Allgemeine Mikrobiologie

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1 Allgemeine Mikrobiologie Prof. Dr. sc. nat. Heinz Weide o. Professor für Mikrobiologie, Ingenieurhochschule Köthen Prof. Dr. sc. med. Harald Aurich o. Professor für Biochemie, Physiologisch-chemisches Institut der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg Mit 300 Abbildungen und 47 Tabellen GUSTAV FISCHER VERLAG STUTTGART NEW YORK 1979

2 Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung Wesen und Gegenstand der Mikrobiologie Definitionen der Begriffe Mikroorganismus und Mikrobiologie Arbeitsgebiete der Mikrobiologie Beziehungen der Mikrobiologie zu anderen Wissenschaften Allgemeine chemische Strukturen der Zellbausteine Wasser und Ionen Aminosäuren, Peptide und Proteine Kohlenhydrate Nukleinsäuren Lipide Morphologie, Zytologie Prokaryonten (Bakterien und Blaualgen) Kernäquivalent, Plasmide, Episomen Grundplasma, Bibosomen Membranen Zellwand Kapseln, Schleime Geißeln, Fimbrien, Pili Speicherstoffe, Plasmaeinschlüsse Endosporen Viren Aufbau, Struktur Nukleinsäuren Proteine Entwieklungszyklus Pilze Zellkern Grundplasma, Ribosomen, Vakuolen Mitochondrien Membranen Zellwand, Septen Geißeln, Fimbrien Speicherstoffe, Plasmaeinschlüsse Stoffwechsel Enzyme Wirkungsweise der Enzyme Prinzip der Steady-state-Kinetik HO Mechanismen der Enzymwirkung Enzym-Effektoren Coenzyme Enzym-Klassifizierung 120

3 8 Inhaltsverzeichnis 4.2. Membranpermeation von Stoffen Diffusion Erleichterte Diffusion Aktiver Transport Permease-gekoppelter Transport Phosphotransferase-System Sekretion Regulation von Transportprozessen Prozesse der Energiebereitstellung Hauptwege im Abbau der Monosaccharide Embden-Meyerhof-Weg Horecker-Weg Entner-Doudoroff-Weg Assimilation von Hexosen und 6wertigen Alkoholen Assimilation von Pentosen und öwertigen Alkoholen Abbau von Di- und Polysacchariden Abbau von Reservepolysacchariden Abbau von pflanzlichen Strukturpolysaechariden Abbau von tierischen Polysacchariden Abbau von Disacchariden Abbau von Lipiden, Fettsäuren und Kohlenwasserstoffen Abbau der Triglyceride ^-Oxydation der Fettsäuren Oxydation von n-alkanen Abbau von aromatischen Kohlenwasserstoffen Tricarbonsäure-Zyklus (Citrat-Zyklus) Acetyl-CoA Bilanz und Reaktionsfolge im Tricarbonsäure-Zyklus Regulation des Tricarbonsäure-Zyklus Überproduktion von Zyklus-Intermediaten Biologischer Elektronentransport Gewinnung von brennbarem" Wasserstoff Membranstrukturen und Elektronentransport Proteine der Elektronentransportketten Atmungskette der Eukaryonten Atmungsketten der Prokaryonten Hemmstoffe der Atmungsketten Anaerobe Atmungen mit anorganischen Endakzeptoren Oxydative Phosphorylierung Biolumineszenz Anaerobe Abbauwege und spezielle Gärungen 184 7^ Alkoholische Gärungen 186 H Milchsäuregärungen 188^' Propionsäuregärungen Acetoin-Butandiol-Gärungen Buttersäure-Butanol- und Aceton-Isopropanol-Gärungen 194A Ameisensäure- und Wasserstoffgärungen Methangärungen Glycerolgärungen Unvollständige Oxydationen (,,aerobe Gärungen") 200)^ Bakterielle Photosynthese und autotrophe CO 2 -Fixierung Phototrophe Mikroorganismen Grundprozesse der Photosynthese bei Bakterien Mechanismen der CO 2 -Fixierung 208

