Mikrobiologie (Fach) / Handout 2 (Lektion)

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  • Merkmale von Zellen - Cytoplasmamembran - Genom - Fähigkeit zur Reproduktion - Stoffwechsel - Enzymsysteme für Replikation, Transkription, Translation - Reizbarkeit
  • Unterschiede prokaryotische und eukaryotische Zellen Eukaryonten: - Zellkern, Mitochondrium, ER, Golgi-Apparat, Ribosomen - 10 - 100 müm   Prokaryonten: - DNA frei im Plasma, Plasmid, Ribosomen - 1 - 10 müm  
  • Wodurch wird das Zellwachstum begrenzt? Verhältnis Oberfläche zu Volumen: Volumen wächst kubisch, Oberfläche quadratisch -> irgendwann nicht mehr genügend Oberfläche für Nährstoffaufnahme/ Schadstoffabgabe
  • prokaryotisches Nukleotid - (meist) ringförmiges Chromosom - frei im Plasma - frei von Ribosomen - neben Bakterienchromosom DNA in bis zu 50 "Domänen" (Plasmide) organisiert  
  • Nukleotid - Baustein der DNA/ RNA Aufbau: - Monosaccharid (Furanosering) mit Nucleobase (A, T, G, C) -> Nukleosid - (min. ein) Phsoporsäurerest
  • Struktur der DNA - Nukleotide durch Phosphodiesterbindungen verknüpft - komplementär (5'->3', 3'->5') - antiparallel - Basnepaare AT und GC durch H-Brücken zusammen gehalten - alpha- Doppelhelix durch Stapelwechselwirkungen zwischen aufeinander folgenden Basen stabilisiert
  • Superhelizität der DNA: Notwendigkeit und Vorgang 1. Überstruktur der DNA-Spirale -> stets Mindestmenge von Basenpaaren geöffnet 2. Typ II Topoisomerase spaltet beide Stränge -> Windugnszahl durch Rotation um Helixachse erhöht (positives Supercoiling) -> freie Enden wieder ligiert 
  • Organisation eukaryotischer Chromosomen DNA Doppelhelix -> um Histon-Proteine gewickelt -> Nukleosomen -> Chromatin -> Chromatide -> 2 Chromatide = Chromosom 
  • Organisation prokaryotischer DNA - Supercoiling - Histon-ähnliche Proteine: DNA-strukturierendes Protein H-NS, DNA-bindendes Protein HU
  • Informationsfluss der Molekularbiologie Replikation (DNA) -> Transkription (DNA) -> RNA -> Translation -> Protein
  • DNA-Replikation semikonservativ: - negatives Supercoiling durch Topoisomerase  - Helicase spaltet Doppelstrang, ssDNA-bindende Proteine verhindern, dass sich EInzelstränger wieder Zusammefügen - Primase synthetisiert Primer -> Startpunkt für DNA-Polymerase  - DNA-Polyermase III synthetisiert neuen Strang in 5'->3'-Richtung -  Folgestrang: Okazaki-Fragmente duch DNA-Ligase zusammengefügt -> diskontinuierliche Synthese  
  • Replikation im Bakterienchromosom - Helicase öffnet Doppelhelix an Reolikationsursprung (oriC) - Entstehung zweier Replikationsgabeln   - Replikation in entgegengesetzer Richtung -> bidirektional - Zusammentreffen an definiertem Terminationspunkt
  • Plasmid - extrachromosomale DNA in Prokaryoten - meinst zirkular - autonome Replikation  z.B.: Resistenz-Plasmide enthalten Resistenzgene gegen Antibiotikum, Col-Plasmide enthalten Gene die für Bacteriocine (Toxine) codieren
  • Zusammensetzung des Cytoplasmas - Wasser - anorganische Ionen - hohe Konzentration an Makromolekülen: nicht informativ (Glykogen, Stärke, Zellwandpolysaccharide) <-> informative (DNA, RNA, Proteine)
