Hauptunterschied – grampositive vs. gramnegative Bakterien

Gram-positive und Gram-negative Bakterien sind die zwei Arten von Bakterien, die durch die Gram-Färbungstechnik unterschieden werden. Die Gramfärbung wurde 1884 von Cristian Gram entwickelt. Die bei dieser Technik verwendete Färbung ist Kristallviolett. Gram-positive Bakterien sind aufgrund des Fehlens einer äußeren Membran anfälliger für Antibiotika. Da gramnegative Bakterien eine äußere Membran enthalten, sind sie weniger anfällig für Antibiotika. Daher sind gramnegative Bakterien im Vergleich zu grampositiven Bakterien pathogener. Die Hauptunterschied zwischen grampositiven und gramnegativen Bakterien ist das Gram-positive Bakterien enthalten zusammen mit Teichonsäure eine dicke Peptidoglycan-Zellwand, wodurch sich die Bakterien während der Gram-Färbung violett färben können, während gram-negative Bakterien eine dünne Peptidoglycan-Zellwand ohne Teichonsäure enthalten, wodurch sich die Zellwand während der Gegenfärbung rosa färben kann.

Dieser Artikel untersucht,

1. Was sind grampositive Bakterien? – Definition, Eigenschaften, Zellwandstruktur, Beispiele 2. Was sind gramnegative Bakterien? – Definition, Eigenschaften, Zellwand und Zellhüllenstruktur 3. Was ist der Unterschied zwischen grampositiven und gramnegativen Bakterien?

Was sind grampositive Bakterien?

Bakterien, die während der Gram-Färbung die Kristallviolett-Färbung behalten und die positive Farbe für Tests ergeben, werden als grampositive Bakterien bezeichnet. Sie erscheinen unter dem Mikroskop durch Anfärben in lila Farbe. Die dicke Peptidoglycanschicht, die in den grampositiven Bakterien vorhanden ist, ist dafür verantwortlich, dass die Färbung auch nach der Entfärbung erhalten bleibt. Eines der charakteristischsten Merkmale grampositiver Bakterien ist, dass sie aufgrund des Fehlens einer äußeren Membran anfälliger für Antibiotika sind. Die Gram-Färbung von stäbchenförmigen Bacillus-Spezies ist in 1 gezeigt.

Abbildung 1: Gram-gefärbte stäbchenförmige Bacillus-Spezies

Zellwandstruktur grampositiver Bakterien

Gram-positive Bakterien enthalten eine kontinuierliche Zellwand namens Sacculus, die 20-80 nm dick ist. Die Zellwand besteht aus Peptidoglycan, bekannt als Murein. Peptidoglycane enthalten ein Glycan-Rückgrat, das sowohl aus N-acetylierter Muraminsäure als auch aus Glucosamin besteht. Bei grampositiven Bakterien ist dieses Glykanrückgrat stark mit Oligopeptiden vernetzt. Das β-Lactam-Antibiotikum zielt auf das Enzym Transpeptidase ab, das an der Vernetzung beteiligt ist. In einigen Gram-positiven Bakterien wird Teichonsäure gefunden, die kovalent an das Peptidoglykan-Rückgrat gebunden ist. Teichonsäure trägt eine stark negative Ladung und ist stark antigen. Die Struktur der grampositiven Zellwand ist in Abbildung 2 dargestellt.

Abbildung 2: Gram-positive Zellwand

Was sind gramnegative Bakterien?

Bakterien, die die Kristallviolettfärbung während der Gramfärbung nicht behalten, werden als gramnegative Bakterien bezeichnet. Die Peptidoglycanschicht, die für die Beibehaltung der Kristallviolettfärbung verantwortlich ist, ist bei gramnegativen Bakterien dünn und liegt zwischen der inneren Zytoplasmamembran und der äußeren Membran der Bakterien. Daher können gramnegative Bakterien durch die Gegenfärbung, Safranin, während der Gram-Färbungstechnik angefärbt werden, wodurch die rote bis rosa Farbe erhalten wird. Escherichia coli ist gramnegativ und wird in den meisten Bakterienstudien als Modellorganismus verwendet. Gram-negative Bakterien sind aufgrund ihrer geringeren Empfindlichkeit gegenüber Antibiotika pathogener. Die Antibiotikaresistenz der gramnegativen Bakterien wird durch die in diesen Bakterien vorhandene äußere Membran gegeben. Neisseria gonorrhoeae, Pseudomonas aeruginosa und Yersinia pestis sind wie gramnegative Bakterien pathogen.

