums bzw. der Vermehrung
einer Bakterienpopulation
z.B. Sulfonamide, Tetracycline...
BAKTERIZIDIE:
irreversible Schädigung und
Abtötung einer Bakterienpopulation
z.B. Penicilline, Cephalosporine...
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Resistenz
Bakterielle Eigenschaft, Antibiotikakonzentrationen, die im
Makroorganismus erreicht werden können, zu tolerieren („klinische
Resistenz“)!
1. natürliche Resistenz: stets vorhandene Unempfindlichkeit, d.h.
Lücke im Wirkungsspektrum des Antibiotikums
2. erworbene (chromosomale) Resistenz (primär oder sekundär):
Mutation im Chromosom lokalisiertere Gene; nur unter Selektionsdruck
kann sich eine resistente Population entwickeln!
3. extrachromosomale ("infektiöse") Resistenz: extrachromosomale
Gene als Träger von Resistenzfaktoren (Plasmide)
Resistenzeigenschaften können durch parasexuelle Prozesse
übertragen werden:
+ Konjugation: Übertragung von DNA über Plasmabrücken
+ Transformation: Übertragung von DNA von lysierten
Zellen auf spezifische Akzeptoren
+ Transduktion: Übertragung von Bakterien-DNA durch Phagen
(versehentliches "Miteinpacken" von Bakterien-DNA)
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Veränderung des Arzneimittelrezeptors
Antibiotika haben verschiedene Angriffspunkte in der Bakterienzelle.
Wird durch Mutation die Struktur dieser Angriffspunkte verändert, so kann
das Antibiotikum keine Bindung mehr eingehen und wird wirkungslos.
Beispiel: Streptomycin-Resistenz: beruht auf einer
Veränderung der 30-S-Ribosomen-Untereinheiten
Veränderung der Penetration des Antibiotikums
Bevor der Wirkstoff seinen Rezeptor erreicht, muss er durch die Zellwand penetrieren.
Durch Veränderungen im aktiven Transportgeschehen oder durch eine
herabgesetzte Permeabilität der äußeren Membran kann das Antibiotikum nicht mehr in die
Bakterienzelle gelangen.
Inaktivierung des Antibiotikums
Je nach Antibiotikum sind unterschiedliche Enzyme dafür verantwortlich.
Beispiel: β-Lactamasen: bewirken hydrolytische Spaltung des
β-Lactam-Rings von Penicillinen und Cephalosporinen
Resistenzmechanismen
Inaktivierende Enzyme: Hydrolyse oder Modifikation des
Antibiotikums z.B. Betalactamase (hydrolysiert Betalactamring)
Resistente Zielmoleküle: Durch Mutation werden Gen-Produkte
gebildet, die eine geringere Affinität zum Antibiotikum
aufweisen.
Permeabilitätsmechanismen: Reduzierter Influx bzw Efflux
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Chemotherapeutika: Antimikrobielle Wirkstoffe!
* Wirkungsspektrum: (natürliche Resistenz)
Schmalspektrum - Breitspektrum
* Wirkungsweise: bakteriostatisch - bakterizid
* Wirkungsmechanismen (Pharmakodynamik):
Angriffspunkt ist Zellwand, Zytoplasmamembran oder
Proteinsynthese
* Pharmakokinetik:
Resorption, Bindung an Serumeiweiß, Verteilung,
Gewebsdiffusion, Umbau, Abbau, Metabolisierung und
Ausscheidung
* chemisch-physikalische Eigenschaften
pH-Optimum, Stabilität, Löslichkeit
* Nebenerscheinungen
Toxizität, Allergie, Eliminierung der Normalflora
* Resistenzlage
Virulenzfaktoren
+ als Strukturelemente der Bakterienzelle (nicht toxisch)
+ als Stoffwechselprodukte (extrazellulär bzw. toxisch)
Biologische Funktion der Virulenzfaktoren
- Adhäsion: zur Kolonisation mittels wirtspezifischer Adhäsine
(z.B. Fimbrien, Pili)
- Invasion/Ausbreitung: gewebsschädigende Exoenzyme
(z.B. Streptokinase, Hyaluronidase, Kollagenase, Proteasen...)
- Toxine: Endotoxine (werden bei Zelltod frei; z.B. LPS)
Exotoxine (Eiweißstoffe, die von Bakterium nach Außen
abgegeben werden)
Zytotoxine, Neurotoxine, Enterotoxine
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Strategien gegen Infektabwehr des Wirtes:
- Antiphagocytose: Kapseln, Phagocytentoxine ...
- Immuntoleranz: Molekulare Mimikry (das Immunsystem erkennt
Bakterien nicht als fremd)
- Antigenvariation: Variabilität der Antigenproteine (z.B. Pili..)
- IgA-Proteasen: Bakterien zerstören spez. Antikörper
Epidemiologie
Lehre über Ursache, Entstehung und Verbreitung von Krankheiten!
Infektionskette:
a) Infektionsquelle:
primäre Qu. (Ort, an dem sich Erreger aufhält oder vermehrt; Mensch,
Tier=Zoonosen), Inkubationsausscheider,
Rekonvaleszenzausscheider, Dauerausscheider
sekundäre Quellen (Wasser, Boden, Luft)
b) Übertragungsweg: Tröpfcheninfektion (z.B. Erkältungskrankheiten)
Kontakt- und Schmierinfektion (z.B. Geschlechtskrankheiten)
c) empfindliches Individuum: Eigenschaften der Erregers (z.B. Virulenz)
und des Makroorganismus (z.B. Abwehrvermögen)
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Züchtung oder Kultivierung von Bakterien
Bakterien außerhalb ihres natürlichen Standortes zur Vermehrung
bringen.
