Nennen Sie 5 Makronährstoffe der Mikroben-Zelle
Sauerstoff, Wasserstoff, Kohlenstoff, Stickstoff, Schwefel, Phosphor, Magnesium, Kalium, Magnesium, Calcium
Was versteht man unter Siderophoren?
Aromatische Moleküle, die Eisen binden können. Sie haben eine hohe Bindungskonstante.
Nennen Sie bakterielle Stoffwechseltypen in Bezug auf Energiequelle, Wasserstoffionenquelle und Herkunft des Kohlenstoffs
Chemoorganischer Metabolismus: aerobe Atmung, Energiequelle: Organische Kohlenstoffverbindungen, Wasserstoffionenquelle
Chemolithotropher Metabolismus: verwerten organische und anorganische Stoffe. 8sen, Schwefel und Stickstoff)
Phototropher Metabolismus: licht als Energiequelle
Nennen Sie fünf wichtige energiereiche chem. Verbindungen der Zelle
ATP, GTP, Phosphoenolpyruvat, Glucose6Phosphat, AcetylCoA, Acetylphosphat
Beschreiben Sie drei Hauptwege der ATP-Synthese
Substratstufenphosphorylierung: ATP wird stufenweise hergestellt
Oxidative Phosphorylierung: ATP durch einen elektrochemischen Gradienten
Photophosphorylierung: Energiequelle ist hier das Licht, der rest wie bei der oxidativen Phosphorylierung
Erläutern Sie stichwortartig den genetischen Kontrollmechanismus metabolischer Aktivität in einer Zelle anhand eines Operons
Kontrolle auf Transkriptionsebene über ein lac-Operon (Metabolische Ebene)
Globale Ebene: Kohlenstoffverbrauch, Energieaufbau
Zelluläre Ebene: vegetative Kontrolle
Erläutern Sie 3 diagnostische Tests zur Unterscheidung von Bakterien auf Wachstumsbasis
Citratverwertung: Dieser Test basiert auf der Fähigkeit von Bakterien, Citrat als einzige Kohlenstoffquelle zu nutzen. Wenn ein Bakterium Citrat verstoffwechseln kann, wird das Medium alkalisch, und Bromthymolblau zeigt eine blaue Farbe an1.
Decarboxylasen-Test: Hierbei wird die Decarboxylierung von Aminosäuren (AS) durch Bakterien untersucht. Wenn Decarboxylasen aktiv sind, entsteht CO2, und das Bromcresolpupur im Medium färbt sich purpur
Gelatine-Verflüssigungstest: Dieser Test prüft, ob Bakterien Proteasen produzieren, die Gelatine hydrolysieren. Wenn die Enzymaktivität vorhanden ist, bleibt das Gelatinemedium nach dem Abkühlen flüssig
Nennen Sie 3 in Bakterien etablierte Transportmechanismen und erläutern Sie insbesondere ihre Energetik
Lacpermease: Transporter der Klasse Symporter: schleußt unter H2O Lactose in das Zytoplasma
Natrium-Protonen Transporter: Klasse der Antiporter: schleußt Natrium im Tausch von H+ aus der Zelle raus
Kalium Transporter: Klasse der Uniporter: schleußt Kalium in das Zytoplasma entlang seines Gradienten
Erläutern Sie die Struktur von membranständigen Transportern und Arten von Transportabläufen
12 alphaHelices, kreisförmig angeordnet, um einen Tunnel zu bilden.
Klasse Symporter: schleußt unter H2O Lactose in das Zytoplasma
Antiporter: schleußt Natrium im Tausch von H+ aus der Zelle raus
Klasse der Uniporter: schleußt Kalium in das Zytoplasma entlang seines Gradienten
Nennen Sie 3 verschiedene Stoffwechselwege zum Abbau von Glucose zu Pyruvat
KDPG-Weg, Fructose-1,6-Bisphosphatweg, Pentosephosphatweg
Was sind die grundlegenden Gemeinsamkeiten + Unterschiede zwischen EMP- und KDPG-Weg?
