Vorlesungsthemen Mikrobiologie

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1 Vorlesungsthemen Mikrobiologie 1. Einführung in die Mikrobiologie B. Bukau 2. Zellaufbau von Prokaryoten B. Bukau 3. Bakterielles Wachstum und Differenzierung B. Bukau 4. Bakterielle Genetik und Evolution V. Sourjik 5. Mikrobielle Vielfalt und Ökologie V. Sourjik 6. Medizinische Mikrobiologie V. Sourjik 7. Gentechnik und industrielle Mikrobiologie V. Sourjik Seite 1

2 Zellaufbau von Prokaryoten 1. Zellstrukturen von Prokaryoten: Unterschiede zu Eukaryoten 2. Aufbau der Zellhülle von Bakterien und Archaea - Cytoplasmatische Membran - Die Zellwand - Gram-Färbung - Aussenmembran von Gram-negativen Bakterien 3. Kapseln 4. Pili 5. Flagellen (Geißeln) - Aufbau - Geißelbewegung - Chemotaxis Seite 2

3 Kennzeichen zellulären Lebens 1. Kompartimentalisierung und Metabolismus 5. Bewegung 6. Evolution 2. Vermehrung (Wachstum) 3. Differenzierung 4. Kommunikation Achtung: Nur manche Zellen differenzieren und bewegen sich Seite 3

4 Ultrastruktur (EM) von Dünnschnitten der drei Domänen der Mikroorganismen Bacteria Archaea Bäckerhefe Seite 4

5 Repräsentative Zellformen bei Prokaryoten Thiocapsa roseopersicina Spirochaeta stenostrepta Spirochaete Kokken Desulfuromonas acetoxidans Rhodomicrobium annielii Stäbchen Rhodospirillum rubrum Knospende Bakterien und Bakterien mit Appendices Chloroflexus aurantiacus Spirille Filamentöse Bakterien Seite 5

6 Unterschiede zwischen Pro- und Eukaryonten Prokaryont Eukaryont Achtung: unterschiedliche Skalen Prokaryonten: keinen Zellkern, Mitochondrien, Chloroplasten: keine membranbegrenzten Organellen keine Endozytose/Pinozytose: nur einzelne Moleküle werden aufgenommen unterschiedliche biochemische Zusammensetzung, u.a. der Proteine (z.b. Ribosomen), Lipide meist zirkuläres Chromosom und extrachromosomale Elemente (Plasmide) meist haploid, asexuelle Vermehrung meist viel kleiner unterschiedliche Zellhülle Seite 6

7 Die Zellmembran (Cytoplasmamembran): Funktionen Selektive Permeabilitätsbarriere: Osmotische Barriere Selektiver Stofftransport Proteinsekretion Energiegewinnung/Speicherung: Elektonentransportkette Verschiedene Enzyme Signalverarbeitung: Kommunikation mit Umwelt Seite 7

8 Die Zellmembran (Cytoplasmamembran): Aufbau Phospholipiddoppelschicht Verstärkung durch Hopanoide (z.b. Diploptän) keine Sterole (Cholesterol) Integrierte und periphere Membranproteine Flüssige Mosaikstruktur Cholesterol Diploptän Seite 8

9 Die Zellmembran der Archaea keine Hopanoide Ether- statt Esterbindungen keine Fettsäuren sondern Isopren-Bausteine (steifer) kovalent verknüpfte Lipide resistenter gegen Hydrolyse! Lipiddoppelschicht (Bacteria) Lipideinzelschicht (einige Arachaea) Bacteria Archaea Archaea Isopren Seite 9

10 Die Zellwand von Prokaryoten Schutzfunktion: z.b. gegen Detergenzien und amphipathische Substanzen (polar und nicht-polar) Turgordruck (im Zytosol: 2 Atmosphären): mechanische Festigkeit Peptidoglycan: auch Murein genannt 1-25 Schichten in Zellwand von Bacteria (ausser Mycoplasmen) existiert nicht bei Archaea und Eukaryoten Basis für Gram-positive und Gram-negative Klassifizierung Bestandteile: 2 Zuckerderivate (N-Acetylglucosamin; N-Acetylmuraminsäure) besondere Aminosäuren bilden zusammen vernetzte Schichten um die Zelle: Peptidoglycan-Sacculus Seite 10

11 Die Gramfärbung: Einteilung vieler Bakterien Methylenblau und Kristallviolett: kationische (+ geladene) Farbstoffe. Die + geladenen Gruppen reagieren mit der negativ geladenen Baktienhülle. Chlorid (Cl) ist das Gegenion. Gram-positive Zelle: der Kristallviolett-Iodid Komplex wird durch die multiplen Schichten des Peptidoglykans zurückgehalten. Gram-negative Zelle: Komplex läuft aus, Zellen werden gegengefärbt gram-positive (purple): Staphylococcus aureus gram-negative (pink): Escherichia coli Seite 11

