Mikrobiologie - SoSe2020 PDF

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Mikrobiologie Als Teil der Grundlagenforschung:  Alle Zellen besitzen Gemeinsamkeiten  Mikrobielle Zellen können im Labor zu hohen Zelldichten heranwachsen =>biochemische und genetische Untersuchungen  Mikroorganismen sind hervorragende Modellorganismen, um Lebensprozessehöherer Organismen zu ...

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Mikrobiologie 1. Als Teil der Grundlagenforschung:  Alle Zellen besitzen Gemeinsamkeiten  Mikrobielle Zellen können im Labor zu hohen Zelldichten heranwachsen => biochemische und genetische Untersuchungen  Mikroorganismen sind hervorragende Modellorganismen, um Lebensprozesse höherer Organismen zu verstehen 2. Angewandte Mikrobiologie:  In der Medizin: Krankheitserreger, Symbionten  In der Landwirtschaft: Mikroorganismen wichtig für Fruchtbarkeit des Bodens und die Gesundheit der Tiere  In der Industrie: Herstellung von Antibiotika, heterologe Expression Bedeutung von Mikroorganismen       

Bilden den größten Anteil der Biomasse auf Erden Führen viele, für höhere Organismen lebenswichtige, chemische Reaktionen durch Ohne Mikroorganismen hätten sich höhere Lebensformen nie entwickelt und könnten nicht bestehen Sauerstoff auf der Erde ist das Ergebnis mikrobieller Aktivität Produktion + Abbau organischen Materials Existierten vor Pflanzen und Tieren Vielfalt der Mikroben übertrifft die der Tiere und Pflanzen bei weitem -> mehr ökologische Nischen (Habitate + Nahrung)

Mikroorganismen als Zellen     

Zelle = fundamentale Einheit des Lebens Zellmembran: bestimmt Ausdehnung, verhindert Auslaufen, sorgt für richtiges Verhältnis der Bestandteile Zellwand: Stabilität Zelle ist eine offene, dynamische Struktur Zellen können kommunizieren

Eigenschaften aller Zellen        

Kompartimentierung und Metabolismus: Nährstoffe aufnehmen und abgeben Wachstum: chemische Substanzen aus der Umgebung werden in neue Zellen umgewandelt Evolution: Zellen entwickeln sich und weisen neue biologische Eigenschaften auf Beweglichkeit Differenzierung: Zellen können im Zellzyklus neue Strukturen (z.B. Sporen) bilden Kommunikation: Wechselwirkung über chemische Substanzen Katalytische Funktion: Metabolismus, Energieerhaltung, Enzyme => Wachstum (Zunahme der Zellzahl) Genetische Funktion: DNA-Replikation, Transkription, Bildung RNA + Proteine => Erhalt + Wachstum der Zelle 1

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Genetische und katalytische Funktionen müssen gut aufeinander abgestimmt sein: Enzyme etc. für Biosynthese

Mikroorganismen und ihre Umgebung     

Erste Zellen vor über 3,8 Mrd. Jahren Population = Gruppe von Zellen, die aus einer einzigen Elternzelle durch Zellteilungen entstanden sind Habitat = unmittelbare Lebensumgebung in der eine mikrobielle Population lebt Mikrobielle Gemeinschaft: Interaktionen von Zellpopulationen mit anderen Populationen Ökosystem = lebende Organismen und deren Umgebung  Mikrobielle Ökosysteme o Aquatisch (Ozean, Teich, Eis, heiße Quellen) o Terrestrich (Böden, tiefere Erdschichten) o Höhere Organismen (Pflanzen + Tiere)  Ökosystem wird durch Mikroben beeinflusst

