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Ein Teelöffel Gartenboden enthält mehr Bakterienzellen, als Menschen auf der Erde leben — und die meisten davon sind keine Krankheitserreger, sondern Stoffwechselspezialisten, ohne die kein Stickstoffkreislauf und kein Ökosystem funktioniert. Die Mikrobiologie untersucht diese Organismen, die einzeln zu klein für das bloße Auge sind: Bakterien, Archaeen, mikroskopische Pilze — und Viren, die als nicht-zelluläre Partikel einen Sonderfall bilden. Für dein Studium ist das Fach doppelt relevant: als Grundlage für Genetik, Biotechnologie und Medizin und als eigenständiges Prüfungsfach mit klarem Erwartungshorizont.
In der Mikrobiologie-Klausur entscheidet selten das Auswendigwissen allein. Gefragt ist, ob du Befunde einordnen und rechnen kannst: Ein Stäbchen färbt sich in der Gram-Färbung rot — was sagt das über seine Zellwand? Eine Kultur wächst exponentiell von 500 auf 16.000 Zellen — wie viele Generationen sind vergangen? Warum übersteht Bacillus subtilis dank seiner Endosporen zehnminütiges Kochen, nicht aber das Autoklavieren? Und warum ist ein Wirkstoff, der die bakterielle Zellwandsynthese blockiert, für menschliche Zellen vergleichsweise harmlos, gegen Viren aber wirkungslos? Wer die Mechanismen dahinter verstanden hat, beantwortet solche Transferfragen sicher.
Diese Mikrobiologie Zusammenfassung führt durch die klausurrelevanten Blöcke in aufbauender Reihenfolge: die drei Domänen des Lebens, der Bau der Bakterienzelle mit den beiden Zellwandtypen, Wachstum und Generationszeit samt Rechenweg, Stoffwechsel- und Ernährungstypen, die Prinzipien von Kultivierung und Sterilisation, Bakterien und Viren im Vergleich, horizontaler Gentransfer sowie Wirkung und Grenzen von Antibiotika inklusive Resistenzentstehung. Die Lernkarten und Übungsfragen darunter sind so geschnitten, wie Prüfungen tatsächlich fragen: Begriffe abgrenzen, Befunde interpretieren, Wachstum berechnen. Du kannst alles direkt hier durcharbeiten — oder die Inhalte kostenfrei in deinen Learnboost Account übernehmen und dort mit Spaced Repetition, Lernplan und KI-Tutor bis zur Klausur weiterlernen.
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Die Mikrobiologie befasst sich mit Organismen, die einzeln nicht mit bloßem Auge sichtbar sind: Bakterien, Archaeen, mikroskopische Pilze und Protisten — dazu Viren als nicht-zelluläre Grenzfälle. Der Grundaufbau von Zellen, die Unterscheidung von Prokaryoten und Eukaryoten sowie DNA-Aufbau und Proteinbiosynthese werden hier vorausgesetzt; im Zentrum stehen die Eigenheiten der Mikroorganismen selbst.
Auf Basis von rRNA-Sequenzvergleichen (Carl Woese) teilt man alle Lebewesen in drei Domänen: Bacteria, Archaea und Eukarya. Bacteria und Archaea sind Prokaryoten, unterscheiden sich aber grundlegend: Bakterien besitzen eine Zellwand aus Peptidoglykan und Membranen aus Esterlipiden. Archaeen haben kein Peptidoglykan — manche stattdessen Pseudomurein —, ihre Membranlipide sind Etherlipide, und ihr Transkriptionsapparat ähnelt dem der Eukaryoten. Viele Archaeen besiedeln extreme Standorte wie heiße Quellen, Salzseen oder stark saure Gewässer; krankheitserregende Archaeen sind bislang nicht bekannt. Die Eukarya mit Zellkern und membranumschlossenen Organellen bilden die dritte Domäne.
