Ultrastruktur von Mikroorganismen
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26.06.2009 © R.Rachel, Univ. Regensburg Ultrastruktur von Mikroorganismen Reinhard Rachel Juni 2009 Größenvergleich • 0.1 nm (1 Å): ein Atom • 1 bis 4 nm: DNA, RNA, kleine Proteine • 10 ‐ 25 nm: Proteinkomplexe (Proteasen), Ribosomen, Thermosom, Proteasom, … • 100 nm: Viren (50 – 200 nm) • 1000 nm = 1 µm: Bakterienzellen: viele Kokken; Durchmesser von ein bis zwei Stäbchen; 1 bis 2 Mitochondrien • 10 µm: zwei Hefezellen; Amöbe • 100 µm: ein Glomerulum in der Niere (Maus); Kopfhaar; 100 µm: ein Glomerulum in der Niere (Maus); Kopfhaar; Schreibpapier • 1 mm: e.g. der Fadenwurm Caenorhabditis elegans (65 x 1000 µm), der aus ca. 1000 Zellen aufgebaut ist 1 26.06.2009 Größenvergleich Größenvergleich Bakterium 1000 nm = 1 µm Hefe 100 nm DNA IgG 10 nm 1000 nm = 1 µm Amöbe 1 µm 2 26.06.2009 Zellformen Fig. 4.1 Brock: Kokke, Stäbchen, Spirille Spirochäte, Bakterien mit langen Fortsätzen, filamentöse Bakterien Zellformen Stäbchen, begeißelt: Aquifex pyrophilus (Größe: etwas kleiner als Escherichia coli) Kokken, in Tetraden: Deinococcus radiodurans Pyrococcus furiosus 11 µm µm 1 µm 1 µm Thermofilum pendens 1 µm 3 26.06.2009 Zellgröße und Zellvolumen Stäbchen, begeißelt: Aquifex pyrophilus (Größe: etwas kleiner als Escherichia coli) Das Archaeum Ignicoccus hospitalis; Durchmesser: 2 µm (chemolithoautotroph; Schwefel reduzierend), zusammen mit dem kleinsten heute bekannten Archaeum, Nanoarchaeum equitans; Durchmesser: 0.4 µm = 1/1000 von Thiomargarita Ignicoccus Nano 1 µm 1 µm 1 µm 400 µm Ignicoccus hospitalis und Nanoarchaeum equitans, in der selben Skalierung wie Thiomargarita Thiomargarita namibiensis, ein riesiges Bakterium; Durchm.: 400 µm (chemolithoautotroph; Schwefel reduzierend) Zellgröße und Zellvolumen Organismus Typ Morphotyp Durchmesser Volumen (µm3) E.coli‐ Volumen Thiomargarita namibiensis S0‐chemolithotroph Kokken in Ketten 400 bis 750 µm Bis zu 2 x 108 108 Beggiatoa sp. S0‐chemolithotroph Filamente 50 x 160 µm 1 x 106 5 x 105 Lyngbya majuscula Phototroph; Cyanobacterium Filamente 8 x 80 µm 4 x 104 2 x 104 Staphylothermus marinus Chemoorganotroph Kokke 3 bis 15 µm 14 bis 1.800 7 bis 900 Ignicoccus hospitalis S0‐chemolithotroph Kokke 1.5 bis 6 µm 1.8 bis 113 0.9 bis 56 Magnetobacterium bavaricum Magnetotaktisch Stäbchen 2 x 10 µm 30 15 Escherichia coli Chemoorganotroph Stäbchen 1 x 2 µm 2 1 Pyrococcus furiosus Chemoorganotroph Kokke 1 µm 0.5 0.5 Nanoarchaeum equitans Unknown (Parasit?) Kokken 0.4 µm 0.034 1.7 x 10‐2 Mycoplasma pneumoniae Pathogen Pleomorph 0.2 µm 0.005 2.5 x 10‐3 4 26.06.2009 Zellmembranen im Transmissions‐Elektronenmikroskop Ultradünnschnitt Fig. 4.4 u. 4.8 Brock außen Phosphat Glycerol Acyl‐ (B) Phytanyl‐ (A) Membran‐ Protein innen Biphytanyl‐ Reste 50 nm Nadine Wasserburger Glycerophosphat‐Reste Bakterien Fettsäure‐ Reste Gerhard Wanner Lipid 1,2‐Glycerol Fettsäure‐ ester (C2) o. ether