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Antibiotika
Antibiotika
Einleitung
Antibiotika kommt aus dem griechischen und bedeutet gegen (anti) zum Leben gehörig biotikos.
Antibiotika sind von Bakterien, Pilzen, Flechten, Algen und höheren Pflanzen oder anderen Lebewesen
produzierte chemische Verbindungen, die zur Abtötung oder Wachstumshemmung infektiöser
Organismen angewandt werden. Entsprechend unterscheidet man unter den Antibiotika Bakteriostatika
(Wachstums-hemmend bei Bakterien) und Bakterizide (Bakterien tötende).
Bakterizide blockieren einen Stoffwechselvorgang in den Bakterien, der lebensnotwendig ist.
Da dies auf verschiedene Weise geschehen kann, gibt es viele verschiedene Antibiotika mit diesem
Wirkungsmechansimus.
Bakteriostatika töten primär keine Zellen, sondern hindern sie daran sich zu vermehren. An der
Wachstumshemmung sterben sie dann ebenfalls oder sie werden vom Abwehrmechanismus ihres Wirtes
vernichtet.
Alle Antibiotika sind selektiv toxisch (giftig): Sie wirken giftiger auf eindringende Erreger als auf deren
Wirt, sei es ein Tier oder ein Mensch. Penicillin tötet zielsicher nur Bakterienzellen und keine
eukaryonten Zellen. Man spricht auch von selektiver Toxozität.
Ursprünglich bezeichnete man nur solche organischen Verbindungen als Antibiotika, die von Bakterien
oder Schimmelpilzen gebildet wurden und auf andere Mikroorganismen toxisch wirkten. Heute schließt
dieser Begriff auch synthetische und halbsynthetische Stoffe mit ein.
Die Bezeichnung Antibiotika bezieht sich vorwiegend auf Substanzen, die antibakteriell wirken, umfasst
im weiteren Sinne aber auch Mittel gegen Protozoen, die etwa der Malariabekämpfung dienen, sowie
gegen Pilze (Fungizide oder Antimykotika) oder Viren (Virostatika).
Historische Entwicklung
Obwohl die antibiotische Wirkungsweise erst im 20.Jahrhundert wissenschaftlich erforscht wurde, war
das Prinzip der Anwendung organischer Verbindungen gegen Infektionen schon seit dem Altertum
bekannt besonders in Arabien. Rohe Pflanzenauszüge wurden z.B. schon jahrhundertelang medizinisch
eingesetzt. Die erste Beobachtung einer antibiotischen Wirkung (wie man es heute nennen würde) machte
der französische Chemiker Louis Pasteur im 19.Jahrhundert. Er entdeckte, dass bestimmte saprophytische
Bakterien (Fäulniserreger) Milzbrandkeime abtöten können. Etwa im Jahr 1900 isolierte der deutsche
Bakteriologe Rudolf von Emmerich Pyocyan, einen antibiotischen Stoff, der im Laborversuch die Erreger
von Cholera und Diphtherie abtötete. Für die Heilung dieser Krankheiten erwies er sich allerdings nicht
als geeignet.
In den zwanziger Jahren fand Alexander Fleming, der später auch das Penicillin entdeckte, dass viele
Körperausscheidungen wie Tränen und Schweiß das Enzym Lysozym enthielten, ebenso wie bestimmte
pflanzliche und tierische Stoffe; dieses Lysozym weist starke antimikrobielle Eigenschaften auf, vor allem
wirkt es gegen Bakterien, indem es ihre Wände/Membranen auflöst.
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Fleming beobachtete Wachstumshemmungen von Staphylococcen auf einer Agarplatte, die mit
Penecillum-Schimmelpilzen kontaminiert war. Penicillin wirkt vor allem gegen Staphylokoccen und
Streptokoccen, zwei Gram(+) Bakterien (siehe Klassifikation), die eine große Zahl menschlicher
Infektionskrankheiten, wie Halsentzündung, Lungenentzündung, Haut- und Wundinfektionen, Scharlach
usw. verursachen.
