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Mikrobiologie (Subject) / Stoffwechsel, Pathogene (Lesson)

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• Was versteht man unter Stoffwechsel allg.? Funktionelle Vielfalt  ATP-Synthese  Verbrauch von ATP: → Aufbau von Zellkompartimenten (Biosynthese), Bewegung, Membrantransport, Regulation des Zellstoffwechsels 
• Energiestoffwechsel (Energiequelle): Energiegewinnung: Phototroph: Licht als Energiequelle  Chemotroph: aus chem. (exergonen) Stoffumsetzungen (z. B. Redoxreaktionen)a) Chemolithotrophie: chem. Oxidation von ANorganischem Material     z. B. Ammonium, Sulphiteb) Chemoorganotrophie: Oxidation von ORganischem Material      z. B. Zucker Chemolithoautotrophie: werden durch die Oxidation von anorganischen Stoffen ATP als Energiequelle & das Reduktionsmittel als Voraussetzungen für die Herstellung von Kohlenhydraten im CALVIN-Zyklus bereitgestellt.O2 ——— + e- ————→ H2O           NH3 → NO2-           NO2- → NO3-       H2S → S0 → SO42- Kohlenstoffquelle: Chemoorganotrophiea)  Autotroph: fixieren CO2 aus ANorganischen Quellen                      = für den Aufbau organischer Stoffe.b) Heterotroph: rekrutieren C aus ORganischem MaterialMechanismen = 1. Substratkettenphosphorylierung, 2. ElektronentransportphosphorylierungOrg C ———  – e- ————→ CO2     (oxidation)                 O2 → H2O                 NO3- → N2                 SO42- → H2S                    (reduktion)                 Fe3+ → Fe2+                    Org C → Org Creduziert
• Energiestoffwechsel: - Standardenthalpie - Vereinfachte Darstellung Aerob/ Anaerob Reaktion - ATP/ADP +Pi Reaktion 1. Edukt 􏰀—→ Produkt; 􏰕Δ G‘0 (kJmol-1) freie Standardenthalpie 2. 􏰕Δ G ‘ = pH = 70 = unter Standard Bedingung = 1 Molar Konz., 25°C 3. Wenn: Δ G‘0 < 0 (Negativ) = exergon, wird Energie frei (Freiwillig ablaufende Reaktion)  Δ G‘0 > 0 (Positiv) = endogon, wird Start-Energie benötig (Nicht-Freiwillig) Δ G‘0 = 0 = Reversible Reaktion 4. Aerobe: Glucose(Glc) + 6O2 —→ 6CO2 + 6H2O; 􏰕   Δ G‘0 = -2872 kJmol-1 (Referenzwert)      ⇒ günstiger Energiebetrag: Theoretish = 58 ATP vs Realität = max 34 ATP ⇒ 59% Wirkungsgrad.   Anaerob: Glucose(Glc) 􏰀—→ 2 EtOH(Ethanol) + 2CO2; 􏰕    Δ G‘0 = -235 kJmol-1       ⇒ Alkoholishe Gärung = ungünstige Wachstumsbedingungen für Hefe ⇒ sehr hohe Stoffumsatzrate 5. ADP + Pi —→􏰀 ATP;    Δ 􏰕G‘0 = +32 kJmol-1  
• Vollständige Glucose-Stoffwechsel zur Energiegewinnung in Bak. unter aerobe Bedingung 1. Reaktion : Glykolyse ⇒ 2ATP + 2NADH i) Glc —→ 2 Pyruvat + 2NADH + 2 ATP   – letzte Schritt: Phosphoenolpyruvat (PEP) —→ Pyruvat + Pi  ΔG'0 = -52kJmol-1                           ADP + Pi —→ ATP                                           ΔG'0 = +32kJmol-1                          ———————————————————————                            PEP +  ADP —→ Pyruvat   ΔG'0 = -20kJmol-1 2.  