Mikrobiologie
Viel Spaß^^
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Beschreiben Sie die Kinetik einer Penicillin-Fermentation! Welche organische Säure müssen Sie dem Fermentationsprozess zuführen, um eine hohe Ausbeute an „klassischem“ Penicillin G zu erhalten?
Das Nährmedium Lactose wird schnell verwertet bei steigendem Zellwachstum. Nach ca.12 Stunden beginnen Penicillium chrysogenum mit der Penicillinproduktion (sekundäres Metabolit). Um die Produktion zu beschleunigen wird zuerst Glucose, später Stickstoff hinzugefügt. Die Penicillinproduktion steigt weiter steil, während das Zellwachstum abflacht und schon in die stationäre Phase übergeht. Zugabe von Phenylacetat stimuliert die Penicillin-Produktion.
In welcher chemischen Struktur unterscheiden sich Cephalosporine von Penicillinen?
Cephalosporine enthalten anstelle eines Thiazolidin-Rings (wie im Penicillin) einen Dihydro-Thiazin-Ring.
Der Beta-Lactam-Ring ist ihnen gemeinsam. Vorteil: geringere Humantoxizität als Penicillin und Breitband-Antibiotika
Beschreiben Sie die Bedeutung und Vorteil des Einsatzes von Clavulansäure
Clavulansäure ist selbst ein (schwach wirkendes) Antibiotikum und gleichzeitig auch ein Inhibitor der Beta-Lactamase.
Produziert von Strepomyces clavuligerus, hemmt beta-Lactamase von Bakterien ohne bakterienschädigend tu wirken. Dadurch wird das Wirkungsspektrum von Antibiotika (speziell beta-Lactam, wie Penicillinen) gegenüber Keimen erweitert.
Gegen welche Bakterien wirkt Penicillin?
Wie/ auf was wirkt Penicillin?
Was bewirkt das Enzym ß-Lactamase?
Penicillin wirkt nur auf sich vermehrende (vor allem) grampositive Bakterien.
Penicillin wirken bei der Zellteilung indirekt, indem sie die Zellwandsynthese behindert und eine osmotische Lyse der Bakterien auslösen. Der halb geöffnete Beta-Lactam-Ring wird von bakteriellen Enzymen (D-Alanin-Transpeptidase, verantwortlich für die Quervernetzung der Peptidoglycanschicht grampositiver Bakterien) gebunden. Zur Teilung der Bakterie muss die Zellwand teilweise geöffnet und neu synthetisiert werden, was mit der irreversiblen Bindung des Penicillins an das Enzym verhindert wird. Das Bakterium verliert dadurch seine Schutzhülle und lysiert.
Beta-Lactamase hydrolisiert den beta-Lactam-Ring. Das Antibiotikum wird dadurch unwirksam gemacht. Durch schnelle Generationsphasen von Mikroorganismen und hohe Produktionszahlen und damit einhergehend vielen Mutationen können solche Antibiotikaresistenzen recht schnell eintreten. Die Vererbung der beta-Lactamasensynthese erfolgt chromosomal oder plasmidal.
Welcher Organismus wird primär zur Produktion von Chlor-Tetracyclin eingesetzt?
Warum ist Glucose als Substrat zur Erzielung hoher Ausbeuten ungeeignet?
Welche Energiequelle (Elektronendonor) wird stattdessen eingesetzt?
Chlortetracyclin ist ein Antibiotikum, das aus Streptomyces aureofaciens gewonnen wird.
Da Glucose die Biosynthese behindert (Repression).
Saccharose
Welcher Mikroorganismus spielt eine große Rolle bei der Produktion der Aminosäure Lysin?
Welche biochemischen Probleme sind bei der Fermenter- Produktion von Lysin zu überwinden?
Brevibacterium flavum
Lysin hemmt ein Enzym auf dem Syntheseprozessweg. Mutantenformen, die eine veränderte Bindungsstelle eines bestimmen Enzymes (Aspartokinase) haben lösen das Problem.
Die Mutanten sind außerdem gegen S-Amino-Ethylcyctein resistent.
Diese eigentlich regulative Rückkopplung des Produkts auf einen Prozess der Synthese verhindert normalerweise Überproduktion, was bei einer nicht biotechnologisch verwendeten natürlichen Zelle erwünscht wäre.
Welche Mikroorganismen werden für die industrielle Produktion von Cobalamin (Vitamin B 12) und Riboflavin (Vitamin B 2) eingesetzt?
Durch Zusatz welches Spurenelementes können Sie die Ausbeute an Vitamin B 12 deutlich erhöhen?
Riboflavin wird auch als „Muttermolekül“ welches wichtigen Funktionsträger in Zellen bezeichnet?
Cobalamin (Vitamin B12):Genus Propionibacterium sowie Pseudomonas denitrificans
Riboflavin (Vitamin B2): viele Bakterien, Hefen und Pilze; von besonderer Bedeutung ist der Pilz Ashbya
Cobalt
Muttermolekül aller Flavine (zB Coenzyme FAD,FMN)
Nennen Sie ein Beispiel für einen typischen „Biokonversionsschritt“ bei der Produktion von Cortison.
Von welchem Mikroorganismus wird der Biokonversionsschritt katalysiert?
Welche funktionelle Gruppe wird bei diesem Schritt eingeführt und wie nennt man diese Reaktion biochemisch?
Biokonversion/Biokatalyse/Biotransformation: Bei der Produktion von Steroid-Hormonen katalysiert ein Schimmelpilz (Rhizopus nigricans) eine Hydroxylierung (von Progeseron). Die vollständige industrielle Herstellung kann nur mit dem Mikroorganismus stattfindet.
Schimmelpilz Rhizopus nigricans
Anhängen einer Hydroxylgruppe (OH-; Alkohol). Hydroxylierung
Nennen Sie fünf mikrobiell im Großmaßstab hergestellte Enzyme, ihre jeweiligen Produzenten und ihre Anwendung in Haushalt bzw. Industrie
Amylase (stärkeaufspaltend); Bakterien und Pilze,; Brotbacken
Protease (proteineverwertend); Bakterien und Pilze; Waschmittel, Fleischherstellung
Ivertase (saccharoseverwertend): Hefe; Süßigkeiten
Lipase (fettaufspaltend); Pilze; Molkereierzeugnisse, Waschmittel, Seifenherstellung
Lactase (milchzuckeraufspaltend); Pilze; Molkereierzeugnisse
Welche Bakterien spielen bei der Essig-(säure) Produktion eine Rolle?
Erläutern Sie, warum Essigsäure-Produktion KEINE Gärung ist!
Acetobacter und Gluconobacter
Die Essigsäureproduktion der beiden Mikroorganismen ist keine Gärung, weil sie nicht anerob stattfindet. Trotzdem wird Ethanol nicht vollständig zu CO2 und H20 veratmet. Man spricht von einer unvollständigen Atmung (Subterminale Oxidation)
Welcher Mikroorganismus wird für die großtechnische Produktion von Zitronensäure eingesetzt?
Welche Kulturbedingungen im Fermenter müssen erfüllt sein, um hohe Ausbeuten an Zitronensäure zu erzielen?
Aspergillus niger, (Zitronensäure als sekundärer Metabolit)
Das Kulturmedium darf so gut wie kein Eisen enthalten, da sich ansonsten Fe(III)-Chelate bilden. Der Fermenter sollte aus Edelstahl sein, dass sich kein Eisen löst (sehr niedrige pH-Werte bei Herstellung)
Was versteht man unter „Single Cell Protein“ und nennen Sie ein Beispiel!
Proteinreiche Substanz, welche seit Ende der 1970er-Jahre als protein- und vitaminhaltiges Tierfutter verwendet wird. Hierbei bauen Mikroorganismen in Massenkulturen in Bioreaktoren aus einfachen und kostengünstigen organischen Substanzen Proteine und Aminosäuren auf und werden dann „geerntet“. Zu den eingesetzten Mikroorganismen zählen beispielsweise Futterhefen wie Candida oder Pichia sowie Bakterien wie Methylophilus und Methylomonas. Auch Algen werden eingesetzt. Generell wachsen die Massenkulturen auf Abfall- oder Nebenprodukten der Landwirtschaft und der Lebensmittelindustrie. Große Vorteile sind die hohe Wachstumsrate und Ausbeute der Kulturen. Im Vergleich zur Sojapflanze weist die damit erzeugte Biomasse einen höheren Proteingehalt auf. Wenn Hefen verwendet werden, ist zudem der Vitamingehalt erhöht. Es gibt auch Nachteile des SCP. So kann der Anteil mancher Aminosäuren zu gering sein, außerdem sind Nukleinsäuren und Fette enthalten, welche unerwünscht sein können. Abgesehen davon besteht die Gefahr, dass giftige Mykotoxine produziert werden. Mit Soja, Luzerne oder Fischmehl kann SCP aus Kostengründen nicht konkurrieren
Was haben Tierprodukte mit der atmosphärischen Konzentration des Treibhausgases Methan zu tun?
Produkte die auf Kühe als Milch- oder Fleischquelle aufbauen sind mit Methanemission verbunden, da im Rumen der Tiere das Treibhausgas entsteht (Bis zu 600 Gramm pro Tier und Tag). Insbesondere Milchkühe in der Laktation geben sehr viel Methan ab. Während die Emission je Kuh mit der Leistung steigt, sinkt sie im Verhältnis zur geförderten Menge Milch jedoch. Kleine Wiederkäuer wie Ziegen oder Schafe stoßen auch aber deutlich weniger Methan aus. Das sogenannte „Manure Management“, also ob die Gülle der Tiere als Dünger benutzt wird oder wie die Lagerung vollzogen wird, beeinflusst die Emissionsmenge ebenfalls.
Warum sind die CH4-Emissionen pro kg tierisches Produkt in Entwicklungsländern zumeist wesentlich höher als in bei Tierprodukten aus Europa?
Studien belegen, dass Rinder, die mit bestimmte tropische Gräser gefüttert werden bis zu 90% mehr Methan emissieren als Vergleichbare Tiere. Proteinreiches im Gegensatz zu cellulosereichem Futter verringert in europäischem Vieh den Methanausstoß. Stallhaltung trägt dort außerdem positiv zu Emission bei.
Wer bildet biogen Methan und was sind die Bildungsbedingungen für biogenes Methan?
Methanogene Archaeen (Euryarchaeota) tragen mit 66% erheblich zur jährlichen Methenproduktion bei. Bildungsbedingungen sind ein anaerober Lebensraum wie Sümpfe oder der Pansen von Wiederkäuern. Ein ökologisch nicht unbedeutendes Habitat sind auch die in Endosymbiose lebenden methanogenen Archaeen in Termitenmägen.
