Biologie der prokaryotischen Zellen

Mikrobiologie - Einführung

• Mikroorganismen existierten vor ca. 3,8 Milliarden Jahren, Vielzeller vor ca. 600 Millionen Jahren und der Homo Sapiens vor ca. 130.000 Jahren.
• 3 Domänen: Bakterien, Archaea und Eukaryoten (Einteilung aufgrund RNA-Sequenzvergleich)
• Mikroorganismen umfassen Bakterien, Archaea, Pilze, Mikroalgen, Protozoen und Viren.
• 1837 skizzierte Darwin einen Stammbaum des Lebens.
• Phylogenetische Stammbäume zeigen die evolutionäre Beziehung zwischen Arten.
• Systematische Kategorien in der Bakteriologie: Domäne, Abteilung/Stamm, Klasse, Ordnung, Familie, Gattung und Art.
• Actinobacteria und deren Familie/Gattung sind oft in Verbindung mit Mycobacterium (z.B. M. tuberculosis) und Campylobacteriaceae (z.B. Helicobacter oder H. pylori)
• Mikroorganismen machen 70% der Biomasse aus.

Unterschiede zwischen Bakterien und Archaea

• Unterschiede in Zellwand, Membran, Lipiden und Stoffwechsel.
• Archaea sind gegenüber Antibiotika nicht empfindlich.
• Archaea sind Eukaryoten ähnlicher als Bakterien.
• Typische Bakterien: Escherichia coli, Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis
• Typische Archaea: extrem thermophile und methanproduzierende Organismen (z.B. Picrophilus torridus, Methanocaldococcus jannaschii)

Bedeutung von Mikroorganismen

• Anzahl übertrifft alle anderen Spezies
• Stellen 70% der Biomasse.
• Wichtig für Ökologie, Medizin, Biotechnologie, Gentechnologie und Evolution.

Koch'sche Postulate

• Erreger muss im kranken Tier nachgewiesen werden.
• Erreger muss in Reinkultur gebracht werden.
• "Reiner" Erreger muss in gesundem Tier gleiche Krankheit auslösen.
• Erreger muss wieder isolierbar sein.

Bedeutung in Medizin und Ökologie

• Geochemische Stoffkreisläufe
• Beeinflussung des globalen Klimas
• Fotosynthese
• Symbiose mit Lebewesen

Biotechnologische Bedeutung

• Produktion von wichtigen Stoffen (Antibiotika, Enzyme, Gentherapien, Antikörper)
• Nahrungsmittelproduktion
• Beseitigung von Abfällen (z.B. Abwasserreinigung, Gifte)
• Industrie (Enzyme in Waschmitteln)

Gentechnologische Bedeutung

• Änderung genetischer Eigenschaften von Organismen
• Herstellung von rekombinanten Stoffen (z.B. Insulin)
• Biotechnologie-Forschung (z.B. Untersuchung von Proteinen)

Molekularbiologische Methoden

• Sequenzierung von DNA und RNA
• Analyse der Genexpression
• Biochemische Techniken (Western Blot Analysen)

Makroskopische Unterscheidung von Bakterienkolonien

• Farbe (abhängig von Temperatur, Sauerstoff, Licht, Nährmedium)
• Größe
• Geruch
• Oberfläche
• Konsistenz
• Kolonierand
• Profil

Bakterienformen

• Kokken (rund): Streptokokken, Diplokokken, Sarcinen, Staphylokokken
• Stäbchen (bacillus): Streptobazillus, Diplobazillus, Palisaden
• Andere Formen (z.B. Vibrio, Helikale, Spirochäte)

Biofilm

• Schicht von angesiedelten lebenden und abgestorbenen Kleinstwesen
• Bildung an Grenzflächen, Schutz vor äußeren Faktoren.

Quorum Sensing

• Signalübertragung zwischen Zellen in Biofilmen
• Steuerung der Genexpression basierend auf Populationsdichte
• Kommunikation auch über Artgrenzen hinweg.