Erst 1945 wurde Penicillin analysiert und synthetisiert. Im selben Jahr erhielten Fleming, Chain und
Florey den Nobelpreis dafür.
Beinahe sofort nach der Einführung des Penicillins in Deutschland in den 50er Jahren wurde die Resistenz
(siehe Resistenz) einiger Stämme der Staphylokoccen entdeckt. Heute sind 80% aller
Staphylokoccus 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 gramnegative Bakterien (wie Salmonella, Shigella, Bordetella
pertussis, Yersinia pestis, Pseudomonas) nicht wirksam, mit Ausnahme von Neisseria gonorrhoeae. Dies
kommt daher, dass eine Außenmembran das Eindringen von Penicillin bei Gram (-) Bakterien verhindert
(siehe Klassifikation).
Nach dem 2. Weltkrieg kamen neue Antibiotika wie Streptomycin, Chloramphenicol, und Tetracyline 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.
Seit Antibiotika in den fünfziger Jahren zur allgemeinen Anwendung kamen, veränderten sie drastisch die
damalige Medizin. Viele Erkrankungen, die einst als Todesursachen die Sterblichkeitsstatistiken
anführten, wie etwa Tuberkulose, Lungenentzündung und Blutvergiftung, rangieren nun auf den hinteren
Plätzen der Statistiken. Auch der Chirurgie kamen Antibiotika zugute, da nun lange und komplizierte
Operationen durchgeführt werden können, auf die zuvor aufgrund des hohen Infektionsrisikos eher
verzichtet wurde.
Man kennt derzeit über 8000 verschiedene Antibiotika. Weltweit werden 100 000 Tonnen pro Jahr
produziert, ein Markt von 8,5 Milliarden Euro.
Klassifikation
Antibiotika lassen sich auf verschiedene Arten klassifizieren:
- nach der Art der Wirkungsweise (z.B. Bakteriozide, Bakteriostatika)
- nach den Zielorganismen, die durch die Antibiotika abgetötet oder im Wachstum gehemmt werden (z.B.:
Virostatika, Bakteriostatika, Fungizide...)
- nach der chemischen Struktur, die ihnen zugrunde liegt
ß-Lactam Antibiotika (Penicilline, Cephalosporine)
Für die ß-Lactam Antibiotika ist der ß-Lactam- Ring typisch. Die Seitenketten bestimmen die
antibakterielle Wirkung. Penicillin war das erste bekannte ß-Lactam-Antibiotikum. Inzwischen gibt es
viele synthetische ß-Lactam-Antibiotika und auch Penicillinasen-resistente Penicilline.
Der ß-Lactam-Ring bewirkt, dass bei der Zellwandbildung die Anbindung von Peptiden an die
Seitenketten verhindert wird, wodurch die Synthese von Peptidoglykan und damit die Zellwandbildung
gestört ist. Der ständige Materialaufbau im Zellinneren übt wachsenden Druck auf die Zellmembran aus,
die nicht mehr ausreichend durch Peptidoglykan gestützt wird. Die Membran lässt nach, der Zellinhalt
fließt aus, und somit stirbt das Bakterium ab.
Der ß-Lactam-Ring bewirkt, dass bei der Zellwandbildung die Anbindung von Peptiden (Peptide sind
Verbindungen aus zwei oder mehr Aminosäuren, die über Peptidbindungen miteinander verbunden sind)
an die Seitenketten verhindert wird, wodurch die Synthese von Peptidoglykan und damit die
Zellwandbildung gestört ist. Der ständige Materialaufbau im Zellinneren übt wachsenden Druck auf die
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Zellmembran aus, die nicht mehr ausreichend durch Peptidoglykan gestützt wird. Die Membran lässt
nach, der Zellinhalt fließt aus, und somit stirbt das Bakterium ab.
ß-Lactam-Antibiotika hemmen die Quervernetzung der Murein-Zellwand.
Antibiotika lassen sich unterteilen in Mittel mit Schmal- und Breitspektrumwirkung, auch
Breitbandantibiotika genannt.
Schmalspektrum-Antibiotika bekämpfen viele grampositive Bakterien. Aminoglycoside, ebenfalls mit
schmalem Wirkungsspektrum, wirken gegen gramnegative Erreger.
