Mikrobiologie
Mikrobiologie I
Mikrobiologie I
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E. K.
E. K.
Diese Lernkarten bieten einen umfassenden Überblick über die Mikrobiologie auf Universitätsniveau. Sie konzentrieren sich auf die Struktur und Funktion von Bakterien, einschließlich ihrer Zellwände, Membranen und verschiedenen Einschlüssen wie Gasvakuolen, Magnetosomen und Polyphosphaten. Die Karteikarten behandeln auch die Fortbewegung von Bakterien durch Geißeln und Cilien, sowie deren Taxien wie Aerotaxis, Phototaxis und Chemotaxis. Zudem werden Themen wie Sporenbildung, Konservierungstechniken und die Mikroskopie von Bakterien abgedeckt. Diese Karteikarten sind ideal für Studierende der Biologie, die sich auf mikrobiologische Konzepte und Techniken vorbereiten.
Karten
66
Lernende
3
Sprache
Deutsch
Kategorie
Biologie
Stufe
Universität
Erstellt / Aktualisiert
09.04.2015 / 08.02.2018
Speicherstoffe & Zelleinschlüsse
Wenn manche Substanzen im Überschuss vorkommen, werden sie aufkonzentriert und in der Zelle aufbewahrt.
Energie- und Kohlenstoffquelle
- Fettgranula --> fetthaltige Substanzen
- Poly-ß-Hydroxybuttersäure (PHB) --> Polyester
- in fakultativ und strikt aeroben Bakterien (bis zu 80% der TM)
- in Bakterien wird PHB angehäuft, wenn die Zellen unter O2-Mangel leiden
- Unter aeroben Bedingungen kann PHB als Energie- und Kohlenstoffquelle genutzt werden
- Polysaccharide
- Glykogen
- kleiner als PHB-Granula
Fettgranula - Struktur
- innen PHB (=PHA)
- Grösse ~350nm
- bedeckt mit PHB-Oberflächenproteinen
- mit Phospholipid-Monolayer
Polyphosphateinschlüsse
- Polyphosphatgranula (metachromatische Granula) in Bakterien und Grünalgen
- langkettige Polyphosphatketten ---> dienen als Phosphatspeicher (nicht als Energiequelle)
Schwefeleinschlüsse
- in Kugeln gespeichert
- stark lichtbrechend
- wenn kein Schwefelwasserstoff vorhanden ist, wird der Schwefel zu Sulfat oxidiert
- Energiequelle für aerobe schwefelwasserstoffoxidierende Bakterien
- Wasserstoff-Donator für anaerobe phototrophe Schwefel-Purpurbakterien (Chromatium)
- Entgiftungsprodukt (Cyanobakterien)
Magnetosomen
- Intrazelluläre Fe3O4-Kristalle (Magnetit) in Wasserbakterien und Algen
- Einschlüsse sind von einer Zellmembran umgeben
- Morphologie der Magntosomen ist artspefizisch
- Dipol in der Zelle führt zu Bewegung und Orientierung in Magnetfeldern --> "Magnetotaxis" --> physische Eigenschaft (keine Sensoren wie bei Chemo- oder Phototaxis)
- Glykoproteine in der Magnetosomenmembran spielen eine Rolle in der Umwandlung von löslichen Fe3O4 in eine unlösliche Form
Gasvakuolen
- häufig in Wasserbakterien
- verändern die spezifische Masse der Zelle --> Bakterien schweben dadurch in einer bestimmten Wasserschicht ---> dadurch optimale Wachstumsbedingungen (Licht, Sauerstoff, Temperatur, Mineralien...)
