Annis' Karten

= großes Oberflächen-Volumen-Verhältnis -> hoher Stoffumsatz

ubiquitär

= Vermehrung durch Zweiteilung

Deinococcus radiodurans

• Merkhilfe: It endures radiation

  • radiation -> radio

  • ednures -> durans

= Nachkommen einer einzigen Zelle

• Entwicklung primitives, aber leistungsfähiges Mikroskop

• erste Beobachtung Protozoen & Bakterien (bsp. Zahnbelag -> Animalcule)

• Methode der Hitzesterilisation =„Pasteurisieren“

• Milchsäuregärung + alkohol. Gärung + Essigherstellung beruht auf MO

• Gärung = Leben ohne O2

• Widerlegung der Ur- bzw. Spontanzeugung (Experiment mit Schwanenhalskolben)

• Impfung gegen Tollwut-Viren & Milzbrand-Bakterien (Bacillus anthracis)

• Verwendung fester Nährmedien, Färbemethoden, Tiermodelle & Reinkulturen (Einzelkolonien auf Kartoffelscheiben, später Nährböden verfestigt mit Gelatine & Agar)

• Entdeckung Erreger für Milzbrand (Bacillus anthracis), Tuberkulose (Mycobacterium tuberculosis) & Cholera (Vibrio cholerae)

• Koch’sche Postulate = experimentell überprüfbare Ursache-Wirkungs-Beziehung bei Infektionskrankheiten

• 1905: Nobelpreis für Medizin

• => Bakterielle Reinkultur = axenische Kultur

  • Wachstum der Nachkommen einer einzigen (Mutter-) Zelle (= Klone) eines Organismus unter Ausschluss jegl. Individuen anderer Arten

  • mikrobielle Nährmedien (Kartoffelscheibe -> Gelatine & Agarplatten)

  • Kontaminanten = unerwünschte, nicht-klonale Organismen

• erste ökol. Mikrobiologie

• komplexe Anreicherungskulturen („Winogradskisäule“)

• Entdeckung der Chemolithoautotrophie (=anorg. Verbindungen als Energiequelle [e-Donor])

  -> Oxidation anorg. Verbindungen (bsp. NH4, S) zur Energiegewinnung

• Lipide + Proteine (v.a. Phospholipide)

• hydrophile & hydrophobe Schichten -> Amphiphile

• in Eubakterien -> Lipide: Phospholipide (PL), Glykolipide (selten) + Hopanoide

  • Hopanoide:

    -> starre, flache Lipide

    -> Membranverstärkung durch Herabsetzung Fluidität (Diplopten) ; Eukaryonten: Sterole (Cholesterin)

  • PL: Fettsäure-Ester*

    * Archäen: Etherbindungen -> keine echten FS sondern reduzierte Isoprenoidalkohole (Phytanyl)

  • Lipid-Doppelschicht in H2O

• Funktion:

  • Permeabilitätsbarriere

    -> permeabel: apolare Moleküle (FS), viele Gase (O2, H2, N2), (H2O)

    -> impermeabel: Ionen & größere polare Moleküle

    -> Stoffaustausch: aktiver Transport

  • Verankerung von Proteinen

  • Energiegewinnung

• Membranproteine: peripher oder integral, oft in interagierenden Gruppen angeordnet

  • Transporter: große Moleküle + Ionen

  • Enzymproteine (Atmungskette, ATP-Synthase), Signalrezeption (z.B. Chemosensoren)

• Einstülpungen der CM

• spezialisierte Funktionen

• Oberflächenvergrößerung, Kompartimentierung

• Druckfestigkeit gegenüber Zellturgor

• Stabilität

• nicht semipermeabel -> durchlässig für Moleküle

• Hauptbestandteile: Peptidoglycan (= Murein)

  • Murein = Heteropolymer -> Polysaccharid(=Glykan)-Ketten über Peptidbrücken quervernetzt

  • Glykan-Kette aus 2 alternierenden Monosacchariden

    • N- Acetylglucosamin (G) + N-Acetylmuraminsäure (M)

      -> verknüpft über 1,4-ß-glykosidische Bindung

  • Mureinsacculus:

    • Gr+ : ca. 25-50 quervernetzte Schichten

    • Gr- : 1 oder wenige Schichten

• versch. Antibiotika (ß-Lactam-Antibiotika wie Penicillin) verhindern Quervernetzung der PG-Stränge

  -> Lysozym spaltet 1,4-ß-glykosid. Bindung (Abbau Murein)

  -> Abbau der Zellwand führt zur Lyse der Zelle

• z.B. Staphylococcus aureus

• vielschichtiger Murein-Sacculus

• keine äußere Membran, kein Periplasma

• Teichonsäure + Proteine

  • Teichonsäure (Endotoxin): langkettige, saure Polysaccharide aus Zuckerphosphaten + D-Alanin

    • kovalent gebunden an Mureinsäure

    • bewirken negative Oberflächenladung: Ionenbindung (Ca^2+, Mg^2+) -> Adhäsion an Wirtszelle

    • pyrogen: fieberhafte + entzündliche Reaktion nach Infektion

• z.B. Escherichia coli (Proteobakterium)

• dünner Murein-Sacculus, keine Teichonsäure

• äußere Membran + Periplasma

  • Periplasma: Raum zw. CM & OM, enthält Proteine (Energiestoffwechsel, Nährstoffabbau, Zellwandsynthese, …)

  • äußere Membran [OM]: asymmetr. Struktur, Bilayer (Doppellipidschicht)

    • innere Schicht: ähnlich CM

    • äußere: Lipopolisaccharide (LPS): stark hydrophil

      -> Schutz vor lipophilen Antibiotika & Gallensäure

    • Porine = permeable Poren für kleinere + hydrophile Moleküle (≠ CM)

    • Funktion: Schutz, aktive Aufnahme (Eisen, Maltose, Phosphat, …)

• LPS: Lipid A (toxisch) + Kern-PS + variable O-spezif. Seitenketten

  -> Endotoxin vieler Pathogene -> Freisetzung durch Zelllyse: Fieber (pyrogen!)

