Immunologie und Mikroorganismen

Mikrobiologie VO1 – Einführung

• Mikroorganismen existierten vor ca. 3,8 Milliarden Jahren, Vielzeller erst vor ca. 600 Millionen Jahren, Homo sapiens vor ca. 130.000 Jahren.
• Progenot = Urvorstufe → 3 Domänen: Bakterien, Archaea, Eucaryoten (Einteilung aufgrund RNA-Sequenzvergleich). Mikroorganismen: Bakterien, Archaea, Pilze, Mikroalgen, Protozoen, Viren.
• 1837 Darwin Stammbaum des Lebens. Phylogenese = Stammesgeschichte. Phylogenetischer Stammbaum: Knoten = gemeinsamer Vorfahre; Kantenlänge gibt Zeitverhältnis an.
• Systematik in Bakteriologie: Domäne (Bacteria), Abteilung/Stamm, Klasse, Ordnung, Familie, Gattung, Art.
• Viele Mikroorganismen stellen 70% der Biomasse dar und sind wichtig für Ökologie, Medizin, Biotechnologie, etc.

Unterschiede Bakterien & Archaea

• Unterschiede in Zellwand, Membran, Lipide, Stoffwechsel, DNA/RNA- Sequenzen.
• Archaea sind unempfindlich gegenüber Antibiotika.
• Archaea sind eukaryotischen Organismen ähnlicher als Bakterien.
• Typische Bakterien: Escherichia coli, Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis.
• Typische Archaea: extrem thermophile & methanproduzierende Organismen.

Bakterium, Hefe, Humane Zelle

• Durchmesser/Volumen/Oberflächen-Volumen-Verhältnis, Generationszeit (in Stunden): Daten für Bakterien, Hefe, humane Zelle.

Entwicklung der Mikrobiologie

• 1676: Anthony van Leeuwenhoek baute erstes Mikroskop.
• 1828: Otto Friedrich Müller Begriff Bakterium (gr. Bazille/ Stäbchen).
• 1847: Ignaz Semmelweis, Hygiene in Krankenhäusern.
• 1822-1895: Louis Pasteur, Impfstoffe, Pasteurisierung.
• 1843-1910: Robert Koch, Milzbrand, Mycobacterium tuberculosis.

Koch'sche Postulate

• Krankheitserreger 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 von Mikroorganismen

• Hohe Anzahl, 70% der Biomasse.
• Wichtig für Geochemische Stoffkreisläufe, globales Klima, Nahrungsketten (Cyanobakterien, Photosynthese), Verdauung, Immunsystem, Hygiene.

Biotechnologische Bedeutung

• Produktion wichtiger Stoffe (Antibiotika, Enzyme, Gentherapien).
• Nutzung in der Lebensmittelproduktion.
• Abwasserreinigung.
• Industrie, Enzymzubereitung.

Gentechnologische Bedeutung

• Veränderung der genetischen Eigenschaften von Organismen (Herstellung rekomb. Stoffe, Forschung, Bio-Tech).
• Isolierung & Neukombination von genetischem Material.

Molekularbiologische Methoden

• Sequenzierung von DNA und RNA.
• Analyse der Genexpression.

Makroskopische Unterscheidung von Bakterienkolonien

• Farbe, abhängig von Temperatur, Sauerstoff, Licht, Nährmedium.
• Größe,
• Geruch (z.B. erdig, muffig).
• Oberfläche (z.B. glatt).
• Konsistenz (z.B. schmierig).
• Kolonierand (z.B. glatt, gewellt, gekerbt).
• Profil (z.B. flach, konvex).

Bakterienformen

• Kokken (Streptokokken, Diplokokken, Sarcinen, Staphylokokken).
• Stäbchen (Kokkobazillus, Bazillus, Diplobazillus, Palisaden, Streptobazillus).
• Andere Formen (Vibrio, Helikale Form, Korkenzieherform, Filamentös, Spirochäte).

Biofilm

• Schicht von lebenden und abgestorbenen Mikroorganismen an Grenzschichten
• Wichtig für den Schutz vor Umwelteinflüssen.

Quorum Sensing

• Signalübertragung zwischen Bakterienzellen innerhalb eines Biofilms.
• Genexpression in Abhängigkeit von der Bakterienzahl gesteuert.
• Kommunikation auch über Artgrenzen hinweg.

Wachstum von Bakterien

• Bakterien teilen sich exponentiell 2^n (n = Generation).
• Lag-Phase, Log-Phase, Stationäre Phase, Zelltod-Phase.
• Nährstoffverbrauch bestimmt das Wachstum.

