Lebensmittelmikrobiologie (Fach) / Wachstum, Kultivierung, Aufbau, Nachweis von MO (Lektion)

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• Wo können MO vorkommen? ubiquitär Boden (109 MO/g) Haut (103 MO/cm2) Darm (1012 MO/g Stuhl) auch extreme Standorte
• Extreme Standorte: Temperatur Pyrodictium occultum, 82-110 °C, Optimum bei 105°C (thermophil) Permafrostbereich (Temperatur nach unten begrenzt, solange flüssiges Wasser vorhanden ist - bei hohen Salzkonzentrationen bis -24°C flüssiges Wasser möglich) (psychrophil)
• Extreme Standorte: Salz bis 30% bekannt, Löslichkeitsgrenze von NaCl Halobacterium, halophil häufen intrazellulär hohe Konzentrationen an Kalium an
• Extreme Standorte: pH-Wert Wachstum bei 0-11 Acidithiobacillus (oxidiert Schwefel) besondere Schwierigkeit beim Wachstum in hohen pH-Bereichen (12-14)
• Extreme Standorte: Sauerstoff obligate Aerober fakultative Anaerobier (Sauerstoff nicht notwendig, aber Wachstum mit besser) mikroaerophile (notwendig, aber bei Konzentrationen unterhalb der Atmosphäre) aerotolerante Anaerobier (nicht notwendig, Wachstum ist nicht besser bei Anwesenheit von Sauerstoff) obligate Anaerobier
• Extreme Standorte: γ-Strahlung Deinococcus Strahlenbelastung von 5000 Gray (für Menschen akzeptiert 60 Gray/Jahr)
• Wodurch wird die Form eines Bakterium bestimmt? durch inneren osmotischen Druck Haloquadratum ist viereckig, da kein innerer osmotischer Druck herrscht (hohe Salzkonzentrationen im Wasser)
• Warum sind Bakterien gut angepasst? kurze Generationszeiten evolutionärer Vorsprung --> hohe Diversität, Evolutionsstärke
• Welche Größen können MO einnehmen und was spielt in Bezug auf die Membran eine große Rolle? Größe: 0,03 µm (Poliovirus) - 750 µm (Thiomargarita namibiensis) Bakterien sind immer größer als Viren (enthalten als Lebewesen Ribosomen, Viren enthalten nur DNA/RNA) In der Membran finden wichtige und viele Stoffwechselwege statt --> möglichst große Oberfläche nötig (bei kleineren MO besseres Oberflächen/Volumen-Verhältnis als bei größeren --> Kleinheit im Vorteil!)
• Unterschiede von Prokaryoten zu Eukaryoten Prokaryoten kein Kern keine membranumschlossenen Organellen kleinere Genome (Prok: 0,5-8,0 MB + Plasmide; S. cerevisiae: 20 MB; Mensch: 3000 MB) kleinere Zellen (Prok: 0,5 - 5 µm; Euk: 10 - 100 µm) Unterschiede auch in DNA-Replikation, Proteinbiosynthese, kleinere Ribosomen, Zellwandaufbau
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• Bestandteile Bakterium Nucleoid (Kernäquivalent, Bereich der DNA aber ohne Membranhülle) Ribosomen (Organellen für Proteinbiosynthese) Cytoplasma Plasmamembran (Membranhülle des Cytoplasmas) Zellwand (dick bei grampositiv, dünn bei gramnegativ) äußere Membran (nur bei gramnegativen) Kapsel (gelartige Außenhülle vieler Bakterien) oder Schleim manchmal: Pili, Flagellen
• Grundformen von Bakterien Spirillen/Spirochaeten Stäbchen (z.B. E. coli) Kokken (z.B. Staphylococcus aureus)
• Aufbau der Zellhülle Cytoplasmamembran Zellwand äußere Membran Kapseln, Schleime Fimbrien, Pili
• Cytoplasmamembran Lipiddoppelschicht Regulation der Fluidität (Cytoplasmamembran muss flüssig gehalten werden) Eurkaryoten: Doppelbindungen bei FS und Cholesterol Prokaryoten: Doppelbindungen bei FS (aber nur eine) --> MO, die ungesättigte FS enthalten, sind an Kälte angepasst --> MO, die eine Ether statt einer Ester-Bindung (hitzelabil) enthalten, sind an Hitze angepasst
• Zellwand Peptidoglykanschicht Funktion: mechanische Struktur, Stabilisierung, gibt dem Bakterium eine Form bei Pflanzen: Cellulose, bei Pilzen: Chitin Peptidoglykan = Murein --> Alleinstellungsmerkmal Glykanstränge, die mit Peptidbindungen verknüpft sind Glykanstrang besteht aus 2 Komponenten: N-Acetylglucosamine (G) und N-Acetylmuraminsäure (M)
• Gramfärbung grampositiv = mächtige Peptidoglykanschicht gramnegativ = dünne Peptidoglykanschicht + zusätzliche äußere Membran --> nicht zu 100% korreliert!
