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Referat Biologie von Dennis Hauptkorn
Februar 2002
Referat
Bakterien
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Februar 2002
Inhaltsverzeichnis
1. Der Bau
1.1 Normale Einzeller
1.2 Das Bakterium
2. Das Wachstum von Bakterienkulturen
2. Die Mutationen
3.1 Das Antibiotikum
3.2 Der Fluktuationstest
3.3 Die Mangelmutanten
3. Die genetische Rekombination
4.1 Der
Chromosomentransfer
4.2 Die Sexduktion
4.3 Die Genkartierung
1. Der Bau
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Bakterien sind Einzeller
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1.1
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Normale Einzeller
enthalten alle Bestandteile einer pflanzlichen oder
tierischen Zelle, wie z.B. die Dictyosomen,
Mitochondrien, Plastiden und einen Zellkern, in dem sich
die Erbanlagen befinden
1.2 Das Bakterium
-
Zellmembran aus 1. Gram - positive Bakterien mit einer
Membran aus Murein und 2. Gram – negative Bakterien mit
einer Membran aus einer dünnen Murinschicht und einer
zusätzlich von außen bedeckten Lipoid-Protein - Schicht
-
die Zellwand der Bakterien zeigt also keine
Übereinstimmungen mit anderen Zellwänden, da das Murein
eine neue Verbindung aus Zuckern und Aminosäuren ist
-
wie bei allen Biomembranen kontrolliert die Zellmembran
den Stoffein- und austritt
-
zur Fortbewegung dienen Geiseln, die sich wie ein
Propeller drehen ( E. Coli Bakterien haben Geißeln über
die gesamte Oberfläche verteilt)
-
ebenfalls auf der Oberfläche befinden sich bei manchen
Bakterien die sogenannten Pili, bestehend aus langen
dünnen Proteinfäden, die zur Kontaktaufnahme mit anderen
Zellen dienen
-
Bakterien besitzen keinen Zellkern, folglich schwimmt die
DNA (ein ringförmiger Doppelstrang) im Zellplasma frei
herum
-
zusätzlich zum Bakterienchromosom befindet sich auch noch
ein Plasmid im Zellplasma, das zusätzliche genetische
Informationen enthält
-
da die haploiden Bakterien keinen Zellkern haben,
bezeichnet man sie als Prokaryoten, im Gegensatz zu den
Eukaryoten, zu denen Tiere, Pflanzen und Pilze gehören
-
weiterhin befinden sich in einem Bakterium, wie auch in
normalen Einzellern die Ribosomen zur Proteinbiosynthese
(Translation)
-
typische Zellorganellen, wie Mitochondrien, Plastiden,
Endoplasmatisches Retikulum und Dictyosomen fehlen dem
Bakterium
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2. Das Wachstum von Bakterienkulturen
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aufgrund ihrer vielfältigen Stoffwechselwege sind
Bakterien in der Lage sich den unterschiedlichsten
Lebensbedingungen anzupassen – sie können fast überall
überleben, deshalb spricht man auch von der
Allgegewärtigkeit der Bakterien
-
Bakterien vermehren sich durch Zweiteilung, also durch die
mitotische Teilung
Es ergibt sich folgende Wachstumskurve einer Bakterienkolonie:
Anlaufphase:
-
zunächst wird der Stoffwechsel der Bakterien aktiviert
-
Enzyme werden synthetisiert, zur Verwertung der
vorhandenen Nährstoffe
-
in diesem Zusammenhang findet die Transkription statt, so
daß sich ein Anstieg der RNA auf das 8 bis 12fache
beobachten läßt
-
die Zellteilungen beginnen einzusetzen
Exponentielle Phase:
-
es liegt eine konstante maximale Teilungsrate vor, deshalb
ist diese Phase durch einen linearen Kurvenverlauf
gekennzeichnet – es herrschen optimale Kulturbedingungen
-
z.B. so würde eine unbeschränkt exponentiell wachsende
Kultur die Weltmeere innerhalb von nur 5 Tagen ausfüllen
Stationäre Phase:
-
ohne unbegrenztes Nährstoffangebot setzt jedoch mit
verknappten Nährstoffen ein langsameres Wachstum ein, das