  • Vorgänge im Cytoplasma - Reaktionen des Katabolismus und Anabolismus - Replikation, Transkription, Translation
  • Ribosom - bestehend aus Proteinen und RNA - Ort der Translation - Prokaryonten: 50S+30S - Eukaryonten: 60S+40S (Sedimentationskoeffizienten der beiden Untereinheiten)
  • RNA - einzelsträngig - Nukleobasen: Uracil statt Thymin - Sekundärstrukturen durch intramolekulare Basenpaarung  mRNA: Matrizenstrang bei Translation tRNA: Proteinbiosynthese: Transportiert Proteine zur rRNA: beeinflusst Struktur und Funktion der Ribosomen
  • Sekundärstrukturen der RNA - bulge (Ausbuchtung) - internal loop (Schleife) - Hairpin (Haarnadel) -> intramolekulare Basenpaarung
  • Wie funktioniert die RNA-Polymerase bei der Transkription bei Bakterien? - RNA-Polymerase Core-Enzym: alpha/ beta/ beta'/ omega - Unterheinheiten Holo-Enzym: zusätzlicher sigma-Faktor - sigma-Faktor erkennt Promotor -> Bindung der RNA-Pol - Elongation: sigma-Faktor löst sich ab, DNA-Matrize bis Terminatorsignal transkribiert 
  • polycistronische mRNA codiert für mehrere Gene: trägt Information zur Synthese merherer Proteine; häufig bei Prokaryoten <-> Eukaryoten: monocistronische mRNA
  • Aufgabe der tRNA - Kleeblattstruktur - molekularer Adapter: verbindet Codon mit passender AS -> Anticodon: Sequenz aus 3 Nukleotiden paart mit komplementären Codon ( 3 Nukleotide, spiezifizieren AS)
  • Aufgabe der Aminoacyl-tRNA-Synthetase - beläd tRNA mit spezifischer AS   AS + tRNA + ATP -> tRNA-AS (Esterbindung) + PP + AMP
  • Initiation der prokaryotischen Translation - Komplex aus kleiner ribosomaler Untereinheit (30S), IF1 (verhindert Assoziation von Nicht-Initiator-tRNA/ frühzeitige Bindung der großen Untereinheit) und IF2 (verhindert Bindung der großen Untereinheit) - IF2 bindet GTP -> Konformationsänderung -> bindet fMet (Formylmethionin) -> Komplex bindet an mRNA/ kleine Untereinheit - Interaktion mit Shine-Dalgarno-Sequenz -> Erkennung Startcodon - Dissoziaion GTP/ Intitiationsfaktoren  - Bindung der großen Untereinheit 
  • Elongation (Translation) 1. Bindung des tRNA-EF-TU-GTP-Komplexes (Elongationsfaktor) an A-Stelle des Ribosoms -> GTP/ EF-TU dissozieren 2. Carboxy-Ende der AS an P-Stelle von tRNA getrennt -> Peptidbindung mit AS an A-Stelle 3. Translokation des Ribosoms um 3 Nukleotide, katalyisert durch EF-G und GTP; tRNA löst sich -> freie A-Stelle 
  • Chaperone - helfen bei Faltung der Proteine, die gerade neu synthetisiert wurden - grundsätzlich korrekte Faltung in AS-Sequenz festgelegt - Chaperone verhindern Aggregatsbildung der Proteine, indem sie hydrophobe Seitenketten abschirmen 
  • Konsequenz des Besitzen eines Zellkerns für Genexpression - Eukaryoten besitzen Zellkern -> Transkription (Kenr) und Translation(Cytoplasma) getrennt  - Möglichkeit der RNA-Prozessierung (capping, splicing, tailing)
  • Konsequenz des Besitzen eines Zellkerns für Genexpression - Eukaryoten besitzen Zellkern -> Transkription (Kenr) und Translation(Cytoplasma) getrennt  - Möglichkeit der RNA-Prozessierung (capping, splicing, tailing)
