Bakterien – Aufbau, Funktion, Krankheiten & Antibiotika

Bakterien sind Mikroorganismen, die in nahezu jedem Lebensraum der Erde vorkommen, von den tiefsten Ozeanen bis hin zu den extremsten Wüstenregionen. Diese einzelligen Organismen spielen eine zentrale Rolle in den biologischen Prozessen unseres Planeten und sind sowohl für die Umwelt als auch für den menschlichen Körper von entscheidender Bedeutung. Während sie häufig essentielle Funktionen übernehmen, wie die Zersetzung organischer Stoffe oder die Unterstützung der Verdauung, können einige auch Krankheiten verursachen und die Gesundheit gefährden. Dieser Artikel bietet einen umfassenden Überblick über die vielfältigen Eigenschaften eines Bakteriums, seine Funktionen, die Bedeutung seiner Rolle in der Natur und den Herausforderungen, die Pathogenitäten und Antibiotikaresistenzen mit sich bringen.

Bakterien – Definition

Bakterien sind winzige, einzellige Mikroorganismen, die in fast allen Umgebungen vorkommen, einschließlich des menschlichen Körpers. Sie gehören zu den Prokaryoten, deren Zellen keinen echten Zellkern haben. In der menschlichen Biomasse machen die Organismen einen erheblichen Teil aus, besonders auf der Haut, dem Genitaltrakt und im Darm, wo sie die Verdauung unterstützen und das Immunsystem stärken. Diese Bakterien bilden das Mikrobiom, das wichtig für die Gesundheit ist. Während einige Bakterien Krankheiten verursachen können, sind die meisten harmlos oder sogar nützlich. Insgesamt tragen sie entscheidend zur Aufrechterhaltung der biologischen Prozesse im menschlichen Körper bei.

Aufbau von Bakterien

Als Prokaryoten unterscheiden sich Bakterien im Aufbau deutlich von den Eukaryoten, zu denen unter anderem Menschen, Tiere und Pflanzen gehören. Sie besitzen keinen Zellkern, stattdessen liegt ihre DNA frei im Zytoplasma. Das meiste davon befindet sich gedrängt in einer Region, die als Nukleoid bezeichnet wird. Weitere DNA-Teile liegen als Plasmide vor. Die Bakterienzelle ist von einer Zellmembran umgeben, die den Stoffaustausch reguliert, und häufig zusätzlich von einer starren Zellwand, die der Zelle Stabilität verleiht. Manches Bakterium besitzt auch eine äußere Schleimhülle oder Kapsel, die es vor Umwelteinflüssen schützt. Im Inneren der Zelle befinden sich Ribosomen zur Proteinsynthese, jedoch keine membranbegrenzten Organellen wie bei Eukaryoten. Einige Bakterien verfügen über Geißeln oder Pili, die der Fortbewegung oder der Anheftung an Oberflächen dienen.

Zellwand

Die Zellwand gehört zu den wichtigsten Schutzmechanismen vieler Bakterien. Sie ist der Zellmembran aufgelagert und besteht aus Murein (Peptidoglykan), das die Zelle netzartig umgibt und eine Art Korsett bildet. Seine langen Zuckerketten werden mittels bestimmter Aminosäuren quervernetzt. Viele dieser Strukturen sind charakteristisch für Bakterien und kommen bei menschlichen Zellen nicht vor, weswegen sie beispielsweise vom Immunsystem als Erkennungsmuster oder in der Medizin als Angriffspunkt für Antibiotika genutzt werden können. Die Zellwand gibt darüber hinaus die Form des Bakteriums vor, die charakteristisch für verschiedene Arten ist:

Quelle: Duale Reihe Medizinische Mikrobiologie. 8., unveränderte Auflage. Stuttgart: Thieme; 2022

Je nach Bakterienart können Strukturen zur Anheftung, Bewegung, Sekretion oder zum Schutz der Zelle an die Zellwand angelagert sein.

