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Murein

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Biologie

Murein ist ein Peptidoglykan, das in den Zellwänden von Bakterien vorkommt und dieser Stabilität verleiht. Es macht einen wichtigen Teil des Gerüsts aus, die die Zellwand und damit das Bakterium am Platzen hindert.

Aufbau von Murein

Murein besteht aus Aminosäuren und Kohlenhydraten (Zucker). Die Zucker sind dabei zu Polysacchariden (Mehrfachzuckern) verknüpft, sodass sich letztlich ein großes Netz an Verkettungen bildet. Dieses Netz an Aminosäuren und Kohlenhydraten stellt die Bakterienzellwand dar. Man kann Murein als Makromolekül bezeichnen.

Als Makromolekül werden in der Biochemie zusammengesetzte Komplexe bezeichnet, welche aus sehr vielen Bausteinen (beispielsweise Aminosäuren, Zucker und Lipiden) bestehen. Sie besitzen zusätzlich eine große Molekülmasse.

Der Aufbau des Polysaccharids

Das Gerüst des Polysaccharids ist im Grunde aus nur zwei Monosacchariden (Einfachzuckern) aufgebaut. Damit bildet es die Mureinschicht. Dabei ist das erste Monosaccharid die N-Acetylmuraminsäure (MurNAc), das zweite trägt den Namen N-Acetylglucosamin (GlcNAc). Diese sind durch eine sogenannte -glykosidische Bindung miteinander verknüpft.

Bei einer -glykosidischen Bindung lagern sich zwei ringförmige Zucker unter Wasserabspaltung zu einem Disaccharid (Zweifachzucker) zusammen. Die Zahlen bedeuten, dass das erste Kohlenstoffatom (C-Atom) mit dem vierten C-Atom des zweiten Zuckers eine glykosidische Bindung eingeht.

An der N-Acetylmuraminsäure (MurNAc) befinden sich außerdem vier Aminosäuren, die durch Peptidbindungen verknüpft sind. Dabei handelt es sich meistens um L-Alanin, D-Glutaminsäure, Diaminopimelinsäure und D-Alanin. Diese hängen kettenförmig aneinander, wie in Abbildung 1 beschrieben. Sie sorgen für eine Quervernetzung des Mureins. Durch diese Vernetzung erhält die Mureinschicht und dementsprechend auch die Zellwand ihre Stabilität.

Aufbau Peptidoglykan Murein StudySmarterAbbildung 1: Der schematische Aufbau eines PeptidoglykansQuelle: de.wikipedia.org

Synthese des Mureins

Diese sehr komplexe und spezifische Struktur des Peptidoglykans Murein entsteht durch Aufbau-Helfer. Dabei sind die bedeutendsten die PBPs, auch als Penicillin-bindende Proteine bekannt. Das sind verschiedene Enzyme, welche an der Synthese des Mureins beteiligt sind. Damit wirken sie am Aufbau der Mureinschicht der Zellwand mit. Eine Aufgabe der PBPs ist die Quervernetzung der Peptidketten untereinander. Auf diese Weise sichern sie die Stabilität des Makromoleküls.

Die Enzyme, die für die Verknüpfung der Murein-Bausteine miteinander zuständig sind, heißen Transpeptidasen. Sie verknüpfen dabei die Murein-Ketten untereinander durch Quervernetzung der Peptid-Seitenstränge. Sogenannte ß-Lactam-Antibiotika wie das Penicillin sind in der Lage, an die Transpeptidase zu binden. Dadurch wird die bakterielle Zellwandsynthese gehemmt und das Bakterium stirbt.

Der Ablauf des Murein-Transports

Die Quervernetzung der Murein-Ketten läuft durch die Penicillin-bindenden Proteine (PBP) ab. Diese Kombination der einzelnen Bausteine zur Bildung der Mureinschicht findet im Zellplasma der jeweiligen Bakterienzelle statt.

Nachdem diese Verknüpfung geschehen ist, wird das vernetzte Molekül an die Bakterienzellwand gebracht. Dieser Transportvorgang erfolgt oftmals durch das Diphosphat Bactoprenol. Der Transporter Bactoprenol ist ein Fetttransporter, der aber auch das Peptidoglykan aus dem Zellplasma in die Zellwand der Bakterien einbauen kann. Das Murein wird dadurch außen an die Membran angebaut.