Bei Kultivierung braucht man typischerweise CO2 als Kohlenstoff- und H2 als Energiequelle. Substrate sind vorallem Acetat (Essigsäure), aber auch Ameisensäure und Methanol.
Wo wird die biogene Methanbildung zur Gewinnung von Bio-Energie genutzt?
In Blockheizkraftwerken wird das (unter anderem) entstandene Methan zur dezentralen gekoppelten Strom- und Wärmeerzeugung genutzt. Über einen Biogasmotor wird ein Generator betrieben, welcher Strom an das Netz abgibt. Die im Abgas und Motorkühlwasser enthaltene Wärme wird in einem Wärmetauscher zurückgewonnen. Falls die Abwärme vollständig und ortsnah genutzt wird, kann ein Gesamtwirkungsgrad von 80-90% erreicht werden.
Biomethan kann auch in das bestehende Erdgasnetz eingespeist werden, wenn aus wirtschaftlichen Gründen die Wärmeleistung des Kraftwerks vor Ort nicht sinnvoll genutzt werden kann. Aufbereitetes Gas könnte auch zum Betrieb von erdgasbetriebenen Fahrzeugen taugen.
Warum findet eine so intensive Methanbildung bei Wiederkäuern statt?
Die Aufspaltung von beispielsweiße Cellulose findet im Rumen von Wiederkäuern nur durch methanogene Mikroorganismen statt die mit ihnen in enger Endosymbiose leben. Neben der Spaltung erhalten die Wiederkäuer Aminosäuren und lebenswichtigen Ergänzungsstoffen wie Vitaminen. Die große Anzahl von mehreren Millionen Protozoen und mehrere Milliarden Bakterienzellen pro Quadratmillimeter Pansenoberfläche und die großen Mengen an cellulosehaltigem Futter, welches verdaut werden muss spielen eine Rolle.
Wie kann man die CH4-Emissionen von Wiederkäuern reduzieren?
Die Methanproduktion sinkt im Verhältnis zur Menge produzierten Fleischs oder Milchprodukts bei leistungsstärkeren Tieren. Absolut steigt sie natürlich pro Tier. Eine Verminderung der Anzahl Tiere, bei Steigerung der Leistungsfähigkeit ist der wichtigster Faktor der Reduzierung. Die Gesundheit der Tiere, geringe Tierverluste, lange Nutzungsdauer der Kühe und kurze Aufzuchtdauer wachsender Rinder sind weitere Ansätze für geringere Methanbildung durch Wiederkäuer. Allgemein kann gesagt werden, dass Milchprotein mit deutlich weniger Methananfall erzeugt werden kann als Fleischprotein. Die regionale Nutzung bei Vermeidung von theoretisch unnützen Transportwegen ist ebenfalls ein Faktor. Die gesamte Produktionskette muss dafür in Betracht gezogen werden. Hier kommt erschwerend hinzu, dass erforderliche Reduzierungen von Methanmissionen ein lokales Handeln, und damit zwangsläufig auf Ebene des Einzelbetriebes stattfinden müssen; die gleichzeitige Globalisierung der Lebensmittelerzeugung und des -handels, aber nur durch diesbezüglich weltweite Aktivitäten dauerhaft sichergestellt werden kann. (von Flachowsky et al.)
Ein Verzicht auf tierische Produkte von Wiederkäuern zugunsten der Reduzierung von Methan wäre nicht undenkbar.
Wie kann man die CH4-Emissionen im Zuge des Reisanbaus verringern?
Genteschnisch Veränderter Reis, welcher Saccharose vermindert an den Wurzeln lagert, wo es in kleineren Mengen den dort im Wasser anaerob lebenden Mikroorganismen zur Methanogenese zur Verfügung steht. (Ansatz aus Schweden). Nicht nur gentechnisch veränderter Reis sondern auch die Benutzung bestimmter Sorten beim Anbau spielt eine Rolle. So ist gibt es Reissorten, die nicht auf Überflutung angepasst sind (Trockenreisanbau). Dabei kann es aber vermehrt zu Wuchs von Unkräutern kommen, was die Erträge mindert. Weitere Möglichkeiten sind der Anbau in Höheren Lagen und damit verbundenerem geringeren Bewässerungsbedarf, der Verzicht auf das Verbrennen oder Verrotten des Reisstrohs der letzten Ernte und ein periodisches entwässern bzw. eine geringere Stauhöhe. Dadurch soll der Ausstoß von Methan reduziert werden, ohne die Ernteerträge zu gefährden. Während der Drainage wird der Schlamm gut belüftet. Das Trockenlegen hat noch einen weiteren Nebeneffekt: die Entwässerung beschleunigt nicht nur das Wachsturm der Reiswurzeln, es werden auch große Mengen an Stickstoffdünger aus zersetzten organischen Resten freigesetzt, die das Pflanzenwachstum beschleunigen und die Erträge steigern. Eine Veränderung der Düngung kann auch positiv beitragen.
Welche landwirtschaftlichen Aktivitäten sind die Hauptquellen für biogen gebildetes atmosphärisches CH4?
Viehzucht mit Wiederkäuern (89), Reisanbau (36), Biosubstanzverbrennung (38)
In Terragram Methan pro Jahr. 58% der Methanemissionen aus Deutschland stammen aus der Landwirtschaft (2014)
Entsteht im Rumen von Wiederkäuerund und wird durch die Abwasser- und Klärschlammbehandlung sowie die Klärschlammverwertung bzw dem Lagern und Ausbringen des Wirtschafsdüngers Gülle freigesetzt
Die landwirtschaftliche Bearbeitung des Bodens, Stickstoffdüngemittel und die Tierhaltung sind entscheidende Emissionsquellen für die Treibhausgase (Lachgas und) Methan. (Methan rund 25-mal klimaschädlicher als CO2).
Ein kleines Genom deutet grundsätzlichen auf primitive, also ursprüngliche Organsimen hin.
Bewerten Sie diese Aussage!
Nein. Ein Vergleich der Genom-Größe mit der Komplexität und dem Organisationsgrad des Organismus ergibt keinen klaren Zusammenhang. Auch höher Entwickelte Organismen können auch verhältnismäßig kleines Genom aufweisen und andersherum. Beispielsweiße besitzen die meisten Parasiten eineher kleines Genom, weil viele ihrer Lebensfunktionen von Wirt übernommen werden. Es gibt Mikroorganismen mit kleinen Genomen, die zwar zu den ersten Lebewesen gehören, damit jedochdie längste Zeit der Anpassung hinter sich und die längste Evolution habe. Sie verfügen außerdem über sehrschnelle Generationsphasen. Sind daher sehr gut Spezifiziert/Angepasst und nicht primitiv. Kleine Genomen können also Anzeichen von Spezifierung oder Energieersparnis beispielweiße bei der nicht selbstständigen Synthese mancher Aminosäuren sein.
Vergleichen Sie den Aufbau einer prokaryotischen Zelle mit dem Aufbau einer eukaryotischen Zelle.
-Eukaryonten: (Pflanzen/Tier/Pilz/Protozoen) Mit Endomembransystem (Dynamischer Zellinterne Verkehr, Synthese- und Modifizierungsprozess durch Endoplasmatisches Retikulum, Golgi-Apparat und schließlich Membran über Vesikel, Lysosome (Enzymatische Zerlegung, durch Membran mit eigenem Endomilleu zum Schutz der Zelle)) und Peroxisome (Abbau von Fettsäuren, Ethanol, etc und des dabei entstehenden Wasserstoffperoxid), Nucleus, Nucleolus (RNA Synthese), 80S-Ribosome (Proteinsynthese), (endosymbiontisch eingebrachte) Mitochondrien, Plastiden (Chloroplasten, Leukoplasten, Amyloplasten, ...) in Organellmembranen. Eukrayontische Zellen in der Regel größer als Prokaryonten
-Prokaryonten (Zwei Domäne: Bakterien, Archäen): Erbgut im Cytoplasma (in Plasmiden/freien Chromosomen), mit Zellwand, keine Membranumgrenzten Organellen, 70S-Ribosome, Andere Translations- und Transkriptionsverfahren.
Erläutern Sie Kriterien, die lebende Zellen charakterisieren.
Bild
Vergleichen Sie den Aufbau von Zellwänden der Archeen mit Zellwänden der gramnegativen und grampositiven Bakterien.
Zellwand: Schutz vor osmotischer Lyse und Extremen. Für Stabilität undForm
- Gramnegativ: mindestens eine weitere Lipiddoppelschicht über dem Cytoplasmamembran über dünner Peptidoglycanschicht (Mureinschichten). Dieser enthält viele Polysaccharide und Lipide (Lipopolysaccharidschicht) für funktionale Struktur und/oder Toxizität (Endotoxine). Die äußere Membran ist für die Fixierung der periplasmatischen Proteine zuständig. Er hat außerdem Porinen (Transmembranproteine, spezifisch und unspezifisch) zum Durchlass kleiner Moleküle Beispiele: Salmondella, E. Coli
- Grampositiv: Dicke Peptidoglykanschicht (querverstrebte Glycanstränge) über Cytoplasmamembran mit Teichonsäuren (für Ladungsverteilung, Fixierung von Kationen zum Transport in die Zelle) oder Proteinen eingelagert.„Murein“ -> Gramfärbung aufgrund von unterschiedlicher Struktur mit verschiedenen Färbestoffen
- Archaen: aus Pseudomurien (Polysaccharid mit Aminosäureketten). Evolutionär separat hervorgekommen wie Murien (-> Immun gegen Zellwandantibiotika). Vielfältiger Aufbau von einer einzigen bis hin zu komplexen System vieler Schichten. Zellen ohne Zellwände: Mycoplasmen oder Thermoplasen. Mit zB sterolverstärkten Cytoplasmamembran oder osmotisch geschützten Habitaten (in Tierkörpern)
Wie würden Sie einen Freund davon überzeugen, dass Mikroorganismen viel mehr sind als Krankheitserreger?
Mineralisierung (Organische Materie zu anorganischen Verbindungen).
