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Vorlesung 2: Zelluläre Struktur von Bakterien Prof. Haike Antelmann Ins琀椀tut für Biologie - Mikrobiologie  Vorlesung 2: Zelluläre Struktur von Bakterien Zelle Morphologie, Bau, Nucleoid, Ribosomen 1) Zytoplasmamembran Au昀戀au und Funk琀椀on Transport über Zyto...

Vorlesung 2: Zelluläre Struktur von Bakterien Prof. Haike Antelmann Ins琀椀tut für Biologie - Mikrobiologie  Vorlesung 2: Zelluläre Struktur von Bakterien Zelle Morphologie, Bau, Nucleoid, Ribosomen 1) Zytoplasmamembran Au昀戀au und Funk琀椀on Transport über Zytoplasma-Membran passiv: Di昀昀usion / ak琀椀v: ABC, PMF, PTS 2) Zellwände bei gram+, gram- Bakterien Äußere Membran bei Gram-, LPS, Porine Pseudomurein und S-layer bei Archaea 3) Zellanhänge/Speichersto昀昀e/Endosporen Speichersto昀昀e (z.B. PHB) Flagellen zur Mo琀椀lität, Au昀戀au und Funk琀椀on Endosporen als Dauerformen 2 Elektronenmikroskopie von Bacillus subtilis Transmission (TEM) Scanning (SEM) Bau einer Bakterienzelle Nucleoid  Das bakterielle Chromosom: Nucleoid Length of an E. coli cell: 1-3 m Length of the genomic DNA: 1-2 mm Nucleoid contains highly condensed DNA and nucleoid-associated proteins DNA packaging uses negative supercoiling and histone-like proteins Aus: Michael T. Madigan, John M. Martinko u.a.; Brock Mikrobiologie,13 th edition (2013), Pearson  Kopplung der Transkrip琀椀on und Transla琀椀on in Prokaryonten Polysomen RNA-Polymerase Alberts, Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)  The ribosomes of prokaryotes and eukaryotes consist of ribosomal RNA (rRNA) and proteins Figure 6-63 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) Zellhüllen von Gram-nega琀椀ven und Gram-posi琀椀ven Bakterien Gram-nega琀椀ve Gram-posi琀椀ve Bakterien Bakterien Äußere Membran Pep琀椀doglykan Zytoplasmamembran Periplasma  Zellhüllen von Gram-nega琀椀ven und Gram-posi琀椀ven Bakterien Gram-positive Gram-negative Adapted from Abb 3.15 Aus: Michael T. Madigan, John M. Martinko u.a.; Brock Mikrobiologie,13 th edition (2013), Pearson  1) Bau und Funk琀椀on der Zytoplasmamembran  Die Zytoplasmamembran von Bakterien = Phospholipid-Bilayer Phospholipide (z.B. Phosphatidylethanolamin) Hydrophil: Glycerinphosphat Hydrophob: Fettsäuren Abb 3.4 Aus: Michael T. Madigan, John M. Martinko u.a.; Brock Mikrobiologie,13 th edition (2013), Pearson  Phospholipid-Zusammensetzung in bakteriellen Membranen In Escherichia coli: Glycerin Phosphatidylglycerin (20-25 %) Phosphatidylethanolamin (70 %) Cardiolipin (5 %) Phosphatidylserin (5-10 %) Ethanolamin  Struktur der Zytoplasmamembran Fluid mosaic model Abb 3.5 Aus: Michael T. Madigan, John M. Martinko u.a.; Brock Mikrobiologie,13 th edition (2013), Pearson  Ester- und Etherbindungen in Membran-Lipiden Isopren Bakterien Archaea Abb 3.6 Aus: Michael T. Madigan, John M. Martinko u.a.; Brock Mikrobiologie,13 th edition (2013), Pearson  Lipide der Membranen in Archaea = Phytanyl/ Biphytanyl Phytanyl = C20-Kohlenwasserstoffketten Biphytanyl = C40-Kohlenwasserstoffketten Abb 3.7 Aus: Michael T. Madigan, John M. Martinko u.a.; Brock Mikrobiologie,13 th edition (2013), Pearson  