12 Die Peptidverknüpfung in Peptidoglykan G, N-Acetylglucosamin M, N-Acetylmuraminsäure E. coli (gram-) Staphylococcus aureus (gram+) Unübliche Aminosäuren: Diaminopimelinsäure D-Aminosäuren (D-Glutaminsäure; D-Alanin) Arten, Anzahl und Stärke der Quervernetzung der Aminosäuren unterscheiden sich von Organismus zu Organismus Seite 12

13 Der Peptidoglycan-Sacculus Isolierter Peptidoglycan-Sacculus von E. coli Glycanketten (Ringe) mit Peptiden verbunden (Pfeile) Seite 13

14 Angriffspunkt von Lysozym In tierischen Sekreten (Tränen, Speichel) als Abwehr gegen Bakterien Lysozym Seite 14

15 Angriffspunkt von ß-Lactam-Antibiotika ß-Lactam-Antibiotika inhibieren die Peptidverknüpfung im Peptidoglycan binden und hemmen Transpeptidasen (verknüpfen Peptidoglycanketten) = Penicillin-Bindeproteine (PBPs) bilden 50% aller Antibiotika: u.a. Penicilline (gram+), Cephalosporine, Ampicillin (gram-) haben ähnliche chemische Grundstruktur Alexander Fleming, Entdecker des Penicillins (1928). Nobelpreis 1945 Penicillin Fleming's originale Agarplatte mit Penicillium-Pilz, der das Wachstum von Bakterien hemmt Seite 15

16 Die Zellwand der gram-positiven Bakterien (z.b. Bacillus subtilis) Teichonsäuren (Zuckeralkohole mit verknüpften Aminosäuren) Viele geladene und polare Gruppen: Resistenz gegen hydrophobe Substanzen Dicke Peptidoglycanschicht: mechanische Stabilität Seite 16

17 Zellwand der Archaea sehr divers am meisten verbreitet ist die S-Schicht: parakristalline Oberflächenschicht aus hexagonalen Proteinen oder Glycoproteinen EM-Aufnahme einer S-Schicht Peptidoglycan-ähnliche Zellwand: Pseudopeptidglycan (andere Zucker) dicke Schichten von Polysacchariden, Glycoproteinen oder Proteinen Seite 17

18 Die Außenmembran der gram-negativen Bakterien Zwei Membrane, Peptidogclycan im Periplasma Seite 18

19 Die Außenmembran der gram-negativen Bakterien Asymmetrische Membran: Lipopolysaccharid (LPS) aussen, Phospholipide innen Permeabilitätsbarriere Porine (Porenproteine) für kleine Moleküle (600 Da) seitlich Porin von oben Struktur des LPS ähnlicher Grundaufbau in gram- Bakterien hohe Variabilität in O-spezifischen Polysacchariden wichtiges Antigen LipidA kann toxisch sein: Endotoxin z.b. Fieber, Diarrhöe: Lebensmittelvergiftung durch Salmonellen Seite 19

20 Zellhülle: Vergleich gram- und gram+ gram-positiv gram-negativ Periplasma - Peptidoglycan - Proteine (Transport, Enzyme, Faltung) - Lipoproteine (Verbindung zu Aussenmembran Seite 20

21 Kapseln, Pili und Flagellen: Wie Bakterien auf ihre Umwelt reagieren können strukturell ähnliche Proteinfilamente (Piline und Adhesine) fast alle gram-, nur wenige gram+ Kapseln und Schleimschichten aus Polysacchariden oder Aminosäuren Schutz vor Austrocknung, Anheftung (Caries-Plaques), Abwehr (Phagocytose), Motilität Pili und Fimbrien) viele physiologische Funktionen, aber jeweils spezialisiert: - Anheftung an Wirtszellen und Oberflächen Salmonella typhimurium - Transfer von Proteinen und DNA (Pili, Konjugation!) in andere Zellen - Motilität (durch Anheftung und Retraktion) Film V. Sourjik Seite 21

22 Fakultät für Biowissenschaften, WS 2009/10 Fortbewegung durch Pili Twitching motility = Zuckende Fortbewegung wie Enterhaken: - Pili adherieren - depolymerisieren von inneren Ende - ziehen die Zelle dadurch zurück Beispiel: Pseudomonas aeruginosa Rowland Institute (Harvard) Seite 22

23 Flagellen (Geißeln) sind molekulare Motoren: Motilität lange, dünne Appendices aus Proteinen Filamentprotein: Flagellin helikal aufgebaut (definierte Biegungen- Wellenlänge) Peritrich Polar Lophotrich (Büschel) Rotationsbewegung durch Basalkörper Energie durch Protonenbewegung durch Cytoplasmamembran und Basalkörper: Protonenturbine, durch Mot-Proteine und Protonengradienten angetrieben Seite 23

