Erweiterung

werden von Leucozyten phagozytiert, verhindern aber den Verdau in den Lysosomen. M. tuberculosis wird durch Tröpfcheninfektion übertragen. Nur 5-10% der Infizierten erkranken im Laufe ihres Lebens, trotzdem sterben jährlich etwa 1.5 Mill. Menschen an Tuberkulose ("Schwindsucht"). M. leprae befällt vor allem Nerven, was dazu führt, dass die Betroffenene nicht merken, wenn sie sich verletzten. Es kommt zu Wundinfektionen und der Vorstellung, dass Finger und Gliedmaßen "abfallen". Geschwächte Leprapatienten werden oft auch von M. tuberculosis befallen.

Beispiele:NocardienStreptomyceten Herkunft des Names Actinomycet: „Strahlenpilz“ Actinomycose = Wucherungen mit strahlenförmiger Ausbreitung im Gewebe und an Kieferknochen

Nocardien (Proactinomyceten) bilden ein Substrat- und Luftmyzel,das in der alternden Kolonie wieder in Stäbchen zerfällt. Keine Sporen ! Bildung von Myzelien ist u. a. typisch für die Gattungen Streptomyces, Nocardia und Actinomyces.

Straight Felxous Fascicled Monoverticillate, keine Spiralen Offene loops, primitive Spiralen, Hacken Offene Spiralen Geschlossene Spiralen Monoverticillate, mit Spiralen Biverticillate, keine Spiralen Biverticillate, mit Spiralen

typische Bodenbewohner (es gibt aber auch marine Arten und Symbionten, z.B. in marinen Schwämmen) Vielseitig in der Verwertung von Substraten, insb. auch Polymere Antibiotika-Produzenten (ca. 500)

Salvarsan zur Behandlung von Syphilis (Paul Ehrlich, 1910) Sulfonamide (Gerhard Domagk, 1935 Nobelpreis 1939) Penicillin (Alexander Fleming) haben Ähnlichkeit zu p-Aminobenzoesäure und stören den THF-Metabolismus

a) durch unvollständige OxidationEssigsäurebakterien (Acetobacter, Gluconobacter)Das ist aerob. b) im Anaeroben als Gärungsendprodukte von:Gemischte-Säure-Gärung(Enterobakterien)Buttersäuregärung(Clostridien)heterofermentative Milchsäuregärung etc.

Milchsäurebakterien  → Lactat Propionibakterien → Succinat, Propionat Coli-Aerogenes-Gruppe → Acetat, Ethanol, Acetoin, Butandiol, H2, CO2 Clostridien → Acetat, H2, CO2, Aceton, 2-Propanol, Butanol, Butyrat Hefen → Ethanol

Bei der heterofermentativen Milchsäuregärungwird Glucosein Lactat und Ethanol umgesetzt. Das durch Spaltung des C5-Zuckers entstandene Acetyl-Phosphatkann aber auch in Acetat und ATP umgewandelt werden. Die NAD(P)H-Bilanz zeigt aber, dass Acetyl-Phosphat vollständiggebraucht wird, um NAD zu regenerieren. Deshalb kann bei der heterofermentativen Milchsäuregärung nurdann Acetat entstehen, wenn zusätzlich andere Reduktionsvorgänge genutzt werden können (wie z.B. Glucose → Mannit). Bei der Gemischte-Säure-Gärungkann das aus Pyruvat entstandene AcCoA teilweise zu Ethanol reduziert und teilweise zu Acetat-Phosphat umgesetzt werden.

Für jedes Acetyl-CoA, das zu Ethanol reduziert wird, bleibt einsübrig, das zu Acetat (und ATP) umgewandelt werden kann Für jedes Pärchen von Acetyl-CoA, das zu Butanol reduziertwird, bleiben zwei Acetyl-CoA übrig, die zu Acetat (und ATP)umgewandelt werden können. Fazit:Wenn AcCoA bzw. AcP (Acetylphosphat) nicht zurRegeneration von NAD benötigt wird, dann kanndaraus noch Energie gewonnen werden.Dabei entsteht als Endprodukt Acetat

