Vorlesung Allgemeine Mikrobiologie

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1 Vorlesung Allgemeine Mikrobiologie Mi 12 14, W Was ist Mikrobiologie? Was ist Mikrobiologie 1

2 Terminplan Mittwoch 12-14, W Terminplan 13.4.: H. Cypionka: Einführung 20.4.: E. Rhiel: Zellen der Pro- und Eukaryoten 27.4.: E. Rhiel: Zellen der Pro- und Eukaryoten 4.5.: T. Brinkhoff: Evolution und phylogenetischer Stammbaum 11.5.: B. Engelen: Ausgewählte Prokaryoten 18.5.: B. Engelen: Ausgewählte Prokaryoten 25.5.: M. Könneke: Ausgewählte Prokaryoten 1.6.: M. Könneke: Ausgewählte Prokaryoten 8.6.: L. Berthe-Corti: Angewandte Mikrobiologie 15.6.: L. Berthe-Corti: Angewandte Mikrobiologie 22.6.: M. Müller: Viren 29.6.: K. Palinska: Cyanobakterien 6.7.: A. Gorbushina: Pilze Weitere Infos und Folien unter weitere Infos > Teaching Bücher... VL Allg. Biologie VL Physiologie der Mikroorg. VL Mikrobielle Ökologie 2

3 Grundlagen der Mikrobiologie Bitte um Verbesserungsvorschläge bis Mitte Mai an: Wachstumsexperiment Wachstumsexperiment Wattestopfen Erlenmeyer-Kolben Wasser Magnetstäbchen Sterilisation von Gasen Autoklavieren oder Sterilfiltration von Flüssigkeiten Rolle von Wasser Durchmischung: Rolle von Sauerstoff Wovon sollen die Bakterien wachsen? 3

4 Glucose Glucose C 6 H 12 O 6, <CH 2 O> 6, MW 180 g Genügen Wasser und ein einziges Substrat zum Wachstum einer Kultur? Definiertes Kulturmedium Komponente Konzentration Versorgung mit mm (= mmol/l) Destilliertes Wasser Wasser KH 2 PO 4 2 K, P NH 4 Cl 10 N MgSO 4 2 Mg, S (NaCl Na und Cl bei Kulturmedium Wichtige limitierende Faktoren in der Natur unterstrichen. marinen Organismen) FeSO Fe CaCl Ca Spurenelement- Cu, Mn, Mo, Zn, Lösung <0.001 Co, Ni, Se... im katalytischen Zentrum einiger Enzyme z.b. Glucose 10 C- und Energiequelle ph-wert auf 7.0 einstellen durch Zusatz von Puffer: z.b. Phosphat, je 15 mm KH 2 PO 4 und K 2 HPO 4 oder Bicarbonat, je 15 mm NaHCO 3 und CO 2 ( 20 % CO 2 i.d. Gasphase) 4

5 Schritte im Wachstumsprozess Wachstumsprozess 1 Aufnahme von Glucose => Detektion, Signalkette, Induktion eines Transportsystems => Investition von Energie, bevor Wachstum einsetzt Aufnahme unter gleichzeitiger Veränderung des Moleküls (Aktivierung durch Phosphatgruppe) oder auch zusammen mit Na Ionen Schritte im Wachstumsprozess Wachstumsprozess 2 Metabolismus von Glucose 30 % 70 % z. Vgl. Student: 0% / 100% Erhaltungsstoffwechsel => Umbau und Einbau in die Biomasse, Anabolismus, Assimilation, Biosynthese => Abbau zum Zweck der Energiegewinnung, Katabolismus, Dissimilation, Destruktion 5

6 Transportsysteme Cytoplasma- Membran Katabolismus Anabolismus Metabolismus Metabolismus eines organoheterotrophen Aerobiers => Substrat dient als Baustoff und Brennstoff Atmungskette => Oxidation zu CO 2 ohne Beteiligung von O 2 => Transportsysteme Wesentlich für Energiestoffwechsel => Anabolismus divergent Katabolismus konvergent Beteiligung von O 2 im letzten Schritt Prinzip der chemiosmotischen Energiekonservierung Energiewandlung : elektrochemischer Gradient/chemische Reaktion Bakterium oder Mitochondrium (= ehemaliges Bakterium) => Ein Bakterium enthält nur 6 freie Protonen, kann aber in einer Minute mehrere hunderttausend davon nach außen pumpen und über die ATP- Synthase wieder aufnehmen. 6