Das bakterielle Chromosom liegt als ringförmiges DNA-Molekül frei im Zytoplasma — diese Region heißt Nukleoid. Daneben tragen viele Bakterien Plasmide: kleine DNA-Ringe, die unabhängig vom Chromosom repliziert werden und Zusatzgene wie Antibiotikaresistenzen transportieren. Die Ribosomen sind vom 70S-Typ. Nach außen folgt auf die Zellmembran die Zellwand aus Peptidoglykan (Murein): Ketten aus N-Acetylglucosamin und N-Acetylmuraminsäure, quervernetzt über kurze Peptidbrücken, schützen die Zelle vor dem osmotischen Platzen. Viele Arten tragen zusätzlich eine Kapsel (Schutz und Anheftung), Geißeln zur Fortbewegung und Pili zur Anheftung; der Sexpilus stellt den Zellkontakt für die Konjugation her. Der Form nach unterscheidet man Kokken, Stäbchen und schraubenförmige Zellen; Kokken lagern sich zu Paaren (Diplokokken), Ketten (Streptokokken) oder Trauben (Staphylokokken) zusammen. Gattungen wie Bacillus und Clostridium bilden unter Mangelbedingungen Endosporen — stoffwechselinaktive, extrem widerstandsfähige Überdauerungsformen mit Dipicolinsäure im entwässerten Kern. Sie sind keine Vermehrungsform: Aus einer Zelle wird eine Spore, aus der wieder genau eine Zelle auskeimt.
Die Gram-Färbung trennt Bakterien nach ihrem Zellwandtyp — als Prinzip: Die Zellen werden mit Kristallviolett gefärbt, der Farbstoff wird mit Iod als Komplex fixiert, dann wird mit Alkohol entfärbt und mit Safranin gegengefärbt. Grampositive Zellen besitzen eine dicke, mehrschichtige Peptidoglykanschicht mit eingelagerten Teichonsäuren; sie hält den Farbstoffkomplex fest, die Zellen bleiben blau-violett. Gramnegative Zellen haben nur eine dünne Peptidoglykanschicht im Periplasma, darüber aber eine äußere Membran mit Lipopolysacchariden (LPS); beim Entfärben wird der Komplex ausgewaschen, nach der Gegenfärbung erscheinen die Zellen rot. Der Wandtyp ist mehr als ein Färbeergebnis: Die äußere Membran gramnegativer Arten ist eine zusätzliche Barriere, die manchen Antibiotika den Zutritt erschwert, und LPS wirkt als Endotoxin.
Bakterien vermehren sich durch binäre Zweiteilung, die Zellzahl verdoppelt sich also mit jeder Generation. Daraus folgt die Wachstumsformel N = N₀ · 2ⁿ, wobei n = t/g die Zahl der Generationen und g die Generationszeit (Verdopplungszeit) ist. E. coli erreicht unter Optimalbedingungen etwa 20 Minuten: Aus 100 Zellen werden in zwei Stunden n = 120/20 = 6 Generationen, also N = 100 · 2⁶ = 6.400 Zellen. In einem geschlossenen Gefäß (Batch-Kultur) verläuft das Wachstum in vier Phasen: In der Lag-Phase passen die Zellen ihren Stoffwechsel an das Medium an, die Zellzahl bleibt fast konstant. In der exponentiellen Phase ist die Generationszeit konstant und minimal. In der stationären Phase begrenzen Nährstoffmangel und hemmende Stoffwechselprodukte das Wachstum, Teilungs- und Sterberate halten sich die Waage. In der Absterbephase sinkt die Lebendzellzahl.
Wie schnell eine Art wächst, hängt von Temperatur (psychrophil, mesophil, thermophil), pH-Wert (acidophil, neutrophil, alkaliphil) und Wasseraktivität ab — dass niedrige Wasseraktivität das Wachstum hemmt, ist das Prinzip hinter dem Konservieren durch Trocknen, Salzen und Zuckern. Beim Sauerstoff unterscheidet man: Obligat aerobe Arten benötigen O₂ als terminalen Elektronenakzeptor. Fakultativ anaerobe wie E. coli wachsen mit und ohne O₂, mit O₂ aber effizienter. Mikroaerophile brauchen niedrige O₂-Konzentrationen. Aerotolerante nutzen O₂ nicht, werden von ihm aber auch nicht geschädigt. Für obligat anaerobe ist O₂ toxisch, weil Schutzenzyme wie Katalase und Superoxid-Dismutase fehlen.
