Bakterienzellwände verstehen: Zusammensetzung und Bedeutung

Bakterien sind eine große und vielfältige Gruppe von Prokaryoten, die viele Gebiete der Welt besiedelt haben, von Ozeanen über Sümpfe bis hin zu den Verdauungstrakten von Tieren. Ein nahezu universelles Merkmal von Bakterien ist das Vorhandensein einer Zellwand, die aus Peptidoglykan besteht. Diese Zellwand liegt außerhalb der schwachen Zellmembran, die die bakterielle Zelle umgibt. Variationen in der Zellwand zwischen Bakterien ermöglichen die Verwendung der Zellwand zur Identifizierung, und die wesentliche Natur der Zellwand hat ein Ziel bei der Behandlung vieler bakterieller Krankheiten geliefert.

Peptidoglykan

Die schwache bakterielle Membran der meisten Eubakterien wird von einer Zellwand umgeben, die aus Peptidoglykan besteht, auch bekannt als Murein. Peptidoglykan besteht aus zwei Aminozuckern mit einer Kette von fünf Aminosäuren, die sich von einem der Aminozucker erstreckt. Aminozucker sind Zucker, bei denen ein Amingruppe für eine der Hydroxylgruppen an einem Kohlenstoffatom ersetzt wurde. Einzelne Einheiten von Peptidoglykan sind durch die Entfernung eines Wassermoleküls aus den Aminozuckern zu Ketten verbunden, wodurch eine Bindung namens Glycosidbindung entsteht. Diese Ketten werden dann durch Peptidbindungen zwischen den Aminosäuren, die sich von den Peptidoglykan-Ketten erstrecken, vernetzt.

Gram-Färbung

Die bakterielle Zellwand ist oft eines der ersten Merkmale, die zur Identifizierung und Klassifizierung von Bakterien verwendet werden. Die Gram-Färbung verwendet einen violetten Farbstoff (Kristallviolett oder Methylenblau), gefolgt von Jodlösung nach Gram, um die Bakterien zu färben. Die Bakterien werden dann mit Entfärber (Mischung aus Ethanol und Aceton) gespült und ein rosa Farbstoff (Basis-Fuchsin oder Safranin) hinzugefügt. Nach der Gram-Färbung erscheinen gram-positive Bakterien wie Staphylococcus aureus violett, da ihre dickere Zellwand das große Molekül behält, das von Kristallviolett und Jod gebildet wird. Gram-negative Bakterien wie Escherichia coli erscheinen rosa, da ihre dünne Zellwand den rosa Farbstoff, aber nicht den violetten Farbstoff behält.

Säurefeste Färbung

Einige medizinisch wichtige Bakterien besitzen eine wachsartige Beschichtung über ihrer Zellwand, die während der Gram-Färbung ein schwaches gram-positives Ergebnis liefert. Diese Bakterien umfassen Mitglieder der Gattung Mycobacterium, die Lepra und Tuberkulose verursachen. Bei der säurefesten Färbung wird ein roter Farbstoff (Karbolfuchsin) verwendet, um die Bakterien zu färben, gefolgt von einer entfärbenden Spülung mit Säure-Alkohol-Lösung und einer Gegenfärbung mit Methylenblau. Säurefeste Bakterien erscheinen rot auf einem violetten Hintergrund, da sie der Entfärbung durch die Säure-Alkohol-Lösung widerstehen.

Penicillin

Viele Antibiotika wurden gefunden und modifiziert, die die Synthese der Zellwand in Bakterien angreifen. Eines der berühmtesten davon ist Penicillin. Bakterien verwenden Enzyme, um die Peptidoglykan-Ketten zu trennen, um ein Wachstum nach der binären Teilung zu ermöglichen. Diese Ketten werden dann mit neu hinzugefügten Ketten wieder verbunden. Penicillin greift spezifisch das Enzym an, das die Ketten wieder miteinander verbindet, wodurch die Bakterien aufgrund der Belastung ihrer schwachen Zellmembran platzen. Da Menschen und andere Eukaryoten keine Zellwand aus Peptidoglykan und die für die bakterielle Zellwandsynthese notwendigen Enzyme besitzen, greift Penicillin das Bakterium an, ignoriert jedoch den Wirt. Allerdings können einige Individuen eine allergische Reaktion auf Penicillin entwickeln, die potenziell lebensbedrohlich sein kann.

Penicillinase

Penicillin ist eine natürliche Verbindung, die von Schimmelpilzen der Gattung Penicillium produziert wird. Es ist daher nicht überraschend, dass das natürliche Vorkommen von Penicillin bei einigen Bakterien zu der Fähigkeit geführt hat, diese Verbindung zu neutralisieren. Penicillinase ist ein Enzym, das ein bestimmtes Merkmal in der Struktur von Penicillin und eng verwandten Verbindungen aufbricht. Penicillinase wird auf Plasmiden kodiert, kurzen DNA-Stücken, die unabhängig vom bakteriellen Genom replizieren und zwischen Bakterien übertragen werden können. Penicillinase-produzierende Stämme krankheitserregender Bakterien sind aufgrund des weit verbreiteten und unterschiedslosen Gebrauchs dieser Antibiotika zunehmend häufiger geworden.

Bakterien ohne Peptidoglykan

Die Gattung Mycoplasma ist unter Bakterien einzigartig, da sie vollständig ohne Zellwand auskommen. Diese Bakterien überwinden die Schwäche einer bakteriellen Zellmembran, indem sie Verbindungen namens Sterole in ihre Zellmembran einbauen. Interessanterweise sind die Bakterien nicht in der Lage, Sterole herzustellen, sondern erwerben diese Verbindungen von einem Wirtorganismus. Mitglieder der Gattung Chlamydia weichen ebenfalls von der Norm des Peptidoglykans ab, indem sie Proteine an deren Stelle verwenden.