Mibi 2: Zythologie

Zellaufbau

a) Welche beiden Morphologien gibt es hauptsächlich bei Prokaryoten?

• Kugel: Kokke

• Zylinder: Stäbchen

b) Nennen Sie 3 weitere Zellformen!

• Spirillen

• Spirochaeten

• Mycelgeflecht

→ Morphologie gibt wenig Auskunft über weitere Zelleigenschaften wie Physiologie oder Metabolismus

Zellaufbau

Nennen Sie den den Namen und die Größe

• einer typischen prokaryotischen Zelle: 1 x 2 µm

• kleinste Zelle: Ø 0,2 - 0,4 µm, z.B. Mycoplasma

• kleinste freilebende Zellen:

  • Kokken Ø 0,5 µm;

  • Stäbchen Dicke 0,15 µm

• größte Zellen

  • Kokken 750 µm (> 9 mm), z.B. Thiomargarita

  • Stäbchen bis 100 µm lang

Zellaufbau

a) Erläutern Sie anhand des Verhältnisses von Oberfläche zu Volumen, warum es Vorteile hat, klein zu sein!

Das Verhältnis von Oberfäche zu Volumen ist besonders hoch.

Vorteile:

• schneller Stoffaustausch mit der Umwelt

• hohe Stoffwechselaktivität

• schnelles Wachstum

• höhere Mutationsgeschwindigkeit

• schnellere Anpassungen an neue Habitate

b) Wieso können sich Prokaryoten besonders schnell an neue Bedingunen anpassen?

• schnelleres Wachstum

• hohe Anzahl an Zellteilungen

• höhere Mutationsgeschwindigkeit

• schnelle Anpassung an neue Habitate

Zellaufbau

Sie betrachten im Phasenkontrastmikroskop Präparate von verschiedenen Organismen.

a) Wie können sie ein Archaeon, ein Bakterium und einen Eukaryoten unterscheiden?

• Prokaryoten (Archaeon, Bakterium) lassen sich nicht im Phasenkontrastmikroskop unterscheiden

• bei Eukaryoten sind Zellorganelle wie der Zellkern sichtbar

b) Können Sie andere Eigenschaften der Zellen vom mikroskopischen Bild ableiten?

???

Zellorganelle der eukaryotischen Zelle

Zellaufbau

Welche 3 Makromoleküle kommen am häufigsten in einer prokaryotischen Zelle vor?

1. Proteine

2. RNA

3. Lipide

Zellaufbau

a) Nennen Sie 3 Unterschiede zwischen Prokaryoten und Eukaryoten zusätzlich zu den in Stunde 1, Frage 3 genannten Punkten!

Zellgröße:

• Prokaryoten: 1-5 µm

• Eukaryoten: 20-30 µm

Zellen / Organismus:

• Prokaryoten: einzellig

• Eukaryoten: ein- oder mehrzellig

Kernmembran:

• Prokaryoten: -

• Eukaryoten: +

DNA-Organisation:

• Prokaryoten: ringförmig im Cytoplasma, haploid

• Eukaryoten: linear im Chromosomen, diploid oder polyploid

Histone:

• Prokaryoten: nur bei Acheae

• Eukaryoten: +

Organelle:

• Prokaryoten: - (selten bei Bacteria)

• Eukaryoten: +

Zellteilung:

• Prokaryoten: Septenbildung/ Zweiteilung

• Eukaryoten: Mitose

Transkription und Translation:

• Prokaryoten: gleichzeitig

• Eukaryoten: zeitlich und räumlich getrennt

b) Anhand welcher Eigenschaften kann man trotz dieser Unterschiede erklären, dass Archaeen näher mit den Eukaryoten verwandt sind als mit den Bakterien?

viele molekularbiologische Eigenschaften und Prozesse der Archaeen ähnlich zu denen der Eukarya, z.B. Transkription und Translation

Zellaufbau

Ist die Unterteilung in Prokaryoten und Eukaryoten begründet?