Unterschiede: Das klassische Zwischenprodukt 2-Keto-3-deoxy-6-Phosphogluconat des KDPG-Wegs, Gewinn von 2 Pyruvat, 1 NADH, 1 NADPH, 1 ATP im KDPG-Weg und 2 Pyruvat, 2 NADH und 2 ATP im EMP weg
Gemeinsamkeiten: Abbau von Glucose zu Pyruvat, Der Weg ab GAP ist gleich
Welche Aufgaben erfüllt der Citrat-Cyclus?
Abflüsse für weitere Biosynthesen
Herstellung von ATP, NADH und FADH
Vorstufen für die Atmungskette
Generierung von zahlreichen Kohlenstoffzwischenprodukten
Die ATP-Synthase besteht aus den Subkomplexen F0 und F1. Zeichnen Sie diese in eine Membran ein. Markieren Sie dabei das Zellinnere und das umgebende Medium und zeichnen Sie die Richtung des Protonenflusses ein.
Skizieren Sie das PEP-Phosphotransferasesystem und erläutern Sie die Funktionsweise
Aufnahmeweg für Glucose in vielen Bakterien. Erlauben die Integration von Stoffwechselwegen und Signalwegen
Mit welchem Problem hat ein alkaliphiler Mikroorganismus bei der oxidativen Phosphorylierung zu kämpfen und wie wird das Problem typischerweise gelöst?
Leben in einer Umgebung mit extremen pH-Wert, sie passen ihren eigenen pH Wert an um in dieser Umgebung leben zu können.
Warum wird D, L-Methionin in der Tiermast eingesetzt?
Als Futtermitteladditiva für Schweine, Hühner oder Rinder, da D/L Methionin ein wichtiger Baustein für die Proteine sind.
Wie werden typischerweise mikrobielle Produktionsstämme generiert und was muss man dabei bzgl. der Physiologie beachten?
Screening von natürlichen Ressourcen (Stammsammlungen), Suche nach Überproduzenten, Suche nach feedback resistenten Schlüsselenzymen, gentechnische Methoden
Was versteht man unter emersem und submersem Wachstum?
Emers: homogenes Wachstum an der Oberfläche
Submers: homogene Verteilung im Medium
Durch welche Mikroorganismen wird Essig gebildet und unter welchen Bedingungen erfolgt der Umsatz?
Acetobacter und Gluconubacter (aerobe Bakterien) in der Fermentorkammer, durch Aufsprühen von Ethanolischer Lösung
Skizzieren Sie den Umsatz von Glucose bzw. Ethanol zu Essig. Welche Nebenprodukte werden gebildet?
Nennen Sie die grundlegenden Schritte des Grüssner-Reichstein-Verfahrens. Was ist Ausgangsstoff, was wird produziert?
Hydrierung: D-Glucose wird zu D-Sorbit reduziert.
Mikrobiologische Oxidation: D-Sorbit wird zu L-Sorbose oxidiert.
Schutzgruppenbildung: Die Hydroxygruppen der L-Sorbose werden geschützt.
Oxidation: Die geschützte L-Sorbose wird zu 2-Keto-L-gulonsäure oxidiert.
Schutzgruppenentfernung: Die Schutzgruppen werden entfernt.
Ringschluss: Es entsteht L-Ascorbinsäure. 🍊
Erläutern Sie ein Bsp. wie man Auxotrophe Mutanten für die Lysinproduktion nutzbar machen kann.
Wir suchen nach einer Lysin-überproduzierenden Mutante von Brevibacterium flavum, die resistent gegen die Hemmung durch AEC ist. Diese Mutante hat eine unempfindliche Aspartat-Kinase und produziert mehr Lysin als die Wildtyp-Bakterien.
