Fachtheorie nach Lernfeldern für Chemielaboranten Teil 3

Transkript

1 Fachtheorie nach Lernfeldern für Chemielaboranten Teil 3 Biochemische und mikrobiologische Arbeiten Angelika Janß Best.-Nr Holland + Josenhans Verlag Stuttgart

2 Bildquellenverzeichnis 1-1 Universität Ulm, Vorlesungssammlung Physik; 1-4 Gilbert, P. u. a. (Hrsg.): Zellbiologie (Grüne Reihe), 2006, Schroedel Verlag Braunschweig; 1-6 Jaenicke, J. (Hrsg.): Biologie heute, 2004, Schroedel Verlag Braunschweig; 1-7 Kampf, M. und Starke, A. (Hrsg.): Biologie heute Arbeitsheft, 2006, Schroedel Verlag Braunschweig; von org/wiki/file:fluorescentcells.jpg; 1-10 Bast, Eckhard: Mikrobiologische Methoden. Eine Einführung in grundlegende Arbeitstechniken, 3. Aufl. 2012, Spektrum Akademischer Verlag; 1-13 Campbell, N.A.: Biologie, Pearson Education, USA 2-6 Mikrobiologische Methoden. Eine Einführung in grundlegende Arbeitstechniken, Bast, Eckhard, 3. Aufl., 2012, Spektrum Akademischer Verlag; 2-7 Angelika Janß, Hamburg; Wikipedia (bacterial lawn) 3-3 Brock: Mikrobiologie, Pearson, USA; 3-4 THALETEC GmbH, alle Rechte vorbehalten; 3-5 Folienserie des Fonds der Chemischen Industrie 20, Frankfurt; 3-7 modifiziert nach Dellweg, Hanswerner: Biotechnologie verständlich, 1994, ISBN ; 3-9 Brock: Mikrobiologie, Pearson, USA 4-4 File:Human-insulin-hexamer-3D-ribbons.png von Wikipedia (Insulina), User Benjah-bmm27 Archivo:Human-insulin-hexamer-3D-ribbons.png 6-1 FIZ CHEMIE Richter, G.: Praktische Biochemie 2003, Thieme-Verlag, Stuttgart; 6-8 BAM Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung; 6-9 Eppendorf AG, Hamburg 7-9 Angelika Janß, Hamburg; 7-13 Angelika Janß; 7-15 Roche Diagnostics GmbH, Mannheim; 7-19 nach Richter, G.: Praktische Biochemie, Georg Thieme Verlag, Stuttgart; 7-20 links Hochschule Hannover, Abteilung Bioverfahrenstechnik, Fakultät Bayrhuber, H. und Kull, U. (Hrsg.): Linder Biologie, 2005, Schroedel Verlag Braunschweig; 8-2 Campbell, N.A.: Biologie, Pearson Education, USA; 8-3 Heinzeller, Büsing: Histologie, Histopathologie und Zytologie für den Einstieg, 2001, Georg Thieme Verlag Stuttgart; 8-4 modifiziert nach Campbell, N.A.: Biologie, Pearson Education, USA; 8-5 Campbell, N.A.: Biologie, Pearson Education, USA; 8-6 oben Nycomed GmbH, Institute of Pharmacology and Preclinical Drug Safety, Barsbüttel; 8-6 unten K. I. Mühlenfeld: Untersuchungen zur Biotransformation und Toxizität mit der Hepatomzellinie Hep G2 im Vergleich zu Primärkulturen der Wistarratte. Dissertation, Humbolt Universität Berlin, 1999; 8-8 Greiner Bio-One GmbH, Frickenhausen, Deutschland, 2011; 8-9 Mühlenfeld, Katrin: Dissertation der Humboldt-Universität zu Berlin, 1999; 8-10 Alcibiades, Wikipedia.de; 8-11 Cytonet GmbH & Co. KG, Weinheim; 8-12 rechts Niedersächsisches Landesamt für Verbraucherschutz und Lebensmittelsicherheit; 8-15 Nycomed GmbH, Institute of Pharmacology and Preclinical Drug Safety, Barsbüttel; 8-18 Prof. Dr. Staudenmaier, Rainer, München; 8-19 Bayrhuber, H., Lucius, E. R. (Hrsg.): Handbuch der praktischen Mikrobiologie und Biotechnik Bd. 2, 1997, Schroedel Verlag Braunschweig; 8-20 Bayrhuber, H., Lucius, E. R. (Hrsg.): Handbuch der praktischen Mikrobiologie und Biotechnik Bd. 2, 1997, Schroedel Verlag Braunschweig; Zeichnungen, sofern nicht oben aufgelistet, wurden von der Firma CMS Cross Media Solutions, Würzburg erstellt. Trotz intensiver Bemühungen ist es uns nicht gelungen, die Urheber einiger Abbildungen zu ermitteln. Die Rechte dieser Urheber werden selbstverständlich vom Verlag gewahrt und berechtigte Ansprüche im Rahmen der üblichen Regelungen abgegolten. 1. Auflage 2013 Die Normblattangaben werden wiedergegeben nach DIN Deutsches Institut für Normung e. V. Maßgebend für das Anwenden der Norm ist deren Fassung mit dem neuesten Ausgabedatum, die bei der Beuth Verlag GmbH, Burggrafenstraße 6, Berlin, erhältlich ist. Dieses Werk folgt der reformierten Rechtschreibung und Zeichensetzung. Das Werk und seine Teile sind urheberrechtlich geschützt. Jede Nutzung in anderen als den gesetzlich zugelassenen Fällen bedarf der vorherigen schriftlichen Einwilligung des Verlages. Hinweis zu 52 a UrhG: Weder das Werk noch seine Teile dürfen ohne eine solche Einwilligung eingescannt und in ein Netzwerk eingestellt werden. Dies gilt auch für Intranets von Schulen und sonstigen Bildungseinrichtungen. Die Verweise auf Internetadressen und -dateien beziehen sich auf deren Zustand und Inhalt zum Zeitpunkt der Drucklegung des Werks. Der Verlag übernimmt keinerlei Gewähr und Haftung für deren Aktualität oder Inhalt noch für den Inhalt von mit ihnen verlinkten weiteren Internetseiten. Holland+Josenhans GmbH & Co. KG, Postfach , Stuttgart, 2011 Telefon: 07 11/ , Fax: 07 11/ verlag@holland-josenhans.de Internet: Umschlagabbildungen: adpic Bildagentur, Bonn; CMS Cross Media Solutions GmbH, Würzburg Technische Umsetzung: CMS Cross Media Solutions GmbH, Würzburg Druck und Bindung: Stürtz GmbH, Würzburg ISBN:

3 Vorwort Die Fachtheorie für Chemielaboranten Teil 3 folgt auf die beiden gleichnamigen Lehrbücher Teil 1 und 2, die bisher in den Verlagen Handwerk und Technik und Holland + Josenhans erschienen sind. Grundlage ist der Rahmenlehrplan für den Ausbildungsberuf Chemielaborantin/Chemielaborant, insbesondere die Lernfelder 14, 17 und 18, die die biologisch orientierten Wahlpflichtqualifikationseinheiten berücksichtigen. Die dort beschriebenen Zielformulierungen sehen ein sachverständiges Arbeiten mit biologischem Material vor, wie es in chemischen Laboratorien normalerweise nicht üblich ist. Deshalb wurden in einem lernfeldübergreifenden Einführungskapitel wichtige zellbiologische Grundlagen dargestellt sowie spezielle biologische Arbeitsmethoden beschrieben. Die 3 Lernfelder wurden sodann in 7 Kapitel unterteilt, die größtenteils unabhängig voneinander sind. Dieser Aufbau gestattet es den Lesern, für sie individuell wichtige Themen leichter aufzufinden und sich die Inhalte zu erarbeiten. Damit kann das Buch auch für die Ausbildung in anderen biologischen und chemischen Laborberufen verwendet werden. Der Zusammenhang zwischen den einzelnen Kapiteln und den Inhalten der Lernfelder und des Ausbildungsrahmenplans ist tabellarisch auf Seite 140 dargestellt. Die naturwissenschaftlichen Grundlagen der Arbeitsmethoden wurden möglichst genau dargestellt, weil sie aus den häufig verwendeten vorgefertigten Kits und den speziellen Geräten oft nicht mehr ersichtlich sind. Obwohl sich die Arbeit von Chemielaborantinnen und Chemielaboranten im Allgemeinen auf die laborpraktische Anwendung mikrobiologischer, biochemischer und molekularbiologischer Methoden beschränken wird, wurde versucht, in geraffter Form auch auf die biologischen Zusammenhänge im lebendigen Organismus einzugehen, um die große Bedeutung dieser Arbeiten herauszustellen. Für detailliertere Informationen sei auf Lehrbücher der Biologie verwiesen. Die Autorin dankt beiden Verlagen für die Unterstützung. Sie und der Verlag Holland + Josenhans bitten die Benutzer des Buches um kritische Hinweise. Die Verfasserin

