Mikrobiologie: Nährstoffe und Antibiotika

Mikrobiologie - Einführung

• Mikroorganismen existierten vor ca. 3,8 Milliarden Jahren.
• Vielzeller entstanden vor ca. 600 Millionen Jahren.
• Homo sapiens existierte vor ca. 130.000 Jahren.
• Urvorstufe (Progenot) hat 3 Domänen: Bakterien, Archaea, Eucaryoten (Einteilung basierend auf RNA-Sequenz).
• Mikroorganismen umfassen Bakterien, Archaea, Pilze, Mikroalgen, Protozoen, Viren.
• Phylogenese ist die Stammesgeschichte zwischen 2 Arten.
• Phylogenetischer Stammbaum: Knoten = gemeinsamer Vorfahre, Kantenlänge = Zeitverhätlnis.

Systematische Kategorien der Bakteriologie

• Systematische Kategorien: Domäne, Abteilung/Stamm, Klasse, Ordnung, Familie, Gattung, Art.

Unterschiede zwischen Bakterien und Archaea

• Zellwände, Membranen, Lipide und Stoffwechsel unterscheiden sich.
• Archaea sind gegenüber Antibiotika weniger empfindlich.
• Archaea weisen mehr Ähnlichkeiten mit Eukaryonten auf als mit Bakterien.

Bedeutung von Mikroorganismen

• Mikroorganismen machen 70% der Biomasse aus.
• Sie sind wichtig für Ökologie, Medizin, Biotechnologie, Gentechnik und Evolution.
• Sie spielen eine Rolle in der Agrarbiologie und im Stoffwechsel.

Koch'sche Postulate

• Der Erreger muss im infizierten Tier nachgewiesen werden.
• Der Erreger muss in Reinkultur gezüchtet werden.
• Der „reine“ Erreger muss bei einem gesunden Tier die gleiche Krankheit auslösen.
• Der Erreger muss wieder isoliert werden können.

Bedeutung der Medizin und der Ökologie

• Mikroorganismen sind wichtig für die Stoffkreisläufe (z. B. Bodenbakterien als Destruenten).
• Sie beeinflussen das globale Klima (CO2- und N-Kreisläufe).
• Sie spielen eine Rolle in der Photosynthese und in der Nahrungskette (Cyanobakterien).
• Sie können als Symbionten in der Verdauung und Physiologie von Lebewesen vorkommen.

Biotechnologische Bedeutung

• Mikroorganismen spielen eine Rolle in der Produktion von Antibiotika, Enzymen und Antikörpern.
• Sie helfen bei der Abwasserreinigung und der Beseitigung von organischen Substanzen.
• Sie werden in der Industrie eingesetzt, z. B. bei Enzymen in Waschmitteln.

Gentechnologische Bedeutung

• Mikroorganismen werden in der Gentechnologie verwendet, um Organismen genetisch zu verändern.
• Sie ermöglichen die Isolierung, die Charakterisierung und die Neukombination von Erbmaterial.
• Sie sind wichtig in der Forschung, z. B. bei der Herstellung von Insulin.

Makroskopische Unterscheidung von Bakterienkolonien

• Kriterien zur Unterscheidung von Bakterienkolonien: Farbe, Geruch, Größe, Oberfläche, Konsistenz, Kolonierand und Profil.

Bakterienformen

• Kokken (rund): Streptokokken, Diplokokken, Staphylokokken, Sarcinen.
• Stäbchen (bacillus).
• Andere Formen (z. B. vibrio, spirale, filamentöse Formen).

Biofilm

• Biofilme sind Schichten von lebenden und toten Mikroorganismen an Grenzflächen.
• Sie bilden eine Schutzhülle aus extrazellulären Polymeren (EPS).
• Diese Schutzschicht ist wichtig für die Anheftung und das Überleben der Mikroorganismen.

Quorum Sensing

• Kommunikation zwischen Mikroorganismen in Biofilmen.
• Kleine Signalisierungsmoleküle regulieren die Genexpression entsprechend der Populationsdichte.