- Jede Gasvakuole besteht aus mehreren bis vielen Gasvesikeln
- Gasvesikel sind:
- spindelförmig
- 300-700 nm
- Durchmesser 60-110 nm
- haben starre Membran aus reinem Protein (keine Phospholipide)
- 2 Proteine, die Helices und ß-Faltblätter bilden
Pasteursisierung
- Teilentkeimung
- ursprünglich zur Entfernung von pathogenen Bakterien
- Entfernung alles Bakterien --> Milch ist länger haltbar
- "Bulk Pasteurisierung": Behandlung 30 min bei 63-66°C, auch Pilzsporen sterben ab
- "Flash Pasteurisierung": Behandlung 15 sek bei 71°C
- effizienter für hitzeresistente Bakterien
- weniger Einfluss auf den Geschmack der Milch
Konservierung
- Konservierung von Beeren und Steinobst
- "Einwecken":
- Behandlung 20 min bei 80°C
- tötet vegetative Zellen und viele Pilzsporen
- Bakteriensporen bleiben lebensfahig --> daher nur Teilentkeimung
Endosporen
- Dauerformen bestimmter Bakterien
- fast alle endosporenbildende Bakterien sind stäbchenförmig, Gram+ und peritrich begeisselt
- Sporen sind erkennbar an hohem Lichtbrechungsindex --> ungefärbte Region in der Mutterzelle
- spezifische Färbung mit Carbolfuchsin
Endosporen - Lebenszyklus
- Sporenbildung ist nicht obligativ
- unter normalen/günstigen Bedingungen vermehren sich die Bakterien vegetativ
- in Stresssituation wird Sporenbildung induziert
- Austrocknen genügt nicht
Sporen
- weniger Wasser in reifen Sporen (10-30%)
- fast die gesamte TM der Zelle ist in einem Zehntel des Volumens
- verminderter Wassergehalt -->Sporen sind resistenter gegen Chemikalien, Strahlung und Oxidation (H2O2)
- pH 5.5-6.0 im Zytplasma gegenüber 7.0 in vegetativen Zellen --> enthält sporenspezifische saure Proteine
Stadien der Endosporenbildung
- insgesamt 7 Stadien
- 1. DNS wird kompakter
- 2. ungleiche Zellteilung (innerhalb der Mutterzelle)
- 3. Einschnürung der zytoplasmatischen Membran --> Sporenprotoplast --> dieser wird von der zytoplasmatischen Membran der Mutterzelle eingehüllt
- 4.-6. Bildung der Sporenhüllen und Sporenrinde
- 7. Mutterzelle platzt - Spore wird freigesetzt
Sporenkeimung
- Aktivierung
- Keimung
- Austreten des Keimschlauchs
Keimung
- geht sehr schnell
- in manchen Fällen werden bestimmte Nährstoffe gebraucht, z.B. Glukose
- Dipicolinsäure, Peptide und AS werden ausgeschieden
- Veränderung des Lichtbrechungsindexes
- Verlust der Hitzeresistenz
Austreten des Keimschlauchs
- Wasseraufnahme, Quellung, Aufreissen der Sporenhülle
- Atmung und Enzymaktivität nehmen schnell zu
- Neusynthese von Makromolekülen
Aufbau von Geisseln
- helikal gewundene Fäden
- besteht aus Flagellin --> zwischen den Stämmen hochkonserviert
- Untereinheiten sind helikal um Hohlraum angeordnet
- Geissel wächst an der Spitze
- beschädigte Geisseln können sich reparieren --> neusynthetisierte Flagellinuntereinheiten wandern durch den hohlen Raum an die Spitze
Chemotaxis
- Bakterien sind zu klein, um Gradienten entlang ihres Körpers zu spüren
- Chemorezeptoren funktionieren daher zeitlich und nicht räumlich
Phototaxis
- phototrophe Bakterien
- Photorezeptoren: Ansammlung der Bakterien bei bestimmten Wellenlängen
Aerotaxis
- Wahrnehmen von Sauerstoff
- Beijerinckschen Atmungsfiguren:
- aerobe Bakterien sammeln sich am Deckglasrand und eingeschlossene Luftblasen an
- Mikroaerophile Bakterien halten einen bestimmten Abstand zum Deckglasrand
- streng anaerobe Bakterien sammeln sich im Zentrum des Deckglases
Mikroorganismen allgemein
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= vor-/rückwärts,
= scrollen
- Prokaryoten (Bakterien, Archaea)
- Eukaryoten (Pilze, Algen, Einzeller)
- Viren, Viroide, Prionen (nicht echte Zellen)
Bakterien
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- Krankheitserreger
- Darm-, Wasser- und Bodenbakterien
- aerob und anaerob
- manchmal phototrophisch
Archaea
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- Extremisten
- hohe (bis 113°C) und tiefe (-13°C) Temperaturen
- pH (<1 - >10)
- ungewöhnliche biochemische Eigenschaften
Eukarya
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- Algen -> Phytoplankton
- Pilze -> Abbau organischer Substanzen
- Protozoen -> Krankheitserreger
Vorteile in der Grundlagenforschung
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- Gemeinsamkeiten mit höheren Organismen
- benutzerfreundlich (z.B. hohe Dichte, schnelle Generationszeit)
- Genetik (kleine Genome, Isolation von Mutanten)
- Gentechnik (Bakterien und Bakteriophagen sind Kernstück der Molekularbiologie)
Louis Pasteur
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= vor-/rückwärts,
= scrollen
- zeigte 1864, dass es keine spontane Entstehung von Leben gibt mit Hilfe der Schwanenhalsfalsche, in der gekochte Flüssigkeit steril blieb
- wurde der lange Hals abgebrochen oder die Flasche gekippt, konnten Mikroorganismen eindringen
Koch'sche Postulate
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= scrollen
Die Henle-Koch-Postulate sind im 19. Jahrhundert aufgestellte Postulate, die den Zusammenhang zwischen einem Mikroorganismus als Krankheitserreger und einer Infektionskrankheit herstellen.