Bactoprenol schafft es, dass das Peptidoglykan durch die hydrophobe Membran transportiert werden kann. Dabei verleiht es dem Murein eine ebenfalls hydrophobe Eigenschaft, durch welches dieses durch die Membran nach außen gelangen und da angebaut werden kann. Auch dieser Schritt der Zellwandsynthese kann durch verschiedene Antibiotika gehemmt werden.

Funktion von Murein

Nun wurde oben im Artikel schon einmal angesprochen, dass das Peptidoglykan Murein ein wichtiger Bestandteil der Zellwand von Bakterien ist. Durch Murein erhält die Zellwand zum einen Stabilität und zum anderen Festigkeit. Diese beiden Eigenschaften sind für das Überleben des Bakteriums von großer Bedeutung.

Durch das Murein und die damit erlangte Festigkeit der Zellwand von Bakterien, ist das Bakterium beispielsweise vor dem Platzen geschützt. Sonst könnte es passieren, dass ein Bakterium durch osmotischen Druck platzt. So kann es den Verhältnissen im Körper standhalten und sich vermehren.

Archeen, auch Urbakterien genannt, haben in ihrer Zellwand kein Murein eingebaut. Stattdessen besitzen sie ein Molekül, welches als Pseudomurein bezeichnet wird.

Murein – Einteilung der Bakterien

Dadurch, dass Murein ein größeres und dichteres oder ein dünneres Geflecht ausbilden kann, können Bakterien anhand ihrer Zellwand eingeteilt werden. Denn die Zellwanddicke der Bakterien ist abhängig von der Menge an eingelagertem Murein. Je nach Dicke ihrer Zellwand verhalten sich Bakterien bei der Gram-Färbung unterschiedlich. Somit können Bakterien in grampositiv und gramnegativ eingeteilt werden.

Die Gram-Färbung

Bevor die Bakterien vorgestellt werden, folgt hier ein kurzer Exkurs zur Gram-Färbung. Der hierbei verwendete Farbstoff ist meist Kristallviolett. Dieser färbt die Bakterien blau/violett an. Auf diese Weise können einige Bakterien unter dem Lichtmikroskop sichtbar gemacht werden. Für welche Bakterien genau dies gilt, lernst Du nun in den folgenden Abschnitten.

Grampositive Bakterien

Ein grampositives Bakterium ist ein solches, das im Vergleich zu einem gramnegativen Bakterium eine dickere Zellwand besitzt. Dies liegt an der dickeren Mureinschicht. Die Dicke der Zellwand grampositiver Bakterien liegt bei rund 20 bis 80 nm.

Bei der Gram-Färbung wird der Farbstoff in das Bakterium aufgenommen und danach mit Ethanol behandelt. Ethanol wäscht normalerweise den Farbstoff aus. Weil die Zellwand des Bakteriums durch Murein so dick ist, bleibt die Farbe im Bakterieninneren erhalten. Unter dem Mikroskop wird dieser Inhalt sichtbar. Die grampositiven Bakterien lassen sich also mithilfe des Farbstoffs blau anfärben.

Ein Beispiel für grampositive Bakterien sind die Staphylokokken, welche beim Menschen auf der Haut vorkommen. Einige Vertreter dieser Bakteriengattung können aber auch Krankheiten verursachen.

Gramnegative Bakterien

Die gramnegativen Bakterien besitzen eine dünnere Zellwand als die grampositiven Bakterien. Die Dicke der Zellwand beträgt bei diesen Bakterien nur ungefähr 10 nm. Durch die dünne Zellwand des Bakteriums kann der Farbstoff im Rahmen der Gram-Färbung durch Ethanol entfernt werden. Gramnegative Bakterien werden also wieder entfärbt.

Um gramnegative Bakterien trotzdem unter dem Mikroskop sichtbar machen zu können, werden andere Farbstoffe, wie das Fuchsin, verwendet. Unter dem Mikroskop stellen sich diese rot dar. Mithilfe dieser Methode können auch gramnegative Bakterien unter dem Mikroskop betrachtet und von anderen unterschieden werden.

Ein bekanntes Beispiel für ein gramnegatives Bakterium ist Escherichia coli, kurz E. Coli.