Archaeen 2,3‐Glycerol Phytanyl – ether (C5; Isoprenyl) Bakterien: Gram‐positiv, Gram‐negativ Fig. 4.16 Brock außen innen 5 26.06.2009 Bakterien: Gram‐positiv außen Li Lipoteichonsäure i h ä Peptidoglykan = Murein Cytopl. Membran 8 nm 8 nm 50 nm Phospholipide 50 nm innen Graham & Beveridge 1994 Matias & Beveridge 2005 Bakterien: Gram‐negativ außen Lipoprotein äußere Membran LPS Periplasma äußere Membran 8 nm Cytoplasma‐ Membran 50 nm Periplasma Cytopl. Membran b 8 nm Phospholipide Porin: trimere Pore Graham & Beveridge 1990 Matias, Al‐Amoudi, Dubochet, Beveridge 2003 innen 6 26.06.2009 Bakterien im TEM: Gram‐positiv, Gram‐negativ Lipoteichonsäure, Peptidoglykan; (("Periplasma")) Peptidoglykan außen äußere Membran + LPS + Porine Periplasma + Murein Cytoplasma‐ Membran 50 nm innen Technik: Aldehyd‐Fixierung, Entwässerung bei RT; 1970 ‐ 1980 Bakterien im TEM: Gram‐positiv, Gram‐negativ Lipoteichonsäure, Peptidoglykan; "Periplasma" außen äußere Membran + LPS + Porine Periplasma + Murein Cytoplasma‐ Membran 50 nm 50 nm innen Technik: Einfrieren, Gefriersubstitution; 1990 ‐ 2009 7 26.06.2009 Bakterien im TEM: Gram‐positiv, Gram‐negativ Lipoteichonsäure, Peptidoglykan; "Periplasma" außen äußere Membran + LPS + Porine Periplasma + Murein 50 nm 50 nm innen Technik: Einfrieren, Kryoschnitte; seit ca. 2001 Ignicoccus Sulfolobus Phylogenetischer Stammbaum der Archaeen (16S rRNA) Methanothermus Thermoproteus/Pyrobaculum Archaeoglobus Pyrolobus Pyrococcus Halobacterium Crenarchaeota M th Methanosarcina i Methanococcus Nanoarchaeum Methanospirillum Euryarchaeota EM-Aufnahmen: R. Rachel & Mitarb. 8 26.06.2009 Zellwände bei Archaeen • Surface Layer, S‐layer: eine kristalline, meist einlagige Schicht, bestehend aus vielen Tausenden Kopien eines (Glyko‐)Proteins; bei sehr vielen Spezies der Crenarchaeota (Sulfolobus, Aeropyrum, Staphylothermus Thermoproteus) und der Euryarchaeota Staphylothermus, Thermoproteus), und der Euryarchaeota (Pyrococcus u. Thermococcus, Methanococcus, Archaeoglobus, Halobacterium u. Haloferax) • Pseudomurein und eine Proteinschicht: stäbchenförmige Methanogene, d.h. Methanobacteriales (Methanothermobacter, Methanothermus) und Methanopyrus • eine äußere Membran: Ignicoccus i ä ß b i ( (Desulfurococcales; lf l Crenarchaeota) Oberflächen von Archaeen (Gefrierätzung) ‐ 1 Metallosphaera sedula Thermosphaera aggregans p3, 21 nm 0.5 µm Kein S-layer erkennbar Pyrolobus fumarii Pyrodictium abyssi p6, 21 nm p4, 19 nm 0.5 µm 9 26.06.2009 Oberflächen von Archaeen (Gefrierätzung) ‐ 2 Methanopyrus kandleri Archaeoglobus veneficus 0.5 µm Kein S S--layer erkennbar 0.5 µm Thermococcus chitonophagus T.acidaminovorans Ferroglobus placidus 0.5 µm p6 0.5 µm p6 0.5 µm p4 p6 Pseudomurein im Transmissions‐Elektronenmikroskop Proteinhülle Methanopyrus kandleri Pseudomurein Cytoplasma‐ Membran 0.5 µm Pseudo‐Murein: hält 2% SDS 100°C aus (>20 min) 0.5 µm 10 26.06.2009 S‐layer im Transmissions‐Elektronenmikroskop S‐Layer