- 1. Postulat: Damit ein Erreger als Ursache einer Erkrankung gelten kann, sollte er im Rahmen eíner Infektion mikroskopisch nachweisbar sein.
- 2. Postulat: Die von einem Erkrankten isolierten Mikroorganismen sollten außerhalb des erkrankten Organismus anzüchtbar sein, beispielsweise in einer Bakterienkultur.
- 3. Postulat: Die angezüchteten Organismen müssen bei Übertragung auf ein geeignetes Versuchstier zur Ausbildung einer typischen Erkrankung führen. Die Erreger müssen dabei wiederum mikroskopisch und kulturell nachweisbar sein.
Differenzielle Interferenzmikroskopie
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= drehen,
= vor-/rückwärts,
= scrollen
- DIC, Nomarski-Kontrast
- polarisiertes Licht wird durch ein Prisma geleitet
- --> 2 verschieden Strahlen
- --->geringfügig Unterschiede im Brechungsindex
- --> Objektivlinse
- Interferenz --> nicht in Phase
- verstärkte Unterschiede in Zellstruktur --> keine Färbung nötig
Elektronenmikroskopie
Tastatur-Befehle:
= drehen,
= vor-/rückwärts,
= scrollen
- Elektronenstrahl anstelle von Licht
- Elektromagnet anstelle von Linsen
- Auflösung bis zu 0.2 nm
- nicht möglich mit lebenden Zellen (Vorbehandlung/Vakuum)
Lichtmikroskopie
Tastatur-Befehle:
= drehen,
= vor-/rückwärts,
= scrollen
- Vergrösserung: Bis zu 1000x (100x10) mit Öl-Immersion
- Auflösung: ~200 nm
- Hellfeld:
- Kontrastunterschiede
- Viele Bakterien schlecht sichtbar (ausser pigmentierte)
- Färbung mit Kontrastmittel (Farbstoff).