Einfluss der Mikroorganismen auf Menschen       

Erfolg der Mikrobiologie bei Bekämpfung von Infektionskrankheiten Mikroorganismen die Krankheiten verursachen = Pathogene Meisten Mikroorganismen sind nicht schädlich für den Menschen => nutzen ihm Landwirtschaft: Mikroben bereiten C, N und S so auf, dass Pflanzen davon leben können, z.B. im Pansen der Kuh -> Cellulose aus Gras in Fettsäuren, die die Kuh verwerten kann Lebensmittel: Fermentation (Käse, Joghurt, Sauerkraut, Wurst) und Fermentationsaktivität der Hefe (Backwaren, Alkohol) Energie: Biokraftstoffe und biologische Sanierung (durch Menschen verursachte Umweltschäden bereinigen) Biotechnologie: Herstellung menschlicher Proteine

Die Koch´schen Postulate  

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Robert Koch wies damit nach, dass spezifische Mikroorganismen eine spezifische Infektionskrankheit verursachen Postulate müssen erfüllt werden, um nachzuweisen, dass Mikroorganismus eine Krankheit verursacht 1. Organismus, der eine Krankheit verursacht, muss immer in den Tieren auftreten, die an der Krankheit leiden, aber nicht in gesunden Tieren 2. Organismus muss in einer Reinkultur außerhalb des Tieres kultiviert werden können 3. Der isolierte Organismus muss die Krankheit auslösen, wenn er in gesunde, anfällige Tiere injiziert wird 4. Organismus muss aus neu infizierten Tieren isoliert und wieder im Labor kultiviert werden können -> sollte danach immer noch der gleiche Organismus sein, wie der Ursprüngliche Reinkulturen – Voraussetzungen 1. Feste Nährböden 2

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2. Einheitliche Nährmedien Koch entdeckte zusätzlich den Tuberkuloseerreger

Chemolithotrophie = Oxidation anorganischer Bestandteile zur Energiegewinnung 

Organismus (Chemolithotrophe) gewinnen Kohlenstoff aus CO2 => sind autotroph

Louis Pasteur    

Widerlegte die Theorie der Spontanerzeugung Spontanerzeugung: Leben entsteht spontan in Gegenwart von Luft Theorie von Pasteur: Mikroben sind in der Luft Experiment: Vergleich des Wachstums von Mikroorganismen in sterilen Nährlösungen, die entweder von Luft abgeschlossen oder mit Luft exponiert waren

Lichtmikroskopie    

Auflösung = Fähigkeit 2 benachbarter Objekte als verschiedenartig und voneinander getrennt zu erkennen => max. 0,2 µm bei Lichtmikroskop Gesamtvergrößerung = Vergrößerung des Objektivs x Vergrößerung der Okkularlinsen -> bei Lichtmikroskop max. 1500x Verwendet sichtbares Licht zur Erkennung von Zellstrukturen Typen:  Hellfeldmikroskopie  Proben werden durch geringen Kontrast zwischen Zellen und Medium sichtbar gemacht  Viele Bakterien sind schlecht zu sehen  Gut bei pigmentierten Zellen 

Kontrastvergrößerung durch Färben -> einfach: basische Farbstoffe -> differenziell: Gramfärbung

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Phasenkontrasmikroskopie  Hebt Kontrastunterscheide ohne Verwendung eines Farbstoffes hervor  Tötet Zellen nicht ab  Gut für Lebendpräparate  Zellen verringern Geschwindigkeit, mit der Licht durch die fließt -> anderer Berrechnungsindex als Umgebung  Phasenring in Objektivlinse => dunkles Bild vor hellem Hintergrund Dunkelfeldmikroskopie  Licht trifft nur seitlich auf das Objekt  Nur vom Objekt gestreutes Licht erreicht Linse -> helles Bild vor dunklem Hintergrund Fluoreszenzmikroskopie 3

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Macht fluoreszierende Objekte sichtbar => emittieren Licht einer bestimmten Farbe, nachdem sie Licht einer anderen Farbe absorbiert haben Entweder durch natürlich fluoreszierende Substanzen in Zellen z.B. Chlorophyll => Autofluoreszenz