Tetracycline und Chloramphenicole zählen beide zu den Breitspektrum-Antibiotika.
Sie können sowohl gegen grampositive als auch gegen gramnegative Bakterien eingesetzt werden.
Bakterien werden gewöhnlich durch eine Farbreaktion, die Gram-Färbung, in zwei große Gruppen
unterteilt, die so genannten grampositiven (violett färbbar) und die gramnegativen Bakterien (rot färbbar).
Die Reaktion beruht auf dem unterschiedlichen Aufbau der bakteriellen Zellwände. Bei den
Gram-positiven Bakterien besteht sie hauptsächlich aus einer dicken Mureinnschicht (wichtigster
Bestandteil der Bakterienzellhülle); bei den Gram-negativen Bakterien ist diese Schicht wesentlich
dünner, und sie verfügen stattdessen über eine Außenmembran mit Porin-Poren und darunterliegend einer
dünnen Mureinschicht.
Diese Strukturunterschiede bewirken, dass die Bakterien unterschiedlich auf den Farbstoff Gentianaviolett
und andere Lösungen, die bei der Gramfärbung benutzt werden, reagieren, (bzw. die Farbe sich mehr oder
weniger gut aus der Membran durch Alkohol auswaschen lässt) so dass sie auch unterschiedlich eingefärbt
werden (blauviolett bei dicker Mureinnschicht, je nach Verfahren farblos oder rötlich bei dünner
Mureinschicht und vorhandener Außenmembran). Diese Färbeeigenschaften sind wichtig, da sie auch mit
vielen anderen Unterscheidungsmerkmalen einhergehen. Auch bei der Einteilung der Antibiotika sind sie
nützlich, denn viele dieser Substanzen wirken entweder nur gegen grampositive oder gramnegative
Bakterien (siehe Wirkung/Tabelle).
Aufbau Zellwand Bakterien:
Die Zellwand der Bakterien enthält Murein, Murein ist eine Substanz die nur bei Prokaryonten vorkommt.
Murein ist ein Peptidoglycan aus zwei Bausteinen.
Die Mureinzellwand ist ein netzartiges Riesenmolekül aus langen Kohlenhydratketten, die durch kurze
Aminosäureketten miteinander verbunden sind.
Die Gram-positiven Bakterienarten werden von einer Zellmembran und einer Zellwand mit dicker
Mureinschicht begrenzt.
Bei Gram-negativen Arten folgt nach der Zellmembran und einer dünnen Mureinschicht außen noch eine
weitere Membran, die allerdings durch zahlreiche Poren (z.B. Porin-Poren) auch für größere Moleküle
durchlässig ist.
Murein ist die kritische Schicht in der Zellwand, da Antibiotika dort ansetzen um in das Bakterium
einzutreten und es zu hemmen oder zu töten..
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.
(Der ß-Lactam-Ring bewirkt, dass bei der Zellwandbildung die Anbindung von Peptiden (Peptide sind
Verbindungen aus zwei oder mehr Aminosäuren, die über Peptidbindungen miteinander verbunden sind)
an die Seitenketten verhindert wird, wodurch die Synthese von Peptidoglykan und damit die
Zellwandbildung gestört ist. Der ständige Materialaufbau im Zellinneren übt wachsenden Druck auf die
Zellmembran aus, die nicht mehr ausreichend durch Peptidoglykan gestützt wird. Die Membran lässt
nach, der Zellinhalt fließt aus, und somit stirbt das Bakterium ab.)