Lebensmittelproduktion (Käse (mikrobielles Lab), Bier (Hefe))
Umweltschutz (Kläranlagen, Abbau von Umweltgiften)
Biologische Schädlingsbekämpfung
Wichtige Aufgaben im Kohlenstoffkreislauf, Stickstoffkreislauf (Nitrifikation, Denitrifikation, Ammonifikation, Stickstofffixierung), Schwefelkreislauf, Phosphorkreislauf
Herstellung von Antibiotika, Antikörpern, Pharamzeutika oder Hormonen
Mikrobielle Erzgewinnung
Konservierung von Nahrungsmitteln
Gentherapie von Krankheiten
Wichtige Aufgaben auf der Haut und im menschlichen Darm.
Wie lauten die Koch‘schen Postulate?
Beweis der früheren Vermutung, dass Mikroorganismen Krankheiten übertragen/verursachen können durch Robert Koch in vier Schritten:
Krankheitserreger in totem Tier identifizieren (mit vergleich zu lebendem, gesunden Tier)
Reinzucht des Krankheitserregers und Nachweis, dass diese sich nicht von Proben des gesunden Tieres züchten lassen unter für den Pathogen günstigen Bedingungen (In Petrischale mit Agar und Beijerincks Anreicherungskultur
Reinkultur muss beschriebene Krankheit bei gesundem Tier verursachen
Isolierung des vermuteten Erregers in zweitem toten Tier und vergleich mit ursprünglichen Erreger. Dessen Reinkultur muss identisch sein muss vorheriger
Damit wird nachgewiesen, dass ein spezifischer Mikroorganismus eine spezifische Krankheit verursacht.
Endgültiger Beweis mit Tuberkulose
Was sind Plasmide und welche Eigenschaften besitzen sie?
Ringförmige, sich autonom replizierende doppelstrangige DNA-Strukturen, vor allem in Prokaryonten. Tragen im Gegensatz zu Chromosomen nicht lebensnotwendige Gene. Replikationssprung innerhalb des Plasmids zur Kopierung. Autonom und damit vererbbar, wenn Wirtszelle mit Replikationssprung kompatibel ist. Klassifikation (neben Konjungierenden und nicht-Konjungierenden ) in Funktionalitätsgruppen:
Fruchtbarkeits-P zur Erhaltung der Konjugation
Resistenz-P zur Bekämpfung von Antibiotika und Giften
Col-P zur Kodierung von für andere Bakterien toxischen Proteine (Colicine)
Degradations-P für den Abbau von ungewöhnlichen Substanzen
Virulenz-P für Pathogene Lebensweiße
Die DNA in Plasmiden wir von Enzymen (Topoisomerasen) „überspiralisiert“: In einem komplizierten Verfahren werden Helixe übereinander gelegt, zerschnitten und wieder verbunden, sodass eine Platzsparende Drehung entsteht.
Welche Bedeutung kommt den Schleimhüllen der Prokaryoten zu?
(Schleimhülle = Kapsel = Glykokalyx) Polysaccharid- oder Proteinschichten, die kovalent an Membranlipide/Proteine gebunden ist. Sie Zählen nicht zur Zellwand. Kapsel: fest mit Zellwand verbunden, Schleimhülle nicht. Kapsel/Schleimhülle dienen: („Biofilm“)
Zum Schutz vor Austrocknung (durch Äußere Bindung an Wasser)
Zum Schutz vor Phagozytose (Aufnahme und Lyse der Zelle in eine andere Zelle)
Zum Anheften der Zelle (Bsp. Zahnschmelz)
Als Pathogenitätsfaktor (durch „Verhüllung“ und Nichterkennung von Phagozyten des Immunsystems)
Sind Viren Lebewesen?
Nein. Ein Virus ist lediglich eine vom Capsid und schließlich einer Hülle umgebenen Nucleinsäure. Zusätzlich können noch periphere Strukturen wie Anheftungsmechanismen vorkommen. Sie besitzen keinen eigenen Stoffwechsel, nur die Eigenschaft den Stoffwechsel anderer Organismen zu manipulieren und/oder ihn zu nutzen. Außerdem findet die Vermehrung nicht selbstständig sondern nur innerhalb der DNA des Wirts statt, indem virales Erbgut eingeschleust wird. Viren können hingegen eine Evolution zu durchlaufen: Sie können mutieren.
Warum braucht eine Zelle eine Cytoplasmamembran?
Als halbdurchlässige Schicht können Nährstoffe ins Cytoplasma diffundieren und Fremd/Kommunikations- oder Giftstoffe bzw. -reize aus der Zelle ausgeschieden werden. Dies geschieht peripher über Proteine (zB Rezeptoren) und in der Zelle durch Transportvesikel (das Endomembransystem).
Weiterhin können außerhalb der Zelle befindliche Materialen (oder Zellen) endozytisch (bzw phagozytisch) einverleibt werden.
Die Cytoplasmembran ist beteiligt an der Formänderung einer Zelle. Im Inneren der Zelle schirmt er ein veränderliches und für manche Reaktionen nötiges (Enzyme) Milleu ab.
Außerdem kann an der Membran eine Potentialdifferenz hergestellt und genutzt werden. Hier kann eine Protonenmotorische Kraft aufgebaut werden. Diese kann zum direkten Transport von Substanzen über ein Protein (einfacher Transport, Bsp.: Lactose-Permease) oder mehrere (Gruppentranslokation, Bsp.: Phosphotransferasesystem) genutzt werden. Weiter kann mittels „ABCSystem“ (ATP Binding Casette) Substanzen durch die Protonenmotorische Kraft transportiert werden. Dafür braucht es ein substratbindendes (extrem spezifisch, sehr substartaffin), ein transportierendes und eine ATP-hydrolisierendes Protein. Die in der Membran verankerten Proteine sind wichtige Bestandteile der in der Zelle stattfindenden Kreisläufe. (Integrale Proteine: durch die Membran gehende; Periphere: Außen an die Membran sitzende Proteine). Man unterscheidet weiter zwischen Uniportern (Ein Substrat, eine Richtung), Antiportern (Co-Transport zweier Substrate in entgegengesetzte Richtungen) und Symportern (Transport zweiter Substrate (bzw ein Substrat und meist ein Proton) in die gleiche Richtung)
Bei Archaeen sind die (unechten) Fettsäuren (Isopren) in den Membranlipiden per Etherbindungen statt Esterbindung an das Glycerin gebunden. Oftmals sind Lipidmonoschichten statt Lipiddoppelschichten membranständig. Das ermöglicht beispielsweiße Lebensfähigkeit bei 80°C
Nennen Sie wichtige Makromoleküle und ihren Ort in einer Zelle.
Proteine (Polymere aus Aminosäuren, verbunden über Peptidbindungen)
Sie können strukturgebend im Cytoskellet (Tublin, Aktin) oder katalysatorisch(Enzyme) wirken. Sie können kontraktierend („Motorproteine“) sein oder ein bestimmtes abgeschottetes Milieu schaffen (Chaperone) als solche kommen sie der gesamten Zelle vor. In den Membranen eingelagerte Proteine können schleusend wie abschirmend wirken. Beim Transport von Stoffen oder Reizen oder beim Aufbau einer protonenmotorischen Kraft.
Nucleinsäuren (In Zellen Desoxyribonukleinsäuren oder Ribonukleinsäuren)(Polymere aus Nucleotiden, also Verbünde aus Phosphatresten, einem Einfachzucker und einer Nukleinbase) Sie sind im Nucleus bzw. Nucleolus vorhanden und enthalten kodiert die Information zur Proteinsynthese. Im Kern eukaryotischer (bzw. im Nucleoid prokaryotischer) Zellen als DNA vervielfältigt und mittels verschiedener Transportprozesse ribosmal verwendet. Im Cytoplasma und in den Ribosomen dann als RNA vorliegend.
Polysaccharid (Polymer aus Sacchariden) Strukturgebend (zB in Pflanzenzellen in der Zellwand (Hemizellulose, Zellulose)), Energiespeichernd in der Zellvakuole bzw. in Speichergranula (zB in Form von Stärke (Amylose, Amylopektin) in Pflanzenzellen) bzw Glycogen oder in Energiekreislauf mittels Glukose. Sachharide finden sich außerdem zum Teil außerhalb der Zellwand bzw. des Cytoplasmamembrans als Bindemoleküle für zB Wasser zum Schutz vor Austrocknung. Zudem dienen diese die Randständigen Polysaccharide zur Zell-zu-Zell-Kommunikation.
Lipide (Glycerin mit 1-3 veresterten Fettsäuren bzw. anderen Bausteinen) Vorkommen in der Cytoplasmamembran bzw Zellmembran von Archaeen (Etherlipide) als semipermeable Schicht, als Energiespeicher (unter anderem durch Umbau aus Polysacchariden unter Energieverlust bei Überschuss) in Speichergranula. Als Gycolipide in der äußeren Membran dienen Sie dem Zell-zu-Zell-Kontakt.
Beschreiben Sie Möglichkeiten des genetischen Austauschs bei Prokaryonten.
Transformation: Bezeichnung für die Fähigkeit (natürliche Transformierbarkeit) einer Zelle freie, extrazelluläre DNA zu binde und aufzunehmen. Diese wird in die DNA des Prokaryonten teilweise oder ganz eingebaut (Rekombination) und wird bei der nächsten Zellteilung weitergegeben. Die freie DNA wurde zuvor von einer aufgelösten Spenderzelle freigesetzt. ([Symbol] Griffiths Experiment mit Toten gekapselten und lebendigen ungekaspelten Pneumococcuszellen)
Transduktion: Unspezifische (allgemeine) Transduktion (lytischer Zyklus): Bakteriophagenzelle dockt an Prokaryont an und injiziert seine DNA. Die DNA des Wirts wird in Bruchstücke zersetzt. Bei der Sythese der Phagenhülle kann es passieren, dass Teile der Wirts-DNA anstelle der Phagen-DNA eingebaut werden. Bei Infizierung des „falschen“ Phagen mit einem Bakterium, wird die Wirts-DNA eingebaut.
Bei der spezifischen Transduktion baut sich die Phagen-DNA in die Wirts-DNA ein und verbleibt dort als Prophage. Dieser Zustand ist für die Wirtszelle nicht beeinträchtigend und unter manchen Gesichtspunkten sogar förderlich. Droht die Wirtszelle abzusterben, tritt der Phage in den lytischen Zyklus ein. Bei der Exzision der Phagen-DNA aus dem Wirtsgenom können zufällig Teile der Bakterien-DNA mitgenommen und weiter verbreitet werden.
Konjugation: Spenderzelle mit selbstreplizierendem F-Plasmid (mit tra-Region) stellt Zell-zu-Zell-Kontakt mit Empfängerzelle über einen Pilus her. Nach zusammenziehen der Verbindung stehen Spender- und Empfängerzelle in direktem Kontakt und das Plasmid wird im Spender abgerollt und in den Empfänger hineinkopiert. Nach Ergänzung zum Doppelstrang wird die Pilusverbindung gekappt. Die Konjungation kann auch ohne Pilus über Pheromonanziehung und die Ausbildung von Aggregationsproteinen stattfinden.