Nein

Prokaryoten und Eukaryoten besitzen viele eindeutige strukturelle Unterschiede

→ die Unterteilung ist phylogenetisch aber nicht begründet

→ viele molekularbiologische Eigenschaften und Prozesse der Archaeen ähnlich zu denen der Eukarya, z.B. Transkription und Translation

→ jede Domäne besitzt ihre eigenständigen genetischen, physiologischen, strukturellen und biochemischen Merkmale

Zellaufbau

Gibt die Morphologie von Prokryoten Auskunft über weitere Zelleigenschaften?

Nein

Morphologie gibt wenig Auskunft über weitere Zelleigenschaften wie Physiologie oder Metabolismus

Zellaufbau

Wie groß ist eine typische prokrayotische Zelle?

1 x 2 µm (auch E. coli)

Zellaufbau

Geben Sie die Größen der kleinsten Zellen, der kleinsten freilebenden Zellen und der größten Zellen an.

• kleinste Zellen:

  Ø 0,2 0,4 µm, z.B. Mycoplasma

• kleinste freilebende Zellen:

  • Kokken: Ø 0,5 µm

  • Stäbchen: Dicke 0,15 µm

• größte Zellen:

  • Kokken: 750 µm (> 9 mm), z.B. Thiomargarita

  • Stäbchen: bis 100 µm lang

Zellaufbau

Geben Sie die Unterschiede zwischen dem Phasenkontrastmikroskop und dem Elektronenmikroskopie im Bezug auf die sichtbaren strukturellen Eigenschaften.

• Phasenmikroskop:

  • Prokaryoten lassen sich nicht voneinander unterscheiden

  • bei Eukaryoten sind Zellorganelle wie Zellkern sichtbar

• Elektronenmikroskop:

  • kann eine Unterscheidung von Bakterien und Archaeen

    z.B. anhand der Zellwand oder von Zellanhängen möglich sein

    → trotz vieler prokaryotischer Gemeinsamkeiten sind Bakterien und Archaeen grundsätzlich verschieden

Nukleinsäure

DNA: Genomische DNA (gDNA)

• (Rückgrat: Desoxyribose + Phosphat)

• (Purine: Adenin und Guanin; Pyrimidine: Thymin und Cytosin)

• (Paarung: A-T und G-C durch H-Brücken)

• G + C - GEHALT WIRD BEI PROKARYOTEN ZUR KLASSIFIZIERUNG VERWENDET (abh. Schmelzpunkt)

• die genomische DNA (gDNA) von Prokaryoten liegt oft nur in einer Kopie vor

• Transkription und Translation finden bei Prokaryoten gleichzeitig im Cytoplasma statt

Nukleinsäure

Genomgröße: E. coli

• 4,6 Mbp lang

• kodiert 4.300 Gene

Nukleinsäure

• kleinste prokaryotische Genom: 0,5 - 0,6 Mbp

• größte prokaryotische Genom: > 10 Mbp

(—> Genomgröße korreliert bei Prokaryoten linear mit der Komplexität des Lebensstils)

Nukleinsäure

DNA: Organisation des Chromosoms

DNA muss verpackt werden, um in prokaryotische Zellen zu passen

• die gDNA assoziert mit versch. Proteinen

• gDNA wird durch Gyrase überspiralisiert

—> Nukleoid = Kernäquivalent

Nukleinsäure

DNA: Plasmide

• Plasmide werden unabhängig von der gDNA repliziert -> selbst vermehrungsfähig

• sind für das Überleben nicht essentiell

• kodieren oft Resistenzgene oder zusätzliche Stoffwechselwege

Nukleinsäure

RNA

• mRNA

  • kurzlebig

  • Gene sind in Operons (benachbarte Gene unter Kontrolle eines Promoters) organisiert und werden zusammen transkribiert

• rRNA

  • gefaltet

• tRNA

  • gefaltet

Nukleinsäure

Nennen Sie Ähnlichkeiten und Unterschiede zwischen Archaea und Eukarya.