• kein Peptidoglycan

  ABER einige -> Pseudomurein (ähnlich aber andere Zusammensetzung)

• andere Archäen: Heteropolysaccharide, Glykoproteine (z.B. S-Layer)

= Bakterien ohne Zellwand

• klein (0,2 μm)

• keine Zellwandsynthese: Gr-

• obligate Parasiten & Krankheitserreger

• konzentr. viskose Lösung aus Wasser, Ionen, Proteinen & Nukleinsäuren

• makromolekulare Proteinkomplexe, Einschlüsse, organellähnliche Kompartimente, cytoskelettale Strukturen

• meist 1, selten mehrere dsDNA-Moleküle

• meist circulär

• keine Histone aber DNA-assoziierte Proteine -> dicht gepacktes Nukleoid

• circuläre genetische Elemente

• kodieren nicht-essentielle Funktionen (z.B. Antibiotika-Resistenzen)

• Proteinbiosynthese

• ca. 20 nm

• umgeben von Proteinhülle -> bildet Hohlkörper (=Reaktionsraum)

• Abgrenzung & Konzentration metabolischer Enzymreaktionen (z.B. Carboxysomen: CO2-Fixierung in autotrophen MO)

• spindelförmige, gasgefüllte Proteinhülle -> Auftrieb      (photosynthetischen Archäen & Cyanobakterien)

• Speichergranula

• Synthese bei C-Überschuss

• “Bioplastik”

• Bacillus megaterium

• Membran-umgebene magnetische (anorg.) Kristalle aus Magnetit (Fe3O4) oder Greigit (Fe3S4)

• in aquatischen „magnetotaktischen“ Bakterien

• kettenförmige Anordnung (ca. 10–50 Magnetosomen)

• Funktion: Sensoren für vertikale Orientierung im Erdmagnetfeld

• Polyphosphat: Speicherung von anorg. Phosphor

• Schwefelgranula: metabolisches Zwischenprodukt in H2S-oxidierenden Bakterien

= stoffwechselaktive Dauerform in einigen Gr+ : Bacillus, Clostridium

• Struktur:

  • viele Schichten Proteine + Murein (Cortex)

  • geringer Wassergehalt, hoher Gehalt Ca^2+ & Dipicolinsäure -> Wasserbindung

    • Ca^2+ -> Stabilität (wie bei Gr- in äußerer Membran)

  • spez. DNA-bindende Proteine -> Schutz vor UV & Hitze

• Sporulation erfolgt bei Nährstoffmangel

  Aktivierung durch Feuchtigkeit, erhöhte Temp., Nährstoffe (AS)

• weitere Dauerformen: Cysten (Acetobacter), Myxosporen (Myxobakterien)

• S = “surface”

• parakristalline Oberflächenstruktur aus hexagonal geordneten Glykoproteinen

• in einigen Archäen: Zellwandfunktion (starr & fest)

• in einigen Bakterien: zusätzl. Struktur -> der Zellhülle außen aufgelagert

• „Molekülsieb“ -> Schutz vor Phagen

• aus Proteinen oder Polysacchariden

  • Kapseln: fest mit Zelle verbunden

  • Schleime: lose Verbindung, gehen diffus ins Medium über

• Adhäsion

• Schutz vor Austrocknung

• Pathogene: Maskierung / Schutz vor Immunsystem & Phagocytose

• filamentöse Proteinstruktur

• Fimbrien:

  • Adhäsion (spez. Proteine) an Spitze der Fimbrien binden an Glycolipid auf Wirtszellenmembran

• Pili:

  • Zell-Zell-Kontakt bei Konjugation („F- oder Sex-Pili“)

  • Elektronentransport („Nanowires“)

  • Gleitbewegung (z.B. Myxobakterien)

• Strukturelement oder Stoffwechselprodukt -> verleiht Pathogenität

• ermöglichen Überwindung von Abwehrmechanismen des Wirts

• oft Stamm-spez. (z.B. apathogene vs. enteropathogene E. coli)

• Infektion = Wachstum von MO in einem Wirt

• Exotoxine = Proteine, die in umgebendes Medium freigesetzt & von Körperzellen aufgenommen werden (z.B. Tetanus-, Botulinum-, Diphterie-Toxin)

• Endotoxine = Bestandteile der OM von Gr - Bakterien, werden erst bei Zelllyse freigesetzt

  • Wirkung (z.B. LPS): Freisetzung von Cytokinen (Interleukine) & Auslösung eines septischen Schocks

• durch Flagellen (Geißeln): Chemotaxis

• polare monotriche Geißeln = einzige Geißel

• petritriche Geißeln = mehr als eine Geißel

• Begeißelungstypen -> artspezifisch (= taxonom. Merkmal)

[!! amphitrich (bipolar polytrisch) = an beiden Polen ihrer Zelle jeweils eine Geißel => gerichtete Fortbewegung]

• Flagellenmotor = Rotationsmotor

prokaryot. Geißel (Gr-):