Erläutern Sie positive und negative Eigenschaften von Sauerstoff auf die Organismen und deren Stoffwechsel
Positiv: Aerobe Stoffwechselwege entdeckt, Bildung der Ozonschicht, ATP Produktion
Negativ: toxische Sauerstoffprodukte müssen abgebaut werden
Nennen Sie Enzyme und Reaktionen zur Entgiftung schädlicher Sauerstoffspezies
Katalase, Peroxidase, Superoxiddismutase, Superoxidreduktase
Was versteht man unter aerober und anaerober Atmung? (Vgl. anhand von E. coli)
Aerobe Atmung: Sauerstoffverwertung ist energetisch günstiger, mehr H+ wird erzeugt
Anaerobe Atmung: Vertsoffwechselung von Nitrat, der Elektronenfluss erfolgt über NADH, zentrales Molybdänhaltiges Membranprotein
Beschreiben Sie bedeutende Eigenschaften im allgemeinen und Energiestoffwechsel von chemo-organotrophen Bakterien
Können sowohl aeroben Stoffwechsel als auch anaeroben Stoffwechsel betreiben, Energie wird aus Stoffen gezogen die ATP speichern, In der anaeroben Atmung dient N2 als Elektronenakzeptor
Erläutern Sie die Begriffe assimilativer und dissimilativer Stoffwechsel
Assimilativ: Reduktion zur Nutzung in organischen Biosynthese zum Aufgabu von Makromolekülen
Dissmilativ: Reduktion aus Gründen der Energiegewinnung
Wie erfolgt die Trennung von Assimilation und Dissimilation beim Schwefelstoffwechsel?
Sulfat wird reduziert zu APS,
Wenn Sulfat zu Sulfit umgebaut wird ist der Stoffwechsel assimilativ
Wenn Sulfit abgegeben wird ist der Stoffwechsel dissimilativ
Beschreiben Sie den Elektronentransport bei der Sulfatreduktion
Bei der Sulfatreduktion wird Sulfat (SO₄²⁻) unter anaeroben Bedingungen zu Schwefelwasserstoff (H₂S) reduziert. Dieser Prozess nutzt Cytochrome (c und b) in einer Elektronentransportkette.
Erläutern Sie die individuellen Stufen in der Nitratreduktionskette
Nitrat-Reduktase:
Diese Enzyme reduzieren Nitrat (NO₃⁻) zu Nitrit (NO₂⁻).
Nitrit-Reduktase:
Diese Enzyme reduzieren Nitrit (NO₂⁻) zu Nitric Oxide (NO).
Nitric Oxide-Reduktase:
Diese Enzyme reduzieren Nitric Oxide (NO) zu Nitroxyl (HNO).
Nitroxyl-Reduktase:
Diese Enzyme reduzieren Nitroxyl (HNO) zu Ammonium (NH₄⁺).
Warum ist der Energiegewinn bei der Nitrat-Atmung von E. coli geringer als bei oxidativer Phosphorylierung?
Da mehr H+ und deswegen ein größerer Elektronengradient
Was versteht man unter Pasteur- und Crabtree-Effekt beim Hefestoffwechsel?
Pasteur: Unterdrückung der Gärung durch Sauerstoff
Crabtee: Bei einer Konzentration von Glucose von weniger als 1mg/ml wird die aerobischer Stoffwechsel angeschalten, aber die Gärung beibehalten
Welches Grundprinzip liegt Gärungen in der Regel zugrunde?
Der Abbau von Zuckern in Ethanol, damit die Fermentation, damit der Stoffwechsel ohne Sauerstoffbeteiligung
Nennen Sie 5 Gärungen und dabei beteiligte Bakterien.
Alkoholische Gärung: S.cervisiae
Aceton/Butanolgärung: Chlostridium acetobutylicum
Milchsäuregärung: Lactobacillus
Alternative ethanolische Gärung: Zymomonas mobilis
Stickland-Reaktion: Clostridium sticklandii
Saccharomyces cerevisiae und Zymomonas mobilis bilden Ethanol aus Glucose.
Wie unterscheiden sich diese Organismen bei der Glucose-Verwertung?