Murein – Körperliche Reaktion auf Bakterien

Der menschliche Körper ist selbst auf viele Bakterien angewiesen, unter anderem auf spezielle Darmbakterien. Ohne diese könnte er nicht funktionieren. Andere Bakterien hingegen sind für unseren Körper schädlich, weil sie beispielsweise Giftstoffe bilden. Diese müssen daher bekämpft werden. Wenn ein solches Bakterium in den Organismus eindringt, wird es beispielsweise durch sein Murein als Eindringling erkannt. Dies ist der Fall, da dessen Zucker und Aminosäuren körperfremd sind. Dadurch kann eine Immunreaktion vom Körper ausgelöst werden.

Die Immunreaktion gegen Bakterien

Dadurch, dass Teile des Mureins eine Immunreaktion im Körper auslösen, werden Makrophagen und neutrophile Granulozyten, aktiv. Sie sezernieren unter anderem Lysozym, um das Bakterium zu bekämpfen. Dabei handelt es sich um ein Enzym, welches zu den Hydrolasen zählt.

Murein-Hydrolase

Hydrolasen wie das Lysozym sind eine der sieben Hauptklassen der Enzyme. Diese Enzyme spalten unter Wasserverbrauch Bindungen, wie auch hier bei den Bakterien.

Die Hydrolase Lysozym schädigt das Peptidoglykan Murein insofern, als dass es die Zucker untereinander spaltet. Durch die Wirkung des Enzyms besitzt die Zellwand des Bakteriums keine Stabilität mehr. Das betroffene Bakterium stirbt dann durch Lyse unter Einwirkung des Lysozyms ab.

Diese Art der Lyse durch Hydrolasen wie Lysozym kann beispielsweise bei manchen Staphylokokken geschehen.

Das Lysozym kann nur grampositive Bakterien bekämpfen, da gramnegative Bakterien eine spezielle äußere Membran besitzen, die sie vor der Lyse schützt.

Murein - Das Wichtigste

  • Murein ist ein Baustein von Bakterienzellwänden.
  • Durch Murein erhält die Zellwand des Bakteriums seine Stabilität.
  • Als Makromolekül ist Murein aus einer Kette von Zuckern und Aminosäuren aufgebaut.
  • Anhand der Mureindicke kann man grampositive und gramnegative Bakterien unterscheiden.
  • Das Enzym Lysozym sorgt in einer körpereigenen Abwehrreaktion für die Bekämpfung der Bakterien, indem es die Zellwand angreift.

Murein

Murein ist ein Peptidoglykan, welches in den Zellwänden von Bakterien vorkommt und diesen Stabilität verleiht.

Murein besteht aus Aminosäuren und Kohlenhydraten (Zucker). Diese sind so zu Polysacchariden (Mehrfachzuckern)  verknüpft, dass sich letztendlich ein großes Netz an Verkettungen bildet.

Das Antibiotikum Penicillin hemmt den Aufbau des Mureins. Dadurch wird die Zellwand des Bakteriums brüchig und es geht zugrunde.

Murein kommt in der Zellwand von Bakterien vor und verleiht dieser Stabilität.

Finales Murein Quiz

Frage

Aus welchen Bausteinen besteht Murein hauptsächlich?

Antwort anzeigen

Antwort

Murein besteht hauptsächlich aus Aminosäuren und Zucker.

Frage anzeigen

Frage

Aus welchen zwei Bausteinen entsteht das Murein Gerüst?

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Antwort

Das Gerüst des Polysaccharids, welches die Mureinschicht bildet, ist im Grunde aus nur zwei Monosacchriden (Einfachzuckern) aufgebaut. Dabei ist das erste Monosaccharid die N-Acetylmuraminsäure (MurNAc), das zweite trägt den Namen N-Acetylglucosamin (GlcNAc). Zudem sind auch Aminosäuren Bestandteile des Gerüsts.

Frage anzeigen

Frage

Was ist ein Makromolekül?

Antwort anzeigen

Antwort

Als Makromolekül werden in der Biochemie zusammengesetzte Komplexe bezeichnet, welche aus sehr vielen unterschiedlichen Bausteinen (beispielsweise Aminosäuren, Zucker und Lipiden) bestehen und eine Molekülmasse besitzen, die sehr groß ist.  

