Mikrobiologie 2+3 (Mikrobielles Wachstum, Ernährung, Stoffwechsel, mikrobielle Wachstumskontrolle, Stoffwechselregulation)

Bakterien wachsen durch Zweiteilung durch Septumformation. Bei optimalen Umweltbedingungen wachsen Bakterien exponentiell

LAG-PHASE = Phase vor exponentiellem Wachstum

LOG PHASE = jede Zelle in einer Population wächst und weicht ab

STATIONÄRE PHASE = Wachstumsstopps aufgrund von Nährstoffbeschränkungen unddie Ansammlung toxischer Verbindungen, die von den Zellen während des Wachstums produziert werden– wachsende und sterbende Bakterien sind gleichzeitig vorhanden

TODESPHASE = die Anzahl der absterbenden Bakterien übersteigt die Anzahl derWachsende

Mikrobiologen überprüfen ständig wieviel Bakterien im Reagenzglas sind weil man immer mit der gleichen Zelldichte arbeiten möchte. Methoden zur Auszählung:

- Unter dem Mikroskop mithilfe von Kammern zählen

- Spektroskopische Methode: Man nimmt etwas aus der Bakterienkultur raus und steckt die Probe ins Spektrometer. Und man misst Streulicht der Bakterien.

• Makronährstoffe: C/N/P/S/H/K/Mg/Ca/Na/Fe

• Mikronährstoffe: Spurenelemente

•Temperatur

•Ph

•Sauerstoffversorgung

• Wasseraktivität (Luftfeuchtigkeit) 

• Quellen

o C → Organische Substanzen (Zucker, etc)

o H → in der Regel von Wasser

o O → Organische Moleküle

o N → Ammoniak/Nitrat/molekularer Stickstoff (oder Salze im Labor → wie viele andere Makronährstoffe)

o Spurenelemente → brauchen sie für Enzyme (meist gebunden im aktiven Zentrum),

o Vitamine → Bestandteil von Enzymen – Co-Enzyme, müssen auch zugegeben werden (wir müssen sie aufnehmen, Bakterien können sie häufig selbst herstellen)

z.B. E. Coli (prototroph, kann alle Zellbestandteile selbst herstellen – wenn Nährstoffe gegeben)

o viele anorganische Salze, Glucose als C-Quelle, sowie Spurenelemente

o wächst nicht so gut wie in einem Vollmedium → LB z.B. (Glucose, Hefeextrakt (ist alles drinnen was MOS brauchen zum Wachsen), wächst hier besser, da es sich nicht alles selbst herstellen mus

Dient zur Erzeugung von ATP. Metabolismus welcher Makromoleküle (Zucker, AS, Fettsäuren) umsetzt in ATP

o Je niedriger – umso höher die Bereitschaft Elektronen abzugeben

o Umso höher – umso höher die Bereitschaft Elektronen aufzunehmen

o Fließen immer in Richtung des Redoxpotenzials

o Wenn Elektronen über Redoxpotenzial fließen, können sie an verschiedene Redoxsysteme weitergegeben werden (an Membran wird Membranpotenzial aufgebaut – oxidative Phosphorylierung)

o Fluss bringt energetisch am meisten ATP

-> ELEKTRONENTURM

Auf 2 Arten:

- Substratkettenphosphorylierung: Beim fließen von Elektronen von einem Reduktionsmittel (Elektronendonator) zu einem Oxidationsmittel (Elektronenakzeptor) wird aus ADP ATP gewonnen

- Oxidative Phosphorylierung: Funktioniert auf Kosten des Membranpotentials. Hier kann Energie durch ATPasen (in der Membran) gewonnen werden.

→ sind Redoxmittel, welche Elektronen abgeben und aufnehmen können (können oxidiert und reduziert werden), ist es protoniert, ist es NADH – Reduktionsäquivalente

o Wichtig → viele Stoffumsätze funktionieren über Oxidation/Reduktion (protoniert/deprotoniert, oxidiert/reduziert)

o NAD+ führt zu Deprotonierung

o NADH führt zu Protonierung

o Ohne diese würden diese Reaktionen, welche in vielen Synthesen nötig sind, nicht funktionieren

→ Anhydridbindung (wie ATP), kann leicht gespalten werden und Energie abgeben

→ hochreaktiv, kann ebenfalls Energie abgeben

1) Aus Glykose wird durch das Enzym Hexokinase zu Glykose 6 Phosphat, durch Phosphorylierung mit ATP. Ein Phosphat von ATP wird auf die Glykose übertragen und es bleibt ADP.

2) Glukose 6 Phosphat wird durch Isomerase zu Fructose 6 Phosphat, durch Umbau.

