Mikrobiologie: Übungsfragen mit Erklärungen

1Die Welt der Mikroorganismen

Mikrobiologie ist die Lehre von Organismen, die zu klein sind, um sie ohne Mikroskop zu sehen. Die meisten sind harmlos oder nützlich: Die Bakterien in deinem Darm helfen bei der Verdauung und halten schädliche Mikroben fern.

Ein Mikrobe, der eine Krankheit verursacht, ist ein Krankheitserreger (Pathogen). Die Hauptgruppen unterscheiden sich im Aufbau, und der Aufbau entscheidet, wie man sie behandelt:

• Bakterien sind Einzeller ohne Zellkern (Prokaryoten), etwa 1–5 Mikrometer lang. Sie haben eigene Ribosomen und meist eine Zellwand, sodass Antibiotika sie angreifen können.
• Viren sind keine Zellen. Sie bestehen aus DNA oder RNA in einer Proteinhülle (Kapsid), etwa 20–300 Nanometer groß, und können sich nur in einer Wirtszelle vermehren. Antibiotika wirken bei ihnen nicht.
• Pilze haben einen Zellkern (Eukaryoten). Dazu gehören Hefen wie Candida, die Soor verursacht, und Schimmelpilze.
• Parasiten umfassen Protozoen, wie Plasmodium, das Malaria verursacht, und Helminthen (Würmer), wie Bandwürmer und Spulwürmer.
• Prionen sind falsch gefaltete Proteine ganz ohne DNA oder RNA. Sie verursachen seltene Gehirnkrankheiten wie die Creutzfeldt-Jakob-Krankheit.

2Bakterien: Form, Färbung und Überleben

Bakterien werden zuerst nach ihrer Form beschrieben: Kokken sind rund, Bazillen sind Stäbchen und Spirillen sind Spiralen. Kokken in Haufen sind typisch für Staphylokokken, Kokken in Ketten sind typisch für Streptokokken.

Die Gram-Färbung sortiert Bakterien nach ihrer Zellwand:

• Grampositive Bakterien haben eine dicke Peptidoglykanwand, die den Farbstoff Kristallviolett festhält. Sie färben sich violett.
• Gramnegative Bakterien haben eine dünne Wand und eine äußere Membran. Sie verlieren den Farbstoff und nehmen die rosa Gegenfärbung auf. Die äußere Membran enthält Endotoxin (Lipopolysaccharid) und hält viele Antibiotika fern.
• Mycobacterium tuberculosis hat eine wachsartige Wand und färbt sich nach Gram schlecht. Es wird mit einer säurefesten Färbung (Ziehl-Neelsen) dargestellt.

Bakterien unterscheiden sich auch in ihrem Sauerstoffbedarf. Obligate Aerobier brauchen ihn, obligate Anaerobier werden von ihm abgetötet (zum Beispiel Clostridium), und fakultative Anaerobier wachsen mit oder ohne ihn.

Bakterien vermehren sich durch Zweiteilung: Eine Zelle teilt sich in zwei. Manche, wie Clostridium und Bacillus, bilden Endosporen: widerstandsfähige Ruheformen, die Hitze, Austrocknung und Alkohol überstehen.

Viele Bakterien setzen Exotoxine frei, Proteine mit einer spezifischen Wirkung. Tetanustoxin verursacht Muskelkrämpfe; Choleratoxin verursacht wässrigen Durchfall.

Bakterien können gegen Antibiotika resistent sein, zum Beispiel indem sie ein Enzym bilden, das das Medikament zerstört (Beta-Lactamase), es hinauspumpen (Effluxpumpen) oder sein Ziel verändern. Resistenzgene können zwischen Bakterien weitergegeben werden.

3Wie sich Infektionen ausbreiten und wie wir sie stoppen

Eine Infektion braucht eine Infektionskette. Wird ein beliebiges Glied unterbrochen, ist sie gestoppt:

1. Der Erreger: das Pathogen selbst.
2. Das Reservoir: wo er lebt, etwa in einem Menschen, einem Tier, im Wasser oder im Boden.
3. Die Austrittspforte, etwa Husten, Blut oder Stuhl.
4. Der Übertragungsweg: Kontakt (Hände), Tröpfchen, Aerosole in der Luft, Nahrung und Wasser (fäkal-oral) oder ein Vektor wie eine Mücke.
5. Die Eintrittspforte, etwa der Mund, eine Wunde oder ein Blasenkatheter.
6. Ein empfänglicher Wirt, zum Beispiel eine Person ohne Immunität.