7 Bilanz des Katabolismus Glykolyse Bilanz der Dissimilation von Glucose Citronensäure- Cyklus Anabolismus Reduktionsequivalente ("Elektronen") Der Traum der Bakterien... Traum der Bakterien... zwei Bakterien werden! Bakterien gelten als Destruenten, sind aber Weltmeister des Wachstums. Durch Zweiteilung in lebensfähige Tochterzellen sind sie potenziell unsterblich. 7

8 Zellteilung Zellteilung Einfacher Zellcyclus Biomassezunahme, Längenwachstum Replikation des Chromosoms, Auftrennung der Tochtermoleküle Einziehung neuer Membranen und Zellwände Wachstum einer Mikrokolonie 8

9 Der Traum der Bakterien... Potenziell unsterblich? Potenziell unsterblich? Gilt das für alle Bakterien? Wachstumsphasen Wachstumsphasen Die exponenzielle Phase zeigt in der logarithmischen Auftagung einen linearen Anstieg 9

10 Einige Begriffe Begriffe Generationszeit: Zeit, die eine Bakterienzelle für eine Verdopplung braucht (h) Teilungsrate:1/Generationszeit (v, h -1 ) Wachstumsrate: Zuwachs pro Zeit (µ, h -1 ) [ vgl. Zinssatz] Verdopplungszeit: Zeit, die ein Wachstumsparameter zur Verdopplung braucht (t d, h) [Achtung: Zinseszins] Maximale Wachstumsrate µ max : Wachstumsrate während der exponenziellen Phase (h -1 ) Griechisch v sprich 'nü' Griechisch µ sprich 'mü', machmal auch 'mikro' (z. B. µm) Zellzahlen während des exponenziellen Wachstums Zum Merken: 2 10 = 1024» » 1 Million 2 30» 1 Milliarde 1 fl 2 fl 4 fl 8 fl 16 fl 32 fl 64 fl Z = Z 0 * 2 g mit Z 0 = Zellzahl zu Beginn g = Anzahl der Generationen Zellzahlen 10

11 Super-Konto, Zinssatz µ = 100 % pro Jahr Superkonto 1. Januar 100 Euro fi 31.Dezember: 200 Euro 1 / 12 Zuwachs pro Monat + Zinseszins fi : 261 Euro Sofortiger Zuwachs + Zinseszins fi : Euro X t = X 0 e µ. t Logarithmiert: Kontostand = Anfangskapital e Zeit Zinssatz µ = (ln x ln x 0 )/(t t 0 ) = ln (x/x 0 )/(t t 0 ) 100 x e Verdopplungszeit Verdopplungszeit X t = X 0 e µ. t Logarithmiert: µ = ln (x/x 0 )/(t t 0 ) Wann hat sich mein Geld verdoppelt (t d )? x/x 0 = 2 ln 2 = µ = ln 2/t d µ = 0.693/t d t d = 0.693/µ Bei sofortiger Verzinsung brauche ich nur einen Zinssatz von 69.3 %, um mein Kapital pro Jahr zu verdoppeln. 11

12 Wachstumsertrag Wachstumsertrag Wieviel Biomasse wird gebildet?. Der Wachstumsertrag ist abhängig von den - katabolischen Stoffwechselwegen bzw. anderen Möglichkeiten der Energiekonservierung - Art der verfügbaren C- und N-Quellen - Energieverbrauch für Erhaltungsstoffwechsel - Limitierenden Faktoren (in der Natur oft N, P, Fe) - Eventuell angehäuften toxischen Produkten Chemostat Chemostat Chemostat erzeugt Fließgleichgewicht (steady state): Wachstumsrate = Verdünnungsrate Zellen werden unter konstanten Bedingungen in einer exponenziellen Phase (mit µ < µ max ) kultiviert Substratkonzentration ständig gering 12

13 Alternative Lebensweisen Alternative Lebensweisen Anorganischer Elektronendonator: H 2, H 2 S, NH 3, CO, Fe 2+, Mn : Lithotrophie Anorganische C-Quelle CO 2 : Autotrophie Licht statt Atmungsprozess zur Protonentranslokation: Phototrophie Alternative Elektronenakzeptoren: NO 3-, SO 4 2-, Fe 3+, Mn 4+, CO 2... : Anaerobe Atmung Ohne externen Elektronenakzeptor, ohne (?) chemiosmotische Energiekonservierung: Gärungen Alternativen meist nur bei Prokaryoten! Lebensweisen Lebensweisen 13

14 Mikrobiologischer Garten fi 14