Inokulation: Verbringung bakterienhältigen Materials in ein
Kulturmedium
Inkubation: "Bebrütung" der beimpften Kulturmedien
Kultur: die durch Vermehrung entstandene Bakterienpopulation
flüssige Kulturmedien: Nährbouillon (Fleischextrakt, Pepton, Glucose)
feste Kulturmedien: Nährbouillon + 2% Agar (Polysaccharid aus
Seetang)
- Minimalmedium: "Existenzminimum"
- Optimalmedium: Substrate im Überfluss
- Selektivmedium: selektiv für einzelne Keimgruppen
wachstumshemmend; zur Anreicherung "interessanter" Keime
um sie von Begleitflora zu trennen
- Differentialmedium: enthalten Stoffe, welche von einzelnen
Bakterienarten metabolisiert werden --> Stoffwechselprodukte
werden z.B. durch Farbindikatoren angezeigt ("Bunte Reihe")
Direkter Nachweis von Bakterien oder deren Produkten
* Mikroskop: nativ - Einfachfärbungen - Differentialfärbungen
Form- und Größe der Zellen, Flagellen, Kapseln, Sporen usw.,
Pseudozellverbände, Färbeverhalten
* Kultivierung: auf festen und flüssigen Nährmedien
- Makroskopisch-morphologische Merkmale der Kolonien
Physiologische Merkmale
- Wachstumsbedingungen (t°C, pH, pO2, pCO2, osmot.Druck,
Nährstoffe,Mineralien )
- Stoffwechseleigenschaften (Verwertung von C- und N-Quellen,
Nachweis von Stoffwechselprodukten und Enzymen)
- Chemische Merkmale (DNA-Struktur, Antigen-Struktur)
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• Schnelltest zur Unterscheidung von
• Staphylokokken und Streptokokken
positiv negativ
• Durchführung:
Bakterienkolonie wird mit einem Tropfen 3%iger
H2O2-Lösung Lösung
beträufelt. Aufsteigende Gasblasen zeigen die
Anwesenheit des Atmungskettenenzyms
Katalase an.
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• Schnelltest zur Unterscheidung von:
• Staphylococcus aureus ! positiv
Staph. Staph.
epidermidis ! negativ
• Durchführung:
Bakterienkolonie wird auf einen Objektträger aufgebracht und
mit einem Tropfen Latexsuspension verrührt. Die Latexteilchen
sind mit Humanfibrinogen und IgG beschichtet. Bei positiver
Reaktion kommt es zur Klumpenbildung.
Prinzip: Zur Agglutination kommt es durch Bindung des IgG an
das an der Zelloberfläche von Staph. Staph.
aureus-Stämmen
aureus Stämmen lokalisierte
Protein A und durch den Clumping-Faktor
Clumping Faktor, , der mit Fibrinogen
reagiert.
Kligler Zuckerspaltung
Dextrose
Lactose
H 2 S-
Bildung
BUNTE REIHE
Identifizierung von Enterobacteriaceae
Indol Harnstoff Citrat Nitrat Beweglichkeit
Glucose Tryptophan Harnstoff Kohlenstoff- Nitrat
Lactose
zu Ammoniumquelle !
Saccarose
carbonat
Nitrit
beweglich
unbeweglich
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BUNTE REIHE
Farbumschläge bei positiven Reaktionen und Zusatz von
Reagenzien
Harnstoffreagenz:
Indolreagenz: Phenolphtalein
p-Dimethylaminobenzaldahyd
Nitratreagenzien:
Sulfanilsäure
α-Naphthylamin
Essigsäure
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Das Testsystem beruht auf dem Prinzip der Bunten Reihe :
In einem Teststreifen mit 20 Mikroröhrchen befinden sich verschiedene
dehydrierte Testsubstanzen, die mit einer Bakteriensuspension in Aqua dest.
befüllt werden. Der Test wird anschließend bei 37°C ca. 24 Std. bebrütet.
Ein meist indikatorbedingter Farbumschlag zeigt an, ob die getesteten
Substanzen von Bakterien umgesetzt wurden.
Anhand der positiven Reaktionen lässt sich ein Zahlencode erstellen, der zur
Identifizierung der Keime führt.
+ + + + +
QNPG ADH LDC ODC ‚CIT H 2S URE TDA IND VP GEL GLU MAN IND SOR RHA SAC MEL AMY ARA OX
5 1 4 4
Kodierungsprinzip des API-Systems
z.B.: Escherichia coli
+ + + +
5 1 2
Gelbe Seite :
Anreicherungsmedium
für alle
Bakterien
Rote Seite:
Selektivmedium
für gram-neg.
Bakterien
Häufigste Erreger bakterieller Harnwegsinfektionen:
akute Infektionen, Escherichia coli
nicht hospitalisierte Patienten
Weiße Seite:
Selektivmedium
für Enterokokken
chronische Infektionen Proteus, Pseudomonaden, Klebsiella
hospitalisierte, kathederisierte Enterobacter, Enterococci,
Patienten Staphylococci
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