Erläutern Sie die Begriffe H‐Antigen und O‐Antigen. Welche Strukturen der Gram‐neg. bakt. Zelle stehen damit im Zusammenhang und wofür werden diese Antigene in der Diagnostik verwendet?
H-Antigen: Geißelantigen Flagellin (Proteine, die Geißel aufbauen)
O-Antigen: O-spezifische Seitenketten der Lipopolysaccharide auf äußerer Zellmembran von gram negativen Bakterien.
→Serotypisierung
→Mikrobiologische Diagnostik
→wichtig bei besonders pathogenen Stämmen (Salmonelle, Shigella, um diese schnell zu identifizieren)
Erläutern Sie den Wirkmechanismus von Lysozym bei bakteriellen Zellen. An welchem Wirkort ist Lysozym aktiv? Wo kommt Lysozym natürlicherweise vor?
- spaltet ß-1,4-Bindung zwischen N-Acetylglucosamin u. N-Acetylmuraminsäure
- zerstört Bakterienzellwände von Gram-positiven Bakterien (Destabilisierung der Zellwand, Wassereinstrom und Platzen der Zelle)
- Vorkommen: Tränenflüssigkeit, Speichel, Blutserum, Atemtraktsekrete, etc. Hühnereiklar, Milch
Beschreiben Sie die Schritte zur Durchführung einer Gram‐Färbung
1. Hitzefixierung des Präparats
2. Kristallviolett (1 min einwirken lassen) (a)
3. Lugolsche Lösung (auswaschen, 1 min einwirken lassen) (b)
4. Ethanolaceton – Entfärben → Differenzierung (c)
5. Weicher Wasserstrahl (5 sek)
6. Safranin – Gegenfärbung (1 min einwirken lassen)
7. Spülen mit Wasser und trocknen(d)
Worin unterscheiden sich Archaea und Bacteria hinsichtlich des Aufbaus ihrer Zellmembran?
- Archaea: 3. Domäne
- charakteristische Lipidzusammensetzung:
Bakterien und Eukaryoten: Doppelschicht aus Phospholipiden, bei den Fettsäuren über Esterbindungen verknüpft vorliegen (rechts im Bild) Archaeen: langkettige, verzweigte Kohlenwasserstoffmoleküle über Etherbindungen mit Glycerin verbunden (links im Bild)
- Einschichtige Membran (Monolayer) ist häufig bei Archaen und bei keiner anderen Domäne zu finden!
→ Kommen Zustande, da 2 Phytanylreste in der Mitte verknüpft sind (40 C- Atome)
- Diese Struktur bei Archaen sorgt dafür, dass Archaen unter sehr extremen Bedingungen überleben können. (Hohe Temperaturen, Heiße Quellen, Hoher Druck, Schwefelquellen, Meeresboden, saure Habitate)
Auf welchem Gen beruht oft die Erstellung molekularer phylogenetischer Stammbäume?
16S rRNA Gen-Analyse (Prokaryoten), 18S rRNA Gen-Analyse (Eukaryoten) Vorgehen im Labor:
Woraus besteht die Sporenhülle und der Cortex von Sporen?
Sporenhülle: Proteine
Cortex: dicke, dichte Schicht aus Peptidoglycan (nicht aus Protein!) (Substanz, die Sporenzellwand aufbaut, wie bei veg. Zelle)
Ergänzung: Sporenzellwand und Zellmembran besteht auch aus Peptidoglycan
Nennen Sie zwei spezifische Substanzen bei Sporen, die für die hohe Widerstandsfähigkeit der Sporen mitverantwortlich sind.
- Dipicolinsäure: Bildung des Ca-Dipicolinsäure-Komplex, stark dehydratisierte Proteine, Komplexe binden Wasser was zur starken Dehydratisierung von Proteinen führen und zur Hitzeresistenz von Sporen beiträgt
- SASPs: (small acid-solable spore proteins), in später Phase der Sporenbildung gebildet, kleine, säurelösliche Proteine, lagern sich besonders um DNA der Spore an und Schützen DNA und Zelle so vor Hitze und Strahlung
Nennen Sie zwei polymere Speichersubstanzen bei Bakterien
- Glycogen
- Polyphosphate
- Polyhydroxybuttersäure (PHB)
Was versteht man unter Phototaxis und bei welchen Mikroorganismen kommt diese vor?