Pyrobaculum aerophilum Periplasma Cytoplasma‐ Membran 0.5 µm S‐layer: hält 2% SDS 100°C aus (>20 min) 0.5 µm S‐Layer im Vergleich mit Pseudomurein S‐Layer Pyrobaculum aerophilum Periplasma Cytoplasma‐ Membran 0.5 µm S‐layer: hält 2% SDS 100°C aus (>20 min) 0.5 µm Proteinhülle Methanopyrus kandleri Pseudomurein Cytoplasma‐ Membran 0.5 µm Pseudo‐Murein: hält 2% SDS 100°C aus (>20 min) 0.5 µm 11 26.06.2009 Metallosphaera sedula Archaeelle Kokken im Ultradünnschnitt Archaeoglobus fulgidus M. sedula 0.5 µm Thermococcus chitonophagus 0.5 µm 0.5 µm Pyrobaculum aerophilum 0.5 µm 0.5 µm Bakterien vs. Archaeen: Surface Layer • S‐Layer: Zellwand‐Polymer, das aus vielen identischen Kopien eines (Glyko‐)Proteins besteht; sie sind in Form eines zweidimensionalen Kristalls angeordnet. • In vielen Archaeen: das einzige Zellwand‐Polymer (deutlicher Unterschied zu den meisten Bakterien) • Bei den Archaeen werden – im Ggs. zu den Bakterien – keine S‐ Layer defizienten Mutanten beobachtet (außer: Thermoplasma?); essentielle Schutzfunktion? • Bei den Archaeen ist der S‐layer immer in der Cytoplasma immer in der Cytoplasma verankert (bei Bakterien: auf/im Peptidoglykan oder in der äußeren Membran) Pyrodictium abyssi 12 26.06.2009 Zellwand bei Bakterien und bei Archaeen Gram‐negative B. Gram‐positive B. Cren‐A. Eury‐A. SL: S-Layer; LPS: Lipopolysaccharid; OM: äußere Membran PG: Peptidoglykan; PP: Periplasma; CPM: Cytoplasmatische Membran Definition S-Layer: Zellwand-Polymer aus (Glyko-)Proteinen, in zweidimensional kristalliner Anordnung Flagellen von Bakterien und Archaeen im Transmissions‐Elektronenmikroskop Methode: Negativ‐Kontrastierung Bakterium: Aquifex 100 nm Mittlerer Durchmesser: ca. 20 nm Archaeum: Metallosphaera Archaeum: Ignicoccus 100 nm ca. 13 nm 100 nm 14 nm 13 26.06.2009 Ignicoccus hospitalis: Zellanhänge – wofür? Adhäsion! 2 µm Flagellen von Bakterien und Archaeen Salmonella typhimurium (B) Pyrococcus furiosus (A) Ignicoccus hospitalis (A) Durchmesser des Filaments Ca. 20 nm Ca. 10 nm Ca. 14 nm Motor komplex: Haken; Stator, Rotor mit mehreren Ringen Unbekannt Unbekannt Polymerisation des Filaments Am distalen Ende Von der Basis (?) Von der Basis (?) Transport neuer UE Durch das hohle Filament 'nur' durch die CM dito Export des Proteins Ohne Signalpeptid Mit Signalpeptid Mit Signalpeptid Anzahl u. Masse des Flagellin‐Proteins 1: ca. 54 kDa 3 (?): ca 30 kDa 1 (?): 34 kDa Glykosylierung Nein Ja ? Funktion Motilität; Adhäsion (?) Motilität; Adhäsion Adhäsion an an Oberflächen; Oberflächen Zell‐Zell‐Interaktion Assembly: movie 14 26.06.2009 Zusammenbau des Flagellen‐Motor von Bakterien Bakterien: Flagellen‐Motor von Salmonella typhimurium und von Treponema primita Filament Haken Motor‐ komplex L‐Ring P‐Ring ÄM Periplasma + PG CM MS‐Ring ÄM PG CM 20 nm 15 26.06.2009 Treponema pallidum Elektronen‐Tomographie: 2nm Schnitt SEM 2 µm 200 nm 200 nm Spirillum; 10‐15 µm lang; 0.3 µm dünn Erreger der Syphilis 16
