Warum wirkt penicillin nur auf grammpositive Bakterien?

Hi,

Möchte einiges zu dem bereits Gesagten ergänzend hinzufügen. Dass das ursprüngliche Penicillin G nicht wirkt, heißt nicht, dass die "gramnegativen" Bakterien dieses Zellwandmaterial (Murein) nicht besitzen würden.  

Es gibt vielmehr strukturelle Unterschiede zwischen Zellwänden bei grampositiven und gramnegativen Bakterien. 

Murein ist bei beiden Bakteriensorten in der Zellwand vorhanden, jedoch unterschiedlich verpackt. 

Grampositive Bakterien präsentieren eine relativ mächtige Mureinschicht nach außen (wie ein "Pappkarton"). Die Gramfärbung (wasserunlöslicher Kristallviolett-Jod-Komplex) kann wegen dem Aufbau der Zellwand, anschließend nicht wieder mit Alkohol extrahiert werden und bleibt dauerhaft bestehen. 

Gramnegative haben noch eine zusätzliche Doppellipidschicht. Diese unterscheidet sich von der normalen Cytoplasmamembran durch ihren Aufbau, sie enthält z.B. zahlreiche Polysaccharide. Daher spricht man auch von einer "Lipopolysaccharidschicht" (LPS) oder äußere Membran. Wie der Name andeutet, liegt die äußere Membran außen auf der Mureinschicht auf und verkleidet diese. Gramnegative Bakterien präsentieren also nach außen nicht ihr Zellwandmaterial (Murein), sondern eine äußere Membran ("Pappkarton mit Geschenkfolie drüber"). 

Das hat Konsequenzen für 

a) die Haltbarkeit der Gramfärbung. Mit Alkohol wird der Farbstoff bei gramnegativen wieder ausgewaschen, so dass die Bakterien den Farbstoff nicht in ihrer Zellwand behalten, obwohl Zellwandmaterial (Murein) vorhanden ist und somit wieder entfärben. 

b) Ferner wird wegen der aufliegenden äußeren Membran die Zellwand von Penicillin nicht erreicht. So kann es die Zellwandsynthese nicht erfolgreich hemmen (wie bei grampositiven Bakterien).

Bakterienzellwände werden nur dann stabil, wenn sie "quervernetzt" werden. Das dafür notwendige Enzym, eine Transpeptidase, wird durch Penicillin gehemmt, da Penicillin zwar Substratähnlichkeit hat, aber an das Enzym, im Unterschied zum Substrat, kovalent gebunden wird und so das aktive Zentrum dauerhaft blockiert. Penicillin ist ein sog. "Selbstmord-Substrat" (Pseudosubstrat), welches zu einer irreversiblen Hemmung des Enzyms und somit seinem Ausfall führt. Das Ausbleiben der Quervernetzung der Zellwände führt zu Instabilität, Auflösung (Lyse) und Tod der Bakterienzellen. 

Beachtenswerterweise hat diese Substanz ein Pilz erfunden und gegen Bakterien eingesetzt, damit sie ihm nicht das Frühstück verputzen, bevor er selbst sich daran gütlich tun könnte (Konkurrenz um Nahrung). Das ist eine hoch effektive Chemiewaffe, die sich nur gegen den Gegner richtet und nicht gegen sich selbst, auch nicht gegen uns, weil wir kein Murein als Zellwandmaterial verwenden. Wenn man um sich herum alles mit Penicillin durchtränkt, kann man die Nahrung in Ruhe, ungestört selbst verspeisen, weil etwaige Mitesser tot umfallen. 

Chemisch modifizierte, halbsynthetische Penicilline haben andere Eigenschaften, als das ursprüngliche Penicillin und können teils auch die äußere Membran gramnegativer Bakterien durchdringen und anschließend ihre Zellwandsynthese hemmen, so dass auch diese gramnegativen Bakterien gut auf das Antibiotikum ansprechen. Solche modernen, halbsynthetischen Penicilline nennen sich dann Breitband-Antibiotika. Gruß, Cliff

Weil Penicillin die Synthese eben der Wand verhindert (und damit die sich teilenden Bakterien killt), die mit dem Gramtest nachgewiesen wird. Wer diese Wand nicht besitzt, kann durch Penicillin keinen Schaden erleiden.