Inhaltsverzeichnis. Teil 1 Die mikrobielle Zelle 2. Ein Interview mit Alexander Steinbüchel: Perspektiven und Chancen der Mikrobiologie

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1 Inhaltsverzeichnis Über die Autoren Vorwort etopics XV XVII XXV Teil 1 Die mikrobielle Zelle 2 Ein Interview mit Alexander Steinbüchel: Perspektiven und Chancen der Mikrobiologie KAPITEL 1 Mikrobielles Leben: Ursprung und Entdeckung Vom Bazillus zum Genom: Was ist eine Mikrobe? Mikroorganismen gestalten die menschliche Geschichte Medizinische Mikrobiologie Mikrobielle Ökologie Der mikrobielle Stammbaum Zellbiologie und die DNA-Revolution 37 KAPITEL 2 Beobachten von mikrobiellen Zellen Die Beobachtung von Mikroorganismen Optik und die Eigenschaften des Lichts Hellfeldmikroskopie Dunkelfeld-, Phasenkontrast- und Interferenzmikroskopie Fluoreszenzmikroskopie Elektronenmikroskopie Visualisierung von Molekülen 79 KAPITEL 3 Struktur und Funktion der Zelle Die bakterielle Zelle: ein Überblick Die Untersuchung von Zellbestandteilen Die Zellmembran und der Transport Die Zellwand und äußere Schichten Das Nucleoid und die Genexpression Die Zellteilung Spezialisierte Strukturen 119

2 VIII Inhaltsverzeichnis KAPITEL 4 Kultivierung, Wachstum und Entwicklung von Bakterien Mikrobielle Ernährung Aufnahme von Nährstoffen Kultivierung von Bakterien Das Zählen von Bakterien Der Wachstumszyklus Biofilme Zelldifferenzierung 165 KAPITEL 5 Umwelteinflüsse und die Kontrolle des mikrobiellen Wachstums Wachstumslimitierende Umweltfaktoren Anpassung an die Temperatur Anpassung an Druck Wasseraktivität und Salz Anpassung an ph-veränderungen Sauerstoff und andere Elektronenakzeptoren Nährstoffmangel und Hungerbedingungen Das physikalische, chemische und biologische Kontrollieren 197 von Mikroorganismen KAPITEL 6 Struktur und Funktion von Viren Was ist ein Virus? Virenstruktur Virale Genome und Klassifikation Lebenszyklus der Bakteriophagen Lebenszyklen von Tier- und Pflanzenviren Kultivierung von Viren Virale Ökologie 248 Teil 2 Gene und Genome 252 Ein Interview mit Regine Hengge: Molekulare Entdeckungsreisen in der bakteriellen Zelle KAPITEL 7 Genome und Chromosomen DNA: das genetische Material Genomorganisation DNA-Replikation Plasmide Eukaryotische Chromosomen DNA-Sequenzanalyse 286

3 Inhaltsverzeichnis IX KAPITEL 8 Transkription, Translation und Bioinformatik RNA-Polymerase und Sigma-Faktoren Transkription der DNA in RNA Translation der RNA in Protein Modifikation und Faltung von Proteinen Sekretion: Kontrolle des Proteintransports Proteinabbau Bioinformatik: computer gestützte Verarbeitung 340 der im Genom enthaltenen Information KAPITEL 9 Gentransfer, Mutationen und Evolution des Genoms Die mosaikartige Struktur des Genoms Gentransfer Rekombination Mutationen DNA-Reparatur Mobile genetische Elemente Evolution des Genoms 389 KAPITEL 10 Molekulare Regulation Regulation der Genexpression Lactose-Operon: ein Modell der Genregulation Andere Mechanismen der Operonkontrolle Regulation durch Sigma-Faktoren Kleine regulatorische RNAs DNA-Umlagerungen: Phasenvariation Integrierte Regelkreise Quorum sensing: chemische Konversation Genomik und Proteomik: Werkzeuge der Zukunft 438 KAPITEL 11 Molekularbiologie der Viren T4-Phage: ein klassisches molekulares Modellsystem Poliovirus: (+)-Strang-RNA Influenzavirus: ( )-Strang-RNA Humanes Immunschwächevirus (HIV): Retrovirus Herpes-simplex-Virus: DNA Gentherapie mit Viren 488