Ähnlichkeiten:

• Replikation, Transkription und Translation

• ähnl. Promotoren

• ähnl. Transkriptionsfaktoren

• Aufbau der Ribosomen: Anzahl und Sequenz der Proteine

• viele Translationsfaktoren

Unterschiede:

• Histon-artigen Proteinen

• mehrere origin of replication (ori)

• RNA-Polymerase aus 11 - 13 UE

Nukleinsäure

Aufbau prokaryotischer Ribosomen

• 70S Ribosomen

• diese kommen auch in Mitochondrien und Chloroplasten vor (-> Endosymbiontentheorie)

• bei der Translation können Polyribosomen (mehrer Ribosomen binden an eine mRNA) entstehen

Cytoplasma

Was enthält das Cytoplasma und welche Funktion besitzt es?

• enthält:

  • Nukleinsäure

  • Ribosomen

  • Proteine

• galletrartige Konsistenz

• = Funktionsraum der Zelle

Cytoplasmamembran

Nennen Sie die Bestandteile der Cytoplasmamembran.

• Phospholipiddoppelschicht

• integrale und periphere Proteine

• hydrophobe Fettsäuren (innen)

  hydrophiles Glycerin. (außen)

• ohne Cholesterin

• ohne Sterole

Cytoplasmamembran

Erläutern Sie den unterschiedlichen Aufbau der Ctoplasmamembran bei Bakterien und Archaeen.

Bacteria:

• Esterbindung zwischen Glycerin und Fettsäuren (mit 14-18 C-Atomen)

Archaea:

• Etherbindung zwischen Glycerin und Isoprenoid-Untereinheiten (Diether mit 20-25 C-Atomen, Tetraether mit 40 C-Atomen in Monolayern)

• → höhere Stabilität der Membran

Cytoplasmamembran

a) Nennen Sie eine Bakteriengruppe, die intrazelluläre Membranen besitzt!

Phototrophe Bakterien: Purpurbakterien —> Photosynthesekomponenten

b) Welchen Nutzen haben diese Bakterien davon?

• Vergrößerung der Membranfläche

Cytoplasmamembran

Nennen Sie die hauptfunktionen der Cytoplasmamembran.

• osmotische Barriere/Permeabilität: gezielte Auf- und Abgabe von Substanzen

• Verankerung vieler wichtiger Proteine

  z.B. Transporter, Enzyme der Atmungskette

• Energiekonservierung → Ausbildung der protonenmotorischen Kraft

Zellwand

Nennen Sie zwei Charakteristika von bakteriellen Zellwänden.

• sorgt für Stäbilität und Form,

  Zellwandsacculus = Korsett der Zelle

• sehr fest und stabil

  -> Aufschluss durch mechanische Methoden oder enzymatisch

Zellwand

Nennen sie zwei Prokaryoten, die keine Zellwand besitzen.

• Myoplasma

  Bakterium, sekundär verloren

• Thermoplasma

  Archaeum

Zellwand

Erläutern Sie die Gram-Färbung.

• durch die Gram-Färbung lassen sich 2 grundsätzlich verschiedene Zellwandtypen unterscheiden: Gram-positive und Gram-negative

• entstehender Farblack wird entweder in den Zellen eingeschlossen (positiv) oder ausgewaschen (negativ)

Zellwand

Nennen Sie Unterschiede zwischen der Gram-positiven und Gram-negativen Zellwänden.

Gram-positiv

• (violett gefärbt)

• mehrschichtiges Murein mit (Lipo-)Teichonsäuren

• hält bis zu 20 bar Druck aus

Gram-negativ

• (rot gefärbt)

• gelartiges Periplasma zwischen Cytoplasmamembran und äußerer Membran,

• enthält viele Enzyme, Proteine (z.B. Transporter)

• 1-2-schichtiges Murein

• Lipopolysaccharid (LPS) der äußeren Membran aufgebaut aus

  • Lipid-A (pyrogen, Membrananker),

  • Kernpolysaccharid und

  • O-spezifischer Seitenkette (Antigen)

Zellwand

Aus welchen Komponenten ist die Gram-negative Zellwand aufgebaut?

LPS = Lipopolysaccharid besteht aus 3 Komponenten

• Lipid A: pyrogen, Membrananker

• Kernpolysaccharid

• O-spezifisches Seitenketten = sehr wirksames Antigen

Zellwand

Zellwände von Archaeen

• meist S-Layer,

  es kommen aber noch viele andere Zellwand-Typen vor

• zellwandlos: Thermoplasma

• typische Antibiotika der Zellwandsynthese und Lysozym wirken bei ihnen nicht

Cytoplasmamembran

Skizzieren und beschriften Sie eine bakterielle Membran! Kennzeichnen Sie die hydrophilen und hydrophoben Bereiche!