- Beweglichkeitsreiz aufgrund der Wellenlänge des Lichts
- Bewegung Hin oder Weg von Licht und Lichtreizen
- bei photothropen, fotosynthesebetreibenen Bakterien →Energiegewinnung durch Licht/Sonnenlicht z.B. Cyanobakterien, Schwefelpurpurbakterien
Benennen Sie drei Funktionen von bakteriellen Kapseln?
- Form der Zelle aufrechterhalten
- Anheften an Oberflächen
- Schutzfunktion vor Antibiotika, Bakteriophagen, Phagozytose bzw. Angriff des Immunsystems, Austrocknung
Welche Bedeutung besitzen Fimbrien für die Pathogenität von Bakterien? Beschreiben Sie den Aufbau.
- Adhärenzfaktoren
- Anheften an Oberflächen und an tierische Gewebe
- kurze (2-5 μm) ca. 3-10 nm dicke Fädchen, Keine Ringstrukturen und Basalkörper wie bei Geißeln
- von Bedeutung für Pathogenität: viele Krankheitserreger tragen Fimbrien, Bindung von Zuckermolekülen auf den Oberflächen von tierischen Zellen mit dem Fimbrien, Aufnahme in die Wirtszelle, Infektionsprozess beginnt
- aus Adhäsinen aufgebaut, Proteine, Adhäsion/Anhaften
- viele Fimbrien pro Zelle, um ganze Zelle herum vorhanden
- wirken als F-Antigene
- vorwiegend bei Gram-negativen Bakterien
Beschreiben Sie die typische Bewegung eines polytrich begeisselten Bakteriums hin zu einem Lockstoff innerhalb eines Gradienten.
- E.coli befindet sich außerhalb des Gradienten (gerade und taumelnde Bewegungen)
→ E.coli kommt in Bereich des Gradient
→ Rezeptorsystem des Bakteriums erkennt den Lockstoff
→ Gerichtete Bewegung zu Ort, wo die Konzentration am größten ist (Bewegung ist vom Ort der niedrigsten Konzentration bis hin zum Ort der höchsten Konzentration keine gerade Linien-bewegung, sondern ein Wechsel von geraden schwimmenden gerichteten Bewegungen und taumelnden Bewegung.)
→ Taumelnde Bewegung durch Rotationsänderung der Geißeln
→ Drehung der Zelle und Wechsel der Rotationsrichtung
→ Gerade Bewegungsrichtung
→ so gelangt Zelle schließlich zur Stelle mit der höchsten Konzentration.
- Taumeln zwischen gradlinigen Bewegungen.
- Je näher sich Bakterium sich der höchsten Konzentration nähert desto mehr nimmt die Zahl der geradlinigen Bewegungen zu.
Beschreiben Sie den Grundaufbau einer prokaryotischen Geissel. Worauf beruht die Bewegung auf molekularer Ebene?
- Unterschiede im Feinbau bei Gram-pos. und Gram-neg. Zellen wegen Unterschiede bei der äußeren Membran und Dicke der Zellwand
- 3-gliedriger Aufbau: Filament - Haken – Basalkörper (Filament ist langer Teil aus Flagellin, der nach Außen ragt. Hakenstruktur ist "Übergangsstruktur". Basalkörper verankert die Flagelle und Haken in der Zellhülle der Bakterie.)
- typische Substanz: Flagellin (Protein)
- helikal gewundene Fäden (ca. 10 - 20 nm Durchmesser & bis zu 20 μm Länge)
- ermöglicht Fortbewegung und Bewegung
- Antrieb durch protonenmotorische Kraft (PMF, proton motive force) (basiert auf Protonengradient an der Cytoplasmamembran (außen: hohe Konz., innen geringe Konz.) Die Protonen fließen über Basalkörperproteine nach innen. Der Untere Teil des Basalkörpers gerät in Rotation )
- Basalkörper in Cytoplasmamembran und Zellwand verankert
- äußere und innere Ringe: Gram (-) Bakterium: 4 Ringe aus Protein
L-Ring: L wegen LPS
P-Ring: P wegen Peptidoglykan.