4 Inhaltsverzeichnis 9 Anorganische Elektronendonatoren in der Energiegewinnung 210 Oxydation von Ammoniak und Nitrit 211 Oxydation von Schwefelverbindungen 212 Oxydation von Eisen 212 Oxydation von molekularem Wasserstoff 212 Proteolyse und Aminosäureabbau 213 Extrazelluläre Proteolyse 214 Intrazelluläre Proteolyse 215 Desaminierung von Aminosäuren und ihre Umwandlung in Interme diäte zentraler Stoffwechselbahnen 220 Anaerobe Prozesse beim Aminosäureabbau 220 Nukleolyse und Nukleotidabbau ' 222 Depolymerisierung der Nukleinsäuren 222 Abbau der Nukleotide 223 Biosynthesen niedermolekularer Zellbausteine 225 Biosynthese der Hexosen und Hexossderivate 225 Der biosynthetische Embden-Meyerhof-Weg 225 Citrat- und Glyoxylat-Zyklus für die Glukoneogenese 227 Biosynthese von Hexosen über den Horecker-Weg 229 Biosynthese der Hexosen und Hexosederivate aus Glukose 229 Biosynthese von Lipiden und Lipoiden 230 Biosynthese der Fettsäuren 230 Biosynthese der Neutralfette und Phosphatide 236 Biosynthese von Ergosterol und anderen Terpenabkömmlingen Biosynthese von Poly-/?-hydroxybutyrat 241 Biosynthese der Aminosäuren 241 Stickstoffkreisläufe in der Natur 242 Bindung von molekularem Stickstoff 243 Assimilatorische Nitratreduktion 247 Bindung von Ammoniak (Aminierung) 247 Biosynthese der proteinogenen Aminosäuren 248 Aminosäure-Überproduktionen." 262 Biosynthese von permethylierten Aminosäurederivaten 263 Biosynthese der D-Aminosäuren 263 Biosynthese der Nukleotide 263 Biosynthese der Pyrimidinnukleotide 264 Biosynthese der Purinnukleotide 2G7 Biosynthese der Desoxyribonukleotide 268 Nutzung exogener freier' N-Basen und Nukleoside für die Nukleotidbiosynthese 270 Biosynthese von Vitaminen und Coenzymen 270 Biosynthesen von sekundären Metaboliten 278 Pigmente 279 Antibiotika 283 Mykotoxine und mikrobielle Alkaloide 290 Synthese der biologischen Polymeren 292 Identische Reduplikation der DNS... '. 293 Prokaryontische DNS 293 Eukaryontisehe DNS 294 Mechanismus der Replikation 295 Besonderheiten der DNS-Synthese 299 Antibiotika als Hemmstoffe der DNS-Replikation 300 Biosynthese der RNS und Biogenese der Ribosomen 300 Informationsspeicher in der Zelle 300 Mechanismus der Transkription 302

5 10 Inhaltsverzeichnis Antibiotika als Hemmstoffe der Transkription Endaufbereitung (Reifung) der aktiven RNS-Formen Biogenese der Ribosomen Biosynthese der Proteine Funktionen der RNS-Arten in der Proteinbiosynthese Mechanismus der Proteinbiosynthese Antibiotika als Hemmstoffe der Proteinbiosynthese Formierung der Lipoproteide und Membranen Biosynthese der Polysaccharide Grundprinzip der Polysaccharidbiosynthese Biosynthese des Glykogens Biosynthese des Mureins Biosynthese der Lipopolysaccharide bei den Enterobakterien Regulation des Stoffwechsels Stöehiometrische Regulationen Regulation der Enzymaktivität Allosterische Enzyme Interkonvertierbare Enzyme Limitierte Proteolyso von Enzymen Regulation der Enzymbildung Variation der Matrizenaktivität der DNS Variation der Aktivität der RNS-Polymerase Wachstum der'mikroorganismen Nährstoffansprüche, Nährmedien und Wachstumsbedingungen Nährstoffansprüche und Ernährungstypen Nährmedien Äußere Wachstumsbedingungen Selektive Kulturmethoden und Herstellung von Reinkulturen Physiologie des Wachstums Wachstum in statischer Kultur Wachstum in kontinuierlicher Kultur Hemmung des Wachstums Genetik Mutationen Spontane Mutationen Mutantengruppen Genmutationen (Punktmutationen) Chromosomenmutationen Genommutationen Extranukleäre Mutationen Selektion vor) Mutanten Rekombination bei Phagen und Viren Übertragung und Rekombination der Erbanlagen bei Prokaryonten Transduktion Transformation, Transfektion Konjugation, Sexduktion Rekombination der Erbanlagen bei Pilzen Interchromosomale Rekombination Intrachromosomale, intergenische Rekombination Intrachromosomale, intragenische Rekombination 371

6 Inhaltsverzeichnis Systematik Prokaryonten Viren Pilze Angewandte Mikrobiologie Technische Mikrobiologie Produktionsstämme Anlagen, Fermenter Produktgewinnung Produkte Impfstoff- und Heilserumproduktion Mikrobielle Abwasserreinigung Mikrobiologie von Nahrungs- und Futtermitteln Grundlagen und Methoden zur Erhaltung von Nahrungs- und Futtermitteln Verderb von Nahrungs- und Futtermitteln, Lebensmittelvergiftungen Mikrobiologie des Bodens und der Gewässer Organismengruppen, Untersuehungsmethoden Biotope (Lebensräume) Stoffkreisläufe Bedeutung der Boden- und Gewässermikrobiologie Pathogene Mikroorganismen Pathogenität, Infektiosität, Virulenz Krankheitserreger, Normalfloren Epidemiologische Laboratoriumsmethoden Antibiotika und Chemotherapeutika Desinfektion, Sterilisation Immunologie Immunität, Resistenz, Allergie, Immuntoleranz, Immunsuppression Antigene Antikörper Serologische Reaktionen Impfschutz 474 Literatur 477 Sachregister 483 Mikroorganismen-Register 503 Enzymregister 514