Elektronenmikroskopie     

Verwendet Elektronen statt Photonen (sichtbares Licht) Elektromagnete als Linsen Färbung mit Kontrastmitteln, die Elektronen streuen Elektronen dringen schlecht in Zellen ein Typen: o Transmissionselektronenmikroskop (TEM): Zelle + Zellstrukturen bei sehr hoher Auflösung + Vergrößerung untersuchen o Rasterelektronenmikroskop: nur Oberfläche der Zellen sichtbar

Zellstruktur Pro- und Eukaryoten 

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Gemeinsamkeiten aller Zellen:  Cytoplasmamembran  Cytoplasma Eukaryoten (Algen, Pilze, Protozoen)  Zellkern, der DNA enthält  Größer als Prokaryoten  DNA-Replikation, Transkription und Translation sind räumlich getrennt -> Replikation + Transkription im Zellkern, Translation im Cytoplasma  Zellorganellen im Cytoplasma von Membran umschlossen -> Zellkern, Mitochondrien Prokaryoten (Bakterien, Archaea)  Fehlen Organellen  DNA im Cytoplasma -> Transkription und Translation können gekoppelt werden  Nutzen Cytoplasmamembran zur Energiespeicherung

Viren       

Sind keine Zellen Kleiner als Zellen Sind statisch und stabil -> können nichts selbst austauschen oder ersetzen Keinen eigenen Metabolismus Besitzen eigene Genome, aber keine Ribosomen Können sich nur vermehren, wenn es eine Zelle infiziert Können alle Zelltypen infizieren

Phylogenie 4

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Beschreibt evolutionäre Verwandtschaftsbeziehungen zwischen Organismen Durch Vergleich der genetischen Information in den Nucleinsäuren/Proteinen kann man auf phylogenetische Verwandtschaft schließen Früher: morphologisch + metabolisch Heute: molekular durch den Vergleich ribosomaler RNA

Mikrobielle Vielfalt (Diversität) 

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Hat viele verschiedene Ausprägungen  Abweichung in Zellgröße und Morphologie (Form)  Physiologie, Motilität, Pathogenität, Entwicklungsbiologie Diversität erlaubt Besiedlung extremster Habitate Auch heute noch, Entdeckung neuer Arten Energiegewinnung  Alle Zellen benötigen Energiequellen  3 Quellen bekannt: organische Verbindungen, anorganische Verbindungen, Licht  Chemoorganotrophe:  Gewinnen Energie aus organischen Verbindungen  Verbindung wird oxidiert und als ATP gespeichert  Aerobe Organismen können Energie nur mit Hilfe von Sauerstoff gewinnen  Anaerobe Organismen können Energie nur ohne Sauerstoff gewinnen  Chemolithotrophe:  Gewinnen Energie durch Oxidation anorganischer Verbindungen  Nur bei Prokaryoten  Nutzen die Abfallprodukte der Chemoorganotrophen  Phototrophe:  Enthalten Pigmente, durch die sie Licht als Energiequelle nutzen und in chemische Energie umwandeln können  Metabolischer Vorteil -> Licht ist in einer Vielzahl der Habitate vorhanden  Bei Prokaryoten 2 Formen o Oxygene Photosynthese: Sauerstoff wird gebildet, z.B. Cyanobakterien o Anoxygene Photosynthese: keine Sauerstoffbildung, z.B. Purpurbakterien Kohlenstoffquelle  Alle Zellen benötigen große Mengen an Kohlenstoff  Heterotrophe: organische Verbindung als Kohlenstoffquelle (externe Quelle) -> alle Chemoorganotrophen  Autotrophe: nutzen CO2 als Kohlenstoffquelle, werden manchmal als „Primärproduzenten“ bezeichnet, da sie neues organisches Material aus CO2 gewinnen -> viele Chemolithotrophe, fast alle Phototrophe

Habitate 5

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Sterilität ist in der Natur selten Mikroben sind überall, wo es Leben gibt, auch in von Menschen geschaffenen Strukturen Extremophile: leben in extremen Habitaten (kalt, heiß, salzig, ätzend), stecken die Grenzen des Lebens ab