Wie unterscheidet sich ein Virus von einem Plasmid und wie unterscheidet sich ein Virus von einer Zelle
Virus: Plasmid: Ein Virus ist eine Nukleinsäure (DNA oder RNA) in einem Kapsid oder einer Ribonucleonprotein umschlossen sind. Vereinzelt wird diese noch von einer Lipiddoppelschicht und Membranproteinen umgeben (Virushülle). Im Gegensatz dazu treten Plasmide ohne Hülle oder Kapsid in Bakterien oder Archaeen (und selten in Eurkaryonten (zB Backhefe)) extrachromosomal auf. Sie sind oft ringförmige doppelstrangige DNA-Moleküle. Beide benötigen eine Wirtszelle zur Replikation. Plamiden töten (durch Lyse) ihre Wirte jedoch nicht danach. Sie tragen positiv zur Entwicklung des Wirtes bzw. kommender Wirtgenerationen bei (beispielsweiße durch Implikation von Antibiotikaresistenz)
Zelle: Virus: Ein Virus ist definitionsgemäß kein eigenständig lebendiges Wesen. Eine Zelle wird als elementare Lebensform bezeichnet, da in ihr auf kleinstmöglichem Raum ein vollständig geschlossener Metabolismus sowie die Fähigkeit zur Fortpflanzung und zur Mutation (also zur Weiterentwicklung) gegeben sind. Ein Virus verfügt über keinen eigenen Stoffwechsel sondern bedient bzw. manipuliert einen von einem Wirt. Er ist außerdem viel kleiner. Die Fortpflanzung bzw. Vermehrung eines Virus funktioniert ebenfalls nur mittels Wirt.
Gibt es Infektionsüberträger ohne Nucleinsäuren?
Ja, Prione („Protein infection“): sind keine Lebewesen sondern virusähnliche organische Toxine. Beispiele: Creutzfeldt-Jakob-Krankheit, BSE, Kuru. Prione können auch durch spontane Umfaltung körpereigener Proteine entstehen. Prionen werden jedoch bei Weitem nicht nur pathogene Eigenschaften zugesprochen. Die zahlenmäßig häufigsten Prione schützen Tiere unter anderem vor Wasserstoffperoxid oder freien Radikalen. Durch anormal gefaltete Prione können Kettenreaktionen ausgelöst werden die Aggregate von unlöslichen proteaseresistenten Prionen verursachen. Diese Zerstören schließlich Nervengewebe. Die „Übertragung“ erfolgt entweder sporadisch, das heißt ohne erkennbare Ursache, durch genetische Vererbung oder durch direkte Übertragung fehlgefalteter Prione.
Welche möglichen Wirkungen von Viren auf tierische Zellen kennen Sie?
Tumortransformation: Die Infektion der Zelle durch einen Virus veranlasst die Transformation zur Tumorzelle, welche sich teilen kann.
Lyse: Das Virus vermehrt sich in der Zelle und tötet sie. Die Viren entkommen aus der aufgelösten Zelle.
Persistente Infektion: Die replizierten Viren treten aus der infizierten Zelle langsam und nacheinander aus ohne sie zu lösen oder zu töten.
Latente Infektion: Die replizierten Viren verbleiben in der Wirtszelle und warten auf Signal (zB drohendes Absterben der Wirtszelle) um Lyse zu beginnen.
Chrarakterisieren Sie die Eumycota hinsichtlich Wachstum, Vermehrung, Stoffwechsel, und Lebensweise.
Eumycota (Fungi, echte Pilze), im Gegensatz zu Oomycota (Algenpilze) und Myxomyceten (Schleimpilze) Ascomyceten, Basidiomyceten, Zygomyceten, Glomeromyceten und Chytridiomyceten werden als Eumycota zusammengefasst.
Lebensweise: Kohlenstoffheterotroph (chemoorganotroph), eukaryotisch, Saprophyten, (meinst Phyto-) Parasiten oder Pertophyten (nekrophil). Leben in meist in eher saurem und bevorzugt feuchtem Gelände. Mineralisierer organischer Stoffe
Wachstum: in Septen geteilte Hyphen setzen sich Wachstumsfronten apikal fort. Das Wachstum erfolgt also anisotrop an den Spitzen. Für das Wachstum wird Zellwandmaterial in Vesikeln zur Fusionsstelle transportiert. (Durch verschließbare Poren verbunden können Zellorganellen innerhalb der Hyphenzellen wandern und bei Verletzung geschlossen werden.) Oder: Einzellig.
Stoffwechsel: Wichtige Verstoffwechsler von natürlichen Polymeren wie Cellulose, Lignin, Keratin, Lipiden, Proteinen, Pektin, ua). Nahrung wird meist enzymatisch gelöst aus der Umgebung resorbiert
Vermehrung: Asexuell durch Ausbildung von verschiedenen Sporentypen (Konidiosporen, Chlamydosporen, Athrosporen, etc) oder sexuell durch Verschmelzung von haploiden Gameten zu diploiden Zellen (Zygote, sexuelle Spore)
Beschreiben Sie den grundsätzlichen Aufbau einer pilzlichen Zellwand und deren Bestandteile.
Beinhalten im Gegensatz zu pflanzlichen Zellwänden meist das strukturgebende Polysaccharid Chitin bzw. Chitosan. (Außer Oomyzeten, deren Zellwände aus Cellulose bestehen) im inneren vernetzt über kürzere Glykane. Das Chitin bzw. Chitosan ist in mikrofibrillären Bündeln gebunden und mit eingelagerten Proteinen (welche zum Teil auch enzymatische Funktionen aufweisen können), Lipiden versehen. Fungiert zusammen mit dem Turgor (Zellinnendruck) als Exoskelett, also Stützendes Material, dass die Form der Zelle stabil halten soll. Weiter dient die Zellwand der osmotischen Stabilität und dem Schutz vor äußeren Einflüssen.
Nennen Sie Unterschiede bei der Septierung von pilzlichen Hyphen. Vergleichen Sie dazu Zygomyceten, Ascomyceten und Basidiomyceten.
Septen gliedern pilzliche Zellen in einzelne Kompartimente. Die einzelnen Kompartimente sind Syncytien (mehrkernig), wobei zwischen genetischen identischen (Homokayon) oder verschieden (Heterokaryon) unterschieden werden kann. Es existieren einfache Septen mit nur einem Porus zwischen den Zellen. Bei den meisten Ascomyceten (Schlauchpilze) befindet sich dahinter ein Woroninkörper (Proteinkomplex) der zum Verschließen des Porus bei Verletzung der Zelle dient. Der dadurch verhinderte Zellplasmaverlust beim Aufbrechen der Hyphen verleiht den Ascomyceten auch in trockenen Lebensräumen wachsen. Im Vergleich dazu fehlen bei meist feuchtliebenden Zygomyceten (Jochpilze) die Septen meist ganz bzw. werden nur zu Fruchtkörperentwicklung gebildet. Bei Basidiomyceten (Ständerpilze) kommt es oft zu komplexeren Poren, den sogenannten Doliporen. Die Septen der Basidiomyceten ist um den Porus zu einem kurzen Röhrchen erweitert, welches von einer oder mehreren membranöse Porenkappen umgeben ist, welche selbst Poren haben.
Die Poren dienen dem Transport von Zellorganellen wie Mitochondrien oder Nuklei.
Wie unterscheiden sich die Befruchtungsvorgänge bei Pilzen und pilzähnlichen Mikroorganismen?
Isogamie: Verschmelzen getrenntgeschlechtlicher Zellen gleichen Aussehens.
Anisogamie: Verschmelzen getrenntgeschlechtlicher unterschiedlich Großer Gameten. Der größere, unbeweglichere Gamet wird dabei als weiblich definiert.
Oogamie (Eibefruchtung): Verschmelzung kleiner bewegliche (definiert: männliche) und großer unbewegliche (definiert: weibliche) Zelle. Sonderfall der Anisogamie.
Spermatizazion: Verschmelzung weiblich definierter Hyphenzelle mit Samen/Sporenartiger männlich definierter Zelle.
Gametangiogamie: Verschmelzen der die Gameten bildenden Zellen. (Vorallem bei Zygomyceten). Man spricht von Gametangiogamie wenn die Gameten vor der Kopulation nicht freigelassen werden.
Somatogamie: Verschmelzen von zwei zu Gameten umgestimmten somatischen (vegetativen) Zellen zu einer dikaryotischen Zelle. Die Zellen können vom gleichen Organismus sein oder von verschiedenen Organismen der gleichen Art stammen. (Basidiomyceten und einige Ascomyceten)
Hyphen wachsen in der Regel durch ein dunkles feuchtes Substrat um sich zu ernähren. Es gibt aber auch Hyphen die sich vom Substrat abheben, das Licht suchen und sogenannte Lufthyphen ausbilden - welche Strategie wird damit verfolgt?
Lufthyphen (Luftmycel): Hyphen oberhalb des Substrates dient meist zur Verbreitung dort gebildeter Konidien (Staubsporen) und damit der Erschließung neuer Habitate durch Wind. Beim Wuchs aus dem wässrigen bzw. feuchten Milieu muss die Oberflächenspannung überwunden werden in dem Hydrophobin-Monomere als schützende Hülle um die Lufthyphen gebildet werden.
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Flashcards
Ein kleines Genom deutet grundsätzlichen auf primitive, also ursprüngliche Organsimen hin.
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Nein. Ein Vergleich der Genom-Größe mit der Komplexität und dem Organisationsgrad des Organismus ergibt keinen klaren Zusammenhang. Auch höher Entwickelte Organismen können auch verhältnismäßig kleines Genom aufweisen und andersherum. Beispielsweiße besitzen die meisten Parasiten eineher kleines Genom, weil viele ihrer Lebensfunktionen von Wirt übernommen werden. Es gibt Mikroorganismen mit kleinen Genomen, die zwar zu den ersten Lebewesen gehören, damit jedochdie längste Zeit der Anpassung hinter sich und die längste Evolution habe. Sie verfügen außerdem über sehrschnelle Generationsphasen. Sind daher sehr gut Spezifiziert/Angepasst und nicht primitiv. Kleine Genomen können also Anzeichen von Spezifierung oder Energieersparnis beispielweiße bei der nicht selbstständigen Synthese mancher Aminosäuren sein.