Mikroorganismen werden nach Energie- und Kohlenstoffquelle eingeteilt: phototroph (Licht) oder chemotroph (chemische Verbindungen), autotroph (CO₂) oder heterotroph (organische Verbindungen). Cyanobakterien sind photoautotroph, nitrifizierende Bakterien chemolithoautotroph, E. coli ist chemoheterotroph. Bei der Energiegewinnung liefert die aerobe Atmung mit O₂ als terminalem Elektronenakzeptor je Glukose rund 30 ATP (ältere Bilanzen: bis 38). Bei der anaeroben Atmung übernehmen alternative Akzeptoren wie Nitrat oder Sulfat diese Rolle. Die Gärung kommt ganz ohne Atmungskette aus: Ein organisches Molekül nimmt die Elektronen auf, es bleiben nur die 2 ATP der Glykolyse — deshalb wachsen gärende Kulturen deutlich langsamer. Milchsäuregärung (Lactobacillus in Joghurt und Sauerkraut) und alkoholische Gärung (Hefe in Brot und Bier) sind zugleich Grundlage ganzer Lebensmittelbranchen.
Für die Klausur zählt das Prinzip der Kultivierung, nicht das Laborprotokoll. Selektivmedien unterdrücken das Wachstum unerwünschter Gruppen, Differenzialmedien machen Stoffwechselleistungen sichtbar, etwa durch einen Farbumschlag. Eine Reinkultur enthält die Nachkommen einer einzigen Zelle. Die Lebendzellzahl wird über koloniebildende Einheiten (KBE) bestimmt — gezählt wird nur, was sich unter den Kulturbedingungen vermehren kann, weshalb sie unter der Gesamtzellzahl liegt. Sterilisation beseitigt alle vermehrungsfähigen Mikroorganismen einschließlich der Endosporen: durch Autoklavieren mit gespanntem Wasserdampf bei 121 °C, trockene Hitze, Sterilfiltration hitzeempfindlicher Lösungen oder ionisierende Strahlung. Desinfektion reduziert die Keimzahl lediglich so weit, dass keine Infektionsgefahr mehr besteht — Endosporen überstehen sie in der Regel.
Viren sind keine Zellen: Sie bestehen aus einem Genom aus DNA oder RNA (nie beidem), einem Kapsid aus Proteinuntereinheiten und teils einer Lipidhülle, die von der Membran der Wirtszelle stammt. Ihnen fehlen Ribosomen und eigener Energiestoffwechsel; sie vermehren sich ausschließlich in Wirtszellen und gelten deshalb nicht als Lebewesen im Sinne der Zelltheorie. Bakteriophagen — Viren, die Bakterien befallen — zeigen zwei Vermehrungswege: Im lytischen Zyklus wird die Wirtszelle nach Adsorption und DNA-Injektion zur Phagenproduktion umprogrammiert und platzt schließlich (Lyse). Im lysogenen Zyklus integriert das Phagengenom als Prophage ins Bakterienchromosom und wird bei jeder Zellteilung mitkopiert; Stress kann die Induktion auslösen, also den Übergang in den lytischen Zyklus.
Neben der vertikalen Weitergabe an die Tochterzellen tauschen Bakterien Gene horizontal aus — ein Hauptgrund für die schnelle Ausbreitung von Resistenzen. Drei Wege sind klausurrelevant: Bei der Transformation nimmt eine kompetente Zelle freie DNA aus der Umgebung auf. Bei der Transduktion verpackt ein Bakteriophage versehentlich Wirts-DNA und überträgt sie auf die nächste Zelle. Bei der Konjugation wird über den Sexpilus direkter Zellkontakt hergestellt und ein Plasmid von der Spender- in die Empfängerzelle übertragen. Transposons, springende DNA-Elemente, verschieben Gene zusätzlich innerhalb des Genoms und zwischen Chromosom und Plasmid.