• Motorproteine: Umwandlung chem. Energie (H+-Gradient) in mech. Energie

  -> Erzeugung eines Drehmotors => Rotation

• Basalkörper (enthält Rotor & Stator)

  • Geißelstab (-schaft)

  • 4 Ringe: L + P („Lager“), MS + C (Rotor)

  • Fli-Proteine (= Motorschalter-Proteine)

  • Mot-Proteine (Motorproteine) = Stator

  • Bei Gr+ : nur MS + C (da: keine äußere Membran)

= gerichtete Fortbewegung entlang Gradienten von Lockstoffen (Attraktantien) & Schreckstoffen (Repellentien)

• Prinzip: zeitl. versetzter Vergleich von Konzentrationen

• “Run & Tumble”

  • Abwesenheit von Attraktantien: Zelle schwimmt nach Zufallsprinzip auf Geraden, unterbrochen durch häufige zufällige Richtungswechsel

    -> CW-Rotation: Taumeln

  • Anwesenheit von Attraktantien: Geraden („runs“) in Richtung höherer Konz. werden länger

    -> CCW-Rotation: Taumeln seltener

    -> Konsequenz: Zelle bewegt sich schrittweise entlang Gradienten in Richtung Attraktant

= bakterielle Viren

• Anheftung an Rezeptorstrukturen & Injektion der Nukleinsäure -> Biosynthese neuer Phagenpartikel

  ->Lyse der Zelle & Freisetzung

• Bakterielle Abwehrmechanismen gegen Phagen-Infektionen:

  • genet. Variation der Rezeptorstrukturen auf Zelloberfläche

  • adaptives Immunsystem: CRISPR/CAS

• klassisch:

  Taxonomie (Einteilung), Nomenklatur (Benennung) & Bestimmung von Organismen

• modern:

  Phylogenie (Rekonstruktion der Stammgeschichte der Organismen) & Evolutionsbiologie (Erforschung der Prozesse, die zu Organismenvielfalt führen)

• Morphologie:

  • Zellform & -größe, Koloniemorphologie, Gramverhalten, besondere Strukturen, Beweglichkeit

  • aber: untersch. MO oft morpholog. identisch (z.B. E. coli = Pseudomonas)

• Physiologie:

  • Verwertung best. Substrate

  • Präferenz best. Wachstumsbedingungen (aerob/anaerob, thermophil, acidophil, etc.)

• Chemotaxonomie:

  • Zusammensetzung von Murein, OM (LPS), Lipide (FS-muster)

  • Vorhandensein charakterist. Verbindungen (Chinone, Pigmente, Mycolsäuren)

• Immunologische Methoden (z.B. Serotypen [„Serovare“] von Pathogenen)

=> dichotomer Schlüssel -> Ja/Nein Entscheidungen

oder

=> analytischer Profilindex = Reihe biochem. Merkmale -> gleichzeitige Durchführung

• Problem: Phänotyp ist variabel, Laborkultur erforderlich (< 1% kultivierbar)

  -> phänotyp. Unterscheidungsmerkmale begrenzt & spiegeln evolutionäre Verwandtschaftsbeziehungen nicht wieder !

• 16S rRNA als molekulare Marker

  • universell

  • Sequenz leicht bestimmbar

  • konservierte + variable Regionen (ca. 65% identisch in allen Prokaryonten)

  • Berechnung von Stammbäumen basierend auf Sequenzvergleichen -> Abweichungen in %

• „Archaebakterien“: seperate Entwicklungslinie -> distinkt von Bakterie

• 16S rRNA Sequenzierung

• DNA-DNA-Hybridisierung

• % G+C-Gehalt der DNA

• Identifikation: Erkennen der Zuordnung eines MO

  (z.B. in medizin. Diagnose)

• Klassifikation: Einteilung in hierarchische Rangstufe

  (Stamm > Klasse > … > Art)

• Nomenklatur: Benennung der untersch. Einteilungsklassen

  (Actinobacteria > … > Escherichia coli)

• aber: Abgrenzung von prokaryontischen Arten schwierig & z.T. artifiziell

  -> Problem: asexuelle Vermehrung, keine reproduktive Barriere, horizontaler Gentransfer

  
  

• Art = Gruppe von Stämmen mit (möglichst vielen) gemeinsamen Eigenschaften

• Cytoplasmamembran aus Phosphoetherlipiden

• haben in Zellwandstruktur kein Peptidoglycan

• Archäelle Geißeln: dünner, anderer aufbau + Evolution als bakt. Geißeln

• hypersalin + alkalische Lebensräume (Salinen, Salzseen, …)

• hohe intrazelluläre Ionenkonzentration (K+)

  -> Aufrechterhaltung der osmot. Wasserbilanz

• z.B.: Halobacterium halobium, salinarium (Stäbchen)

• Bacteriorhodopsin (BR) = lichtgetriebene Protonen-Pumpe

  -> zusätzlicher Energiegewinn bei O2-Mangel

Methanogene Archäen:

• meist mesophil -> 20 °C - 45 °C

• Methanobacterium, Methanothermus

Extrem thermophile Archäen:

• besondere molekulare Anpassungen zur Vermeidung der Denaturierung von Proteinen & DNA (Chaperone, Gyrasen, hoher K+-Gehalt)

• „Extremo-Enzyme“ -> biotechnologisch relevant

• Archaeoglobus, Thermoplasma

• Thermococcus / Pyrococcus: 55 °C - 106 °C, Schwefelatmung mit organ. & anorg. Elektonendonatoren

• Methanopyrus: 84 °C - 122 °C

Temperaturoptimum:

• psychrophil -> bis 20 °C

• mesophil -> 20 °C - 45 °C

• thermotolerant -> bis 50 °C

• thermophil -> 45 °C - 80 °C

• extrem thermophil -> > 80 °C

pH-Optimum:

• intrazellulärer pH bei fast allen Organismen: ca. 6 – 8

• Ausnahmen:

  • extrem Acidophile: pH 4,6

  • extrem Alkalophile: pH 9,5

Spirochäten

• Gr-

• Endoflagellen -> 2 oder mehrere periplasmatische Flagellen

• nicht-pathogen:

  • freilebend im Schlamm von Gewässern, Zahnbelag, …

  • Treponema saccharophila -> Pansen der Wiederkäuer, Enddarm von Termiten -> Vergärung von pflanzl. Polysacchariden

• pathogen:

  • T. pallidum -> Erreger der Syphilis

  • Borrelia burgdorferi -> Erreger der Borreliose (Zecken)

• Gr-

• freilebend in Süß- & Salzwasser

• binden „Rosetten“

• Teilung durch Knospung

• Kernmembran -> Einstülpung der inneren Membran

• Planctomyces limnophilus

• Gr-

• sehr klein: kein / nur wenig Peptidoglycan

• intrazelluläre Parasiten in euk. Zelle („Retikularkörperchen“)

• einige Arten in freilebenden Einzellern (Amöben)

• Pathogene

  • Chlamydia trachomatis -> Augeninfektion oder sexuell übertragbare Urogenitalentzündungen

• hoher % G+C-Gehalt

• obligat aerob

• Synthese von Geosmin: Erdgeruch

• filamentöses Wachstum: Mycel

• Lufthyphen (Sporophoren): Abschnürung von Konidien (Differenzierung) = dormante Sporen

• Produktion von Antibiotika: Streptomycin, Tetracyclin

• S. griseus: Gr+

• Gr+

• Pathogene: M. tuberculosis, M. leprae

• „säurefest“ = Färbeeigenschaft durch einzigartige Lipide

  = Mykosäuren: wachsartige, hydrophobe Zelloberfläche

  -> Antibiotikaresistenz

• Proteobacteria -> alle Gr-

Alphaproteobacteria:

• Caulobacterales -> Caulobacter crescentus

  • strikt aerob, Stiel-artige Zellanhänge

  • genet. exakt regulierter Zellzyklus: Differenzierung in zwei untersch. Zelltypen

    -> Schwärmer & gestielte Zellen

• Rhizobiales -> Agrobacterium tumefaciens

  • Pflanzenpathogen: Wurzelhalsgalle

  • Induktion des Tumors: Ti-Plasmid (= tumor inducing)

• Rhodospirillales -> Magnetospirillum gryphiswaldense

  • in Schlamm in Fließgewässer

  • ca. 15 – 120 würfelförmige Magnetosomen aus Magnetit

  • Mikroaerophile & anaerobe (Denitrifikation) Atmung

• Phototrophe, Litotrophe & Pathogene

• Neisseriales -> Neisseria gonorrhoeae

  • Kokken

  • Erreger der Gonorrhoe („Tripper“)

• fakultative Anaerobe & Lithotrophe

• Pseudomonadales

  • Stäbchen, aerob oder Nitratatmer

• Enterobacteriales -> Enterobacteriaceae

  • fakultative anaerob; kolonisieren menschl. Dickdarm

  • E. coli

• Bdellovibrionales -> Bdellovibrio bacteriovorus

  • räuberisch, befallen andere Bakterien (“bdello” = Egel)

  • Ernährung durch Cytoplasma der Wirtszellen

• Myxococcales

  • Bodenoberflächen, Baumrinde, Dung

  • Ernährung saprotroph oder von anderen Bakterien (räuberisches Schwärmen)

  • komplexer Lebenszyklus & Sozialverhalten + Kommunikation: Fruchtkörperbildung (Differenzierung)

  • Bildung von Antibiotika

• oft chemolithoautotroph

• häufig an hydrothermalen Quellen in Tiefsee

• Energiequelle:

  • phototroph -> Lichtenergie

  • chemotroph -> chem. Energie

• Elektronendonor:

  • organotroph -> organ. Elektronendonor

  • lithotroph -> anorg. Elektronendonor

• Kohlenstoffquelle:

  • autotroph -> CO2 (anorganisch)

  • heterotroph -> organ. C-Verbindungen

• Oxidation: Abgabe von e-

• Reduktion: Aufnahme von e-

• Reduktionsäquivalente: H+ + e-

• Redoxpotential: E^0’

• NADH: meist H-Donor bei Gärung, Atmungskette

• NADPH: meist reduktive Biosynthese

• Red. / Ox. von NAD(P) erfolgt am Nicotinamid (Pyridinring)

• z.B. Adenosintriphosphat (ATP)

  • Säureanhydridbindung -> energiereich

• weitere Verbindungen: Acetyl-CoA, Glucose-6-Phosphat, …

• Abbau: C6 -> 2 C3 -> Pyruvat

  • ATP-Gewinnung: Substratkettenphosphorylierung

  • Reduktionsäquivalente

  • Intermediate: -> Biosynthesen

    ≙ Zwischenprodukt

• in vielen Bakterien neben Glykolyse zwei andere Abbauwege -> KDPG-Weg & Pentosephosphatweg

• in allen Eukaryonten & vielen Bakterien

• Bilanzgleichung:

  Glukose + 2 Pi + 2 ADP + 2 NAD+ -> 2 Pyruvat + 2 ATP + 2 NADH + 2 H+ + 2 H2O

• Gesamtbilanz:

  • 2 ATP = Gesamtenergie-Ausbeute, die Gärern zur Verfügung steht

  • 2 NADH

• Energetik:

  • Hefe: Glukose -> 2 Ethanol + 2 CO2

    - 239 kJ

  • Milchsäurebakterien: Glukose -> 2 Lactat

    - 196 kJ

• charakterist. Zwischenprodukt: KDPG

• Gesamtbilanz:

  • 1 ATP

  • 1 NADPH

  • 1 NADH

• Verbreitung:

  • aerobe Bakterien

  • Pseudomonas

• Nebenweg bei Abbau oder Synthese von Pentosen

  -> liefert nur NADPH, kein ATP

1. Oxidation von Pyruvat:

   Pyruvat + HS-CoA + NAD+ -> Acetyl-CoA + NADH + H+ + CO2

   • Acetyl-CoA: energiereich -> speichert Stoffwechsel Energie (wie ATP)

2. Oxidation von acetyl-CoA -> Citratzyklus:

   CH3-COOH + 2 H2O -> 2 CO2 + 8 (H) + 1 GTP

1. Elektronentransfer & oxidative Phosphorylierung

• anaerobe Gärung: nur Substraktkettenphosphorylierung (Glykolyse)

• atmende Bakterien: zusätzl. membranständige e-Transportkette aus mehreren Enzymkomplexen (= oxidative Phosphorylierung)

• schrittweise Übertragung der Reduktionsäquivalente (H) auf O2 oder andere terminale e-Akzeptoren

• Energiekonservierung: 60% der freien Energie als verwertbare chem. Energie

• Ladungstrennung: Aufbau eines Membranpotentials (pmf) zur ATP-Synthese

• Komponenten:

  • Flavoproteine: enthalten FMN (Flavinmononukleotide) oder FAD (Flavin-Adenin-Dinukleotid) als prosthetische Gruppe

  • Chinone: nicht proteingebunden, frei diffusibel in Membran

  • Eisen-Schwefel-Proteine

  • Cytochrome: reversible Oxidation/Reduktion des zentralen Fe-Atoms

    • je nach Seitenkette: untersch. Absorptionssprktren & Redoxpotentiale

    • Einteilung in Cytochrom a, b, c oder d

• Energiebilanz aerobe Atmung:

  Glykolyse -> CAC (Calvinzyklus) -> 38 ATP pro Glucose

  • anaerobe Gärer: 2 ATP/Molekül Glucose

• Sauerstoff toxisch für viele anaerobe MO

• Löslichkeit von O2: 9 mg/l H2O

• aerobe Habitate (Boden, aquat. Sedimente, Verdauungsapparate, …)

• fakultativ anaerob = Wachstum sowohl mit als auch ohne O2

  ->E. coli, Hefe

• anaerob/aerotolerant = keine Nutzung von O2, aber Wachstum trotz Gegenwart von O2

  -> z.B. Lactobacillus

• obligat anaerob = durch Spuren von O2 abgetötet

  -> z.B. Methanobacterium

• [obligat aerob = kein Wachstum ohne O2

  -> Pflanzen, Tiere, viele Bakterien]

• [mikroaerophil = Wachstum nur bei verringerter O2-Konz. (< 21% Luftsättigung)

  -> z.B. Campylobacter, Magnetospirillum]

• anaerobe Energiegewinnung: anaerobe Atmung, Gärung, Phototrophie

  • anaerobe Atmung -> Abwesenheit von O2 als terminalen Elerktronenakzeptor: Übertragung der e- auf alternative Akzeptoren durch einfacher gebaute Atmungsketten

  • Wdh.: ΔG^0’ = - nF ΔE^0’

    Ptentialdifferenz: ΔE^0’ = E’(acc) - E’(don)

    => geringere Pot.diff. -> anaerobe Atmung liefert weniger Energie

=> NO + O3 (Ozon) -> NO2- -> HNO2  =salpetrige Säure (saurer Regen)

• fakultative Aerobier

=> Fumarat + 2 e- + 2 H+ -> Succinat

• fakultativ in vielen Proteobakterien (E. coli)

• bakterielle Endosymbionten von niederen Tieren (z.B. Bandwürmer)

=> Fe3+ -> Fe2+

• fakultative Aerobier & obligate Anaerobier

  • metallische e-Akzeptoren oft unlöslich: direkter Kontakt mit Mineral-Oberfläche erforderlich (z.B. durch „Nanowires“)

    => Fe(OH)3 -> Fe3O4

• Nanowires = elektr. leitende filamentöse Strukturen

  -> e-Transport zu extrazellulären unlösl. Akzeptoren (z.B. Eisenminerale), Elektroden oder anderen Bakterien (=anaerobe Atmung)

=> SO42- + H+ + 8 [H] -> HS- + 4 H2O

• Sulfatatmung (Sulfatreduktion): obligate Anaerobier

  => SO42- -> HS-

• Schwefelatmung: fakultative Aerobier & obligate Anaerobier

  => S0 -> HS-

• Acetogenese: obligate Anaerobier, homoacetogene Bakterien (Gr+ : Clostridium; Gr- : Spirochäten)

  => 2 CO2 + 4 H2 -> CH3-COO- + H+ + 2 H2O

• Methanogenese: obligate Anaerobier, methanogene Archaea

  => CO2 + 4 H2 -> CH4 + 2 H2O

  • Erzeugung von brennbarem Biogas (Faulturm)

• strikt anaerob

• Methanogene:

  • in Pansen, Tundren, Kläranlagen, Teriten, Sümpfen, manche Menschen

  • Coenzym F430 (ni-Enzym)

