Handout Mikrobiologie 1

Ringvorlesung Biologie – Mikrobiologie-Teil
Gliederung:
•
Einführung (Geschichte, Vielfalt und Bedeutung von Mikroorganismen)
•
Aufbau der Zellen von Mikroorganismen
•
Wachstum und Vermehrung
•
Einteilung der Stoffwechseltypen
•
Abbau von Hexosen
•
Aerober heterotropher Stoffwechsel
•
Anaerober respiratorischer Stoffwechsel
•
Gärungen
•
Chemolithotropher Stoffwechsel
•
Phototropher Stoffwechsel bei Prokaryonten
•
Systematik der Mikroorganismen
•
Mikroorganismen in Biotechnologie und Gentechnologie
3 Domänen des Lebens:
Prokaryonten
Eukaryonten
Geschichte der Mikrobiologie: ein paar wichtige Namen
Antonie van Leeuwenhoek (1632-1723), niederländischer Amateur-Mikroskopbauer,
beschreibt erstmals Bakterien (‚Animalcula‘ = kleine Tierchen).
Louis Pasteur (1822-1895), Französischer Chemiker, Arbeiten zur Gärung
(Milchsäuregärung, alkohol. Gärung). Abtötung mit Hitze Æ Pasteurisierung.
1876, Robert Koch (1843-1910), Deutscher Arzt; Æ Bakterien können Krankheiten
verursachen: Bacillus anthracis Æ Milzbrand (1876); Mycobacterium tuberculosis Æ
Tuberkulose (1884); Vibrio cholerae Æ Cholera.
Koch’sche Postulate
1) der Erreger muß in erkrankten Organismen immer da sein, aber abwesend von gesunden
2) der Erreger soll in Reinkultur gezüchtet werden
3) Zellen der Reinkultur verursachen in gesunden Tieren die Erkrankung (Reinfektion)
4) der Erreger muß aus diesen Tieren reisoliert werden und identisch sein zum Ausgangserreger
Kultivierungstechniken: Kartoffelscheiben, Gelatine, Agar (Polysaccharid aus Rotalgen).
1889 Martinus Beijerinck Æ Anreicherungskultur, isoliert N2-fixierende Rhizobien
1890 Sergej Winogradski Æ isoliert Nitrifizierer aus Boden. Beijerinck u. Winogradski als
Urväter der mikrobiellen Ökologie.
1928 Frederick Griffith Æ entdeckt genetische Transformation bei Pneumokokken
(Streptococcus pneumoniae) ; 1944 Avery Æ DNA die transformierende Substanz.
1929 Alexander Fleming Æ entdeckt Penicillin und seine Wirkung auf Gram+ Bakterien
Beispiele von pathogenen, nützlichen u. „extremen“ Prokaryonten
Staphylokokken:
Staphylococcus aureus Æ Eitererreger, Sepsis, Lebensmittelvergiftung
Staphylococcus epidermidis Æ Hautbewohner, Biofilme auf Implantaten
Staphylococcus carnosus Æ Rohwurstreifung
Streptokokken:
Streptococcus pyogenes Æ Mandelentzündung, Scharlach
Streptococcus pneumoniae Æ Lungenentzündung
Streptococcus mutans Æ Karies
Streptococcus thermophilus Æ Starterkultur (Jogurt)
Spirochaeten:
Treponema pallidum Æ Syphillis
Leptospira Æ Leptospirose
Borrelia Æ Borreliose
Hefen:
Saccharomyces cerevisiae Æ Bäckerhefe, Bierhefe
Candida Æ Soor
Filamentöse Pilze:
Penicillium notataum Æ Penicillin
Plasmodium falciparum Æ Malaria
Trypanosoma brucei Æ Afrikanische Schlafkrankheit
Streptomyzeten (mycelbildende Bakterien):
Streptomyces griseus Æ Streptomycin
Streptomyces venezuelae Æ Chloramphenicol
Helicobacter pylori Æ Magenschleimhaut, Magengeschwüre
Myxobakterien Æ Differenzierung von Fruchtkörpern
Salmonella typhimurium, S. enteritidis Æ Lebensmittelvergiftung
Rhizobien Æ symbiontische Stickstofffixierung
Corynebakterien:
Corynebacterium diphtheriae Æ Diphtherie
Corynebacterium glutamicum Æ Aminosäureproduktion (L-Glu, L-Lys)
Mycobakterien:
Mycobacterium leprae Æ Lepra
Mycobacterium tuberculosis Æ Tuberkulose
