Vorlesung Allgemeine Mikrobiologie

(1)

Fr 8 – 10, W3-1-156

Vorlesung

Allgemeine Mikrobiologie

Terminplan

21.10.05 Einführung, Wachstum, H. Cypionka 28.10.05 Zellen der Pro- und Eukaryoten, E. Rhiel 04.11.05 Zellwände, E. Rhiel

11.11.05 Evolution und phylogenetischer Stammbaum, T. Brinkhoff 18.11.05 Ausgewählte Prokaryoten, B. Engelen

25.11.05 Ausgewählte Prokaryoten, B. Engelen 02.12.05 Ausgewählte Prokaryoten, M. Könneke 09.12.05 Ausgewählte Prokaryoten, M. Könneke 16.12.05 Viren, M. Müller

13.01.06 Angewandte Mikrobiologie, L. Berthe-Corti 20.01.06 Angewandte Mikrobiologie, L. Berthe-Corti

27.01.06 Cyanobakterien, K. Palinska 03.02.06 Pilze, A. Gorbushina 10.02.06 Abschlussklausur

Terminplan

(2)

Was ist Mikrobiologie? Was ist Mikrobiologie

Weitere Infos und Folien unter www.icbm.de/pmbio - - - > Teaching

• VL Allg. Mikrobiologie

• andere Lehrveranstaltungen

• Tipps für Protokolle...

• Mikrobiologischer Garten . . .

weitere Infos

(3)

Madigan et al.: Brock. Biologie der Mikroorganismen Munk, Mikrobiologie

Fritsche, Mikrobiologie

http://www.bact.wisc.edu/Microtextbook/

www.grundlagen-der-mikrobiologie.de

Grundlagen der Mikrobiologie

(4)

Wachstumsexperiment

Wattestopfen Erlenmeyer-Kolben Wasser Magnetstäbchen

Sterilisation von Gasen

Autoklavieren oder Sterilfiltration von Flüssigkeiten

Rolle von Wasser Durchmischung: Rolle von Sauerstoff

Wovon sollen die Bakterien wachsen?

Wachstumsexperiment

Glucose

C ₆ H ₁₂ O ₆ , <CH ₂ O> ₆ , MW 180 g

Glucose

Genügen Wasser und ein einziges

Substrat zum Wachstum einer Kultur?

(5)

Definiertes Kulturmedium

Komponente Konzentration Versorgung mit mM (= mmol/l)

Destilliertes Wasser ≈55 000 Wasser

KH ₂ PO ₄ 2 K, P

NH ₄ Cl 10 N

MgSO ₄ 2 Mg, S

(NaCl 1 – 350 Na und Cl bei

marinen Organismen)

FeSO ₄ 0.01 Fe

CaCl ₂ 0.01 Ca

Spurenelement- Cu, Mn, Mo, Zn,

Lösung <0.001 Co, Ni, Se ... im

katalytischen Zentrum einiger Enzyme

z.B. Glucose 10 C- und Energiequelle pH-Wert auf 7.0 einstellen durch Zusatz von Puffer:

z.B. Phosphat, je 15 mM KH ₂ PO ₄ und K ₂ HPO ₄ oder

Bicarbonat, je 15 mM NaHCO ₃ und CO ₂ (≈ 20 % CO ₂ i.d. Gasphase)

Wichtige limitierende Faktoren in der Natur unterstrichen.

Kulturmedium

Schritte im

Wachstumsprozess

• Aufnahme von Glucose => Detektion, Signalkette, Induktion von Transport- systemen und Enzymen

• Aufnahme unter gleichzeitiger Veränderung des Moleküls

(Aktivierung durch Phosphatgruppe) oder auch zusammen mit Na ⁺ -Ionen

=> Investition von Energie, bevor Wachstum einsetzt

Wachstumsprozess 1

(6)

Schritte im

Wachstumsprozess

• Metabolismus

von Glucose => Umbau und Einbau in die Biomasse,

Anabolismus, Assimilation, Biosynthese

=> Abbau zum Zweck der Energiegewinnung, Katabolismus, Dissimilation, Destruktion

Wachstumsprozess 2

≈30 %

≈70 %

z. Vgl. Student:

0% / 100%

Erhaltungsstoffwechsel

Metabolismus eines organoheterotrophen Aerobiers

=> Substrat dient als Baustoff und Brennstoff

Metabolismus Transport-

systeme

Anabolismus Katabolismus

Beteiligung von O

₂

im letzten Schritt

Cytoplasma- Membran

=> Oxidation zu CO ₂ ohne Beteiligung von O ₂

=> Transportsysteme Wesentlich für Energiestoffwechsel

Atmungs- kette

=> Anabolismus divergent

Katabolismus konvergent

(7)

+ - + - + - + - + - + -

Prinzip der chemiosmotischen Energiekonservierung

=> Ein Bakterium enthält nur 6 freie Protonen, kann aber in einer Minute mehrere

hunderttausend davon nach außen pumpen und über die ATP- Synthase wieder aufnehmen.