  • eukaryotisches Cytoskelett - dynamisches Netzwerk aus Proteinen im Cytoplasma  - dient grundsatzlich der mechanischen Stabilisierung/ Bewegung der Zelle, Bewegung/ Transport innerhalb der Zelle - Mikrotubuli: aus globulären Tubulinuntereinheiten, "Schiene" für Motorproteine  - Mikrofilamente: aus Aktinfäden, Vesikeltransport - intermediäre Filamente: aus verschiedenen Gruppen von Proteinen, Stabilität 
  • Glykolipid - Mono-/Oligosaccharid(e) glykosidisch an Lipid gebunden - Membran-/ Strukturlipid
  • Phospholipid - Glycerinmolekül mit 2 Fettsäuren verknüpft, 3. Bindungsstelle mit Phosphatgruppe besetzt; Phosphatgruppe mit kleinem hydrophilem Rest assoziiert - hydrophiler "Kopf", hydrophober "Schwanz" -> membranbildende Fähigkeit 
  • Fettsäure - hydrophiler Carbonsäure-"Kopf" - hydrophobe Kohlenwasserstoffkette => amphiphatisch - ungesättigte FS: Kohlenwasserstoffkette mit einer oder mehreren Doppelbindungen -> verursacht Knick(e)
  • Hapanoide - 4 Seschsringe, 1 Fünfring, Reste - membranverstärkende Molekül in Prokaryoten (ähnlich den Steroiden in Eurkaryoten) 
  • Glycerophospholipide - OH-Gruppen des Glycerin mit 2 Fettsäuren verestert; endständige OH-Grippe mit Phopshat verbunden; Phosphat mit Alkohol (X) verestert  z.B.: Lecithin (Phosphatidycholin): Rest X = Cholin
  • Funktionen der Cytoplasmamembran - Membranproteine für Transport, Bioenergetik (Energiehaushalt), Chemotaxis (Einfluss auf Fortbewegung durch Stoffkonzentrationsgradienten) - Permeabilitätsschranke: 2 abgegerenzte wässrige Mileus; selektiver Austausch von Substanzen üner Transporter/ Kanäle  - Aufbau/ Nutzung von Protonengradienten 
  • Membrantransport Vorgänge - passiver Transport: lipidlösliche, kleine Moleküle getrieben durch Konzentrationsgradienten/ elektrische Membranpotentiale/ hydrostatischer Druck - einfache Diffusion kleiner, lipidlöslicher Moleküle (O2, CO2, N2) - durch Proine/ Transporter/ Kanäle  - aktiver Transport: entgegen Konzentrationsgradienten unter Energieaufwand - primär: Energie direkt genutzt (ATP-Hydrolyse); molekulare Pumpen  - sekundär: potentielle Energie eines elektrochemischen Gradienten; Symport <-> Antiport - Gruppentranslokation (PTS-System)
  • Gruppentranslokation - aktiver Transport von Monosacchariden/ Zuckeralkoholen durch Cytoplasmamembran PTS-System von E. coli: - Übertragung energiereicher Phosphatgruppe von PEP -> Enzym I -> Protein HPr -> Enzym IIA  - Enzym IIA aktiviert Glucose-Carrier II BC  - Carrier schleust ein Glucose-Molekül durch Membran und phophoryliert es dabei -> unterscheidet sich chemisch von Glucose -> kein Konzentrationsgradient wird aufgebaut -> keine Rückdiffusion    
  • ABC-Transport-System - primär aktiver Transport unterschiedlicher Substrate durch Zellmembran - Energie aus ATP-Hydrolyse  - bestehend aus 2 integralen Proteindomänen, 2 cytoplasmatischen ATP-bindende Proteine
  • intracytoplasmatische Membranen - wohl aus EInstülpungen der Cytoplasmamembran entstanden - vergrößern Membranfläche - Vorkommen: photosynthetische Bakterien, Nitrifizierer, Methanotrophe  - Vesikel, Tubuli (Röhrchen), Thylakoide (Membranstapel)