Einschichtige Membran bei hyperthermophilen Archaea Heiße Quelle des Yellowstone Na琀椀onalpark Membran: Lipid-Monoschicht: Schutz vor dem Schmelzen der Membran Aus: Michael T. Madigan, John M. Martinko u.a.; Brock Mikrobiologie,13 th edition (2013), Pearson  Funktionen der Zytoplasmamembran „Batterie“ Proton-motive-force (PMF) generated ! Aus: Michael T. Madigan, John M. Martinko u.a.; Brock Mikrobiologie,13 th edition (2013), Pearson ATP-synthese durch PMF (oxidative Phosphorylierung) NADH2 O2 Elektrochemisches NAD+ Membranpotential (PMF) H2O ZENTRALE STOFFWECHSELWEGE „Proton motive force“ treibt ATP-Synthase pH-Gradient und elektrochemisches Membranpotential üben auf die ausgestoßenen Protonen eine Kraft in Richtung zurück ins Zellinnere aus: proton motive force (PMF).  ATP-Synthase nutzt PMF zur ATP-Synthese  statischer Kopf ragt ins Zellinnere, der durch drehbaren Stiel mit einer Basis in der Cytoplasmamembran verbunden ist  Protoneneinstrom führt zur Drehung des Stieles  Konformationsänderung und Drehung im Kopf  3 ATP erzeugt durch einströmen von 3 x 3-4 Protonen in die Zelle H+  Permeabilität der Membranen für Nährstoffe Nur Wasser und Glycerin passiv über erleichterte Diffusion transportiert ! Erleichterte Diffusion erfolgt entlang dem Konzentrationsgradienten keine Energie für Transport über Diffusion notwendig Aus: Michael T. Madigan, John M. Martinko u.a.; Brock Mikrobiologie,13 th edition (2013), Pearson  Stofftransport über Membranen passiv aktiv Carrier-vermittelt Diffusion erleichterte Primär aktiver Transport O2 Diffusion ATP-abhängig CO2 H2O ABC-transporter, hoch-affin Glycerol Sekundär aktiver Transport PMF-abhängig, geringe Affinität Antiporter, Symporter,Uniporter Kapazität PMF Phosphotransferase-System (PTS) = Gruppentranslokation PTS ABC Affinität  Ak琀椀ver Transporter: Sä琀 gungsgrad schneller erreicht bei geringerer externer Substratkonzentra琀椀on passiv aktiv Carrier-vermittelt Diffusion erleichterte Primär aktiver Transport O2 Diffusion ATP-abhängig CO2 H2O ABC-transporter, hoch-affin Glycerol Sekundär aktiver Transport PMF-abhängig, geringe Affinität Antiporter, Symporter,Uniporter Phosphotransferase-System (PTS) = Gruppentranslokation Aus: Michael T. Madigan, John M. Martinko u.a.; Brock Mikrobiologie,13 th edition (2013), Pearson Passiver Transport durch erleichterte Diffusion: Aquaporine transportieren H2O Wasser-Transport erfolgt entlang dem Konzentrationsgradienten Passiver Transport durch erleichterte Diffusion: Glycerintransport durch GlpF-Kanal Glycerintransport entlang dem Konzentrationsgradienten Ak琀椀ver Carrier-vermi琀琀elter Transport Für Konformationsänderung des Transporters nach Substratbindung ist Energie notwendig!  