Atmungskette

Bei Bakterien ist die Atmungskette in der Zellmembran lokalisiert, da sie keine membranbegrenzten Organellen wie Mitochondrien besitzen. Der Prozess beginnt in der Zellmembran, wo Elektronen aus dem Abbau von Nährstoffen (z. B. aus der Glykolyse oder dem Citratzyklus) an eine Reihe von Proteinen und Enzymen übergeben werden, die in die Membran eingebettet sind. Diese Proteine transportieren Elektronen entlang der Membran, wodurch Protonen (H⁺) aus dem Zytoplasma in den extrazellulären Raum gepumpt werden. Dies erzeugt einen Protonengradienten.

Man unterscheidet zwei Arten: Am Ende der Atmungskette wird bei aeroben Bakterien Sauerstoff als terminaler Elektronenakzeptor genutzt, wobei Wasser entsteht. Anaerobe Bakterien verwenden stattdessen alternative Elektronenakzeptoren wie Nitrat oder Sulfat. Der Protonengradient, der über die Zellmembran aufgebaut wird, treibt die ATP-Synthase an, ein Enzym, das den Protonenfluss nutzt, um ATP aus ADP zu synthetisieren. Dieser Prozess der ATP-Produktion nennt sich oxidative Phosphorylierung und ist in der Zellmembran lokalisiert.

Bakterien – Funktion im menschlichen Körper

Bakterien spielen im menschlichen Körper eine zentrale Rolle und sind in verschiedenen Bereichen für das Gleichgewicht und die Gesundheit von großer Bedeutung.

Darm

Im Darm, insbesondere im Dickdarm, bilden Bakterien das sogenannte Mikrobiom. Diese Bakterien sind essenziell für die Verdauung von Ballaststoffen, die der menschliche Körper selbst nicht abbauen kann. Sie produzieren kurzkettige Fettsäuren und Vitamine wie Vitamin K und einige B-Vitamine. Zudem helfen sie, schädliche Mikroorganismen zu verdrängen und stärken das Immunsystem.

Haut

Auf der Haut befindet sich eine Vielzahl von Bakterien, die als Hautflora oder Mikrobiota bekannt sind. Diese Mikroben schützen vor Krankheitserregern, indem sie die Besiedlung der Haut durch schädliche Erreger verhindern. Sie tragen auch zur Aufrechterhaltung des Säuremantels der Haut bei, der die Hautbarriere stärkt.

Mund

Im Mundraum gibt es Bakterien, die eine wichtige Rolle beim Schutz der Mundschleimhaut spielen und bei der Zersetzung von Nahrung helfen. Einige produzieren Stoffe, die das Wachstum pathogener Mikroben hemmen, während andere in der Plaquebildung und der Entstehung von Karies beteiligt sein können, wenn das Gleichgewicht gestört ist.

Atemwege

Auch in den oberen Atemwegen, wie der Nasenschleimhaut und dem Rachen, befinden sich Bakterien, die dazu beitragen, pathogene Organismen abzuwehren. Sie besetzen ökologische Nischen, sodass schädliche Mikroben keinen Platz zum Ansiedeln haben. Ein stabiles Gleichgewicht der Atemwegsflora kann Infektionen verhindern.

Geschlechtsorgane

Besonders bei Menschen mit Vagina ist die hier vorkommende Bakterienflora von großer Bedeutung. Laktobazillen sorgen durch die Produktion von Milchsäure für ein saures Milieu, das pathogene Keime, wie Pilze und schädliche Bakterien, hemmt. Sie schützen so vor Infektionen wie bakteriellen Vaginosen. Die pH-Wert der Vagina ist darüber hinaus von Bedeutung für die Passierbarkeit durch Spermien.

Bakterien – Pathogenität und Krankheitswert

Pathogene Bakterien sind Mikroben, die durch verschiedene Mechanismen Gewebe schädigen und krankhafte Reaktionen im Wirt auslösen können. Die Pathogenität kann durch Faktoren wie Toxine, Enzyme und Oberflächenstrukturen vermittelt werden. Beispielsweise produzieren einige Bakterien, wie Streptococcus pyogenes, Toxine, die Gewebe schädigen und entzündliche Reaktionen hervorrufen. Andere Bakterien, wie Escherichia coli, produzieren Exotoxine oder besitzen Adhäsine, die es ihnen ermöglichen, sich an Zelloberflächen anzuheften und so Infektionen zu etablieren.