Wachstum sinkt so lange, bis die Zahl mit den sterbenden
Zellen übereinstimmt – es entsteht also ein Gleichgewicht
-
das Wachstum wird zusätzlich gehemmt durch
Stoffwechselprodukte der Bakterien, die sie in ihrem
Wachstum negativ beeinflussen
Absterbephase:
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nach einiger zeit wirken sich die ungünstigen Faktoren
(Nähstoffmangel/hohe Stoffwechselbelastung) so negativ
aus, daß es zu einer stetigen Abnahme der Kultur kommt
3. Die Mutationen
3.1 Das Antibiotika
-
sind Stoffe, die Bakterien schon in geringer Konzentration
in ihrem Wachstum hemmen oder abtöten
-
die meisten Antibiotika wirken auf den genetischen Apparat
von Prokaryoten und hemmen dort die Translation – so führt
z.B. Streptomycin am 70s Ribosom zu Ablesefehlern bei der
m-RNA
-
Antibiotika werden zur Bekämpfung von
Infektionskrankheiten eingesetzt
-
die geläufigste Form der Antibiotika ist das Penizillin:
-
ist ein Pilz, der einen Wirkstoff absondert, der das
Wachstum der Bakterien hemmt, den Eukaryoten jedoch nicht
schadet (Fleming)
-
Penizillin tötet nur Bakterien, die sich in der Teilung
befinden, da es die Zellwandbildung außer Kraft setzt:
(dies läuft folgendermaßen ab)
-
das Penizillin inaktiviert ein Enzym, das für die
Quervernetzung der Peptidketten des Mureins ( Baustoff der
Zellwand) verantwortlich ist
-
folglich können die Zellen nicht die mitotische Teilung
durchführen, da eine Zellwandbildung und somit eine
Trennung der beiden Zellen ausgeschlossen ist
-
trotz der nicht abgeschlossenen Zellteilung, beginnt die
Zelle zu wachsen sie wächst um ein Vielfaches der
normalen Bakteriengröße - bis sie schließlich zerplatzt
-
da die Zellwand nur bei Gram-positiven Bakterien allein
aus Murein besteht, werden Gram-negative Bakterien durch
Penizillin nicht beeinträchtigt
-
im Laufe der Zeit treten mehr und mehr Bakterien auf, die
gegen sonst wirksame Antibiotika resistent geworden sind
-
diese Eigenschaft wird an die Nachkommen weitergegeben,
ist also vererbbar
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die Resistenz muß also aufgrund einer genetischen
Informationsveränderung durch Mutation erfolgen
-
um diese These zu beweisen, entwickelten die Biologen M.
Delbrück und E. Luria den Fluktuationstest
3.2 Der Fluktuationstest
-
der Nachweis von resistenten Bakterien auf
antibiotikumhaltigem Nährboden könnte als Anpassung an die
Kulturbedingung interpretiert werden – so wäre die
Resistenzweitergabe eine Vererbung erworbener
Eigenschaften, daß würde bedeuten, daß das Antibiotikum
selber die genetische Veränderung bewirkt
-
Mutationen werden jedoch grundsätzlich als zufällige
Vorgänge eingestuft – also muß die Antibiotikaresistenz
eine von vielen Mutationen sein, die auch ohne den Kontakt
mit Antibiotika auftritt
Der Fluktuationstest läuft folgendermaßen ab:
1.
Eine Bakterienkultur wird angesetzt, die für alle weiteren
Versuche benutzt wird
1.1
Eine Probe der Bakterienkultur wird auf
antibiotikumhaltigem Nährboden ausgebreitet
Ergebnis: Alle Bakterien sterben ab, da keine resistenten
Zellen
vorhanden sind
2.
Der Anfangskultur werden zwei Ansätze A und B entnommen
2.1
Die Kultur von Ansatz A wird in einem Reagenzglas belassen
– die Kultur von Ansatz B wird auf 40 Reagenzgläser
aufgeteilt
2.2
Beide Kulturen werden auf jeweils 40 antibiotikumhaltige
Nährböden verteilt
Ergebnis: In der Versuchsreihe A tritt auf allen Platten
etwa die gleiche Anzahl antibiotikaresistenter Kolonien
auf.
Im Ansatz B mit den getrennt kultivierten Proben, zeigt
das Ergebnis starke Unterschiede (auch Fluktuationen
genannt)
3.