Ernährungsgewohnheiten von Bakterien

• Heterotroph: Benötigen organisches Material.
• Autotroph: Erzeugen Nahrung aus CO2.
• Auxotrophie: Fähigkeit manche Substanzen herzustellen verloren, Prototrophie: benötigt nur C-Quelle & Salze.

Stoffwechsel

• Energiequelle: Chemotroph (chemische Reaktionen), Phototroph (Lichtreaktionen).
• Reduktionsäquivalent: Lithotroph (anorganische Verbindungen), Organotroph (organische Verbindungen).
• C-Quelle: Heterotroph (organische Verbindungen), Autotroph (CO2).
• Temperaturbereich: Psychrophile (0-20 °C), Mesophile (20-45 °C), Thermophile (45-70°C), Hyperthermophile (70-110 °C).
• pH-Bereich: Acidophile (niedriger pH), Mesophile (neutraler pH), Alkalophile (höherer pH).

Anlegen von Bakterienkulturen

• Abstrich.
• Abstrich an Impföse.
• Ausdünnen.
• Aufrollen auf Nährmedium.
• Drei-Ösenausstrich.
• Gußplattenverfahren.

Medien für Mikroorganismen

• Vollmedium (mehr Nährstoffe).
• Minimalmedium (minimale Nährstoffe).
• Selektivmedium (bestimmte Eigenschaften).
• Differentialmedium (Unterscheidung Eigenschaften).

Drei Ösenausstrich

• Vorgehensweise zum Isolieren einer Reinkultur.
• Pro Stück 2 Ösen.

Gußplattenverfahren

• Methoden zur Keimzahlbestimmung. Vorgehensweise zum Verdünnen von Bakteriensuspension mit flüssigem Nährmedium.

Aufbau einer Bakterienzelle

• Zellwand, Zellmembran, Cytoplasma, Chromosom, Plasmid, Pili, Geißeln, Ribosomen, Kapsel etc.

Transport über die Membran

• Spontaner Prozess, erleichterte Diffusion.
• Carrier-vermittelte Transportmechanismen (Uniport, Symport, Antiport).

Positive und negative Gram-Bakterien

• Aufbau der Zellhülle.
• Murein (Aufbau von Peptidoglycan)
• Beispiele für Gram-positive & gram negative Bakterien.

Gram Färbung

• Vorgehensweise zur Unterscheidung gram-positiver und gram-negativer Bakterien.

Kapseln und Schleime

• Schutz vor Umwelteinflüssen (Austrocknung, UV-Licht).

DNA in Prokaryoten

• Doppelsträngiges, ringförmiges Molekül (Nukleoid).

Prokaryotische Ribosomen

• Ort der Proteinbiosynthese (70S).

Sporen von Bakterien

• in Reaktion auf Nährstoffmangel
• hitzeresistente Dauerformen
• Enthalten eine Kopie des Genoms.

Endosymbiontentheorie

• Plastide und Mitochondrien entstanden aus prok. Zellen (Cyanobakterien und atmenden Purpurbakterien).

Gemeinsamkeiten von Chloroplasten, Mitochondrien und Bakterien

• Zirkuläre DNA, Replikation unabhängig vom Wirtszellzyklus, rRNA, Polymerase, Ribosomen (70S).

Eukaryot vs. Prokaryot

• Unterschiede in Nukleoid, Organellen, Ribosomen (70S/80S), DNA-Form.

DNA-Polymerasen

• verschiedene Enzymfunktionen (Reparatur, Replikation, RNA-Entfernung).

DNA Replikation

• semikonservative Replikation (Verdoppelung der DNA).
• Richtung 5‘ -> 3‘.

RNA-Synthese

• Initiation, Elongation, Termination
• RNA-Polymerase, RNA-Bausteine (ATP, GTP, UTP, CTP)

Genetische Informationen

• Definition von Gen, Chromosom, Genom.
• Baustein der DNA.

DNA und RNA

• Nukleotide (Desoxyribonukleotide, Ribonukleotide), Strukturunterschiede
• verschiedene Basen
• Desoxyribose vs. Ribose Basis

Polymerasen

• Enzymaktivität.

Replikation ringförmiger DNA

• Replikationsursprung, Replikationsgabel, Richtung.

Bidirektionale Replikation

• Replikationsrichtung, Theta-Struktur.

Mutationen

• Fehler in der DNA-Replikation.
• Korrekturlesen durch DNA-Polymerasen.

Transkription

• Entstehung von RNA
• RNA-Polymerase, Nukleotide
• Richtung 5`->3'

Schritte der RNA-Synthese

• Initiation, Elongation und Termination

Mikrobiologie – Gentechnik

• Herstellung von Proteinen, Pflanzen und Tieren.
• Gendiagnostik, Somatische Gentherapie, CRISPR/Cas9
• Werkzeug: Spender DNA, Vektor, Restriktionsenzyme, DNA-Transfermethoden, Ligase und Wirtsorganismen.