Wirkung
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Antibiotika richten sich, ja nach Wirkungsweise, gegen folgende bakterielle Vorgänge:
- Zellwandsynthese
-Verhinderung des Weiteraufbaus der Zellwand (bakteriostatische Wirkung)
-Hemmung des Zusammenbaus von Zellwandbausteinen im Cytoplasma.(Cykloserin)
-Verhinderung des Transports von Bausteinen zum Mureinnetzwerk. (Bacitracin)
-Hemmung der Quervernetzung der Mureinzellwand (führt zu einem osmotisch
instabilen Zustand, der zum Platzen der Bakterienzelle führt.) (Penecilline und
Cephalosporeine)
Allgemein gesagt kommt es zu einer Störung der Zellwandbildung, der ständige Materialaufbau im
Zellinneren übt wachsenden Druck auf die Zellmembran aus, die nicht mehr ausreichend durch Murein
gestützt wird. Die Membran lässt nach, der Zellinhalt fließt aus, und somit stirbt das Bakterium ab.
- Funktionalität der Zellmembran
Zerstörung der Oberfläche der Zellmembran -> keine Aufnahme von Nährstoffen mehr möglich;
Giftstoffe können eindringen; der Zellinhalt kann ausfließen
- Nukleinsäuresynthese
Hemmen der Bildung von Enzymen, die die Spiralisierung und Entspiralisierung der Chromosomen
kontrollieren, ein Vorgang, der zur DNA-Verdopplung und Transkription in die so genannte
Messenger-RNA (m-RNA) unerlässlich ist
(Transkrption: Umschreiben derDNA in RNA) (Chinolon-Antibiotika)
- Translation (Umschreibung der RNA in Proteine)
Einige Antibiotika wirken auf die m-RNA, indem sie deren genetische Information verändern. Wenn diese
fehlerhaften Erbinformationen umgesetzt werden, sind die dabei entstehenden Proteine funktionsunfähig
Andere sorgen dafür, dass die genetische Information falsch gelesen und dadurch ein fehlerhaftes Protein
gebildet wird.(Aminoglycoside)
- Stoffwechselvorgänge wie die Folsäuresynthese
Das Antibiotikum hemmt die Folsäuresynthese, indem es mit der für die Folsäuresynthese wichtigen
p-Aminobenzoensäure um das p-Aminbenzoensäure umsetzende Enzym (die p-Aminobenzoensäure wird
in Folsäure umgewandelt) konkurriert. Die Folsäuresynthese wird gehemmt,(kompentative Hemmung)
dadurch kann sich die Bakterienzelle nicht mehr teilen und vermehren. (Sulfonamide)
- Hemmung der Proteinsynthese
Es kommt zu einem direkten Eingriff in den Stoffwechsel.
Es kommt zu einer Bindung an die Untereinheit der Bakterien-Ribosomen und so zur Hemmung der
Proteinsynthese, indem die korrekte Translation/Übersetzung verhindert wird oder die Peptidbindung der
Aminosäuren blockieret wird. Die Energieversorgende Zellatmung wird so unterbrochen. (Peptide sind
Verbindungen aus zwei oder mehr Aminosäuren, die über Peptidbindungen miteinander verbunden sind).
Es wird auch die Proteinsynthese durch Blockade des t-RNA-Eingangs gehemmt.
Bestimmte Antibiotika verhindern die Verbindung von Aminosäuren zu Proteinen.
(Chloramphenicol)
Andere Antibiotika verursachen einen vorzeitigen Abbruch der sich bildenden Proteinkette, so dass ein
unvollständiges Protein entsteht. (Puromycin)
Manche Antibiotika (Antimykotikum Amphotericin) wirken an der Oberfläche der Erreger, indem sie
selektiv die Zellmembran der Bakterien oder Pilze zerstören; sie verhindern so einerseits, dass die
Krankheitserreger lebensnotwendige Nährstoffe aufnehmen können und machen die Zellhülle andererseits
für Giftstoffe durchlässig oder bewirken, dass der Zellinhalt ausfließt.
Die meisten Antibiotika wirken, indem sie die Bildung verschiedener Zellbestandteile hemmen.
Einige wichtige, klinisch nützliche Arzneimittel stören die Bildung von Murein, dem wichtigsten
Bestandteil der bakteriellen Zellwand. Zu diesen Medikamenten zählen die Antibiotika mit einer so
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genannten ß-Lactam-Ringstruktur zu denen auch die Penicilline gehören. Diese Antibiotika gewährleisten
eine sichere Anwendung beim Menschen, da dessen Zellen kein derartiges Zellwandmaterial besitzen.