Energiewandlung : elektrochemischer Gradient/chemische Reaktion

Bakterium oder Mitochondrium (= ehemaliges Bakterium)

Chemiosmose

Wieviel Energie steckt in einem Gradienten?

C ₂ C ₁

∆G = (-)RT ^. ln(c ₁ /c ₂ )

Dieselbe Formel wie bei der Berechnung der Konzentrationsabhängigkeit

chemischer Reaktionen!

Merken!

Energie/Entropie

(8)

Bilanz der Dissimilation von Glucose

Bilanz des Katabolismus

Glykolyse

Citronensäure- Cyklus

Anabolismus

Reduktions- equivalente ("Elektronen")

Der Traum der Bakterien...

• Bakterien gelten als Destruenten, sind aber Weltmeister des Wachstums.

• Durch Zweiteilung in lebensfähige Tochterzellen sind sie potenziell unsterblich.

Traum der Bakterien

... zwei

Bakterien

werden!

(9)

Zellteilung

• Biomassezunahme, Längenwachstum

• Replikation des Chromosoms, Auftrennung der Tochtermoleküle

• Einziehung neuer Membranen und Zellwände Einfacher Zellcyclus

Zellteilung

Wachstum einer Mikrokolonie

Mikrokolonie

(10)

Der Traum der Bakterien...

Potenziell unsterblich?

Gilt das für alle Bakterien?

Potenziell unsterblich?

Wachstumsphasen

Die

exponenzielle Phase zeigt in der

logarithmischen Auftagung einen linearen Anstieg

Wachstumsphasen

(11)

Einige Begriffe

Generationszeit: Zeit, die eine Bakterienzelle für eine Verdopplung braucht (h)

Teilungsrate:1/Generationszeit (v, h ^-1 )

Wachstumsrate: Zuwachs pro Zeit (µ, h ^-1 ) [ vgl. Zinssatz]

Verdopplungszeit: Zeit, die ein Wachstumsparameter zur Verdopplung braucht (t _d , h) [Achtung: Zinseszins]

Maximale Wachstumsrate µ _max : Wachstumsrate während der exponenziellen Phase (h ^-1 )

Griechisch v sprich 'nü' Griechisch µ sprich 'mü',

machmal auch 'mikro' (z. B. µm)

Begriffe

1 Zellzahlen

während des exponenziellen

Wachstums ^{Z = Z} ⁰ **^{* 2}**

g

mit

Z ₀ = Zellzahl zu Beginn g = Anzahl der Generationen

2 ↓

↓ 4

↓ 8 16 ↓ 32 ↓

Zum Merken:

2 ¹⁰ = 1024 ≈1000 2 ²⁰ ≈ 1 Million

64 ↓

Zellzahlen

(12)

Super-Konto, Zinssatz µ = 100 % pro Jahr

1. Januar 100 Euro → 31.Dezember: 200 Euro

X _t = X ₀ ^• e ^{µ . t}

1 / ₁₂ Zuwachs pro Monat + Zinseszins → 31.12.: 261 Euro Sofortiger Zuwachs + Zinseszins → 31.12.: 271.18 Euro

Logarithmiert:

µ = (ln x – ln x ₀ )/(t – t ₀ ) = ln (x/x ₀ )/(t – t ₀ )

100 x e

Kontostand =

Anfangskapital • e ^Zeit

^•

^Zinssatz

Superkonto

X _t = X ₀ • e ^{µ . t} Logarithmiert:

µ = ln (x/x ₀ )/(t – t ₀ )

Wann hat sich mein Geld verdoppelt (t _d )?

x/x ₀ = 2 ln 2 = 0.693 µ = ln 2/t _d µ = 0.693/t _d t _d = 0.693/µ

Bei sofortiger Verzinsung brauche ich nur einen Zinssatz von 69.3 %, um mein Kapital pro Jahr zu verdoppeln.

Verdopplungszeit Verdopplungszeit

(13)

Der Wachstumsertrag ist abhängig von den - katabolischen Stoffwechselwegen bzw.

anderen Möglichkeiten der Energiekonservierung - Art der verfügbaren C- und N-Quellen

- Energieverbrauch für Erhaltungsstoffwechsel - Limitierenden Faktoren (in der Natur oft N, P, Fe) - Eventuell angehäuften toxischen Produkten Wieviel Biomasse wird gebildet?