Antibiotika sind hier Prüfungsstoff, nicht Therapieanleitung — gefragt wird nach Mechanismen. Ihr Grundprinzip ist die Selektivtoxizität: Sie treffen Strukturen und Stoffwechselwege, die menschliche Zellen nicht besitzen. Die klassischen Angriffspunkte: Hemmung der Zellwandsynthese (β-Lactame blockieren die Quervernetzung des Peptidoglykans), Hemmung der Proteinbiosynthese am bakteriellen 70S-Ribosom (nicht am 80S-Ribosom der Eukaryoten), Eingriffe in DNA-Replikation und RNA-Synthese (etwa Gyrasehemmer), Blockade des Folsäurestoffwechsels (Bakterien müssen Folsäure selbst synthetisieren, der Mensch nimmt sie mit der Nahrung auf) sowie Schädigung der Zellmembran. Bakteriostatische Wirkstoffe hemmen Wachstum und Vermehrung, bakterizide töten die Zellen ab. Gegen Viren sind Antibiotika grundsätzlich wirkungslos: kein eigener Stoffwechsel, keine Zellwand, keine 70S-Ribosomen — kein Angriffspunkt.
Vier Resistenzmechanismen solltest du nennen können: enzymatische Inaktivierung des Wirkstoffs (β-Lactamasen spalten den β-Lactam-Ring), Veränderung der Zielstruktur, aktives Herauspumpen über Effluxpumpen und verringerte Permeabilität der Zellhülle. Resistenzen entstehen durch zufällige Mutationen und verbreiten sich per horizontalem Gentransfer, vor allem über Resistenzplasmide bei der Konjugation. Das Antibiotikum selbst erzeugt keine Resistenz — es wirkt als Selektionsdruck: Sensible Zellen sterben, resistente überleben und vermehren sich. Resistenz ist damit ein Populationsphänomen durch Selektion, keine „Gewöhnung“ einzelner Zellen.
Pilze sind Eukaryoten: Zellkern, 80S-Ribosomen, Zellwand aus Chitin, chemoheterotrophe Ernährung. Hefen wie Saccharomyces cerevisiae sind einzellig und vermehren sich durch Sprossung; Schimmelpilze wachsen als Hyphengeflecht (Myzel). Ökologisch sind Mikroorganismen unverzichtbar: Als Destruenten schließen sie Stoffkreisläufe, Knöllchenbakterien wie Rhizobium fixieren Luftstickstoff, Nitrifizierer oxidieren Ammonium zu Nitrat. Das menschliche Mikrobiom — allen voran die Darmflora — unterstützt Verdauung, Vitaminversorgung und die Abwehr unerwünschter Keime. Die Biotechnologie nutzt Mikroorganismen gezielt: Milchsäurebakterien und Hefen in der Lebensmittelherstellung, das Laborbakterium E. coli K-12 als Produzent von Insulin und Enzymen.
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Die Lehre von Organismen, die einzeln nicht mit bloßem Auge erkennbar sind: Bakterien, Archaeen, mikroskopische Pilze und Protisten. Viren werden mitbehandelt, gelten aber nicht als Lebewesen, weil ihnen eigener Stoffwechsel und eigenständige Vermehrung fehlen.
Bacteria, Archaea und Eukarya. Die Einteilung geht auf den Vergleich ribosomaler RNA-Sequenzen durch Carl Woese zurück. Bacteria und Archaea sind Prokaryoten ohne Zellkern, Eukarya besitzen einen Zellkern und membranumschlossene Organellen.
Archaeen besitzen kein Peptidoglykan (manche stattdessen Pseudomurein), ihre Membranlipide sind Etherlipide statt Esterlipide, und ihr Transkriptionsapparat ähnelt dem der Eukaryoten. Viele besiedeln extreme Standorte wie heiße Quellen oder Salzseen; krankheitserregende Archaeen sind nicht bekannt.
Aus Ketten der Zucker N-Acetylglucosamin und N-Acetylmuraminsäure, die über kurze Peptidbrücken quervernetzt sind. Das Netz umspannt die Zelle als formgebende Hülle und schützt sie vor dem osmotischen Platzen.
Grampositiv: dicke, mehrschichtige Peptidoglykanschicht mit eingelagerten Teichonsäuren, keine äußere Membran. Gramnegativ: dünne Peptidoglykanschicht im Periplasma plus äußere Membran mit Lipopolysacchariden (LPS).
Färben mit Kristallviolett, Fixieren des Farbstoff-Iod-Komplexes, Entfärben mit Alkohol, Gegenfärben mit Safranin. Grampositive Zellen halten den Komplex in der dicken Mureinschicht fest und bleiben blau-violett; gramnegative werden entfärbt und erscheinen nach der Gegenfärbung rot.