4 Inhaltsübersicht 1 Charakterisierung und Untersuchung lebender Zellen und ihrer Inhaltsstoffe Kennzeichen des Lebens Feinbau von Zellen Aufbau eukaryotischer Zellen Aufbau prokaryotischer Zellen Inhaltsstoffe der Zelle Proteine Lipide Fette Phospholipide Steroide Kohlenhydrate Monosaccharide Disaccharide Polysaccharide Nucleinsäuren Mikroskopische Untersuchung von Zellen Lichtmikroskopie Vergrößerung und Beleuchtung Auflösung Kontrast Fluoreszenz mikroskopie Elektronen mikroskopie Zellaufschluss und Zellfraktionierung Zellaufschlussverfahren Mechanische Aufschlussverfahren Nicht-mechanische Aufschlussverfahren Zellfraktionierung durch Zentrifugation Aufgaben Durchführung mikro biologischer Arbeiten Wesen der Mikroorganismen Bedeutung Größe Produktivität Stoffwechselvielfalt und Anpassungsfähigkeit Reizbarkeit und Bewegung Lebensräume und Wachstumsbedingungen Ernährungsweisen Autotrophe und heterotrophe Ernährung Phototrophe und chemotrophe Energiegewinnung Lithotrophe und organotrophe Stoffwechselreaktionen Lebensräume ph-abhängigkeit Sauerstoffverträglichkeit Temperaturabhängigkeit Kultivierung Nährmedien Sauerstoff Temperatur Wachstum und Vermehrung Hemmung des Wachstums Sterilisation und Desinfektion Sterilfiltration Sterilwerkbänke Sterilisation durch Hitze Autoklavieren (Dampfsterilisation) Heißluftsterilisation Ausglühen und Abflammen Bestrahlung

5 2.3.5 Desinfektionsmittel Antibiotika Wichtige Mikroorganismen und Viren Nomenklatur Pilze Schimmelpilze Hefen Wichtige Vertreter der Schimmelpilze und Hefen Bakterien Besonderheiten von Bakterien Wichtige Vertreter Viren Untersuchung von Mikroorganismen Gewinnung und Reinigung von Mikroorganismen Gewinnung von Mikroorganismen Reinigung der Kulturen Charakterisierung der Kolonien Mikroskopische Untersuchung Gramfärbung Hängender Tropfen Bestimmung von Zellzahl und Bakteriendichte Lebendzellzahl = Keimzahl Gesamtzellzahl Trübungsmessung Identifizierung Kohlenhydratabbau Oxidation und Fermentation Oxidase und Katalase Indol Hemmstofftests Agardiffusionstest Reihenverdünnungstest Mikrobiologische Sicherheitsanforderungen Vorschriften Biologische Agenzien Technische Schutzmaßnahmen Aufgaben Durchführung bio technologischer Arbeiten Arbeitsgebiete der Biotechnologie Zellwachstum und Produktbildung Parameter und Berechnungen Zellzahl Zellmasse Wachstumsphasen und Produkte Bioreaktoren und Verfahren Bioreaktoren Maßstabs vergrößerung Verfahren und Betriebsweisen Emers- und Submersverfahren Kontinuierliche und diskontinuierliche Fermentation Aufarbeitung der Produkte Wichtige Produkte und Prozesse Gärungsprodukte Hefe und Ethanol Milchprodukte und Silagefutter Essig Antibiotika Penicilline Weitere Antibiotika Organische Säuren und Aminosäuren Citronensäure Glutaminsäure Enzyme Amylasen und Proteasen Alkohol-Dehydrogenase Abwasser reinigung Erzlaugung Aufgaben

6 4 Durchführung bio chemischer Arbeiten Eigenschaften und Unter suchung von Aminosäuren Säure-Base-Eigenschaften und isoelektrischer Punkt Pufferwirkung Isoelektrischer Punkt Auftrennung und Nachweis Dünnschichtchromatografie DC Ionenaustauschchromatografie Elektrophorese Gel-Elektrophorese Polyacrylamidgel-Elektrophorese = SDS-PAGE Isoelektrische Fokussierung IEF Quantitative Bestimmung Spektroskopisch durch UV-Absorption Kolorimetrisch durch Absorption von sichtbarem Licht Methoden zur Isolierung, Reinigung und Analyse von Proteinen Aufgaben Eigenschaften und Nachweis von Peptiden Aufbau der Peptidbindung Aminosäuresequenz Geometrie der Peptidbindung Nachweis der Peptidbindung durch Biuretreaktion Aufbau und Eigenschaften von Proteinen Räumliche Strukturen Primärstruktur Sekundärstruktur Tertiärstruktur Quartärstruktur Proteinfaltung und Konformation Denaturierung Molekülmasse und physikalisch-chemische Eigenschaften Molekülmasse Physikalisch-chemische Eigenschaften Einteilung der Proteine Isolierung, Reinigung und Analyse von Proteinen Isolierung und Reinigung Ausfällung Dialyse Trennung von Proteingemischen Gelfiltration Durchführung immunologischer und diagnostischer Arbeiten Enzyme Wirkungsweise von Enzymen Katalyse Spezifität Reaktionsbedingungen Temperatur ph-wert Ionenstärke Cofaktoren Zusammenwirken von Enzym und Cosubstrat Einteilung der Enzyme und Cofaktoren und wichtige Beispiele Enzyme Cofaktoren Enzymaktivität und Enzymkinetik Aktivität Enzymkinetik Hemmung von Enzymen Enzymatische Analysen Prinzip

