Bak. Aufbau/Wachstum

Abtötung krankheitserregender vegetativer Zellen

betreffen lebendes Gewebe (z.B. Haut)

durch feuchte Hitze Sterilisation bei 121 0C 1 bar Wasserdampfdruck 15-60 min (je nach Gefäßgröße) Luft muß verdrängt werden, sonst wird Temperatur nicht erreicht. Fazit: Je mehr Zellen vorhanden sind, um so länger braucht es, bis alle abgetötet sind

Nicht jede Lösung verträgt Temperaturen (Autoklavieren) so z.B. Vitamin- oder Antibiotika-Lösungen Lösungen werden durch einen Filter gepresst, dessen Porengröße so klein ist, dass Bakterien zurückgehalten werden Viren, Prionen und DNA-Fragmente können diese Filter allerdings passieren, so dass dieses Verfahren nur bedingt für medizinische Produkte geeignet ist, die absolut frei von kontaminierenden Materialien sein müssen Zudem ist das Verfahren durch die aufwändige Prozedur im Hinblick auf die Verwendbarkeit stark eingeschränkt.

Nicht jede Lösung verträgt Temperaturen (Autoklavieren) so z.B. Vitamin- oder Antibiotika-Lösungen Lösungen werden durch einen Filter gepresst, dessen Porengröße so klein ist, dass Bakterien zurückgehalten werden Viren, Prionen und DNA-Fragmente können diese Filter allerdings passieren, so dass dieses Verfahren nur bedingt für medizinische Produkte geeignet ist, die absolut frei von kontaminierenden Materialien sein müssen Zudem ist das Verfahren durch die aufwändige Prozedur im Hinblick auf die Verwendbarkeit stark eingeschränkt.

Ionisierender Strahlung: entweder mit UV-, Röntgenstrahlung, Gammastrahlung (hauptsächlich radioaktive 60Co-Quellen) oder Elektronenbeschuss (Elektronenstrahlsterilisation Strahlenergie zwischen 3 und 12 MeV) Bei der industriellen Auftragssterilisation (z. B. von medizinischen Einwegartikeln) werden Gamma- oder Elektronenbestrahlung in größerem Umfang eingesetzt.

Ethylen Oxid (ETO) Sterilisation: Chemische Inaktivierung der Mikroorganismen bei nierdigen Temperaturen (42-55°C) oder Wasserstoff-Peroxyd Dampf (50°C ca 60 min)

erfordert höhere Temperaturen wg. schlechterem Wärmeübergang (Sauna-Effekt) Laborgeräte aus Glas, Metall oder Porzellan und hitzeunempfindliche Lösungen werden durch trockene Hitze in einer Art Backofen (Sterilisationsschrank) sterilisiert. Üblicherweise geschieht das bei 180 °C für zwei Stunden. Für viele Plastikgeräte oder Lösungen ist das aber viel zu heiß. Hier müssen andere Methoden angewendet werden, wie z.B. das Autoklavieren.

ohne Sporenabtötung Erhitzen von Lebensmitteln, um deren Haltbarkeit zu verlängern Dabei wird das Lebensmittel in der Regel über 30 bis 40 Sekunden auf ca. 72 Grad Celsius erhitzt Ein großer Teil der Mikroorganismen (Bakterien, Pilze) wird dabei abgetötet.

Aminosäuren- und Peptidanaloga ß-Lactam-Antibiotika (Penicilline, Cephalosporine, Cephamycine)Strukturmerkmal ß-Lactamring, wirksam gegen grampositive Erreger greifen Transpeptidase an Vernetzung der Zellwand wird verhindert Freisetzung von Autolysinen hoch selektive und nicht toxische Wirkung für die Wirtszellen Vorteil: wenig bekannte Unverträglichkeiten; Nachteil: mittlerweile viele resistente Bakterienarten durch Lactamring-spaltendes Enzym Penicillinase Wirkung: hemmt die Quervernetzung (Peptidbrücke) zweier Polysaccharidketten des Mureins durch Bindung an die Transpeptidase → Schwächung der Zellwand, fehlende osmotische Druckdifferenz zwischen Cytoplasma und Medium → Zelle platzt → außerdem kommt es zur Bildung bzw. Aktivität von autolytischen Enzymen Penicillin = Der Beta-Lactam-Ring ( der meisten Penicillin-Antibiotika öffnet sich im Zytosol des exponierten Bakteriums und bindet in der geöffneten Form an das bakterielle Enzym D-Alanin-Transpeptidase. Auf diese Weise kann dieses Enzym nicht mehr die Alaninreste der Zellwand verknüpfen, das befallene Bakterium stirbt dadurch schließlich ab.

