Mikrobiologie (Subject) / MiBi Vorlesung (Lesson)

Fragen zur Vorlesung von Hengge/Klauck

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• Nennen Sie 4 zelluläre Strukturen, die Prokaryonten von Eukaryonten unterscheiden! Prokaryonten haben: - keine Kernmembran- keinen echten Zellkern- kein Nukleolus- keine Mitochondrien- kein Cytoskelett mit Mikrotubuli
• In welchem Bereich liegt die Größe einer durchschnittlichen E.coli- Zelle? ca. 1x3μm
• Schnell wachsende E.coli , unter ungünstigen Bedingungen runden sich die Zellen ab, das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen reduziert sich. Welchen Grund könnte es dafür geben? Volumenbezogen kleine Zellen besitzen eine größere Oberfläche und können somit bessere Stoffwechselleistungen erbringen, weil die Transportgeschwindigkeit/-strecke, mit der Nähr- und Abfallstoffe in die Zelle eindringen und sie wieder verlassen, wesentlich kürzer ist.
• Wer sah als erster nachweislich Bakterien? A. v. Leeuwenhoek (1684)
• Was soll durch die Koch´schen Postulate (1884) gezeigt werden? Dass eine bestimmte Art von Mikroorganismus eine bestimmte Krankheit verursacht.1. Der Organismus sollte in Tieren, die an der Krankheit leiden, stets vorhanden sein, in gesunden Tieren jedoch fehlen.2. Der Organismus muss in Reinkultur außerhalb des Tierkörpers kultiviert werden.3. Eine solche Kultur sollte, wenn sie anfälligen Tieren injiziert wird, diecharakteristischen Krankheitssymptome auslösen.4. Der Organismus sollte aus diesen Versuchstieren isoliert und erneut kultiviert werden, anschließend sollte es immer noch der gleiche Organismus sein, wie der ursprüngliche.
• Die Cytoplasmamembran wirkt als Permeabilitätsbarriere allerdings nicht für alle Substanzen. a) Nennen Sie ein Molekül, das die Zytoplasmamembran leicht überwinden kann b) und ein weiteres für das diese praktisch undurchlässig ist. a) Wasser (H2O)b) Natrium-Ionen
• Welchen 5 morphologischen Formen können die meisten Bakterien zugeordnet werden? - Kugelförmig (Kokke)- Stäbchenbakterien (E.coli)- Spirillen- Sarcinen- Fadenförmig
• Was unterscheidet primäre von sekundären Transportsystemen? Beim primär aktiven Transport werden unter ATP-Verbrauch Protonen und anorganische Ionen durch Transport-ATPasen durch die Zytoplasmamembran hindurch aus der Zelle gepumpt. Der sekundär aktive Transport befördert ein Teilchen (i.A. ein Ion) passiv entlang eines elektrochemischen Gradienten und nutzt dabei die potentielle Energie dieses Gradienten aus, um ein zweites Substrat gegen dessen elektrischen oder Konzentrationsgradienten in gleicher Richtung (Symport – Natrium-Glucose Symport ) bzw. in entgegengesetzter Richtung (Antiport – Natrium-Calcium-Antiport) zutransportieren.
• Die Lactosepermease ist ein PMF-getriebenes Transportsystem. Wie wird die PMF aufgebaut? Wird Lactose auch unter anaeroben Bedingungen transportiert? Begründen Sie ihre Antwort. Sekundär aktiver Transport:Die Lactosepermease ist ein Symporter  es wird ein Molekül Lactose zusammen mit einem Proton in die Zelle transportiert, es wird also ein Protonengradient über die Membran aufgebaut Als Energiequelle dient der Konzentrationsgradient der anderen, gleichzeitig transportierten Substanz, also dem Proton!
• Warum benötigt die Zelle energetisierte Transportsysteme in der Cytoplasmamembran? In der natürlichen Umgebung stehen die für Zellwachstum erforderlichen Nährstoffe oft nur in geringen Konzentrationen zur Verfügung.Passiver Transport von Nährstoffen erlaubt nur einen Konzentrationsausgleich, deckt aber nicht den Bedarf. Die intrazellulär erreichbaren Konzentrationen wären ohne aktiven/ energetisierten Transport für metabolische Reaktionen viel zu gering.