Frage anzeigen

Frage

Welches Protein hilft dabei, Murein aufzubauen?

Antwort anzeigen

Antwort

Die PBP (Penicillin-bindended Proteine) helfen bei dem Murein Aufbau.

Frage anzeigen

Frage

Wo kommt Murein vor?

Antwort anzeigen

Antwort

Murein kommt in der Zellwand von Bakterien vor.

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Frage

Was ist die Aufgabe von Bactoprenol?

Antwort anzeigen

Antwort

Bactoprenol schafft es, dass das Peptidoglykan durch die hydrophobe Membran transportiert werden kann. Dabei verleiht es dem Murein eine ebenfalls hydrophobe Eigenschaft, durch welches dieses durch die Membran nach außen gelangen und da angebaut werden kann.

Frage anzeigen

Frage

Wodurch kann Bactoprenol gehemmt werden?

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Antwort

Der Transporter Bactoprenol kann durch verschiedenste Antibiotika an seiner Funktion gehindert und somit gehemmt werden. Ein Beispiel für ein solches Antibiotika mit dieser Eigenschaft wäre das Bacitracin.

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Frage

Wofür benötigt die Zellwand von Bakterien Murein?

Antwort anzeigen

Antwort

Durch Murein erhält die Zellwand zum Einen Stabilität, zum Anderen die Festigkeit, die für das Überleben des Bakteriums von großer Bedeutung ist.

Frage anzeigen

Frage

Was sind Archeen und was ist ihre Besonderheit im Hinblick auf ihre Zellwand?

Antwort anzeigen

Antwort

Archeen, auch Urbakterien genannt, haben in ihrer Zellwand kein Murein eingebaut, sondern ein Molekül, welches als Pseudomurein bezeichnet wird.

Frage anzeigen

Frage

Wofür verwendet man die Gram-Färbung?

Antwort anzeigen

Antwort

Der verwendete Farbstoff der Gram-Färbung ist meist Kristallviolett. Dieser färbt die Bakterien blau/violett an. Somit wird das Bakterium durch die Färbung teilweise unter dem Lichtmikroskop sichtbar. 

Frage anzeigen

Frage

Was sind grampositive Bakterien?

Antwort anzeigen

Antwort

Ein grampositives Bakterium ist ein solches, dass im Gegensatz zu einem gramnegativen Bakterium eine dickere Zellwand besitzt. Dies liegt an einer dickeren Murein Schicht.

Frage anzeigen

Frage

Wodurch kann man gramnegative Bakterien sichtbar machen?

Antwort anzeigen

Antwort

Um gramnegative Bakterien trotzdem unter dem Mikroskop sichtbar machen zu können, werden andere Farbstoffe, wie das Fuchsin verwendet. Dieser Inhalt kann unter dem Mikroskop betrachtet werden.

Frage anzeigen

Frage

Wie wirkt sich das Murein auf die körperliche Abwehr aus?

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Antwort

Wenn ein körperfremdes Bakterium in den Organismus eindringt, wird es durch das Murein, dessen Zucker und Aminosäuren körperfremd sind, als Eindringling erkannt. Dadurch kann eine Immunreaktion vom Körper ausgelöst werden.

Frage anzeigen

Frage

Was sind Hydrolasen?

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Antwort

Hydrolasen wie das Lysozym sind eine der sieben Hauptklassen der Enzyme. Dabei spalten diese Enzyme, wie Lysozym, unter Wasserverbrauch Bindungen, wie auch hier bei den Bakterien.

Frage anzeigen

Frage

Welche Funktion hat das Lysozym?

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Antwort

Die Hydrolase Lysozym spaltet das Peptidoglykan Murein insofern, als dass es die Zucker untereinander spaltet. 

Frage anzeigen

Frage

Wie sieht die Immunreaktion des Körpers gegen Bakterien aus?

Antwort anzeigen

Antwort

Dadurch, dass Teile des Mureins eine Immunreaktion im Körper auslösen, kommen Makrophagen und neutrophile Granulozyten, die in den Atemwegen, der Niere und dem Darmtrakt sitzen. Sie sezenieren Lysozym, um das Bakterium zu bekämpfen.

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