Zellwand

Sie möchten aus einem Bakterium die DNA isolieren. Nennen Sie zwei Methoden, mit denen Sie die Zellwand aufbrechen können!

• mechanisch

• enzymatisch

Zellwand

Skizzieren + beschriften Sie den Aufbau der Gram-positiven/Gram-negativen Zellwand!

Gram-positive Membran

• mehrlagige Murinschichten (30 bis 50 Schichten)

• mit (lipo-)Teichonsäure

• hält bis zu 20 bar Druck aus

• (violett) gefärbet

Gram-negative Membran

• gelartiges Periplasma zwischen Cytoplasmamembran und äußerer Membran

• enthält viele Enzyme, Proteine (z.B. Transporter)

• 1-2-schichtiges Murein

• (rot gefärbt)

• Lipopolysaccharid (LPS) der äußeren Membran aufgebaut aus

  • Lipid-A (pyrogen, Membrananker)

  • Kernpolysaccharid

  • O-spezifischer Seitenkette (Antigen)

Zellwand

a) Was ist das LPS? Bei welchen Organismen und wo in der Zelle kommt es vor?

• LPS = Lipopolysaccharid

• Gram-negativen Zellwand: äußere Membran

b) Nennen Sie die drei Komponenten des LPS.

1. Lipid-A: pyrogen, Membrananker

2. Kernpolysaccharid

3. O-spezifische Seitenketten

c) Welcher Bestandteil wirkt als Endotoxin, welcher als Antigen?

• Endotoxin: Lipid-A

• Antigen: O-spezifische Seitenkette

Zellwand

a) Aus welchen Molekülklassen ist das Murein aufgebaut?

Aufbau Murein = Peptidoglykan

1. Zuckern:

   N-Acetyl-Glukosamin und N-Acetyl-Muraminsäure

2. Aminosäuren

b) Wie sind die unterschiedlichen Komponenten miteinander verknüpft? Welche Unterschiede gibt es dabei bei Gram-positiven und Gram-negativen Bakterien?

1. Zuckern

   • N-Acetyl-Glukosamin und N-Acetyl-Muraminsäure,

   • verknüpft über -1,4-glykosidische Bindung

   • → empfindlich für Lysozym

2. Aminosäuren

   zur Querverknüpfung der Stränge in Y- und Z-Richtung

• Gram-positive:

  Interpeptidbrücken

• Gram-negative:

  verknüpfen direkt über Diaminopimelinsäure

c) Nennen Sie das beteiligte Enzym und beschreieben Sie welche Rolle es bei der Zellwandsynthese spielt.

• Enzym: Transpeptidase

• verfestigen die einzelnen Peptidoglykan-

  stränge in Y- und Z-Richtung bei den Aminosäuren

Zellwand

Was bewirkt das Enzym Lysozym?

Internet:

Das Lysozym ist ein Enzym, welches die Zellwände grampositiver Bakterien zerstört und daher eine wichtige Rolle bei der angeborenen Immunantwort spielt.

((

Murein kommt bei Archaeen nicht vor

→ natürliche Resistenz gegen Lysozym und Antibiotika der Zellwandsynthese

))

Zellwand

a) Wie wirkt das Antibiotikum Penicillin?

Internet:

Penicillin wirkt nicht gegen gramnegative Bakterien, die über ihrer Zellmembran noch eine zusätzliche äußere Membran besitzen. Diese macht den Angriff des Penicillins unmöglich, da es in die Ausbildung der darunter liegenden Peptidoglycanschicht eingreifen muss.

b) Warum kann es nicht gegen Archaeen eingesetzt werden?

Murein kommt bei Archaeen nicht vor → natürliche Resistenz gegen Lysozym und Antibiotika der Zellwandsynthese

Zellanhänge

a) Skizzieren und benennen Sie drei Begeißelungsarten.

• monopolar

• bipolar

• peritrich

b) Welcher Begeilungsart kann man E.coli zuordnen?

• peritrich