Bakterien

Wirkmechanismus der β-Lactam-Antibiotika

Wie Penicilline und Cephalosporine die Quervernetzung des Mureins blockieren, warum sie Bakterien abtöten und weshalb sie menschliche Zellen schonen.

Prüfungsrelevanz: gut zu wissen ✓ gelesen
Das Wichtigste in Kürze5 Punkte
  • β-Lactam-Antibiotika wie Penicilline und Cephalosporine sind Antibiotika mit β-Lactam-Ring, die die bakterielle Mureinsynthese hemmen.
  • Sie acylieren das aktive Serin der Transpeptidase und verhindern so die Quervernetzung des Mureins bei grampositiven und gramnegativen Bakterien.
  • Ohne Quervernetzung lysiert die wachsende Zelle osmotisch: β-Lactame wirken bakterizid.
  • Ribosomen, DNA-Replikation, Transkription und Cytoplasmamembran sind nicht ihr Angriffsort; Cyclosporin A hemmt die Mureinsynthese nicht.
  • Am empfindlichsten sind Bakterien in der log-Phase; Protoplasten und tierische Zellen werden nicht geschädigt.

Worum es geht

Penicilline und Cephalosporine zählen zu den meistverordneten Antibiotika. Sie greifen die Mureinzellwand an, die nur Bakterien besitzen. Aus diesem Mechanismus lassen sich Wirkung, Empfindlichkeit und Verträglichkeit ableiten.

Zellwandsynthese als Angriffspunkt

Ein Antibiotikum soll den Erreger treffen und den Menschen schonen. Diese selektive Toxizität gelingt am besten an Strukturen, die nur Bakterien haben. Die Zellwand aus Murein ist ein solches Ziel.

β-Lactam-Antibiotika tragen als gemeinsames Merkmal einen viergliedrigen, gespannten β-Lactam-Ring. Zu dieser Stoffgruppe gehören die Penicilline und die Cephalosporine.

Hemmung der Transpeptidase

Die Transpeptidase verknüpft die Peptidketten benachbarter Glykanstränge und spaltet dabei ein endständiges D-Alanin ab. Der β-Lactam-Ring ähnelt räumlich diesem D-Ala-D-Ala-Ende. Das aktive Serin des Enzyms öffnet den Ring und wird dabei acyliert. Die Transpeptidase bleibt dauerhaft blockiert, die Quervernetzung unterbleibt.

Gegenüberstellung von D-Ala-D-Ala und Penicillin sowie Reaktionsschema der Serin-Acylierung durch den geöffneten β-Lactam-Ring

Penicillin imitiert das D-Ala-D-Ala-Ende und acyliert das aktive Serin der Transpeptidase.

In der wachsenden Zelle öffnen Autolysine das Netz weiter, doch die Lücken schließen sich nicht mehr. Der osmotische Innendruck beult die Membran aus, bis die Zelle platzt. β-Lactame wirken daher bakterizid: Sie töten Bakterien ab, statt nur ihre Vermehrung zu hemmen.

Vierstufige Bildfolge einer Bakterienzelle von intakter Wand bis zur Lyse unter Penicillin

Ohne Quervernetzung entstehen Lücken im Mureinnetz, die wachsende Zelle lysiert osmotisch.

Grampositive wie gramnegative Bakterien besitzen das Zielenzym. Beide Gruppen werden in ihrer Zellwandsynthese gehemmt. Der Angriffsort liegt allein in der Zellwand. Anders als Tetracycline lassen β-Lactame Ribosomen und Proteinbiosynthese unberührt. Auch DNA-Replikation und Transkription bleiben unbeeinflusst. Die Cytoplasmamembran behält Aufbau und Permeabilität, und die Bildung von Endotoxinen wird nicht gehemmt. Das ähnlich klingende Cyclosporin A ist ein Immunsuppressivum und hemmt die Mureinsynthese nicht.

🎯 Examensrelevant: Angriffsort der β-Lactame

Der Mechanismus wird im Examen gerne gefragt: Penicilline und Cephalosporine hemmen die Transpeptidase, also die Quervernetzung des Mureins, und wirken bakterizid. Achte darauf, den Angriff der Zellwand zuzuordnen und nicht Ribosomen oder Membran.

Empfindlichkeit und Selektivität

Weil β-Lactame nur den Neuaufbau der Wand stören, wirken sie auf wachsende Zellen. In der log-Phase bauen die Zellen ständig Murein ein und sind am empfindlichsten. In der stationären Phase ruht die Synthese weitgehend, die Kultur ist nur wenig empfindlich.

Wachstumskurve einer Bakterienkultur mit hervorgehobener logarithmischer Phase als Phase höchster Penicillin-Empfindlichkeit

Penicillin wirkt am stärksten in der log-Phase, wenn die Zellwand aktiv aufgebaut wird.

Ein Protoplast ist eine Bakterienzelle ohne Zellwand, die nur in isotonischem Medium überlebt. Ihm fehlt der Angriffspunkt, daher ist er gegen Penicillin unempfindlich. Tierische Zellen bilden kein Murein. Penicilline sind für sie deshalb nicht toxisch.

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Aussage 1

β-Lactam-Antibiotika wirken, indem sie die bakteriellen Ribosomen blockieren.

Ihr Angriffsort ist die Transpeptidase der Zellwandsynthese. Die Proteinbiosynthese an den Ribosomen bleibt unberührt.

Aussage 2

Penicilline töten Bakterien ab, weil die Zelle ohne Quervernetzung des Mureins dem osmotischen Innendruck nicht standhält.

Die Hemmung der Transpeptidase hinterlässt Lücken im Mureinnetz, die wachsende Zelle lysiert. Die Wirkung ist daher bakterizid.

Aussage 3

Eine Bakterienkultur in der stationären Phase reagiert am empfindlichsten auf Penicillin.

Am empfindlichsten ist sie in der log-Phase, wenn ständig Murein aufgebaut wird. In der stationären Phase ist sie nur wenig empfindlich.

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