Für die primären Gärer macht es Sinn, Acetat zu produzieren,weil dies einen Energiegewinn bedeutet. Die anderen Gärungsendprodukte (außer Acetat)dieserprimären Gärungen, also:kurzkettige Säuren (z.B. Lactat*, Propionat, Butyrat, Succinat)und Alkohole (z.B. Ethanol, Propanol, Butanol)werden in den sogenannten sekundären Gärungenebenfallszu Acetat und Wasserstoff umgesetzt. * Lactat kann auch von Propionibakterien zu Propionat umgesetzt werden Problem:Das ist thermodynamisch eigentlich nicht möglich! Bei der Anwendung der thermodynamischen Prinzipien auf dieBiochemie geht es darum, vorherzusagen, ob chemische Reaktion ohne Zufuhr von Energie ablaufen können. Reaktionen, die grundsätzlich "spontan" ablaufen können, haben ein negativesG0´(freie Reaktionsenthalpie, engl. free energy). Randbedingung: alle Reaktanden in 1 M Konzentration, pH7 Eine thermodynamische "Landschaft mit Bergen und Tälern" Im Gegensatz zu einem Landschaftsprofil ist die thermodynamischeLandschaft flexibel, weil konzentrationsabhängig

Mikroorganismen, die H2entfernen (d.h. sekundäre Gärungsprozesse vorantreiben) Gemeinsamkeit:der H2-Verbrauch erfolgt mittels CO2als Elektronenakzeptor * Methanogene können sogar Acetat verbrauchen In beiden Fällen wird Wasserstoff auf CO2 als Elektronenakzeptor übertragen. "Anaerobe CO2-Atmung"

Reduktiver Acetyl-CoA-Weg 4 H2+ CO2 → CH3COOH + 2 H2O Dabei wird Acetat teilweise in Biomasse eingebaut und teilweise ausgeschieden. CO2ist Elektronenakzeptor und wird reduziert (CO2-Atmung),und zwar einmal zum Methyl und einmal zum Kohlenmonoxid dient der Kohlenstoffdioxid-Assimilation

Ein CO2wird an THF zur Methylgruppe reduziert, das andere nur bis zum CO.Danach werden beide Teile zum AcetylCoA zusammengefügt.AcetylCoA wird als Acetat ausgeschieden (Energiegewinn) bzw. teilweisezum Aufbau von Zellbiomasse verwendet Biosynthese (autotrophe)

sehr gering (ca. 0.15 V) Dafür werden allerdings 8 Elektronen übertragen (4x mehr als bei der Reduktion von ½ O2zu H2O), so dass die Acetatbildung (aus 4H2und CO2) etwadie Hälfte der Energie liefern kann, die die Atmung (für 2 Elektronen) liefert.

ΔG0= -218 kJ/molfür den Elektronentransfer von NADH zu O2unter Standardbedingungen theoretisch erreichbar Acetogene sind bei Wachstum auf Wasserstoff chemolithoautotroph, können aber auch alternative Substrate wie z.B. Zucker und andere organische Verbindungen verwerten. bilden unter anaeroben Dunkelbedingungen Essigsäure (Acetat) als einziges organisches Endprodukt: 1. durch Reduktion von CO2 mit H2 oder mit H2, der aus organischem Substrat abgespalten wurde (Homoacetatgärung, Essigsäuregärung) 2. beim Abbau von Fettsäuren und Alkoholen; hierbei treten neben Acetat noch CO2 und H2 auf. → Dieser Stoffwechsel der H2-bildenden (protonenreduzierenden) acetogenen Bakterien kann nur ablaufen, wenn das entwickelte H2 gleichzeitig durch H2-verwertende Bakterien (z. B. methanbildende Bakterien) verbraucht wird.

Umsetzung primärer Gärungsendprodukte in Acetat funktioniert nur,wenn Wasserstoff niedrig. Acetogene und Methanogene machen genau das. Acetat wird von Methanogenen verwertet, so dass die Endprodukte des anaerobenAbbaus Methan und CO2 sind.

sind Archaea Methanogene haben andere Coenzyme, z.B. den typischen fluores-zierenden Elektronenüberträger F420, an dem sie leicht zu erkennen sind. Vorkommen Methan-Archaea: Überall wo es gärt!Beispiel 1: Schlamm in stehenden Gewässern (natürlich auch Tiefsee)Beispiel 2: Faulturm bzw. Biogas-AnlageBeispiel 3: Kuhmagen (Pansen) -Gras/Heu = Xylane, Fructosane und Cellulose