Ernährungsgewohnheiten von Bakterien

• Heterotrophe Bakterien: benötigen organisches Material als Nahrung (z. B. Zucker, Aminosäuren).
• Autotrophe Bakterien: produzieren ihre eigene Nahrung aus CO2.
• Chemoautotrophe Bakterien: verwenden chemische Energie als Energiequelle.
• Auxotrophe Bakterien: müssen bestimmte organische Moleküle aufnehmen.

Stoffwechselvielfalt

• Energiequelle: Licht (phototroph) oder chemische Verbindungen (chemotroph)
• Reduktionsäquivalente: Organische Verbindungen (organotroph) oder anorganische Verbindungen (lithotroph).
• C-Quelle: Organische Verbindungen (heterotroph) oder CO2 (autotroph).
• Temperaturbereich: Psychrophile, Mesophile, Thermophile, Hyperthermophile.
• pH-Bereich: Acidophile, Neutrale, Alkaliphile.

Anlegen von Bakterienkulturen

• Abstrichnehmen.
• Abstrich verflüssigen.
• Mit Impföse auf Nährmedium ausrollen.
• Ausspateln von Bakteriensuspensionen/Gußverfahren

Medien für Mikroorganismen

• Vollmedium: hoher Nährstoffgehalt für schnelles Wachstum und hohe Populationsdichten.
• Minimalmedium: niedrige Nährstoffkonzentration, nur für eine bestimmte Spezies effektiv.
• Selektivmedium: fördert das Wachstum bestimmter Organismen durch Antibiotika.
• Differentialmedium: unterscheidet Mikroorganismen anhand beobachtbaren Merkmalen.

Drei Ösen-Ausstrich

• Methode zur Gewinnung von Reinkulturen.
• Verfahren mit Impföse und wiederholtem Übergang auf neune Agarplatten.

Aufbau von Bakterienzellen

• Zellwand: schützt die Zelle vor mechanischen Beanspruchungen.
• Zellmembran: semipermeabel, ermöglicht Stoffaustausch.
• Chromosom(e): enthalten die genetische Information.
• Plasmide: extrachromosomale DNA-Moleküle.
• Ribosomen: Ort der Proteinbiosynthese.
• Pili / Geißeln: Anhaftung, Fortbewegung.

Transport über die Membran

• Diffusion: Spontaner Prozess entlang Konzentrationsgradienten.
• erleichterte Diffusion: Carrier-vermittelter Transport entlang des Konzentrationsgradienten (z.B.Uniport).
• Primärer Transport: Energieabhängiger Transport gegen Konzentrationsgefälle (z.B. Pumpe).
• Sekundärer Transport: Konzentrationsgradient eines anderen Moleküls wird ausgenutzt, um ein zweites Molekül gegen sein Konzentrationsgefälle zu transportieren (z.B. Symport und Antiport).
• Transport gekoppelt an eine chemische Reaktion:

Positive und negative gram-positive Bakterien

• Gram-positive Bakterien: Zellwand vorwiegend aus Peptidoglykan.
• Gram-negative Bakterien: Zellwand mit zusätzlichen äußeren Membran, geringer Peptidoglykan.

Sporen von Bakterien

• Endosporen: hitzeresistente Dauerformen von Bakterien, oft in Reaktion auf Nährstoffmangel.
• Sie sind widerstandsfähig gegenüber Hitze, Trockenheit, chemischen Substanzen und anderen Umweltfaktoren.
• Sie ermöglichen ein Überleben der Bakterien in ungünstigen Bedingungen.

Endosymbiontentheorie

• Plastiden (Chloroplasten) und Mitochondrien sind Eukaryoten entstanden.
• Eukaryoten waren amöboide Lebewesen, die Prokaryoten aufgenommen und in ihr System integriert hatten

Genetische Information

• Gen: DNA- Abschnitt für ein Genprodukt (mRNA, tRNA, rRNA).
• Chromosom: genetisches Element, enthält genetische Information der Zelle.
• Genom: Gesamtheit der Gene einer Zelle.

Nukleotide

• DNA-Bausteine, die aus Base, Desoxyribose (Zucker) und Phosphat bestehen.
• 4 Nukleotidbasen: Adenin, Thymin, Cytosin, Guanin.

