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Vorlesung Mikrobiologie

• Was sind Mikroorganismen

• Aufbau der prokaryontischen Zelle

• Aufbau der eukaryontischen Zelle

Verwendete Bilder aus folgenden Büchern…….

eigene und von Kollegen

Cypionka: „Mikrobiologie“, Springer

Schlegel: „Allgemeine Mikrobiologie“, Thieme

Brock: „Microbiology“, Prentice Hall

Gunning&Steer: „Biologie der Pflanzenzelle“, Fischer

Ude&Koch: „Die Zelle“, Fischer

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Mikroorganismen

• alles, was „mikroskopisch“ klein ist

• kleiner als das Auflösungsvermögen des menschlichenAuges (dAuge ca. 100 µm)

• kleine Dimensionen: 1 m = 103 mm1 mm = 103 µm1 µm = 103 nm

•aber: fließende Übergänge…….

Acetabularia eine Zelle!!

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Wichtige Hilfsmittel in der Mikrobiologie

• Lichtmikroskopie Hellfeld (HF) Phasenkontrast (PhaKo)

Dunkelfeld (DF)Diff. Interferenzkontrast (DIK)(Auto-)Fluoreszenz (Fl)Färbungen

• Rasterelektronenmikroskopie

•Transmissionselektronenmikroskopie

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• Anreicherungs-/Reinkulturen

• Biochemische Techniken

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• Molekularbiologische Techniken

Gilson & McFadden, Bioassays 19(2), 167-173 (1997) Fraunholz et al. Pl.Sys.Evol. [Suppl.] 11, 163-174 (1997)

18 S rDNA Nukleomorph

18 S rDNA Kern

Mikroorganismen

Prokaryo(n)ten: - Eubakterien

- Archaea

Eukaryo(n)ten: - Pilze/Flechten

- Algen/Pflanzen

- Protozoa/Tiere

nein

Zellkern

(Nukleus)

ja

ja

ja

nein

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Eubakterien

a-Proteobakterien, gram (-) (I)ß-Proteobakterien, gram (-) (I)?-Proteobakterien, gram (-) (I)d-Proteobakterien, gram (-) (I)gram(+) low G+C (II)gram (+) high G+C (II)Cyanobacterien, Prochlorophyten (III)Chlamydien (IV)Planctomyces, Pirella (V)Bacteroides, Flavobakteria (VI)Grüne S-Bakterien (VII)Spirochaeten (VIII)Deinococcen (IX)Grüne Nicht-S-Bakterien (X)Hyperthermophile (XI, XII, XIII)

heute:

• Diplomonaden• Microsporidia• Trichomonaden (Trichomonas vaginalis)• Trypanosomen (Trypanosoma cruci)• Euglenophyten (Euglena gracilis, Augentierchen)• Schleimpilze• Ciliaten (Paramecium, Pantoffeltierchen)• Dinoflagellaten• Chromophyten (Kieselalgen, Braunalgen,….)• Rotalgen• Grünalgen (Chlamydomonas, Volvox, Ulva,…)• Pilze (Hefen, Steinpilz,….)• Moose, Farne• Höhere Pflanzen• Tiere

Eukaryonten

früher:

• Algen• Pilze• Protozoen• Pflanzen• Tiere

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Typische Bestandteile einer eubakteriellen ZelleZellwand (10-80 nm)(u.U. Schleimkapsel)

Cytoplasmamembran (8nm) u.U. Pili (Pilus)

Genom (Nukleoid, DNA)Ribosomen

Cytoplasma

u.U. Gasvesikel u.U. Fimbrien

u.U. Speicherstoffe

u.U. Endomembransysteme u.U. Geißeln (Flagellum, Flagella)

u.U. Plasmide, Episomen, F-Faktoren (DNA)

i.d.R. wenige (1-2) µm lang, breit oder im Durchmesser !!