3) Fructose 6 Phosphat wird durch Phosphofructokinase durch Phosphorylierung von ATP zu Fructose 1,6 bisphosphat.

4) Fructose 1,6 bisphosphat wird von Enzym Aldolase in 2 Moleküle aufgespalten: Dihydroxyacetonphosphat und Glyceraldehyde-3-Phosphat. Glyceraldehyde-3-Phosphat wird weiterabgebaut und ist somit wichtig! - ab hier beginnt die eigentliche Energiegewinnung!!

5) Glyceraldehyde-3-Phosphat wird zu 1,3-Bisphosphoglycerate und es entsteht aus NAD+ ->NADH

6) 1,3-Bisphosphoglycerate wird zu 3- Phosphoglycerate durch Phosphoglycerokinase wird ADP zu ATP.

7) 3- Phosphoglycerate wird zu 2- Phosphoglycerate

8) 2- Phosphoglycerate durch Enolase zu Phosphoenolpyruvate

9) Durch die Pyruvatekinase wird ADP zu ATP und Phosphoenolpyruvate zu Pyruvate

1. Glykolyse

2. Citratzyklus

3. oxidative Phosphorylierung

wenn kein Sauerstoff vorhanden ist findes Milchsäuregärung oder alkoholische Gärung statt

Ein Glucose Molekül wird zu zwei Lactat Molekülen unter der Gewinnung von zwei ATP umgebaut

Ein Glucose Molekül wird zu einem Lactat, einem CO² und einem Ethanol Molekül unter der Gewinnung von einem ATP umgebaut.

Findet in der Mitochondrienmatrix statt!

Benannt nach Hans A. Krebs, grundlegender Stoffwechselvorgang in allen Organismen

- Findet in den Mitochondrien statt

- Restlose Verwertung von Acetyl CoA (bleibt bei der Verwertung von Pyruvat übrig)

- Kreislauf beginnt mit der Einschleusung des Acetyl CoA in den Kreislauf

- Hierbei werden in verschiedenen Schritten die verschiedenen Säuren oxidiert, hydriert und dehydriert

- Endprodukte des Kreislaufs sind:

• 2CO²
• GTP wird zu ATP umgewandelt
• FADH2
• 3NADH/H+ GTP wird zu Konformationsänderung von Proteinen benötigt!!

Oxidative Phophorylierung findet in der Zellmembran statt!

1) 4 Große Molekülkomplexe die von Elektronen durchlaufen werden

• a. Elektronen werden entweder von NADH+H oder FADH2 Taxis angeliefert (NADH setzt sie bei Complex 1 und FAD bei Complex 2 ab)
• b. Diese Molekülkomplexe (1-4) bilden ein Redoxgefälle (ihre Elektronegativität nimmt stetig zu, sie halten Elektronen immer besser fest)

2) Energie wird so Stück für Stück freigesetzt

3) Durch den ständigen Transport der Elektronen werden auch Protonen benötigt, diese möchten nach ihrem Gebrauch wieder zurück ins Innere der Mitochondrien Membran

4) Hier kommt die sogenannte ATP Synthase ins Spiel: Sie nutzt die Energie der durchströmenden Protonen und wandelt so ADP in ATP um.

38 ATP pro Glucose Molekül!

Anaerobe Atmung kann unter Abwesenheit von Sauerstoff ablaufen.

• Anaerobier produzieren während der anaeroben Atmung den universalen Energieträger Adenosintriphosphat (ATP).
• Gärung gehört nicht zu den anaeroben Vorgängen. Bakterien benötigen keine sauerstoffhaltige Umgebung Der terminale Elektronenakzeptor ist nicht Sauerstoff, sondern zum Beispiel Sulfat, Nitrat (Nitratatmung), können aber auch organische Akzeptoren sein.

• Aerobe Atmung kann nur unter Anwesenheit von elementarem Sauerstoff ablaufen.
• Aerobier produzieren während der aeroben Atmung den wichtigen Energieträger ATP.
• Die Elektronenakzeptoren sind immer O2

Chemoorganotrophe Organismen üben aerobe oder anaerobe Atmung aus - Verwenden eine organische Verbindung als Elektronendonator (z.B.: Glucose);

kommt nur bei Bakterien zum Einsatz, benutzen anorganische Substanzen als Elektronendonator, können sowohl anorganische Substanzen als auch Sauerstoff als Elektronenakzeptoren veerwenden

Bekommen C02 aus der Luft und fixieren diesen über den Calvin Zyklus (Dunkelreaktion) – keine organischen Stoffe werden benötigt

Bakterien wachsen aufgrund der geringen Energiegewinnung langsamer -> ATP Gewinnung niedriger

Verwenden Licht als Elektronendonator; beim phototrophen Metabolismus stammt der Kohlenstoff für die Biosynthese aus dem CO2 (Photoautotrophie) oder von organischen Verbindungen (Photoheterotrophie). Der Protonentransport führt zur Bildung der protonenmotorischen Kraft.