Ak琀椀ver Carrier-vermi琀琀elter Transport Sekundärer Transport Außen Innen Energiequelle: PMF Gruppentranslokation = Phosphotransferase-System Phosphoenol- pyruvat= PEP Primärer Transport ATP Aus: Michael T. Madigan, John M. Martinko u.a.; Brock Mikrobiologie,13 th edition (2013), Pearson  1) Ak琀椀ve primäre ATP-abhängige Transporter: ABC transporter ABC = ATP-binding cassette (ATPase subunit) Aus: Michael T. Madigan, John M. Martinko u.a.; Brock Mikrobiologie,13 th edition (2013), Pearson Ak琀椀ve primäre ATP-abhängige Transporter: ABC transporter  Examples of ABC-transporters Drugs Nutrient uptake: Toxin/ Drug Sugars, ions, amino acids, exporter ABC transporters: the power to change Douglas C. Rees, Eric Johnson & Oded Lewinson Vitamins, siderophores Nature Reviews Molecular Cell Biology 10, 218- 227 (March 2009)  2) Aktiver sekundärer PMF-abhängiger Transport Energie durch proton-motive-force (PMF) Protonentransport mit Transport von anderen Ionen oder Zuckern gekoppelt entgegen dem Konzentrationsgradienten Aus: Michael T. Madigan, John M. Martinko u.a.; Brock Mikrobiologie,13 th edition (2013), Pearson  Ak琀椀ver PMF-abhängiger sekundärer Transport: Beispiele für Symporter und An琀椀porter Energetisierte hydrophile Poren mit Substratbindestelle uniporter LacY Aus: Michael T. Madigan, John M. Martinko u.a.; Brock Mikrobiologie,13 th edition (2013), Pearson  Ak琀椀ver PMF-abhängiger sekundärer Transport: Mul琀椀drug-E昀툀ux-pumps RND-family= Resistance,Nodulation, division Piddock L J V Clin. Microbiol. Rev. 2006;19:382-402  Ak琀椀ver PMF-abhängiger sekundärer Transport: Lactose-Aufnahme durch Lactose-Permease (LacY) Die Nutzung der PMF für ATP-synthese, sekundäre Transporter und Flagellenrota琀椀on NADH2 NAD+  3) Ak琀椀ver Transport: Gruppentransloka琀椀ons-System Das Phosphotransferase-System (PTS) Aus: Michael T. Madigan, John M. Martinko u.a.; Brock Mikrobiologie,13 th edition (2013), Pearson Ak琀椀ver Transport: Gruppentransloka琀椀ons-System Das Phosphotransferase-System (PTS)  Zusammenfassung: Struktur und Funk琀椀on der Zytoplasmamembran Die Cytoplasmamembran besteht aus Phospholipiden, die eine Doppelschicht bilden, hydrophobe Fe琀琀säuren innen, hydrophile Glycerolphosphate außen (Esterbindungen!) Cytoplasmamembran der Archaea enthält Glyceroldiether mit Isopreneinheiten (Phytanyl und Biphytanyl), teilweise als Monoschicht bei hyperthermophilen Archaea (Schutz vor Hitze, „Auseinanderschälen“ verhindert) Funk琀椀on: Cytoplasmamembran ist eine selek琀椀ve Permeabilitätsbarriere, ermöglicht Transport von Nährsto昀昀en und Energiespeicherung durch Proton mo琀椀ve force (PMF) Sto昀昀aufnahme über Membrantransporter für Zucker, Ionen - passiv Carrier-vermi琀琀elt über erleichterte Di昀昀usion (Aquaporine: H2O, GlpF: Glycerin) mit dem Konzentra琀椀onsgradienten, ohne Energie - ak琀椀v Carrier-vermi琀琀elt über primäre Transporter (ABC), sekundäre (PMF) und das PTS (Gruppentransloka琀椀on) entgegen einem Konzentra琀椀onsgradienten, energieabhängig 2) Bau und Funk琀椀on der Zellwand  Die Zellwände der Bakterien Aus: Michael T. Madigan, John M. Martinko u.a.; Brock Mikrobiologie,13 th edition (2013), Pearson  Die Zellwände der Bakterien GRAM-POSITIVE BAKTERIEN GRAM-NEGATIVE BAKTERIEN Aus: Michael T. Madigan, John M. Martinko u.a.; Brock Mikrobiologie,13 th edition (2013), Pearson Die Gramfärbung: Unterscheidung Gram-/+ Bakterien  Die Gramfärbung: Unterscheidung Gram-/+ Bakterien Der Iod-Kristallviolett-Komplex wird in die dicke Peptidoglycanschicht der Gram-positiven Bakterien eingelagert