Klonierung

• Verwendung von Plasmiden, Selektionsmarker
• Vermehrung von Wirtszellen.

Klonierungswirte (E.coli & Bacillus subtilis)

Genetischer Austausch

• Transformation, Konjugation, Transduktion, Griffith

Bioenergetik, Gibbs-Helmholtz-Gleichung, Exergonen/Endergonen Reaktionen

• Befasst sich mit Energieumwandlungen von Organismen.
• Definitionen von freien Energie, Enthalpie, Entropie
• exergon/enderg

Enzyme

• Proteine, die biochemische Reaktionen katalysieren
• Prinzip der Energieerhaltung.

Oxidoreduktase

• Katalysieren Redoxreaktionen

Proteasen

• Hydrolyse von Proteinen
• Beispiele: Amylase, Katalase, Lipase, Laktase etc.

Redoxreaktionen

• gekoppelt; A (reduziert) -> B (oxidiert).
• Beispiele: Elektronenüberträger

NAD (Nikotinamidadenindinukleotid)

• Co-Enzym, Redoxreaktion

Biochemischer Energiespeicher, Coenzym A

• Aufbau, Energiehalter ATP

ATP Synthetase

• Protonenfluss über Membran -> ATP-Synthese.

Aerobe Atmung (Oxidative Phosphorylierung)

• Elektronentransportkette, Entstehung von ATP

Gärung

• Anaerobe Stoffwechselwege zur Energiegewinnung (Sauerstoff fehlt als e-Akzeptor)
• Beispiel: Milchsäuregärung, alkoholische Gärung

Stoffwechsel

• Katabolismus (Stoffabbau, Energiegewinnung): Glykolyse, Citratzyklus, Atmungskette, Gärung.
• Anabolismus (Stoffaufbau, Energieverbrauch): Biosynthese von Proteinen, Nukleinsäuren, Polysacchariden etc.

Kohlenstoffquelle

• Heterotrophe Mikroorganismen verwenden organische Verbindungen, Autotrophe Mikroorganismen verwenden CO2.

Stickstoffquelle

• Mikroorganismen nutzen verschiedene Stickstoffquellen (organische Verbindungen, Anorganische Verbindungen).

Polysaccharide

• Speicherung von Energie und Kohlenstoff
• Beispiel: Stärke, Glykogen

Gluconeogenese

• Biosynthese von Glukose

Biosynthese der Pentosen

• Aufbau von Pentosen, Vorläuferprodukt für Nukleotide
• Beispiel: Ribose, Desoxyribose

Biosynthese von Aminosäuren

• Aufbau von Aminosäuren aus Vorläufermolekülen.

Nukleotid-Biosynthese

• Aufbau von Nukleotiden (Bausteine für DNA und RNA).

Keimreduktion und Antibiotika

• Methoden zur Reduzierung von Mikroorganismen
• Desinfektion, Sterilisation, Antibiotika
• Antibiotikaklassen, Wirkungsweise, Resistenzmechanismen

Isolierung und Identifizierung von Pathogenen

• Methoden zur Isolierung und Identifizierung von Krankheitserregern (z.B. kulturelle Methoden, serologische Methoden)

Immunabwehr

• Angeborene (z.B. Fresszellen, Zytokine) und adaptive (B- und T-Zellen, Antikörper) Immunantwort gegen Pathogene
• Pathogenität, Virulenz: Faktoren, die die Infektiosität eines Pathogens bestimmen

Krankheitserreger

• Beispiel: Bakterien, Viren und Pilze
• Übertragungswege, Symptome

Nosokomiale Infektion

• Krankenhaus erworbene Infektionen (Beispiele)

Pathogenitätsstrategien

• Adhärenz, Invasion, Spreading und Transcytose
• Koch'sche Postulate (Identifizierung von Pathogenen)

Antibiotika

• Wirkungsweise, Resistenzmechanismen, Beispiele (z.B. Penicilline, Cephalosporine)

B-Lactam-Antikörper

• Wirkungsweise von Beta-Lactam-Antibiotika.
• Beispiel: Ndm1 (Carbapenemase)

Dieses Quiz behandelt die Hauptaufgaben der B-Zellen im adaptiven Immunsystem, die Rolle des MH-Komplexes und spezifische Eigenschaften heterotropher Mikroorganismen. Zusätzlich werden Symptome von Infektionen und die Funktionen von Fresszellen sowie Makrophagen in der Immunabwehr thematisiert.