Viele Antibiotika wirken, indem sie die Bildung verschiedener intrazellulärer Bakterienmoleküle z. B. der
Desoxy- und der Ribonucleinsäure (DNA bzw. RNA), den Ribosomen und verschiedenen Proteinen
hemmen.
Es gibt noch zahlreiche weitere Wirkmechanismen:
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,
- 80s-Ribosomen,
- andere Membranlipoide und
- einen teilweise spezifischen Stoffwechsel.
Anwendung
Antibiotika können äußerlich angewandt werden auf der Hautoberfläche, im Auge oder Ohr , meist in
Form von Salben und Cremes. Sie können oral (durch den Mund) gegeben werden, zum Lutschen oder
zum Schlucken; in diesem Fall gehen sie im Darm in den Blutkreislauf über. Antibiotika werden auch
parenteral (unter Umgehung des Verdauungstraktes) verabreicht, also intramuskulär (in den Muskel),
intravenös (in die Blutgefäße) oder subkutan (unter die Haut) gespritzt. Diese Darreichungsform wählt
man, wenn eine schnelle Aufnahme der Wirkstoffe erforderlich ist.
Antibiotika werden auch zur Konservierung von Lebensmitteln, im Pflanzenschutz zur Pilzbekämpfung
und in der Tierernährung bei der Aufzucht von Jungtieren verwendet.
Antibiotikarückstände im Fleisch können zu einer Resistenz führen.
Nebenwirkungen
Eine unangenehme Folge von oralen Antibiotikaeinnahmen ist die Vernichtung der Darmflora. Manche
Menschen reagieren im Verlauf einer Antibiotikatheraphie mit einer Allergie
Nebenwirkungen bei Antibiotika können sein: es kann zu sofortigen oder zeitversetzt eintretenden
Überempfindlichkeitsreaktionen kommen, insbesondere zu Hautausschlägen, Fieber und
anaphylaktischem Schock (einer akuten allergischen Reaktion auf das Medikament); Übelkeit, Erbrechen
und Durchfall;
Sehr seltene Nebenwirkungen können sein: Schädigung des Innenohrlabyrinths, Gehörverlust und
Nierenschäden; Manchmal kann das Gleichgewicht zwischen den im Körper siedelnden Bakterien und
dem Immunsystem, welches sie in Schach hält gestört werden. Dies kann zu Sekundärinfektionen im
Magen-Darm-Trakt oder in der Scheide führen.
Herstellung von Antibiotika
Die Entwicklung eines neuen Antibiotikums ist sehr zeit- und kostenintensiv. Zunächst muss der
Organismus, der den antibiotischen Wirkstoff bildet, identifiziert und das Antibiotikum an einer genügend
großen Anzahl von Bakterien- bzw. Pilzarten getestet werden. Dann ist es erforderlich, diese Organismen
in großem Maßstab zu züchten, so dass der antibiotische Wirkstoff gereinigt und chemisch analysiert
werden kann, um seine Wirkungsweise nachzuweisen, die sich von der bisher bekannter Stoffe
unterscheiden muss. Dies ist ein umfangreiches Verfahren, da bereits mehrere tausend Verbindungen mit
antibiotischer Wirkung bekannt sind und diese auch häufig neu entdeckt werden. Nachdem sich das neue
Antibiotikum im Tierversuch als geeignet zur Behandlung von Infektionen erwiesen hat, kann die
Großproduktion beginnen.
Die antibiotikabildenden Bakterien- oder Pilzart wird dann in großen Gefäßen, so genannten Fermentern
gezüchtet, die mit Nährlösung getränkt sind, künstlich belüftet und laufend auf beste
Wachstumsbedingungen für den heranzuziehenden Organismus kontrolliert und entsprechend gesteuert
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werden. Das natürlich fermentierte Produkt wird möglicherweise noch chemisch modifiziert; man spricht
in diesem Fall von halbsynthetischen Antibiotika.
