Dr. Gerald Hühner                                          Gimptuj                                           huehnersi@web.de

                                                                                                                               

Europa-Klasse, ECP 2eo

Gymnasium Ptuj 2006/7

 

Interdisziplinärer Unterricht zum Thema :

Bakterien – Penicillin

 

 

Ergänzungen zum Fachunterricht in slowenischer Sprache:

Einsatzmöglichkeit: Wortschatzarbeit, Übungen zum Leseverstehen, Erarbeitung von Kontextwissen

 

 

Texte und Materialien zur Unterrichtsarbeit (Quellen im Anhang):

 

 

Kleines Glossar

 

Antibiotika Stoffe, die das Wachstum der Bakterien hemmen oder sie töten

 

Bakterien

Ein Begriff für zwei

Der Begriff "Bakterien" ist nicht eindeutig definiert: Die einen verstehen darunter die "echten Bakterien" (Eubacteria), die anderen betrachten den unscharfen Begriff als Oberbegriff zu Eubakterien und Archäa. Beide Gruppen unterscheiden sich genetisch und molekularbiologisch sehr stark, so dass davon auszugehen ist, dass beide gänzliche eigene Organismenzweige gegenüber den Eukaryonten darstellen. Gemeinsam ist beiden jedoch, dass es sich in der Regel um Einzeller handelt, deren DNA frei in der Zelle schwimmt und die keine innere Differenzierung in Zellorganelle besitzen.

 

Bakterien sind Prokaryonten mit relativ einfachen Zellstrukturen, die keine  subzellären Kompartimentierungen aufweisen. Ihre Beschreibung erfolgt nach morphologischen und biochemisch-physiologischen Charakteristika. Bakterien können zumeist auf Nährböden gezüchtet werden und sie vermehren sich durch Zweiteilung. Die Mehrheit der Bakterien lebt heterotroph, jedoch einige besitzen die  Fähigkeit Licht als Energiequelle zum Wachsen zu nutzen. Man nennt diese photoautotroph.

 

Bacterizide Antibiotika, die Bakterien töten

Bacteriostatica Antibiotika, die das Wachstum der Bakterien hemmen

 

Biologische Waffen (als Teil der „ABC-Waffen“)

Resistenz - resistent

 

 

 

 

Bakterien

 

Schema einer Bakterienzelle


(Rechte: SWR)

 

 

Bakterien (griechisch bakterion: Stäbchen) sind eine große Gruppe einzelliger Organismen ohne echten, klar umrissenen Zellkern. Sie kommen in unvorstellbar großer Zahl in fast allen Lebensräumen der Erde vor. So besiedeln diese Mikroorganismen auch den Menschen. Unser Körper besteht aus 100 Billionen Zellen, aber 1000 mal mehr Bakterienzellen besiedeln ihn. Manche bilden sogar eine Symbiose mit unserem Organismus, indem sie in der Darmflora wichtige Vitamine und Mineralstoff aus dem Verdauungsbrei für die Aufnahme in den Blutkreislauf bereitstellen. Am häufigsten nehmen wir Bakterien allerdings als Krankheitserreger oder als Verursacher von verdorbenen Lebensmitteln wahr. Jedoch sind diese kleinen Mikroben für die ökologischen Prozesse auf der Erde unentbehrlich. Sie sorgen als Destruenten dafür, dass Stickstoff, Kohlenstoff und andere wichtige Elemente in den Organismen nach deren Absterben den Stoffkreisläufen in mineralischer Form wieder zugeführt werden. Bakterien sind mit 1 bis 10µm (Ein Mikrometer - veraltet auch Mikron, oder My nach dem griechischen Buchstaben µ -, abgekürzt µm, entspricht dem Millionstel eines Meters: 1 µm = 10-6 m ... ) mikroskopisch klein und ihre Zellen sind sehr unterschiedlich geformt. Man unterscheidet kugelige, stäbchenförmige und spiralig gewundene Arten. Manchmal bilden die Einzelzellen größere Zellverbände, aber niemals vielzellige Organismen mit differenzierten Geweben.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Was sind Bakterien?