→ L und P Ring sind fest in der Hülle verankert. Sie drehen sich nicht, sondern sind fix verankert.
S-M-Ring: S wegen den Statorproteinen, die großen Proetine um den Ring M wegen der Cytoplasmamembran
C-Ring: C wegen Cytoplasma, das an die Membran angrenzt.
Wie lässt sich die Begeisselung von Bakterien experimentell nachweisen? Nennen Sie drei Möglichkeiten.
- Mikroskopisch: Geißelfärbung
- Elektronenmikroskopisch: Hängender Tropfen
- Kulturell: Schwärmplatten
Zeichnen Sie schematisch eine Zelle für folgenden Zell‐Morphologie‐Typ: peritrich begeisselte Zelle
Welchem Zweck dienen Gasvakuolen bei Bakterien. Nennen Sie ein Beispiel für eine Bakteriengruppe und erläutern Sie die ökologische Funktion
- verleihen Schwebefunktion: Veränderung der Dichte in einem Bakterium
- bestehend aus mehreren Gasvesikeln, mit Proteinwand (Dicke 2 nm)
- bei vielen Wasserbakterien (Bsp. Cyanobakterien in Gewässern)
Produzieren alle Fotosynthese Betreibende Bakterien Sauerstoff?
Nein!
Oxygene Photosynthese: Produktion von Sauerstoff aus H20
Anoxygene Photosynthese: aus H2S ensteht S
Nennen Sie drei Merkmale von Plasmiden und erläutern Sie den Übertragungsmechanismus zwischen zwei Bakterien.
Merkmale:
- kleine genetische Elemente (vom eigentlichen Chromosom getrennt)
- mehrere identische und/oder unterschiedliche Plasmide pro Zelle möglich
- doppelsträngig
- unterschiedliche Größe (meist 2-200 kbp, Ausnahme: 1000 kbp)
- meist zirkuläre Form, selten linear
- verantwortlich für bestimmte Eigenschaften, vermitteln Selektionsvorteil
- replizieren sich autonom, können wieder „verloren“ gehen
Übertragungsmechanismus: Konjugation
- Kontaktaufnahme über Pilus der F+ (bildet Pilus aus und überträgt ein Teil des Plasmid) und F- Zellen
- physischer Kontakt
- Plasmabrückenbildung
- Abwickeln eines Stranges und Übertragung in Rezepient „Rolling circle“- Mechanismus
- In beiden Zellen: Komplementäre Ergänzung der Einzelstränge (Polymerasen)
- Wenn Plasmidteil übertragen ist: Trennung der beiden Zellen
→Beide Zellen haben dieselbe identische genetische Information auf dem Plasmid codiert.
Nennen Sie drei phänotypische Eigenschaften bei Bakterien, welche über Plasmide übertragen werden können.
- Antibiotikaresistenz
- Synthese von Toxinen (z.B. B.t-Toxin)
- Synthese von Bacteriocinen (z.B. Nisin)
Was versteht man unter Phagenkonversion? Benennen Sie ein Beispiel.
- Phagenkonversion = es kommt zur Umwandlung des Phänotyps
- Erwerb zusätzlicher Eigenschaften, Funktionen durch Lysogenen Phagen
- Veränderung des Phänotyps des Wirtsbakteriums durch Lysogenisierung
- nur bei Phagen die sich ins Wirtsgenom einbauen. (temperente Phagen/ lysogene Phagen)
Beispiele:
- Vorteile gegenüber Umwelt, Strahlung – Resistenz
- Expressions von Schutzstrukturen – Resistenz
- Besser in Zelle eindringen können (Krankheitserreger)
- Toxinproduktion Bsp: Corynebacterium diphteriae: phagencodiertes Diphterietoxin nach Lysogenisierung durch Phagen ß (Konversion von nicht-toxinbildendem Stamm →toxinbildender Stamm)
Worin liegt der Unterschied zwischen lytischen und lysogenen Phagen?