Sie unterscheiden sich durch die Größen der Untereinheiten (50S und 30S), und dem Aufbau der rRNAs die sie bilden von den Eukaryoten. Streptomycin chemische Zuordnung: Aminoglycosid (kohlenhydrathaltig) Synthese: Streptomyces griseus Problematisch durch viele allergische Reaktionen Hemmung der Ausbildung der Peptidbindung durch Bindung an die 30S-Untereinheit. Greift auch säurefeste, gram-negative Bakterien an.

Auch bei den Enzymen der Transkription gibt es Unterschiede zwischen Pro- und Eukaryoten, z.B. haben Bakterien nur eine, während wir drei RNA-Polymerasen haben. Rifampicin: chem. Zuordnung: Polyketid-Antibiotika Synthese: Amycolatopsis mediterranei wirkt auf die RNA-Polymerase durch Bindung an deren ß-Untereinheit, und verhindert so die Synthese der mRNA

Polymyxin chem. Zuordnung: Polypeptid-Antibiotika Synthese: Paenibacillus polymyxa allg. hohe Affinität zur Cytoplasmamembran → nur begrenzt als Medikament einsetzbar, greifen auch Wirtszellen an → Forschungszwecke Störung der Transportmechanismen in der Zellmembran → bestimmte Ionen werden ständig aus der Membran heraustransportiert bzw. Giftstoffe werden nicht mehr entfernt

Sulfonamide Synthetisch blockieren die Synthese der Folsäure Hemmung der Synthese von Nucleinsäuren nur gegen Bakterien wirksam Bsp. Sulfanilamid

Chinolone Synthetisch interagieren mit bakterieller DNA-Gyrase verhindern Überspiralisierung wirksam gegen grampositive wie gramnegative Bakterieninfektionen Bsp. Nalidixinsäure, Ciprofloxacin

Tetracycline Binden an 30S-Untereinheit verhindern Verlängerung der Proteinkette Makrolid-Antibiotika Binden an 50S-Untereinheit gezielte Hemmung der Ribosomen nur einer oder zweier der phylogenetischen Domänen

Rifampin Hemmung der Transkription bindet an ß-Untereinheit der RNA-Polymerase Synthese der mRNA wird gehemmt Actinomycin hemmt die RNA-Synthese durch Verbindung mit der DNA die Verlängerung der RNA-Kette wird verhindert

z.B. durch Hemmung der Proteinbiosynthese Chloramphenicol

Abtötung ohen zu lysieren

mit Wirkung auf Membranen bzw. Zellwände z.B. Penicillin-Derivate

beruht darauf, dass AB1. rasch hinaustransportiert werden (Multi Drug Resistance)2. Targets ändern Struktur (z. B. DNA Gyrase resistent gegen Chinolone)3. enzymatisch unwirksam gemacht werden(z.B. Hydrolyse-ß-Lactamring; Phosphorylierung- Kanamycin; Acetylierung) Diese Fähigkeit zur enzymatischen Modifizierungwird oft auf Plasmiden kodiert

Eigenschaft von Mikroorganismen die Energie zum Aufbau durch Oxidations- oder Reduktionsreaktionen zu gewinnen.Chemotropher Stoffwechsel bedeutet, dass Substrate unter Energiegewinn abgebaut bzw. umgebaut werden.

Bakterien, die in der Lage sind, als Energiequelle Licht zu nutzen, um ihre körpereigene Substanz aufzubauen. Sie führen also eine Photosynthese durch.

konserviert freigesetzte Energie durch Oxidation durch Kopplung exergoner Schritte mit der ATP-Synthese S-P + ADP → S + ATP Organische Verbindungen hoher Energie, die ATP bilden können: - Phosphoenolpyruvate (PEP)- 1,3-Bisphosphoglycerate- (Acetylphosphat) Org. Verb. niedriger Energie, die ATP zu ADP spalten:- Glucose-6-phosphate- Fructose-1,6-bisPhosphat- (Glycerol-3-phosphate)

konserviert freigesetzte Energie durch Oxidation Durch Elektronenfluß von einem Donor zu einem Akzeptor wird ein elektrochemisches Membranpotential aufgebaut. Dabei wird der Donor oxidiert und der Akzeptor reduziert und H+ wird über die Membran „gepumpt“. durch Aufbau eines elektrochemischen Membranpotentials (= Spannung über der Membran) und ATP Synthese ADP + Pi + 3H+a → ATP + 3H+i ATP-Synthase

treibt Elektronenfluss (= Strom) Das Redoxpotential beschreibt die Tendenz, Elektronen abzugeben bzw. aufzunehmen. Dabei fließen Elektronen vom negativeren zum positiveren Redoxpotential

