Obligate Anaerobier

Obligate Anaerobier Definition

Obligate Anaerobier sind Organismen, die nur in Umgebungen leben können, in denen Sauerstoff fehlt. Im Gegensatz zu den meisten Organismen auf der Welt werden diese Organismen durch Sauerstoff vergiftet. Obligate Anaerobier sind typischerweise Bakterien und leben in der Natur an einer Vielzahl von Orten. Viele obligate Anaerobier leben im menschlichen Körper, an Orten wie dem Mund und dem Magen-Darm-Trakt, wo der Sauerstoffgehalt sehr niedrig ist. Manchmal können sich diese Bakterien versehentlich an Stellen ablagern, an denen sie nicht hingehören, und eine schwere Infektion verursachen. Zu den obligaten Anaerobiern gehören die Bakterien, die Gangrän und eine Reihe anderer Infektionen verursachen. Unten ist ein Objektträger zu sehen, der die Bakteriengattung Clostridium zeigt, die für Wundbrand, Tetanus, Botulismus, Colitis und andere schwere Infektionen verantwortlich ist.

Warum werden Obligate Anaerobier in Sauerstoff abgetötet?

Im Gegensatz zu den obligaten Aerobiern, die Sauerstoff zum Überleben benötigen, werden obligate Anaerobier durch ihn sogar vergiftet. Anders als viele Organismen, die in sauerstoffhaltigen Umgebungen gedeihen, verfügen obligate Anaerobier nicht über mehrere Schlüsselenzyme, die zur Entgiftung von Sauerstoff in der Zelle benötigt werden. Sauerstoff selbst erzeugt in Gegenwart von Wasser mehrere Nebenprodukte, darunter Wasserstoffperoxid (H2O2). Wasserstoffperoxid ist eine schwache Säure und beeinflusst eine Reihe von Enzymen in anaeroben Zellen. Bei hohem Sauerstoffgehalt wird die Zelle so sauer, dass sie nicht mehr funktionieren kann.

Deshalb sind obligate Anaerobier typischerweise nur in Bereichen mit wenig bis keinem Sauerstoff zu finden. Dort werden ihre Stoffwechselenzyme durch die Veränderungen, die der Sauerstoff verursacht, nicht ausreichend beeinträchtigt. Aerobe Bakterien und Eukaryoten haben eine Reihe von Abwehrmechanismen gegen Sauerstoff. Dazu gehören die Enzyme Superoxid-Dismutase, Katalase und Peroxidase, die helfen, mit den Nebenprodukten des Sauerstoffs umzugehen, indem sie sie als Sauerstoffgas behalten oder in harmlose Wassermoleküle umwandeln.

Evolutionäre Bedeutung der obligaten Anaerobier

Die Existenz der obligaten Anaerobier ist ein wichtiger Anhaltspunkt in der Theorie über die Entstehung des Lebens auf dem Planeten Erde. Während unsere Atmosphäre jetzt eine beträchtliche Menge an Sauerstoff enthält, war das möglicherweise nicht immer der Fall. Das Vorhandensein von obligaten Anaerobiern heute deutet darauf hin, dass die Atmosphäre einst viel weniger Sauerstoff enthielt, so dass die Bakterien ohne sauerstofferleichternde Enzyme überleben konnten. Die Theorie besagt, dass mit dem Aufkommen photosynthetischer Organismen auch der Sauerstoffgehalt in der Umgebung anstieg.

Wo gibt es obligate Anaerobier

Heute gibt es obligate Anaerobier in vielen Umgebungen, die alle eine Eigenschaft haben, nämlich einen niedrigen Sauerstoffgehalt. Viele obligate Anaerobier existieren im Boden, abseits der oberen Schichten, die dem Sauerstoff stark ausgesetzt sind. Andere obligate Anaerobier sind im Darm, im Mund und im Fortpflanzungstrakt von Tieren zu finden. An diesen Orten gibt es wenig bis gar keinen Sauerstoff, da sie nicht den Blutgefäßen ausgesetzt sind.

Gelegentlich kann eine schwere Infektion verursacht werden, wenn diese Bakterien Zugang zu den sterilen inneren Bereichen des Körpers erhalten. Dies geschieht typischerweise, wenn ein Organismus verwundet wird, wodurch die Bakterien Zugang zu den normalerweise verschlossenen Bereichen erhalten. Wenn die Wunde schnell und steril verschlossen wird, sterben die Bakterien in Gegenwart des sauerstoffhaltigen Blutes, das in den Bereich gelangt, ab. Wenn die Wunde nicht durchblutet wird und obligaten Anaerobiern ausgesetzt ist, bietet sie ihnen einen Platz zum Vermehren und Wachsen. Viele dieser obligaten Anaerobier setzen Toxine frei, die reguläres Gewebe zerstören. Dadurch wird die Infektion verschlimmert und die Bakterien können sich ausbreiten. Viele Infektionen, die durch obligate Anaerobier verursacht werden, können tödlich sein, wenn sie unbehandelt bleiben.