4 X Inhaltsverzeichnis KAPITEL 12 Molekularbiologische Methoden und Biotechnologie Grundlegende Methoden der Biotechnologie: 494 ein Fallbeispiel aus der Forschung 12.2 Genetische Analysen Molekulare Analysen Allgemeine Fragen der Zellphysiologie Angewandte Biotechnologie 516 Teil 3 Metabolismus und Biochemie 526 Ein Interview mit Franz Narberhaus: Messung von und Anpassung an Umweltbedingungen Strategien von Bakterien KAPITEL 13 Energetik und Katabolismus Thermodynamik des Lebens Energie und Entropie von biochemischen Reaktionen Energie-Überträger moleküle (Carrier) und Elektronentransfer Katabolismus: das Buffet für Mikroorganismen Glucoseabbau und Gärung Citratzyklus Aromatische Umweltschadstoffe 574 KAPITEL 14 Atmung, Lithotrophie und Photolyse Elektronentransportketten Die protonenmotorische Kraft Atmungskette und ATP-Synthase Anaerobe Atmung Lithotrophie und Methanogenese Phototrophie 617 KAPITEL 15 Biosynthesewege Überblick über die Biosynthese CO2-Fixierung: der Calvin-Zyklus CO2-Fixierung durch anaerobe Organismen und Archaeen Biosynthese von Fettsäuren, Polyestern und Polyketiden Stickstofffixierung Biosynthese von Aminosäuren und Stickstoffbasen Biosynthese von Tetrapyrrolen 671

5 Inhaltsverzeichnis XI KAPITEL 16 Lebensmittelmikrobiologie und industrielle Mikrobiologie Mikroorganismen als Lebensmittel Fermentierte Lebensmittel: ein Überblick Sauer und alkalisch fermentierte Lebensmittel Alkoholische Gärung: Brot und Wein Verderben und Konservierung von Lebensmitteln Industrielle Mikrobiologie 711 Teil 4 Mikrobielle Diversität und Ökologie 724 Ein Interview mit Karl Stetter: Die geradezu abenteuerliche mikrobielle Diversität führt zur Entwicklung industrieller Produkte KAPITEL 17 Ursprung und Evolution Der Urprung des Lebens Modelle frühen Lebens Mikrobielle Divergenz und Phylogenie Horizontaler Gentransfer Mikrobielle Arten und Taxonomie Symbiose und der Ursprung von Mitochondrien 768 und Chloroplasten KAPITEL 18 Bakterielle Vielfalt Die bakterielle Vielfalt auf einen Blick Die frühen Thermophilen Cyanobakterien: oxygene Phototrophe Grampositive Firmicutes und Actinobacteria Gramnegative Proteobacteria und Nitrospirae Bacteroidetes und Chlorobi Spirochäten: umhüllte spiralförmige Zellen mit internen 822 Flagellen 18.8 Chlamydiae, Planctomycetes und Verrucomicrobia: 824 unregelmäßige Zellen KAPITEL 19 Die Vielfalt der Archaeen Merkmale der Archaeen Crenarchaeota: Hyperthermophile Crenarchaeota: Mesophile und Psychrophile Euryarchaeota: Methanogene Euryarchaeota: Halophile 856