Lytischen Phagen: Virus schleust die eigenen Nucleinsäuren in Zellen ein und die Viruspartikel werden gebildet, bis es zur Lyse der Zelle kommt.
Lysogene Phagen: Replikation des Virus ohne Zelltod des Wirts, da Virus-DNA in Bakterienchromosom eingebaut wird. Vermehrung über Zellteilung. Bakterien sterben während der Regulären Zellteilung nicht.
Wodurch unterscheidet sich die Allgemeine von der Speziellen Transduktion?
Allgemeine Transduktion: Wirts-DNA, die praktisch von jedem Teil des Genoms stammen kann, wird zusätzlich zum Virusgenom in das reife Virus verpackt (Bsp. P1 Phage von E. coli oder P22 von Salmonella)
Spezielle Transduktion: DNA von einer spezifischen Stelle wird in das Virusgenom integriert, dabei kann es zur Deletion von Virusgenen kommen (Bsp. Bakteriophage Lambda bei E.coli)
Benennen Sie ein Bakterium, das sich durch hohe Säuretoleranz (pH min < 4.0) auszeichnet und geben Sie ein Beispiel eines Lebensmittels an, in welchem dieses Bakterium vorkommt.
Essigsäurebakterium Acetobacter 2,6- 4,3 in Essig
Milchsäurebakterien Lactobaciluss spp.3,8-7,2 in Milchprodukten
Was versteht man unter mesophilen Mikroorganismen? Nennen Sie ein Beispiel für ein mesophiles Bakterium (Gattung und Art).
- Temperaturbereich von 15 bis 40 °C
- Wachstumsoptimum 30 °C
- Enterobakterien, Staphylococcus, Clostridium
Worin unterscheiden sich prototrophe und auxotrophe Organismen?
Prototrophe= nicht auf Wachstumsfaktoren angewiesen da eigene Synthese
Auxotrophe = auf Wachstumsfaktoren angewiesen und auf nährstoffreiche Medien angewiesen, können lebenswichtige Nährstoffe nicht selbst synthetisieren
Definieren Sie die Begriffe obligate Aerobier, obligate Anaerobier und fakultative Anaerobier und nennen Sie zu jeder Gruppe eine typische bakterielle Gattung.
Obligat Aerobe (oxische Verhältnisse): Sind auf Sauerstoff angewiesen (Energie nur durch Atmung), z.B. Pseudomonas spp., Schimmelpilze
Obligat Anaerobe (anoxische Verhältnisse): Auf sie wirkt Sauerstoff toxisch, da ihnen bestimmte Enzyme zur Entgiftung reaktiver Sauerstoffspezies (O2-, H2O2) fehlen. (Katalase) Energie nur durch Gärung/anaerobeAtmung, z.B. Clostridium spp., Bifidobacterien, Bacteroides spp.
Fakultativ Anaerobe: Können ihren Stoffwechsel abhängig von der Verfügbarkeit von Sauerstoff umstellen (Energie durch Gärung oder Atmung), z.B. E. coli, Salmonella, S. aureus. Auch: Hefen
Definieren Sie den Begriff „aW‐Wert“.
- aW-Wert ist ein Maß für das frei verfügbare, aktive Wasser in einem Medium
aW = p / p0 p: Wasserdampfdruck über der Probe (Bsp. Lebensmittel)
p0: Wasserdampfdruck über reinem Wasser
- verderbliche Lebensmittel haben zum Beispiel einen aW-Wert von 0,9-0,95.