Abbildung 3: Gram-negative Kokken und gram-positive stäbchenförmige Bakterien in der Gram-Färbung

Zellwand- und Zellhüllenstruktur gramnegativer Bakterien

Die Zellwand gramnegativer Bakterien ist 5-10 nm dick und enthält eine Monoschicht aus Peptidoglycan. Das Peptidoglycan-Rückgrat ist bei gramnegativen Bakterien teilweise vernetzt. Teichonsäure kommt in der Zellwand gramnegativer Bakterien nicht vor. Gram-negative Bakterien bestehen aus einer Zellhülle an der Außenseite der Zellwand, der so genannten äußeren Membran, die 7,5-10 nm dick ist. In der äußeren Membran der gramnegativen Bakterien finden sich Lipopolysaccharide, die als Endotoxine dienen. Die äußere Membran ist nicht kovalent in Lipoproteinen verankert, den sogenannten Braun-Lipoproteinen, die kovalent an die Peptidoglycanschicht gebunden sind. Innere und äußere Membran haften durch Hunderte von Bayer-Patches aneinander.

Abbildung 4: Gram-negative Zellwand

Unterschied zwischen grampositiven und gramnegativen Bakterien

Grammfärbung

Grampositive Bakterien: Gram-positive Bakterien behalten die Kristallviolett-Färbung während der Gram-Färbung bei, was zu einem positiven Ergebnis führt.

Gramnegative Bakterien: Gram-negative Bakterien behalten die Kristallviolett-Färbung während der Gram-Färbung nicht bei, was zu einem negativen Ergebnis führt.

Aussehen unter dem Mikroskop

Grampositive Bakterien: Gram-positive Bakterien erscheinen unter dem Mikroskop in violetter Farbe.

Gramnegative Bakterien: Gram-negative Bakterien erscheinen rosa, indem sie die Gegenfärbung Safranin zurückhalten.

Äußere Membran

Grampositive Bakterien: Die äußere Membran ist in grampositiven Bakterien vorhanden.

Gramnegative Bakterien: Bei gramnegativen Bakterien fehlt die äußere Schicht.

Peptidoglycan-Schicht

Grampositive Bakterien: Die Peptidoglycanschicht ist dick und mehrschichtig.

Gramnegative Bakterien: Die Peptidoglycanschicht ist dünn und einschichtig.

Periplasmatischer Raum

Grampositive Bakterien: Bei grampositiven Bakterien fehlt der periplasmatische Raum.

Gramnegative Bakterien: Der periplasmatische Raum ist bei gramnegativen Bakterien vorhanden.

Dicke der Zellwand

Grampositive Bakterien: Die Dicke der Zellwand bei grampositiven Bakterien beträgt etwa 20-80 nm.

Gramnegative Bakterien: Die Zellwand gramnegativer Bakterien ist etwa 5-10 nm dick.

Textur der Zellwand

Grampositive Bakterien: Die Zellwand grampositiver Bakterien ist glatt.

Gramnegative Bakterien: Die Zellwand gramnegativer Bakterien ist wellig.

Lipopolysaccharid (LPS)-Gehalt in der Wand

Grampositive Bakterien: Die Zellwand grampositiver Bakterien enthält praktisch keinen Lipopolysaccharid-Gehalt.

Gramnegative Bakterien: Gram-negative Bakterien enthalten einen hohen Lipopolysaccharid-Gehalt in ihrer Zellwand.

Lipid- und Lipoproteingehalt

Grampositive Bakterien: Der Lipid- und Lipoproteingehalt in der Zellwand grampositiver Bakterien ist niedrig.

Gramnegative Bakterien: Der Lipid- und Lipoproteingehalt ist in der Zellwand gramnegativer Bakterien hoch.

Murein

Grampositive Bakterien: Die Zellwand grampositiver Bakterien enthält 70-80% Murein.

Gramnegative Bakterien: Die Zellwand der gramnegativen Bakterien enthält 10-20% Murein.

Poren auf der äußeren Membran

Grampositive Bakterien: Porine fehlen in der äußeren Membran grampositiver Bakterien.

Gramnegative Bakterien: Porine oder hydrophile Kanäle sind in der äußeren Membran gramnegativer Bakterien vorhanden.

Teichonsäure

Grampositive Bakterien: Teichonsäure ist in der Membran grampositiver Bakterien vorhanden.

Gramnegative Bakterien: Teichonsäure fehlt in der Membran gramnegativer Bakterien.

Basalkörper des Flagellums

Grampositive Bakterien: Der Basalkörper des Flagellums enthält zwei Ringe in grampositiven Bakterien.

Gramnegative Bakterien: Der Basalkörper des Flagellums enthält vier Ringe in gramnegativen Bakterien.

Pilic

Grampositive Bakterien: Gram-positive Bakterien enthalten keine Pili.

Gramnegative Bakterien: Gram-negative Bakterien enthalten Pili.

Prominente Mesosomen

Grampositive Bakterien: Mesosomen sind bei grampositiven Bakterien stärker ausgeprägt.

Gramnegative Bakterien: Mesosomen sind bei gramnegativen Bakterien weniger prominent.

Beständigkeit gegen physikalische Störungen, Natriumazid und Trocknung

Grampositive Bakterien: Die Beständigkeit gegen physikalische Zerstörung, Natriumazid und Austrocknung ist bei grampositiven Bakterien hoch.

Gramnegative Bakterien: Die Beständigkeit gegen physikalische Zerstörung, Natriumazid und Austrocknung ist bei gramnegativen Bakterien gering.