- Häufig Kationen z.B. Methylenblau, Kristallviolett, Safranin
- Phasenkontrast:
- Verstärkt Kontrastierung
- Funktioniert mit lebenden Zellen
- Dunkelfeld:
- Seitenbelichtung Zellen streuen Licht
- Verbesserte Auflösung verglichen mit Hellfeld und Phasenkontrast
Konfokale Mikroskopie
- Fluoreszenzmikroskopie mit Laserlicht
- Scharfe Fokussierung in einer Ebene
Rastelektronenmikroskop
- Vergrösserung 15x - 105x
- Beschichtung mit Gold
- nur Oberflächenstrukturen sichtbar
Transmissionselektronenmikroskop
Behandlung mit Kontrastmitteln (Negativkontrastierung) z.B. Osmiumtetraoxid, Uran, Lanthan, Permangat)
Morphologie der Bakterien
Kokken, Stäbchen, Spirillen, Spirochäten, Knospende, Fadenförmige
Streptococci
kokkenförmig, Ketten, Zellteilung in einer Dimension
Staphylococci
Schichten, Aggregate, Zellteilung in 2 oder 3 Dimensionen
Bacilli
stäbchenförmig, Ketten, Zellteilung in einer Dimension
allgemeine Merkmale von Prokaryoten
- Durchmesser = 0.1um - 50um, Durchschnitt etwa 1 um, grösstes Bakterium 750um
- kleine Zellen = grössere Oberfläche
- effizienter Austausch mit den Umgebung
- schnelleres Wachstum
Phospholipidschicht
Besteht aus Phosphat, Glycerin und Fettsäuren
Funktion der zytoplasmatischen Membran
- Permeabilitätsbarriere
- Proteinanker
- Energiekonservierung
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Mikroorganismen allgemein
- Prokaryoten (Bakterien, Archaea)
- Eukaryoten (Pilze, Algen, Einzeller)
- Viren, Viroide, Prionen (nicht echte Zellen)
Bakterien
- Krankheitserreger
- Darm-, Wasser- und Bodenbakterien
- aerob und anaerob
- manchmal phototrophisch
Archaea
- Extremisten
- hohe (bis 113°C) und tiefe (-13°C) Temperaturen
- pH (<1 - >10)
- ungewöhnliche biochemische Eigenschaften
Eukarya
- Algen -> Phytoplankton
- Pilze -> Abbau organischer Substanzen
- Protozoen -> Krankheitserreger
Vorteile in der Grundlagenforschung
- Gemeinsamkeiten mit höheren Organismen
- benutzerfreundlich (z.B. hohe Dichte, schnelle Generationszeit)
- Genetik (kleine Genome, Isolation von Mutanten)
- Gentechnik (Bakterien und Bakteriophagen sind Kernstück der Molekularbiologie)
Louis Pasteur
- zeigte 1864, dass es keine spontane Entstehung von Leben gibt mit Hilfe der Schwanenhalsfalsche, in der gekochte Flüssigkeit steril blieb
- wurde der lange Hals abgebrochen oder die Flasche gekippt, konnten Mikroorganismen eindringen
Koch'sche Postulate
Die Henle-Koch-Postulate sind im 19. Jahrhundert aufgestellte Postulate, die den Zusammenhang zwischen einem Mikroorganismus als Krankheitserreger und einer Infektionskrankheit herstellen.
- 1. Postulat: Damit ein Erreger als Ursache einer Erkrankung gelten kann, sollte er im Rahmen eíner Infektion mikroskopisch nachweisbar sein.
- 2. Postulat: Die von einem Erkrankten isolierten Mikroorganismen sollten außerhalb des erkrankten Organismus anzüchtbar sein, beispielsweise in einer Bakterienkultur.
- 3. Postulat: Die angezüchteten Organismen müssen bei Übertragung auf ein geeignetes Versuchstier zur Ausbildung einer typischen Erkrankung führen. Die Erreger müssen dabei wiederum mikroskopisch und kulturell nachweisbar sein.
Differenzielle Interferenzmikroskopie
- DIC, Nomarski-Kontrast
- polarisiertes Licht wird durch ein Prisma geleitet
- --> 2 verschieden Strahlen
- --->geringfügig Unterschiede im Brechungsindex
- --> Objektivlinse
- Interferenz --> nicht in Phase
- verstärkte Unterschiede in Zellstruktur --> keine Färbung nötig
Elektronenmikroskopie
- Elektronenstrahl anstelle von Licht
- Elektromagnet anstelle von Linsen
- Auflösung bis zu 0.2 nm
- nicht möglich mit lebenden Zellen (Vorbehandlung/Vakuum)
Lichtmikroskopie
- Vergrösserung: Bis zu 1000x (100x10) mit Öl-Immersion
- Auflösung: ~200 nm
- Hellfeld:
- Kontrastunterschiede
- Viele Bakterien schlecht sichtbar (ausser pigmentierte)
- Färbung mit Kontrastmittel (Farbstoff).