DNA und RNA

• DNA: doppelsträngige Helix mit komplementären Basenpaaren.
• RNA: einzelsträngige Nukleinsäure.
• RNA- Arten umfassen mRNA, tRNA und rRNA in einer großen Anzahl

DNA-Replikation

• Semikonservativ: Jede neue DNA enthält einen Elternstrang und einen neu synthetisierten Strang.
• Replikationsrichtung: 5' → 3'.
• Schlüsselenzyme: DNA-Polymerasen, DNA-Gyrase.

DNA-Polymerasen

• DNA-Polymerasen sind Enzyme, die an der DNA-Replikation beteiligt sind.
• Sie kopieren den bestehenden DNA-Strang als neuen Strang.
• Sie haben auch eine 3' → 5' Exonuklease-Aktivität (Korrekturlesen).

Mutationen

• Fehler bei der DNA-Replikation können zu Mutationen führen.
• DNA-Polymerasen haben eine Korrekturlesefunktion (3'→5' Exonuklease), um Fehler zu vermeiden.

Transkription

• RNA-Synthese: RNA-Polymerasen kopieren einen Abschnitt der DNA, um mRNA zu erzeugen.
• RNA-Polymerasen benutzen einen DNA-Strang als Vorlage und bauen einen komplementären RNA-Strang auf.
• RNA-Bausteine (Ribo-Nukleotide) werden verwendet.

Schritte der RNA-Synthese

• Initiationsstelle der DNA (Promotorregion) ist die Startposition.
• Der Sigma-Faktor der RNA-Polymerase erkennt die Promoterregion.
• Der RNA-Polymerase-Komplex lagert sich in die DNA ein und startet die Synthese
• Der Sigma-Faktor wird freigesetzt und die RNA-Polymerase bewegt sich entlang der DNA.
• Terminationsstelle: Abbruchpunkt der Transkription.
• RNA-Transkript enthält nicht mehr alle benötigten Bausteine für eine Funktionelle mRNA
• RNA wird nach Synthese bearbeitet, bevor sie für Translation verwendet wird.

Mikrobiologie - Gentechnik

• Gentechnik beinhaltet die Anwendung moderner molekularbiologischer Methoden zur Veränderung genetischer Eigenschaften von Organismen.
• Ziel ist die Gewinnung von Proteinen, Herstellung von transgenen Organismen, Gendiagnostik und Gentherapien.
• Werkzeuge der Gentechnik sind Spender-DNA, Vektoren ( Plasmide), Restriktionsenzyme ( Schneiden), Ligasen ( Verbinden) und DNA-Transfermethoden.

Klonierung

• DNA-Fragmente, die gentechnisch verändert wurden, werden in Plasmide eingeschleust.
• Die Plasmide werden in Wirtszellen eingeschleust und vermehrt.
• Klonieren führt zu Reinkulturen mit identischen genetischen Eigenschaften.

Genetischer Austausch

• Transformation: Aufnahme freier DNA in eine Zelle.
• Konjugation: Übertragung von DNA zwischen Bakterienzellen über ein Konjugations-Pilus.
• Transduktion: Übertragung von DNA durch Viren.

Mikrobiologie - Stoffwechsel

• Metabolismus: Alle chemischen Reaktionen in einem Organismus
• Katabolismus: Abbau energiereicher Verbindungen zur Gewinnung von Energie.
• Anabolismus: Aufbau energiereicher Verbindungen aus einfachen Molekülen.

Bioenergetik

• Die Bioenergetik befasst sich mit den Energieumwandlungen in Organismen.
• Die Gibbs-Helmholtz-Gleichung beschreibt den freien Energieinhalt.
• Enzyme sind Proteine, die die Aktivierungsenergie chemischer Reaktionen senken.

Enzym-Klassen

• Oxidoreductasen: Redoxreaktionen
• Transferasen: Gruppenübertragungen
• Hydrolasen: Hydrolysen
• Lyasen: Addition/Eliminierung
• Isomerasen: Isomerisierungen
• Ligasen: Bildung von Bindungen unter ATP- Verbrauch

Redoxreaktionen

• Redoxreaktionen sind chemische Reaktionen, in denen Elektronen übertragen werden.
• A wird oxidiert, B wird reduziert.
• Elektronentransportkette, Coenzyme (NAD+/NADH, FAD/FADH2)

Biochemischer Energiespeicher ATP

• ATP (Adenosintriphosphat): Energieträger für viele zelluläre Prozesse in Zellen.
• Spaltung von ATP liefert Energie.