Anfälligkeit gegenüber anionischen Reinigungsmitteln

Grampositive Bakterien: Die Anfälligkeit gegenüber anionischen Detergenzien ist bei grampositiven Bakterien hoch.

Gramnegative Bakterien: Die Anfälligkeit gegenüber anionischen Detergenzien ist bei gramnegativen Bakterien gering.

Hemmung durch basische Farbstoffe

Grampositive Bakterien: Die Hemmung durch basische Farbstoffe ist bei grampositiven Bakterien hoch.

Gramnegative Bakterien: Die Hemmung durch basische Farbstoffe ist bei gramnegativen Bakterien gering

Zellwandzerstörung durch Lysozym

Grampositive Bakterien: Die Zellwand der grampositiven Bakterien ist anfälliger für eine Zerstörung durch Lysozym.

Gramnegative Bakterien: Die Zellwand der gramnegativen Bakterien ist weniger anfällig für eine Zerstörung durch Lysozym.

Pathogenität

Grampositive Bakterien: Einige Arten pathogener Bakterien sind zu grampositiv.

Gramnegative Bakterien: Die meisten pathogenen Bakterien sind gramnegativ.

Giftstoffe

Grampositive Bakterien: Exotoxine werden von grampositiven Bakterien produziert.

Gramnegative Bakterien: Entweder Endotoxine oder Exotoxine werden von gramnegativen Bakterien produziert.

Antibiotika Resistenz

Grampositive Bakterien: Gram-positive Bakterien sind anfälliger für Antibiotika wie Penicillin und Sulfonamid.

Gramnegative Bakterien: Gram-negative Bakterien sind resistenter gegen Antibiotika. Sie sind jedoch anfällig für Streptomycin, Chloramphenicol und Tetracyclin.

Beispiele

Grampositive Bakterien: Lactobacillus, Actinomyces, Bacillus, Clostridium, Corynebacterium, Staphylokokken und Streptokokken sind Beispiele für grampositive Bakterien.

Gramnegative Bakterien: Acetobacter, Chlamydia, Borrelia, Bortadella, Burkholderia, Enterobacter, Escherichia, Helicobacter, Klebsiella und Neisseria sind Beispiele für gramnegative Bakterien.

Abschluss

Gram-positiv und Gram-negativ sind zwei bei Bakterien vorkommende Unterscheidungen, die zur Klassifizierung von Bakterien verwendet werden können. Die Differenzierung basiert auf der Dicke der Peptidoglycan-Schicht, die sich in der Zellwand befindet. Peptidoglycan kommt sowohl in grampositiven als auch in gramnegativen Bakterien vor. Es bietet den Bakterien mechanische Unterstützung und die charakteristische Form. Die Peptidoglycanschicht grampositiver Bakterien ist mehrschichtig. Bei gramnegativen Bakterien handelt es sich jedoch um eine Monoschicht. Aufgrund der Dicke der Peptidoglycanschicht sind grampositive Bakterien in der Lage, die Gramfärbung, den Kristallviolett-Jod-Komplex, in der Zellwand zu behalten. Daher können sie unter dem Mikroskop in lila Farbe visualisiert werden. Gram-negative Bakterien sind jedoch nicht in der Lage, die Gram-Färbung zurückzuhalten und können durch die Gegenfärbung Safranin angefärbt werden. Andererseits enthalten gramnegative Bakterien eine äußere Membran, die den Bakterien die Antibiotikaresistenz verleiht. Einigen Bakterien wie Mycoplasma-Arten fehlen Peptidoglycane in der Zellwand und sie können nicht als grampositiv oder gramnegativ unterschieden werden. Diese Spezies tragen einige Membranstrukturen sowohl von grampositiven als auch von gramnegativen Bakterien. Der Hauptunterschied zwischen grampositiven und gramnegativen Bakterien ist die Dicke der Zellwand-Peptidoglycanschicht, die in jedem Bakterium vorhanden ist.

Referenz:1. Salton, Milton R. J. "Struktur." Medizinische Mikrobiologie. 4. Auflage. U.S. National Library of Medicine, 01. Januar 1996. Web. 30. März 2017.2. „Liste der grampositiven und gramnegativen Bakterien.“ Liste der Karteikarten für grampositive und gramnegative Bakterien | Quiz. N.S., N.D. Netz. 30. März 2017.

Bildhöflichkeit: 1. „Bacillus-Arten“ Von Dr. Sahay – Eigene Arbeit (CC BY-SA 3.0) über Commons Wikimedia2. „Gram-positive cellwall-schematic“ von Twooars in der englischsprachigen Wikipedia (CC BY-SA 3.0) über Commons Wikimedia3. „Gram Fleck 01“ Von Y tambe – Y tambes Datei (CC BY-SA 3.0) über Commons Wikimedia4. „Gramnegative Zellwand“ Von Jeff Dahl – Eigene Arbeit (GFDL) über Commons Wikimedia