Wie und warum bakterien kommunizieren
Wie und warum Bakterien kommunizieren
Anwendung der Enzyme
Bakterien zählen zu den ältesten, einfachsten und individuenreichsten Organismen. Antonie van Leeuwenhoek (1632-1723) war die erste Person, die die Erscheinung Bakterium dokumentierte.
Grob gesehen bestehen Bakterien aus kaum mehr als einer oft starren Hülle, dem Cytoplasma und der Erbmasse aus DNA. Sie haben somit keine komplexe Architektur wie bei den höheren Zellen, keine eigenen Organellen für die Stoffwechselfunktionen (wie Mitochondrien, die Energie in Form von ATP bereitstellen) und auch keinen abgegrenzten Zellkern mit Chromosomen.
Trotzdem gibt sehr raffinierte und vielfältige Methoden mit denen sie ihre Umgebung manipulieren um zum Beispiel mit höheren Organismen zu kommunizieren. Sie tauschen Signale in irgendeiner Form aus.
Zum Einen kann die Wirkung sehr gering sein oder ausbleiben, anderseits können sich ganz beträchtliche Effekte erzielen lassen.
Bakterien wachsen in Kolonien. Früher nahm man an, dass es nur Anhäufungen von Einzelkämpfern sind, die sich nur um sich selbst sorgen. Heutzutage weiß man das sie mit anderen Bakterien und mitunter auch anderen Zelltypen, über Botenstoffe kommunizieren.
Beispiel 1: Licht durch Konzentration
Es gibt marine (meint: Unterwasser lebend) Leuchtbakterien die im dunkeln glimmen. Allerdings geben sie oftmals unterschiedliche Mengen an Licht ab und sind dazu auch erst ab einer bestimmten Bevölkerungsdichte bereit.
Die Lichtemission beruht auf einer chem. Reaktion mit einem Enzym als Katalysator, der Luciferase .
Steuerung der Reaktion: Die Bakterien geben einen Signalstoff ab um die Synthese von Luciferase und anderen nötigen Proteinen, Enzymen und Coenzymen zu veranlassen. Der vom Bakterium produzierte Signalstoff aktiviert ein Protein (LuxR) welches das Ablesen der zur Lichtproduktion nötigen Proteingene veranlaßt.
Dieser Prozeß läuft jedoch erst bei einer höheren Konzentration des Signalstoffes an, das heißt also erst bei einer gewissen Zelldichte. Frage: Was hat so ein Haufen Bakterien davon, dass er so viel Energie aufwendet? Die Bakterien leuchten wahrscheinlich nicht weil es ihnen Spaß macht und auch nicht um in der tiefen See etwas zu erkennen (sie haben ja auch gar keine Augen).
Es könnte also sein, dass sie in Symbiose mit anderen Lebensformen auch davon profitieren zu leuchten. Der nachtaktive Tintenfisch Euprymna scolopes beherbergt eine ganze Menge in seinem Leuchtorgan, das bedeutet Schutz für ihn, weil von unten gesehen erscheint das leuchten der Bakterien wie das Licht des Mondes und schützt ihn somit vor Feinden. Die Bakterien bekommen im Gegenzug Nahrung und einen sicheren Unterschlupf. Wenn das Bakterium frei im Wasser schwimmt, leuchtet es nicht. Was hätte es auch davon seine ganze Energie zu verschwenden?
Beispiel 2: Arbeitsgemeinschaft Fruchtkörperbildung
Im 1. Beispiel bewirkte der Signalaustausch keine Veränderungen im Verhalten oder in der äußeren Form der Bakterien.
Bei den Myxobakterien ist dies ganz anders. Normalerweise leben sie überall auf der Welt als bewegliche Stäbchen die ganz für sich im Boden leben. Wenn Wasser oder Nährstoffe knapp werden schließen sich jedoch zu Tausenden zusammen und bilden aufrechte Fruchtkörper, die schon mit bloßem Auge auf verrottendem Pflanzenmaterial als leuchtend gelbe, rote oder grüne Sprenkel zu er erkennen sind. Sie dienen dazu widrige Zeiten zu überstehen. Einige der zuvor aktiven Bakterien werden nun zu widerstandsfähigen Sporen, die sich in dem Paket leicht durch Wind, Wasser oder Tiere an andere Orte transportieren lassen können um neu auszukeimen.
Interessant ist wie dies von statten geht.
Die Bakterien schließen sich nicht einfach zu einem Fruchtkörper zusammen. An diesem Prozeß sind mehrere Botenstoffe beteiligt. Wenn eine Zelle hungert produziert sie den sogenannten Faktor A. Insgesamt ist die Konzentration an Faktor A noch recht niedrig. Wenn jedoch viele Bakterien hungrig sind, dann steigt die Konzentration des Stoffes und in ungefähr vier Stunden sammeln sich die Bakterien zu kleinen Haufen mit jeweils 100.000 Mitgliedern zusammen.
Nach etwa 20 Stunden wandeln sich ein Teil der Bakterien zu Sporen, und nach etwa 24 Stunden ist das Grundgerüst des Fruchtkörpers fertig.
Der Faktor C, ein kleines Protein, wirkt erst später, wenn sich die Haufen schon gebildet haben.
Dieser Botenstoff wird jedoch an der Oberfläche verankert. Er veranlaßt, dass sich die Bakterien sehr dicht scharen um die größtmöglichen Überlebens-Chancen zu haben. Erst bei einer gewissen Bakteriendichte wird er Genapparat für die Sporenbildung aktiviert.
Wirklich interessant ist das sich bis zu diesem Punkt, viele der Bakterien geopfert haben, damit einige in diesem Pseudoorganismus eine besondere Überlebens-Chance haben.
