Ultrastruktur von Mikroorganismen

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1 R.Rachel, Univ. Regensburg Ultrastruktur von Mikroorganismen Reinhard Rachel Juni 2009 Größenvergleich 0.1 nm (1 Å): ein Atom 1 bis 4 nm: DNA, RNA, kleine Proteine nm: Proteinkomplexe (Proteasen), Ribosomen, Thermosom, Proteasom, 100 nm: Viren ( nm) 1000 nm = 1 µm: Bakterienzellen: viele Kokken; Durchmesser von ein bis zwei Stäbchen; 1 bis 2 Mitochondrien 10 µm: zwei Hefezellen; Amöbe 100 µm: ein Glomerulum in der Niere (Maus); Kopfhaar; Schreibpapier 1 mm: e.g. der Fadenwurm Caenorhabditis elegans (65 x 1000 µm), der aus ca Zellen aufgebaut ist 1

2 Größenvergleich Größenvergleich Bakterium 1000 nm = 1 µm Hefe 100 nm 1000 nm = 1 µm DNA 10 nm IgG Amöbe 1 µm 2

3 Zellformen Fig. 4.1 Brock: Kokke, Stäbchen, Spirille Spirochäte, Bakterien mit langen Fortsätzen, filamentöse Bakterien Zellformen Stäbchen, begeißelt: Aquifex pyrophilus (Größe: etwas kleiner als Escherichia coli) Kokken, in Tetraden: Deinococcus radiodurans Pyrococcus furiosus 11 µm µm 1 µm 1 µm Thermofilum pendens 1 µm 3

4 Zellgröße und Zellvolumen Stäbchen, begeißelt: Aquifex pyrophilus (Größe: etwas kleiner als Escherichia coli) Das Archaeum Ignicoccus hospitalis; Durchmesser: 2 µm (chemolithoautotroph; Schwefel reduzierend), zusammen mit dem kleinsten heute bekannten Archaeum, Nanoarchaeum equitans; Durchmesser: 0.4 µm = 1/1000 von Thiomargarita Ignicoccus Nano 1 µm 1 µm Ignicoccus hospitalis und Nanoarchaeum equitans, in der 400 µm 1 µm selben Skalierung wie Thiomargarita Thiomargarita namibiensis, ein riesiges Bakterium; Durchm.: 400 µm (chemolithoautotroph; Schwefel reduzierend) Zellgröße und Zellvolumen Organismus Typ Morphotyp Durchmesser Volumen (µm 3 ) Thiomargarita namibiensis S 0 chemolithotroph Kokken in Ketten 400 bis 750 µm Bis zu 2 x E.coli Volumen Beggiatoa sp. S 0 chemolithotroph Filamente 50 x 160 µm 1 x x 10 5 Lyngbya majuscula Staphylothermus marinus Ignicoccus hospitalis Phototroph; Filamente 8 x 80 µm 4 x x 10 4 Cyanobacterium Chemoorganotroph Kokke 3 bis 15 µm 14 bis bis 900 S 0 chemolithotroph Kokke 1.5 bis 6 µm 1.8 bis bis 56 Magnetobacterium Magnetotaktisch Stäbchen 2 x 10 µm bavaricum Escherichia coli Chemoorganotroph Stäbchen 1 x 2 µm 2 1 Pyrococcus furiosus Chemoorganotroph Kokke 1 µm Nanoarchaeum equitans Unknown (Parasit?) Kokken 0.4 µm x 10 2 Mycoplasma pneumoniae Pathogen Pleomorph 0.2 µm x

5 Zellmembranen im Transmissions Elektronenmikroskop Ultradünnschnitt Fig. 4.4 u. 4.8 Brock Phosphat Glycerol Acyl (B) Phytanyl (A) Protein außen innen Biphytanyl Reste 50 nm Nadine Wasserburger Fettsäure Reste Glycerophosphat Reste Gerhard Wanner Lipid Bakterien 1,2 Glycerol Fettsäureester (C2) o. ether Archaeen 2,3 Glycerol Phytanyl ether (C5; Isoprenyl) Fig Brock Bakterien: Gram positiv, Gram negativ außen innen 5

6 Bakterien: Gram positiv außen Lipoteichonsäurei Peptidoglykan = Murein Cytopl. 8 nm 50 nm Phospholipide 50 nm innen Graham & Beveridge 1994 Matias & Beveridge 2005 Bakterien: Gram negativ außen Lipoprotein LPS äußere Periplasma äußere 8 nm Periplasma Cytopl. 8 nm 50 nm Cytoplasma Phospholipide Porin: trimere Pore Graham & Beveridge 1990 innen Matias, Al Amoudi, Dubochet, Beveridge

7 Bakterien im TEM: Gram positiv, Gram negativ Lipoteichonsäure, Peptidoglykan; (("Periplasma")) außen äußere + LPS + Porine Periplasma + Murein Peptidoglykan Cytoplasma 50 nm innen Technik: Aldehyd Fixierung, Entwässerung bei RT; Bakterien im TEM: Gram positiv, Gram negativ Lipoteichonsäure, Peptidoglykan; "Periplasma" außen äußere + LPS + Porine Periplasma + Murein Cytoplasma 50 nm 50 nm innen Technik: Einfrieren, Gefriersubstitution;

