Gliederung VL2
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1 Vorlesung Mikrobiologie II Mi 9, Do 9, Fr 10 Uhr, HS Zoologie, Hauptstraße 1 Literatur: • Schlegel: Allgemeine Mikrobiologie • Lengeler, Drews, Schlegel: Biology of the Prokaryotes. Die Literaturangaben beziehen sich auf dieses Buch • Fritsche: Mikrobiologie • Brock Anforderungen für Prüfungen: Nebenfach: 4 Stunden VL aus Mikrobiologie I – IV (in jedem Fall VL I), 1 Oberseminar, Wahlweise Kurs „Fortgeschrittenenkurs“ (5 St, WS) oder Kurs „Biologie und Taxonomie der Bakterien und Pilze“ (5 St, SS). Hauptfach: 8 Stunden VL Mikrobiologie I - IV, 2 Oberseminare, Kurs „Fortgeschrittenenkurs“ (5 St, WS), Kurs „Biologie und Taxonomie der Bakterien und Pilze“ (5 St, SS), Großpraktikum Mikrobiologie Teil I (4 St, SS, 1 Nachmittag) und II (16 St, WS, 5 Wochen ganztägig, Semesterferien). Angebotene Oberseminare in Mikrobiologie: Biotechnologie (Oelze) WS. Pathogenitätsmechanismen (Drews, Weckesser) SS. Aktuelle Gebiete der Mikrobiologie (Boll, Fuchs, Heider) WS. Weitere Studienangebote: Exkursionen zu Industrie- und Forschungseinrichtungen. Forschungsprojekt im Labor zur Orientierung (ab 5. Semester, in den Ferien; mindestens 4 Wochen). Tutorium zur Vorlesung, wenn gewünscht und genügend Teilnehmer. Vermittlung von Auslandstudien. Studienberatung jederzeit. Inhalt der Vorlesung Mikrobiologie II (Baustoffwechsel, Energiestoffwechsel, Ökologie der Mikroorganismen, Hinweise auf Taxonomie und Anwendung) Bedarf für die Synthese von neuem Zellmaterial 1. Komplexitätsgrad von Mikroorganismen. Was sagen die Genomsequenzen zur Stoffwechselvielfalt. Vergleich Modellbakterium mit niederen Einzellern wie Saccharomyces cerevisiae. Stufen bei der Synthese von neuem Zellmaterial. Zusammensetzung der Zelle aus Elementen. Anforderung an die Synthese von Bausteinen. Kapitel 7.1 2. Bedarf für die Synthese von Bausteinen. Kosten an ATP und NADPH. Makromoleküle und ihre Bausteine. Vorstufen für Bausteine aus Glykolyse, Citratzyklus, Pentosephosphatweg. Beladung von ATP, NADPH. Reduktionsladung, Oxidationsladung, Energieladung. Kapitel 7.2, 7.4 Assimilation der Elemente aus anorganischen Vorstufen 3. Assimilation von Elementen. Rolle von „Trägermolekülen“. Assimilation von Stickstoff. Zelluläre NVerbindungen. Herkunft des Zellstickstoffs aus N-„Trägern“. Natürliche N-Quellen. Transport und Reduktionsschritte. Beladung der N-„Träger“ (Glutamat, Glutamin, Aspartat, Carbamoylphosphat). Ammoniakassimilierende Reaktionen bei N- Mangel und - Überschuss. Weitergabe des gebundenen Ammoniums durch Amino- und Amidotransferasen. Regulation Glutaminsynthetase. N-Kontrolle. Kapitel 7.3, 30.1 4. Stickstoff aus anorganischen Quellen: Natürliche N-Quellen Harnstoff, Nitrat, N2. Urease. Assimilatorische Nitratreduktion. Nitrogenase, Herkunft von Reduktionsäquivalenten, Sauerstoffschutz, Kontrolle der Transkription und der Aktivität. Hinweis auf symbiontische N2-Fixierung. Kapitel 8.5, 24.3, 30.1, 32.2, 34.2. 5. Assimilation von Schwefel, Phosphor, C1-Einheiten. Zelluläre Verbindungen mit S, P, C1-Einheiten. Natürliche Quellen. Transport (und Reduktionsschritte). Träger für S, P, C1 (Cystein, ATP, H4-Folsäure, Biotin, S-Adenosylmethionin) und ihre Beladung. Weitergabe der Einheiten. Kontrolle. Kapitel 7.3, 30.1 Biosynthese von Bausteinen aus zentralen Metaboliten 2 6. Zentrale Stoffwechselwege und zentrale Metabolite. Herkunft der Bausteine der Zelle aus zentralen Metaboliten. Allosterische Kontrolle von irreversiblen Schritten des zentralen Stoffwechsels. Anaplerotische Reaktionen und heterotrophe CO2-Fixierung; Synthese von Phosphoenolpyruvat. Synthese von Aminosäuren. Glutamat-Familie als Beispiel für verzweigten Biosyntheseweg. Prinzipien der Regulation von Synthesewegen. Kapitel 7.5, 7.6.1, 19.1 - 19.3. 