 

Viele Bakterien sind für Menschen lebenswichtig:

 

Bakterien sind Lebewesen ohne echten Zellkern. Sie werden deshalb auch als Prokaryonten bezeichnet. Zellen, die einen Zellkern besitzen, werden dagegen Eukaryonten genannt, das sind z. B. pflanzliche und tierische Zellen. Bakterien haben in ihrem Inneren eine ringförmige DNA und ihre Zellwand ist kohlenhydratreich. Diese Zellwand kann von unserem Immunsystem gut erkannt werden. Deshalb tarnen sich einige Bakterien mit einer Schleimkapsel. Viele Bakterien sind für uns Menschen sehr nützlich, z. B. in der Darmflora. Andere können zu akuten Erkrankungen führen. Bakterielle Infektionen beginnen meistens lokal, an einer bestimmten Stelle. Sie können sich auf den ganzen Körper ausdehnen.

 

Bakterien können kugel-, stäbchen- oder spiralförmig sein.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Es gibt Hunderte verschiedener Bakteriengruppen. Unter dem Mikroskop lassen sich drei verschiedene Formen unterschieden:

Bakterien können entweder nur mit oder nur ohne Sauerstoff leben:

Neben der äußeren Form gibt es auch noch andere Unterschied zwischen einzelnen Bakterien. Es gibt Bakterien mit aerobem oder anaeroben Stoffwechsel. Aerob bedeutet, dass die Bakterien eine Umgebung brauchen, in dem Sauerstoff vorhanden sind. Schließt man diese Bakterien vom Sauerstoff aus, so ersticken sie. Anaerob bedeuten dagegen, dass diese Bakterien nur dann gedeihen können, wenn kein Sauerstoff vorhanden ist. Setzt man sie der Luft aus, so sterben sie.

Manche Bakterien können Sporen bilden:

Bakterien vermehren sich durch Zellteilung. Wenn die Lebensbedingungen gut sind, geht das sehr schnell. Einige Bakterien bilden auch Sporen. Sporen sind außerordentlich widerstandsfähige und in dieser Form inaktive Bakterien, die sehr lange unter ungünstigen Lebensbedingungen überleben können, weil sie praktisch keinen Stoffwechsel haben. Kommen Sporen, z. B. über Staub, in ein günstiges Umfeld werden sie wieder aktiv und vermehren sich.

Schematische Darstellung eines Stäbchenbakteriums

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Um Bakterien unterscheiden zu können, werden sie häufig im Labor mit Farbstoffen markiert. Die weltweit bekannteste und am häufigsten angewandte Färbemethode ist die Gram-Färbung, die auf den dänischen Arzt und Pharmakologen Hans Christian J. Gram (1853 - 1938) zurückgeht.

Murein ist ein Bestandteil der Zellwand von Bakterien, die das Bakterium schützen soll. Es kleidet die Bakterienzellwand wie ein Netz aus. Manche Bakterien besitzen ein einschichtiges Murein, bei anderen besteht das Murein aus vielen Schichten. Bei der Gram-Färbung werden Bakterien auf einem Objektträger fixiert und dann mit Kristallviolett gefärbt. Dadurch erhalten alle Bakterien eine blaue Farbe. Danach wird mit Jod-Kaliumjodid gebeizt und schließlich das Bakterium mit Alkohol wieder entfärbt. Bei der Entfärbung verhalten sich Bakterien unterschiedlich:

Wichtig ist diese Unterscheidung im Hinblick auf die Antibiotikatherapie.

