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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