Reaktion: Pyruvat-Abbau & NAD+-Reduktion Pyruvat + CoA + NAD+ + H+  􏰀—→ Acetyl-CoA + CO2 + NADH 3. Reaktion: Citratzyklus: Oxidation von Acetyl-CoA (C2-Körpern)&􏰀 NADH-Gewinnung: Acetyl-CoA wird an einen C4-Körper (Oxalacetat) gekoppelt   4. Reaktion:Atmungskette: (e- vom unedleren zum edleren Metal)*UNedle Metalle werden leicht oxidiert = negatives Elektrochemisches Potential;   edle Metalle werden leicht reduziert = positives elektrochemisches Potential i)              Glc    —→  CO2                      ii) NAD+ + H+ ←—→  NADH              iii)           H2O ←—     1/2 O2 + 2H+     ————————————————————————— 10 NADH + H+ + 6O2 + 2FADH2 —→􏰀 10NAD+ + 2FAD + 12H2O; 􏰕 ΔG‘0 = -2600 kJmol-1      
• Was macht eine Hefezelle, die keinen Sauerstoff zur Verfügung hat? Problem: NADH muss irgendwie recycled werden = Geheimnis der Gärung               ⇒ Gärung 􏰀(ohne Atmungskette)Einfachste Form: Milchsäuregärung von Milchsäure Bak. = Obligate Gärer  – Sie können nicht atmen; sind aber aerotolerant (= wachsen in Anwesenheit von O2 nutzen ihn aber nicht)  Glc —→ 2 Pyruvat + 2 NADH + 2ATP  2 Pyruvat  + 2 NAD+ ←—Laktat-dehydrogenase—→  2 Laktat + 2NADH + H+                             (= Recycling-Vorgang; keine energieliefernde Reaktion) 􏰕——————————————————————————————————Glc  —→  2 Laktat 􏰕     Δ G‘0 = -198 kJmol-1                           
• Was versteht man unter homofermentative Milchsäuregärung? Beispiele von Milchsäurebakterien, Eigenschaften, Vorkommen? Homofermentative Milchsäuregärung:  Haupt-endprodukt nur Milchsäure: Produkte: 90% Laktat, Rest Acetat, Acetoin, CO2  z. B.  – Lactococcus lactis          – Lactobacillus acidophilus          – Lactobacillus delbrueckii   Eigenschaften (Milchsäurebakterien): Stäbchen,Kokken Gram-positiv = günstig in LM-Prod, da gram(-) toxisch ist) Unbeweglich Kleines Genom = reduzierte Stoffwechsel (z. B kein Atmunskette) Lactoseverwertung (kein Standard) Lactat-ausscheidung (als Hauptprodukt) Leichtsaure pH-Werte (pH 5 - 4)􏰀 = Konservierung von LM Aerotolerant = aber Katalase-negativ (Katalase = Schutzenzym von Sauerstoff, das den Milchsäurebakterien fehlt,                   ⇒ Merkmale von Milchsäurebak. = Test zur Identifizierung) Vorkommen:  Milch, Pflanzen, Tiere, Schleimhäute 
• Was versteht man unter Alkoholische Gärung & Pasteur Effekt? Ethanol-Gärung (von Saccharomyces cerevisieae) =  biochemischer Prozess, bei dem Kohlenhydrate, hauptsächlich Glucose, unter ANaeroben Bedingungen zu Ethanol („Trinkalkohol“) & Kohlenstoffdioxid abgebaut werden. Pasteursche Reaktion = Hefen verbrauchen unter ANaeroben Bedingungen mehr & schneller D-Glucose als unter aeroben Bedingungen. Gleichzeitig wird auch viel mehr Ethanol produziert.→ O2 unterdrückt Ethanol-Bildung & 20x mehr Biomasse     = unerwünscht z. B Bierherstellung    (viel mehr Energie in Biomasseproduktion gesteckt werden)    Reaktion:  Glc —→ Pyruvat  Pyruvat + NAD+ + H+ —→ CO2 + Acetyl-CoA + *NADH  ⇒*Problem, kann nicht recycled werden Glc —→ Pyruvat Pyruvat + H+ —→ Acetalaldehyd + CO2  Acetalaldehyd + *NADH —→ 2 EtOH +  NAD+ + H+     ⇒*Problem, gelöst!———————————————————————————————— Glc —→ 2 EtOH + CO2       Δ G'0 = -235 kJmol-1  