• Äußere Membran nur bei gramnegativen Bakterien Lipopolysaccharid-Schicht = LPS-Schicht Aufbau Lipid A (Endotoxin) Kernpolysaccharid o-spezifische Seitenkette bindet an Glucosamin
• Begeißelungstypen Geißeln/Flagellen = Proteinröhren monopolar monotrich monopolar polytrich bipolar polytrich peritrich
• Was ist das Lauf/Taumel-Verhalten? bei peritrich begeißelten Bakterien Abwechslung von Laufen und Taumeln Taumeln: Rotation im Uhrzeigersinn, Flagellen fliegen auseinander Laufen: Rotation entgegen des Uhrzeigersinns, Flagellen sind gebündelt
• Aufbau einer Flagelle C-Ring MS-Ring und Mot-Proteine und Fli-Proteine P-Ring L-Ring Haken
• Wodurch wird die Geschwindigkeit der Bewegung bestimmt? durch den Strömungswiderstand Re = D x V x L / N D (Dichte des Mediums), N (Viskosität des Mediums) Reynoldszahl zeigt, dass Medium für MO 100x zäher ist als Honig wirkt (Je kleiner die Reynoldszahl, desto viskoser das Medium; bei Bakterien kleine Reynoldszahl) durch die hohe Viskosität kann Bakterium auf der Stelle stehen bleiben
• Taxis Phototaxis (Reaktion auf Licht) Chemotaxis (Reaktion auf Chemikalien)
• Chemotaxis Reaktion auf Chemikalien Lockstoffe: Zucker, AS Schreckstoffe: Schwermetalle, Methanol, Ethanol keine örtliche Orientierung, sondern zeitlich! Konzentrationen der Lockstoffe werden gemessen & regeln das Lauf-Taumel-Verhalten wird die Konzentration höher, wird der Taumel unterdrückt wird die Konzentration niedriger, wird der Taumelreiz früher eingesetzt (umgekehrt bei Schreckstoffen) --> Kapillartest
• Transport durch die Membran Sekundärer Transport (entlang eines Gradienten, reversibel) Diffusion Uniport Symport (ladungsneutral) Antiport primärer Transport (Kopplung mit chemischer Reaktion, oft irreversibel) Phosphotransferasesystem ABC-Transporter
• Wachstum binäre Teilung bei unendlichen Ressourcen/Nährstoffen sind Bakterien potentiell unsterblich Exponentielles Wachstum DNA-Replikation Zellelongation Septumbildung Fertigstellung des Septums und Bildung getrennter Zellwände Trennung der Zellen --> 1 Generation, dauert mind. 20 min
• Generationszeit G Zeit der Zellzahlverdopplung G = t / n (Zeit durch Verdopplungsanzahl)
• Wachstumsrate V = Wachstumsgeschwindigkeit Zunahme der Zellzahl pro Zeiteinheit V = n / t = 1 / g (Verdopplungshäufigkeit / Generationsanzahl) bei Bakterien bedeutet Wachstum Zunahme der Zellzahl, nicht des Organismus!