Oxygene Photsynthese: Diese Form der Photosynthese wird wegen der Freisetzung von Sauerstoff als oxygene Photosynthese bezeichnet.

Anoxygene Photsynthese: Am Ende wird nicht Sauerstoff, sondern z.B.: Schwefel. Eisenion oder Nitrat freigesetzt

• Temperatur
• PH-Wert
• Salz (Osmolarität)
• Sauerstoff Verfügbarkeit
• Wasseraktivität

Die meisten photogenen Bakterien wachsen und leben am besten bei Körpertemperatur

- Psychrophil 4°C

- Mesophil 39°C

- Thermophil 60°C

- Hyperthermophil 88°C/106°C

Die meisten Bakterien wachsen am besten bei einem pH-Wert zwischen 6 und 7.

Acidophilen Bakterien leben in sauren Medien und akaliphile Bakterien in basischen Medien

Die meisten pathogenen Bakterien sind nicht halophyl (nicht salzliebend)

Halobakterien sind salzliebende Bakterien, besitzen Rodopsin in der Membran, welches für eine rote Farbe verantwortlich ist

Halophile → bis zu 3 Molar

Extreme Halophile → bis zu 45 Molar Salz

(a) Obligataerobe Bakterien wachsen nur an der Oberfläche

(b) Obligatanaerobe Bakterien wachsen nur ganz unten

(c) Ecoli wächst überall

Für strikt anaerobe Bakterien toxisch → Clostridien

Gemeint ist die Feuchtigkeit. Viele Bakterien brauchen Feuchtigkeit um zu wachsen.

• Hitze
• Pasteurisation
• Filtration
• Chemische Wachstumskontrolle
• Desinfektion
• Ionisierende Strahlung

Autoklaven werden im Labor verwendet um Objekte keimfrei zu machen. Gespannter Wasserdampf (destillierter Wasserdampf) reinigt Objekte bei 120 Grad. Sporen und vegetative Zellen werden abgetötet.

Hauptzielorte in der Zelle: 

• Zellwand (Zellwandsynthese) 
• Enzyme
• Lipide
• Hemmung der Proteinbiosynthese

• Antibiotikum kann durch Enzyme zerstört werden
• Aufnahme wird verhindert (Modifikation von Antibiotika)
• Efflux (ABC-Transporter schleusen Antibiotika wieder aus der Zelle heraus)
• Veränderung im Zielort (Wenn Mutation auftritt, greift Antibiotika nicht mehr)

Infektionen die man sich im Krankenhaus einfängt

Pseudomonas können sämtliche Teile des Körpers befallen.

Regulation kann auf Ebenen ablaufen 

• Transkription
• Translation
• Protein bzw Enzymaktiviät

- Helix-turn-helix

- Zinc finger

- Leucine zipper

Diese unterscheiden sich in ihrer Struktur. DNA-bindende Proteine welche spezifisch für ein Gen sind, binden an DNA und bestimmen somit welches Gen transkribiert werden soll.

- lac-Operon

- arg-Operon

- Maltose operon

• Stringent response

• alternative Sigmafaktoren

• DNA-Binding Proteins

• Quorum sensing (System bei dem Gene angeschaltet werden)

• Zwei Komponenten System

• Transkriptionale Attenuation

Wenn es Bakterien schlecht geht (Nährstoff Mangel) wird das Produkt ppGpp gebildet. Wenn genügend geladene tRNAs vorhanden sind erfolgt eine normale Translation, wenn eine ungeladene (ohne Aminosäure) tRNA in der A-Stelle des Ribosoms ankommt, bleibt das Ribosom stehen und die Translation stoppt. RelA sitzt am Ribosom und erstellt mit ATP und GTP ppGpp. Dieses bindet an die RNA-Polymerase und hemmt damit die rRNA und tRNA Synthese

-> Die Zelle begibt sich in eine Art Winterschlaf, Energiesparmodus

Sensor Kinase und Response Regulator sind zwei Proteine die die Transkription regulieren können. Sensor Kinase wird aufgrund eines Umwelteinflusses phosphoryliert und sie phosphoryliert wiederum den Response Regulator. Dieser bindet ausschließlich phosphoryliert an DNA

-> Konformationsänderung des Proteins (Response Regulator) und die Transkription wird blockiert.