Neben der Mureinschicht besteht die Zellwand eines Bakteriums innen aus dem Zytoplasma, einer Membran, die aus einer Doppelschicht von Phospholipiden aufgebaut ist. Eine genaue Darstellung dieser Membran finden Sie hier. Auch die äußere Membran der Zellwand besteht aus einer Phospholipiddoppelschicht. Einige Bakterien sind außerdem mit einer Schleimkapsel umgeben. Sie besteht aus Zuckern und Eiweißen und erschwert dem menschlichen Immunsystem die Erkennung dieser Bakterien. Sie können deshalb nicht so gut abgewehrt werden. Geißeln dienen den Bakterien als Fortbewegung. Mit den deutlich kleineren Fimbrien dagegen können sich Bakterien an Oberflächen festheften.

 

 

Die Geschichte des Penicillins

 

Zur Bekämpfung bakterieller Erkrankungen werden heutzutage ganz selbstverständlich Antibiotika eingesetzt, mit deren Hilfe viele Krankheiten, die früher häufig tödlich verliefen, gemildert und geheilt werden. Obwohl Penicillin, das erste Antibiotikum, heutzutage bei vielen Keimen wegen Antibiotika-Resistenzen nicht mehr hilft, galt es während des Zweiten Weltkrieges als "Lebensretter".

Zufällige Verunreinigung

Für den schottischen Arzt Dr. Alexander Fleming (1881 - 1955) war es eine große Überraschung, als er 1928 bei Forschungsarbeiten im St. Mary´s Hospital in London eine "veränderte" Kulturschale vorfand. Die Platte war mit blau-grünem Schimmel überdeckt und seine Bakterienkolonien waren stark in Ihrem Wachstum gehemmt. Fleming beschrieb seinen Fund folgendermaßen: "Erstaunlicherweise zersetzen sich die Staphylococcus-Kolonien in einem beträchtlichen Umkreis um den Schimmelwuchs. Was früher eine ausgewachsene Kolonie war, war jetzt nur noch ein kümmerlicher Rest." Seine Untersuchungen ergaben, dass Penicillium notatum der "Übeltäter" war.

Ähnliche Beobachtungen haben vor Fleming schon andere Forscher gemacht, doch ging Fleming in seinen Untersuchungen weiter und fand, dass der Pilz viele, für den Menschen tödliche Bakterien im Wachstum hemmt, weiße Blutkörperchen allerdings nicht angreift.

1929 veröffentlichte Fleming seine Entdeckungen, aber die medizinische Fachwelt schenkte dem kaum Beachtung. 1938 stießen zwei Wissenschaftler (Howard Florey und Ernst Chain) auf seine Veröffentlichung und schafften es, Penicillin zu isolieren und in großen Mengen zu produzieren. 1945 erhielten Fleming, Florey und Chain den Nobelpreis für Medizin und Physiologie. In seiner Rede sprach Fleming von einer "rein zufälligen" Verunreinigung. Dieser "Verunreinigung" sei Dank: seit 1944 wird Penicillin großtechnisch produziert und erfolgreich bei der Bekämpfung vieler Infektionskrankheiten eingesetzt.

 

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Porträt: Die Geschichte des Penicillins
 

Entdeckung dank Gevatter Zufall
Alexander Fleming wurde am 6. August 1881 im schottischen Lochfield geboren. Als Arzt sammelte er im Ersten Weltkrieg Erfahrungen mit Wundheilungen. Nach dem Krieg arbeitete er am Londoner St. Mary's Hospital. Dort entdeckte er 1921 in der Nasenschleimhaut und den Tränen Enzyme, die antibakteriell wirkten. Er nannte den Wirkstoff "Lysozym". Doch nach jahrelanger Arbeit zeigte sich, dass das Lysozym nur gegen wenige Keime wirkte. Enttäuscht fuhr Fleming im Sommer 1928 in Urlaub. Im Labor ließ er versehentlich ein paar Petrischalen mit Bakterienkulturen zurück. Er hatte vergessen die Proben in den Kühlschrank zu stellen.