Vergleicht man die beiden Kulturen, so läßt sich jedoch
feststellen, daß die Gesamtzahl der antibiotikaresistenten
Bakterien gleich ist
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die Streuung der Anzahl resistenter Kolonien auf den
Platten des Ansatzes B widerlegt, daß die Mutationen durch
den Kontakt mit dem Antibiotikum entstanden sind – sonst
wäre die Anzahl der resistenten Bakterien aus Ansatz B auf
allen Platten etwa gleich gewesen
-
so weist der Fluktuationstest nach, daß die Resistenz ein
zufälliges Mutationsergebnis ist, und schon vor dem
Kontakt mit dem Antibiotikum entsteht
3.3 Die Mangelmutanten
die Antibiotikaresistenz ist jedoch nur eine von vielen
Mutationen
-
viele Mutationen sind Mangelmutanten, sie haben die
Fähigkeit der Synthese einer zum Wachstum benötigten
Verbindung (z.B. Aminosäure) verloren
-
um Mangelmutanten aufzufinden benutzt man verschiedene
Nährlösungen, denen die jeweils benötigten Aminosäuren
fehlen – überträgt man eine Kolonie auf einen Nährboden
dem Leucin fehlt, so können Leucin-Mangelmutanten auf
diesem Boden nicht gedeihen
4. Die Genetische Rekombination
-
wie schon gesagt besitzen Bakterien keinen Zellkern und
vollziehen auch keine meiotische Teilung, dennoch findet
bei Bakterien eine genetische Rekombination statt
-
um die genauen Vorgänge der Rekombination erklären zu
können, arbeiteten die Biologen J. Lederberg und E. Tatum
mit Doppelmutanten. Die Mutante 1. konnte die Aminosäuren
A und B, die Mutante 2. Die Aminosäuren C und D nicht
synthetisieren
-
beide Mangelmutanten konnten also auf einem
Minimalnährboden ohne die Aminosäuren A,B,C,D nicht
gedeihen
-
breitet man jedoch ein Gemisch der beiden Kulturen auf
einem Minimalnährboden aus, so zeigte sich, daß einige
wenige ( unvorstellbar wenig 10*14) Bakterienkulturen
überlebten
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dieses Versuchsergebnis schließt eine doppelte
Rückmutation aus - es ist also vielmehr zu einem
einseitigen Austausch von genetischem Material gekommen
-
zum Beweis dieser Annahme , daß für den beobachteten
Genaustausch ein Zellkontakt notwendig ist machten die
beiden Biologen einen zweiten Versuch:
-
in die eine Hälfte eines U-Rohres füllte man die
Mangelmutante 1. (kann A und B bilden), in die andere
Hälfte die Mangelmutante 2. (kann C und D bilden)
-
bei einer Durchmischung mit einem Bakterienfilter
(bakterienundurchlässig / nährlösungsdurchlässig) im URohr und anschließendem Test auf einem Minimalnährboden,
zeigte sich, daß keine Bakterienkulturen wuchsen – es kam
also zu keinem Austausch von genetischem Material
-
entfernt man hingegen den Bakterienfilter, so wachsen
Bakterienkulturen auf dem Minimalnährboden – folglich muß
zur genetischen Rekombination ein Zellkontakt hergestellt
werden
-
ein solcher Zellkontakt erfolgt über eine sogenannte
Plasmabrücke, über die das genetische Material
transportiert wird – es findet also ein einseitiger
Transfer von Spenderzelle zu einer Empfängerzelle statt
-
diese Form der Rekombination nennt man Konjugation
-
nicht jede Zelle kann als Spenderzelle fungieren, hierfür
ist der sogenannte F-Faktor (Fertilitätsfaktor) nötig –
der F-Faktor ist ein besonderes Plasmid
-
Spenderzellen mit diesem F-Faktor werden deshalb auch als
F+ (männlich) bezeichnet, dementsprechend sind die
Empfängerzellen F- (weiblich)
-
F-Faktor: Er trägt u. a. Gene, die für die Ausbildung von
längeren Fortsätzen verantwortlich sind. Diese F-Pili
(Sex-Pili) erkennen eine Empfängerzelle (F-) und stellen
den Zellkontakt über die Plasmabrücke her.