24 Aufbau und Funktionsweise eines Flagellums Protonen fliessen durch Mot-Proteine ins Cytosol Mot-Proteine: Geißelmotor Dies erzeugt Kraft, die auf C- und MS-Ringe wirken: Rotationsbewegung (1000 Protonen/Umdrehung) Fli-Proteine: Motorschalter Im Filament und Schaft: schmaler Kanal für Flagellin Seite 24

25 Geißelbewegung Geißelbewegung: 60 Zelllängen/Sekunde Gepard: 25 Körperlängen/ Sekunde (110 km/h) - Uhrzeigersinn (clockwise, CW): Taumeln - Gegenuhrzeigersinn (counterclockwise, CCW): Schwimmen - CCW und CW alternieren in synchroner Weise Wie kann gerichtete Bewegung entstehen? Seite 25

26 Bakterielle Chemotaxis Bewegung entlang eines chemischen Konzentrationsgradienten eintauchen Kapillarentest Salzlösung Farbvideokamera: Bakterien, die sich auf eine O2-produzierende Alge bewegen ( Aerotaxis ) Lockstoff attractant (z.b. Zucker) abstoßender Stoff repellent (z.b. Schwermetalle) Seite 26

27 Gerichtete chemotaktische Bewegung ohne Lockstoff mit Lockstoff zufällige Bewegung zielgerichtete Bewegung: längere Geraden ( Run ; CCW) in Richtung Ziel Wie kann die richtige Richtung von der falschen Richtung unterschieden werden? Seite 27

28 Fakultät für Biowissenschaften, WS 2009/10 Mechanismus der Chemotaxis in E. coli Bakterien nehmen die Bewegung entlang eines chemischen Gradienten durch ein molekulares Gedächtnis war: was ist die Konzentration jetzt, und wie war sie eben? Sensorproteine in der Cytoplasmamembran: Chemorezeptoren binden den Lockstoff Bindung führt zu chemischen Veränderungen an Proteinen im Cytoplasma: Phosphorylierung von Che-Proteinen Phosphorylierungszustand von CheY bestimmt die Rotationsrichtung des Motors Anpassung (Sensitivität gegenüber Lockstoff) durch Methylierung: Uhr wird zurückgesetzt. Seite 28

29 Bakterielles Wachstum und Differenzierung 1. Die bakterielle Zellteilung 2. Wachstum einer Bakterienpopulation 3. Bildung von Endosporen Seite 29

30 Bakterielle Zellteilung durch Zweiteilung Seite 30

31 Die Bildung des Septums Divisom-Struktur am Septum (E. coli) FtsZ-protein (bakterielles Tubulin): bildet Ring am Septum ZipA-Protein verankert FtsZ an Membran FtsI bewirkt Peptidoglykansynthese (Penicillin-Bindeprotein) Teilung und Zellwandsynthese in Streptokokken (gram+) Seite 31

32 Wachstum von Bakterienpopulationen Periode des exponentiellen Wachstums: N = N o 2 n N = endgültige Zellzahl N o = ursprüngliche Zellzahl n = Zahl von Generationen Generationszeit g = t/n t = Dauer des exponentiellen Wachstums Eine konstante Generationszeit resultiert in logarithmischem Wachstum Seite 32

33 Wachstumskurve einer Bakterienpopulation Meßmethoden: optische Dichte (Trübung), Gesamtzahlbestimmung (mikroskopisch; Zählkammer), Lebendzahlbestimmung (ausplattieren auf Agarplatte) Seite 33

34 Umweltfaktoren beeinflussen Wachstum: Temperatur Temperaturspektrum des Wachstums einer Bakterienart Seite 34

35 Zelldifferenzierung bei Bakterien: Endosporen In schwierigen Zeiten, bei besonders widrigen Umweltbedingungen: extreme Temperaturen, Trockenheit, Nährstoffmangel Einige gram+-bakterien, u.a.: Bacillus subtilis (Bodenbakterium) Clostridium tetani (Tenatus Erreger) Clostridium botulinum (Botulismus) Bacillus anthracis (Anthrax = Milzbrand) Endosporen: - Differenzierte Zellen, die sehr resistent sind, u.a. gegen Hitze, Chemikalien, Bestrahlung, Trockenheit - Können leicht verbreitet werden (Wind, Wasser, Kot...) - Extrem langlebig (250 Millionen Jahre!!) - Schwer abzutöten (resistent bis 150 C; Autoklav mit feuchter Hitze und 121 C tötet die meisten E.) - Dicke Hüllschicht; protektive Moleküle für DNA und zur Dehydrierung (Dipicolinsäure, SASPs) Seite 35

36 Die Bildung einer Endospore (B. subtilis) Seite 36

37 Vorlesungsthemen Mikrobiologie Seite 37