Elektrochemische Potenziale

• Chemisches Potential: Differenz der Konzentration von Molekülen ( Ionen).
• Elektrisches Potential: Differenz der Ladungsmenge
• Protonenpumpe: transportieren Protonen über eine Membran.
• ATP-Synthase: produziert ATP mit Hilfe der protonenmotorischen Kraft.

Chemoorganotrophe

• Abbau von organischen Verbindungen (z. B. Kohlenhydraten, Proteinen, Fetten) zur Energiegewinnung und zum Aufbau von Zellstoffen.

Polysaccharid Stärke/Glykogen

• Viele Bakterien verwenden Glykogen als Kohlenstoff- und Energiequelle.
• Glykogen besteht aus vielen Glucose-Einheiten, die über α-1,4- und α-1,6-glycosidische Bindungen verknüpft sind.

Glykolyse

• Abbau von Glucose zu Pyruvat unter Energiegewinnung.
• Es werden 2 ATP pro Glucosemolekül erzeugt.

Oxidation des Pyruvats

• Umwandlung von Pyruvat in Acetyl-CoA durch oxidative Decarboxylierung.
• Acetyl-CoA tritt in den Citratzyklus ein.

Vollständige Oxidation von Glucose

• Aerob: Glucose + Sauerstoff → Wasser + Kohlendioxid + ATP

Gärung

• Anaerob, alternative Energiegewinnung ohne Sauerstoff.
• Bildung von Produkten wie Alkohol oder Milchsäure

Milchsäuregärung

• Anaerobe Gärung, die Glucose zu Milchsäure abbaut.
• Wichtig in der Lebensmittelindustrie und für einige medizinische Anwendungen.

Alkoholische Gärung

• Anaerobe Gärung, die Glucose zu Ethanol und CO2 abbaut.
• Wichtig in der Getränkeindustrie.

Mikrobiologie – Keimreduktion und Antibiotika

– Keimreduktion: Maßnahmen zur Verminderung und Abtötung von Mikroorganismen. – Prozesse zur Inaktivierung von Mikroorganismen. – Autoklavieren (Dampfsterilisation): Abtötung von Mikroorganismen durch hohen Druck und Temperatur. – Desinfektion: Prozess zur Abtötung oder Inaktivierung von Krankheitserregern von Oberflächen oder medizinischen Instrumenten.

– Desinfektionsmittel: Flüssige/festen Substanzen zur Verminderung von Mikroorganismenpopulationen.

Antibiotika

– Antibiotika: Substanzen, die das Wachstum von Bakterien hemmen oder abtöten.

Isollierung und Identifizierung von Pathogenen

– Methoden zur Isolierung und Identifizierung von Krankheitserregern. – Kulturmethoden (z. B. Agarplatten): Kultivierung von Mikroorganismen aus Proben unter kontrollierten Bedingungen. – Seriologische Methoden (z. B. ELISA) zur Antikörperdiagnostik: Nachweis von Antikörpern oder Antigenen, um Krankheitserregern zu identifizieren.

Nosokomiale Infektionen

– Nosokomiale Infektionen: Krankenhausinfektionen, die durch medizinische Interventionen (z. B. Operationen) verursacht werden. – Pathogenitätsstrategien: Mechanismen, die Krankheitserregern ermöglichen, den Körper zu besiedeln. – Koch'sche Postulate: Kriterien, die erfüllt sein müssen, um einen Mikroorganismus als Ursache einer Krankheit zu identifizieren.

Dieses Quiz testet Ihr Wissen über heterotrophe Mikroorganismen, ihre Nährstoffquellen und optimale Wachstumsbedingungen. Es werden auch Fragen zu Antibiotika und deren Wirkmechanismen gestellt. Überprüfen Sie Ihre Kenntnisse in der Mikrobiologie!