Vergleichen Sie den Aufbau einer prokaryotischen Zelle mit dem Aufbau einer eukaryotischen Zelle.
-Eukaryonten: (Pflanzen/Tier/Pilz/Protozoen) Mit Endomembransystem (Dynamischer Zellinterne Verkehr, Synthese- und Modifizierungsprozess durch Endoplasmatisches Retikulum, Golgi-Apparat und schließlich Membran über Vesikel, Lysosome (Enzymatische Zerlegung, durch Membran mit eigenem Endomilleu zum Schutz der Zelle)) und Peroxisome (Abbau von Fettsäuren, Ethanol, etc und des dabei entstehenden Wasserstoffperoxid), Nucleus, Nucleolus (RNA Synthese), 80S-Ribosome (Proteinsynthese), (endosymbiontisch eingebrachte) Mitochondrien, Plastiden (Chloroplasten, Leukoplasten, Amyloplasten, ...) in Organellmembranen. Eukrayontische Zellen in der Regel größer als Prokaryonten
-Prokaryonten (Zwei Domäne: Bakterien, Archäen): Erbgut im Cytoplasma (in Plasmiden/freien Chromosomen), mit Zellwand, keine Membranumgrenzten Organellen, 70S-Ribosome, Andere Translations- und Transkriptionsverfahren.
Erläutern Sie Kriterien, die lebende Zellen charakterisieren.
Bild
Vergleichen Sie den Aufbau von Zellwänden der Archeen mit Zellwänden der gramnegativen und grampositiven Bakterien.
Zellwand: Schutz vor osmotischer Lyse und Extremen. Für Stabilität undForm
- Gramnegativ: mindestens eine weitere Lipiddoppelschicht über dem Cytoplasmamembran über dünner Peptidoglycanschicht (Mureinschichten). Dieser enthält viele Polysaccharide und Lipide (Lipopolysaccharidschicht) für funktionale Struktur und/oder Toxizität (Endotoxine). Die äußere Membran ist für die Fixierung der periplasmatischen Proteine zuständig. Er hat außerdem Porinen (Transmembranproteine, spezifisch und unspezifisch) zum Durchlass kleiner Moleküle Beispiele: Salmondella, E. Coli
- Grampositiv: Dicke Peptidoglykanschicht (querverstrebte Glycanstränge) über Cytoplasmamembran mit Teichonsäuren (für Ladungsverteilung, Fixierung von Kationen zum Transport in die Zelle) oder Proteinen eingelagert.„Murein“ -> Gramfärbung aufgrund von unterschiedlicher Struktur mit verschiedenen Färbestoffen
- Archaen: aus Pseudomurien (Polysaccharid mit Aminosäureketten). Evolutionär separat hervorgekommen wie Murien (-> Immun gegen Zellwandantibiotika). Vielfältiger Aufbau von einer einzigen bis hin zu komplexen System vieler Schichten. Zellen ohne Zellwände: Mycoplasmen oder Thermoplasen. Mit zB sterolverstärkten Cytoplasmamembran oder osmotisch geschützten Habitaten (in Tierkörpern)
Wie würden Sie einen Freund davon überzeugen, dass Mikroorganismen viel mehr sind als Krankheitserreger?
Mineralisierung (Organische Materie zu anorganischen Verbindungen).
Lebensmittelproduktion (Käse (mikrobielles Lab), Bier (Hefe))
Umweltschutz (Kläranlagen, Abbau von Umweltgiften)
Biologische Schädlingsbekämpfung
Wichtige Aufgaben im Kohlenstoffkreislauf, Stickstoffkreislauf (Nitrifikation, Denitrifikation, Ammonifikation, Stickstofffixierung), Schwefelkreislauf, Phosphorkreislauf
Herstellung von Antibiotika, Antikörpern, Pharamzeutika oder Hormonen
Mikrobielle Erzgewinnung
Konservierung von Nahrungsmitteln
Gentherapie von Krankheiten
Wichtige Aufgaben auf der Haut und im menschlichen Darm.
Wie lauten die Koch‘schen Postulate?
Beweis der früheren Vermutung, dass Mikroorganismen Krankheiten übertragen/verursachen können durch Robert Koch in vier Schritten:
Krankheitserreger in totem Tier identifizieren (mit vergleich zu lebendem, gesunden Tier)
Reinzucht des Krankheitserregers und Nachweis, dass diese sich nicht von Proben des gesunden Tieres züchten lassen unter für den Pathogen günstigen Bedingungen (In Petrischale mit Agar und Beijerincks Anreicherungskultur
Reinkultur muss beschriebene Krankheit bei gesundem Tier verursachen
Isolierung des vermuteten Erregers in zweitem toten Tier und vergleich mit ursprünglichen Erreger. Dessen Reinkultur muss identisch sein muss vorheriger
Damit wird nachgewiesen, dass ein spezifischer Mikroorganismus eine spezifische Krankheit verursacht.
Endgültiger Beweis mit Tuberkulose
Was sind Plasmide und welche Eigenschaften besitzen sie?
Ringförmige, sich autonom replizierende doppelstrangige DNA-Strukturen, vor allem in Prokaryonten. Tragen im Gegensatz zu Chromosomen nicht lebensnotwendige Gene. Replikationssprung innerhalb des Plasmids zur Kopierung. Autonom und damit vererbbar, wenn Wirtszelle mit Replikationssprung kompatibel ist. Klassifikation (neben Konjungierenden und nicht-Konjungierenden ) in Funktionalitätsgruppen:
Fruchtbarkeits-P zur Erhaltung der Konjugation
Resistenz-P zur Bekämpfung von Antibiotika und Giften
Col-P zur Kodierung von für andere Bakterien toxischen Proteine (Colicine)
Degradations-P für den Abbau von ungewöhnlichen Substanzen
Virulenz-P für Pathogene Lebensweiße
Die DNA in Plasmiden wir von Enzymen (Topoisomerasen) „überspiralisiert“: In einem komplizierten Verfahren werden Helixe übereinander gelegt, zerschnitten und wieder verbunden, sodass eine Platzsparende Drehung entsteht.
Welche Bedeutung kommt den Schleimhüllen der Prokaryoten zu?
(Schleimhülle = Kapsel = Glykokalyx) Polysaccharid- oder Proteinschichten, die kovalent an Membranlipide/Proteine gebunden ist. Sie Zählen nicht zur Zellwand. Kapsel: fest mit Zellwand verbunden, Schleimhülle nicht. Kapsel/Schleimhülle dienen: („Biofilm“)
Zum Schutz vor Austrocknung (durch Äußere Bindung an Wasser)
Zum Schutz vor Phagozytose (Aufnahme und Lyse der Zelle in eine andere Zelle)
Zum Anheften der Zelle (Bsp. Zahnschmelz)
Als Pathogenitätsfaktor (durch „Verhüllung“ und Nichterkennung von Phagozyten des Immunsystems)
Sind Viren Lebewesen?
Nein. Ein Virus ist lediglich eine vom Capsid und schließlich einer Hülle umgebenen Nucleinsäure. Zusätzlich können noch periphere Strukturen wie Anheftungsmechanismen vorkommen. Sie besitzen keinen eigenen Stoffwechsel, nur die Eigenschaft den Stoffwechsel anderer Organismen zu manipulieren und/oder ihn zu nutzen. Außerdem findet die Vermehrung nicht selbstständig sondern nur innerhalb der DNA des Wirts statt, indem virales Erbgut eingeschleust wird. Viren können hingegen eine Evolution zu durchlaufen: Sie können mutieren.
Warum braucht eine Zelle eine Cytoplasmamembran?
Als halbdurchlässige Schicht können Nährstoffe ins Cytoplasma diffundieren und Fremd/Kommunikations- oder Giftstoffe bzw. -reize aus der Zelle ausgeschieden werden. Dies geschieht peripher über Proteine (zB Rezeptoren) und in der Zelle durch Transportvesikel (das Endomembransystem).
Weiterhin können außerhalb der Zelle befindliche Materialen (oder Zellen) endozytisch (bzw phagozytisch) einverleibt werden.
Die Cytoplasmembran ist beteiligt an der Formänderung einer Zelle. Im Inneren der Zelle schirmt er ein veränderliches und für manche Reaktionen nötiges (Enzyme) Milleu ab.
Außerdem kann an der Membran eine Potentialdifferenz hergestellt und genutzt werden. Hier kann eine Protonenmotorische Kraft aufgebaut werden. Diese kann zum direkten Transport von Substanzen über ein Protein (einfacher Transport, Bsp.: Lactose-Permease) oder mehrere (Gruppentranslokation, Bsp.: Phosphotransferasesystem) genutzt werden. Weiter kann mittels „ABCSystem“ (ATP Binding Casette) Substanzen durch die Protonenmotorische Kraft transportiert werden. Dafür braucht es ein substratbindendes (extrem spezifisch, sehr substartaffin), ein transportierendes und eine ATP-hydrolisierendes Protein. Die in der Membran verankerten Proteine sind wichtige Bestandteile der in der Zelle stattfindenden Kreisläufe. (Integrale Proteine: durch die Membran gehende; Periphere: Außen an die Membran sitzende Proteine). Man unterscheidet weiter zwischen Uniportern (Ein Substrat, eine Richtung), Antiportern (Co-Transport zweier Substrate in entgegengesetzte Richtungen) und Symportern (Transport zweiter Substrate (bzw ein Substrat und meist ein Proton) in die gleiche Richtung)
Bei Archaeen sind die (unechten) Fettsäuren (Isopren) in den Membranlipiden per Etherbindungen statt Esterbindung an das Glycerin gebunden. Oftmals sind Lipidmonoschichten statt Lipiddoppelschichten membranständig. Das ermöglicht beispielsweiße Lebensfähigkeit bei 80°C
Nennen Sie wichtige Makromoleküle und ihren Ort in einer Zelle.
Proteine (Polymere aus Aminosäuren, verbunden über Peptidbindungen)
Sie können strukturgebend im Cytoskellet (Tublin, Aktin) oder katalysatorisch(Enzyme) wirken. Sie können kontraktierend („Motorproteine“) sein oder ein bestimmtes abgeschottetes Milieu schaffen (Chaperone) als solche kommen sie der gesamten Zelle vor. In den Membranen eingelagerte Proteine können schleusend wie abschirmend wirken. Beim Transport von Stoffen oder Reizen oder beim Aufbau einer protonenmotorischen Kraft.