Stoffwechselinaktive Überdauerungsformen, die Hitze, Austrocknung und Strahlung überstehen — unter anderem dank Dipicolinsäure und Calcium im entwässerten Kern. Sie dienen nicht der Vermehrung: Eine Zelle bildet eine Spore, aus der wieder genau eine Zelle auskeimt. Typische Bildner sind Bacillus und Clostridium.
Kleine, ringförmige DNA-Moleküle, die unabhängig vom Bakterienchromosom repliziert werden. Sie tragen oft Zusatzgene, etwa für Antibiotikaresistenzen, und werden bei der Konjugation zwischen Zellen übertragen — auch über Artgrenzen hinweg. In der Gentechnik dienen sie als Vektoren.
N = N₀ · 2ⁿ mit n = t/g. Die Generationszeit g ist die Zeit, in der sich die Zellzahl verdoppelt. E. coli erreicht unter Optimalbedingungen etwa 20 Minuten.
n = 300 min / 30 min = 10 Generationen. N = 1 · 2¹⁰ = 1.024 Zellen.
Lag-Phase (Anpassung an das Medium, kaum Teilung), exponentielle Phase (konstante, minimale Generationszeit), stationäre Phase (Nährstoffmangel und hemmende Produkte, Teilungs- und Sterberate gleichen sich aus), Absterbephase (Lebendzellzahl sinkt).
Obligat aerob (benötigen O₂), fakultativ anaerob (wachsen mit und ohne O₂, mit O₂ effizienter), mikroaerophil (nur bei niedriger O₂-Konzentration), aerotolerant (O₂ wird nicht genutzt, schadet aber nicht), obligat anaerob (O₂ wirkt toxisch, weil Schutzenzyme wie Katalase fehlen).
Sterilisation beseitigt alle vermehrungsfähigen Mikroorganismen einschließlich Endosporen — etwa durch Autoklavieren mit gespanntem Wasserdampf bei 121 °C, trockene Hitze, Sterilfiltration oder ionisierende Strahlung. Desinfektion reduziert die Keimzahl nur so weit, dass keine Infektionsgefahr mehr besteht; Endosporen überstehen sie meist.
Lytisch: Der Phage programmiert die Wirtszelle sofort auf Phagenproduktion um, neue Partikel werden zusammengebaut, die Zelle platzt (Lyse). Lysogen: Das Phagengenom integriert als Prophage ins Bakterienchromosom und wird bei jeder Teilung mitkopiert; durch Induktion (etwa Stress) kann es in den lytischen Zyklus wechseln.
Antibiotika greifen bakterielle Strukturen und Stoffwechselwege an: Zellwandsynthese, 70S-Ribosomen, bakterielle Enzyme. Viren besitzen nichts davon — kein eigener Stoffwechsel, keine Ribosomen, keine Zellwand. Es gibt schlicht keinen Angriffspunkt.
Bakteriostatisch: Der Wirkstoff hemmt Wachstum und Vermehrung der Bakterien, ohne sie abzutöten. Bakterizid: Der Wirkstoff tötet die Zellen ab. Derselbe Stoff kann je nach Konzentration und Organismus in beide Kategorien fallen.
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Lernkarten übernehmenLösung:
Rot nach der Gegenfärbung bedeutet gramnegativ: Der Kristallviolett-Iod-Komplex wurde beim Entfärben mit Alkohol ausgewaschen, weil die Peptidoglykanschicht dünn ist. Gramnegative Zellen tragen zusätzlich eine äußere Membran mit Lipopolysacchariden (LPS) über dem Periplasma.
Grampositive Zellen halten den Farbstoffkomplex in ihrer dicken, mehrschichtigen Mureinschicht fest und bleiben blau-violett. Gramnegative Zellen werden entfärbt und nehmen erst die rote Gegenfärbung (Safranin) an. Eine Chitin-Zellwand kennzeichnet Pilze, nicht Bakterien; zellwandlose Bakterien sind seltene Sonderfälle und hier nicht gefragt.
Lösung:
Zahl der Generationen: n = t/g = 150 min / 30 min = 5. Zellzahl: N = N₀ · 2ⁿ = 500 · 2⁵ = 500 · 32 = 16.000 Zellen.