Diversität der Prokaryoten: Bakterien 

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Proteobakterien:  Viele chemoorganotrophe Bakterien z.B. E.Coli  Auch Phototrophe und Chemolithotrophe Grampositive Bakterien:  Organismen mit gemeinsamer Phylogenie und Zellwandstruktur  Clostridium, Bacillus, Streptococcus, Streptomyces, Lactobacillus Cyanobakterien:  Phylogenetisch mit grampositiven Bakterien verwandt  Sind oxygene Phototrophe  Verantwortlich für die erste Sauerstoffbildung auf der Erde

Diversität der Prokaryoten: Archaea   

Alle Archaea sind chemotroph (Halobakterium kann auch mit Licht ATP bilden) Viele chemolithotroph, v.a. Extremophile -> hyperthermophile Archaea Euryarchaeota  Methanogene: o Strikt anaerob, vertragen nicht einmal ganz niedrige Sauerstoffmengen o Gewinnen während der Methanbildung Energie  Halophile (salzliebend) o Die meisten benötigen Sauerstoff o Benötigen große Mengen Salz für den Metabolismus und das Wachstum  Thermoacidophile o Am besten hohe Temperaturen und niedriger pH o Keine Zellwand o Z.B. Mycoplasma, Thermoplasma  Hyperthermophile o Optimale Wachstumstemperatur bei über 80°C o Die meisten sind autotroph

Phylogenetische Analyse mikrobieller Gemeinschaften 

Phylogenetische Analyse von ribosomaler RNA aus Zellen, die man entnehmen kann ohne Organismus vorher zu kultivieren (aus Boden, Wasser etc.) -> phylogenetische Einordnung in Stammbaum 6

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Die meisten Mikroorganismen wurden bisher nicht kultiviert -> in phylogenetischen Stammbäumen als Abstammungslinie dargestellt  Genom-Analyse zum Verständnis ihres Metabolismus

Mikrobielle Diversität: Eukaryoten 

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Wichtigste Gruppen:  Protisten (Algen und Protozoen)  Pilze  Schleimpilze Phototrophe: z.B. Algen, enthalten Chloroplasten, gehören zu den Primärproduzenten Chemotrophe: z.B. Pilze Algen und Pilze haben keine Zellwände, im Gegensatz zu Protozoen und Schleimpilzen

Zellmorphologie von Prokaryoten  

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Morphologie = Zellformen (in Mikrobiologie) Zellformen  Kokken  Stäbchen  Spirillen  Spirochäten Schwierig, anhand Morphologie auf z.B. Phylogenie, Physiologie etc. zu schließen Morphologie ist eine genetisch gesteuerte Eigenschaft, die sich entwickelt hat, um Fitness einer Spezies in gewissem Habitat zu maximieren

Zellmorphologie: Vorteil kleiner Zellen  

Durchmesser von prokaryotischen Zellen zwischen 0,2 µm und mehr als 700 µm Vorteile kleiner Zellen: 7

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Verhältnis von Oberfläche zu Volumen ist größer als bei großen Je größer die Zelle, desto kleiner wird das O/V-Verhältnis Schnellerer Nährstoffaustausch, Diffusion Schnelleres Wachstum + Metabolismus

Cytoplasmamembran = dünne Barriere, die die Zelle umgibt und das Cytoplasma von der Umgebung der Zelle trennt 