• Kann Atmungskette unter Sauerstoffabschluss genutzt werden? JA! in diesem Fall spricht man von Nitrat-Atmung = Form der anaeroben Amtung→ wird sehr gerne genutzt (alternativer Elektronenakzeptor)→ Bekannte Vertreter wären z. B. Enterobacteriaceae      – dadurch besitzen viele Lebensmittel einen Grenzwert für Nitrat        (denn wenn Nitrat NO3- im Lebensmittel zu Nitrit NO2- reduziert wird, wird es toxisch!)  i)          Glc   —————→  CO2ii)   NAD+ (← -2 Electron)→ NADH2iii)            NO2- ←+2 Electron— NO3- 
• Was versteht man unter Denitrifikation? Denitrifikation:= Nitrat-Atmung (E.coli): heterotroph (Reaktion anaerob)  Reduktion des im Nitrat (NO3-􏰙) gebundenen Stickstoffs zu molekularem Stickstoff (N2) durch bestimmte heterotrophe & einige autotrophe Bakterien,  Dient zur Energiegewinnung, werden bei Mangel an molekularem Sauerstoff (O2) verschiedene oxidierbare Stoffe (Elektronendonatoren), wie organische Stoffe, Schwefelwasserstoff (H2S) & molekularer Wasserstoff (H2), mit Nitrat als Oxidans (Oxidationsmittel) oxidiert. → Der Vorgang ist also eine Möglichkeit des Energiestoffwechsels.  Effiziente Denitrifikation läuft nur unter Sauerstoffabschluss → ab da sonst der Sauerstoff verwendet würde (besserer Elektronenakzeptor)
• Was versteht man unter Nitrifikation? Gattung der Bakterien, Formel, Verwendung Als Nitrifikation bezeichnet man die bakterielle Oxidation von Ammoniak (NH3) zu Nitrat (NO3-)  = Organismen sind sauerstoffabhängig & autotroph Nitrifizierer:1. "Nitroso-" (Nitrosomonas/ Nitrosococcus oceanii) = Ammoniumionen zu Nitrit      NH4+ + 1/2 O2 —→ NO2- + 2H+ + H2O2. "Nitro-" (Nitrobacter winogradskyi) = Nitritionen zu Nitrat       NO2- + 1/2 O2 —→ NO3- Formel = dieselbe Atmungskette, allerdings kommen die Elektronen nicht mehr von der Glucose sondern von dem Nitrat! (anorganische Herkunft) Δ􏰕G'0 = -74 kJ/mol = exerogene Reaktion, freiwilliger Ablauf⇒ daher geringe Energiegewinn allerdings hoher Stoffumsatz  Enges Zusammenspiel zwischen den zwei Gattungen, da das Endprodukt der Nitrosococcus (Nitrit) weiter von Nitrobacter verstoffwechselt wird! ⇒ Nutzen der Bakterien im Belebtschlamm im Klärwerk    = die bei der aeroben biologischen Abwasserreinigung organische Stoffe abbauen
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• Erklären Sie das Stickstoffzyklus AEROB: – Nitrifikation: NH3-Oxidiere: Nitrosomonas, Nitrospira   NH4+ (-III) bzw. NH3 —oxidation→ NO2-  (+III) AEROB: – Nitrifikation: NO2--Oxidiere: Nitrobacter, Nitrospira   NO2- (+III) —oxidation→ NO3- (+V) ANAEROB: – Nitrat-Atmung: Heterotroph: E.COLI– Nitrat als Elektronakzeptor zur Oxidation von organischen Verbindungen   ⇒ Nitrat als Oxidationsmittel (NICHT O2)   NO3- (+V) —reduktion→ NO2- (+III) ANAEROB:–  Denitrifikation: bestimmte heterotrophe und einige autotrophe Bakterien z. B. Paracoccus– Nitrit als O2-ErsatzNO2- (+III) —reduktion→ N2O (0) —→ N2 (0)+ 1/2 O2    ΔG = 164,20 kJ ANAEROB:– N2-Fixierung: Cynobakteria, Rhizobium (Knöllchenbakterien/Wurzelknöllchen)    → Nitrogenase (Enzymkomplex): reduziert molekularen Stickstoff (N2) & damit wandelt in eine biologisch verfügbare Form um.   N2 (0) —reduktion→  NH4+ (-III) bzw. NH3  (N2 + 8e- + 8H+ + 16ATP􏰍 → 2NH3 + H2 + 16ADP + 16Pi)