• Wie unterscheiden sich gram+ und gram – Bakterien prinzipiell im Aufbau ihrer Zellhülle? gram + : - dicke Peptidoglycanschicht (20-24 nm) -Teichonsäure/Lipoteichonsäure vorhanden - keine äußere Membran - kein LPS-Komplex - Nur schmaler spalt (statt breiter periplasmatischen Raum) gram negativ: - dünne Peptidoglycanschicht (2nm) -äußere Membran vorhanden - LPS-Komplex - breiter periplasmatischer Raum - keine Teichonsäure/Lipoteichonsäure
• Nennen Sie die beiden wesentlichen Komponenten des Peptidoglycans, das die Zellwand aufbaut!  N-Acetylglucosamin N-Acetylmuraminsäure   Archaea: --> Pseudopeptidoglycan --> N- Acetylglucosamin --> N-Acetyltalosaminuronsäure  
• Warum wird der Farbstoff Kristallviolett im Laufe der Gram-Färbung bei gram Ø Zellen ausgewaschen, bei gram + Zellen jedoch nicht? Gram+ Bakterien, die sehr dicke Zellwände aus Peptidoglycan besitzen, werden durch den Alkohol dehydriert. Dies führt dazu, dass sich die Poren in den Zellwänden schließen und der unlösliche Kristallviolett-Iod-Komplex nicht auslaufen kann. In gramØ Bakterien dringt Alkohol sehr leicht in die lipidreiche äußere Membran, dabei verhindert die dünne Peptidoglycanschicht auch nicht den Austritt von Alkohol, so dass der Kristallviolett-Iod-Komplex leicht entfernt wird.
• Welche Funktion hat die Zellwand der Bakterien? Schutz vor osmotischer Lyse Stabilität/ Stützfunktion
• Warum ist die Außenmembran der gram Ø Bakterien keine Permeabilitätsbarriere für Ionen und andere kleine Moleküle? In der Außenmembran sind Porine (Transmembranproteine) eingelagert, die als Kanäle für den Aus-und Eintritt von hydrophilen Substanzen mit niedrigem Molekulargewicht dienen. Funktion: bestimmte Enzyme die außerhalb der Cytoplasmamembran vorhanden sind - also im Periplasma - werden daran gehindert von der Zelle weg zu diffundieren.Im Periplasma sind hydrolytische Enzyme, die am Bau von Nährstoffen beteiligt sind, Bindungsproteine für Transportvorgänge etc.
• Was treibt die Flagellenrotation an? Mot-Proteine in der Cytoplasmamembran treiben den Motor an und verursachen einen Drehmoment, das zur Rotation führt.Die Rotationsenergie stammt aus der protonenmotorischen Kraft (PMF)
• Was ist ein Nukleoid? Kondensierte DNA der Prokaryotenzelle (Kernäquivalent)
• Welche prinzipielle Funktion haben der anabole und katabole Stoffwechsel? Anabolismus (Aufbau, Biosynthesen)Katabolismus (Abbau zur Energieerzeugung oder Gewinnung von Bausteinen für andere Biosynthesen)
• Welche prinzipielle Funktion haben der anabole und katabole Stoffwechsel? Anabolismus (Aufbau, Biosynthesen)Katabolismus (Abbau zur Energieerzeugung oder Gewinnung von Bausteinen für andere Biosynthesen)
• Welche Energiequelle nutzen chemotrophe bzw. autotrophe Organismen? Zu welchen dieser Organismen gehört E.coli? chemotroph: oxidativer Abbau organischer ODER anorganischer Stoffeautotroph: nutzen anorganischen Kohlenstoff als Energiequelle (z.B.CO2)---> E.coli gehört zu den chemotrophen und heterotrophen Organismen, diese nutzen organischenKohlenstoff als Energiequelle (z.B. Glucose)
• Sie haben ein Medium mit den folgenden Zutaten in der richtigen Konzentration Angesetzt, ihre Zellen wachsen aber nicht. Warum nicht? (Dinatriumhydrogenphosphat, Kaliumdihydrogenphosphat, Natriumchlorid, Ammoniumchlorid, Magnesiumsulfat, Calciumch Unterschiedliche Mikroorganismen können äußerst unterschiedlicheNährstoffansprüche haben. Für eine erfolgreiche Kultivierung eines bestimmtenMikroorganismus ist es wichtig seine Nährstoffansprüche zu kennen und im Kulturmedium die essentiellen Nährstoffe in der richtigen Form und Proportion anzubieten.