Nucleinsäuren (In Zellen Desoxyribonukleinsäuren oder Ribonukleinsäuren)(Polymere aus Nucleotiden, also Verbünde aus Phosphatresten, einem Einfachzucker und einer Nukleinbase) Sie sind im Nucleus bzw. Nucleolus vorhanden und enthalten kodiert die Information zur Proteinsynthese. Im Kern eukaryotischer (bzw. im Nucleoid prokaryotischer) Zellen als DNA vervielfältigt und mittels verschiedener Transportprozesse ribosmal verwendet. Im Cytoplasma und in den Ribosomen dann als RNA vorliegend.
Polysaccharid (Polymer aus Sacchariden) Strukturgebend (zB in Pflanzenzellen in der Zellwand (Hemizellulose, Zellulose)), Energiespeichernd in der Zellvakuole bzw. in Speichergranula (zB in Form von Stärke (Amylose, Amylopektin) in Pflanzenzellen) bzw Glycogen oder in Energiekreislauf mittels Glukose. Sachharide finden sich außerdem zum Teil außerhalb der Zellwand bzw. des Cytoplasmamembrans als Bindemoleküle für zB Wasser zum Schutz vor Austrocknung. Zudem dienen diese die Randständigen Polysaccharide zur Zell-zu-Zell-Kommunikation.
Lipide (Glycerin mit 1-3 veresterten Fettsäuren bzw. anderen Bausteinen) Vorkommen in der Cytoplasmamembran bzw Zellmembran von Archaeen (Etherlipide) als semipermeable Schicht, als Energiespeicher (unter anderem durch Umbau aus Polysacchariden unter Energieverlust bei Überschuss) in Speichergranula. Als Gycolipide in der äußeren Membran dienen Sie dem Zell-zu-Zell-Kontakt.
Beschreiben Sie Möglichkeiten des genetischen Austauschs bei Prokaryonten.
Transformation: Bezeichnung für die Fähigkeit (natürliche Transformierbarkeit) einer Zelle freie, extrazelluläre DNA zu binde und aufzunehmen. Diese wird in die DNA des Prokaryonten teilweise oder ganz eingebaut (Rekombination) und wird bei der nächsten Zellteilung weitergegeben. Die freie DNA wurde zuvor von einer aufgelösten Spenderzelle freigesetzt. ([Symbol] Griffiths Experiment mit Toten gekapselten und lebendigen ungekaspelten Pneumococcuszellen)
Transduktion: Unspezifische (allgemeine) Transduktion (lytischer Zyklus): Bakteriophagenzelle dockt an Prokaryont an und injiziert seine DNA. Die DNA des Wirts wird in Bruchstücke zersetzt. Bei der Sythese der Phagenhülle kann es passieren, dass Teile der Wirts-DNA anstelle der Phagen-DNA eingebaut werden. Bei Infizierung des „falschen“ Phagen mit einem Bakterium, wird die Wirts-DNA eingebaut.
Bei der spezifischen Transduktion baut sich die Phagen-DNA in die Wirts-DNA ein und verbleibt dort als Prophage. Dieser Zustand ist für die Wirtszelle nicht beeinträchtigend und unter manchen Gesichtspunkten sogar förderlich. Droht die Wirtszelle abzusterben, tritt der Phage in den lytischen Zyklus ein. Bei der Exzision der Phagen-DNA aus dem Wirtsgenom können zufällig Teile der Bakterien-DNA mitgenommen und weiter verbreitet werden.
Konjugation: Spenderzelle mit selbstreplizierendem F-Plasmid (mit tra-Region) stellt Zell-zu-Zell-Kontakt mit Empfängerzelle über einen Pilus her. Nach zusammenziehen der Verbindung stehen Spender- und Empfängerzelle in direktem Kontakt und das Plasmid wird im Spender abgerollt und in den Empfänger hineinkopiert. Nach Ergänzung zum Doppelstrang wird die Pilusverbindung gekappt. Die Konjungation kann auch ohne Pilus über Pheromonanziehung und die Ausbildung von Aggregationsproteinen stattfinden.
Wie unterscheidet sich ein Virus von einem Plasmid und wie unterscheidet sich ein Virus von einer Zelle
Virus: Plasmid: Ein Virus ist eine Nukleinsäure (DNA oder RNA) in einem Kapsid oder einer Ribonucleonprotein umschlossen sind. Vereinzelt wird diese noch von einer Lipiddoppelschicht und Membranproteinen umgeben (Virushülle). Im Gegensatz dazu treten Plasmide ohne Hülle oder Kapsid in Bakterien oder Archaeen (und selten in Eurkaryonten (zB Backhefe)) extrachromosomal auf. Sie sind oft ringförmige doppelstrangige DNA-Moleküle. Beide benötigen eine Wirtszelle zur Replikation. Plamiden töten (durch Lyse) ihre Wirte jedoch nicht danach. Sie tragen positiv zur Entwicklung des Wirtes bzw. kommender Wirtgenerationen bei (beispielsweiße durch Implikation von Antibiotikaresistenz)
Zelle: Virus: Ein Virus ist definitionsgemäß kein eigenständig lebendiges Wesen. Eine Zelle wird als elementare Lebensform bezeichnet, da in ihr auf kleinstmöglichem Raum ein vollständig geschlossener Metabolismus sowie die Fähigkeit zur Fortpflanzung und zur Mutation (also zur Weiterentwicklung) gegeben sind. Ein Virus verfügt über keinen eigenen Stoffwechsel sondern bedient bzw. manipuliert einen von einem Wirt. Er ist außerdem viel kleiner. Die Fortpflanzung bzw. Vermehrung eines Virus funktioniert ebenfalls nur mittels Wirt.
Gibt es Infektionsüberträger ohne Nucleinsäuren?
Ja, Prione („Protein infection“): sind keine Lebewesen sondern virusähnliche organische Toxine. Beispiele: Creutzfeldt-Jakob-Krankheit, BSE, Kuru. Prione können auch durch spontane Umfaltung körpereigener Proteine entstehen. Prionen werden jedoch bei Weitem nicht nur pathogene Eigenschaften zugesprochen. Die zahlenmäßig häufigsten Prione schützen Tiere unter anderem vor Wasserstoffperoxid oder freien Radikalen. Durch anormal gefaltete Prione können Kettenreaktionen ausgelöst werden die Aggregate von unlöslichen proteaseresistenten Prionen verursachen. Diese Zerstören schließlich Nervengewebe. Die „Übertragung“ erfolgt entweder sporadisch, das heißt ohne erkennbare Ursache, durch genetische Vererbung oder durch direkte Übertragung fehlgefalteter Prione.
Welche möglichen Wirkungen von Viren auf tierische Zellen kennen Sie?
Tumortransformation: Die Infektion der Zelle durch einen Virus veranlasst die Transformation zur Tumorzelle, welche sich teilen kann.
Lyse: Das Virus vermehrt sich in der Zelle und tötet sie. Die Viren entkommen aus der aufgelösten Zelle.
Persistente Infektion: Die replizierten Viren treten aus der infizierten Zelle langsam und nacheinander aus ohne sie zu lösen oder zu töten.
Latente Infektion: Die replizierten Viren verbleiben in der Wirtszelle und warten auf Signal (zB drohendes Absterben der Wirtszelle) um Lyse zu beginnen.
Chrarakterisieren Sie die Eumycota hinsichtlich Wachstum, Vermehrung, Stoffwechsel, und Lebensweise.
Eumycota (Fungi, echte Pilze), im Gegensatz zu Oomycota (Algenpilze) und Myxomyceten (Schleimpilze) Ascomyceten, Basidiomyceten, Zygomyceten, Glomeromyceten und Chytridiomyceten werden als Eumycota zusammengefasst.
Lebensweise: Kohlenstoffheterotroph (chemoorganotroph), eukaryotisch, Saprophyten, (meinst Phyto-) Parasiten oder Pertophyten (nekrophil). Leben in meist in eher saurem und bevorzugt feuchtem Gelände. Mineralisierer organischer Stoffe
Wachstum: in Septen geteilte Hyphen setzen sich Wachstumsfronten apikal fort. Das Wachstum erfolgt also anisotrop an den Spitzen. Für das Wachstum wird Zellwandmaterial in Vesikeln zur Fusionsstelle transportiert. (Durch verschließbare Poren verbunden können Zellorganellen innerhalb der Hyphenzellen wandern und bei Verletzung geschlossen werden.) Oder: Einzellig.
Stoffwechsel: Wichtige Verstoffwechsler von natürlichen Polymeren wie Cellulose, Lignin, Keratin, Lipiden, Proteinen, Pektin, ua). Nahrung wird meist enzymatisch gelöst aus der Umgebung resorbiert
Vermehrung: Asexuell durch Ausbildung von verschiedenen Sporentypen (Konidiosporen, Chlamydosporen, Athrosporen, etc) oder sexuell durch Verschmelzung von haploiden Gameten zu diploiden Zellen (Zygote, sexuelle Spore)
Beschreiben Sie den grundsätzlichen Aufbau einer pilzlichen Zellwand und deren Bestandteile.
Beinhalten im Gegensatz zu pflanzlichen Zellwänden meist das strukturgebende Polysaccharid Chitin bzw. Chitosan. (Außer Oomyzeten, deren Zellwände aus Cellulose bestehen) im inneren vernetzt über kürzere Glykane. Das Chitin bzw. Chitosan ist in mikrofibrillären Bündeln gebunden und mit eingelagerten Proteinen (welche zum Teil auch enzymatische Funktionen aufweisen können), Lipiden versehen. Fungiert zusammen mit dem Turgor (Zellinnendruck) als Exoskelett, also Stützendes Material, dass die Form der Zelle stabil halten soll. Weiter dient die Zellwand der osmotischen Stabilität und dem Schutz vor äußeren Einflüssen.
Nennen Sie Unterschiede bei der Septierung von pilzlichen Hyphen. Vergleichen Sie dazu Zygomyceten, Ascomyceten und Basidiomyceten.
Septen gliedern pilzliche Zellen in einzelne Kompartimente. Die einzelnen Kompartimente sind Syncytien (mehrkernig), wobei zwischen genetischen identischen (Homokayon) oder verschieden (Heterokaryon) unterschieden werden kann. Es existieren einfache Septen mit nur einem Porus zwischen den Zellen. Bei den meisten Ascomyceten (Schlauchpilze) befindet sich dahinter ein Woroninkörper (Proteinkomplex) der zum Verschließen des Porus bei Verletzung der Zelle dient. Der dadurch verhinderte Zellplasmaverlust beim Aufbrechen der Hyphen verleiht den Ascomyceten auch in trockenen Lebensräumen wachsen. Im Vergleich dazu fehlen bei meist feuchtliebenden Zygomyceten (Jochpilze) die Septen meist ganz bzw. werden nur zu Fruchtkörperentwicklung gebildet. Bei Basidiomyceten (Ständerpilze) kommt es oft zu komplexeren Poren, den sogenannten Doliporen. Die Septen der Basidiomyceten ist um den Porus zu einem kurzen Röhrchen erweitert, welches von einer oder mehreren membranöse Porenkappen umgeben ist, welche selbst Poren haben.