Die Anwendbarkeit von Proteinen ist somit nicht nur auf Enzyme, Transportproteine, Gene und dergleichen eingeschränkt. Man kann sie auch als Botenstoff benutzen, und dies sogar zwischen verschiedenen Zelltypen und Organismen.
Bei den Knöllchenbakterien, die sich an den Wurzeln von Hülsenfruchtpflanzen ansiedeln, ist der Prozeß der Ansiedlung auch nur dann möglich wenn die Wurzel und die Bakterien miteinander kommunizieren. Den die Pflanze muß sich erst verändern ( sie bildet kleine Knöllchen ) damit die Bakterien eindringen können.
Die Bakterien haben dann einen Lebensraum und die Pflanze profitiert von dem Stickstoff den die Bakterien fixiert haben. Es ist sehr viel Energie notwendig um die Bindung des molekularen Luftstickstoffes zu brechen, und den Stickstoff in die Zellsubstanz einzubauen.
Außerdem benötigt man eine ganz speziellen Ausstattung an Enzymen. Darüber verfügen nur spezialisierte Bakterien wie die Knöllchenbakterien. Ohne diese Bakterien die unter Gebrauch ihrer speziellen Enzyme den essentiellen Baustoff Stickstoff immer neu fixieren, wie man sagt, wären die Lebensprozesse in der Evolution wohl schon früh zum Erliegen gekommen.
Exkurs: Enzyme, Coenzyme, Zyklen
Enzyme sind Eiweißstoffe, die für alle Stoffwechselreaktionen als Biokatalysatoren von Bedeutung sind. Sie erhöhen die Reaktionsgeschwindigkeit, durch Senkung der Aktivierungenergie. Deshalb können Reaktionen schon bei Zimmertemperatur erfolgen, da Enzyme den Betrag der aufzuwendenden Energie senken.
Diese komplex gefalteten Eiweißketten haben ein aktives Zentrum, eine taschenartige Vertiefung in der die Reaktionen, in einer lockeren Verbindung zwischen Enzym und Substrat, stattfinden. Diese Vertiefung im Enzym garantiert eine sichere Erkennung des Substrates. (Schlüssel-Schloß) Deshalb können die meisten Enzyme auch nur eine Reaktion an einem ganz bestimmten Substrat beschleunigen. Enzyme können nicht nur Bindungen spalten, sondern auch Bindungen knüpfen.
Enzyme sind empfindlich gegen Hitze und pH-Wert-Änderungen, es gibt daher ein Temperaturoptimum und pH-Optimum für jedes Enzym. Wird das Temperaturoptimum Unterschritten, dann fällt der Energiegewinn niedriger aus.
Wird es Überschritten dann sinkt der Energiegewinn ebenfalls, möglicherweise wird das Enzym bei zu großer Hitze sogar zerstört. Starke Säuren können Enzyme ebenfalls schädigen.
Ein großer Teil der Enzyme wird durch das Anhängen von -ase an den Substratnamen benannt.
Amylase ist somit das passende Enzym zum Amylum.
Es ist ebenfalls möglich Enzyme zu hemmen, also ihren katalytischen Effekt zu blockieren.
Zum einen durch die kompetitive Hemmung, wobei ein dem Substrat ähnelndes Molekül, das aktive Zentrum blockiert.
Gesteuert wird diese Hemmung allein durch die Konzentration des Hemmstoffes und der des Substrates. Durch Erhöhung der Substratkonzentration kann man die kompetitive Hemmung wieder rückgängig machen. Bei einer nichtkompetitiven Hemmung greift der Inhibitor (Hemmstoff) an einer anderen Bindungsstelle an und die Umsetzung des Substrates wird ebenfalls unmöglich. Die Erhöhung der Substratkonzentration hat in diesem Falle keine besondere Wirkung.
Coenzyme sind Bestandteil eines Enzyms und zwar Teil des aktiven Zentrums. Weil sie bei der Reaktion chemisch verändert werden, nennt man sie auch Cosubstrate.
In einer späteren Reaktion können die Coenzyme jedoch regeneriert werden. Man unterscheidet wasserstoffübertragende und energieübertragende Coenzyme.
Ein großes Aufgabengebiet der Enzyme, Coenzyme und deren Zyklen ist die Verwertung von Kohlenhydraten, Fetten und Proteinen. Diese vielfältigen Prozesse sind nötig, da der Mensch in seiner Nahrungsaufnahme sehr unbeschränkt ist (Allesfresser), er muß also die unterschiedlichsten Nährstoffe verwerten. Das ist Bedingung für einen geregelten Stoffwechsel.
Im Einzelnen.
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Kohlenhydratabbau: Die Atmungskette erklärt warum der Mensch atmet. In ihr wird das NADH+H+ aus der Glykolyse und dem Citronensäurezyklus oxidiert um ADP in ATP zu verwandeln.
Fettabbau: Fette sind sehr gute Energiespeicher. Bezogen auf Gewichtsmengen hat Fett mehr als den doppelten Energiegehalt von Glucose.
Die Zyklen im menschlichen Körper sind vielfach miteinander Verknüpft. Die Glykolyse und der Citronensäurezyklus und somit auch die Atmungskette sind ebenfalls Bestandteil des Fettabbaus.
Harnstoffzyklus: Die Eiweißstoffe in der Nahrung werden ebenfalls verwertet. Aus ihnen läßt sich ebenfalls Energie gewinnen. Jedoch entsteht auch Ammoniak, ein starkes Zellgift, das über den Harnstoff ausgeschieden wird.
Diese drei Vorgänge sind untereinander noch weiter Verknüpft.
Das ist wichtig damit möglichst wenig (und vor allem ungiftige) Reststoffe übrigbleiben und möglichst viel Energie aus der Nahrung gewonnen wird.
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