und durch Ethanol nicht ausgewaschen Ethanol dehydratisiert die dicke Peptido- glycanschicht, so dass die eingelagerten Farbstoffkomplexe sogar stabilisiert werden Iod-Kristallviolett wird dagegen aus der lipophilen LPS-schicht von Gram-negativen durch Ethanol herausgewaschen  Das Glykantetrapeptid: Baustein des Peptidoglykans Abb 3.16 Aus: Michael T. Madigan, John M. Martinko u.a.; Brock Mikrobiologie,13 th edition (2013), Pearson  Struktur des Peptidoglykan-Grundgerüstes E. coli  Das Peptidoglykan von E. coli und S. aureus Besonderheiten: Gram-neg: DAP Gram-pos: L-Lysin+ Pentaglycinbrücke Abb 3.17 Aus: Michael T. Madigan, John M. Martinko u.a.; Brock Mikrobiologie,13 th edition (2013), Pearson  Struktur der Gram-positiven bakteriellen Zellwand (a) heteropolymeric cell wall; (b) cell wall in the processes of turnover (c) cytoplasmic membrane - 50 nm dick, hoch-vernetzter Mureinsacculus - übersteht einen Zellinnendruck von 20 bar (E.coli übersteht nur einen Turgor von 3–10 bar) Aus: Michael T. Madigan, John M. Martinko u.a.; Brock Mikrobiologie,13 th edition (2013), Pearson  Struktur der Gram-posi琀椀ven bakteriellen Zellwand Pep琀椀doglykanstränge Teichonsäuren= Polyribitolphosphate oder Polyglycerolphosphate Abb 3.18 Aus: Michael T. Madigan, John M. Martinko u.a.; Brock Mikrobiologie,13 th edition (2013), Pearson  Gram-posi琀椀ve Zellwand aus Pep琀椀doglykan und Teichonsäuren Lipoteichonsäuren Phosphatreiche Teichonsäuren für negative Ladung der Zellwand verantwortlich ! Aus: Chapters 20, Essen琀椀als of Glycobiology, 2nd Edi琀椀on, CSH press Struktur der Teichonsäuren der Gram-posi琀椀ven bakteriellen Zellwand Streptococcus pyrogenes Teichonsäuren= Polyglycerol- Phosphate Aus: Chapters 20, Essen琀椀als of Glycobiology, 2nd Edi琀椀on, CSH press  Funk琀椀onen der Gram-posi琀椀ven Zellwand Lysozym spaltet die -1,4-glycosidischen Bindung zwischen GlcNAc und MurNAc Folge: a) Lyse in hypotonischen Medium und b) Protoplasten in isotonischen Medium Funktion der Zellwand: Aufrechterhaltung des Zellinnendruck (Turgor) von 20 bar! Zellwand verhindert, dass Zelle lysiert in hypo- osmotischen Medium ! Aus: Michael T. Madigan, John M. Martinko u.a.; Brock Mikrobiologie,13 th edition (2013), Pearson  Funk琀椀onen der Gram-posi琀椀ven Zellwand Aufrechterhaltung des Zellinnendruck (Turgor)! Zellwand verhindert, dass Zelle lysiert in hypoosmo琀椀schen Medium ! Druck eines Autoreifen: Turgor einer Gram-positiven 2 bar Zelle: 20 bar ! Abb 3.15e Aus: Michael T. Madigan, John M. Martinko u.a.; Brock Mikrobiologie,13 th edition (2013), Pearson  Hemmung der Transpep琀椀dasen durch Penicilline Penicilline = ß-Lactamantibiotika Transpep琀椀dasen katalysieren Quervernetzung zwischen den Pep琀椀dseitenke琀琀en benachbarter Pep琀椀doglykanstränge Transpeptidase Transpep琀椀dasen sind Penicillinbindeproteine (PBPs), werden durch Penicillinbindung gehemmt Aus: Michael T. Madigan, John M. Martinko u.a.; Brock Mikrobiologie,13 th edition (2013), Pearson  Biosynthese der Zellwandbiosynthese und Lipid-II Maskieren von Substraten der Pep琀椀doglykanbiosynthese: Vancomycin Bacitracin Nisin Hemmung von Enzymen der Pep琀椀doglykanbiosynthese: Fosfomycin Cycloserin Beta-Lactaman琀椀bio琀椀ka ac et al., Mol Microbiol. 