7. Synthese von Nukleotiden. Synthese von Purin- und Pyrimidinnukleotiden, Desoxynukleotiden. Salvage pathways zur Nutzung von Abbauprodukten von Nukleinsäuren. Synthese von zuckerhaltigen Bausteinen. Aktivierung von Pentosen (Pyrophosphoryltransfer auf Ribose-5-Phosphat) und Hexosen (Nucleotidyltransfer auf Glucose-1-phosphat) und Glycosidbildung. Bildung anderer NDP-Zucker als Bausteine. Transfer von Glycosiden aus NDP-Zuckern. Bactoprenol als Membranträger für (Amino)Zucker für Synthesen außerhalb der Zelle. Kapitel 7.7, 7.8, 7.9. 8. Synthese von Lipidbausteinen und Speicherstoffen und Assimilation von Acetat. Acetyl-CoA Carboxylase. Fettsäuresynthese-Zyklus. Modifizierte Fettsäuren. Lipidzusammensetzung Gram-positiver und negativer Bakterienmembranen. Hinweis auf Archaebakterienlipide. Synthese von Isoprenverbindungen. Synthese von Speicherstoffen. Acetat-Assimilation über Glyoxylat-Zyklus. Kapitel 7.10 Autotrophe Lebensweise 9. Autotrophe CO2 Fixierung und Acetat-Assimilation. Autotrophe Mikroorganismen. Wege der CO2Fixierung. Autotrophe Bakterien (und Grünalgen) als Symbionten mit Pilzen (Flechten) und Tieren. CalvinZyklus. Drei alternative Wege. Vergleich. Kapitel 8.1, 32.1, 10.6.2. 31.1. Methoden der Untersuchung von Biosynthesewegen 10. Methoden der Untersuchung von Biosynthesewegen. Am Beispiel 3-Hydroxypropionat-Zyklus. Vorgehensweise bei der Aufklärung eines Biosyntheseweges. Prinzipien der Energiekonservierung an biologischen Membranen: Energie aus Redoxreaktionen (einschließlich Oxidation anorganischer Verbindungen) und aus Licht 11. Grundlagen der Bioenergetik. Stoffwechselschema. Reduktiver Teil des Stoffwechsels. Energieübertragung durch das ATP/ADP-System. Oxidativer und reduktiver Teil des Energiestoffwechsels. Thermodynamische Hauptsätze. Energieformen in biologischen Systemen. Kopplung von ATP-Hydrolyse an chemische Reaktionen. Abschätzung des ATP-Ertrages einer Energiestoffwechselreaktion. Wiederholung: Transport. Kap. 4.1. 5. 12. Phosphorylierung gekoppelt an Elektronentransport. Berechnung der freien Energie einer Energiestoffwechselreaktion. Wachstumsertrag pro mol ATP. Energetik von Redoxprozessen. Membranen, die Energie übertragen. Voraussetzungen für Phosphorylierung gekoppelt an Elektronentransport. Komponenten einer typischen ATP-gekoppelten Elektronentransportkette. Kap. 4.2-4.5 Atmung mit Sauerstoff 13. Atmungskette und Anpassung an geringe Sauerstoffkonzentrationen. Orientierung von Membranproteinen. Drei Mechanismen der Erzeugung eines elektrochemischen Membranpotentials. Erforderliche Größenordnung des Potentials. Ionophore, Entkoppler. Elektronentransportkomponenten. ATPSynthase. Vergleich mit Mitochondrien. Atmungsketten mit und ohne Cytochrom c. Verzweigte Atmungsketten mit unterschiedlichen Energieausbeuten und Affinitäten zu Sauerstoff. Kap. 4.2-4.5. Kap. 11 14. Vielfalt der Reaktionen mit Sauerstoff. Zelluläre Antwort auf unterschiedliche O2-Konzentrationen. Eigenschaften und Funktionen von