• Geben Sie Beispiele für Pathogene Mikroorganismen & ihre verursachte Krankheit / Infektion: - Bakterien - Protozoen - Pilze - Viren Bakterien:1. Vibrio Cholerea: Cholera2. Bacillus anthrocis: Milzbrand3. Clostridium botulinum: Botulismus Protozoen:1. Plasmodium falciparum: Malaria2. Entamoeba histolytica: Amobenruhe Pilze:1. Asperigillus fumigatus: Aspergillose2. Asperigillus flavus: Mycotoxine Viren:1. Variola-Virus: Pocken2. Ebola-Virus: Ebola3. Noro-Virus: Gastroenteriti
• Was versteht man unter: - Infektion - Pathogenität - Pathogenitätsfaktoren Infektion: Besiedlung eines Wirtes (Wachstum im Wirt) Pathogenität: Fähigkeit eine Krankheit auszulösen– Qualitativ = „pathogen – ja oder nein“  Pathogenitätsfaktoren: Eigenschaften des Organismus, die für das Pathogenität verantwortlich sind. (dem menschlichen Körper Schaden zufügen)                     
• Was versteht man unter: - Infektion - Virulenz - Virulenzfaktoren Infektion: Besiedlung eines Wirtes  Virulenz: Ausmaß der pathogenen Fähigkeit; – Quantitativ = „wie stark pathogen“; Infektionskraft  Virulenzfaktoren: Eigenschaften des Organismus, die für die Virulenz verantwortlich sind. 
• Wie werden Mikroorganismen ihre Pathogenität im Wirt auslösen? - wichtige Beispiele! Pathogenität: 3 große Gruppe: Adhäsion: – Bakterium produzierien Adhäsine, die es ermöglichen, an Zellen des Wirtes anzuhaften.z. B – Neisseria genorrhoeae: Gonorrhoe → Urogenitaltrakt        – Bordetella pertussis: Keuchhusten → Atmungstrakt (Schleimhaut)        – Salmonella enterica: Salmonellosen → Gastrointestinaltrakt        – Streptococcus mutans: Karies → Zahnpellikel  Toxin:z. B – Clostridium botulinum: Botulinumtoxin (Botox) = Hoch effizient Nervengift           ⇒ Entspannung der Muskel (kein Adhäsions-Eig.)       – Clostridium tetani: Tetanustoxin = Durch Wunden in Mensch besiedeln           ⇒ Spannung der Muskel (kein Adhäsions-Eig.)       – Bordetella pertussis: Pertussistoxin Invasivität: z. B – Streptococcus pneumoniae: Lungentzundungserreger            ⇒ besiedeln die Schleimhäute des Nasenrachen (Nasopharynx)                bilden ein Polysaccharidkapsel & wird Immunsystem geschutz/nicht erkenntbar              – Strepto-/Staphylococcus          ⇒ Invasion in das Gewebe durch Enzyme: Kollagenase, Lipase & Hyaluronidase.       – Clostridien 
• Wie kann man Infektion (Krankheit) zuordnen? Durch eine Kock'schen Postulate experimentell Verfahren: Bezeichen die Ursache-Wrikungs-Beziehung zw. einem Prasiten & den entsprechenden Wirt, die mit Hilfe dieser Postulate experimentell überprüft und abgegrenzt werden kann.  Forderungen für einen sicheren Nachweis eines Bakteriums als Krankheitserreger  Experiment:  Krankheitserreger muss immer mit der Krankheit assoziiert sein & in gesunden Tieren nicht nachgewiesen werden.→ Totes Tier = Beobachtung der Blut Probe / Gewebe unter Mikroskop. Der mutmaßliche Erreger muss in Reinkultur gezüchtet werden→ Animpfen jeweils einer Agrarplatte mit einer Probe aus einem kranken & gesunden Tier Ein Reinkultur des mutmaßlichen Erregers muss im gesunden Tier die Krankheit auslösen→ Infektion eines gedunden Tiiers mit Zellen des mutmaßlichen Errgers→ Totes Tier Der Organismus muss re-isoliert werden & identisch mit dem ursprünglichen Erreger sein→ Laboutkultur