Insgesamt erstreckt sich der Zeitraum von der Entdeckung eines antibiotischen Wirkstoffes im Labor bis
hin zu den klinischen Versuchsreihen im Allgemeinen über einige Jahre, teilweise dauert dies bis zu
einem Jahrzehnt.
Von den ca. 8000 bekannten Antibiotikas werden rund 190 als Arzneimittel gegen Bakterien- und
Pilzinfektionen sowie als Cytostatika (hemmen das Zellwachstum und die Zellteilung) oder
Immunsuppressive (unterdrücken das Immunsystem) verwendet.
Grenzen und Risiken
Antibiotika sind in Deutschland und in vielen anderen Ländern rezeptpflichtig. Dies hängt u. a. damit
zusammen, dass Bakterien gegen bestimmte Antibiotika Abwehrmechanismen entwickelt haben; dadurch
kann deren Wirksamkeit gehemmt sein, so dass der behandelnde Arzt über die Einnahme entscheiden und
ihre Auswirkungen beurteilen und kontrollieren muss.
Resistenzen
Die Resistenz ist ein Abwehrmechanismus der Bakterien.
Einer der häufigsten dieser Abwehrmechanismen ist die Inaktivierung des Antibiotikums, was u.a. bei
Penicillin und Chloramphenicol auftritt. Ein anderer Schutzmechanismus der Bakterien ist die Mutation.
Dabei wird das jeweilige bakterielle Enzym, dessen Produktion durch das Medikament gehemmt wird, so
verändert, dass diese Hemmfunktion nicht mehr wirkt. Diese Art der Resistenzbildung tritt bei Antibiotika
auf, die die Proteinsynthese hemmen, z.B. den Tetracyclinen.
All diese Formen der Resistenz werden vom Bakterium auf seine Nachkommen vererbt.
Bei der Informationsübertragung über Plasmide können die Bakterien die Gene, die die Information für
solche Resistenzmechanismen in sich tragen relativ leicht auch auf andere (meist verwandte) Bakterien
übertragen.
Das Problem der Resistenzbildung wurde durch den bis vor kurzem noch üblichen, vorbeugenden Einsatz
von Antibiotika zur Verhinderung von Infektionen noch bevor diese überhaupt auftreten zusätzlich
verschlimmert. Auch deren wahllose und unangebrachte Anwendung beispielsweise gegen einfache
Erkältungen und andere virale Infekte, gegen die sie gar nicht wirksam sind, bekämpft unnötig
antibiotikasensible Bakterien und sorgt für die Entwicklung resistenter Stämme. Auch der Zusatz von
Antibiotika in Geflügel- und Tierfutter hat die Ausweitung von Resistenzen gefördert und zu einer weit
verbreiteten Kontamination von Fleisch und Geflügel mit antibiotikaresistenten Bakterien wie
Salmonellen geführt, wodurch wiederum die von diesen verursachten Lebensmittelvergiftungen
zunehmen.
Einige Bakterien, insbesondere einige Staphylokokkenstämme, sind mittlerweile gegen so viele
Antibiotikaklassen resistent, dass Infektionen mit diesen Erregern nahezu unbehandelbar sind. Wenn solch
ein Stamm die chirurgische Station eines Krankenhauses befällt, kann es manchmal erforderlich werden,
die gesamte Abteilung für gewisse Zeit zu schließen.
Ebenso haben auch die Plasmodien (Erreger der Malaria) zunehmende Resistenz gegen Antibiotika
entwickelt. Gleichzeitig wurden die Stechmücken, die die Plasmodien übertragen, resistent gegen
Insektenschutzmittel, die gegen sie eingesetzt werden. Folglich wütet die Malaria wieder in Teilen
Afrikas, des Nahen Ostens, Südostasiens und Lateinamerikas, nachdem die Häufigkeit von Malariafällen
schon stark zurückgegangen war.
Quellen:
Psychrembel
Schülerduden Biologie
Kopendium Antibiotika (Lübecker Stadtbibliothek)
Antibiotika (Lübecker Stadtbibliothek)
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www.antibiotika.de
www.merian.fr.bw.schule.de/beck/skripten/13/bs13-7.htm
Informationen:
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Quellenangabe des Autors:
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