Nennen Sie die unterschiedlichen Abbauwege
S. cervisiae baut Pyruvat in Acetaldehyd um, dieses dann in Ethanol, Synthese durch Pyruvatdecarboxylase und Alkohol-DH
Z. mobilis: nutzt den KDPG-Weg zur Herstellung von Ethanol
Durch welche energetische Besonderheit ist die Glycolyse in Zymomonas mobilis gekennzeichnet? Welche Konsequenzen hat dies für die Biomassebildung? Warum ist die Ethanolproduktion auch bei Nährstoffüberschuss begrenzt
Schnellere Gärung: Im Vergleich zu Hefe verläuft die Gärung in Zymomonas mobilis etwa 3-4-mal schneller.
Geringere Biomassebildung: Zymomonas mobilis produziert weniger Biomasse als Hefe. Dies liegt daran, dass beim KDPG-Weg (Entner-Doudoroff-Weg) nur 3 ATP pro Glukosemolekül gewonnen werden. Dadurch entsteht etwa 50% weniger Biomasse.
Erhöhte Ethanolproduktion: Aufgrund der geringeren ATP-Ausbeute im KDPG-Weg wird mehr Glukose für die Ethanolproduktion verwendet.
Welche Bakterien führen die sogenannte Stickland-Fermentation durch, was wird fermentiert und was ist die Besonderheit dabei?
Clostridium sticklandii
Nutzung von Aminosäuren als Kohlenstoffquelle (Aminosäuregärung).
AS wirken als e- Akzeptoren/ Donatoren.
Produkte immer Ammoniak/ Co2/ Carbonsäuren
Warum sind die Clostridien für die Gärungen interessant? Nennen Sie 5 Anwendungen?
Gram+, bildet Sporen, bildet fermentativ Butanol & Aceton
Beschreiben Sie die Unterschiede zwischen homofermentativen und heterofermentativen Milchsäuregärung
Homofermentativ: es wird zu 90% des Zuckers zu Lactat umgewandelt
Heterofermentativ: es wird zu Lactat auch Ethanol, Acetat & Diacetyl gebildet
Die Buttersäure/Butanolfermentation durch Clostridium acetobutylicum verläuft zweiphasig. Was wird zuerst gebildet, was später?
Zuerst wird Butanol gebildet, danach Buttersäure, bei Bildung von zu viel Buttersäure sterben die Bakterien ab.
Nennen Sie 5 Zielstrukturen von Antibiotika und geben Sie jeweils 1 entsprechendes Antibiotikum an
Zellwandsynthese – Penicillin
Proteinbiosynthese– Gentamycin
Folsäure – Sulfonamide
DNA-Abhängige RNAPolymerase – Streptovaricine
RNA Elongation - Actinomycin
Skizzieren Sie den Aufbau der Peptidoglykanschicht. Wo werden die Bausteine für den Zellwandaufbau synthetisiert und wie werden Sie aus der Zelle transportiert
Auf welchen zellulären Prozess wirken Penicillin und Vancomycin und was ist ihr jeweiliger genauer Wirkort/-mechanismus?
Penicillin:
Wirkort: Penicillin bindet an das Enzym DD-Transpeptidase
Wirkmechanismus: Durch die Bindung des Beta-Lactam-Rings an DD-Transpeptidase wird die Quervernetzung der Zellwand gehemmt.
Vancomycin:
Wirkort: Vancomycin bindet an das D-Alanyl-D-Alanin-Terminus der Zellwand-Vorläufermoleküle.
Wirkmechanismus: Es verhindert die Einbindung dieser Vorläufermoleküle in die Zellwand und schwächt dadurch die bakterielle Zellwand.
Warum wirkt Penicillin nur auf wachsende Zellen?
Verhindert den Aufbau einer Peptidoglykanschicht, da es die Transpeptidase blockiert, daher wirkt es bakteriozid
Wie wird Penicillin durch Bakterien inaktiviert?
Das Verändern der Zielstruktur oder Abbau des Penicillins (betalactamase)
Welches Antibiotikum würden Sie einsetzen, um ein intrazellulär lebendes, zellwandloses Bakterium zu bekämpfen? Begründen Sie Ihre Wahl.
