pdf (Mikrobiologie, 24.11. 09): B. Bukau
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Fakultät für Biowissenschaften, WS 2009/10 Grundvorlesung Biologie I: Teil Mikrobiologie Vorlesungsthemen Mikrobiologie 1. Einführung in die Mikrobiologie B. Bukau 2. Zellaufbau von Prokaryoten B. Bukau 3. Bakterielles Wachstum und Differenzierung B. Bukau 4. Bakterielle Genetik und Evolution V. Sourjik 5. Mikrobielle Vielfalt und Ökologie V. Sourjik 6. Medizinische Mikrobiologie V. Sourjik 7. Gentechnik und industrielle Mikrobiologie V. Sourjik B. Bukau, Zentrum für Molekulare Biologie Heidelberg, DKFZ-ZMBH-Allianz Seite 1 Fakultät für Biowissenschaften, WS 2009/10 Grundvorlesung Biologie I: Teil Mikrobiologie Zellaufbau von Prokaryoten 1. Zellstrukturen von Prokaryoten: Unterschiede zu Eukaryoten 2. Aufbau der Zellhülle von Bakterien und Archaea - Cytoplasmatische Membran - Die Zellwand - Gram-Färbung - Aussenmembran von Gram-negativen Bakterien 3. Kapseln 4. Pili 5. Flagellen (Geißeln) - Aufbau - Geißelbewegung - Chemotaxis B. Bukau, Zentrum für Molekulare Biologie Heidelberg, DKFZ-ZMBH-Allianz Seite 2 Fakultät für Biowissenschaften, WS 2009/10 Grundvorlesung Biologie I: Teil Mikrobiologie Kennzeichen zellulären Lebens 1. Kompartimentalisierung und Metabolismus 5. Bewegung 6. Evolution 2. Vermehrung (Wachstum) 3. Differenzierung 4. Kommunikation B. Bukau, Zentrum für Molekulare Biologie Heidelberg, Achtung: Nur manche Zellen differenzieren und bewegen sich DKFZ-ZMBH-Allianz Seite 3 Fakultät für Biowissenschaften, WS 2009/10 Grundvorlesung Biologie I: Teil Mikrobiologie Ultrastruktur (EM) von Dünnschnitten der drei Domänen der Mikroorganismen Bacteria Archaea B. Bukau, Zentrum für Molekulare Biologie Heidelberg, Bäckerhefe DKFZ-ZMBH-Allianz Seite 4 Fakultät für Biowissenschaften, WS 2009/10 Grundvorlesung Biologie I: Teil Mikrobiologie Repräsentative Zellformen bei Prokaryoten Spirochaeta stenostrepta Thiocapsa roseopersicina Spirochaete Kokken Rhodomicrobium annielii Desulfuromonas acetoxidans Knospende Bakterien und Bakterien mit Appendices Stäbchen Chloroflexus aurantiacus Rhodospirillum rubrum Spirille Filamentöse Bakterien B. Bukau, Zentrum für Molekulare Biologie Heidelberg, DKFZ-ZMBH-Allianz Seite 5 Fakultät für Biowissenschaften, WS 2009/10 Grundvorlesung Biologie I: Teil Mikrobiologie Unterschiede zwischen Pro- und Eukaryonten Prokaryont Prokaryonten: keinen Zellkern, Mitochondrien, Chloroplasten: keine membranbegrenzten Organellen Achtung: unterschiedliche Skalen Eukaryont keine Endozytose/Pinozytose: nur einzelne Moleküle werden aufgenommen unterschiedliche biochemische Zusammensetzung, u.a. der Proteine (z.B. Ribosomen), Lipide meist zirkuläres Chromosom und extrachromosomale Elemente (Plasmide) meist haploid, asexuelle Vermehrung meist viel kleiner unterschiedliche Zellhülle B. Bukau, Zentrum für Molekulare Biologie Heidelberg, DKFZ-ZMBH-Allianz Seite 6 Fakultät für Biowissenschaften, WS 2009/10 Grundvorlesung Biologie I: Teil Mikrobiologie Die Zellmembran (Cytoplasmamembran): Funktionen Selektive Permeabilitätsbarriere: Osmotische Barriere Selektiver Stofftransport Proteinsekretion Energiegewinnung/Speicherung: Elektonentransportkette Verschiedene Enzyme Signalverarbeitung: Kommunikation mit Umwelt B. Bukau, Zentrum für Molekulare Biologie Heidelberg, DKFZ-ZMBH-Allianz Seite 7 Fakultät für Biowissenschaften, WS 2009/10 Grundvorlesung Biologie I: Teil Mikrobiologie Die Zellmembran (Cytoplasmamembran): Aufbau Cholesterol Phospholipiddoppelschicht Diploptän Verstärkung durch Hopanoide (z.B. Diploptän) keine Sterole (Cholesterol) Integrierte und periphere Membranproteine Flüssige Mosaikstruktur B. Bukau, Zentrum für Molekulare Biologie Heidelberg, DKFZ-ZMBH-Allianz Seite 8 Fakultät für Biowissenschaften, WS 2009/10 Grundvorlesung Biologie I: Teil Mikrobiologie Die Zellmembran der Archaea keine Hopanoide Ether- statt Esterbindungen keine Fettsäuren sondern Isopren-Bausteine (steifer) kovalent verknüpfte Lipide resistenter gegen Hydrolyse! Lipiddoppelschicht (Bacteria) Bacteria Archaea Archaea Lipideinzelschicht (einige Arachaea) Isopren B. Bukau, Zentrum für Molekulare Biologie Heidelberg, DKFZ-ZMBH-Allianz Seite 9 Fakultät für Biowissenschaften, WS 2009/10 Grundvorlesung Biologie I: Teil Mikrobiologie Die Zellwand von Prokaryoten Schutzfunktion: z.B. gegen Detergenzien und amphipathische Substanzen (polar und nicht-polar) Turgordruck (im Zytosol: 2 Atmosphären): mechanische Festigkeit Peptidoglycan: auch Murein genannt 1-25 Schichten in Zellwand von Bacteria (ausser Mycoplasmen) existiert nicht bei Archaea und Eukaryoten Basis für Gram-positive und Gram-negative Klassifizierung Bestandteile: 2 Zuckerderivate (N-Acetylglucosamin; N-Acetylmuraminsäure) besondere Aminosäuren bilden zusammen vernetzte Schichten um die Zelle: Peptidoglycan-Sacculus B. Bukau, Zentrum für Molekulare Biologie Heidelberg, DKFZ-ZMBH-Allianz Seite 10 Fakultät für Biowissenschaften, WS 2009/10 Grundvorlesung Biologie I: Teil Mikrobiologie Die Gramfärbung: Einteilung vieler Bakterien Methylenblau und Kristallviolett: kationische (+ geladene) Farbstoffe. Die + geladenen Gruppen reagieren mit der negativ geladenen Baktienhülle. Chlorid (Cl) ist das Gegenion. Gram-positive Zelle: der Kristallviolett-Iodid Komplex wird durch die multiplen Schichten des Peptidoglykans zurückgehalten. Gram-negative Zelle: Komplex läuft aus, Zellen werden gegengefärbt gram-positive (purple): Staphylococcus aureus B. Bukau, Zentrum für Molekulare Biologie Heidelberg, DKFZ-ZMBH-Allianz gram-negative (pink): Escherichia coli Seite 11 Fakultät für Biowissenschaften, WS 2009/10 Grundvorlesung Biologie I: Teil Mikrobiologie Die Peptidverknüpfung in Peptidoglykan G, N-Acetylglucosamin M, N-Acetylmuraminsäure E. coli (gram-) Staphylococcus aureus (gram+) Unübliche Aminosäuren: Diaminopimelinsäure D-Aminosäuren (D-Glutaminsäure; D-Alanin) Arten, Anzahl und Stärke der Quervernetzung der Aminosäuren unterscheiden sich von Organismus zu Organismus B. Bukau, Zentrum für Molekulare Biologie Heidelberg, DKFZ-ZMBH-Allianz Seite 12 Fakultät für Biowissenschaften, WS 2009/10 Grundvorlesung Biologie I: Teil Mikrobiologie Der Peptidoglycan-Sacculus Isolierter Peptidoglycan-Sacculus von E. coli B. Bukau, Zentrum für Molekulare Biologie Heidelberg, Glycanketten (Ringe) mit Peptiden verbunden (Pfeile) DKFZ-ZMBH-Allianz Seite 13 Fakultät für Biowissenschaften, WS 2009/10 Grundvorlesung Biologie I: Teil Mikrobiologie Angriffspunkt von Lysozym In tierischen Sekreten (Tränen, Speichel) als Abwehr gegen Bakterien Lysozym B. Bukau, Zentrum für Molekulare Biologie Heidelberg, DKFZ-ZMBH-Allianz Seite 14 Fakultät für Biowissenschaften, WS 2009/10 Grundvorlesung Biologie I: Teil Mikrobiologie Angriffspunkt von ß-Lactam-Antibiotika ß-Lactam-Antibiotika inhibieren die Peptidverknüpfung