Was die Acetogenen machen, um die Methylgruppe zu bekommen, dasmachen die Methanogenen in abgewandelter Form auch. Die Abwandlung besteht darin, dass andere Co-Faktoren verwendet werden Cofaktor: F420MethanofuranMethanopterinCoenzym M Mercaptoheptanoylthreonin P ähnelt der Pantothensäure in Acetyl-CoA und setzt Methan frei. Dabei entsteht ATP

dass Archaea anders sind, wurden zufällig entdeckt, u.a. dadurch, dass sich die Lipide nicht hydrolysieren lassen. Archaea wurden sie deshalb genannt, weil sich die Entwicklungslinie sehr früh abgespalten hat kommen z.B. im Sippenauer Moor vor ("string of pearls" Konsortium) FISH-Färbung (fluorescent in-situ hybridization) eines Quetschpräparats einer "Moor-Perle" - grün = archaeal, rot = bacterial Geysire und heiße Quellen sind ein auffälliger Standort von Archaea man findet sie aber auch an sehr kalten Standorten und auch ganz normal im Meer ! Je tiefer um so mehr. und in Reisfeldern, im Kuhmagen und im Faulschlamm (Methanbildung) aber immer sehr auffällig in extremenStandorten:extrem sauer, extrem heiß, extrem salzig!

mit mindestens 3 Entwicklungslinien Euryarchaeota Crenarchaeota Korarchaeota

1.Zellwand: Archaea haben sehr heterogene Zellwände; häufig nur S-Layer (=surface layer), kein Murein (gelegentlich aber Pseudomurein) S-Layer wie sie häufig bei Archaea, aber u.U. auch bei Gram-positivenBacteria gefunden werden; - bei Archaea i.R. ohne Peptidoglucan 2. MembranlipideBacteria, Eukarya = Fettsäureester (hydrolyseempfindlich)Archaea = Isoprenoidether (hydrolyseresistent) 3. RNA-Polymerasebei Bakterien nur 1 Enzym, bei Eukaryonten 4-5für Auffinden der Startstelle durch bestimmte Faktoren- Sigma Untereinheit erkennt und bindet an den Promotor– anschließend bindet RNA- Polymeraseaußerdem: Startsignal für Proteinsynthese ist nur bei Bacteria Formylmethionin 4. Antibiotika-SensitivitätKlassische Antibiotika zeigen bei Archaea keine Wirkung außerdem ist DNA mit basischen Bindeproteinen komplexiert (ähnlich den eukaryontischen Histonen)

Histone vorhanden Zellwand - Kein Peptidoglycan (Murein) Initiator tRNA = Methionine Ribosomen sind sensitiv zu diphtheria toxin Transkriptions Faktoren müssen vorhanden sein Promotor Struktur TETA box Sensitiv zu chloramphenicol, streptomycin und kanamycin

Glucoseabbau über Glycolyse oder Entner-Doudoroff-Wegmit leichten Modifikationen Elektronentransportkette mit Cytochromen Protonengradient zur ATP-Synthese Acetatoxidation über den TCC oder Acetyl-CoA-Weg** wie bei Methanogenen und Acetogenen Autotrophie über Acetyl-CoA-Weg*, reduktiven TCC und Calvincyclus stoffwechselmäßig einzigartig ist nur die Methanbildung

eine eigene Entwicklungslinie (Thermoplasmatales) mit den thermoacidophilen Vertretern Thermoplasma und Picrophilus wurde aus selbstentzündeten Kohlehalden isoliertThermoplasma acidophilum und aus Solfataren (z.B. Yellowstone-Park)Thermoplasma volcanium Thermoplasma sp. haben keine Zellwand (vgl. Mycoplasma) Optimum bei 55 0C und pH 2 in KomplexmediumEnergiegewinn durch (aerobe oder anaerobe) Atmung Tetraetherlipide mit Polysaccharide-Auflage (Lipoglycan) = stabil in der Hitze und resistent gegen Säure (nicht hydrolysierbar)

Spitzenreiter: pH 0.7 (Optimum) bis pH 0 hat eine Zellwand (S-Layer) und einen ungewöhnlichen Membranaufbau, so dass auch bei extremem pH Resistenz gegenüber Säuren besteht. Dafür sind die Membranen aber nur bei pH < 4 stabil.

außen sauer, innen (fast) neutral Die Kraft, die die Protonen in das Cytoplasma treibt, nennt man auch protonen-motorische Kraft Δp ("proton motive force"). Sie ergibt sich aus zwei Komponenten: a) dem elektrochemischen Potential Δψ (ΔV innen negativ) b) der konzentrationsabhängigen Komponente ΔpH Es wird beobachtet, dass das elektrochemische Membranpotential mit abnehmendem pH immer weniger negativ wird und sich bei pH 2.5 umkehrt, d.h. innen positiv wird. Erklärung:Die protonenmotorische Kraft muss etwa gleich bleiben, denn die Protonen müssen über die Atmungskette (Elektronentransportkette) auch wieder nach außentransportiert werden. Sie liegt immer bei ca. -200 mV Nachteil des pH-Gradienten: schwache Säuren (z.B. Essigsäure) gelangen in protonierter Form ungehindert in das Zellinnere, werden dort deprotoniert und säuern das Cytoplasma an. Daraus resultiert eine grundsätzliche Empfindlichkeit gegenüber schwachen Säuren. Das gilt natürlich auch für acidophile Bacteria.