Tetracyklin: Membranpermeabel
Doxycyklin: Membranpermeabel
Magnidantibiotikum: 30s UE
Streptomycin: 30sUE
Nennen Sie die Hauptproduzenten von Antibiotika und ihren Lebensraum.
Bakterien, Pilze
Nennen Sie 4 Mechanismen der Resistenzbildung gegenüber Antibiotika.
Verhindern des Eintritts des Antibiotikums
Veränderung der Zielstruktur
Vermehrte Bildung der Zielstruktur
Abbau des Antibiotikums
Welche Enzyme werden in Waschmitteln eingesetzt und wie wirken sie?
Amylasen: Stärke
Proteasen: Eiweis
Lipasen: Fett
Cellulasen: Cellulose
Erläutern Sie stichwortartig die Schritte des Celluloseabbaus (Angriffsort, Enzyme, Produkte)
Cellulose-Mikrofibrillen werden durch Endozellulasen aufgespalten und durch Exozellulasen abgespalten. Cellobiose werden über Collobioseoxidasen zum Cellobionolacton umgewandelt, welches spontan zu Cellobionsäure umstrukturiert. Oligosaccharide werden über ßGlucosidasen zu Glucose gespalten.
Sie wollen ein Waschmittel für empfindliche Seidenstoffe zusammenstellen. Welche Enzyme sollten Sie zusetzen und welche nicht: Amylasen, Cellulasen, Lipasen, Proteasen? Begründen Sie Ihre Antwort.
Es kann alles ausser Proteasen genommen werden, da Seide aus Proteinen besteht.
Nennen Sie 2 Anforderungen, die man an ein Enzym stellen muss, das in einem Waschmittel eingesetzt werden soll.
Hitzestabil, Protesen sollen keine weiteren Enzyme abbauen, sollten effektiv gegen verunreinigungen gerichtet sein
Erläutern Sie den Abbau von Fettsäuren und Alkanen durch Mikroorganismen (einzelne Teilschritte der Abbaureaktion, Energiebilanz, Formeln nicht notwendig)
Abbau von Fettsäuren und Phospholipasen durch extrazelluläre Lipasen, abgespaltete Fettsäurereste werden weiter durch ßOxidation abgebaut, hier werden pro Schritt die Fettsäure um zwei Atome gekürzt. 1.Schritt: CoA-aktivierung ->CoA wird an die Fettsäure gehängt. (Hier wird ein ATP verbraucht) 2.Schitt: Bildung einer Doppelbindung (FAD wird zu FADH umgewandelt). 3.Schritt: Addition einer Hydroxylgruppe. 4. Schritt: Oxidation zur Ketogruppe, (NAD+ wird zu NADH umgewandelt) 5. Schritt: Spaltung von CoA führt zur Bildung von Acetyl-CoA
->7 Durchläufe (Palmitinsäure) pro Durchlauf wird 1 FADH2 und zwei NADH+H frei.
->je AcetylCoA das in die Atmungskette eingeschleust wird, wird 10 ATP frei
Wie unterscheiden sich Mono- und Dioxygenase-Reaktion?
Beide beim aeroben abbau, beide nutzen O2
Monoxygenase: Ein O atom auf organisches Substrat, zweites wird zu H2O
Dioxygenase: beide Sauerstoffatome werden auf organisches Substrat übertragen
Wie kann man Erdöl-“kontaminiertes“ Wasser und Küsten behandeln?
Alcanivorax borkumensis, verwertet ein breites Spektrum an Kohlenstoffen. (hydrocarbonklastrischen Bakterien, können Erdöl abbauen.)
Was sind die Probleme beim Abbau/Entsorgung von Kunststoffen wie Plastik und wie versucht man diese dringenden Fragen zu lösen?
Plastik ist oft biologisch inert, es sind keine Abbauwege bekannt.
Ersatz durch Biopolymere
->Polymerforscher suchen nach neuen Polymerstoffen, meist Stärke
Worin besteht das Hauptproblem bei der biotechnologischen Insulinherstellung?