2008: 70(6):1307-22 ://doi.org/10.1111/j.1365-2958.2008.06483.x  Struktur der Gram-negativen Zellwand mit äußerer Membran und LPS Aus: Michael T. Madigan, John M. Martinko u.a.; Brock Mikrobiologie,13 th edition (2013), Pearson Struktur der Gram-negativen Zellwand mit äußerer Membran und LPS  Struktur und Funk琀椀on des Lipopolysaccharids (LPS) Kernpolysaccharid und Lipid A weitgehend konserviert O-spezi昀椀sches Polysaccharid unterschiedlich bei verschiedenen Spezies Lipid A ist toxisch nach Freisetzung: Endotoxin (toxic shock syndrome): starke Entzündungsreak琀椀on, Vasodilata琀椀on, Thrombenbildung Lipid A Phosphate machen nega琀椀ve Ladungen aus, bei pathogenen wird Lipid A häu昀椀g modi昀椀ziert, dies ist zum Überleben im Wirt wich琀椀g ! GlcN: Glucosamin, KDO:Ketodesoxyoctonat, Glu-Nac: N-Acetylglucosamin Aus: Michael T. Madigan, John M. Martinko u.a.; Brock Mikrobiologie,13 th edition (2013), Pearson  Kationische antimikrobielle Peptide (CAMPs = Defensine) werden von Neutrophilen und Epithelzellen produziert CAMPs ++ - CAMPs binden an negative Ladungen von Phosphaten der Membran, Teichonsäuren und Lipid A und lysieren die pathogenen Bakterien ! Nature Rev. Immunol. 3:710-710 (2003)  Modification of the bacterial cell envelope components involved in CAMP resistance Aminoarabinose D-Ala D-Lysin Fatty acid Peschel, A. Trends in Microbiology, Volume 10, Issue 4, 1 April 2002, Pages 179-186 https://doi.org/10.1016/S0966-842X(02)02333-8  Porine: Kanalproteine in der äußeren Membran Transporter mit beta-barrel Strukturen zum Transport von Ionen, Nährstoffen und zum Efflux von Antibiotika durch die äußere Membran Aus: Michael T. Madigan, John M. Martinko u.a.; Brock Mikrobiologie,13 th edition (2013), Pearson  Struktur der Zellwand von Archaea: Pseudomureinbausteine Aus: Michael T. Madigan, John M. Martinko u.a.; Brock Mikrobiologie,13 th edition (2013), Pearson  Kristalline Zellober昀氀ächen: Surface-Layers (S-layer) Archaea and some Gram+ bacteria contain cell wall-associated glycoproteins at their surfaces, which are located in regular arrays: S-layers Albers & Meyer, Nature Rev Microbiol 9: 414–426 (2011) doi:10.1038/nrmicro2576  Biological func琀椀ons of the S-layer protec琀椀on against bacteriophages resistance against low pH protec琀椀on against ly琀椀c enzymes stabilisa琀椀on of the membrane adhesion sites for exoproteins Aus: Michael T. Madigan, John M. Martinko u.a.; Brock Mikrobiologie,13 th edition (2013), Pearson  Zusammenfassung: Struktur und Funk琀椀on der Zellwand Zellwände der Bakterien enthalten Pep琀椀doglykan, Grundbaustein ist Glycantetrapep琀椀d, besteht aus GlcNAc-MurNAc-Bausteinen, welche über Tetrapep琀椀de in benachbarten Pep琀椀doglykansträngen quervernetzt ist Gram-posi琀椀ve Bakterien besitzen mehrschich琀椀ge Pep琀椀doglykan-Zellwand, Gram-nega琀椀ve Bakterien besitzen ein-zweischich琀椀ge dünne Pep琀椀doglykan-Zellwand Funk琀椀on der Gram-posi琀椀ven Zellwand: Aufrechterhaltung des Zellinnendrucks (Turgor), Platzen der Zelle wird verhindert in hypo-osmo琀椀schen Medium Lysozym