• hre Kultur hat eine Verdopplungszeit von 30min. Sie messen eine Optische Dichte (578nm) von 0,1. Wann werden sie wieder messen, wenn Sie eine Optische Dichte von 0,4 erwarten? nach 60 Minuten
• Welche Möglichkeiten, die Lebendzellzahl zu bestimmen kennen sie? Beschreiben sie kurz deren Prinzip. 1. Verdünnungsreihe aus Zellsuspension herstellen und Ausplattieren:--> Anzahl der Kolonien pro Agarplatte--> umrechnen auf die Zellzahl pro ml in der Originalsuspension (cfu/ml)CFU/ml = (Kolonieanzahl x 10) / Verdünnungsfaktorz.B. bei Verdünnungsstufe 10-3 (0,001) wurden 20 Kolonien gezählt, d.h. man erhält 2 • 105cfu/ml 2. Zählkammer
• E. coli kann bei 80°C nicht wachsen. Nennen Sie einen Grund dafür? bei 80°C denaturieren Proteine
• Sie erhöhen schlagartig die Osmolarität in Ihrem Wachstumsmedium von E.coli. In welche Richtung strömen die Wasserionen, in die Zelle oder aus der Zelle heraus? Aus der Zelle raus, da Plasmolyse in Hypertonischem Medium.(Isotonisch: ausgeglichen, Hypotonisch: in die Zelle rein)
• Was sind compatible solutes? Als kompatible Solute bezeichnet man Osmolyte (= Stoffe die den Osmotischen Druck beeinflussen), die selbst in molaren Konzentrationen innerhalb der Zelle molekulare Prozesse nicht beeinflussen. Gleichzeitig wirken sie stabilisierend auf die Struktur von Proteinen, aber auch aufganze Zellen und schützen diese gegen Hitze, Trockenheit, hoheSalzkonzentrationen oder denaturierende Umgebungsbedingungen. z.B. Zucker (Trehalose, Saccharose), Aminosäuren (Prolin), Phosphat, Glutamat, Polyole (Glycerin) etc.
• Sie kultivieren oligat anaerobe Bakterien in einem stehenden Reagenzglas. In Welchem Bereich des Reagenzglases werden sie kaum Bakterien finden? (1)Obligat aerobe Bakterien sammeln sich am oberen Ende, wo sie genügend Sauerstoff bekommen. (2) Obligat anaerobe Bakterien sammeln sich am unteren Ende, wo kein Sauerstoff vorhanden ist. (3) Fakultativ anaerobe Bakterien finden sich hauptsächlich oben, weil Sauerstoffatmung am effektivsten ist; da ein O2-Mangel sie andererseits nicht hindert, wachsen sie aber auch in den tieferen Teilen des Reagenzglases. (4) Mikroaerophile sammeln sich am oberen Ende, aber nicht ganz oben, da für sie Sauerstoff nur in geringer Konzentration optimal ist. (5) Aerotolerante Bakterien werden nicht durch Sauerstoff beeinflusst und verteilen sich daher gleichmäßig im Reagenzglas.