Das Hauptproblem bei der biotechnologischen Insulinherstellung liegt in der Faltung und posttranslationalen Modifikation. Insulin ist ein Protein, das aus zwei Peptidketten (A- und B-Kette) besteht. Diese Ketten müssen korrekt gefaltet und miteinander verknüpft werden, damit das Insulin seine biologische Aktivität entfalten kann.
Nennen Sie die zwei grundlegenden Verfahren zur Immobilisierung von Biokatalysatoren
Kovalente Bindung an den Träger, Quervernetzung zur Stabilisierung
Welche Verfahren zur Kopplung bzw. zum Einschluss von Biokatalysatoren gibt es?
Kopplung: Trägerbindung, Quervernetzung
Einschluss: Einhüllung, Verkapselung
Wie wird rekombinantes Insulin und Somatostatin produziert?
Insulin durch gentechnische Rekombination, Transformation in E.coli, Anzucht der Zellen und Reinigung von A/B ketten
Somatostatin durch das Einschleußen in E.coli, welches die exprssion von dem eingeschleußten Gen steuert
Welcher Organismus produziert natürlicherweise das BT-Toxin? Nennen Sie Merkmale.
Bacillus thuringiensis, für Menschen ungiftig, befällt Larven des Maiszünslers, Schädigt ihre Darmwand, sicheres Alternativ pestizid
Wie wirkt das BT-Toxin und wie wird es genutzt?
befällt Larven des Maiszünslers, Schädigt ihre Darmwand, wird genutzt in der Gentechnik, eingeschleußt in das Maisgenom
Wie wirkt Phytase und welchen Vorteil bringt das Enzym in der Tierernährung?
Spaltet Phytinsäure hydrolytisch, Zusatz zum Tierfutter, Phytinsäure in Pflanzen zu spalten, Phosphataufnahme
Nennen Sie den mikrobiellen Produzenten von Quorn und bestimmende Merkmale.
Fusarium venenatum
Quorn ist ein industriell hergestelltes Nahrungsmittel, das aus dem fermentierten Myzel dieses Pilzes gewonnen wird. Es enthält etwa 10-15% Proteine, auch bekannt als Mycoprotein, und wird in verschiedenen Formen angeboten, die an Fleischgerichte erinnern.
Beschreiben Sie die Biogasbildung in der Natur und deren Nutzung.
pro Jahr ca 350-820 mio t Methan
302-665 biogen, 28-155 abiogen
methanogene Archaea maßgeblich beteiligt
Skizzieren Sie den Aufbau des Magens und die Nährstoffverwertung im Pansen.
Welche Nährstoffquellen werden für die Kuh im Pansen erschlossen?
Was versteht man unter Syntrophie?
Arbeitsgemeinschaft zwischen Organismen, die nur zusammen ein Substrat herstellen können
nur in anareroben Habitaten
Prozess beinhaltet i.d.R. zwischenartliche H-Übertragung
Was versteht man unter Methanogenese und Acetogenese?
Methanogenese:
Methanogenese ist der Prozess, bei dem Mikroorganismen Wasserstoff (H₂) und Kohlendioxid (CO₂) in Methan (CH₄) umwandeln.
Diese Methanogene sind anaerobe Organismen, die im sauerstofffreien Milieu des Pansens leben.
Acetogenese:
Hier wandeln Acetogene Kohlenhydrate und organische Säuren in Essigsäure (Acetat) um.
Acetogenese = energetisch ungünstiger als Methanogenese
Was sind typische Substrate von methanogenen Mikroben?
Beschreiben Sie die Energiegewinnung in der Methanogenese.
Beschreiben Sie 3 wichtige involvierte Enzyme/Co-Enzyme.
Coenzym M (Methanofuran):
Es bindet Kohlenstoffdioxid (CO₂) und ist an der Umwandlung von CO₂ zu Methylgruppen (-CH₃) beteiligt.
Coenzym B (Coenzym CoB):
Die Reduktion von Methyl-S-CoM (Coenzym M) mit Coenzym B führt zur Methanbildung.
Tetrahydromethanopterin (H₄MPT):
Es ist an der Reduktion von Kohlenstoffdioxid zu Methylgruppen beteiligt.
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