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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...
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.