Grundlagen der Mikrobiologie

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1 Heribert Cypionka 2008 AGI-Information Management Consultants May be used for personal purporses only or by libraries associated to dandelon.com network. Grundlagen der Mikrobiologie Mit 87 Abbildungen Springer

2 Inhaltsverzeichnis 1 Mikrobiologie - Wissenschaft von unsichtbaren Lebewesen 1 Mikroorganismen und Viren 2 Wissenschaftliche Basis der Mikrobiologie 2 Teilgebiete 2 Auswirkungen auf andere Disziplinen 4 Kleine und große Zahlen 4 Oberflächen-Volumen-Verhältnis 6 Sind die Mikroben primitiv? 7 2 Aufbau der Zelle - der Grundbedarf des Lebendigen 9 Weshalb ist der Frosch grün? 9 Kennzeichen von Leben 10 Aufbau einer Prokaryontenzelle 11 Zellwand 12 Zellmembran 12 DNA 13 DNA-Replikation 15 Transkription und Translation 15 Stoffwechselkatalyse 17 Unterschiede zwischen Prokaryonten und Eukaryonten 19 Einheit der Biochemie 20 Chemische Zusammensetzung der Zelle 22 Makro- und Spurenelemente 23 3 Spezielle Morphologie von Prokaryonten 27 Murein 28 Lysozym und Penicillin 29 Gram-negative und Gram-positive Bakterien 29 Kapseln 29 Geißeln und Pili 30 Chemotaxis 31 Zelleinschlüsse 32 4 Eukaryontische Mikroorganismen 35 Algen 35 Pilze 37 Protozoen 39 Bedeutung von Protozoen an verschiedenen Standorten 42

3 VIII Inhaltsverzeichnis 5 Viren 45 Aufbau von Viren 45 Klassifikation der Viren 47 Lytischer Cyclus eines Bakteriophagen 48 Lysogenie 49 DerPhageQß 49 6 Mikrobiologische Methoden 51 Mikroben sichtbar machen 51 Strahlengang des Mikroskops 52 Hellfeld-Mikroskopie und Färbungen 53 Transmissions-Elektronenmikroskopie 54 Phasenkontrast-Verfahren 55 Polarisation und Interferenz-Kontrast 55 Dunkelfeld 56 Fluoreszenz-Mikroskopie 58 Konfokales Laser-Scanning-Mikroskop 58 Raster-Elektronenmikroskopie 58 Sterilisation 60 Teilentkeimung 60 Kulturmedium 60 Anreicherungskultur 61 Vereinzelung von Zellen 62 Direktisolierung 64 7 Klassifizierung und Grundstruktur des phylogenetischen Stammbaums...67 Taxonomie 67 Artenvielfalt 68 Einordnung einer Reinkultur 68 PCR - Polymerase-Kettenreaktion 70 Sequenzierung von DNA 71 Die ribosomale 16 S-RNA 73 Grundstruktur des phylogenetischen Stammbaums 74 8 Wachstum von Mikrobenkulturen 79 Potentielle Unsterblichkeit und der Traum der Bakterien 79 Exponentielles Wachstum 80 Wachstumsexperiment 82 Wachstumsphasen 83 Kontinuierliche Kultur 84 Erhaltungsstoffwechsel 86 Substrat-Affinität und K s -Wert 86 Turbidostat 86

4 Inhaltsverzeichnis IX 9 Allgemeine Bioenergetik 89 Energieformen 89 Thermodynamische Grundlagen 90 Entropie und Ordnung 92 Widerspricht Leben dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik? 92 Freie Energie 93 Freie Energie von Transportprozessen 93 Freie Energie chemischer Reaktionen 94 Berücksichtigung der tatsächlichen Konzentration der Reaktionspartner 95 Freie Energie von Redoxreaktionen 95 Energiekopplung - der Umweg als biologisches Prinzip 96 ATP als Energiewährung 97 Energieladungszustand der Zelle 98 Mechanismen der ATP-Nutzung 98 Mechanismen der ATP-Regenerierung Transport 103 Semipermeabilität 103 Aufnahme von partikulärer Substanz 104 Aufnahme von Eisen 106 Sekundärer Transport 106 Primärer Transport 108 Zucker-Transport durch Gruppentranslokation Abbau eines Zuckermoleküls 111 Kopplung zwischen Anabolismus und Katabolismus 111 Wachstum mit Glucose als Substrat 112 Energiebedarf für die Assimilation 112 Energieausbeute der Dissimilation 113 Berechnung des zu erwartenden Ertrages 113 Transport und Aktivierung von Glucose 113 Glykolyse 114 Reduktionsequivalente 117 Pyruvat-Oxidation 117 Tricarbonsäure-Cyclus 119 Bilanz der Oxidation von Glucose Regulation 123 Die Bedeutung irreversibler Schritte 123 Regulation der Genexpression 124 Das lac-operon von Escherichia coli 125 Katabolit-Repression 126 Regulation anabolischer Prozesse 126 Attenuation 128