  • Methan [CH4] -> Treibhausgas

• Acetogene & Methanogene stehen am Ende der anaeroben Stoffabbaus, nutzen Gärungsendprodukte anderer MO

• Energiestoffwechsel in Abwesenheit externer e-Akzeptoren

• Umwandlung energiereicher zu energiearmen Verbindungen

• ATP-Bildung nur durch Substratkettenphosphorylierung:

  geringer Energiegewinn -> hoher Substratdurchsatz

• sekundäre Reduktion der Intermediate mit Reduktionsäquivalenten (NADH): ausgeglichene Redoxbilanz („Gärungsbilanz“)

• Energieausbeute: 2 ATP/Glucose

• Milchsäure-Bakterien (Lactobacillaceae):

  • Gr+, unbeweglich

  • keine Endosporen

  • säuretolerant bis < pH 5

  • aerotolerant, aber O2-unabhängiger Stoffwechsel

  • obligate Gärer -> keine Cytochrome & Atmungsketten

• typisch für Enterobakterien, aber stark variabel

• untersch. Gärungsprofile

  -> z.B. Unterscheidung von E. coli & Enterobacter aerogenes

  • E. coli = Fäkalindikator -> starke Säurebildung

  • E. aerogenes -> schw. Säurebildung, dafür Butandiol / Acetoin + starke Gasbildung

• Endprodukte: Lactat / Acetat -> Säuren / Formiat -> Gase / H2O, CO2 / Ethanol

• Endprodukte: Butyrat, Butanol, Ethanol, Acetat, Propanol, Aceton

• z.B. Clostridium (Stärkeabbau, Boden)

• Lactat -> Propionat, Acetat, CO2 (Endprodukte)

• z.B. Propionibacterium (Haut: Akne-Erreger, Pansen, Schweizer Käse)

= sekundäre fermentation = interspezies H2-Transfer

• fermentiert Ethanol zu Acetat & Methan

• 2 Mikroben „essen“ zus., was einer allein nicht vermag

  -> Fermentation primärer Gärprodukte zu Acetat & H2

  • unter Standardbedingungen nicht möglich (=endergon)

• erhöht Energieausbeute auch für nicht-obligat syntrophe Gärer

• Gärungsprodukte verschieben sich von eher reduz. Produkten (EtOH) zu eher oxidierten Produkten (Acetat)

• Licht = Energiequelle

• ATP-Gewinnung durch lichtinduzierten H+-Gradienten & ATP-Synthase

• meist autotrophe CO2-Fixierung, i.d.R. über Calvin-Zyklus

• Photosynthese: Lichtenergie -> chem. Energie (ATP)

  • Lichtreaktion: Spaltung H2O -> O2 + 2 H+ + 2 e-

    Energiekonservierung (ATP)

  • Dunkelreaktion: Reduktion CO2 -> C(org)

    unter ATP-Verbrauch

    -> Reduktionsäquivalente für CO2-Fixierung über NADH & NADPH

• Cyanobakterien

  • Thylakoid-Membran = extensive Membraneinstülpungen -> Ort der PS

    • Chlorophyll in photosynthetischen Membran

      • Pflanzen: Thylakoid-Membran in Chloroplasten

      • Cyanobacteria: Stapel aus Einstülpungen der cytoplasmat. Membran

    • Phycobilisomen: Lichtsammler-Komplexe mit blaugrünen (Phycocyanin) oder roten (Phycorythrin) Pigmenten; in Thylakoidmembran

    • Clorophyll ist Porphyrin -> Mg als Zentralatom statt Fe bei Cytochromen

• Proteobakterien -> Purpurbakterien

• extreme Elektronendonatoren: z.B. H2S (nicht H2O)

• Bacteriochlorophyll statt Chlorophyll, nur 1 Photosystem

• purpurrote Farbe => Carotinoide

  -> Hilfspigmente: absorbieren in „Grünlücke“ von BChl (400-550 nm)

  -> Schutzpigmente: Schutz vor Photooxydatiun

  • Schwefelpurpurbakterien (Gammaproteobakterien) -> z.B. Chromatium, …

  • Schwefel-freie Purpurbakterien (α+β-Proteobakterien) -> z.B. Rhodobacter, Rhodospirillum

• intrazelluläre Membransysteme: Vesikulär -> Oberflächenvergrößerung

• chemolithotropher Mechanismus: Calvin-Benson-Zyklus (aber auch andere Wege)

  -> Aufbau von Zellsubstanz durch Fixierung & Assimilation von atmosphär. CO2

• alle Autotrophen fixieren CO2

• Calvin-Zyklus

  • CO2 carboxyliert eine Pentose -> ergibt 2 C3-Carboxylsäuren

  • Pentose wird in zykl. Prozess regeneriert

  • Energieaufwendig: 3 ATP + 2 NADPH (9 ATP)  pro fixiertem CO2

• Autotrophe oft langsamwüchsig & geringe Zelldichte

• großer Energiebedarf für CO2-Fixierung & reversen e--Transport

=> NH4+ -> NO3-

• durch syntrophe Assoziation zweier untersch. physiolog. Gruppen:

  • Ammonium-oxidierende (nitrosifizierende) Bakterien

    NH4+ + 1,5 O2 -> NO2- + 2 H+ + H2O

    • Betaproteobacteria: Nitroso- (z.B. Nitrosomonas europaea)

    • analog dazu -> anaerobe Ammonium-Oxidation

      NH4+ + NO2- -> N2 + 2 H2O

  • Nitrit-oxidierende Bakterien

    NO2- + 0,5 O2 -> NO3-

    • Entgiftung von toxischem Nitrit

    • Alphaproteobacteria: Nitro- (z.B. Nitrobacter vulgaris)

• Biochemie der N2-Fixierung

  • Wachstum mit N2 als N-Quelle: „Diazotrophie“ (nur bei Prokaryonten)

  • katalysiert durch Nitrogenase-Komplex (nif): großes, multimeres, komplexes Enzym -> sauerstoffempfindl.