Die Poren dienen dem Transport von Zellorganellen wie Mitochondrien oder Nuklei.
Wie unterscheiden sich die Befruchtungsvorgänge bei Pilzen und pilzähnlichen Mikroorganismen?
Isogamie: Verschmelzen getrenntgeschlechtlicher Zellen gleichen Aussehens.
Anisogamie: Verschmelzen getrenntgeschlechtlicher unterschiedlich Großer Gameten. Der größere, unbeweglichere Gamet wird dabei als weiblich definiert.
Oogamie (Eibefruchtung): Verschmelzung kleiner bewegliche (definiert: männliche) und großer unbewegliche (definiert: weibliche) Zelle. Sonderfall der Anisogamie.
Spermatizazion: Verschmelzung weiblich definierter Hyphenzelle mit Samen/Sporenartiger männlich definierter Zelle.
Gametangiogamie: Verschmelzen der die Gameten bildenden Zellen. (Vorallem bei Zygomyceten). Man spricht von Gametangiogamie wenn die Gameten vor der Kopulation nicht freigelassen werden.
Somatogamie: Verschmelzen von zwei zu Gameten umgestimmten somatischen (vegetativen) Zellen zu einer dikaryotischen Zelle. Die Zellen können vom gleichen Organismus sein oder von verschiedenen Organismen der gleichen Art stammen. (Basidiomyceten und einige Ascomyceten)
Hyphen wachsen in der Regel durch ein dunkles feuchtes Substrat um sich zu ernähren. Es gibt aber auch Hyphen die sich vom Substrat abheben, das Licht suchen und sogenannte Lufthyphen ausbilden - welche Strategie wird damit verfolgt?
Lufthyphen (Luftmycel): Hyphen oberhalb des Substrates dient meist zur Verbreitung dort gebildeter Konidien (Staubsporen) und damit der Erschließung neuer Habitate durch Wind. Beim Wuchs aus dem wässrigen bzw. feuchten Milieu muss die Oberflächenspannung überwunden werden in dem Hydrophobin-Monomere als schützende Hülle um die Lufthyphen gebildet werden.
Was sind Konidien und welche grundlegenden Möglichkeiten der Konidiogenese kennen Sie?
Konidien (Staubsporen) sind Sporen und dienen der asexuellen Vermehrung mancher Pilze und einiger Prokaryoten. Sie werden durch Zergliederung von Hyphen (Thallokondien) oder durch Sprossung (Blastokonidien) an Kondienträgern am Luftmycel oder Stolo gebildet. Dadurch erfolgt die erste grobe Einteilung. Entweder wird bei Blastokondien die gesamte Zellwand der konidienbildenden Zelle (holoblastisch) oder nur die innere Wandschicht (enteroblastisch) zur Konidienwand. (Analog bei Thallokondien). Weiter unterscheidet man bei Holoblastischen Konidien ob es sich um eine Konidie (monoblastisch) oder um mehrere (polyblastisch) und weiter um gleichzeitig (simultan), sukzessiv oder verkettet gewachsene polyblastische Konidien handelt. Bei Enteroblastischen Konidien verzweigt man weiter nach dem Ort der Konidiogenese. Werden sie an Septen gebildet (tretisch), in der Mitte (phidialisch) oder wachsen empor (annellidsch).
Erläutern Sie Besonderheiten im Lebenszyklus von azellulären und zellulären Schleimpilzen.
(Eu)mycetozoa: Organisationsstufe (nicht mehr zusammenhängend). Früher den Pilzen, heute den Amoebozoen zugeordnet. Heterotrophe, phagotrophe, zellwandlose, vielkernige Lebewesen.
Zelluläre Schleimpilze (Acrasiomyceten): einzelne Amöben. Man beobachtet verschiedene Stadien bei der Fruchtkörperbildung zellulärer Schleimpilze: Mehrere Amöben metamorphieren zu einem Verbund und können sich je nach Art Fortbewegen (Slugwanderung) zu einem bevorzugten Ort, wo die Fruchtkörperausbildung Stattfindet. (Ohne Cellulose oder Rhizopien). Bei der Verschmelzung bleibt es bei einem Aggregationsplasmodium selbstständiger Amöben. Der Fruchtkörper besteht nur aus aggregierten Amöben. Acrasiomyceten pflanzen sich also vegetativ fort. (Diploides Plasmodium, halpoides Sporangium)
Azelluläre Schleimpilze (plasmodiale Schleimpilze): Massen von Protoplasma (Plasmodien) undefinierter Größe und Form. Bei der Verschmelzung entsteht ein diploid-vielkerniges Fusionsplasmodium. Die Vermehrung ist also sexuell. Dabei bilden einige der Zellen den Stiel, andere den Sorus, der die Sporen enthält. Aus den Sporen entstehen nach Reifung und Abtrennung neue Amöben. Der Fruchtkörper bildet Rhizopodien und Cellulose.
Welche Bedeutung kommen den Zoosporen zu? Auf welches Milieu sind sie zur Verbreitung angewiesen? Welche eukaryotischen Mikroorganismen bilden Zoosporen aus?
Chytridiomyzeten bilden Zoosporen zur ungeschlechtlichen Vermehrung. Zoosporen besitzen einzelne, nach hinten gerichtete Geißeln, welche sie in aquatischem Milieu (Süßwasser, feuchten Böden) fortbewegungsfähig machen.
Wie unterscheidet sich der Lebenszyklus von Hefen im Vergleich zu anderen „typischen“ Ascomyceten?
Lebenszyklus der Hefe: Bildung zwei verschiedener haploider Zelltypen, die sich unter Entstehung einer diploiden Zelle paaren können (Zellfusion und Kernfusion, sexuell) Unter Nahrungsmangel bildet diese zwei Ascosporen je Paarungstyp. Einige Hefearten sind in der Lage diesen Paarungstyp zu ändern. Haploide oder Diploide Hefezelle können vegetativ wachsen (Mitose, asexuell).
Im Vergleich dazu vermehren sich Ascomycota typischer weiße asexuell mittels haploider Sporen (Konidien) und sexuell mittels Verschmelzung zweier Hyphenteile. Dem Ascogonium und dem Antheridium (Plasmogamie). Anschließend Teilen sich Kern und Zelle (Karyogamie, Meiose) und die Zelle teilt sich (Mitose).
Welche Rolle spielen katalysierende Oberflächen (z.B. FeS2) beim Ursprung des Lebens?
Die spontane Bildung von selbst kurzen Stücken RNA ist sehr unwahrscheinlich. Theorien vom Übergang von verschiedenen RNA Vorarten (pRNA, PNA) zur RNA sind ebenfalls nicht vielversprechend. Weitere Theorien vermuten eine RNA Entwicklung, gebunden an den mikroskopisch kleinen Hohlräumen einiger Tonminerale welche sehr hohe Oberflächenverhältnisse vorweißen. Die Dritte Theorie schließlich vermutet den Ursprung des Lebens also den initialen Vorgang der autonomen RNA-Replikation in der Nähe von pyritreichen (FeS2) hydrothermalen Tiefseeschloten. Negativ geladene organische Verbindungen setzten sich elektrostatisch auf den positiv geladenen Pyritoberflächen fest, können reagieren und könnten zelluläre Aggregate gebildet haben. Der Pyrit hält die verschiedenen Stoffe dabei zusammen, es steuert die Stoffwechselreaktionen und liefert die Energie. In den porösen Türmen dieser „schwarzen Raucher“ bilden sich winzige Hohlräume durch schnell ausfallende Mineralien wie Fe, Mn oder Cu in denen sich neu synthetisierte Moleküle ansammeln könnten. Steile Temperaturgradienten der Säulen böten optimale Reaktionszonen an verschiedenen Orten. Zusätzlich dienen die ausfallenden Mineralien als Energiequelle. Nach der Entwicklung aller Zellfunktionen innerhalb dieser Mikrohohlräume bräuchte man nur noch einen Lipidmembran um den Schritt zur Zelle zu vollziehen. Dieser Theorie nach lebte der LUCA dort und nicht als frei lebende Form.
Welche Hinweise unterstützen die Endosymbiontenhypothese?
Endosymbiontentheorie: Frühevoluzionäre Aufnahme von damals bereits eukaryotischenähnlichen aber organellfreien Zellen von autoreduplikativen und genetisch semiautonomen Plastiden (vermutlich von Cyanobakterien) und Mitochondrien (vermutlich von aeroben Bakterien) von ehemals freilebenden Einzellern, welche sich im weiteren Verlauf er Evolution als echte Zellorganellen entwickelten.
Organellen haben prokaryotische Eigenschaften wie:
Fehlen von Histonen in DNA
Hemmung der Transkription durch Rifamycine
Ribosome gehören dem prokaryotischen 70S-Typ an (Nähste Verwandtschaft zu Cyanobakterien, mittels Sequenzstammbäumen erfasst)
Inititiationsfaktoren zur Translation ähneln denen der Prokaryoten
Organellen sind von einer Doppelmembran umgeben, welcher bei Endocytose entsteht. Die Äußere Membran (Symbioten-Vakuole) stammt von der Wirtszelle, der innere von Symbionten. (nicht unumstritten)
Fettsäuresynthese prokaroytisch orientiert. (Einzelne Enzyme statt Multienzymkomplex)
Cytosymbiosen treten auch bei anderen bekannten Organismen auf (zB bei Pantoffeltierchen).
Jedoch sind die meisten Organellenproteine Kerncodiert und nicht selbständig synthetisierbar. Eine Erklärung dafür könnte ein Genmaterialtransfer zwischen Organelle und Zellkern sein.
Nennen und erläutern Sie fünf unterschiedliche Arten der Energie-Generierung
Bild
Definieren Sie „Gärung“ und worin sie sich von anderen Wegen der Energie-Gewinnung unterscheidet
Fermentation/Gärung (Emden-Meyerhof Pathway; Glykolyse): Definition: Intern ausbalancierte Redoxreaktion, bei der einige Atome als Energiequelle (Elektronendonors) einen mehr reduzierten, andere einen mehr oxidierten Zustand erhalten und die Energie über Substratkettenphosphorylierung geniert wird (ATP-Synthese). Ein externer Elekronenakzeptor wird nicht gebraucht / ist sogar teils unerwünscht.