Wachstum von Bakterien

• Lag-Phase
• Log-Phase: exponentielles Wachstum
• Stationäre Phase
• Zelltod

Ernährungsgewohnheiten von Bakterien

• Heterotroph: benötigen organische Materialien
• Autotroph: erzeugen Nahrung aus CO2
• Chemoautotroph: verwenden chemische Energie
• Auxotrophie/Prototrophie: Anpassung bei Stoffwechseldefiziten

Stoffwechselvielfalt

• Energiequelle variiert (chemische Reaktion - Chemotroph / Lichtreaktion - Phototroph)
• Reduktionsäquivalenz (organische/anorganische Verbindungen)
• Temperaturbereiche (psychrophil, mesophil, thermophil, hyperthermophil)
• pH-Bereiche (acidophil, neutrophil, alkalophil)

Anlegen von Bakterienkulturen

• Abstriche
• Ausdünnen mit Impföse
• Auftragen auf Nährmedien
• Drei-Ösenausstrich
• Gußplattenverfahren

Medien für Mikroorganismen

• Vollmedium: hohe Nährstoffkonzentration, schnelleres Wachstum
• Minimalmedium: minimale Nährstoffe, Identifizierung wichtiger Nährstoffe
• Selektivmedium: Wachstum bestimmter Organismen
• Differentialmedium: Unterscheidung verschiedener Organismen

Drei Ösenausstrich

• Probenentnahme und Ausstrich auf Agarplatte.

Gußplattenverfahren/ Keimzahlbestimmung

• Verdünnung der Probe mit flüssigem Nähragar
• Aushärten bei Raumtemperatur
• Inkubation auf 37 Grad Celcius
• Zählung der Kolonien

Aufbau von Bakterienzellen

• Zellwand: Struktur
• Zellmembran: semipermeabel
• Chromosom: ringförmige DNA
• Plasmid: kleine DNA-Ringe
• Ribosomen: Proteinsynthese
• Pili: Adhäsion an Oberflächen
• Geißeln: Fortbewegung
• andere Strukturen (Kapsel, Speicherung Stoffe...)

Stoffwechseltypen

• Photoautotroph (Licht, CO2)
• Chemoautotroph (Chemikalien, CO2)
• Photoheterotroph (Licht, organische Verbindungen)
• Chemoheterotroph (organische Verbindungen)

Sporen von Bakterien

• Hitzeresistente Dauerformen (in Reaktion auf Nährstoffmangel)
• Schutzhülle, Keimfähigkeit bleibt lange erhalten

Endosymbiontentheorie

• Plastiden und Mitochondrien haben prokayotische Ursprung.
• Zirkuläre DNA in Nukleoiden ohne Histone
• rRNA ist sequenzverwandt
• Eigene Polymerasen und Ribosomen

Genetische Information

• Gen: DNA-Abschnitte
• Chromosom: geordnetes Erbmaterial
• Genom: Gesamtheit aller Gene einer Zelle

DNA-Replikation

• Semikonservative Replikation (ein alter Strang, ein neuer)
• Replikationsrichtung 5' -> 3'
• Enzyme an DNA-Replikation beteiligt (DNA-Polymerasen)

DNA-Polymerasen

• verschiedene Typen mit unterschiedlichen Aufgaben (Reparatur, Replikation)
• Korrekturlesen durch 3' -> 5' Exonuklease Aktivität

Transkription

• RNA-Synthese
• RNA weniger stabil
• RNA-Polymerase als Enzym
• Bindeposition von RNA-Polymerase = Primer
• Ablauf des Transkriptionsvorgangs wird beschrieben

Schritte der RNA Synthese

• Initiation (Sigmafaktor findet Promoter und Initiationsstelle, dann beginnt an der Initiationsstelle die Transkription und Sigmafaktor wird freigesetzt)
• Elongation (Transkription weiterführen)
• Termination (Terminationstelle erreicht)

Mikrobiologie - Gentechnik

• Herstellung von Proteinen
• Herstellung von transgenen Pflanzen und Tieren
• Gendiagnostik
• Somatische Gentherapie
• CRISPR/Cas9-Technologie

Restriktionsenzyme (Endonukleasen)

• Schneiden von DNA an bestimmten Sequenzen
• verschiedene Typen mit unterschiedlichen Anforderungen
• Verfahren zum Klonieren von DNA-Fragmenten

PCR Polymerase-Kettenreaktion

• Verfahren zur Vervielfältigung spezifischer DNA-Abschnitte
• benötigt DNA-Template, 5'- und 3'-Primer, dNTPs, Pufferlösung, etc.
• Schritte: Denaturierung, Annealing, Elongierung

Klonierung

• DNA-Fragmente werden in ein Vektor eingeschleust
• Vektor = z.B. Plasmid
• Selektion von transformierten Zellen

Genetischer Austausch

• Transformation: Aufnahme freier DNA
• Konjugation: Genübertragung zwischen Bakterienzellen
• Transduktion: Übertragung von Genen mithilfe von Viren

Homofermentative und heterofermentative Milchsäuregärung

• Abbau von Glucose zu Milchsäureunter anaeroben Bedingungen
• homofermentierend: Glucose -> 2 Laktat + ATP
• heterofermentierend: Glucose -> 2 Laktat, CO₂, Ethanol + ATP

Alkoholische Gärung

• Abbau von Glucose zu Ethanol und CO2
• Zwei Schritte: 1. Decarboxylierung von Pyruvat, 2. Reduktion von Acetaldehyd zu Ethanol.