a) Euryarchaeota (ευρυος (gr.) Vielfalt)• Thermococcus, Pyrococcus• Archaeoglobus b) Crenarchaeota (κρενος (gr.) Ursprung, Quelle)• Sulfolobus, Acidianus• Pyrolobus, Pyrobaculum, Ignicoccus "Normale" hyperthermophile Standorte z.B. heiße Quellen auf Sao Miguel (Azoren) Heiße Schwefelquellen und saure, eisenhaltige, heiße Quellen "Black Smoker" der Tiefsee 

Veratmung von organischem Material mit Sauerstoff (oder S0/Sulfat, Nitrat als Elektronenakzeptor) Oxidation von reduzierten S-Verbindungen, Fe2+ und Wasserstoff mit Sauerstoff (oder alternativen Elektronenakzeptoren). Phototrophie fehlt !

obligat anaerob chemoorganotroph (Proteine, Stärke etc.) Elektronenakzeptor:Elementarschwefel,nicht Sulfat

eine eigene Entwicklungslinie, die Sulfat als Elektronenakzeptor nutzen kann H2SO4 (Schwefelsäure) → S0 bzw. H2S

Sulfolobus, AcidianusPyrolobus, Pyrobaculum, Ignicoccus Die Entdeckung und Beschreibung von Sulfolobus durch Thomas Brock (1972) steht am Anfang der Thermophilen-Mikrobiologie H2S bzw. S0 → H2SO4 ein aerober,chemolithotropher Organismus, der Schwefel- verbindungen zu Schwefelsäure oxidiert und CO2 fixiert. Außerdem auch Oxidation von Eisen und organischen Substraten.

unterscheidet sich von Sulfolobus hauptsächlich dadurch dass er auch anaerob wachsen kann unter Verwendung von Elementarschwefel als Elektronenakzeptor ("S0-Schwefelatmung"). S0 → H2S anaerob Je nach dem, ob Sauerstoff vorhanden ist, wird Schwefel entweder oxidiert oder zu Sulfid reduziert (mit H2 als Donor). S0 → H2SO4 aerob

stammen aus unterseeischen vulkanischen Quellen Pyrolobus fumarider HitzerekordhalterTopt = 106°CTmax = 113°Ckein Wachstum < 90 0Cüberlebt Autoklavieren(1 h bei 121 0C)H2-chemolithotropher Nitratatmer und Primärproduzent in „black smokern“ Pyrobaculum aerophilumkann aerobe und anerobe Atmung betreiben (Nitrat, Fe3+, S0) 100°C Ignicoccus islandicushat eine ungewöhnliche Morphologie mit „outer membrane“ und übergroßem periplasmatischen Raum.100°C chemolithoautotroph (H2/S0)

PCR-Technik (polymerase chain reaction) zur Vervielfältigung von DNA Beispielenzym: Pfu-Polymerase Pfu = Pyrococcus furiosus VNTR = variable number of tandem repeats zur Hitzestabilität von Biomolekülen - Es muss verhindert werden, dass DNA "aufschmilzt". Fazit: viele intramolekulare Faktoren sind an der Stabilisierung der nativen Konformation beteiligt. Proteine extrem thermophiler Organismen unterscheiden sich strukturell nur wenig(mehr hydrophobe und ionische Wechselwirkungen) In vivo scheinen extrinsische Stabilitätsfaktoren für die Integrität der Proteine mitverantwortlich zu sein zu sein, wie z.B. Hitzeschockproteine (Chaperone),z.B. "Thermosom" in Pyrodictium occultum aber auch niedermolekulare Modulatoren des Mediums Wasser.

Die notwendige Erhöhung der Schmelztemperatur Tm kann wie folgt erreicht werden: Hohe Ionenstärke Reverse Gyrase, die positives "supercoiling" macht DNA-Bindeproteine wie z.B. Sac7d (Sulfolobus sp.) oder basische Histone (z.B. Methanothermus fervidus) Lipide werden durch Tetraether-Monolayer stabiler. Instabile Monomere wie z.B. ATP und NAD bestimmen das obere Temperaturlimit (geschätzt: 150°C) Bei 120°C (Autoklaventemperatur) liegt die Halbwertszeit der Hydrolyse für ATP bei 30 min

brauchen Salz der natürliche Standort ist trocken Wasseraktivität aw = 0,750 Strategien osmotischer Anpassung bei halophile Bakterien:wasserbindende Schutzstoffe (kompatible Solute)