Typische Bestandteile einer eukaryontischen ZelleMitochondrium (Mitochondrien) ZellwandEndoplasmatisches Retikulum (bei Pflanzen)

Zellkern (Nukleus)

Cytoplasmamembran GeißelRibosomen (Fimbrien, Cirren)

Golgi-Apparat

Reservestoffe

bei Pflanzen: Vakuole(n)

bei Pflanzen: Chloroplasten (Plastiden)

Größe: i.d.R. > 10 µm, aber: > 2 µm (Nanoflagellaten)

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Wichtiges Unterscheidungskriterium:Eukaryonten sind komplizierter aufgebaut als

Prokaryonten!!!

u.U. komplexStäbchen, Coccen,Spirillen

Form

EukaryontenProkaryonten

jai.d.R. nichtKompartimentierung

vielekeineZellorganellen

i.d.R. > 10 µmi.d.R. < 2 µmGröße

• Kompartimente (Organellen) sind membranumschlosseneReaktionsräume mit unterschiedlichen Funktionen

• Kompartimente (Organellen) ermöglichen die zeitliche und räumlicheTrennung von Stoffwechselprozessen

Unterscheidungsmerkmal Größe und seine Folgen

0,29 : 13 : 1O/V

++

(h, d)

+++++

(20 min)

Wachstum

Verdopplungszeit

+++++++Stoffwechsel

Stoffaustausch

ca. 4200 µm3ca. 4,2 µm3Volumen (V)

4/3 pr3

ca. 1200 µm2ca. 12,6 µm2Oberfläche (O)

4pr2

20 µm2 µmDurchmesser (D)

EukaryontProkaryont

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typisch prokaryontische Zellfortsätze !!!!!

Fimbrien: Adhaesion, Anheftung3-25 nm Durchmesserbis ca. 12 µm lang

Pili: Austausch von DNA (Sexpili, F-Pili)Adhaesion, Anheftung,Bewegung,3-25 nm Durchmesserbis ca. 12 µm lang

Hohlzylinder aus Proteinen (Pilin)

Prokaryontische Geißel (Flagellum)

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Begeißelung: monotrich

polytrich

polar

bipolar (amphitrich)

lateral

peritrich

lophotrich

clock wise (CW)gerichtetes

Vorwärtsschwimmen

counter clock wise (CCW)Taumelbewegung

Reaktion auf: Nährstoffe, GifteLicht, Gase (O2),Magnetfeld

Gradienten

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Eukaryontische Geißel (Flagellum, Fimbrien,Cilien, Cirren)

Wichtiges Unterscheidungskriterium: Geißeln

neinjaProtein-Hohlzylinder

ca. 500 nm18-20 nmDurchmesser

Polymerisation in derZelle, Centriol

Polymerisation außerhalbder Zelle

Synthese

mehrere µmbis ca. 20 µmLänge

ja (Dynein)nein, mittels Hakenaktive Eigenbewegung

Tubulin (9+2), Dynein,

Membran-umschlossen

Flagellinbesteht aus

jaNeinvon Cytoplasmamembranumgeben

EukaryontenProkaryonten

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weitere Arten der Bewegung:

Gasvesikel: - Auftrieb, Abtrieb in der Wassersäuledurch Aufbau, bzw. Abbau d. GV- mit Gasgemisch gefüllte Proteinröhren

Gleitende B.: - kriechende B. auf festem Substrat- Ausscheiden von Schleim, oder- mittels Pili

Schwebende B.:- via Fetttröpfchen (Auftrieb)- via Zell-, Schwebefortsätze

Pro- Eu-karyonten

+ -

+ +

(-) +

Gasvesikel

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Gleitende Bewegung

• Exoskelett (Fußballleder um aufgeblasenen Gummiballon)

• wichtig für Osmoresistenz

• verleiht Form (Prokaryonten)

• wichtig für die Bewegung (bei Prokaryonten)

• kann auch fehlen (Milieu-abhängig, Kontraktile Vakuolen inEukaryonten)

Zellwand

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Speicherstoffe

• Polyphosphate z.B. „Voluntingranula“

• Schwefel

• Proteine z.B. „Cyanophycin-Granula“

• Polysaccharide GlykogenStärkeAmylopektin

• Fette, Lipidtröpfchen

• Poly-ß-Hydroxybuttersäure

Pro- Eu-karyonten

+ +

+ -

+ +

+ +

+ +

+ -

Cytoplasmamembran

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• Membranen von Eubakterien und Eukaryonten sind Lipid-Bilayer• Membranlipide i.d.R. mit P-Glycerinester