 

Alexander Fleming

 

 

 

 

Als Fleming aus dem Urlaub zurückkehrte, sah er, dass eine seiner Staphylokokken-Kulturen teilweise mit Schimmel überzogen war. Die Schimmelpilze hatten offenbar die Bakterien an manchen Stellen zurückgedrängt. Fleming notierte in seinem Laborbericht: "Aus unerklärlichen Gründen haben sich die Bakterien an einigen Stellen aufgelöst".Bei dem Pilz handelte es sich um einen seltenen Vertreter der Gattung "Penicillium". Fleming extrahierte das Ausscheidungsprodukt des Pilzes und nannte es "Penicillin". Damit war das erste Antibiotikum gefunden. 1929 veröffentlichte er seine Erkenntnisse, doch sie blieben zunächst unbeachtet. Mehr als ein Jahrzehnt verging, bis seine Entdeckung wieder aufgegriffen wurde.

 

Der Durchbruch des Penicillins
Der Chemiker Ernst Chain entschlüsselte die chemische Formel des Penicillins. Unter der Leitung des Pathologen Howard Florey wurde das Antibiotikum ab 1941 industriell hergestellt. Davon profitierten zunächst Soldaten, die im Zweiten Weltkrieg verwundet worden waren. Erst ab 1945 kam das lebensrettende Penicillin auch der Zivilbevölkerung zugute. Nach wie vor sind Antibiotika bei der Behandlung vieler bakterieller Infektionen unverzichtbar. 1945 erhielten alle drei Forscher den Nobelpreis für Medizin.Penicillin greift die Zellwand von Bakterien an. Es werden gewissermaßen "Webfehler eingebaut". Wenn die Bakterienhülle wächst, verliert diese an Festigkeit und platzt schließlich.

 

 

  

 

Historische Penicillin-Medikamentenpackung im Regal

 

      

 

 

 

 

 

(05.09.2003)

 

Vor 75 Jahren wurde das Penicillin entdeckt

Am 3. September 1928 entdeckt der Forscher Alexander Fleming, dass ein bestimmter Pilzextrakt eine ganze Reihe von Keimen töten kann. Der spätere Nobelpreisträger legt damit den Grundstein zur Bekämpfung lebensbedrohlicher Krankheiten. Auch heute ist das erste moderne Antibiotikum nicht aus den Kliniken wegzudenken.

Antibiotika: Sieg über die Bakterien?

Die Geschichte der Antibiotika ist im Grunde die der Einlösung eines großen Versprechens - allerdings einer verspäteten und nur unvollständigen. Im 19. Jahrhundert hatte man erkannt, dass bestimmte Mikroben bestimmte Krankheiten hervorrufen. Dieses Wissen über die bakteriellen Erreger der Pest, Cholera oder Tuberkulose ließ die Zeitgenossen glauben, dass es ein Leichtes sei, spezifische Medikamente gegen die gefürchteten Erreger zu finden. Idealerweise sollte ein solches Heilmittel nicht nur wirksam gegen die Krankheit sein, es sollte auch nur die Bakterien und nicht den Menschen schädigen. Tatsächlich blieb die Suche nach dieser »Zauberkugel« gegen Infektionskrankheiten, die in den 1890er-Jahren mit den Arbeiten Paul Ehrlichs begann, zunächst ohne größere Erfolge.

Synthetische Farbstoffe, die sich so gut zum Färben mikroskopischer Präparate geeignet hatten, schienen einen Königsweg zu bieten: Da einige von ihnen nur Bakterien, nicht jedoch Körpergewebe färben, versuchte man auf diesem Wege einen Wirkstoff gezielt an den Ort der Infektion zu transportieren. Man testete auch solche Farbstoffe selbst auf ihre pharmakologische Wirksamkeit. Die Resultate der Forschungen waren jedoch enttäuschend, die wenigen Mittel, die man fand, wie 1909 das Salvarsan gegen Syphilis, halfen nur bedingt und hatten zumeist schwere Nebenwirkungen. Dennoch führte diese Richtung der Forschung später zu bedeutenden Erfolgen: Gerhardt Domagks Entwicklung der Sulfonamide aus synthetischen Wollfärbemitteln ab 1932 war ein großer Schritt nach vorn. Damit wurde zum ersten Mal eine Substanz entwickelt, die spezifisch gegen eine Reihe von bakteriellen Infektionen wirkte. Domagk wies dies im Labor anhand von mit Streptokokken infizierten Mäusen nach. Dem 1935 erstmals verkauften Medikament Prontosil folgten eine Reihe verwandter Präparate, die zum Teil noch heute Gebrauch finden. Nach unserem Kenntnisstand zerstören Sulfonamide Bakterien zwar nicht, bremsen aber deren Vermehrung und erleichtern so dem körpereigenen Immunsystem die Arbeit.