Zusätzlich zur direkten Schädigung von Geweben können die Mikroorganismen auch das Immunsystem des Wirts beeinflussen. Einige Pathogene sind in der Lage, die Immunantwort zu umgehen oder zu unterdrücken, wodurch sie sich erfolgreich vermehren und eine chronische Infektion aufrechterhalten können. Zum Beispiel kann Mycobacterium tuberculosis, der Erreger der Tuberkulose, in den Zellen des Immunsystems überleben und diese von innen heraus schädigen. Die Fähigkeit von Bakterien, Resistenzmechanismen gegen Antibiotika zu entwickeln, stellt ebenfalls eine große Herausforderung dar und verschärft die Problematik der Bekämpfung bakterieller Infektionen.

Infektion – Arten und Vermeidung

Bakterien können auf verschiedene Weise übertragen werden, einschließlich direktem Kontakt, wie bei der Berührung von infizierten Personen oder Oberflächen, die mit Bakterien kontaminiert sind (Schmierinfektion). Sie können auch durch Tröpfcheninfektion verbreitet werden, wenn eine infizierte Person beim Sprechen, Husten oder Niesen Bakterien in die Luft abgibt, die von anderen eingeatmet werden. Zusätzlich können Bakterien durch verunreinigte Lebensmittel oder Wasser aufgenommen werden, was zu gastrointestinalen Infektionen führen kann.

Hygienische Händedesinfektion

Das wichtigste Mittel um die Übertragung von Bakterien zu verhindern (vor allem im klinischen Kontext) ist die hygienische Handdesinfektion. Meist verwendet man ein Mittel auf der Basis von Alkohol, mit dem man die Haut für 30 Sekunden benetzt. Die Desinfektion wird zu fünf Momenten im klinischen Alltag durchgeführt:

• Vor Patientenkontakt
• Vor Beginn aseptischer Tätigkeiten (auch mit Handschuhen)
• Nach Patientenkontakt
• Nach Kontakt mit potentiell infektiösem Material (auch mit Handschuhen)
• Nach Kontakt mit der Patientenumgebung (Tisch, Bett, persönliche Gegenstände, …)

In den meisten Fällen reicht die Desinfektion für den Hygienestandart aus. Eine Ausnahme bildet der potenzielle Kontakt mit spurenbildenden Bakterien, wie Chlostridien. Danach ist die Handwaschung mit Seife indiziert.

Bakterien – Behandlung mit Antibiotika

Die Behandlung von bakteriellen Infektionen mit Antibiotika basiert auf der Fähigkeit dieser Medikamente, spezifisch Bakterien abzutöten oder deren Wachstum zu hemmen, während sie menschliche Zellen weitgehend unbeeinflusst lassen. Antibiotika wirken durch verschiedene Mechanismen, wie die Hemmung der Zellwandsynthese, die Störung der Proteinbiosynthese oder die Blockierung der DNA-Replikation. Zum Beispiel hemmen Penicilline die Bildung der bakteriellen Zellwand, wodurch die Bakterien lysieren (auflösen), während Tetracycline die Proteinsynthese durch Bindung an ribosomale Untereinheiten stören.

Die effektive Anwendung von Antibiotika erfordert jedoch eine präzise Diagnose, um das geeignete Mittel gegen den spezifischen Erreger auszuwählen und die richtige Dosierung zu bestimmen. Ein erhebliches Problem in der Antibiotikatherapie ist die Entwicklung von Resistenzen, bei der Bakterien Mutationen oder Resistenzgene erwerben, die sie gegenüber den Wirkstoffen unempfindlich machen. Dies kann durch den unsachgemäßen Gebrauch oder übermäßigen Einsatz von Antibiotika begünstigt werden, weshalb eine gezielte und verantwortungsvolle Verschreibung sowie die vollständige Einnahme der verordneten Therapie entscheidend sind, um die Wirksamkeit der Antibiotika langfristig zu erhalten.