Sämtliche zelluläre Strukturen (Proteine, Lipide, DNA etc.) müssen an hohe Ionenstärke angepaßt sein. Nachteil: Alles funktioniert nur im hochsalinen Milieu und denaturiert in verdünnten Medien

Halophile Proteine haben einen hohen Anteil an sauren Aminosäuren Das PG/PE-Verhältnis der Lipide ist größer Das Aufschmelzen von DNA muss erleichtert werden Halobakterien, die in Salzkristallen eingeschlossen sind, können wiederbelebt werden ... und sind möglicherweise 300 Millionen Jahre alt.

(Algen, Hefen, Pilze, Protozoen... aber auch Schleimpilze u.v.a.) früher: 5 ReichePflanzen, Tiere, Pilze, Protisten, Prokaryonten = Eukaryonten Dieses System überbewertet die Bedeutung der höher entwickelten Tiere (Metazoen) Protisten nannte man alles, was eukaryotisch war, aber nicht zu Pflanzen, Tieren, Pilzen gehörte.

Bei den Protisten (Eukarya ohne Pflanzen, Tiere, Pilze) erkennt man viele eigene Entwicklungslinien und auch uneinheitliche Gruppen wie z.B. die Algen Archaezoen (frühe Eukaryonten, ohne Mitochondrien)wahrscheinlich nachträglich wieder verloren gegangen, also keineprimitiven "Urzellen" vor der Endosymbiose Protozoen :● Flagellaten (z.B. Trypanosoma)● Sarcodinen = Amöben, Foraminiferen● Ciliaten● Sporozoen (z.B. Plasmodium) Schleimpilze Algen (Grün-, Braun-, Rot-, Kieselalgen, Dinoflagellaten)

Der Begriff umfasst einzellige Eukaryonten ohne Zellwand, ohne Chlorophyll, viele uneinheitliche Entwicklungslinien. Typisch für die Nahrungsaufnahme ist die Phagozytose (Aufnahme extrazellulärer, großer, fester Partikel durch spezialisierte Zellen)  Flagellaten Sarcodinen = Amöben, Foraminiferen, (Schleimpilze) Ciliaten Sporozoen

Trypanosoma gambiense (Schlafkrankheit) wird durch Tsetse-Fliege übertragen

Alles was phototroph ist, wird zu den Algen gerechnet. Die Unterschiede zwischen den verschiedenen Algen(Grün-, Braun-, Rot-, Kieselalgen, Dinoflagellaten) sind größer als z.B. die zwischen Pflanzen und Pilzen

werden auch zu den Algen gerechnet, gehören aber taxonomisch zu den Alveolata und stehen somit den Ciliaten und Sporozoen nahe. Gelegentliche Entwicklung von toxischen* Wasserblüten („the red tide“ wegen Xanthophylle der "Dinos")* Neurotoxine, die bereits in ng-Mengen Fische abtöten

Kieselalgen (Diatomeen) mit Silikatschalen Dunaliella (Grünalge mit Flagellen) - Beispiel für eine biotechnologisch genutzte einzellige Grünalge, die aber rot ist. = Dunaliella salinaMassenanzucht in unsterilen großflächigen Anlagen

= Pilz + Alge bzw. Cyanobakterium

Hefen (Sprosspilze) sind einzellige Pilze. Die meisten gehören zu den Ascomyceten Hefen und Pilze unterscheiden sich physiologisch wie folgt von Bakterien:- sie wachsen besser bei einem pH von 5- sind osmotolerant (Zucker- und Salzlösungen) und- einige können komplizierte Polymere abbauen, die Bakterien nicht zugänglich sind (z.B. Lignin)

Lebenszyklus der Hefen: Haploide Zellen unterschiedlicher Typen (a und α) verschmelzen zum Diploiden Typ.Durch Meiose entstehen wieder haploide Formen (Ascosporen)

Saccharomyces cerevisiae 13 Mb 16 Chromosomen 5570 Gene mit vergleichsweise wenig Introns (im Durchschnitt 1 in 20) Im menschlichen Genom haben fast alle Gene Introns, einige 10 und mehr, oft sind die Introns größer als die Exons (ca. 20 000 Gene, 3 Gb) Da Hefen haploide und diploide Stadien haben, ist es möglich zu entscheiden, ob Gene essentiell sind (knock-out Mutanten) Ergebnis: ca. 900 Gene essentiellund 3100 eindeutig nicht essentiell (in Prokaryonten schätzt man einen minimalen Bedarf von 300 Genen)