Vibrio cholerae Æ Cholera
Yersinia pestis Æ Pest
Bacillus anthracis Æ Milzbrand
Hyperthermophile (T(opt) mind. 80°C):
Pyrococcus furiosus, Pyrodictium occultum (Archaeen)
Thermotoga maritima (Bakterium)
Prochlorococcus marinus (psychrophil)
Haloferax volcanii (halophil)
Natronobacterium gregory (alkaliphil)
Picrophilus torridus (thermoacidophil)
aerob
Bedeutung von Mikroorganismen im C- und im N-Kreislauf
∗
Nitrifikation
NO2–
org. N-Verbindungen
anaerob
Nitr
a t- /
Atm Nitritung
NO3–
∗
Amm
o
O2
n
N2
Assi ifikation
mila
tion
Assimilatorische
+
–
NO -Reduktion
tion NH4
nifika
mmo imilation
A
org. N-VerAss
∗
bindungen
ANAMMOX
3
N2 Anaerobe
NO2–
De
nitr
ifik
atio
n
∗
N2 -F
ixier
ung
O2
NO
N2O
Ammoniumoxidation
∗
∗
Dissimilatorische NO3–-Reduktion
von Prokaryoten
∗ ausschließlich
katalysierte Reaktionen
Konsequenz des Besitzes (Eukaryonten) bzw. Fehlens (Prokaryonten)
eines echten Zellkerns für die Genexpression
Eukaryonten: Transkription und
Translation getrennt
Prokaryonten: Transkription und
Translation gekoppelt
DNA
Transkription
RNA-Splicing,
RNA capping. tailing
DNA
Transkription
RNA
RNA
Translation
Translation
Protein
Protein
Transportsysteme
Zusammenfassung: Cytoplasmamembran
integral
Aufbau:
peripher
• Phospholipiddoppelschicht (Elementarmembran)
• Integrale und periphere Membranproteine
Esterbindung
• Lipide bei Bakterien: Glycerindiester mit nichtverzweigten Fettsäureresten; selten: Hopanoide, Sterole
• Lipide bei Archaeen: Glycerindi- o. tetraether mit langkettigen,
verzweigten C20- u. C40-Isoprenoidalkylen,
z.T. Membran-durchspannend
Etherbindung
Funktionen:
• Osmotische Barriere
• Transport
• Enzymsysteme der Energiekonservierung
(ATPase, Atmungskette, Photosyntheseapparat)
Das typische Zellwandpolymer der Bakterien: Peptidoglycan (Murein)
N-Acetylglucosamin
N-Acetylmuraminsäure
z riesiges, netzartiges Molekül (Sacculus)
z Rückgrat: Heteropolysaccharid mit Peptidseitenketten
z Peptidseitenketten enthalten D-Aminosäuren
z Quervernetzung über Diaminosäuren
z Quervernetzung hemmbar mit Penicillin
z spaltbar mit Lysozym
meso-Diaminopimelinsäure (Gram-negative)
L-Lysin, L-Ornithin, o.a. (Gram-positive)
Quervernetzung manchmal über
Interpeptidbrücken (z. B. L-Lys-(Gly)5-D-Ala
bei Staphylococcus aureus)
Gram-Färbung
(H. C. Gram, 1884)
• Hitzefixierung von Zellen auf einem Objektträger
• Färben mit Kristallviolett (KV, basischer Farbstoff), kurz spülen
• + Lugol’sche Lösung Æ wasserunlöslicher Lack
• + 96% EtOH Entfärbung bei GramFarbe bleibt erhalten bei Gram+
• + Fuchsin o. Safranin
(roter Farbstoff)
Gram-negativ
Escherichia coli
GramGram+
Æfarblos
Æviolett
Ærot
Æviolett
Gram-positiv
Staphylococcus aureus
Das unterschiedliche Färbeverhalten hängt zusammen mit Unterschieden in der Zellwandstruktur
Zellwand bei Gram-positiven Bakterien
Zellwand bei Gram-negativen Bakterien
Dicke bis ca. 60 nm
Dicke ca. 20 - 30 nm
Zusammensetzung:
• Murein (vielschichtig)
• Teichonsäuren, Teichuronsäuren, Lipoteichonsäuren
• Polysaccharide
• Lipophile Verbindungen (selten, z.B. Mycolsäuren)
• Protein
Zusammensetzung:
• Murein (dünn), einheitliche Mureinstruktur
• Phospholipid
• Lipoprotein
äußere Membran
• Lipopolysaccharid
Æ Schutz vor Deter• Protein
genzien u. Antibiotika
• manchmal S-Layer
Mechanisch stabiler als bei Gram-negativen
Periplasmatischer Raum zw.
