Antibiotika Wirkung: Wie wirkt Antibiotika?

1.5Genetik von Bakterien und Viren
1.5.2 Antibiotikawirkung
Antibiotika sind Stoffe,
die entweder das Wachstum von Bakterien hemmen oder sie abtöten.
Enstprechend unterscheidet man Bakteriostatika
(= Wachstum hemmende) und Bakterizide
(= Bakterien tötende) als Antibiotika.Bakterizide blockieren einen Stoffwechselvorgang in den Bakterien,
der lebensnotwendig ist. Da dies auf verschiedene Weisen geschehen kann,
gibt es viele verschiedene Antibiotika mit diesem Wirkmechanismus. Bakteriostatika
töten primär keine Zellen, sondern hindern sie daran, sich zu
vermehren. An der Wachstumshemmung sterben sie dann ebenfalls.

Zur Bearbeitung diese Kapitels soll auf den Abschnitt “Bakterien
im Biokurs Klasse 12 hingewiesen werden.

Historische Entwicklung

Penicillin war 1929 das erste Antibiotikum, das von Alexander
Fleming
entdeckt wurde. Er beobachtete Wachstumshemmung von
Staphylococcen auf einer Agarplatte, die mit Penicillum-Pilzen kontaminiert
war (siehe unten A). Penicillin wirkt vor allem gegen Staphylokoccen
und Streptokoccen, zwei Gram +-Bakterien, die eine großen
Zahl
_antibi0
menschlicher Infektionskrankeiten wie Halsentzündungen, Lungenentzündung,
Haut- und Wundinfektionen, Scharlach usw. verursachen. Erst 1945
wurde Penicillin analysiert
und synthetisiert. Im gleichen Jahr erhielten Fleming, Chain and
Florey den Nobelpreis dafür.
penicil2

Agarplatte mit Micrococcus luteus (gelb) und Penicillium in der
Mitte mit Hemmhof darum.

Penicillium notatum (Schimmelpilz)
mit Conidosporen

Penicillin tötet zielsicher nur Bakterienzellen und keine eukaryontischen
Zellen. Man spricht von selektiver Toxozität. Die toxische
Wirkung ist nachfolgend bei E.Coli dargestellt. (30 Minuten Inkubation
in Penicillin; die Bakterien verlängern sich, können sich aber
nicht teilen und sterben. )

_pen

Beinahe sofort nach Einführung des Penicillins in Deutschland in
den 50er Jahren wurde die Resistenz einiger Stämme der Staphylokoccen
entdeckt. Heute sind 80% aller Staphylococcus aureus-Stämme
resistent. Überraschenderweise hat Streptococcus pyogenes bis heute
keine volle Resistenz entwickelt, deshalb ist Penicillin immer noch in
vielen Fällen wirksam. Im Gegensatz dazu ist Penicillin gegen Gram-negative
Bakterien wie Salmonella, Shigella, Bordetella pertussis, Yersinia
pestis, Pseudomonas
nicht wirksam, mit Ausnahme von Neisseria gonorrhoeae.
(siehe Biokurs Klasse 12, Bakterien) Dies
kommt daher, daß eine Außenmembran das Eindringen von Penicillin
bei Gram- Bakterien verhindert (siehe unten).

Nach dem 2. Weltkrieg kamen neue Antibiotika wie Streptomycin,
Chloramphenicol, und Tetracycline
auf. Die neuen Antibiotika waren gegen Gram (+) und Gram (-) Bakterien
wirksam, genau so wie gegen intrazelluläre Parasiten und den Tuberculosis
Bacillus
. Heute gibt es halbsynthetische und vollsynthetische Antibiotika
der 3. Generation mit spezifischem Wirkungsmechanismus gegen bestimmte
Erreger.

Man kennt derzeit über 8000 Antibiotika. Weltweit werden 100 000
Tonnen/Jahr produziert, ein Markt von 17 Milliarden DM.