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Allgemeine Struktur:  Phospholipiddoppelschicht  Hydrophobe und hydrophile Bereiche  Phospholipide aggregieren in wässrigen Lösungen und bilden auf natürliche Weise Doppelschichtstrukturen => stabilste Anordnung  Fettsäuren weisen nach innen aufeinander zu und bilden so eine hydrophobe Umgebung, während die hydrophilen Teile weiterhin der wässrigen äußeren Umgebung oder dem Cytoplasma ausgesetzt bleiben  Membranproteine  Integrale MP  Periphere MP (auch Lipoproteine)  Regionen, die die Cytoplasmamembran durchdringen besitzen hydrophobe Oberflächen  Regionen, die die Umgebung und Cytoplasma berühren haben hydrophile Oberflächen  Andere Lipide  Sterole -> typisch für Eukaryoten  Hopanoide -> typisch für Bakterien, nicht in Archaea Membranen von Archaea  Etherbindungen zwischen Glycerin und ihren hydrophoben Seitenketten  Keine echten Fettsäuren, sondern Isopren (5 C-Atome)  Bestehen entweder aus Glycerindiether (20 C-Atome) oder aus Diglycerindiether (40 C-Atome)  Viele archaeelle Lipide enthalten Ringe innerhalb der Kohlenwasserstoffketten -> z.B. Crenarchaeol (Lipid)  Lipidmonoschicht statt Lipiddoppelschicht -> extrem widerstandsfähig gegenüber hohen Temperaturen

Funktionen der Cytoplasmamembran 

Permeabilitätsbarriere -> verhindert ungesteuertes Eintreten und Auslaufen von Bestandteilen des Cytoplasmas in oder aus Zelle 8

Die meisten Substanzen müssen in die Zelle transportiert werden, können nicht passiv in die Zelle eintreten  Wasser ist eine Substanz die ungehindert in beide Richtungen durchqueren darf Proteinverankerung -> Sitz vieler Proteine, die am Transport, bioenergetischen Vorgängen und der Chemotaxis beteiligt sind  Transportproteine transportieren Substanzen gegen den Konzentrationsgradienten, sind wichtig für die Aufnahme von Nährstoffen  Ohne Transportproteine könnten Zellen niemals die für den Ablauf biochemischer Reaktionen erforderlichen intrazellulären Konzentrationen erreichen -> Verhältnis von Aufnahme und intrazellulärer Konzentration würde niemals die Externe Konzentration übertreffen  Wenn Transporter mit Substrat gesättigt ist, ist Geschwindigkeit des Stofftransportes maximal Energiespeicherung -> Ort, an dem protonenmotorische Kraft erzeugt und verbraucht wird 

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Transportsysteme 

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3 Transportsysteme:  Einfacher Transport  Gruppentranslokation  ABC-System ALLE Transportsysteme benötigen in irgendeiner Form Energie! 3 Typen von einfachen Tranpsortern:  Uniporter -> Proteine die ein Molekül in eine Richtung durch die Membran transportieren, entweder rein oder raus (z.B. Kalium-Uniporter)  Antiporter -> Proteine, die ein Molekül in die Zelle hineinbringen und gleichzeitig ein Molekül aus der Zelle hinaus transportieren (z.B. NatriumProtonen-Antiporter)  Symporter -> Co-Transporter, transportieren ein Molekül zusammen mit einer anderen Substanz, normalerweise ein Proton (z.B. PhosphatSymporter, Sulfat-Symporter) Einfacher Transport:  Nur ein membrandurchspannendes Protein Gruppentranslokation:  Reihe von Proteinen am Transportvorgang beteiligt

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Die zu transportierende Substanz wird während der Beförderung durch die Membran chemisch verändert  Z.B. Phosphotransferasesystem -> für die Aufnahme 5 verschiedener Zucker, jeder hat sein eigenes Aufnahmesystem ABC-System (= ATP-Bindungskassette):  3 Bestandteile arbeiten zusammen -> 1 substratbindendes Protein (periplasmatisches Bindeprotein -> Proteine im Periplasma), 1 Membrantransporter und 1 ATP-hydrolisierendes Protein  Dienen der Aufnahme von organischen Verbindungen (wie Zucker und Aminosäuren), anorganischen Nährstoffen (wie Sulfat und Phosphat) und Spurenelementen  Periplasmatische Bindeproteine haben extrem hohe Substrataffinität -> können Substrate sogar dann binden, wenn sie in extrem niedriger Konzentration vorkommen  Auch in Grampositiven Bakterien 