8 Bakterien im TEM: Gram positiv, Gram negativ Lipoteichonsäure, Peptidoglykan; "Periplasma" außen äußere + LPS + Porine Periplasma + Murein 50 nm 50 nm innen Technik: Einfrieren, Kryoschnitte; seit ca Ignicoccus Sulfolobus Phylogenetischer Stammbaum der Archaeen (16S rrna) Methanothermus Pyrolobus Thermoproteus/Pyrobaculum Pyrococcus Archaeoglobus Crenarchaeota Nanoarchaeum Methanococcus Halobacterium Methanosarcina Euryarchaeota Methanospirillum EM-Aufnahmen: R. Rachel & Mitarb. 8

9 Zellwände bei Archaeen Surface Layer, S layer: eine kristalline, meist einlagige Schicht, bestehend aus vielen Tausenden Kopien eines (Glyko )Proteins; bei sehr vielen Spezies der Crenarchaeota (Sulfolobus, Aeropyrum, Staphylothermus, Thermoproteus), und der Euryarchaeota (Pyrococcus u. Thermococcus, Methanococcus, Archaeoglobus, Halobacterium u. Haloferax) Pseudomurein und eine Proteinschicht: stäbchenförmige Methanogene, d.h. Methanobacteriales (Methanothermobacter, Methanothermus) und Methanopyrus eine äußere : Ignicoccus (Desulfurococcales; l Crenarchaeota) Oberflächen von Archaeen (Gefrierätzung) 1 Metallosphaera sedula Thermosphaera aggregans p3, 21 nm Pyrodictium abyssi Kein S-layer erkennbar Pyrolobus fumarii p6, 21 nm p4, 19 nm 9

10 Oberflächen von Archaeen (Gefrierätzung) 2 Methanopyrus kandleri Archaeoglobus veneficus Kein S-layer erkennbar p6 Thermococcus chitonophagus T.acidaminovorans Ferroglobus placidus p6 p6 p4 Pseudomurein im Transmissions Elektronenmikroskop Methanopyrus kandleri Proteinhülle Pseudomurein Cytoplasma Pseudo Murein: hält 2% SDS 100 C aus (>20 min) 10

11 S layer im Transmissions Elektronenmikroskop Pyrobaculum aerophilum S layer: hält 2% SDS 100 C aus (>20 min) S Layer im Vergleich mit Pseudomurein Pyrobaculum aerophilum S layer: hält 2% SDS 100 C aus (>20 min) Methanopyrus kandleri Proteinhülle Pseudomurein S Layer Periplasma Cytoplasma S Layer Periplasma Cytoplasma Cytoplasma Pseudo Murein: hält 2% SDS 100 C aus (>20 min) 11

12 Metallosphaera sedula Archaeelle Kokken im Ultradünnschnitt M. sedula Archaeoglobus fulgidus Thermococcus chitonophagus Pyrobaculum aerophilum Bakterien vs. Archaeen: Surface Layer S Layer: Zellwand Polymer, das aus vielen identischen Kopien eines (Glyko )Proteins besteht; sie sind in Form eines zweidimensionalen Kristalls angeordnet. In vielen Archaeen: das einzige Zellwand Polymer (deutlicher Unterschied zu den meisten Bakterien) Bei den Archaeen werden im Ggs. zu den Bakterien keine S Layer defizienten Mutanten beobachtet (außer: Thermoplasma?); essentielle Schutzfunktion? Bei den Archaeen ist der S layer immer in der Cytoplasma verankert (bei Bakterien: auf/im Peptidoglykan oder in der äußeren ) Pyrodictium abyssi 12

13 Zellwand bei Bakterien und bei Archaeen Gram negative B. Gram positive B. Cren A. Eury A. SL: S-Layer; LPS: Lipopolysaccharid; OM: äußere PG: Peptidoglykan; PP: Periplasma; CPM: Cytoplasmatische Definition S-Layer: Zellwand-Polymer aus (Glyko-)Proteinen, in zweidimensional kristalliner Anordnung Flagellen von Bakterien und Archaeen im Transmissions Elektronenmikroskop Methode: Negativ Kontrastierung Bakterium: Archaeum: Archaeum: Aquifex Metallosphaera Ignicoccus 100 nm 100 nm 100 nm Mittlerer Durchmesser: ca. 20 nm ca. 13 nm 14 nm 13

14 Ignicoccus hospitalis: Zellanhänge wofür? Adhäsion! 2 µm Flagellen von Bakterien und Archaeen Durchmesser des Filaments Motor Salmonella typhimurium (B) Pyrococcus furiosus (A) Ignicoccus hospitalis (A) Ca. 20 nm Ca. 10 nm Ca. 14 nm komplex: Haken; Stator, Rotor mit mehreren Ringen Unbekannt Unbekannt Polymerisation des Am distalen Ende Von der Basis (?) Von der Basis (?) Filaments Transport neuer UE Durch das hohle Filament 'nur' durch die CM dito Export des Proteins Ohne Signalpeptid Mit Signalpeptid Mit Signalpeptid Anzahl u. Masse des 1: ca. 54 kda 3 (?): ca 30 kda 1 (?): 34 kda Flagellin Proteins Glykosylierung Nein Ja? Funktion Motilität; Adhäsion (?) Motilität; Adhäsion an Oberflächen; Zell Zell Interaktion Assembly: movie Adhäsion an Oberflächen 14

15 Zusammenbau des Flagellen Motor von Bakterien Bakterien: Flagellen Motor von Salmonella typhimurium Filament und von Treponema primita Haken Motorkomplex ÄM L Ring ÄM P Ring PG Periplasma + PG MS Ring CM CM 20 nm 15

16 Treponema pallidum SEM Elektronen Tomographie: 2nm Schnitt 2 µm 200 nm Spirillum; µm lang; 0.3 µm dünn Erreger der Syphilis 16