  • Murein =Peptidoglykan -  N-Acetylglucosamin und N-Acetylmuraminsäure beta(1->4)-glykosidisch verknüpft - Peptidseitenketten mit D-Aminosäuren schützen vor Proteasen - Quervernetzung durch Tetrapeptide (Diaminosäuren) -> hemmbar mit Penicillin - Peptidoglykan-Schicht (Sacculus) um Bakterien verleiht mechanische Stabilität
  • Gramfärbung - Däne H. C. Gram, 1884) - Hitzefixierung v. Zellen auf Objektträger - Färben mit basischem Farbstoff Kristallviolett, anschließend mit Lugol'scher Lösung nachbehandelt -> Fabstoff-Komplexe - Entfärben mit 96%-Ethanol  -> Gram+: violett -> Gram-: farblos - durch Gegenfärben mit Fuchsin oder Safranin erhalten Gram- Bakterien rote Färbung   
  • gram-positive Bakterien - vielschichtige Mureinhülle  - KV-Farbstoff im periplasmatischen Spaltraum -  in Zellwand verankerte Teichonsäuren, Teichuronsäuren, Lipoteichonsäuren und Polysaccharide, lipophile Verbindungen, Proteine 
  • gram-positive Bakterien - vielschichtige Mureinhülle  - KV-Farbstoff im periplasmatischen Spaltraum - Zellwand enthält Teichonsäuren, Teichuronsäuren, Lipoteichonsäuren und Polysaccharide, lipophile Verbindungen, Proteine (S-Layer)
  • Gram-negative Bakterien - dünne Zellwand mit einschichtigem Murein - 2. Lipidmembran (zytoplasmatische Membran, äußere Membran) - in äußerer Membran verankerte Lipopolysaccharide  - Porin in äußerer Membran (Regulation Influx)  
  • Gram-negative Bakterien - dünne Zellwand mit einschichtigem Murein - 2. Lipidmembran (zytoplasmatische Membran, äußere Membran) - -> äußere Membran löst sich durch Alkohol auf - in äußerer Membran verankerte Lipopolysaccharide  - Porin in äußerer Membran (Regulation Influx)  
  • Gram-negative Bakterien - dünne Zellwand mit einschichtigem Murein - 2. Lipidmembran (zytoplasmatische Membran, äußere Membran) - -> äußere Membran löst sich durch Alkohol auf - in äußerer Membran verankerte Lipopolysaccharide (LPS) - Porin in äußerer Membran (regulieren Influx)  
  • Lipopolysaccharid (LPS) Aufbau: - O-Antigen: aus 3-20 Hexoseeinheiten spezifisch für bestimmte Bakterienspezies - Kernpolysaccharid: aus N-Acetylglucosamin, Galaktose, enthält KDO - Lipid A: in äußerer Membran verankert, wirkt als Endotoxin wenn Zelle zerstört
  • Pseudomurein - Zellwand der Archaeen - ähnelt Murein - alternierende Kette aus N-Acetyltalosamuronsäure (statt N-Acetylmuraminsäure) und N-Acetylglucosamin beta(1->3)glykosidisch verknüpft - Quervernetzung über Glu-Ala-lys-Glu-Lys-Ala-Glu-Peptidkette
  • verschiedene Flagellen Arten bei Prokaryoten - monopolar, monotrich: einzelne Geißel an einem Ende des Bakteriums - monopolar, polytrich: Flagellen stehen in Gruppe an einem der Zellpole - bipolar, polytrich (amphitrich): Flagellen in 2 gegenüberliegenden Gruppen an beiden Polen - peritrich: viele Flagellen gleichmäßig über Zelloberfläche verteilt  
  • Fortbewegung der Prokaryoten mittels Geißel - Schubgeißeln (Schiffsschraube) <-> Zuggeißeln (Propeller) - durch Motor in Drehung versetzt
  • Geißelaufbau bei Bakterien - Filament: aus Flagellin-Protein (linksgängige Helix) - Haken - Basalkörper: L-Ring (äußeren Membran), P-Ring (Periplasma), MS-Ring (an Cytoplasmamembran; Mot/Fli-Proteine in Cytoplasmamembran verankert

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