Ein Organisches Substrat (meist Kohlenhydrat) wird anaerob abgebaut. Die während er Substratoxidation anfallenden Elektronen werden auf organische Akzeptoren übertragen. Substratkettenphosphorylierung (statt ATP-Synthese über den Aufbau einer Protonenmotorischen Kraft) an wenigen energiereichen Zwischenprodukten des Abbaus. Endprodukte beim letztendlichen Umbau von Pyruvat sind nicht wie bei aerober Atmung vollständig zu CO2 und Wasser verstoffwechselt sondern bleiben zB. als Ethanol, Ameisensäure, Milchsäure, etc. übrig. Daher ist der Energiegewinn pro Mol Substrat sehr gering. Einige Mikroorganismen gewinnen Energie nur fakultativ wenn in anaerober Umgebung durch Gärung.
Welcher Organismus wird für die alkoholische Gärung eingesetzt? Beschreiben Sie detailliert den Ablauf der alkoholischen Gärung unter Berücksichtigung der Energieausbeute!
Die alkoholische Gärung wird von Zuckerhefen betrieben. Fakultativ benutzen sie die Gärung als Energiegewinnung, wenn kein Sauerstoff für die Katalyse von Zuckern (über Glykolyse, Oxidative Decarboxylierung, den Citratzyklus und die Atmungskette) verfügbar ist. Dabei gewinnen sie weitaus weniger ATP (Adenosintriphosphat) pro Molekül Glucose (2 statt 36 bis 38). Wie bei der Zellatmung so auch bei der Gärung findet die ATP-Synthese während der Glycolyse (Stage 1 und 2, Vorbereitung und Oxidation) statt. Dabei wird ein Glucosemolekül unter Nettogewinnung von 2 ATP Molekülen und Verbrauch von 2 NAD+ (Kofaktor) zu 2 Pyrovatmolekülen enzymatisch verarbeitet. Hier werden mit vielen Zwischenschritten aus dem C6-Körper unter Verbrauch von 2 ATP zunächst 2 C3 Körper (Glycerinaldehyd-3-Phosphat). Im weitern Prozess verbrauchen beide G3Ps je ein NAD+ und synthetisieren 2 ATP und werden zu Pyruvat umgebaut. (Stage 3: Reduktion) Mit Pyruvatdecarboxylase wird unter Verbrauch eines Protons CO2 gewonnen und es entsteht Acetaldehyd. Anschließend entsteht Ethanol wobei der Kofaktor NAD+ regeneriert wird.
Definieren Sie die Begriffe „primäre“ und „sekundäre“ Metabolite. Geben Sie je ein klassisches Beispiel aus der industriellen Produktion und beschreiben Sie den jeweiligen Fermentationsverlauf.
Primär: Hauptstoffwechselprodukt. Wird während des Beginns und der aktiven Wachstumsphase produziert. Beispielsweiße Ethanolproduktion durch Hefe. (siehe c))
Sekundär: Nicht essentiell für Wachstum und Reproduktion. Wird zum Ende oder sogar erst in stationärer Wachstumsphase produziert. Beispielsweiße Penicilinproduktion durch Penicillium chrysogenum. Wenn das Substrat reich an Phenylessigsäure ist, entsteht bei dem Metabolismus der Organismen Penicillin. Überproduktion von sekundären Metaboliten ist keine Seltenheit, ist stark von der Zusammensetzung vom Substrat (Nährboden) abhängig und wird oft biotechnologisch herausgefordert bzw. genutzt.
Nennen Sie fünf verschiedene Antibiotika und deren jeweiligen mikrobiellen Produzenten
Penicillin – Penicillum chrysogenum
Cephalosporin - Cephalosorium sp
Neomycin - Streptomyces fradiea
Streptomycin - Streptomyces griseus
Cycloserin - Streptomyces orchidaceus
Beschreiben Sie den klassischen „Screening“-Weg zur Identifizierung von Antibiotika produzierenden Mikroorganismen
Boden in sterilem Wasser lösen und gut durchmischen
Verdünnungsreihe mit je 1ml Lösung pro Röhrchen anfertigen
Die dünnsten Lösungen wählen und je 1ml der Lösung auf eine Agarplatte mit organismusselektivem Nährmedium geben. Probe gleichmäßig verteilen und Inkubieren. Kolonien werden sichtbar.
Test auf Antibiotika-Produktion: Platten mit einem nicht-pathogenen Indikatororganismus bedecken. Das Indikatorbakterium inkubieren.
Manche Kolonien sind von Zonen umgeben, wo das Wachstum verhindert wird. Diese Kolonien kommen als Antibiotika-Produzenten in Frage!
Die in Frage kommenden Kolonien werden isoliert und dann auf das antibiotisch aktive Spektrum getestet. Von einer der Antibiotika produzierenden Kolonien wird eine Probe auf einer neuen Platte verteilt und inkubiert. Das entstehende Antibiotikum diffundiert durch den Nährboden (Agar).
Nun wird ein Streifentest durchgeführt und mit verschiedenen Organismen getestet, ob sie sensitiv auf das Antibiotikum reagieren.
Durch welche gemeinsame chemische Struktur sind Penicilline und Cephalosporine charakterisiert? Nennen Sie mindestens einen Mikrobiellen Produzenten von Penicillin und Cephalosporin!
Beiden haben einen „Beta-Lactam-Ring“
Beispiele:
Cephalosporin: Cephalosporium acremonium
Penicillin: Penicillium chrysogenum
Was ist die Basisstruktur aller Penicilline? Was ist der Unterschied zwischen biosynthetischen und semisynthetischen Penicillinen?
Basis ist die 6-amino-penicillansäure, welche aus einem Thiazolidinring mit ankondensierten Beta-Lactam-Ring besteht.
Biosynthetische Penicilline entstehen durch Zugabe eines Seitenketten-Vorläufers in das Fermentationsmedium
Semisynthetische Penicilline entstehen durch (chemische oder enzymatische) Spaltung von mikrobiell produziertem Benzyl-Penicillin in 6-amino-Penicillansäure, welche dann durch Zugabe einer geeigneten/gewünschten Seitenkette chemisch modifiziert wird.
Beschreiben Sie die Kinetik einer Penicillin-Fermentation! Welche organische Säure müssen Sie dem Fermentationsprozess zuführen, um eine hohe Ausbeute an „klassischem“ Penicillin G zu erhalten?
Das Nährmedium Lactose wird schnell verwertet bei steigendem Zellwachstum. Nach ca.12 Stunden beginnen Penicillium chrysogenum mit der Penicillinproduktion (sekundäres Metabolit). Um die Produktion zu beschleunigen wird zuerst Glucose, später Stickstoff hinzugefügt. Die Penicillinproduktion steigt weiter steil, während das Zellwachstum abflacht und schon in die stationäre Phase übergeht. Zugabe von Phenylacetat stimuliert die Penicillin-Produktion.
In welcher chemischen Struktur unterscheiden sich Cephalosporine von Penicillinen?
Cephalosporine enthalten anstelle eines Thiazolidin-Rings (wie im Penicillin) einen Dihydro-Thiazin-Ring.
Der Beta-Lactam-Ring ist ihnen gemeinsam. Vorteil: geringere Humantoxizität als Penicillin und Breitband-Antibiotika
Beschreiben Sie die Bedeutung und Vorteil des Einsatzes von Clavulansäure
Clavulansäure ist selbst ein (schwach wirkendes) Antibiotikum und gleichzeitig auch ein Inhibitor der Beta-Lactamase.
Produziert von Strepomyces clavuligerus, hemmt beta-Lactamase von Bakterien ohne bakterienschädigend tu wirken. Dadurch wird das Wirkungsspektrum von Antibiotika (speziell beta-Lactam, wie Penicillinen) gegenüber Keimen erweitert.
Gegen welche Bakterien wirkt Penicillin?
Wie/ auf was wirkt Penicillin?
Was bewirkt das Enzym ß-Lactamase?
Penicillin wirkt nur auf sich vermehrende (vor allem) grampositive Bakterien.
Penicillin wirken bei der Zellteilung indirekt, indem sie die Zellwandsynthese behindert und eine osmotische Lyse der Bakterien auslösen. Der halb geöffnete Beta-Lactam-Ring wird von bakteriellen Enzymen (D-Alanin-Transpeptidase, verantwortlich für die Quervernetzung der Peptidoglycanschicht grampositiver Bakterien) gebunden. Zur Teilung der Bakterie muss die Zellwand teilweise geöffnet und neu synthetisiert werden, was mit der irreversiblen Bindung des Penicillins an das Enzym verhindert wird. Das Bakterium verliert dadurch seine Schutzhülle und lysiert.
Beta-Lactamase hydrolisiert den beta-Lactam-Ring. Das Antibiotikum wird dadurch unwirksam gemacht. Durch schnelle Generationsphasen von Mikroorganismen und hohe Produktionszahlen und damit einhergehend vielen Mutationen können solche Antibiotikaresistenzen recht schnell eintreten. Die Vererbung der beta-Lactamasensynthese erfolgt chromosomal oder plasmidal.
Welcher Organismus wird primär zur Produktion von Chlor-Tetracyclin eingesetzt?
Warum ist Glucose als Substrat zur Erzielung hoher Ausbeuten ungeeignet?
Welche Energiequelle (Elektronendonor) wird stattdessen eingesetzt?
Chlortetracyclin ist ein Antibiotikum, das aus Streptomyces aureofaciens gewonnen wird.
Da Glucose die Biosynthese behindert (Repression).
Saccharose
Welcher Mikroorganismus spielt eine große Rolle bei der Produktion der Aminosäure Lysin?
Welche biochemischen Probleme sind bei der Fermenter- Produktion von Lysin zu überwinden?
Brevibacterium flavum
Lysin hemmt ein Enzym auf dem Syntheseprozessweg. Mutantenformen, die eine veränderte Bindungsstelle eines bestimmen Enzymes (Aspartokinase) haben lösen das Problem.
Die Mutanten sind außerdem gegen S-Amino-Ethylcyctein resistent.
Diese eigentlich regulative Rückkopplung des Produkts auf einen Prozess der Synthese verhindert normalerweise Überproduktion, was bei einer nicht biotechnologisch verwendeten natürlichen Zelle erwünscht wäre.