im Peptidoglycan binden und hemmen Transpeptidasen (verknüpfen Peptidoglycanketten) = Penicillin-Bindeproteine (PBPs) bilden 50% aller Antibiotika: u.a. Penicilline (gram+), Cephalosporine, Ampicillin (gram-) haben ähnliche chemische Grundstruktur Alexander Fleming, Entdecker des Penicillins (1928). Nobelpreis 1945 Penicillin B. Bukau, Zentrum für Molekulare Biologie Heidelberg, Fleming's originale Agarplatte mit Penicillium-Pilz, der das Wachstum von Bakterien hemmtSeite 15 DKFZ-ZMBH-Allianz Fakultät für Biowissenschaften, WS 2009/10 Grundvorlesung Biologie I: Teil Mikrobiologie Die Zellwand der gram-positiven Bakterien (z.B. Bacillus subtilis) Teichonsäuren (Zuckeralkohole mit verknüpften Aminosäuren) Viele geladene und polare Gruppen: Resistenz gegen hydrophobe Substanzen Dicke Peptidoglycanschicht: mechanische Stabilität B. Bukau, Zentrum für Molekulare Biologie Heidelberg, DKFZ-ZMBH-Allianz Seite 16 Fakultät für Biowissenschaften, WS 2009/10 Grundvorlesung Biologie I: Teil Mikrobiologie Zellwand der Archaea sehr divers am meisten verbreitet ist die S-Schicht: parakristalline Oberflächenschicht aus hexagonalen Proteinen oder Glycoproteinen EM-Aufnahme einer S-Schicht Peptidoglycan-ähnliche Zellwand: Pseudopeptidglycan (andere Zucker) dicke Schichten von Polysacchariden, Glycoproteinen oder Proteinen B. Bukau, Zentrum für Molekulare Biologie Heidelberg, DKFZ-ZMBH-Allianz Seite 17 Fakultät für Biowissenschaften, WS 2009/10 Grundvorlesung Biologie I: Teil Mikrobiologie Die Außenmembran der gram-negativen Bakterien Zwei Membrane, Peptidogclycan im Periplasma B. Bukau, Zentrum für Molekulare Biologie Heidelberg, DKFZ-ZMBH-Allianz Seite 18 Fakultät für Biowissenschaften, WS 2009/10 Grundvorlesung Biologie I: Teil Mikrobiologie Die Außenmembran der gram-negativen Bakterien Asymmetrische Membran: Lipopolysaccharid (LPS) aussen, Phospholipide innen Permeabilitätsbarriere Porine (Porenproteine) für kleine Moleküle (600 Da) seitlich Porin von oben Struktur des LPS ähnlicher Grundaufbau in gram- Bakterien hohe Variabilität in O-spezifischen Polysacchariden wichtiges Antigen LipidA kann toxisch sein: Endotoxin z.B. Fieber, Diarrhöe: Lebensmittelvergiftung durch Salmonellen B. Bukau, Zentrum für Molekulare Biologie Heidelberg, DKFZ-ZMBH-Allianz Seite 19 Fakultät für Biowissenschaften, WS 2009/10 Grundvorlesung Biologie I: Teil Mikrobiologie Zellhülle: Vergleich gram- und gram+ gram-positiv gram-negativ Periplasma - Peptidoglycan - Proteine (Transport, Enzyme, Faltung) - Lipoproteine (Verbindung zu Aussenmembran B. Bukau, Zentrum für Molekulare Biologie Heidelberg, DKFZ-ZMBH-Allianz Seite 20 Fakultät für Biowissenschaften, WS 2009/10 Grundvorlesung Biologie I: Teil Mikrobiologie Kapseln, Pili und Flagellen: Wie Bakterien auf ihre Umwelt reagieren können Kapseln und Schleimschichten aus Polysacchariden oder Aminosäuren Schutz vor Austrocknung, Anheftung (Caries-Plaques), Abwehr (Phagocytose), Motilität Salmonella typhimurium Pili und Fimbrien) strukturell ähnliche Proteinfilamente (Piline und Adhesine) fast alle gram-, nur wenige gram+ viele physiologische Funktionen, aber jeweils spezialisiert: - Anheftung an Wirtszellen und Oberflächen - Transfer von Proteinen und DNA (Pili, Konjugation!) in andere Zellen - Motilität (durch Anheftung und Retraktion) B. Bukau, Zentrum für Molekulare Biologie Heidelberg, V. Sourjik Film DKFZ-ZMBH-Allianz Seite 21 Fakultät für