Exponentielles Wachstum heißt Verdopplung pro Generation, nicht Addition: 500 → 1.000 → 2.000 → 4.000 → 8.000 → 16.000. Wer 2.500 rechnet, hat linear multipliziert; 8.000 entspricht nur 4 Generationen, 32.000 wären 6 Generationen und damit 3 Stunden.
Lösung:
Richtig sind die Aussagen zum fehlenden Stoffwechsel, zum Genom aus DNA oder RNA und zum Prophagen im lysogenen Zyklus. Falsch: Viren teilen sich nicht — sie werden aus Bauteilen in der Wirtszelle zusammengesetzt. Und Antibiotika greifen bakterielle Zielstrukturen an, die Viren nicht besitzen.
Viren sind nicht-zelluläre Partikel aus Genom (DNA oder RNA, nie beides), Kapsid und teils einer Hülle. Ihre Vermehrung läuft über Synthese und Zusammenbau in der Wirtszelle — im lytischen Zyklus sofort mit anschließender Lyse, im lysogenen Zyklus zunächst still als integrierter Prophage. Weil ihnen Zellwand, 70S-Ribosomen und eigener Stoffwechsel fehlen, laufen Antibiotika bei Viren ins Leere.
Lösung:
Wachstum nur in der sauerstoffreichen Zone zeigt, dass der Organismus O₂ zwingend braucht: Er ist obligat aerob und gewinnt seine Energie über die aerobe Atmung mit O₂ als terminalem Elektronenakzeptor.
Ein obligat anaerober Organismus würde nur unten wachsen, wo kein O₂ hinkommt. Ein fakultativ anaerober würde im ganzen Röhrchen wachsen, oben aber dichter, weil die Atmung mehr ATP liefert. Ein aerotoleranter Organismus würde sich gleichmäßig verteilen, da er O₂ weder nutzt noch fürchtet. Nur der obligat aerobe ist strikt an die oberste Schicht gebunden.
Lösung:
Der Vermehrungsfaktor beträgt N/N₀ = 12.800 / 200 = 64 = 2⁶, es sind also n = 6 Generationen vergangen. Die Generationszeit ist g = t/n = 180 min / 6 = 30 Minuten. Unbegrenzt weiterlaufen kann das Wachstum nicht, weil eine Batch-Kultur ein geschlossenes System ist: Die Nährstoffe erschöpfen sich, hemmende Stoffwechselprodukte reichern sich an, und bei aeroben Kulturen wird auch der Sauerstoff knapp. Die Kultur geht in die stationäre Phase über, in der sich Teilungs- und Sterberate ausgleichen, und schließlich in die Absterbephase.
Die volle Punktzahl gibt es für den Rechenweg über N = N₀ · 2ⁿ (Faktor 64 als 2⁶ erkennen, n = 6, g = 30 min) und für mindestens zwei Gründe der Wachstumsbegrenzung mit Nennung der stationären Phase. Häufiger Fehler: 12.800 durch 200 zu teilen und die 64 direkt als Generationenzahl zu verwenden, statt den Zweierlogarithmus zu bilden.
Lösung:
Bacillus subtilis bildet Endosporen: stoffwechselinaktive Überdauerungsformen, die dank Dipicolinsäure und stark entwässertem Kern auch kochendes Wasser überstehen. Nach dem Erhitzen keimen die Sporen aus und bilden wieder vegetative Zellen, die auf dem Nährboden Kolonien formen. Sicher abgetötet werden Endosporen erst durch Autoklavieren mit gespanntem Wasserdampf bei 121 °C.
Vegetative Zellen sterben beim Kochen ab — überlebt haben nicht die aktiven Zellen, sondern die Sporen. Genau deshalb reicht Kochen nicht als Sterilisation: Sie verlangt die Abtötung aller vermehrungsfähigen Formen einschließlich der Endosporen. Wichtig für die Klausur: Die Endospore ist eine Überdauerungsform, keine Vermehrungsform — aus einer Zelle wird eine Spore und daraus wieder genau eine Zelle.
Lösung:
Richtig sind die enzymatische Inaktivierung durch β-Lactamasen, die Übertragung von Resistenzgenen über Plasmide bei der Konjugation und das Selektionsprinzip: Das Antibiotikum tötet sensible Zellen, resistente überwachsen die Population. Falsch ist die Vorstellung einer Gewöhnung einzelner Zellen — Resistenz ist ein Populationsphänomen durch Mutation, Gentransfer und Selektion. Ebenso falsch ist die Beschränkung auf Mutationen, denn horizontaler Gentransfer verbreitet bestehende Resistenzgene sogar über Artgrenzen.