äußerer Membran und
Cytoplasmamembran
Zellwand bei Archaeen
•
kein Murein
•
manche enthalten Pseudomurein (Rückgrat: saures Heteropolysaccharid)
•
Verschiedene Zellwandtypen :
Verhalten in Gramfärbung
- Pseudomurein + Polysaccharid
+
- Pseudomurein + S-Layer (selten)
+
- Methanochondroitin [ß-GlcA-(1,3)-ß-GalNAc-(1,4)-ß-GalNAc]n
- nur Protein oder Glykoprotein, kein Pseudomurein
- Protein + Proteinscheide um mehrere Zellen
- keine Zellwand
-
Pseudomurein:
Resistent gegen
- Penicillin
- Lysozym
Beispiel für nur-Protein Zellwand:
Der Geißelaufbau ist bei Pro- und Eukaryonten völlig unterschiedlich
Prokaryonten
Eukaryonten
(9+2 Struktur)
p
Speicherstoffe
Polysaccharide
Glykogen (viele Bakterien, Archaeen, und Eukaryonten)
Stärke- bzw. Amylopektinartig (z.B. Clostridium)
Fettartige Substanzen
PHA=Poly-ß-Hydroxy-Alkansäuren wie PHB (Polyhydroxybuttersäure, z.B.
Wautersia (Ralstonia) eutropha)
Neutralfette, selten z.B. Pseudomonas aeruginosa-Stämme; häufiger in Euk.
(Hefen)
Kohlenwasserstoffe, z.B. Acinetobacter (Hexadecene)
Proteine (relativ selten)
Cyanophycin (Asp/Arg; N2-fixierende Cyanobakterien)
Carboxysomen (autotrophe CO2-Fixierung, Ribulose-bisphosphat-Carboxylase;
z.B. Nitrosomonas, Thiobacillus, viele Cyanobakterien)
Toxine (Bacillus thuringiensis)
Phosphor
Polyphosphat als Volutin-Granula (z.B. Acinetobacter)
Schwefel
Schwefeltröpfchen bei Schwefelbakterien (elem. S, manchmal gemischt mit
Polysulfid oder Thionaten)
Nitrat
in Vakuole bis ~800 mM (z.B. Schwefelbakterien Thioploca, Thiomargerita)
Weitere Strukturen und
Einschlüsse im Cytoplasma
• Clorosomen
bei „grünen Schwefelbakterien“, z.B. Chlorobium limicola
• Membranstapel (Thylakoide)
bei manchen phototrophen Bakterien
• Vakuolen (selten)
z.B. Thioploca, Thiomargerita (als Nitratspeicher)
• Gasvakuolen
spindelförmig, aus Protein, z.B. Halobacterium, Cyanobakterien
• Magnetosomen
ferromagnetisches Eisenoxid, Fe3O4, Magnetit= Fe2O3
z.B. Magnetospirillum magnetotacticum
• Endosporen
Endosporen
o Vorkommen: Bacillus, Clostridium,
Sporolactobacillus, Sporosarcina
o Einfache Form der Differenzierung
o Stark lichtbrechend
o Überdauerungszellen, resistent gegen
Trockenheit, Hitze, UV und Chemikalien
o Stark dehydratisiert, stoffwechselinaktiv
o 10-15% der Trockenmasse: Dipicolinsäure
Kompartimentierung in Pilzzellen:
Zellkern (Nucleus)
Doppelmembran; mehrere bis viele lineare Chromosomen;
Chromatin-Struktur ähnlich wie in höheren Eukaryoten:
Nucleosomen mit Histonen; DNA-Replikation; Transkription
Cytoplasma
80 S Ribosomen (60 S + 40 S); Cytoskelett
Endoplasmatisches Retikulum Synthese sekretorischer Proteine
Golgi-Apparat
u.A. Transport u. Modifikation sekretorischer Proteine
Vakuolen
Einzelmembran (Tonoplast), die ATPase trägt;
u.A. Abbaufunktionen
Microbodies
Einzelmembran; Peroxisomen, Glyoxysomen
Mitochondrien
Doppelmembran; semiautonome Organelle;
eigene DNA (S. cerevisiae: ~80 kb; A. nidulans: ~30 kb)
eigene Ribosomen (70 S); Atmungskette und H+-ATPase
in innerer Membran
Hydrogenosomen