Penicillin - Die neue Wunderwaffe

Der Durchbruch kam aus einer völlig anderen Richtung. Der schottische Bakteriologe Alexander Fleming experimentierte 1928 mit Kulturen des Bakteriums Staphylococcus aureus, eines der Erreger der Lungenentzündung. An einer verunreinigten Kultur beobachtete er, dass ein bestimmter Pilz, den er als Penicillium notatum bestimmte, die Fähigkeit besaß, Bakterienkulturen aufzulösen. Dass diese Wirkung Bakterienzellen, und zwar nur diese betrifft, lässt sich heutzutage so erklären, dass die Absonderungen des Pilzes nur die primitiv aufgebauten Bakterienzellen angreifen können, während sie bei menschlichen Gewebezellen in der Regel keine Wirkung haben. Im Unterschied zur antibakteriellen Chemotherapie, die die Wirkung neuartiger, synthetischer Stoffe untersucht hatte, setzte Flemings Beobachtung also an einem natürlichen Prozess an. Der Antagonismus bestimmter Pilze und Bakterien war etwa von Louis Pasteur bei der Untersuchung von Friedhofserde 1877 bereits beobachtet worden.

Flemings Beobachtung wurde allerdings erst nach Domagks Erfolg mit den Sulfonamiden systematisch weiterentwickelt. Ab 1938 gelang es in Oxford dem Australier Howard Walter Florey und dem aus Deutschland emigrierten Ernest Boris Chain aus dem Pilzextrakt den Wirkstoff zu isolieren und in Tierversuchen erfolgreich zu erproben. Auf dieser Basis konnten schließlich amerikanische Pharmaunternehmen die vorher nur in winzigen Dosen zu gewinnende Substanz synthetisch in großen Mengen herstellen. Bereits im Zweiten Weltkrieg rettete sie zahlreiche alliierte Soldaten vor dem sicheren Tod durch Blutvergiftung. Als nicht minder nützlich erwies sich Penicillin gegen die im Militär weit verbreiteten Geschlechtskrankheiten wie die als Tripper bekannte Gonorrhö. Erst einige Jahre nach dem Krieg wurde das Mittel, das zunächst nur alliierten Soldaten und Prostituierten zur Verfügung gestanden hatte, in Deutschland allgemein verfügbar. In der Zwischenzeit versuchte man sich auf andere Weise zu helfen, etwa indem man Penicillin aus dem Urin damit behandelter Personen wiedergewann.

Es zeigte sich nicht nur, dass Penicillin selbst gegen eine ganze Reihe von Infektionen wirksam war, vor allem gelang es ab den 1940er-Jahren, in rascher Folge eine ganze Reihe von verwandten Wirkstoffen zu finden. Das Zeitalter der Antibiotika begann, und Krankheiten, die in der Vergangenheit fast einem Todesurteil gleichgekommen waren, schienen nun ihrerseits vom Aussterben bedroht: Blutvergiftung und Kindbettfieber, vordem fast mit Sicherheit tödliche Infektionen, waren jetzt aussichtsreich therapierbar. Lungenentzündung, eine Krankheit, die noch vor dem Zweiten Weltkrieg für über 80 % der Patienten den Tod bedeutete, wurde 1964 von ebenfalls über 80 % überlebt.