6 XII Inhaltsverzeichnis 19.6 Euryarchaeota: Thermophile und Acidophile Ursprüngliche Gruppen 866 KAPITEL 20 Die Vielfalt der Eukaryoten Die Phylogenie der Eukaryoten Fungi und Microsporidia Algen Amöben und Schleimpilze Alveolaten: Ciliaten, Dinoflagellaten und Apicomplexa Trypanosomen und Metamonaden 910 KAPITEL 21 Mikrobielle Ökologie Mikroorganismen in Ökosystemen Mikrobielle Symbiosen Meer- und Süßwassermikrobiologie Bodenmikrobiologie und Untergrundmikrobiologie Mikrobielle Gemeinschaften innerhalb von Pflanzen Mikrobielle Gemeinschaften innerhalb von Tieren 952 KAPITEL 22 Mikroorganismen und die globale Umwelt Biogeochemische Kreisläufe Der Kohlenstoffkreislauf Der Wasserkreislauf und die Abwasseraufbereitung Der Stickstoffkreislauf Schwefel, Phosphor und Metalle Astrobiologie 987 Teil 5: Pathogene Bakterien und Immunabwehr 994 Ein Interview mit Andreas Peschel: Die mikrobielle Ökologie des Menschen am Beispiel der Staphylokokken KAPITEL 23 Die menschliche Mikrobiota und unspezifische Abwehrreaktionen Die menschliche Mikrobiota: Lokalisierung und Zusammensetzung Risiken und Nutzen der mikrobiellen Populationen im Körper Das Immunsystem ein Überblick Die angeborene Immunabwehr Angeborene Immunabwehr: die akute Entzündungsreaktion 1020

7 Inhaltsverzeichnis XIII 23.6 Phagocytose Angeborene Abwehrfaktoren: Interferon, natürliche Killer zellen und Toll-ähnliche Rezeptoren 23.8 Die Funktion des Komplements bei der angeborenen 1030 Immunabwehr 23.9 Fieber 1032 KAPITEL 24 Die adaptive Immunantwort Adaptive Immunabwehr Immunogenität Struktur und Vielfalt der Antikörper Primäre und sekundäre Antikörperantworten Genetik der Produktion von Antikörpern T-Zellen, Histokompatibilität und die Prozessierung 1058 von Antigenen 24.7 Das Komplement als Teil der adaptiven Immunabwehr Überempfindlichkeit und Autoimmunität 1073 KAPITEL 25 Wie Mikroorganismen Krankheiten hervorrufen Wechselwirkungen zwischen Wirt und Krankheitserreger Virulenzfaktoren und Pathogenitätsinseln: die Werkzeuge 1090 und Werkzeugsets der mikrobiellen Krankheitserreger 25.3 Virulenzfaktoren: Wie sich Mikroben anheften Toxine beeinträchtigen die Körperfunktionen Proteinsekretion und Pathogenese Die Suche nach den Virulenzgenen Überleben in einem Wirt Pathogenese der Viren 1125 KAPITEL 26 Mikrobiell verursachte Krankheiten Charakterisierung und Diagnose von mikrobiellen Krankheiten Infektionen der Haut und der weichen Gewebe Infektionen der Atemwege Infektionen des Verdauungstrakts Infektionen des Urogenitaltrakts Infektionen des Zentralnervensystems Infektionen des Herz-Kreislauf-Systems Systemische Infektionen Immunisierung 1192

8 XIV Inhaltsverzeichnis KAPITEL 27 Antimikrobielle Chemotherapie Das Goldene Zeitalter der Entdeckung der Antibiotika Grundlagen der antimikrobiellen Therapie Die Bestimmung der Empfindlichkeit gegenüber 1203 Medikamenten 27.4 Wirkungsmechanismen Biosynthese der Antibiotika Wirkstoffresistenzen als Herausforderung Die Entwicklung von Antibiotika in der Zukunft Antivirale Wirkstoffe Antifungale Wirkstoffe 1236 KAPITEL 28 Klinische Mikrobiologie und Epidemiologie Grundbegriffe der klinischen Mikrobiologie Verfahren zur Identifizierung von Krankheitserregern Die Probennahme Methoden der biologischen Sicherheit Grundbegriffe der Epidemiologie Wie man neu aufkommende mikrobielle Krankheiten erkennt 1277 Antworten zu den vertiefenden Fragen 1283 Glossar 1319 Bildnachweis 1367 Index 1379

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