• Membranen von Archaea sind Lipid-Monolayer oder ein Mix ausMono- und Bilayer• Membranlipide i.d.R. mit P-Glycerinether

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Funktionen der Cytoplasmamembran

• Permeabilitätsbarriere

• Kontrollierter Stoffaustausch

• Verankerung (Geißel, Proteine)

• Aufbau von Gradienten

• „Bindeglied zur Umwelt“

Der Stofftransport erfolgt in derRegel über spezialisierte(Membran-)Proteine: Transporter

• erleichterte Diffusion

• aktiver Transport

• Uniport

• Antiport

•Symport

•Gruppentranslokation

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+++/-Lipid-Bilayer

EukaryontenEubakterienArchaea

C16, C18, SteroleC16, C18, C30-Hopanoide

-Fettsäuren

--+

C20-, C40-Verbindungen mit

Isopren alsGrundbaustein

++-Glycerinesther

--+Glycerin-Diether,

Glycerin-Tetraether

--+Lipid-Monolayer

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Nahrungsaufnahme

++Transporter

++Exoenzyme

+-Phagocytose

+-Pinocytose

EukaryontenProkaryonten

Prokaryonten-Genom (DNA): Nukleoid

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Eukaryonten-Genom: Nukleus, Zellkern

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zeitlich und räumlichgetrennt!!!

gleichzeitig! keine räumlicheTrennung!!

Transkription/Translation

Plastiden-DNA

Mitochondriale DNA,

Mini-Circles

Plasmide

(Episome, F-Faktoren)

Extrachromosomale DNA

i.d.R. ja; Histone(Nukleosomen)

i.d.R. neinAssoziation mit Proteinen

haploid, diploid, polyploidi.d.R. wenige KopienKopienzahl

i.d.R. viel größer (107-1012

bp), (Mensch: 2,9x109 bp)ca. 5x105–10x106 bpGröße

i.d.R. mehrere, lineare,doppelsträngige DNA

Moleküle (Chromosomen),Telomere an den Enden

i.d.R. ringförmige,geschlossene (circuläre),

doppelsträngige DNA(supercoiled)

Aufbau

von Kernhülle umgeben,

2 Membranen!!, Kernporen!!

frei im Cytoplasma

(Centroplasma)Lokalisation

Nukleus (Zellkern)NukleoidDNA

EukaryontenProkaryonten

• oft sehr komplex!!!

• Meiose

• Gameten, Gametophyten,

• Zygoten, Sporophyten

• i.d.R. primitiv!!!!

• F-Duktion (Bakteriophagen),

• Konjugation (Sex-Pili),

• Aufnahme freier DNA(Transformation)

sexuelle

Vermehrung

• Regulatorische Funktionen (z.B.Promotoren),

• mRNA,

• tRNA,

• rRNA

• sehr viel unwichtige, nichtfunktionelle (junk) DNA

• Regulatorische Funktionen (z.B.Promotoren),

• mRNA (kodiert für Proteine),

• tRNA (transfer RNA),

• rRNA (ribosomale RNA)

• nur wenig unwichtige, nichtfunktionelle DNA

DNA

• Mitose

• i.d.R. Zweiteilung,

• Knospung,

• Sprossung,

• (multiple) „Endosporenbildung“

• i.d.R. Zweiteilung

• Knospung,

• Sprossung,

• (multiple) Endosporenbildung

asexuelle

Vermehrung

EukaryontenProkaryonten

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Ribosomen:

Ribosomen:

•Ort der Translation (Proteinbiosynthese)

• ca. 104 pro Zelle

• frei im Cytoplasma, oder…..in Eukaryontischen Zellen….

• assoziiert mit Endoplasmatischem Retikulum (ER)(rauhes ER, rER, granuläres ER, GER)

• Merke: Ribosomen in Mitochondrien und Chloroplasten

• Target für in situ Hybridisierung (FISH)

• wichtig für phylogenetische Untersuchungen (16S/18S rRNA)

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40S-UE: 18S

60S-UE: 5S, 5.8S,28S

30S-UE: 16S

50S-UE: 5S, 23S

30S-UE: 16S

50S-UE: 5S, 23S

ribosomale RNA

(rRNA)

40S-UE: ca. 30 (S1,S2,….)