- Häufig Kationen z.B. Methylenblau, Kristallviolett, Safranin
- Phasenkontrast:
- Verstärkt Kontrastierung
- Funktioniert mit lebenden Zellen
- Dunkelfeld:
- Seitenbelichtung Zellen streuen Licht
- Verbesserte Auflösung verglichen mit Hellfeld und Phasenkontrast
Konfokale Mikroskopie
- Fluoreszenzmikroskopie mit Laserlicht
- Scharfe Fokussierung in einer Ebene
Rastelektronenmikroskop
- Vergrösserung 15x - 105x
- Beschichtung mit Gold
- nur Oberflächenstrukturen sichtbar
Transmissionselektronenmikroskop
Behandlung mit Kontrastmitteln (Negativkontrastierung) z.B. Osmiumtetraoxid, Uran, Lanthan, Permangat)
Morphologie der Bakterien
Kokken, Stäbchen, Spirillen, Spirochäten, Knospende, Fadenförmige
Streptococci
kokkenförmig, Ketten, Zellteilung in einer Dimension
Staphylococci
Schichten, Aggregate, Zellteilung in 2 oder 3 Dimensionen
Bacilli
stäbchenförmig, Ketten, Zellteilung in einer Dimension
allgemeine Merkmale von Prokaryoten
- Durchmesser = 0.1um - 50um, Durchschnitt etwa 1 um, grösstes Bakterium 750um
- kleine Zellen = grössere Oberfläche
- effizienter Austausch mit den Umgebung
- schnelleres Wachstum
Phospholipidschicht
Besteht aus Phosphat, Glycerin und Fettsäuren
Funktion der zytoplasmatischen Membran
- Permeabilitätsbarriere
- Proteinanker
- Energiekonservierung
Sterole
- Membranverstärker
- wie Cholesterin
- enthalten in 5-20% der Lipide in eukaryotischen Zellen
- steif und flach (im Gegensatz zu Fettsäuren)
- macht die Membran dichter und weniger flexibel
Hopanoide
- Membranverstärker
- in vielen Bakterien vorhanden
- Synthese braucht keinen Sauerstoff
- Aufbau ähnlich dem der Sterole
Generelle Lipidstrukturen
- in Bakterien und Eukaryoten ---> Esterbindungen
- in Archaea ---> Etherbindung
- Isoprene ---> Hauptstruktur von hydrophoben Seitenketten der Archaeen
- Fettsäuren ---> Hauptstruktur von hydrophoben Seitenketten in Bakterien und Eukaryoten
Gruppentranslokation
- Substrat wird während des Transports chemisch modifiziert --> kein Gradient
- z.B. bei E. coli werden Glukose, Fruktose, Mannit und andere Kohlenhydrate durch das phosphoenolpyruvat-abhängige Phosphotransferase-System aufgenommen
- Aufnahme von Glukose kann je nach Bakterienart entweder über Gruppentranslokation oder aktiven Transport erfolgen
ABC-Transporter
- Bindung mit sehr hoher Affinität (µM)
- Unterschiede zwischen Gram+ und Gram- Bakterien
Zellwand
- Zelle steht unter Druck wegen der gelösten Substanzen
- Peptidoglykanschicht
- G+: bis zu 25 Schichten (bis zu 90% der Trockenmasse der Zellwand)
- G-: einschichtig (~10% Trockenmasse der Zellwand), zusätzliche Aussenschicht besteht aus Lipopolysacchariden und Proteinen
Peptidoglykan
- Heteropolymere Ketten aus N-Acetoglucosamin und N-Acetomuraminsäure --> sehr starke Verbindung
- Quervernetzung mit Peptidbrücken
- Länge der Peptidoglykanketten und der Grad der Vernetzung bestimmen die Form des Bakteriums
- Peptidbrücken kann ungewöhnliche AS enthalten (z.B. Diaminopimelinsäure)
- Das Grundgerüst aus NAG und NAM ist immer gleich, die Variabilität kommt durch die Peptidbrücken zustande
Struktur einer Peptidoglykaneinheit
- Peptidoglykan kommt nur in Bakterien vor
- kein NAM (N-Acetoglucosamin) oder NAG (N-Acetomuraminsäure) in Eukaryoten und Archaeen
- DAP (Diaminopimelinsäure) kommt in allen Gram- vor
- in Gram+ kommt Lysin häufiger vor als DAP (Lysin ist + geladen, daher in Gram+)