• Was versteht man unter Streptococcus mutans? Streptococcus mutans: ⇒ Zahnkaries Gram-positive Organismen: dunkelblaue Gram-Färbung   Sie bilden der Basis auf der Zahlfläche,  – wird erkannt von diverse Streptococcen-Spezies (>300) durch unterschiedliche Erkennungssequenzen & daraufhin docken aneinander (div. Bakterienspezies). Dextranbildung aus Sucrose (= Saccharose)Sucrose (Glc-Frc) → Glucosen —polymerisiert→ Dextran (Glc)n                                + Fructose (als C-Quelle)Dextran = Glucose Polymere = Schutmatrix, dienen als Reservestoffe  S. mutans = Obligater Gärer = homofermentative MilchsäuregärungGlucose → 􏰀 2 Lactat⇒ Anwesenheit von Milchsäure = Abfall des pH-Wertes, wird der Zahnschmelz massiv abgebaut   Was passiert zu dem Hauptbestd. des Zahnschmelzes?Hydroxy-apatit ←*→ 5 Ca2+ + 3PO43- + OH- —— + H+ (Säure)——→  H2O Ca5(PO4)3OH                                                  (Wirkungsweise von s. Mutan)*gleichgewicht = eher links!Gegensteuern mit:1. Flour-apatit in Zahncremes: Flouride Ca5(PO4)3F = reduziert die Reaktion nach rechts!2. Speichel: pH 5,5 - 6,0 (also >5,5 ⇒ Zahnschädigung)
• Krankheit: Magengeschwüre Welche Bakterie ist dafür verantwortlich? Wie schafft so eine Bakterie im Darm zu überleben? Wie kann die Bakterie nachgewiesen werden? Wirkungsweise der Bakterie Helicobacter pylori:   von Warren/Marschall 2005 entdeckt: Beweis: sich selbst erkrankt & mit Antiobbiotika behandelt. H. pylori setzt sich in Schleimhaut im Magen:→ müssen sich schützen vor Zerstörung von Magensäure    ⇒ Durch Enzym: Urease Urease spalten Harnstoff in → Ammoniak (NH3) + Kohlendioxid CO2→ wobei NH3 den pH-Wert in der Umgebung anhebt!     ⇒ Ammoniak-Mantel ("wolke") Nachweis mit 13C & 14N (Atemgas) Diagnose:    14  13       14 H2N–C=O–NH2 —Urease + H2O→ CO2 + 2NH3 (Ammoniak Wolke ermöglisch Bewegung) 50% Fälle betroffen15% den Infizierten werden Magenschnürre ausgelöst Vac A → 􏰀Cytotoxin A 􏰀 → Apoptose (programmierter Zelltod) – Es bewirkt die Bildung von kleinen Zellsafträumen (Vakuolen) in den Epithelzellen (der Magenschleimhaut), die sich bis zum Zerplatzen mit Säure füllen & damit das Gewebe zerstören 
• Was versteht man unter Cholera? Welche Bakterie ist dafür verantwortlich? Wirkungsweise dieser Bakterie Cholera: Vibrio Cholera Durch Trinkwasser übertrgen → in Dünndarm angelagert→Toxin bewirkt ein massive Flüssigkeit-verlust (Durchfallerkrankungen) Choleratoxin (Exotoxin) bilden in Dünndarm (Enterotoxine): – Protein aus einer α􏰐- & 5 β􏰑-Untereinheiten (A-B-Protein)     = A1 + A2 + 5B i) A: Toxische Wirkung, ii) B: Erkennen des Zellzielgewebe, haften spez. Rezeptor der Mucosazellen           & wird in Membran intergriert. Wirkung des Enterotoxins: -  cAMP bewirkt Öffnung von Ionenkanälen & Einbau von Cl-kanal & somit, dass Cl- ins Darmlumen gelangt, Wasser strömt passiv nach (Durchfall) *Abbildung