• Bei welchen normalen zellulären Prozess können ROS (reactive oxygen species) entstehen. Wie schützt sich die Zelle dagegen? als Nebenprodukt der Zellatmung. Spezifische Enzyme zerstören die toxischen Sauerstoffprodukte ---> Superoxiddismutase: "zerstört" Superoxid ---> Katalase und Peroxidase: "zerstört" H2O2
• Wie nennt man einen Organismus, dessen Energiequelle Redoxreaktionen, dessen Elektronendonor anorganische Substanzen und dessen Kohlenstoffquelle Kohlendioxid ist? chemolithoautotroph  
• Wie nennt man einen Organismus, dessen Energiequelle Redoxreaktionen, dessen Elektronendonor organische Substanzen und dessen Kohlenstoffquelle organisch ist? Chemoorganoheterotroph
• Wie nennt man einen organismus, der Folgende eigenschaften hat: Energiequelle: Licht Elektronendonor: anorganische Substanzen Kohlenstoffquelle: anorganisch (z.B. CO2) photolithoautotroph
• Das Redoxpaar 2H+/H2 hat ein Reduktionspotential E0’ von -0,42, das Redoxpaar Fumarat/Succinat von +0,03. Welche dieser Substanzen dient als Elektronendonor, welche als Akzeptor in einer Reaktion, in der Energie frei wird? Wie nennt man diese Elektr 2H+/H2 --->  Donor: H2 (wird oxidiert) 2H+ hat höhere Tendenz e- aufzunehmenH2 hat stärkere Tendenz e- abzugeben Fumarat/Succinat  --> Akzeptor: Fumarat Fumarat hat stärkere Tendenz e- aufzunehmenSuccinat hat geringe Tendenz e- abzugeben Elektronenübertragung in vivo: --> Atmungskette  
• In der Glycolyse wird Glucose zu 2 x Pyruvat umgebaut. Warum ist es unteranaeroben Bedingungen notwendig, das Pyruvat in einer Gärung zu Lactat (od.einem anderen Gärungsprodukt) reduziert wird? Warum ist dies unter aeroben Bedingungen nicht notwen Während der Bildung von 2 Molekülen 1,3-Bisphosphoglycerat werden 2 NAD+ zu NADH reduziert. Eine Zelle enthält jedoch nur eine geringe Menge NAD+. Würde all dies zu NADH umgewandelt werden, würde die Oxidation von Glucose abbrechen. Die Oxidation von Glycerinaldehyd-3-Phosphat kann nur fortgesetzt werden, wenn NAD+ vorhanden ist. --> Diese Blockade wird bei der Gärung durch die Oxidation von NADH zu NAD+ in Reaktionen überwunden, bei denen Pyruvat zu einer vielzahl in Gärungsprodukte reduziert wird (Lactat, Ethanol, etc.)In der Glykolyse wird Energie gewonnen und in Form von zwei Molekülen ATP je Molekül abgebauter D-Glucose bereitgestellt, unabhängig davon, ob Sauerstoff für die Atmungskette vorliegt oder nicht. -->In der Glykolyse wird neben ATP auch das Reduktionsmittel NADH erzeugt. Dies wird entweder in der Atmungskette für einen weiteren ATP-Gewinn reoxidiert, oder als Reduktionsmittel für die Synthese anderer Moleküle verwendet – zumindest zum Zwecke der NAD+-Regeneration in Gärungen. --> ATP wird bei den Gärungen nicht durch oxidative Phosphorylierung, sondern durch Substratkettenphosphorylierung aus einem energiereichen Zwischenprodukt (z.B. Phosphoenolpyruvat oder Glycerinaldehyd-3-phosphat) erzeugt.
• Welches Gärungsprodukt kommt bei Propionibakterien vor? Propionsäure (Propansäure)
• Welche dieser Aussagen ist falsch? ( 1) Im Citratzyklus wird Pyruvat vollständig oxidiert. ( 2) Im Citratzyklus entsteht Kohlendioxid. ( 3) Im Citratzyklus wird NADH oxidiert 3: NADH wird reduziertNAD+ ---> NADH+H+
• Ergänzen Sie: In der Atmungskette werden neben Elektronen auch ...... transportiert. Protonen
• In der Atmungskette wird ATP nicht direkt, sondern indirekt, über eine Zwischenstufe, erzeugt. Erklären Sie diese Aussage. Die Atmungskette ist ein Spezialfall einer Elektronentransportkette und bildet zusammen mitder *Chemiosmosis den Prozess der oxidativen Phosphorylierung.   Durch NADH und FADH2 angelieferte Elektronen werden in einer Reihe von Redoxvorgängen auf ein Oxidationsmittel übertragen. So wird – insbesondere bei Eukaryoten – die exergonische Verbindung von Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (1/2 O2) zu Wasser in Einzelschritte aufgeteilt.Anstelle einer unter Umständen explosionsartigen Wärmeentwicklung wird die freiwerdende Energie dazu genutzt, aus ADP und Phosphat wieder ATP zu synthetisieren (oxidative Phosphorylierung). Die an die Wasserstoff- und Elektronenüberträger NADH und FADH2 gebundenen Elektronen und der daran gebundene Wasserstoff entstammen der Oxidation externer Elektronendonatoren, etwa – mittels des Citratzyklus – dem Abbau von Fettsäuren und der Glykolyse. Chemiosmosis = Vorgang in den Mitochondrien, bei dem je 3 Komplexe der inneren Membran Protonen von der Matrix in den Membranzwischenraum pumpen. Der entstehende H + -Gradient sorgtfür einen Rückstrom von H + durch die ATP-Synthase in die Matrix, was die ATP-Synthese auslöst.