Glykolyse = Emden-Meyerhof-Parnas Weg (1940) Citratzyklus Atmungskette Milchsäuregärung Alkoholische Gärung

Schritt 1: Glucose → Glucose-6-phosphat ATP verbrauchSchritt 2: Glucose-6-phosphat → Fructose-6-phosphatSchritt 3: Fructose-6-phosphat → Fructose-1,6-bisphosphat ATP verbrauchSchritt 4: Fructose-1,6-bisphosphat → Glycerinaldehyd-3-phosphat + DihydroxyacetonphosphatSchritt 5: Dihydroxyacetonphosphat → Glycerinaldehyd-3-phosphat Zweiter Abschnitt der Glykolyse Schritt 6: Glycerinaldehyd-3-phosphat → 1,3-BisphosphoglyceratOxidation von Glycerinaldehyd-3-phosphat NADH gewinnSchritt 7: 1,3-Bisphosphoglycerat → 3-Phosphoglycerat ATP gewinnSchritt 8: 3-Phosphoglycerat → 2-PhosphoglyceratSchritt 9: 2-Phosphoglycerat → PhosphoenolpyruvatSchritt 10: Phosphoenolpyruvat → Pyruvat ATP gewinn Bilanz: In der Summe werden auf dem Weg zu 2 x Pyruvat aus einem MolekülGlucose 2 ATP und 2 NADH gewonnen

1 Kondensation: Acetyl-CoA + Oxalacetat  → Citrat2 Isomerisierung: Citrat  ‌→ Isocitrat3 Oxidation und Decarboxylierung: Isocitrat → a-Ketoglutarat NADH + H+ gewinn (CO2)4 Oxidation und Decarboxylierung: a-Ketoglutarat → Succinyl-CoA NADH + H+ gewinn (CO2)5 Reaktion: Succinyl-CoA  → Succinat + CoA GTP gewinn6 Oxidation: Succinat  → Fumarat FADH2 gewinn7 Hydratisierung: Fumarat  → Malat8 Oxidation: Malat  → Oxalacetat NADH + H+ gewinnBilanz: 1x Acetat = 2CO2, 3NADH+H+, 1GTP/ATP, 1FADH2

Elektronenfluß (Strom) wird genutzt, um einen Protonengradienten aufzubauen. In der Summe befinden sich nach dem Durchlauf von 2 Elektronen 10 (bei NADH)bzw. 6 (im Falle von FADH2) zusätzliche Protonen auf der Außenseite der Membran die Veratmung von Glucose erzeugt 38 ATP

Transmembranprotein, mit den Funktionen einer Protonenpumpe und einer ATPase  Die Konzentrationsgefälle von H+ treibt die ATP-Synthase an Hauptaufgabe des Enzyms die Synthese von ATP zu katalysieren

das Redoxpotential der Oxidationsreaktion muss negativer sein als das von Sauerstoff → Wasser (0.815 V) Beispiele: Knallgasbakterien, Ammoniakoxidierer, Nitritoxidierer, Schwefeloxidierer, Eisenbakterien Man kann durch die Oxidation anorganischer Substrate genau so gut Energie gewinnen, wie durch die Oxidation organischer Verbindungen (mit NADH als Mediator).

Reduktionsäquivalente (Elektronen) kommen aus organischen Verbindungen

Reduktionsäquivalente (Elektronen) kommen aus anorganischen Verbindungen

Mikroorganismen, die an der Umwandlung des Nitrat-Stickstoffs beteiligt sind Nitratreductase A (NR-A) (in Zellwand lokalisiertes Enzym) für Umwandlung von Nitrat (NO3-) zu Nitrit (NO2-) verantwortlich. Nitrit durch NO2--Reductase (NiR) zu Stickstoffoxid (NO) anschließend durch NO-Reductase (NO-Red) über Distickstoffoxid (N2O) und weiter mit Hilfe der N2O-Reductase (N2O-R) zu Stickstoffgas (N2) reduziert, welches freigesetzt wird.

Sulfatreduzierer Desulfurikanten reduzieren Sulfat (SO42-) zu meist H2S Bakterien - obligate Anaerobier der Gattungen Desulfovibrio und Desulfotomaculum, die ihr Substrat reduzieren organische Substrate (e-donor)(zum Teil auch Wasserstoff) mit Sulfat (Schwefelsäure) als Elektronenakzeptor oxidieren können ubiquitäres Vorkommen salztolerant Existenzbereich: pH 5 - 9,5; 5°C - 75°C werden bei geringem O2-Gehalt nicht getötet, sondern nur inaktiviert Stoffwechselprodukt H2S wird bis 2.000 mg/L ertragen.