Sauerstoff im Stoffwechsel. Sauerstoff als Cosubstrat. Regulation durch Sauerstoff. Anpassung an mikroaerobe Bedingungen. Schädliche Sauerstoffreaktionen und Entgiftungsreaktionen. Biolumineszenz. „Quorum sensing“. Kap. 11, 15.7, 28.1, 20.1.4, 30.1.3, 31.6 Atmung ohne Sauerstoff: Anaerobe Atmung 3 15. Anaerobe Atmung. Fakultative Anaerobier. Regulation des Stoffwechsels. Energetik. Hierarchie der Elektronenakzeptoren. Zeitliche und räumliche Abfolge der anaeroben Atmungsformen. Stoffkreislauf und ökologische Zusammenhänge. Herkunft der Elektronenakzeptoren. Rolle des Chinonpools. Regulation der Umschaltung aerober Stoffwechsel/ anaerobe Atmung. Wiederholung: Mechanismen der Energiekonservierung. Reduktion von oxidierten N-Verbindungen (Denitrifikation, Ammonifikation). Kap. 11, 30.2. 16. Fakultative Anaerobier: Reduktion von anderen oxidierten N- und S-Verbindungen und oxidierten Metallen, Fumarat. Strikte Anaerobier. Anaerobe Atmung mit oxidierten S-Verbindungen. Sulfatreduzierer. Schwefelreduzierer. Hinweise auf: Abbau von organischem Material unter methanogenen Bedingungen. Methanogenese aus CO2. Methanogenese aus Acetat. Syntrophie. Symbiosen. Kap. 12.1, 32. Chemolithotrophe Lebensweise: Energie aus der Oxidation von anorganischen Verbindungen 17. Chemolithoautotrophe Bakterien. Chemolithotrophe Aerobier. Leben an Gradienten. Diffusionsgesetze. Rückschlüsse aus gemessenen Stoffgradienten auf Produzenten und Konsumenten. Oxidation von reduzierten anorganischen Verbindungen, gekoppelt an Atmung. Geschichtliche Bedeutung. Winogradsky. Arten und Herkunft der anorganischen reduzierten Verbindungen. Stoffkreislauf. Energetische Aspekte. Revertierter Elektronentransport. Gradientenorganismen, schwierige Kultur. Symbiosen. Metabolische Typen, Verwandtschaftsverhältnisse. Kap. 10, 30.5, 30.6, 31.3. 18. Oxidation von reduzierten N-, S-Verbindungen, Metallen, CH4. Ammoniakoxidation. Schwefeloxidation, Metalloxidation, Methanoxidation. Prozesse, besondere Enzyme. Beispiele für Organismenvielfalt und biochemische Vielfalt im Energiestoffwechsel bei ähnlichem „Beruf“. Kap. 10, 28.1-3, 31.4 Phototrophe Lebensweise. Energie aus Lichtreaktionen 19. Photosynthese. Stoffwechselschema. Photosynthese als Spezialfall einer (lichtgetriebenen) Redoxreaktion. Allgemeine Gesichtspunkte. Evolution. Endosymbiose. Energetik. Reaktionsschritte bei der Photosynthese. Pigmente des Reaktionszentrum. Pigmente der Antennen. Ökologische Gesichtspunkte. Photosynthetisierende Bakterien. Anoxygene Photosynthese. 2 Typen von Reaktionszentren, zyklischer Elektronentransport. Redoxpotentiale der zwei Systeme. Gemeinsamkeiten mit Elektronentransport bei der Atmung. Kap. 13 20. Oxygene Photosynthese. Z-Schema. Zusammensetzung aus zwei Systemen plus Wasserspaltungsapparat. Zyklischer Elektronentransport, Regulation, Bedarf an ATP, NADPH für Kohlendioxid-Fixierung. Regulation (anoxygene) Photosynthese. Halobakterielle Photosynthese. Kap. 13, 28.4 Chemoheterotrophe Lebensweise: Energie aus der Oxidation von organischen Substraten 21. Aspekte des Abbaus von Polymeren. Abbau von zellfremden bzw. zelleigenen Polymeren (Speicherstoffe). Stoffwechselschema. Oxidativer Teil des Stoffwechsels. Gemeinsamkeiten beim Abbau von Polymeren. Exoenzyme. Abbau von Zellulose, Stärke, Chitin, Lignin. Abbau von Speicherstoffen durch cytoplasmatische Enzyme. Kap. 9.1-5, 30.4, 30.5, 31.2 22. Fortsetzung