• Wie heißt der Elektronenakzeptor bei der Nitrat-Atmung (=Denitrifikation)? --> Nitrat (NO3-) wird dann zum Ammonium (NH4+) oder elementarem Stickstoff (N2) reduziert
• Die Fumarat-Atmung erzielt eine geringere Energieausbeute als die Sauerstoffatmung. Daraus kann man unmittelbar auf das Reduktionspotential E0’ der Redoxpaare Fumarat/Succinat und Sauerstoff/Wasser schließen. Welches Redoxpaar hat ein negativeres -->Fumarat/ Succinat:              +0,03 V    O2/H2O:                                 +0,82
• Die Fumarat-Atmung erzielt eine geringere Energieausbeute als die Sauerstoffatmung. Welche der beiden Atmungsketten besitzt deshalb weniger elektronenübertragende Proteine? die Fumaratatmung
• Nennen Sie Elektronendonoren chemolithotropher Bakterien. - Wasserstoff (H2)- Sulfid (H2S)- Schwefel (S)- Ammonium (NH4+)- Nitrit (NO2-)- Eisen-II-Ionen (Fe2+)
• Wird Ammonium (NH4+) als Elektronendonor verwendet, spricht man von Nitrifizierung. Wie nennt man die Verwendung von Nitrat als Elektronenakzeptor? Nitrat-Atmung (oder Denitrifikation)
• Bakterienspezies besitzen manchmal anstelle der Glycolyse einen anderen Stoffwechselweg. Ist dies der…….. ( 1) Citratzyklus ( 2) Pentose-Phosphat-Zyklus ( 3) Entner-Doudoroff-Pathway 3
• Das Chromosom in E. coli ist etwa 1mm lang, E. coli selbst nur einige μm. Wie gelingt es E. coli seine DNA zu kompaktieren (2 Aspekte). --> die DNA ist überspiralisiert („supercoiled“) --> Supercoil-Domänen werden durch „Histon-ähnliche-Proteine“ stabilisiert
• Wie nennt man Enzyme die das Supercoiling der DNA verändern können? --> Topoisomerasen (in Bakterien: Gyrase =Topoisomerase II)
• Der Grund dafür, dass bei der Replikation auf einem Strang eine diskontinuierliche DNA-Synthese stattfinden muss, liegt in der Funktionsweise der DNA-Polymerase. Erläutern sie bitte. Die Polymerase vermag nur in 5'–>3' Richtung einen lückenlosen neuen Strang zu bilden.Die Synthese kann nicht von 3'→5' verlaufen, weil die Anlagerung von dNTPs durch die DNA-Polymerase nur an ein freies 3´OH-Ende erfolgen kann.
• Welche Funktion hat die Primase bei der Replikation? = RNA-Polymerase, sie erzeugt ein kurzes RNA-Startmolekül, den Primer, der sich an die komplementäre Sequenz der DNA anlagert
• Was ist ein Plasmid? Plasmide sind kleine, in der Regel ringförmige, autonom replizierende,doppelsträngige DNA-Moleküle, die in Bakterien und in Archaeen vorkommen können, aber nicht zum Bakterienchromosom (Kernäquivalent) zählen, also extrachromosomal vorliegen.
• Auf welche drei Arten kann DNA von Zelle zu Zelle übertragen werden (Horizontaler Gentransfer)? - Konjugation- Transduktion- Transformation
• Konjugation direkte Übertragung von Plasmiden (oder einem Teil des Genoms) von einer Spenderzelle auf eine Empfängerzelle. Der F+-Faktor enthält die Erbinformation zur Ausbildung dünner Röhren. Mit so einer Röhre (Pilus) kann dann zu einer anderen Bakterie Kontakt aufgenommen werden. Repliziert sich der F+-Faktor, so kann seine Kopie durch den Pilus in die F- Zelle wandern und diese wirddann auch F+ .

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