(a) Bakterien können über Quorum Sensing System miteinander kommunizieren, wenn hohen Dichten von Bakterien bestehen

(b) Signal Moleküle (bei Gram- -> Homoserin Lacton) werden ausgeschüttet

(c) diese Moleküle werden von anderen Zellen aufgenommen und binden dort an Response Regulatoren, welche wiederum ein Set von Genen anschalten (z.B.: AHL (Homoserin Lacton) Synthase)

Als transkriptionelle Attenuation wird eine Form der Regulation der Genexpression bei Prokaryoten bezeichnet, mit der eine begonnene Transkription vorzeitig abgebrochen werden kann.

Der Transkriptionsvorgang wird hierbei beendet, indem die transkribierende RNA-Polymerase von der DNA-Vorlage getrennt wird, wenn infolge von Wechselwirkungen innerhalb des soeben aufgebauten mRNA-Anfangsbereichs durch interne Basenpaarung eine Haarnadelstruktur gebildet wird an der Terminatorstelle, dem Attenuator.

Allerdings ist diese terminierende Schleifenbildung (Loop-Struktur) in der Sekundärstruktur der mRNA nicht möglich bei bestimmten Positionen eines gleichzeitig voranschreitenden und die entstehende mRNA translatierenden Ribosoms.

Diese Positionen nimmt das Ribosom aber nur ein bei einer verzögerten Translation, erst deren Verzögerung erlaubt somit die Fortsetzung der Transkription über den Attenuatorbereich hinaus.

Verzögert wird der Translationsprozess etwa, wenn nicht prompt eine mit der spezifischen Aminosäure beladene tRNAverfügbar ist, da die betreffende Aminosäure nur in geringer Konzentration in der Zelle vorliegt.

Unterschiedliche Sigma-Faktoren erkennen spezifische Sequenzen mit verschiedenen Funktionen in der DNA.

Katabolit-Aktivatorprotein (CAP) wirkt als Glukosesensor. Es aktiviert die Transkription von das Operon, aber nur, wenn der Glukosespiegel Niedrig. CAP spürt Glukose indirekt, durch das "Hungersignal"-Molekül cAMP

Diauxic Wachstum ... ist das Phänomen, bei dem eine Population von Mikroben, wenn sie mit zwei Kohlenstoff präsentiert werden Quellen, zeigt biphasisches exponentielles Wachstum unterbrochen durch eine Verzögerungsphase minimalen Wachstums.

Aufgrund der möglichsten kurzen Reaktionszeit auf Umwelteinflüsse, muss die Zelle möglichst schnell auf potenzielle Angreifer (etc.) reagieren können. Dazu werden bereits transkribierte mRNAs nicht sofort translatiert, sondern in Bereitschaft gehalten um bei Bedarf synthetisiert zu werden.

Inaktivierung: sRNA binden an mRNA und verhindern das Binden des Ribosoms

-> Translation kann nicht durchgeführt werden

Aktivierung: mRNA verändert aufgrund von Umweltflüssen (Stress) ihre Struktur, dadurch kann das Ribosom nicht mehr binden, die sRNA biegt die mRNA so auf, dass das Ribosom wieder binden kann und die benötigten Proteine synthetisiert werden

Können auf Transkriptions- und Translationsebene stattfinden. Transkription: Wenn genug von einer AS in der Zelle vorhanden ist, kann die AS selbst an die mRNA binden, diese umfalten und somit die Transkripition stoppen (POLYMERASE KANN NICHT BINDEN) 

-> Eine andere Art der Transkriptionalen Attinuation

-> OHNE LEADER PEPTID

Translation: Wenn genug von einer AS in der Zelle vorhanden ist, kann die AS selbst an die RNA binden, diese umfalten und somit die Translation stoppen (RIBOSOM KANN NICHT BINDEN)

Alles passiert ohne Proteinfaktoren!

- Allosterische Feedback Hemmung

- Enzymhemmung durch Phosphorylierung

Substrat kann Enzym nicht binden, wenn ein Allosteric Effector (Allosterie = Veränderung der Konformation) vorhanden ist, dieser ist z.B.: das Endprodukt selbst -> dadurch wird die Enzymwirkung gehemmt.

Phosphor wird auf Enzym übertragen und ändert Konformation 

-> Wird das Enzym inaktiv

Anaerober Teil der Glykolyse. Glukose wird aufgenommen & durch Zugabe eines ATPs unter Abspaltung eines ADPs zu Glukose-6-Phosphat → wird in Fruktose-6- Phosphat umgewandelt→ durch Zugabe eines ATPs unter Abspaltung eines ADPs zu Fruktose-1,6-Phosphat→ daraus entstehen 2 Glyceraldehyd-3-Phosphate → siehe Graphik→ es entstehen 2 Pyruvat