Neben dem Penicillin vielleicht das berühmteste Antibiotikum ist Streptomycin. Der von im Boden lebenden Pilzen produzierte Wirkstoff wurde 1943 in den USA von Selman A. Waksman und Mitarbeitern entdeckt. Er beendete in der westlichen Welt vorläufig die Karriere des größten Killers des 19. Jahrhunderts: der Tuberkulose. Diese Krankheit, die noch im 19. Jahrhundert die größte einzelne Todesursache in Mitteleuropa gewesen war, war zwar infolge verbesserter Lebensverhältnisse bereits auf dem Rückzug. Streptomycin konnte sie aber schließlich auf einen minimalen Prozentsatz zurückdrängen und machte die vorher üblichen Zeit raubenden Sanatoriumsaufenthalte zur Therapie überflüssig.


Macht und Ohnmacht

Die Euphorie über die Wunderwaffe erhielt jedoch schon bald einen Dämpfer. Es zeigte sich, dass die mit Antibiotika attackierten Bakterien nicht wehrlos waren. Vielmehr bewiesen sie eine ganz erstaunliche Fähigkeit, sich durch Mutation gegen immer mehr und neue Antibiotika zu schützen. Waren anfangs, um 1940, nur 1 % der Staphylokokken gegen Penicillin resistent, so sind es heutzutage 95 %. Durch den Einsatz immer neuer Antibiotika kam es zur Entwicklung multiresistenter Bakterienstämme, die gleich gegen mehrere Antibiotika unempfindlich sind. Gerade in Krankenhäusern entwickeln sich durch die dort intensive Bekämpfung mit antibakteriellen Maßnahmen gelegentlich Bakterienstämme von solch massiver Resistenz, dass manchmal nur noch ein Abriss des Gebäudes als Lösung bleibt. Um auf ein oben gewähltes Beispiel zurückzukommen, in den USA sind Stämme des Tuberkulosebakteriums Mycobakterium tuberculosis so widerstandsfähig gegen die derzeit verwendeten Antibiotika geworden, dass die Überlebenschancen für daran erkrankte Patienten sich nicht wesentlich von denen vor der Einführung der Wundermittel unterscheiden. Zwar leisten Antibiotika immer noch gute Dienste, aber anstatt im Besitz einer Wunderwaffe gegen Seuchen zu sein, steht die Menschheit nun eher in einer Art Wettrüsten mit den Krankheitserregern.

Die Gründe dafür sind nicht zuletzt selbst verschuldet, sie liegen etwa in dem exzessiven Gebrauch von Breitbandpräparaten, die die Krankheitserreger gleich gegen mehrere Wirkstoffe abhärten. Sie liegen aber auch im sachfremden massenhaften Einsatz der Antibiotika in der industriellen Tierzucht. Schließlich sollte man bedenken, dass die Krankheitserreger in derlei Auseinandersetzungen gewissermaßen gut geübt sind: Mit den antibiotisch wirksamen Absonderungen bestimmter Pilze hatten sie sich schließlich schon auseinander zu setzen, bevor sich der Mensch diese zunutze zu machen verstand. Die rasante Entwicklung der Resistenzen bestimmter Bakterien ist also letztlich in der durch Menschen veränderten Ökologie von Bakterien und Pilzen begründet.

Dr. Christoph Gradmann

 

 

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Quellen

(mit weiteren, ergänzenden Informationen auch für den Unterricht):

 

http://www.3sat.de/nano/glossar/bakterien.html

http://www.chemgapedia.de/vsengine/popup/vsc/de/glossar/b/ba/bakterien.glos.html

http://www.merian.fr.bw.schule.de/Beck/Skripten/12/glos12D.htm

http://www.gesundheit.de/wissen/medizingeschichte/penicillin/index.html

http://www.brockhaus-multimedial.de/themen/index.php?detail=13

http://www.wissen.swr.de/sf/begleit/bg0057/gj08b.htm

http://www.medizinfo.de/infektionen/bakterien/bakterien.shtml

http://www.planet-wissen.de