-
vor der genetischen Rekombination wird der F-Faktor
verdoppelt (synthetisiert)
-
nach Ausbildung der Konjugationsbrücke öffnet sich ein
DNA-Strang des F-Faktors der Spenderzelle, und wandert in
die Empfängerzelle, die somit selber zur Spenderzelle wird
-
eine Zelle die F- ist, wird also durch den erhaltenen FFaktor selber zu einer F+ Zelle
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mit der Zeit müßten so alle Bakterien zu F+ - Zellen
werden, die tritt jedoch nicht ein, da der F-Faktor oft
verloren geht, so z.B. er vor der Zellteilung oder während
des Konjugationsvorganges nicht verdoppelt wird
4.1 Der Chromosomentransfer
-
es gibt auch Bakterien, bei denen der F-Faktor in das
Bakterienchromosom integriert ist – eine solche Zelle wird
als Hfr-Zelle bezeichnet (High Frequency of recombination)
-
Hfr-Zelle: Spenderzelle, bei der das Plasmid ins
Bakterienchromosom integriert ist. Es wird bei der
Konjugation mit der Kopie des F-Faktors meist auch ein
Teil der Kopie des Bakterienchromosoms in die
Empfängerzelle übertragen
-
die Hfr-Zelle fungiert also als F+ Zelle, es wird wiederum
ein Plasmabrücke aufgebaut, über die nicht nur der FFaktor, sondern auch chromosomale Gene übertragen werden
können
dies geschieht folgendermaßen:
-
ein Strang des DNA-Doppelringes bricht bei Kontakt
(Plasmabrücke) mit einer F- Zelle in der Mitte des
eingebauten F-Faktors auf
-
der DNA-Strang wird in die Empfängerzelle übertragen und
dort verdoppelt (synthetisiert) – es liegt also in der
Empfängerzelle ein doppelsträngiges DNA-Stück der
Spenderzelle vor, das zu einem Abschnitt des
Empfängerchromosoms homolog ist
-
es kann daher zu einem Stückaustausch zwischen den
homologen Chromosomen durch crossing-over kommen, sprich
zwischen Spender- und Empfängerzelle – es findet also eine
genetische Rekombination in der Empfängerzelle statt
4.2 Die Sexduktion
-
spezielle Form der Konjugation
-
wie schon gesagt ist bei der Hfr-Zelle der F-Faktor in das
Bakterienchromosom integriert, dieser F-Faktor kann jedoch
wieder aus dem Chromosom ausscheren und zum Plasmid werden
-
bei dieser Freisetzung können chromosomale Gene
mitgenommen werden, so daß ein F-Plasmid entsteht, das
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zusätzliche Geninformationen trägt – in diesem Fall
spricht man von einem F´-Faktor
-
der F´-Faktor kann auf eine Empfängerzelle übertragen
werden, bei dessen Übertragung er Teile des
Bakterienchromosoms mitnehmen kann – tritt dieser Vorgang
ein, so ist die sekundär F´-Faktor-Zelle teilweise diploid
allgemein:
Diese Vorgänge werden als Parasexualität bezeichnet, da es wie
bei der sexuellen Fortpflanzung zur Vereinigung und zum
Austausch von genetischem Material kommt. Bei den
parasexuellen Vorgängen handelt es sich im Gegensatz zu den
sexuellen jedoch nicht um die Vereinigung zweier kompletter
Sätze der genetischen Information, sondern meist nur um Teile
davon. Der Austausch erfolgt nicht nach den Gesetzen der
Meiose.
4.3 Die Genkartierung
-
da der Spender-DNA-Strang immer im Bereich des F-Faktors
aufgebrochen wird, werden die Gene, die dem F-Faktor
benachbart sind zuerst übertragen
-
bei der Konjugation zwischen Hfr-Zelle und F- Zelle kann
das gesamte Chromosom, oder nur ein Teil übertragen werden
-
meistens wird der Kontakt vorzeitig unterbrochen, so daß
nur ein Teil des Bakterienchromosoms übertragen und in die
Empfängerzelle eingebaut wird
-
diese Information kann man nutzen, um Genkarten der
Chromosomen anzufertigen – es läßt sich also aus dem
Zeitpunkt, zu dem bestimmte Gene in den Empfängerzelle
auftauchen, auf den Abstand der Gene untereinander
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