Doppelmembran; keine eigene DNA
(best. anaerobe Rumen-Pilze)
Zellwand bei Pilzen
Basidiomyceten, Ascomyceten,
Deuteromyceten
Chitin, ß(1Æ3),ß(1Æ6)-Glucan,
Mannoproteine, (α(1Æ3)-Glucan)
Zygomyceten
Chitosan, Chitin
Polyglucuronsäure, Mannoproteine
Chytridiomyceten
Chitin, Glucan
Hyphochytridiomyceten
Chitin, Cellulose
Oomyceten
ß(1Æ3),ß(1Æ6)-Glucan, Cellulose
Glucan
Zellwand von Saccharomyces cerevisiae:
Chitin:
Cellulose:
R = NAc
R = OH
(Monomer: N-Acetylglucosamin)
(Monomer: Glucose)
Auswahl an Unterschieden zwischen Bakterien, Archaeen und Eukaryoten
Zellgröße
Kompartimentierung
Bakterien
Archaeen
Eukaryoten
~ 1-2 µm
~ 1-2 µm
~ 2-200 µm
+
(-)
(-)
Organelle
-
-
+
Zellwand
Murein
Protein,
Pseudomurein
Cellulose,
Chitin
Lipide
Ester
Ether
Ester
Sterole
-
-
+
Atmungskette
Membran
Membran
Mitochondrien
Photosynthese
Membran
Membran
Chloroplasten
Ribosomen
70S
50S+30S
70S
50S+30S
80S
60S+40S
Initiator-tRNA
fMet
Met
Met
einfach
(4UE)
komplex
(8-13UE)
komplex
(12-14UE)
Microtubuli, Microfilamente -
-
+
Kern m. Membran
-
-
+
zirkulär
(oder linear)
zirkulär
linear
(mehrere)
Operons
+
+
-
Geißeln
submikroskop.
rotierend
submikroskop.
rotierend
‘9+2’ Struktur
peitschend
RNA-Polymerase(n)
Chromosomen
Nährstoffe
Makroelemente: C, O, H, N, S, K, Ca, P, Mg, Fe
Spurenelemente = Mikroelemente: Zn, Mn, Mo, Cu, Co, Ni, V, B, Cl, Na, Se, W usw.
Zusammensetzung typischer Nährmedien:
• C-Quelle: bei heterotrophen Mikroorganismen oft Pepton, Zucker, oder andere
org. Substanzen wie Alkohole, Fettsäuren usw.; dient oft gleichzeitig als
Energiequelle.
Autotrophe Mikroorganismen nutzen CO2 als C-Quelle.
• N-Quelle: oft Pepton, NH4+- oder NO3—Salze; manche können Luftstickstoff N2
verwerten Æ N2-Fixierer.
• Die übrigen Makroelemente und Spurenelemente werden als anorganische Salze
zugesetzt.
• Wuchsstoffe: Vitamine, Aminosäuren, Purine/Pyrimidine. werden oft z.B. als
Hefeextrakt oder Fleischextrakt zugegeben.
• H2O: Hauptbestandteil aller Medien.
Nährmedien
Vollmedium: enthält mehr Nährstoffe als erforderlich
Minimalmedium: erfüllt Mindestansprüche
Komplexmedium: enthält komplexe Bestandteile
Synthetisches Medium: ausschließlich chemisch genau definierte Stoffe.
Wachstumsbedingungen
• pH-Wert:
neutrophile (pH6-8, z.B. Bacillus subtilis)
acidophile (z.B. Picrophilus torridus pHopt=0,7, Thiobacillus thiooxidans bis pH1,
Milchsäurebakterien bis ~pH4,)
alkaliphile (z.B. Natronococcus pHopt=9,5)
• Temperatur
psychrophile (~<0°C – 15°C) z.B. Photobacterium fisheri
mesophile (~15-45°C), z.B. Escherichia coli
thermophile (~ 45-80°C), z.B. Geobacillus stearothermophilus
extrem thermophile/hyperthermophile (~80-113°C), z.B. Pyrococcus furiosus
• Gelierungssystem (Gelatine, Agar).
• Belüftung
obligat aerobe (z.B. Acetobacter aceti)
obligat anaerob (reaktive O-Verbindungen toxisch; z.B. Clostridium tetani)
fakultativ anaerob (z.B. E. coli, S. aureus)
aerotolerante vertragen O2, können aber nichts damit anfangen
mikroaerophile: niedrige O2-Partialdrücke vorteilhaft, z.B. Milchsäurebakterien.