60S-UE: ca. 50 (L1,L2,….)

30S-UE: ca. 21 (S1,S2,….)

50S-UE: ca. 34(L1, L2,….)

30S-UE: ca. 21 (S1,S2,….)

50S-UE: ca. 34 (L1,L2,….)

ribosomaleProteine

CycloheximidChloramphenicol

Streptomycin

Hemmstoffe

40S + 60S

Untereinheit

30S + 50S

Untereinheit

30S + 50S

Untereinheit (UE)

zusammengesetztaus….

80 S70 S70 STyp

EukaryontenEubakterienArchaeaRibosomen

Typische eukaryontische Kompartimente

• Cytoskelett (Zellform)

• Spindelapparat (Mitose, Geißelbau)

• Organellen (Zellkern, Geißel, Endoplasmatisches Retikulum,Golgi-Apparat, Mitochondrium, Chloroplast)

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Endoplasmatisches Retikulum (ER)

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granuläres ER (GER), rauhes ER (RER)

• mit 80S Ribosomen besetzt

• in Verbindung mit der Kernhülle

• Proteinsynthese in den Innenraum des ER (Lumen)

• Proteinsekretion via GER ? Golgi ? nach draußen ! Chloroplasten (Ausnahme)

• Modifikation von Proteinen

agranuläres ER, glattes ER, smooth ER (SER)

• ohne Ribosomenbesatz

• mit Enzymen für den Lipidstoffwechsel

• Ca2+ Speicher (Muskeln)

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Golgi-Apparat

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Golgi-Apparat:• eng mit dem ER assoziiert (transitional vesicles)

• asymmetrisch gebaut (cis-, trans-site)

• Modifikation von Proteinen (Glykosylierung,Aktivierung durch limitierte Proteolyse)

• „sorting“ von abbauenden Enzymen (Lysosomen),sekretorischen Enzymen (Exoenzyme)

• Ausschleusen von Substanzen (Sekretion)

• S Dictyosome = Golgi-Apparat

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Mitochondrium(Mz: Mitochondrien)

• zwei Hüllmembranen (OME, IME)

• innere Membran (Cristae, Tubuli) spezialisiertfür Energiekonversion (ATP-Synthese,Atmungskette)

• inneres „Cytoplasma“ (Matrix): Citrat-Cyclus,Fettsäure-Metabolismus, ß-Oxidation vonFettsäuren, Synthese v. Steroiden

• mit circulärer, doppelsträngiger DNA, frei in derMatrix

• mit 70S Ribosomen

• mit eigenen Transkriptions- undTranslationsapparat

• nur wenige mitochondriale Proteine werdenauch mitochondrial kodiert

• daher: Import von im Zellkern kodiertenProteinen über beide Hüllmembranen

• semiautonomes Zellorganell !!!!

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Chloroplasten

StromaGranumGrana(-thylakoide)Stroma(-thylakoide)(Thylakoid-)Lumen

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• zwei Hüllmembranen (OCE, ICE)

• internes Membransystem (Thylakoide)spezialisiert für Photosynthese (Chlorophylle,Carotinoide, Photosysteme) undEnergiekonversion (ATP-Synthese)

• inneres „Cytoplasma“ (Stroma): CO2-Fixierung(Calvin Cyclus), Lipidsynthese, Stärkespeicherung

• mit circulärer, doppelsträngiger DNA, frei imStroma

• mit eigenem Transkriptionsapparat

• mit 70S Ribosomen

• mit eigenem Translationsapparat

• nur wenige plastidäre Proteine werden auchplastidär kodiert

• daher: Import von im Zellkern kodiertenProteinen in die Plastiden

• semiautonomes Zellorganell !!!!

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Endosymbionten-Theorie

da Chloroplasten und Mitochondrien….

• (70S) Ribosomen, eigenen Translationsapparat

• eigene RNA, eigenen Transkriptionsapparat

• eigene (circuläre, histonfreie) DNA, eigenenReplikationsapparat

enthalten…..könnten sie von Bakterien abstammen!!!!

16S rDNA phylogenetische Untersuchungen beweisen es !!!

aber:Semiautonomie!!!!Abhängigkeit vom Zellkern!!!!Gentransfer: Organell ? Zellkern