  • hoher Energieverbrauch für Spaltung des reaktionsträgen N2 (Dreifachbindung; N≡N)

• aktives Aufsuchen von niedrigen O2-Konz.

• erhöht Atmungsrate: schneller O2-Verbrauch

• Schleimschichten als O2-Diffusionsbarriere

• Beschränkong auf spezialisierte Zellen (Differenzierung) => Heterocysten bei Cyanobakterien

  • spezialisiert für N2-Fixierung

    kein PS II: keine oxygene Photosynthese

    Schutz der Nitrogenase vor O2-Inaktivierung

• Leguminosen: Hülsenfrüchtler, Schmetterlingsblütler

• Verdickung der Wurzel nach Infektion mit best. Rhizobien („Wurzelknöllchenbakterien“)

• Rhizobien: Gr - Bodenbakterien, endosymbiontisch, intrazellulär

• Knöllchen enthalten „Bacteroide“: differenzierte Bakterienzellen

• bakterielle Infektion induziert pfl. Bildung von Leghämoglobin (=Häm-haltiges Protein) -> bindet Sauerstoff

• Schritte bei Bildung von Wurzelknöllchen nach Infektion mit Rhizobien:

  • Leguminose: sekretieren bei N2-Mangel im Boden Botenstoffe (Flavonoide) -> Anlocken der N2-fixierenden Bakterien

  • NOD-Faktoren: sekretoert durch Bakterien

  • induzieren Krümmung des Wurzelhaars: Invasion

• Symbiotischer Stoffaustausch:

  • Pflanze liefert kurzkettige organ. Säuren: e-Donatoren + Energie (=25% d. Gesamtenergie aus PS) für Bacteroide -> Ausscheidung von AS => N-Quelle für Pflanzen

= S-oxidierende „Riesenbakterien”

• marine γ-Proteobacteria

• e-Donoren: HS-, S^0 (Oxidation)

• e-Akzeptoren: O2, NO3- (Reduktion)

• 98% Zellvakuole: vorrübergehende Speicherung von S^0 & NO3-

• Acidithiobacillus („Thiobacillus“), Betaproteobacteria, Stäbchen

• pH-Optimum < 5 -> in Schwefelquellen, Grubengewässern, Bergbauseen

• H2S + 2 O2 -> SO42- + 2 H+ (Schwefelsäure)

• chemo-litho-autotroph

• aerobe Oxidation von Metall-Sulfiden (FeS, FeS2, Cu2S, etc.)

• extrem acidophil -> produziert Schwefelsäure (aus Pyrit [FeS2])

• Reoxidation Fe^2+ zu Fe^3+: indirekte Laugung durch Fe^3+ als Oxidationsmittel

• Miktobielle Erzlaugung: mikrobielle Laugung von sulfidischen Erzen

  => Prinzip: Umwandlung eines unlöslichen Metall-Sulfids in lösliches Sulfat

= unvollst. Oxidation: Essigsäurebakterien produzieren im Katabolismus aus Zuckern & Alkoholen neben CO2 auch einfache organ. Verbindungen

• Ausscheidung von Acetat

• aerobe Atmung (keine Gärung) -> erfordert Belüftung

• unerwünscht bei Bier-/Weinherstellung

• Acetobacter, Gluconobacter (α-Proteobacteria)

• säuretolerant

• Insulin: Proteohormon (= Protein) -> reguliert Blutzuckerspiegel

  • Hergestellt:

    • traditionell: aus tierischen Bauchspeicheldrüse (Pankreas)

    • Heute: ausschießlich aus gentechn. veränderten MO (Hefen & Bakterien)

• Kommensalen = normale Bewohner von Haut & Mukosa + Verdauungssystem

  Gesamtheit der Kommensalen ≙ Normalflora

• pathogene MO = klassische Krankheitserreger

• nosokomiale Erreger = Krankenhauskeime (Wundinfektionen nach OP, …)

• Opportunisten oder fakultativ pathogene MO: können Krankheit bei abgeschwächten Individuen verursachen

• stäbchenförmig, Gr+, peritrich begeißelt, strikt aerob

• bildet Endosporen -> wasserarm, hitzeresistent, überleben Pasteurisieren

• Vorkommen ubiquitär; Boden, Pflanzenmaterial; kann gut aus Heuaufgüssen isoliert werden

• Stärkeabbau: nein

  -> Stärkeverwertung kann gezielt genutzt werden um Bacillus anzureichern

• Caseinabbau: nein

• PHB als Speicherstoff -> bei C-Überschuss

• Gr+, peritrich begeißelt oder unbegeißelt

• bilden Endosporen

• anaerob

• speicherstoff: stärkeähnliche Granulose

• kann N2 fixieren

• gr-, Proteobakterium

• Diazotrophie: Fähigkeit Stickstoff zu fixieren

• obligat aerob, können nicht fermentieren

• bilden schleimkapseln -> wirkt sich positiv auf N2-Fixierung aus

• stäbchenförmig, aber “Pleomorphie”

