Bakteriophagen: Bau, Infektion und lytischer Zyklus
Wie Bakteriophagen gebaut sind, wie sie ein Bakterium infizieren und zerstören und wie sich Bakterien mit Restriktionsenzymen wehren.
Das Wichtigste in Kürze
- Ein Bakteriophage ist ein Virus ohne eigenen Stoffwechsel, das sich in Bakterien vermehrt.
- Phagen enthalten meist DNA, seltener RNA, keine Histone und nur selten eine Lipidhülle.
- Phagen sind wirtsspezifisch und binden mit Schwanzfasern an Rezeptoren der Zellwand.
- Nur die Nucleinsäure wird injiziert, die Hülle bleibt außen. Das Hershey-Chase-Experiment zeigt so die DNA als Erbträger.
- Virulente Phagen durchlaufen stets den lytischen Zyklus: Replikation, Proteinsynthese, Self-Assembly, Lyse.
- Restriktionsenzyme schneiden unmethylierte Fremd-DNA und dienen der Phagenabwehr.
Worum es geht
Bakteriophagen sind Viren, die ausschließlich Bakterien befallen. An ihnen wurde gezeigt, dass Nucleinsäuren die Erbinformation tragen. Ihre Abwehr durch Restriktionsenzyme lieferte die Grundlage der Gentechnik.
Bau und Wirtsspezifität
Ein Bakteriophage (kurz Phage) ist ein Virus, das sich in Bakterien vermehrt. Wie alle Viren hat er keinen eigenen Stoffwechsel. Er nutzt Enzyme, Energie und Ribosomen seines Wirts. Seine Hüllproteine entstehen deshalb an den 70S-Ribosomen des Bakteriums.
Das Genom ist meist DNA, seltener RNA. Doppelsträngige DNA wie beim Phagen T4 ist häufig, aber nicht die Regel für alle: φX174 trägt einzelsträngige DNA, MS2 einzelsträngige RNA. Phagen sind keine Retroviren, denn sie schreiben kein RNA-Genom in DNA um. Histone fehlen ihnen. Die meisten Phagen bestehen nur aus Nucleinsäure und Proteinkapsid, eine Lipidhülle haben nur wenige.
Der bekannteste Bautyp ist der T4-Phage. Sein ikosaedrischer Kopf enthält die DNA. Daran hängt ein Schwanzrohr mit kontraktiler Scheide, unten sitzen Basalplatte und Schwanzfasern.
Phagen sind wirtsspezifisch. Ihr Wirtsbereich ist eng begrenzt, oft auf eine Art oder einzelne Stämme. Menschliche Zellen befallen sie nicht.
Adsorption und Injektion
Die Infektion beginnt mit der Adsorption. Die Schwanzfasern binden an spezifische Rezeptoren der Bakterienzellwand. Diese Passung von Faser und Rezeptor erklärt die Wirtsspezifität.
Dann kontrahiert die Schwanzscheide. Das Schwanzrohr durchstößt die Wand wie eine Spritzennadel, und der Phage injiziert seine Nucleinsäure. Die leere Proteinhülle bleibt außen. Das ist keine Phagocytose, denn der Phage wird nicht als Ganzes aufgenommen. In der Zelle wird die Phagen-DNA in mRNA transkribiert.
Dass nur die Nucleinsäure eindringt, belegt das Hershey-Chase-Experiment. Phagen mit \(\ce{^{35}S}\) markiertem Protein hinterlassen die Radioaktivität im Überstand. Phagen mit \(\ce{^{32}P}\) markierter DNA übertragen sie ins Bakterienpellet. Also tragen Nucleinsäuren die Erbinformation.
Lytischer Zyklus
Ein virulenter Phage durchläuft immer den lytischen Zyklus. Seine DNA wird dabei nicht ins Bakterienchromosom integriert. Ein Prophage entsteht nie, anders als bei temperenten Phagen und der Lysogenie.
- Adsorption und Injektion: Der Phage bindet und schleust seine DNA ein.
- Umprogrammierung: Phagenenzyme bauen die Wirts-DNA ab.
- Replikation: Die Phagen-DNA wird rasch vielfach kopiert.
- Proteinsynthese: Die Zelle bildet Kopf-, Schwanz- und Faserproteine.
- Self-Assembly: Neue Phagen setzen sich zusammen.
- Lyse: Die Wirtszelle platzt und setzt viele Phagen frei.
Selbstständiger Zusammenbau von Nucleinsäure und Strukturproteinen zu fertigen Phagen, ohne äußere Bauanleitung. Die Form der Bausteine bestimmt, wie sie zusammenpassen.
Am Ende steht meist die Zerstörung der Zelle durch phageneigene Lysozyme.
Die Lyse ist keine Phagenkonversion. Konversion bedeutet, dass ein integrierter Prophage die Eigenschaften einer überlebenden Zelle verändert.
Restriktionsenzyme
Bakterien wehren sich mit Restriktionsenzymen. Diese Endonucleasen erkennen kurze Basensequenzen und schneiden dort Fremd-DNA. So wird eingedrungene Phagen-DNA abgebaut, bevor sie sich vermehrt.
Die eigene DNA schützt das Bakterium durch Methylierung derselben Sequenzen. Man kann sich das wie einen Stempel vorstellen, der Eigenes markiert. EcoRI aus Escherichia coli schneidet zum Beispiel unmethylierte DNA an GAATTC.
Ihre Nutzung im Labor behandeln die molekularbiologischen Methoden.
Quiz
Aussage 1
Beim Hershey-Chase-Experiment gelangt das \(\ce{^{35}S}\)-markierte Phagenprotein in die Bakterien.
Das \(\ce{^{35}S}\)-Protein bleibt im Überstand. In die Bakterien gelangt die \(\ce{^{32}P}\)-markierte DNA.
Aussage 2
Im lytischen Zyklus wird die DNA eines virulenten Phagen als Prophage ins Bakterienchromosom eingebaut.
Virulente Phagen integrieren ihre DNA nicht. Sie wird rasch repliziert, und die Zelle wird lysiert.
Aussage 3
Bakterien schützen ihre eigene DNA vor ihren Restriktionsenzymen durch Methylierung der Erkennungssequenzen.
Methylierte Sequenzen werden nicht geschnitten, unmethylierte Fremd-DNA dagegen schon.
Aussage 4
Die Hüllproteine eines Bakteriophagen werden an den 70S-Ribosomen des Wirtsbakteriums gebildet.
Phagen haben keinen eigenen Stoffwechsel und nutzen die 70S-Ribosomen des Bakteriums.
Fehler entdeckt oder eine Idee? Wir verbessern die Inhalte laufend. Melde es uns gerne über dieses Formular ❤️
Teile der Inhalte wurden mithilfe von KI-Systemen erstellt und werden fortlaufend redaktionell geprüft. Trotz Sorgfalt können Fehler enthalten sein. Wichtige Informationen bitte anhand offizieller Quellen prüfen. Relaxed ins Stex ist ein unabhängiges Angebot und steht in keiner Kooperation mit dem IMPP. Das Angebot ist weder vom IMPP autorisiert noch mit diesem verbunden.