7 5.4.2 Bestimmung von Ethanol Bestimmung verschiedener Zucker nebeneinander Bestimmung der Amylase-Aktivität Aufgaben Durchführung immunologischer und diagnostischer Arbeiten Immunglobuline Wichtige Bestandteile des Immunsystems Antikörper Klassen von Antikörpern Gewinnung von Antikörpern Antigene Antigen-Antikörper-Reaktion Bindungsstärke Visuelle Auswertung Spezifität Biologischer Exkurs Wie wehrt der menschliche Organismus Krankheitserreger ab? Immunologische Testverfahren Grundlagen Immunpräzipitation Immundiffusion Immunelektrophorese Quantitative Immunoassays Radioimmunoassay (RIA) Enzyme-linked Immunosorbent Assay (ELISA) Direkter ELISA Kompetitiver ELISA Sandwich-ELISA Immunoblot = Western-Blot Aufgaben Durchführung molekularbiologischer Arbeiten Aufbau der Nucleinsäuren Bausteine der DNA Nucleoside Nucleotide Polynucleotide Aufbau der RNA Räumliche Struktur der DNA Molekülgröße Biologischer Exkurs 1 Wie kann ein Molekül Informationen speichern? Isolierung von DNA aus Zellen und Aufreinigung Gewinnung von DNA durch klassische Extraktion Gewinnung von DNA mit einem Präparationskit Spezielle Präparationsmethoden Plasmid-DNA Pflanzen-DNA Messung der DNA-Konzentration Untersuchung der DNA Vervielfältigung Identische Replikation der DNA in der Zelle Vervielfältigung von DNA-Abschnitten durch Polymerasekettenreaktion Sequenzierung Analyse der Produkte durch Elektrophorese Gel-Elektrophorese Kapillar-Gel-Elektrophorese Biologischer Exkurs 2 Wie wird die genetische Information in Produkte umgesetzt? Nucleinsäuren in der Diagnostik Blotting-Verfahren

8 7.4.2 Hybridisierung mit Gensonden Mikroarrays Gentechnische Operationen Schneiden und Verbinden von DNA-Molekülen Schneiden mit Restriktionsenzymen Verbinden mit Ligase Rekombinante DNA Einführen von DNA in Bakterienzellen Molekulare Klonierung Vektoren Transformation Kompetente Zellen Nachweis einer erfolgreichen Klonierung puc-plasmide Blau-Weiß-Selektion = blue-white-screening Anwendungen Produkte gentechnisch veränderter Bakterien Gentechnisch veränderte Nutzpflanzen Gentechnische Sicherheitsanforderungen Gentechnikgesetz Weitere Vorschriften Aufgaben Durchführung zellkulturtechnischer Arbeiten Besonderheiten eukaryotischer Zellen Zellkern und Chromosomen Chromosomensatz Feinbau der Chromosomen Wachstum und Zellteilung Alter und Tod von Zellen Differenzierung von Zellen und Typen von Geweben Gewebe tierischer Organismen Gewebe pflanzlicher Organismen Haltung tierischer Zellen im Labor Gewinnung von Zellen Primärkulturen Zelllinien Kultivierung Wachstum und Proliferation Nährmedien Arten von Zellkulturen Routinemethoden im Zellkulturlabor Wechsel des Mediums und Subkultivierung Zellzählung Langzeitlagerung und Kryokonservierung Kontamination Besondere Verfahren Produktion größerer Zellmengen Kultur von Hybridomazellen Toxikologische Testverfahren Ablösungsassay Neutralrot-Test MTT-Test LDH-Test Tissue Engineering Pflanzliche Zellkulturen Besonderheiten des pflanzlichen Organismus Kalluskulturen Kultivierung und Fusion von Protoplasten Aufgaben Fachtheorie nach Lernfeldern für Chemielaboranten Teil 3, Aufbau des Buches Sachwortverzeichnis