Bioenergetik

• Gesamtheit der Energieumwandlungen in lebenden Organismen
• Prinzip: Erhaltung der Energie
• Gibbs-Helmholtz-Gleichung (freie Energie)

Enzyme

• Proteine, biochemische Reaktionen katalysieren, Aktivierungsenergie senken

Oxidoreduktasen, Transferasen, Hydrolasen, Lyasen, Isomerasen, Ligasen

• Unterschiedliche Klassen von Enzymen nach katalysierender Reaktion

ATP-Synthasen

• Membranproteinkomplex, synthetisiert ATP durch Energie von Protonengradienten

Aerobe Atmung (oxidativer Stoffwechsel)

• Oxidation organischer Verbindungen unter Verwendung von Sauerstoff
• Elektronentransportketten
• ATP-Synthese

Gärung

• Energiegewinnung unter anaeroben Bedingungen
• Unterschiedliche Endprodukte (z.B. Ethanol, Milchsäure)
• Reduktion von NADH mittels organischer Verbindungen

Mikrobiologie - Infektionstraktheiten

• Definition: Infektiöse Erkrankung
• Klassifizierug von Krankheiten (Endemie, Epidemie, Pandemie)
• Ursachen: Bakterien, Viren, Pilze, Protozoen
• Typische Infektionen (Luftwegsinfektionen, AIDS, Diarrhoe)
• Pathogenitätsstrategien (Adharenz, Invasion, Spreading, Transcytose)
• Koch'sche Postulate

Nosokomiale Infektion

• Infektionen im Krankenhaus
• Pathogenitätsstrategien
• Koch'sche Postulate im Zusammenhang mit Beispielorganismen (Streptococcus, Bacillus)

Allgemeine Daten

• 1919 entdeckt, Gram negativ, stäbchenförmig, peritrich begeisselt, Virulenzfaktoren (z. B. H-, O-Ant.

Infektionstraktheiten

• Infektion der Atemwege/des Verdauungstrakts (Beispiel: Escherichia coli)
• Abwehrstrategien des Wirts
• Pathogenitätsfaktoren: Infektionstraktheiten der Bakterien
• Pathogenitäts-Inseln: Vorkommen in pathogenen Stämmen; Fehlen in nicht-pathogenen; große genomische DNA

Antikörper

• Proteine, die spezifisch an Antigene binden
• Immunantwort

Pathogenität

• Fähigkeit eines Erregers, eine Krankheit hervorzurufen.
• Virulenz: Grad der Pathogenität.

Oberflächenstrukturen

• Fimbrien/Pili
• Geißeln
• Kapseln (Schleim)
• Zellwandstrukturen

ELISA

EIA

KEIMREDUKTION UND ANTIBIOTIKA

• Keimreduktion und Sterilisation durch Wärmezufuhr (Autoklavierer)
• Desinfektion durch chemische Methoden (Alkohol, Aldehyde)
• Antibiotika als Antibiotika-Resistenz

Antibiotika

• Wirkungsmechanismen (Zellwandsynthese, Proteinsynthese, DNA-Synthese usw.)
• Resistenzmechanismen (z.B. Enzyminaktivierung, Veränderung der Zielstruktur), Antibiotika- Resistenz
• Arten von Antibiotika (Beispiele für Klassen und Wirkungsweisen)

Virologie

• Virologie (Grundlagen, Vermehrungszyklen, Klassifizierung, Erregerbestimmung)

Immunabwehr, angeborene und adaptive Immunantwort

• Unspezifische Abwehrmechanismen (z. B. Phagozytose, Komplementsystem)
• Spezifische Abwehrmechanismen (z. B. Antikörper, T-Zell-Antworten)
• Pathogene, die Immunabwehr umgehen
• Entzündungsreaktionen und deren Rolle bei der Abwehr

Schritte bei einer Schnittwunde

• Verletzungsmechanismus
• Eintritt und Ausbreitung der Bakterien
• Beteiligung der Immunabwehr (entzündliche Reaktionen, spezialisierte Immunzellen usw.)

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