Biowissenschaften, WS 2009/10 Grundvorlesung Biologie I: Teil Mikrobiologie Fortbewegung durch Pili „Twitching motility“ = Zuckende Fortbewegung wie Enterhaken: - Pili adherieren - depolymerisieren von inneren Ende - ziehen die Zelle dadurch zurück Beispiel: Pseudomonas aeruginosa Rowland Institute (Harvard) B. Bukau, Zentrum für Molekulare Biologie Heidelberg, DKFZ-ZMBH-Allianz Seite 22 Fakultät für Biowissenschaften, WS 2009/10 Grundvorlesung Biologie I: Teil Mikrobiologie Flagellen (Geißeln) sind molekulare Motoren: Motilität lange, dünne Appendices aus Proteinen Filamentprotein: Flagellin helikal aufgebaut (definierte BiegungenWellenlänge) Peritrich Polar Lophotrich (Büschel) Rotationsbewegung durch Basalkörper Energie durch Protonenbewegung durch Cytoplasmamembran und Basalkörper: Protonenturbine, durch Mot-Proteine und Protonengradienten angetrieben B. Bukau, Zentrum für Molekulare Biologie Heidelberg, DKFZ-ZMBH-Allianz Seite 23 Fakultät für Biowissenschaften, WS 2009/10 Grundvorlesung Biologie I: Teil Mikrobiologie Aufbau und Funktionsweise eines Flagellums Protonen fliessen durch Mot-Proteine ins Cytosol Mot-Proteine: Geißelmotor Dies erzeugt Kraft, die auf C- und MS-Ringe wirken: Rotationsbewegung (1000 Protonen/Umdrehung) Fli-Proteine: Motorschalter Im Filament und Schaft: schmaler Kanal für Flagellin B. Bukau, Zentrum für Molekulare Biologie Heidelberg, DKFZ-ZMBH-Allianz Seite 24 Fakultät für Biowissenschaften, WS 2009/10 Grundvorlesung Biologie I: Teil Mikrobiologie Geißelbewegung Geißelbewegung: ≤ 60 Zelllängen/Sekunde Gepard: 25 Körperlängen/ Sekunde (110 km/h) - Uhrzeigersinn (clockwise, CW): Taumeln - Gegenuhrzeigersinn (counterclockwise, CCW): Schwimmen - CCW und CW alternieren in synchroner Weise Wie kann gerichtete Bewegung entstehen? B. Bukau, Zentrum für Molekulare Biologie Heidelberg, DKFZ-ZMBH-Allianz Seite 25 Fakultät für Biowissenschaften, WS 2009/10 Grundvorlesung Biologie I: Teil Mikrobiologie Bakterielle Chemotaxis Bewegung entlang eines chemischen Konzentrationsgradienten Kapillarentest eintauchen Salzlösung Farbvideokamera: Bakterien, die sich auf eine O2-produzierende Alge bewegen („Aerotaxis“) Lockstoff abstoßender Stoff „attractant“ „repellent“ (z.B. Zucker) (z.B. Schwermetalle) B. Bukau, Zentrum für Molekulare Biologie Heidelberg, DKFZ-ZMBH-Allianz Seite 26 Fakultät für Biowissenschaften, WS 2009/10 Grundvorlesung Biologie I: Teil Mikrobiologie Gerichtete chemotaktische Bewegung ohne Lockstoff zufällige Bewegung mit Lockstoff zielgerichtete Bewegung: längere Geraden („Run“; CCW) in Richtung Ziel Wie kann die „richtige Richtung“ von der „falschen Richtung“ unterschieden werden? B. Bukau, Zentrum für Molekulare Biologie Heidelberg, DKFZ-ZMBH-Allianz Seite 27 Fakultät für Biowissenschaften, WS 2009/10 Grundvorlesung Biologie I: Teil Mikrobiologie Mechanismus der Chemotaxis in E. coli Bakterien nehmen die Bewegung entlang eines chemischen Gradienten durch ein molekulares Gedächtnis war: was ist die Konzentration jetzt, und wie war sie eben? Sensorproteine in der Cytoplasmamembran: Chemorezeptoren binden den Lockstoff Bindung führt zu chemischen Veränderungen an Proteinen im Cytoplasma: Phosphorylierung von Che-Proteinen Phosphorylierungszustand von CheY bestimmt die Rotationsrichtung des Motors Anpassung (Sensitivität gegenüber Lockstoff) durch Methylierung: Uhr wird zurückgesetzt. B. Bukau, Zentrum für Molekulare Biologie