Benennen Sie die a) Elektronenquelle und b) die Kohlenstoffquelle von photoautotrophen Bakterien.
a) Elektronenquelle: Wasser oder Schwefelwasserstoff (Cyanobakteria: Wasser) (oxygen, anoxygene Bakterien)
b) Kohlenstoffquelle: CO2 aus der Atmosphäre
Erläutern Sie das Wachstum mikrobieller Zellen in einer a) diskontinuierlichen Kultur (Batchkultur) und b) in einer kontinuierlichen Kultur (Fermenter) und beschreiben Sie den Nährstoffstatus in beiden Kulturen.
a) diskontinuierliche Batch- oder Chargenkultur:
- Kulturmedium, in dem Zellen wachsen, die am Ende der exponentiellen Wachstumsphase oder am Beginn der stationären Phase geerntet werden
- geschlossenes System: chem. und physik. Zusammensetzung des Mediums und damit die Wachstumsbedingungen verändern sich während der Kultivierung.
- Nährstoffe werden immer weniger, Stoffwechselprodukte werden immer mehr, Temperaturänderungen sind möglich
- Nachteil: unproduktive Zeiten (Aufbereitung, Anzucht, Wachstum)
b) kontinuierliche Kulturen im Fermenter oder Chemostat:
- kontinuierliches Wachstum der Zellen und kontinuierliche Entnahme
- Entnahme des Kulturmediums mit den Zellen in der exponentiellen Phase
- offenes System: im Gleichgewichtszustand: konstantes Volumen, Zellzahl und Nährstoffstatus - Regulation über Zufuhr von frischer Nährlösung (Verdünnungsrate); kann automatisiert werden (z.B. über Zelldichte (Trübungsmessung) oder pH-Wert)
- Zufuhr von frischer Nährlösung → Volumen und Nährstoffkonzentration bleiben gleich
- System kann theoretisch beliebig lange betrieben werden
- Begrenzende Faktoren: Kontamination, genetische Veränderungen
Definieren Sie den „D-Wert“.
= dezimale Reduktionszeit
= die Zeitspanne, die zur Reduktion einer Mikroorganismenpopulation auf 10 % erforderlich ist (Senkung der Lebendkeimzahl um 90 %).
Definieren Sie den „Z-Wert“
= die Temperaturerhöhung, die notwendig ist, um den D-Wert auf 1/10 zu reduzieren, in °C angegeben
Worin besteht der Unterschied zwischen Desinfektion und Sterilisation?
Desinfektion = Abtöten bzw. irreversibles Inaktivieren aller Erreger übertragbarer Krankheiten, so dass keine Gefährdung mehr von ihnen ausgeht.
Sterilisation= Abtöten bzw. irreversibles Inaktivieren aller lebensfähigen Vegetativ- oder Dauerformen von pathogenen und apathogenen Mikroorganismen
Erläutern Sie das Prinzip eines Autoklavs. Worin unterscheiden sich die Sterilisation mittels Autoklavierens und mittels Heißluft?
Autoklav: Dampfsterilisation mit gesättigtem, unter Druck stehendem Wasserdampf Richtwerte: 121 °C, 15 min (1 bar Überdruck) oder 134 °C, 3 min (2 bar Überdruck)
Heißluft Sterilisation: Trockene Hitze, 180 °C, 30 min; 160 °C, 120 min
Unterschiede:
- Autoklavieren geht schneller als bei der Heißluftsterilisation, niedrigere Temperaturen und höherer Druck beim Autoklavieren, höhere Temperaturen sind bei der Heißluftsterilisation nötig - Wasserdampf transportiert Wärmeenergie
Was versteht man unter a) bakteriostatischen und b) bakteriziden Substanzen?
a) bakteriostatisch: reversibler Effekt z.B: Hemmung der Proteinbiosynthese b) bakterizid: irreversibler Effekt. Binden sehr fest an die Zielzellen c) bakteriolytisch: irreversibler Effekt. Zellen lösen sich auf
Worauf beruht die antibakterielle Wirkung von UV-Strahlung und b) Gamma Strahlung?
UV-Strahlung: Ionisierende Strahlung, zerstört DNA/RNA, bzw. führt zur Mutation, weil die Thymin-Basen miteinander eine Bindung eingehen, die Replikation ist nicht mehr möglich
Gamma-Strahlung: Ionisierende Wirkung, da beim Durchdringen der Materie Elektronen aus den Atomen herausgeschlagen werden, die zu weiteren Ionisationen führen können → Schädigung von DNA, der Membran, Bildung freier Radikale
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