Peptidbrücken in Gram+ und Gram- Bakterien
- Bei den Gram+ gibt es eine Zwischenbrücke aus mehreren Glycinen
- Es gibt bei den Gram+ seltener DAP als in Gram-
Teichonsäuren
- kommen in Gram+ Bakterien vor
- Ketten von 8-50 Glycerin- oder Ribitmolekülen (Ribitol - hat 2 Phosphatgruppen, 2 Alanin und 1 Glukose)
- verknüpft mittels Phosphatgruppen
- Zuckerreste und/oder D-Alanin kovalent gebunden
- Polymere sind negativ gebunden
- Lipoteichonsäure sind kovalent mit Membranlipiden gebunden
Abbau der Zellwand
- Lysozym (in Körperflüssigkeiten wie Tränen, Speichel usw) spaltet glykosidische ß-1,4-Bindungen zwischen NAG und NAM
- Schwächung der Zellwand
- Bakterien können ohne Zellwand nicht überleben (Ausnahme Mycoplasmen, meist unter isotonischer Umgebung)
- Archaeen sind resistent gegen Lysozym
- entdeckt durch Sir Alexander Fleming 1922 (vor dem Penicillin 1928)
Zellwand Gram-
- Lipopolysaccharid-Schicht = LPS
- Porine --> Kanäle für kleine hydrophile Moleküle, spezifisch und unspezifisch
- Lipoproteine verbinden Lipide und Peptidoglykane
- Periplasmatischer Raum --> zwischen der Innen- und Aussenmembran, enthält
- hydrolytische Enzyme (Proteinasen, Nukleasen usw.)
- Chemorezeptoren
- Bindegewebe (Weitergabe von Subtraten an Transporterproteine)
LPS
- Lipopolysaccharidschicht
- äussere Membran Gram- Bakterien
- besteht aus 3 Zonen:
- Lipid A ---> Stoffe darin wirken als Endotoxine, in allen Gram- Bakterien
- Kernzone ---> verzweigte Kette aus Glukose, Galaktose und N-Acetoglucosamin, Zusammensetzung variiert zwischen verschiedenen Bakterien
- O-spezifische Seitenketten ---> lange Ketten aus repetierten Oligosacchariden, unterschiedlich je nach Stamm
Zellwände der Archaeen
- alle haben Zellwand (bis auf Thermoplasmatale)
- keine Peptidoglykanschicht
- keine äussere Membran
- grosse Unterschiede im Aufbau der Zellwand
- S-Schicht ist die häufigste Art der Zellwand
- einige methanogene Archaea haben Pseudomurein
- andere methanogene Archaea haben Zellwand aus Polysacchariden (Glukose, Glucosamin, Glukuronsäure, Galaktosamin, Acetat)
- extrem halophile Archaea enthalten viele SO42 -Gruppen, als Ausgleich zu dem vielen Natrium
Zellwandsynthese & Zellteilung
- Gram+ Bakterien: Neusynthese der Zellwand an bestimmten Orten --> Narbe
- Zellwand wird zuerst ausgebaut und dann geöffnet (sonst Gefahr der Autolyse)
- Autolysine spalten die Peptidoglykanschicht
Transpeptidierung
- Quervernetzung --> wichtig in der Zellwandsynthese
- passiert nur bei wachsenden Zellen, weil nur da die Zellwand geöffnet wird
- Penicillin hemmt die Transpeptidierung --> bakterizide Wirkung auf wachsende Zellen
Glykokalix
- Kapseln und Schleimhüllen
- Polysaccharidhaltige Substanzen ausserhalb der Zellwand --> dick oder dünn : starr oder flexibel
- können z.B. aus Polyglutamat bestehen
- sind nicht lebensnotwendig
- Funktion:
- Schutz gegen Austrocknung
- Haftung an Zellen/Gewebe
- Schutz gegen Phagozytose
Fimbrien
- zahlreiche lange Fäden, die sich auf der Aussenmembran von Bakterien befinden, ähnlich wie Geisseln
- 10- mehrere 1000
- Funktion:
- Anhaftung an Oberflächen
- Pathogene Bakterien: Bindung an Zellen oder Gewebe
Beweglichkeit
- begeisselte Bakterien schwimmen, unbegeisselte Bakterien gleiten
- Geisseln = Flagella, lang und dünn, im Lichtmikroskop nur durch Färbung sichtbar
monotrich
- 1 Flagellum
- polare Begeisselung