• können austrocknungs- & UV-resistente Dauerstadien (Zysten) bilden

  • Dauerstadien -> hitzeempfindlich

• Agarplatten mit Mannit als einziger C-Quelle

• Back- oder Bierhefe, Eukaryont

• aerob oder anaerob (Gärung)

• Vermehrung durch Sprossung

• einzellige Pilze (Schlauchpilze -> Ascomyceten)

• Gr- Bakterium

• Zelldifferenzierung:

  oale, an verzweigten Stielen sitzende, unbewegliche Zellen

  oder: bewegliche, ungestielte ovale Schwärmerzellen

• anaerob oder mikroaerob

• hetero- oder autotroph (PS)

• Gr+ Kokken

• bildet Tetraden bzw. Pakete oder Trauben

• aerob

• ubiquitär in Boden, wasser, Luft

• Gr–, rund bis oval, unverzweigt filamentös, peritrich begeißelt

• aerob, autotroph (PS)

• Heterocysten mit Nitrogenase: differenz. Zellen für CO2-Fixierung & N2-Fixierung

• Fähigkeit zur oxygenen Photosynthese -> O2 wird frei

• Gr– Spirillen, motil

• aerob oder anaerob -> Gärung

• hetero- oder autotroph (PS)

• variabler, anpassungsfähiger Stoffwechsel

• Autoklaven: Dampfsterilisation mit feuchter Hitze

• Pasteurisieren: feuchte Hitze (80 °C, 10 min) -> reife Endosporen von Bacillus & Clostridium sind hitzeresistent & überleben

• Phasenkontrastmikroskopie

  • ideal für lebende Zellen

  • Phasenverschiebung wird sichtbar gemacht

  • Dichteunterschiede werden dargestellt

  • macht Unterschiede im Brechungsindex von Objekten sichtbar

• Immersionsöl: Erhöhung des Auflösungsvermögens durch Vergrößerung der numerischen Aperatur des Objekts

• Gr+ -> blau/violett

• Gr- -> mit Safranin (??) rot

= Auflösung der Erythrozyten (roten Blutkörperchen) mit nachfolgendem Abbau des Hämoglobins

• α-Hämolyse: unvollständig -> nur zu Biliverdin abgebaut (Vergrünung)

  • keine Hämolysine gebildet -> noch intakte Erythrozyten

  • Streptococcus salivarius

• β-Hämolyse: vollständig -> Hämoglobin vollst. abgebaut (Farblos)

  • Hämolysin zerstört Erythrozyten

  • Staphylococcu aureus

• γ-Hämolyse: keine Veränderung

  • Staphylococcus epidermidis

• ß-Lactam-Antibiotika

• greifen in quervernetzung des Mureins ein -> Zelllyse

• Antibiotika-Blättchentest, Strich-, Loch- oder Zylindertest

  ↳ Hemmhof um Blättchen

• Antibiotika werden als Sekundärmetabolite ab der spät-exponentiellen Wachstumsphase gebildet

• Gr-, Ox-

• peritrich begeißelt (bewegliche) Stäbchen

• keine Sporen

• fakultativ aerob -> respiratorisch oder fermentativ

• Gärungsendprodukte:

  • Säuren (Succinat, Lactat, Acetat, Formiat) & Gase (CO2, H2)

  • oder: überwiegend neutrale Verbindungen (Ethanol, Butandiol, u.a.)

=> Unterscheidung zw. ähnlichen Bakterien gleicher Gruppe

• Nachweis von Acetoin -> V-P-Test

• Zunahme Bakterienzahl -> zunehmende Trübung des Kulturmediums -> kann mithilfe optischer Dichte (OD) bestimmt werden -> Wachstumskurve

• Zweiteilung -> exponentielles Wachstum

• Generationszeit = Zeitintervall für die Verdopplung der Zellzahl

• Verdopplungszeit = Zeitintervall für die Verdopplung der Zellmasse

• hydrolysiert β-1,4-glykosidische Bindung zw. C-1 von MurNAc & C-4 von GlcNAc

  • GlcNAc = N-Acetylglucosamin

  • MurNAc = N-Acetylmuraminsäure

  => Zerstörung des Mureins → Verlust der Zellwandfestigkeit → Lyse in hypotonem Medium

• Gr- : äußere Membran (mit Ca^2+ -> Stabilität) schützt Murein vor Lysozym

  => Behandlung mit EDTA entfernt Ca^(2+)-Ionen -> dann für Lysozym zugänglich

• Gr+ : keine äußere Membran -> leicht durch Lysozym angreifbar

• Vortrieb der Schwimmbewegung durch: Rotation

• Energiequelle für Flagellenbewegung: Protonengradient (pmf)

  • Archäen: ATP

• Filamente bestehen aus: Flagellin

• Gesamtzellzahl bestimmbar: Thomakammer, photometrische Messung, Durchflusszytometrie, …

• Lebendzellzahl: Oberflächenplattierung, Bestimmung der wahrscheinlichsten Keimzahl (MPN) in Universalmedium

• aerobe Atmung -> mikrobieller Prozess

• unvollständige Oxidation

• Reaktion wird katalysiert durch Alkoholdehydrogenase

• Essigsäurebakterien: Acetobacter -> Gr-

• Sterilfiltration: Porengröße 0,20-0,40 μm

• Gr+

• aerotoleranter Gärungsstoffwechsel

• Mundflora -> kann Karies auslösen

• bilden blaue, schleimige Kolonien auf Mitis-Salivarius-Tellurit-Agar

• N, P, Ca, Mg, S, K

• Caseinat-Agar

• Peroxidase

• Katalase

• Superoxiddismutase