Die vier klassischen Resistenzmechanismen sind enzymatischer Abbau des Wirkstoffs, veränderte Zielstruktur, Effluxpumpen und verringerte Permeabilität. Entstehen können sie durch zufällige Mutation, verbreiten durch vertikale Weitergabe und horizontalen Gentransfer. Das Antibiotikum erzeugt die Resistenz nicht, es selektiert nur: Wer den Mechanismus schon trägt, überlebt und hinterlässt Nachkommen.
Lösung:
Selektivtoxizität bedeutet, dass ein Wirkstoff Strukturen oder Stoffwechselwege trifft, die es in menschlichen Zellen nicht gibt — er schädigt Bakterien, die Wirtszellen aber kaum. Beispiel 1: β-Lactame hemmen die Quervernetzung des Peptidoglykans; menschliche Zellen besitzen keine Zellwand und bleiben unbeeinflusst. Beispiel 2: Hemmstoffe der bakteriellen Proteinbiosynthese binden an das 70S-Ribosom, nicht an das 80S-Ribosom der Eukaryoten. Auch die Blockade der bakteriellen Folsäuresynthese wäre ein gültiges Beispiel, denn der Mensch nimmt Folsäure mit der Nahrung auf. Gegen Viren wirken Antibiotika nicht, weil Viren keine dieser Zielstrukturen haben: keine Zellwand, keine Ribosomen, keinen eigenen Stoffwechsel. Sie nutzen die Maschinerie der Wirtszelle — und genau die soll ein selektiv toxischer Wirkstoff verschonen.
Eine vollständige Antwort definiert Selektivtoxizität, erklärt zwei Angriffspunkte mit dem jeweiligen Grund für die Selektivität (Zellwandsynthese, 70S-Ribosom, Folsäurestoffwechsel, Nukleinsäuresynthese über bakterielle Enzyme wie die Gyrase oder die Zellmembran) und überträgt das Prinzip auf Viren: keine bakteriellen Zielstrukturen, also kein Ansatzpunkt. Gefragt ist der Mechanismus — Aussagen zur Anwendung oder Therapie gehören nicht zur Antwort.
Lösung:
Ohne Sauerstoff kann die Hefe keine Atmungskette betreiben und weicht auf die alkoholische Gärung aus: Pyruvat wird zu Ethanol und CO₂ umgesetzt, um NAD⁺ für die Glykolyse zu regenerieren. Dabei entstehen nur die 2 ATP der Glykolyse statt rund 30 ATP bei der Atmung — deshalb wächst die Kultur kaum, obwohl sie Glukose umsetzt.
Die Produktkombination Ethanol plus CO₂ ist das Kennzeichen der alkoholischen Gärung. Anaerobe Atmung mit Nitrat ist eine Strategie mancher Bakterien, nicht der Bäckerhefe. Tote Zellen setzen Glukose nicht um, und zur Photosynthese fehlen der Hefe als chemoheterotrophem Pilz die Voraussetzungen. Der Befund zeigt zugleich die Kernregel: Gärung liefert deutlich weniger ATP als Atmung.
Lösung:
Richtig sind die Aussagen zur Lag-Phase, zur konstanten und minimalen Generationszeit in der exponentiellen Phase und zur Versechzehnfachung nach vier Generationen (2⁴ = 16). In der stationären Phase gleichen sich Teilungs- und Sterberate dagegen aus, weil Nährstoffe fehlen und hemmende Produkte akkumulieren. Die Absterbephase folgt auf die stationäre Phase — mit einem Sauerstoffüberschuss hat sie nichts zu tun.
Die Reihenfolge lautet Lag-Phase, exponentielle Phase, stationäre Phase, Absterbephase. Am schnellsten teilen sich die Zellen in der exponentiellen Phase; in der halblogarithmischen Auftragung erscheint sie als Gerade. Die Rechenaussage folgt direkt aus der Wachstumsformel: 2⁴ = 16, die Zellzahl versechzehnfacht sich nach vier Verdopplungen.
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