• Wachstumsphasen lag-Phase (Anpassungsphase) log-Phase / exponentielle Phase (Wachstum) stationäre Phase (ein Nährstoff wirkt limitierend, Kampfstoffausbildung) Absterbephase (Zellzahl sinkt, Stoffwechselprodukte teils toxisch)
• Endosporen entstehen innerhalb der Mutterzelle keine Vermehrungs- sonder Überdauerungsform (Resistenz gegen Hitze, Austrocknung, Säuren --> Überdauerung ungünstiger Umweltbedinungen) stark dehydriert (10-30% Wassergehalt) typische Vertreter: Bacillus subtilis / cereus oder Clostridium tetanii / botulinum (grampositiv)
• Endosporenbildung (Sporulation) asymmetrische Einschnürung der Cytoplasmamembran Trennung der beiden ungleichen Teile durch Plasmamembran; das größere Kompartiment umfließt das kleinere Kompartiment großes Kompartiment umfließt vollständig das kleine Kompartiment (Mutterzelle umfließt Vorspore) zwischen den beiden Kompartimenten bildet sich die Wand der Spore (Cortex = Marker der Endosporenbildung, Dehydrierung --> Peptidoglykan), erhöhte Ca2+-Aufnahme, Bildung von Dipicolinsäure, small acid soluble proteins Proteinschicht wird von Mutterzelle produziert, die sich auf Vorspore anlagert (Reifungsphase, Hitzeresistenz) Lyse der Sporenmutterzelle
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• Energiestoffwechsel: aerob Welche Energiestoffwechselformen gibt es? phototroph (Nutzung von Licht) chemotroph (Nutzung von Redoxprozessen)                   --> chemolitotroph (Oxidation von anorganischen Molekülen)                   --> chemoorganotroph (Oxidation von organischen Molekülen)
• Welche Prozesse sind ATP-Senker (Energieverbraucher)? Biosynthese (Aufbau von Biomasse) Bewegung Membrantransport Regulation
• Gibbs-Energie in kJ / mol --> verfügbare Energie ΔG < 0 = exergon (energieliefernd) ΔG = 0 = reversibel, Reaktionen stehen im Gleichgewicht ΔG > 0 = endergon (energieverbrauchend) wird unter Standardbedingungen gemessen (1 M, 25°C) --> ΔG0 bei pH 7 --> ΔG0'
• Wie viel Energie kostet es die Bakterienzelle, ATP zu generieren? ADP + Pi --> ATP + H2O ΔG0' = 32 kJ / mol ΔG0 = 49 kJ / mol      (Bedingungen innerhalb der Bakterienzelle)
• Wie viel Energie wird aus der Oxidation von Glucose frei? Glc + 6 O2 --> 6 CO2 + 6 H2O                =             C6H12O6 + 6 O2 --> 6 CO2 + 6 H2O ΔG0' = - 2872 kJ/mol --> 2872 kJ/mol / 49 kJ/mol = 58 ATP (könnten theoretisch unter zellulären Bedingungen regeneriert werden) praktisch: nur 34 ATP, Wirkungsgrad 59% (Rest ist Wärmeenergie)
• Wenn kein Sauerstoff als Elektronenakzeptor zur Verfügung steht, welcher Stoff kann dann als Elektronenakzeptor dienen? Nitrat Glc + 12 NO3- --> 6 O2 + 12 NO2- + 6 H2O ΔG0' = - 1983 kJ/mol (zur Erinnerung: mit O2 - 2872 kJ/mol) --> Energiegewinn ist ohne Sauerstoff geringer. Zuerst wird also Sauerstoff verbraucht, erst wenn dieser komplett aufgebraucht ist, schaltet das Bakterium auf alternative Elektronenakzeptor um --> Quelle mit der meisten potentiellen Energie wird zuerst genutzt, danach erst andere (in absteigender Reihenfolge)
• Welche Form des Energiestoffwechsel wird aktiv, wenn kein Elektronenakzeptor mehr vorhanden ist? Gärung (anaerob) Glc --> 2 EtOH + 2 CO2 ΔG0' = - 235 Kj/mol Gärung ist quasi nur eine Alternative, wenn kein Sauerstoff vorhanden ist. Ist Sauerstoff jedoch vorhanden, findet keine Gärung statt! (Sauerstoff wird verbraucht, da höherer Energiegewinn)
• Bilanzierung von Glykolyse, Pyruvat-DH, Citratzyklus und Atmungskette Glykolyse       --> Glucose (Substrat), 2 Pyruvat (Produkte), 2 ATP, 2 [2H] Pyruvat-DH    --> 2 Pyruvat (Sustrate), 2 Acetyl-CoA & 2 CO2 (Produkte), 0 ATP, 2 [2H] Citratzyklus    --> 2 Acetyl-CoA (Substrate), 4 CO2 (Produkte), 2 ATP, 8 [2H] Atmungskette --> 12 [2H] (Substrate), 12 H2O (Produkte), 30 ATP, 0 [2H]

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