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Zellwände von Prokaryoten 

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Durch Aktivitäten der Transportersysteme enthält das Cytoplasma von Bakterienzelle eine hohe Konzentration an gelösten Stoffen -> hoher hydrostatischer Druck, der durch Zellwände ausgehalten wird Grampositive und Gramnegative Bakterien unterscheiden sich in ihrer Zellwandstruktur  Gram + -> dickere Zellwand, in erster Linie aus einem Molekültyp  Gram - -> chemisch Komplex, aus mindestens 2 Schichten Peptidoglykan  Starre Schicht der Bakterienzellwände, die hauptsächlich der Festigkeit der Zellwand dient  Polysaccharid aus Zuckerderivanten (N-Acetyl-Glucosamin, N-AcetylMuaminsäure) und einigen Aminosäuren (L-Alanin, D-Alanin und DGlutaminsäure) und entweder Lysin oder Diaminopimelinsäure (DAP)  Verbunden zu Glycantetrapeptid (eine sich wiederholende Struktur) Gram +:  90% der Zellwand besteht aus Peptidoglycan  1-25 Schichten Peptidoglycan  Eingebettet in Zellwand -> Teichonsäure (enthält Glycerophosphat oder Ribitolphosphat) Gram -:  Dünne Zellwand aus Peptidoglycan (nur ca. 10%)  Zusätzlich eine äußere Membran o größter Teil der Zellwand o unterschiede zur Cytoplasmamembran: Lipopolysaccharidschicht (LPS) -> toxisch und Porine -> dienen als Kanäle für den Ein- und Austritt gelöster Substanzen 10

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Periplasma: zwischen der äußerern Oberfläche der Cytoplasmamembran und der inneren Oberfläche der inneren Oberfläche der äußeren Membran, enthält hydrolytische Enzyme, Bindeproteine, Chemorezeptoren

Funktion der Zellwand von Prokaryoten: Schutz vor Lyse

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Enzym Lysozym (in Tränen, Speichel etc.) spaltet β-1,4-glykosidischen Bindungen zwischen N-Acetylglucosamin und der N-Acetylmuaminsäure im Peptidoglykan -> schwächt dadurch die Zellwand, Wasser kann in Zelle eindringen und es kommt zur Lyse Lysozym dient in erster Linie der Verteidigung gegen Bakterien

Zellwände von Archaea 

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Enthalten kein Peptidoglycan, stattdessen eine Vielfalt chemischer Verbindungen (Polysaccharide, Proteine, Glykoproteine) -> Pseudomurein (Polysaccharid) ist Peptidoglykan sehr ähnlich Häufigster Zellwandtyp: parakristalline S-Schicht aus Protein- oder Glykoproteinmolekülen, ist auch bei einigen Bakterien vertreten  Durch die S-Schicht entstehen symmetrische Strukturen  Dienen als Schutz vor osmotischer Lyse  Schnittstelle zwischen Zelle und ihrer Umgebung

Zelloberflächenstrukturen 

Kapseln und Schleimschichten:  Sondern schleimige/klebrige Sekrete ab, welche aus Polysacchariden oder Proteinen bestehen 11

Je nach Zusammensetzung und Wasseranteil dick/dünn, starr/felxibel Schicht, die in einer dicht gepackten Matrix angeordnet ist, die kleine Partikel ausschließt = Kapsel  Wenn diese Schicht leicht zu deformieren ist, keine Partikel ausschließt und nicht so leicht zu erkennen ist = Schleimschicht  Kapseln sind normalerweise fest an Zellwand angeheftet  Schleimschichten oft nur locker angebunden, können von der Zelloberfläche abfallen  Funktion:  Anheftung von Mikroorganismen auf festen Oberflächen  Biofilmbildung  Kapseln:  Schutz vor Immunsystem  Schutz vor Austrockn...