• Was versteht man unter Staphylococcus aureus? Lebensmittelvergifter  Gram-positiver O.  Austrocknungs-resistenz, bis 7,5% NaCl (Salztoleranz)  Normaler Hautbewohner, Hauptbesiedler der Schleimhaut Koagulase →􏰀 Eiter-puss-herd– Durch Wunden, einkapseln durch Koagulase Bildung– Koagulase = führt zur lokale Gerinnung von Fibrin􏰀 → Fibrinwall, mit dem sich S.aureus umkleidet & von Antikörper nichtmehr erkannt wird.– Erst wenn der Keim sich stark vermehrt hat, wird der Wall aufgebrochen    → Auslösen eitriger Infektionen bei Vordringen in Wirtsorganismus  Exotoxin: Superantigen (die zu einer antigen-unabhängigen Aktivierung von T-Lymphozyten führe) = hohe Stabilität gegenüber Proteasen & Hitze.   → Probleme bei Reerhitzung von LM 
• Was versteht man unter Super-Antigen? Welche Bakterien produzieren Super-Antigen? Superantigene sind Antigene, die Lymphocyten (B-Lymphocyten, T-Lymphocyten) aktivieren können.  Polyklonal Aktivator? Dies bedeutet, daß Lymphocyten unabhängig von der Spezifität ihres Antigenrezeptors (B-Zell-Rezeptor, T-Zell-Rezeptor) stimuliert werden können.  Dabei induzieren sie eine massive Cytokinsekretion (Cytokine), die zum septischen Schock führen kann.⇒  Zudem kann die übermäßige Aktivierung das Immunsystem lähmenz. B    Staphylokokken-Enterotoxine (Staphylococcus aureus)           – sind für Nahrungsmittelvergiftungen & für das toxische Schock-Syndrom verantwortlich.           – Sehr hitzeresistent; auch wenn die Staph Zellen abgetötet wurden, bleibt das Toxin erhalten & führt zu einer Vergiftung!           – Eitrige Entzündungen sind Quellen für Staph. Aureus               = wichtig in Lebensmittelindustrie; Mitarbeiter ohne Eiterherd
• Wirkung des Choleratoxin: Vibrio cholerae - durch Trinkwasser übertragen & im Dünndarm etablieren (Adhäsion)- = Exotoxin: bewirkt ein massive Flüssigkeitsverlust (Durchfallerkrankungen) Das Choleratoxin durchquert die Plasmamembran  Ausbildung eines Kanals: A1-S-S-A2-Fragment gelangt in die Zelle 􏰀 In der Zelle wird Disulfidbrücke gespalten & A1-Fragment ruft Wirkung hervor. A1-Fragment hemmt die GTPase-Aktivität eines G-Proteins, indem es diese G-Proteine (aus NAD) ADP-ribosyliert (Anhängen eines ADP-Ribose-Rests).       G-Prot-ATP —NAD + ADP-Ribose→ G-Prot-GTP- ADP-Ribose Dadurch wird die GTPase-Aktivität (welche GTP zu GDP umsetzt), blockiert ⇒ das G-Protein bleibt im aktiven Zustand. = G-Prot-GTP Es aktiviert nun permanent die Adeny-lat-cyclase (Ac),        Ac(Passiv) —–⊕G-Prot-GTP,⊕ G-Prot-GTP-ADP-Ribose–→  Ac(aktiv) Es kommt zu einem Überschuss des Second Messengers cAMP. Damit wird die Aktivität bestimmter Membrankanäle verändert.       ATP —⊕ Ac(aktiv)→ cAMP Das dauerhaft vermehrte cAMP führt zu verstärktem Einbau des Chloridkanals in die Membran und dadurch zu erhöhtem Verlust von Cl- Ionen in das Lumen. H2O folgt passiv ins Darmlumen. Folge = starke Durchfälle 

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