Einige
klinisch wichtige Antibiotika

Antibiotikum

Organismus

Aktivität
gegen

Wirkung

Penicillin

Penicillium
chrysogenum

Gram-positive Bakterien

Wandsynthese

Cephalosporin

Cephalosporium
acremonium

breites Spektrum

Wandsynthese

Griseofulvin

Penicillium
griseofulvum

dermatophytische
Pilze

Microtubuli

Bacitracin

Bacillus subtilis

Gram-positive Bakterien

Wandsynthese

Polymyxin B

Bacillus polymyxa

Gram-negative Bakterien

Zellmembran

Amphotericin B

Streptomyces
nodosus

Pilze

Zellmembran

Erythromycin

Streptomyces
erythreus

Gram-positive Bakterien

Proteinsynthese

Neomycin

Streptomyces
fradiae

breites Spektrum

Proteinsynthese

Streptomycin

Streptomyces
griseus

Gram-negative Bakterien

Proteinsynthese

Tetracycline

Streptomyces
rimosus

breites Spektrum

Proteinsynthese

Vancomycin

Streptomyces
orientalis

Gram-positive Bakterien

Proteinsynthese

Gentamicin

Micromonospora
purpurea

breites Spektrum

Proteinsynthese

Rifamycin

Streptomyces
mediterranei

Tuberculose

Proteinsynthese

Ursprünglich sind die Antibiotika Naturstoffe hauptsächlich
von Pilzen und Bakterien produziert. Der Schimmelpilz Penicillium
wurde oben schon vorgestellt. Auch Cephalosorium
gehört zu den echten Schlauchpilzen, die sich durch Abschnürung
von Conidiosporen (siehe oben) vermehren und eine große Zahl
verschiedener Antibiotika produziert. Weiterhin sind noch die Aktinomyceten,
eine Bakteriengruppe mit fädigem Geflecht zu erwähnen (siehe
unten Streptomyces).


acremon


Acremonium strictum (= Cephalosporium acremonium), Produzent
der Cephalosporine.

streptom


coloriertes Bild von Streptomyces spec., fädigen Bakterien;
Produzenten verschiedenster Antibiotika

Antibiotika werden nach ihrem chemischen Aufbau in verschiedene Klassen
eingeteilt. (siehe unten)

Antibiotikum

Wirkung
Anwendung:In der Medizin werden heute hauptsächlich Cephalosporine,
Penicilline und Macrolidone eingesetzt.Penicilline und Macrolide
wie Erythromycin sind sehr spezifisch gegen bestimmte Gram + Bakterien,
Cephalosporine besitzen
ein breites Wirkungsspektrum.
Cephalosporinebakteriostatisch

41%
Penicilline

und Derivate
bakteriostatisch

22%
Makrolidebakteriostatisch

8%
Tetracyklinebakteriostatisch

5%
Sulfonamide

5%
Sonstige

19%

Wirkung von Antibiotika

Antibiotika richten sich gegen folgende bakteriellen Vorgänge:

  • Zellwandsynthese
  • Funktionalität der Zellmbran
  • Nukleinsäuresynthese
  • Translation
  • Stoffwechselvorgänge wie die Folsäuresynthese

Da sich eine Bakterienzelle in vielen Zellstrukturen von einer eukaryontischen
Zelle unterscheidet, sind die Antibiotika spezifisch und in eukaryontischen
Zellen meist wirkungslos. Bakterien besitzen u.a.

  • eine Zellwand aus Murein,
  • 70s-Ribosomen,
  • andere Membranlipoide und
  • einen teilweise spezifischen Stoffwechsel.

Die Wirkorte der wichtigsten Antibiotika sind nachfolgend dargestellt.

_fig11_1

Nachfolgend sollen nun 2 Beispiele für Antibiotika und ihre Wirkung
besprochen werden.

Blockade der Zellwandsynthese

Penicilline und Cephalosporine verhindern die Zellwandpolymerisation
oder die Anlagerung neuer Peptidoglycane. Sie wirken bakteriostatisch.

_cellwallNach der Färbbarkeit unterscheidet man Gram-positive
und
Gram-negative Bakterien. Die
jeweilige Zellhüllstruktur (Zellwand und Membran) ist links
abgebildet.
Die Gram+-Bakterien besitzen eine dicke, mehrschichtige Zellwand
aus Murein, einem Peptidoglycan
aus 2 Bausteinen. Die einzelnen Polymere sind über Peptidreste
quervernetzt.
Die Zellwand der Gram- Bakterien besteht aus einer Membran
mit Porin-Poren und darunterliegend einer dünnen Mureinschicht.Murein ist die kritische Schicht in der Zellwand.

Antibiotika müssen bei Gram + Bakterien durch die Zellwand und
dann durch die Zellmembran. Dort werden z.B.Penicilline durch spezielle
Proteine gebunden. Bei Gram (-) Bakterien gibt es nur den Weg durch die
engen Porin-Poren. Viele Antibiotika sind deshalb dort wirkungslos, weil
sie nicht in die Zelle eintreten können.