5 X Inhaltsverzeichnis Regulation der Aktivität von Enzymen 128 Pasteur-Effekt 129 Regulation der Enzymaktivität durch chemische Modifikation Elektronentransport und chemiosmotische Energiekonservierung 131 Bilanz der Veratmung von Glucose 133 Prinzip des Elektronentransports 134 Komponenten der Atmungskette 136 Ablauf des Elektronentransports 136 Charakterisierung der Atmungskette 136 Chemiosmotische Energiekonservierung 138 Aufbau von chemiosmotischen Gradienten durch alternative Mechanismen Chemiosmotische Gradienten in Bakterien, Mitochondrien, Chloroplasten 141 Energetische Bewertung des Protonen-Gradienten 142 ATP-Konservierung durch die membrangebundene ATPase 142 Energiebilanz von Atmung und chemiosmotischer ATP-Konservierung Gärungen 147 Prinzip der Gärungen 147 Rolle von Pyravat bei den Gärungen 149 Milchsäure-Gärung 149 Alkoholische Gärung 151 Pyruvat-Ferredoxin-Oxidoreduktase 152 Pyruvat-Formiat-Lyase 153 Buttersäure-Gärung 153 Propionsäure-Gärung 154 Gemischte Säure-Gärung 156 Vergärung von Substratgemischen Anaerobe Atmungsprozesse 159 Nitrat-Reduktion 161 Denitrifikation 162 Dissimilatorische Nitrat-Ammonifikation 163 Sulfat-Reduktion 164 Biochemie und Energiekonservierung bei der Sulfat-Reduktion 167 Vergärung von anorganischen Schwefelverbindungen 168 Schwefel-Atmung 168 Anaerobe Atmung mit Metall-Ionen als Elektronenakzeptoren 169 Reduktion von Kohlendioxid 169 Carbonat-Atmung 171 Methanogenese 171 Biochemie der Kohlendioxid-Reduktion zu Methan 172 Methanogene Acetat-Spaltung 173 Homoacetat-Gärung 175

6 Inhaltsverzeichnis XI 16 Lithotrophie-Verwertung anorganischer Elektronendonatoren 177 Lithotrophie und das Dogma der biologischen Unfehlbarkeit 177 Biochemie und Energiekonservierung aus lithotrophen Prozessen 179 Autotrophie 181 Photosynthese 181 Reaktionen der Photosynthese 182 Assimilatorischer Elektronentransport zur CO 2 -Fixierung 183 Besonderheiten der oxygenen Photosynthese 184 Nutzung von Lichtenergie durch Halobakterien Mikrobielle Ökologie und Biogeochemie 187 Mikrobielle Ökologie und Biogeochemie 187 Wechselbeziehungen in der mikrobiellen Ökologie 188 Konkurrenz um limitierende Ressourcen 188 Methoden der mikrobiellen Ökologie 190 Bestimmung von Anzahl und Biomasse 191 Analyse mikrobieller Lebensgemeinschaften 191 Messung mikrobieller Aktivitäten 193 Aktivitätsberechnung aus Gradienten 193 Kohlenstoff-Kreislauf 195 Effizienz der biogeochemischen Kreisläufe 196 Abbau organischer Substanz 197 Anaerober Abbau 198 Abbau der wichtigsten organischen Verbindungen 200 Xenobiotika 200 Stickstoff-Kreislauf 202 N 2 -Fixierung 202 Assimilation von Stickstoff 203 Nitrifikation, Denitrifikation und dissimilatorische Nitrat-Ammonifikation Schwefel-Kreislauf. * 204 Kreisläufe von Metallen 205 Phosphor-Kreislauf 206 Marine Mikrobiologie 206 Beispiel Nordsee 208 Rolle der Bakterien im Nahrungsnetz der Wassersäule 209 Sedimentation 210 Stoffkreisläufe im Sediment 210 Biosphäre in marinen Sedimenten 212 Mikrobenmatten 212 Süßwasser-Seen 213 Sommerstagnation eines Sees 214 Wirkung von Phosphat auf die Sauerstoffkonzentration 214 Mikrobielle Ökologie des Bodens 215 Beispiel Wiese 215 Mikroflora tierischer Verdauungssysteme 216

7 XII Inhaltsverzeichnis Extremophile Bakterien - Standorte und Anpassungen 217 Stoffwechsel hyperthermophiler Prokaryonten 219 Leben an heißen Tiefseequellen Wie das Leben angefangen haben könnte 225 Entstehung der Erde 225 Spuren des frühen Lebens 226 Urzeugung und primäre Biogenese 227 Uratmosphäre der Erde 227 Molekulare Evolution 228 Gab es zuerst Proteine oder Nukleinsäuren? 228 Organische und anorganische Kohlenstoffquellen 229 Waren die ersten Lebewesen Viren oder Bakterien? 230 Ein plausibles Szenarium 230 Entwicklung größerer Organismen Biotechnologie und Umweltmikrobiologie 233 Biotechnologie 233 Lebensmittelmikrobiologie 234 Industrielle Mikrobiologie 235 Herstellung und Klonierung gentechnisch veränderter Organismen 235 Produkte der industriellen Mikrobiologie 236 Mikrobielle Erzlaugung 238 Umweltmikrobiologie 238 Bodensanierung 239 Behandlung von Abluft 240 Abwasserbehandlung 240 Schritte der Abwasserreinigung 241 Stickstoff-Eliminierung 243 Phosphat-Eliminierung 243 Bei der Abwasserbehandlung nicht entfernte Stoffe 244 Faulturm und Faulschlamm-Entsorgung Humanpathogene Mikroben und Viren 247 Sind die Mikroben unsere Feinde? 247 Mikroflora des Menschen 248 Resistenz und Immunität 249 Infektionsverlauf 249 Bakterien-Ruhr 250 Lebensmittelvergiftung 251 Legionärskrankheit 252 HIV 252 Viroide und Prionen 253 Pathogene Pilze 254

8 Inhaltsverzeichnis XIII Pathogene Protozoen 254 Behandlung von Infektionskrankheiten Hundert Namen, die man kennen könnte 257 Index 263