Obligate Anaerobier finden

Obligate Anaerobier können nur in Umgebungen mit niedrigem Sauerstoffgehalt gefunden werden. In einer Welt, die mit Sauerstoff gesättigt ist, mag dies den Anschein erwecken, dass obligate Anaerobier schwer zu finden sind. Aber tatsächlich ist das Gegenteil der Fall. Obligate Anaerobier können in fast jeder Umgebung gefunden werden, versteckt vor der Exposition gegenüber Sauerstoff. Um die obligaten Anaerobier in einer Probe zu finden, kann ein einfaches Experiment wie das folgende durchgeführt werden.

Die fünf oben gezeigten Bilder stellen dar, wo verschiedene Bakterientypen in einer Probe gefunden werden können, die in einem Reagenzglas mit lockerem Deckel gewachsen ist. Der lockere Deckel ermöglicht es dem Sauerstoff, die oberste Schicht der Wachstumslösung im Reagenzglas zu sättigen. Bild 1 zeigt also die obligaten Aerobier, also die Organismen, die Sauerstoff benötigen. Die obligaten Anaerobier, zu sehen in Bild 2, befinden sich auf der komplett anderen Seite des Reagenzglases.

An diesem Ende des Reagenzglases ist die Sauerstoffkonzentration am geringsten. Zum einen muss er durch die gesamte Wassersäule diffundieren, um den Boden des Reagenzglases zu erreichen. Ohne dass er in irgendeiner Weise gestört oder belüftet wird, ist der Sauerstoffgehalt hier natürlich am niedrigsten. Außerdem werden sich die Organismen im Reagenzglas, die Sauerstoff verbrauchen, eher nach oben hin ansammeln. Diese Organismen werden dazu neigen, den Sauerstoff im Reagenzglas auf allen Ebenen zu verbrauchen. Dies trägt dazu bei, dass der Sauerstoffgradient zum oberen Ende des Reagenzglases hin zunimmt. Daher müssen Wissenschaftler, die nach obligaten Anaerobiern suchen, einfach in dem Teil der Probe suchen, der am meisten Sauerstoff verbraucht. Die anderen Bilder (3-5) stellen andere Arten von Bakterien dar, wie z. B. fakultative Anaerobier, die unter verschiedenen Bedingungen überleben können und Sauerstoff benötigen oder nicht benötigen.

Quiz

1. Im Folgenden finden Sie eine Liste von Bakterien und ihren wichtigsten Stoffwechselfunktionen. Welche davon sind obligate Anaerobier?

1. Ein Bakterium, das Sauerstoff verwendet, um den Glukosestoffwechsel zu erleichtern
2. Ein Bakterium, das Sauerstoff toleriert, ihn aber nicht im Stoffwechsel verwendet
3. Ein Bakterium, das keinen Sauerstoff toleriert und ihn nicht im Stoffwechsel verwendet

A. Alle der oben genannten
B. Nur 2 und 3
C. Nur 3

2. Ein Wissenschaftler entnimmt eine Probe vom Grund eines nahe gelegenen Sees. Er teilt die Probe in drei Reagenzgläser auf. In das erste Reagenzglas gibt er eine Luftpumpe. Im zweiten Reagenzglas verschließt er den Deckel und entzieht den Sauerstoff. Das dritte Reagenzglas lässt er unverschlossen und ungestört. In welchen Reagenzgläsern werden KEINE obligaten Anaerobier wachsen?
A. Röhrchen 1 und 3
B. Nur Röhre 1
C. Nur Röhre 2
D. Nur Röhrchen 3

3. Obligate Anaerobier sind oft sporenbildend, was bedeutet, dass die Bakterien in Zeiten von Stress ihre DNA in einer gesicherten Verpackung speichern, die den Umweltbedingungen standhalten kann. Warum ist es wichtig, dass obligate Anaerobier Sporen bilden, die in der Lage sind, Bedingungen mit hohem Sauerstoffgehalt zu überleben?
A. Es ist nicht wichtig
B. Diese Sporen müssen sauerstoffreiche Umgebungen überleben, um sauerstoffarme Bereiche zu kolonisieren
C. Diese Sporen können Sauerstoff nutzen, um die Vermehrung der Bakterien zu unterstützen

• Lodish, H., Berk, A., Kaiser, C. A., Krieger, M., Scott, M. P., Bretscher, A., . . . Matsudaira, P. (2008). Molekulare Zellbiologie (6. Aufl.). New York: W.H. Freeman and Company.
• University of Comenius. (2018, October 3). Anaerobic Bacteria. Retrieved from Jfmed.uniba.sk: https://www.jfmed.uniba.sk/fileadmin/jlf/Pracoviska/ustav-mikrobiologie-a-imunologie/ANAEROBIC_BACTERIA.pdf
• Widmaier, E. P., Raff, H., & Strang, K. T. (2008). Vander’s Human Physiology: The Mechanisms of Body Function (11th ed.). Boston: McGraw-Hill Higher Education.