Einige Antibiotika wie Cycloserin
hemmen den Zusammenbau der Zellwandbausteine im Cytoplasma. Andere
wie Bacitracin verhindern den Transport von Bausteinen zum Mureinnetzwerk.

b

-Lactam-Antibiotika wie

Penicilline

und

Cephalosporine

hemmen die

Quervernetzung der Murein-Zellwand.

Dies führt zu einem osmotisch instabilen
Zustand, der zum Platzen der Bakterienzelle und zu deren Tod führt.

 ß-Lactam Antibiotika (Penicilline,
Cephalosporine)

Für die ß-Lactam Antibiotika ist der ß-Lactam (2-Azetidinon)-
Ring typisch. Die Seitenketten bestimmen die antibakterielle Wirkung.
Penicillin war das erste bekannte

b-Lactam-Antibiotikum. Inzwischen gibt es viele
synthetische

b-Lactam-Antibiotika und auch Penicillinase-resistente
Penicilline (siehe Resistenz).

blactamCephalosporine gehören zu einer
Gruppe von halbsynthetischen Antibiotika, die von «Cephalosporin
C» abgeleitet sind, einer antibiotisch wirksamen Substanz,
die vom Pilz Cephalosporium acremonium (=Acremonium strictum)
produziert wird (Entdeckung 1978).Chemisch sind sie den Penicillinen ähnlich; sie besitzen
den gleichen ß-Laktam-Ring. Bei den Cephalosporinen ist dieser
mit einem sechsgliedrigen, bei den Penicillinen mit einem fünfgliedrigen
Ring fusioniert

.
Hemmung der Proteinsynthese

Ein völlig andere Wirkung zeigen die Aminoglycoside wie
z. B Streptomycin, die von den fadenbildenden Bakterien, den Aktionomyceten
gebildet werden. Man verwendet sie dann, wenn ernsthafte Infektionen
durch Gram-negative Bacillen wie E. Coli und Klebsiella vorliegen. Sie
wirken bakterizid.

strepto1Neben dem natürlichen Streptomycin gibt es heute halbsynthetische Antibiotika dieser Gruppe wie Gentamicin, Tobramycin, Kanamycin, Neomycin, Spectinomycin und Amikacin. (Man nennt sie auch Glycopeptid-Antibiotika)

Sie binden an die 30s-Untereinheit der Bakterien-Ribosomen und hemmen die Proteinsynthese, indem sie die korrekte Translation verhindern oder die Peptidbindung der Aminsosäuren blockieren.

Daneben produzieren Aktinomyceten viele weitere Antibiotika mit chemisch unterschiedlicher Struktur wie die Tetrazykline, die ebenfalls die Translation stören.

Auch sie binden an die kleine ribosomale Untereinheit (30s) und hemmen die Proteinsynthese durch Blockade des t-RNA-Eingangs.

Man setzt sie vor allem bei Infektionen der Haut und weicher Gewebe ein.

tetraz1

Makrolide wie Erythromycin und Azithromycin binden reversibel an die ribosomale 50S-Untereinheit und inhibieren die Translokation der t-RNA. Sie wirken bakteriostatisch oder bakterizid, je nach Substanzkonzentration.

Lysozym
Auch Säugetiere und der Mensch produzieren Antibiotika,
nämlich Lysozym.
Das Protein ist z. B. in der Tränenflüssigkeit enthalten
und spaltet die Zellwand der Gram + Bakterien.
Weiterführende Quellen:

Penicillinhttp://www.cellsalive.com/pen.htm
Wirkung von Antibiotikahttp://gsbs.utmb.edu/microbook/ch011.htm
http://www.cat.cc.md.us/courses/bio141/labmanua/lab21/l21index.html
Antibakterielle Agenzienhttp://www.leeds.ac.uk/mbiology/ug/med/kill.html
Chemotherapiehttp://www.vet.purdue.edu/bms/courses/bms445/chmrx/index.htm
Resistenzhttp://www.vet.purdue.edu/bms/courses/bms445/chmrx/index.htm
Mutationhttp://www.brooklyn.cuny.edu/bc/ahp/BioInfo/SD.Mut.HP.html
Pilzehttp://www.vet.purdue.edu/bms/courses/bms445/chmrx/index.htm
Antibiotikahttp://www.dentaldigest.com/prescrip/bacter.html

http://www.rrz.uni-hamburg.de/biologie/ialb/lehre/mikro/inhalt.htm

Antibiotika bei Tierenhttp://www.foodsafety.unl.edu/foodsafety/index2.htm
Robert-Koch-Instituthttp://www.rki.de/GESUND/GESUND.HTM
Infektionenhttp://www.infektionen.com/Begriff.htm
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