Heidelberg, DKFZ-ZMBH-Allianz Seite 28 Fakultät für Biowissenschaften, WS 2009/10 Grundvorlesung Biologie I: Teil Mikrobiologie Bakterielles Wachstum und Differenzierung 1. Die bakterielle Zellteilung 2. Wachstum einer Bakterienpopulation 3. Bildung von Endosporen B. Bukau, Zentrum für Molekulare Biologie Heidelberg, DKFZ-ZMBH-Allianz Seite 29 Fakultät für Biowissenschaften, WS 2009/10 Grundvorlesung Biologie I: Teil Mikrobiologie Bakterielle Zellteilung durch Zweiteilung B. Bukau, Zentrum für Molekulare Biologie Heidelberg, DKFZ-ZMBH-Allianz Seite 30 Fakultät für Biowissenschaften, WS 2009/10 Grundvorlesung Biologie I: Teil Mikrobiologie Die Bildung des Septums Divisom-Struktur am Septum (E. coli) FtsZ-protein (bakterielles Tubulin): bildet Ring am Septum ZipA-Protein verankert FtsZ an Membran FtsI bewirkt Peptidoglykansynthese (Penicillin-Bindeprotein) Teilung und Zellwandsynthese in Streptokokken (gram+) B. Bukau, Zentrum für Molekulare Biologie Heidelberg, DKFZ-ZMBH-Allianz Seite 31 Fakultät für Biowissenschaften, WS 2009/10 Grundvorlesung Biologie I: Teil Mikrobiologie Wachstum von Bakterienpopulationen Periode des exponentiellen Wachstums: N = No 2n N = endgültige Zellzahl No = ursprüngliche Zellzahl n = Zahl von Generationen Generationszeit g = t/n t = Dauer des exponentiellen Wachstums Eine konstante Generationszeit resultiert in logarithmischem Wachstum B. Bukau, Zentrum für Molekulare Biologie Heidelberg, DKFZ-ZMBH-Allianz Seite 32 Fakultät für Biowissenschaften, WS 2009/10 Grundvorlesung Biologie I: Teil Mikrobiologie Wachstumskurve einer Bakterienpopulation Meßmethoden: optische Dichte (Trübung), Gesamtzahlbestimmung (mikroskopisch; Zählkammer), Lebendzahlbestimmung (ausplattieren auf Agarplatte) B. Bukau, Zentrum für Molekulare Biologie Heidelberg, DKFZ-ZMBH-Allianz Seite 33 Fakultät für Biowissenschaften, WS 2009/10 Grundvorlesung Biologie I: Teil Mikrobiologie Umweltfaktoren beeinflussen Wachstum: Temperatur Temperaturspektrum des Wachstums einer Bakterienart B. Bukau, Zentrum für Molekulare Biologie Heidelberg, DKFZ-ZMBH-Allianz Seite 34 Fakultät für Biowissenschaften, WS 2009/10 Grundvorlesung Biologie I: Teil Mikrobiologie Zelldifferenzierung bei Bakterien: Endosporen In schwierigen Zeiten, bei besonders widrigen Umweltbedingungen: extreme Temperaturen, Trockenheit, Nährstoffmangel Einige gram+-Bakterien, u.a.: Endosporen: Bacillus subtilis (Bodenbakterium) Clostridium tetani (Tenatus Erreger) Clostridium botulinum (Botulismus) Bacillus anthracis (Anthrax = Milzbrand) - Differenzierte Zellen, die sehr resistent sind, u.a. gegen Hitze, Chemikalien, Bestrahlung, Trockenheit - Können leicht verbreitet werden (Wind, Wasser, Kot...) - Extrem langlebig (250 Millionen Jahre!!) - Schwer abzutöten (resistent bis 150°C; Autoklav mit feuchter Hitze und 121°C tötet die meisten E.) - Dicke Hüllschicht; protektive Moleküle für DNA und zur Dehydrierung (Dipicolinsäure, SASPs) B. Bukau, Zentrum für Molekulare Biologie Heidelberg, DKFZ-ZMBH-Allianz Seite 35 Fakultät für Biowissenschaften, WS 2009/10 Grundvorlesung Biologie I: Teil Mikrobiologie Die Bildung einer Endospore (B. subtilis) B. Bukau, Zentrum für Molekulare Biologie Heidelberg, DKFZ-ZMBH-Allianz Seite 36 Fakultät für Biowissenschaften, WS 2009/10 Grundvorlesung Biologie I: Teil Mikrobiologie Vorlesungsthemen Mikrobiologie B. Bukau, Zentrum für Molekulare Biologie Heidelberg, DKFZ-ZMBH-Allianz Seite 37