Polymerabbau. Abbau von Proteinen und Nukleinsäuren. Oxidation von Zuckern über Glykolyse. Substratstufenphosphorylierung. Transport. Glycolyse. Energetische Prinzipien. Citrat-Zyklus. Hinweis auf andere Zuckerabbauwege. Kap. 3.1-3.4, 9.10, 9.11 23. Oxidation von Zuckern über andere Wege. Entner-Doudoroff-Weg. Oxidativer Pentosephosphat-Zyklus. Phosphoketolase-Weg. Besonderheiten bei Archaebakterien. Vielfalt und Evolution der Zuckerabbauwege. Kap. 9.11. Oxidation von anderen Bausteinen. Aminosäuren, Fettsäuren. Lipide. 24. Oxidationen von Aromaten, Heterozyklen und Kohlenwasserstoffen. Rolle von Sauerstoff als Reagenz bei der Aktivierung des Substrates und bei der Ringspaltung. 25. Unvollständige Oxidationen. Cometabolismus Vielfalt im zentralen Stoffwechsel von Anaerobiern und Fakultativen. Oxidation und Decarboxylierung von Pyruvat. Oxidation von Acetyl-CoA.. Die Einheit der Biochemie und Ausnahmen. Kap. 9.12, 9.13. Kap. 3.5, 3.6, 9.10, 9.13, 9.18, 12.2 4 Chemoheterotrophe Lebensweise: Energie aus Gärungen in Abwesenheit eines Elektronenakzeptors 26. Prinzipien der Gärung am Beispiel von Zuckern. Stoffwechselschema. Oxidativer und reduktiver Teil des Stoffwechsels, interner Redoxausgleich. Energieliefernde Schritte und energiereiche Zwischenprodukte. Energieverlust bei der Reduktion von Stoffwechselzwischenprodukten. Alkoholische Gärung (Hefe, Zymomonas). Homomilchsäure-Gärung. Heteromilchsäure-Gärung von Pentosen, von Hexosen. Kap. 12.2 27. Gärungen mit Wasserstoff als einem Hauptprodukt. Reduktion von Protonen, energetische Konsequenzen. Clostridiengärungen (Buttersäure/Butanol). Regulation in Abhängigkeit von pH2, pH, Lösungsmittel. Vergleich Laborkultur/Naturkultur. Homoacetat-Gärung. Regulation verzweigter Gärungen. Kap. 12.2 28. Weitere Gärungen. Gemischte Säuregärung. Gärbilanz. Propionatgärungen. Vergärung von Aminosäurepaaren (Stickland-Reaktion). Kap. 12.2, 12.3 29. Methanbildung. Vergärung von polymeren Naturstoffen. Methanogene Bakterien, methanogene Substrate. Biogas-Bildung. Ökologie. Kläranlagen. 3-Stufenprozess, beteiligte Mikroorganismen. Hinweis auf Darmflora. Methanbildung aus CO2 und aus Acetat. Kap. 30.3, 30.7 Methoden der Untersuchung von Abbauwegen 30. Methoden der Untersuchung von Abbauwegen. Am Beispiel des aeroben und anaeroben Stoffwechsels von Aromaten. Vorgehensweise bei der Aufklärung eines Abbauweges. Syntrophe Lebensgemeinschaften und Symbiosen 31. Syntrophe Lebensgemeinschaften. Leben am biologischen Energieminimum (biologisches „Energiequant“). Syntrophie und Wasserstoff-Übertragung zwischen einzelnen Arten. Bakterien, die Essigsäure und Wasserstoff aus Gärprodukten machen. Syntrophie mit anderen Bakterien. Konkurrenz um Wasserstoff, z. B. mit Acetogenen Bakterien oder Sulfatreduzierern. Beispiel anaerobe Oxidation von Methan. Kap. 12.1, 31.5 32. Symbiosen mit Eukaryonten. Bedeutung von Symbiosen zwischen Bakterien (und Pilzen oder Algen) mit Eukaryonten. Beispiele für Kohlenstoff- und Energie-Versorgung durch photolithoautotrophe Bakterien oder Algen, für Kohlenstoff- und Energie-Versorgung durch chemolithoautotrophe Bakterien, für N-Versorgung durch N-autotrophe Bakterien, für Versorgung mit Vitaminen oder essentiellen Bausteinen durch heterotrophe Bakterien, für Versorgung mit P und Wasser durch heterotrophe Pilze, für Verdauung schwer zugänglicher Polymere durch heterotrophe Bakterien.