Für diese Organismen ist NADH keine konvertierbare Energieform sondern eine Problemverbindung, die entsorgt werden muss.  1. Übertragung von [H] auf organische Intermediate des Stoffwechsels um NADH zu NAD umzusetzen  2. Keine Atmungskette – keine Elektronentransportphosphorylierung 3. ATP Synthese nur über Substratkettenphosphorylierung

Gärung, bei der als Hauptendprodukt Lactat (Salz der Milchsäure) gebildet wird. Man unterscheidet zwei Gärungsarten: homofermentative und heterofermentative Milchsäuregärung

Dabei wird reines oder beinahe (90 %) reines Lactat gebildet. Dabei wird Glucose über den Fructosebisphosphat-Weg abgebaut und die während der Oxidation von Glycerinaldehyd-3-phosphat anfallenden Reduktionsäquivalente werden letztlich auf Pyruvat übertragen. 1 Glucose = 2 Lactat + 2 ATP 

kann Glucose aufgrund des Fehlens von Aldolase bei den heterofermentativen Milchsäurebakterien nicht über den Fructosebisphosphat-Weg abgebaut werden, sondern ausschließlich über den Pentosephosphat-Weg, d.h. über Glucose-6-phosphat und 6-Phosphogluconat. Dieses wird mit Hilfe des Enzyms Phosphoketolase zu Triosephosphat und Acetylphosphat abgebaut. Beim weiteren Abbau entstehen als Endprodukte Lactat, Ethanol und Kohlenstoffdioxid. Hexose → Lactat + Ethanol + CO2 + ATP Pentose → Lactat + Acetat + 2ATP

Umwandlung von Glucose in Ethanol und Kohlenstoffdioxid im anaeroben Stoffwechsel vieler Organismen An dieser Vergärung (Gärung) von Zucker sind hauptsächlich Hefen beteiligt, besonders Stämme von Saccharomyces cerevisiae (Saccharomycetaceae) zunächst wird Glucose wie in der Glykolyse (oder bei der Milchsäuregärung) bis zum Pyruvat (Brenztraubensäure) abgebaut. Von Pyruvat wird anschließend Kohlenstoffdioxid abgespalten. Dabei entsteht Acetaldehyd, der durch NADH (aus der Glykolyse) zu Ethanol reduziert wird. Das oxidierte NAD+ (Nicotinamid-Adenin-Dinucleotid) steht dann wieder als Wasserstoffakzeptor in der Glykolyse zur Verfügung. Die summarische Gleichung der alkoholischen Gärung durch Hefe: C6H12O6 → 2 CO2 + 2 C2H5OH. 2 ATP 

ATP-Synthase ist umkehrbar und baut dann einen Protonengradientenauf, indem ATP hydrolysiert wird und Protonen nach außentransportiert werden. Das ist der einzige Weg für gärendeOrganismen, eine protonenmotorische Kraft aufzubauen,die für Transportprozesse benötigt wird.

Zellkohlenstoff aus organischem Material

Zellkohlenstoff aus CO2

A) chemo- oder photo – woher kommt EnergieB) litho- oder organo – woher kommen e- oder [H]C) auto- oder hetero- woher kommt der Kohnestoff

AdeninGuaninCytosinThymin

DNA-Polymerase verlängert DNA von 5´ → 3´ Die Replikation erfolgt nach dem semikonservativen Mechanismus Helicase erzeugt einzelsträngige Bereiche Bindeproteine stabilisieren ss-Region DNA-Polymerase III agiert am freien 3´-Ende Am "lagging" Strang macht die Primase Primer Nach der Synthese der Okazaki-Fragmente entfernt die DNA-Polymerase I die Primer, füllt die Lücke auf und eine Ligase schließt die Lücken

RNA-Polymerase core Enzym (Actinomycin) - bei Bakterien nur 1 Enzym bei Eukaryonten 4-5 Sigma Untereinheit erkennt und bindet an den Promotor– anschließend bindet RNA-Poymerase

Terminator = Teil einer Genetischen Sequenz die das Ende eines Gens oder Operons makiert → führt zur Beendigung der Transkription  Ausbildung einer Haarnadelstruktur → Stammbildung (GC reiche Region - 6-8bp)Schleifenbildende Region (3-5 bp)poly Uracil Region (3-8 bp)A-U Bindung schwach  → mRNA läst sich leicht von DNA Template

Es gibt insgesamt 3 RNA Polymerasen(+ jeweils eine in Mitochondrien und Chloroplasten)Polymerase I : ribosomale RNAPolymerase II : m-RNAPolymerase III: 5s-RNA und t-RNAsehr komplexer Aufbau mit vielen Transkriptionsfaktoren