Die Inkubationszeit ist die Zeit von der Infektion bis zu den ersten Symptomen. Eine Krankheit, die von Tieren auf Menschen übergeht, ist eine Zoonose. Die Basisreproduktionszahl R0 ist die durchschnittliche Zahl von Personen, die ein Fall in einer vollständig empfänglichen Bevölkerung ansteckt.

Händehygiene ist die wirksamste Einzelmaßnahme gegen die Ausbreitung in Krankenhäusern. Händedesinfektionsmittel auf Alkoholbasis tötet keine Sporen, daher wäschst du dir nach Kontakt mit Clostridioides difficile die Hände mit Wasser und Seife.

Sterilisation tötet alle Mikroorganismen einschließlich Sporen ab, zum Beispiel in einem Autoklaven mit Dampf unter Druck bei etwa 121 °C. Desinfektion verringert Mikroorganismen auf Gegenständen, kann aber Sporen zurücklassen. Antisepsis tut dasselbe auf Haut oder Gewebe.

Impfstoffe trainieren das adaptive Immunsystem. Sie können lebende abgeschwächte Mikroben (MMR), abgetötete Mikroben oder Teile davon oder mRNA enthalten, die die Zellen ein Virusprotein herstellen lässt.

4Wie man eine mikrobiologische Frage durchdenkt

Die meisten Fragen beschreiben einen Organismus oder einen Patienten. Gehe vom Aufbau zur Folge:

1. Bestimme die Gruppe: Bakterium, Virus, Pilz, Parasit oder Prion.
2. Rufe bei Bakterien die wichtigsten Merkmale ab: Form, Gram-Ergebnis, Sauerstoffbedarf, Sporen, Toxine.
3. Frage, wo der Organismus lebt und wie er sich ausbreitet. Das zeigt dir, wie man ihn verhindert.
4. Frage, wie er Schaden anrichtet: durch Eindringen in Gewebe, durch ein Toxin oder durch eine Immunreaktion.
5. Lass den Aufbau die Behandlung und Kontrolle leiten. Keine Zellwand bedeutet, dass Penicillin nicht wirken kann; Sporen bedeuten, dass Alkohol nicht genügt.

5Ein durchgerechnetes Beispiel

Folge der Argumentation. Versuche, den nächsten Schritt vorherzusagen, bevor du ihn aufklappst.

6Häufige Fehler

• Virale Infektionen mit Antibiotika behandeln. Antibiotika wirken nur auf Bakterien.
• Die Gram-Farben vertauschen. Grampositiv ist violett; gramnegativ ist rosa.
• Endotoxin (Teil der äußeren Membran gramnegativer Bakterien) und Exotoxine (von Bakterien freigesetzte Proteine) verwechseln.
• Desinfektion Sterilisation nennen. Nur die Sterilisation tötet Sporen zuverlässig ab.
• Sich bei sporenbildenden Organismen wie C. difficile auf Händedesinfektionsmittel auf Alkoholbasis verlassen.
• Denken, eine Person könne während der Inkubationszeit keine Infektion weitergeben. Bei manchen Infektionen kann sie das.

7So sehen Prüfungsaufgaben aus

• Leicht (Fachbegriffe und Fakten): Definitionen und klassische Organismen. Was ein Pathogen oder eine Inkubationszeit ist, welcher Organismus Malaria verursacht, welche Farbe grampositive Bakterien annehmen.
• Mittel (Anwendung der Konzepte): Mechanismen. Wie Resistenz funktioniert, warum ein Impfstoff oder ein Sterilisationsverfahren wirkt, wie ein Toxin Symptome verursacht.
• Schwer (Fälle und Analyse): ein Patient oder eine klassische Studie. Du erkennst den Organismus aus der Vorgeschichte, erklärst, warum ein Test oder eine Behandlung scheitert, oder interpretierst Experimente wie die von Griffith oder John Snow.

Beginne bei schweren Fragen mit dem Aufbau des Organismus. Wand, Hülle, Sporen und Toxine erklären die meisten Symptome, Testergebnisse und Behandlungsentscheidungen.