spaltet die ß-1-4-glykosidische Bindungen im Pep琀椀doglykan und Penicillin hemmt die Transpep琀椀dasen (PBP) für die Quervernetzungen der Pep琀椀dseitenke琀琀en Gram-nega琀椀ve Bakterien haben äußere Membran aus LPS, Protein und Lipoproteinen. Periplasma be昀椀ndet sich zwischen äußerer und Cytoplasmamembran. LPS wird als Endotoxin bei Gram-nega琀椀ven Pathogenen freigesetzt, kann toxic-shock- Syndrom verursachen; wird häu昀椀g modi昀椀ziert in Pathogenen zur Abwehr gegen die Immunantwort (Defensine) Zellwände von Archaea bestehen aus Pseudomurein, Polysacchariden und S-Layern und bieten Schutz vor osmo琀椀scher Lyse  3) Speichersto昀昀e, Geißeln, Endosporen  Speichersto昀昀e: Poly-ß-Hydroxybu琀琀ersäure z.B. in Ralstonia eutropha Abb 3.26 Aus: Michael T. Madigan, John M. Martinko u.a.; Brock Mikrobiologie,13 th edition (2013), Pearson  Geißeln, Fimbrien und Pili Geißeln ermöglichen die Motilität, z.B. Bewegung zu Nährstoffquellen Fimbrien sind für die Adhäsion an Oberflächen wichtig, z.B. für Biofilmbildung und Anheftung an Wirtszellen bei pathogenen Bakterien Abb 3.24, 3.25 Aus: Michael T. Madigan, John M. Martinko u.a.; Brock Mikrobiologie,13 th edition (2013), Pearson Geißeln (Flagellen)  Flagellenrotation durch PMF angetrieben Aus: Michael T. Madigan, John M. Martinko u.a.; Brock Mikrobiologie,13 th edition (2013), Pearson Fortbewegungsweise bei peritrich und polar begeißelten Prokaryonten Abb 3.44 Aus: Michael T. Madigan, John M. Martinko u.a.; Brock Mikrobiologie,13 th edition (2013), Pearson  Chemotaxis bei peritrich begeißelten E. coli Aus: Michael T. Madigan, John M. Martinko u.a.; Brock Mikrobiologie,13 th edition (2013), Pearson  Messung der Chemotaxis im Kapillarversuch Chemotaxis can be detected on low-agar swimming/swarming plates Chemotaxis can be quantified by the capillary assay Aus: Michael T. Madigan, John M. Martinko u.a.; Brock Mikrobiologie,13 th edition (2013), Pearson  Bakterielle Endosporen Dauerformen (Ruhestadien) Überleben bei Hitze und Nahrungsmangel Abb 3.33 Aus: Michael T. Madigan, John M. Martinko u.a.; Brock Mikrobiologie,13 th edition (2013), Pearson  Bakterielle Endosporen-Bildner: Bacillus und Clostridium Gram-posi琀椀ve Bakterien, die Endosporen bilden: Bacillus sub琀椀lis (Modellbakterium) Bacillus anthracis (Erreger des Milzbrand) Bacillus thuringiensis (Insekten pathogen, Bt Toxin) Clostridium tetani (Erreger des Tetanus) Clostridium botulinum (Erreger des Botulismus) Clostridium pasteurianum (apathogen) Clostridium di昀케cile (Erreger der In昀氀ammatorischen Darmentzündung)  Dipicolinsäure (DPA) und Small acid soluble proteins (SASPs) Small acid-soluble (spore) Der Ca2+-DPA-Komplex: proteins 10% der Trockenmasse der Spore SASPs binden DNA, schützen vor UV-Strahlung und Hitze bindet Wasser, dehydratisiert die Spore SASPs Energie- und C-quelle schützt DNA vor Denaturierung während des Auskeimens Abb 3.36 Aus: Michael T. Madigan, John M. Martinko u.a.; Brock Mikrobiologie,13 th edition (2013), Pearson  Stadien der Endosporenbildung Abb 3.37 Aus: Michael T. Madigan, John M. Martinko u.a.; Brock Mikrobiologie,13 th edition (2013), Pearson