Vorlesung Allgemeine Mikrobiologie

Fr 8 – 10, W3-1-156

Vorlesung

Allgemeine Mikrobiologie

Terminplan

21.10.05 Einführung, Wachstum, H. Cypionka 28.10.05 Zellen der Pro- und Eukaryoten, E. Rhiel 04.11.05 Zellwände, E. Rhiel

11.11.05 Evolution und phylogenetischer Stammbaum, T. Brinkhoff 18.11.05 Ausgewählte Prokaryoten, B. Engelen

25.11.05 Ausgewählte Prokaryoten, B. Engelen 02.12.05 Ausgewählte Prokaryoten, M. Könneke 09.12.05 Ausgewählte Prokaryoten, M. Könneke 16.12.05 Viren, M. Müller

13.01.06 Angewandte Mikrobiologie, L. Berthe-Corti 20.01.06 Angewandte Mikrobiologie, L. Berthe-Corti

27.01.06 Cyanobakterien, K. Palinska 03.02.06 Pilze, A. Gorbushina 10.02.06 Abschlussklausur

Terminplan

Was ist Mikrobiologie? Was ist Mikrobiologie

Weitere Infos und Folien unter www.icbm.de/pmbio - - - > Teaching

• VL Allg. Mikrobiologie

• andere Lehrveranstaltungen

• Tipps für Protokolle...

• Mikrobiologischer Garten . . .

weitere Infos

Madigan et al.: Brock. Biologie der Mikroorganismen Munk, Mikrobiologie

Fritsche, Mikrobiologie

http://www.bact.wisc.edu/Microtextbook/

www.grundlagen-der-mikrobiologie.de

Grundlagen der Mikrobiologie

Wachstumsexperiment

Wattestopfen Erlenmeyer-Kolben Wasser Magnetstäbchen

Sterilisation von Gasen

Autoklavieren oder Sterilfiltration von Flüssigkeiten

Rolle von Wasser Durchmischung: Rolle von Sauerstoff

Wovon sollen die Bakterien wachsen?

Wachstumsexperiment

Glucose

C 6 H 12 O 6 , <CH 2 O> 6 , MW 180 g

Glucose

Genügen Wasser und ein einziges

Substrat zum Wachstum einer Kultur?

Definiertes Kulturmedium

Komponente Konzentration Versorgung mit mM (= mmol/l)

Destilliertes Wasser ≈55 000 Wasser

KH 2 PO 4 2 K, P

NH 4 Cl 10 N

MgSO 4 2 Mg, S

(NaCl 1 – 350 Na und Cl bei

marinen Organismen)

FeSO 4 0.01 Fe

CaCl 2 0.01 Ca

Spurenelement- Cu, Mn, Mo, Zn,

Lösung <0.001 Co, Ni, Se ... im

katalytischen Zentrum einiger Enzyme

z.B. Glucose 10 C- und Energiequelle pH-Wert auf 7.0 einstellen durch Zusatz von Puffer:

z.B. Phosphat, je 15 mM KH 2 PO 4 und K 2 HPO 4 oder

Bicarbonat, je 15 mM NaHCO 3 und CO 2 (≈ 20 % CO 2 i.d. Gasphase)

Wichtige limitierende Faktoren in der Natur unterstrichen.

Kulturmedium

Schritte im

Wachstumsprozess

• Aufnahme von Glucose => Detektion, Signalkette, Induktion von Transport- systemen und Enzymen

• Aufnahme unter gleichzeitiger Veränderung des Moleküls

(Aktivierung durch Phosphatgruppe) oder auch zusammen mit Na + -Ionen

=> Investition von Energie, bevor Wachstum einsetzt

Wachstumsprozess 1

Schritte im

Wachstumsprozess

• Metabolismus

von Glucose => Umbau und Einbau in die Biomasse,

Anabolismus, Assimilation, Biosynthese

=> Abbau zum Zweck der Energiegewinnung, Katabolismus, Dissimilation, Destruktion

Wachstumsprozess 2

≈30 %

≈70 %

z. Vgl. Student:

0% / 100%

Erhaltungsstoffwechsel

Metabolismus eines organoheterotrophen Aerobiers

=> Substrat dient als Baustoff und Brennstoff

Metabolismus Transport-

systeme

Anabolismus Katabolismus

Beteiligung von O

im letzten Schritt

Cytoplasma- Membran

C ₆ H ₁₂ O ₆ , <CH ₂ O> ₆ , MW 180 g

KH ₂ PO ₄ 2 K, P

NH ₄ Cl 10 N

MgSO ₄ 2 Mg, S

FeSO ₄ 0.01 Fe

CaCl ₂ 0.01 Ca

z.B. Phosphat, je 15 mM KH ₂ PO ₄ und K ₂ HPO ₄ oder

Bicarbonat, je 15 mM NaHCO ₃ und CO ₂ (≈ 20 % CO ₂ i.d. Gasphase)

(Aktivierung durch Phosphatgruppe) oder auch zusammen mit Na ⁺ -Ionen

=> Oxidation zu CO ₂ ohne Beteiligung von O ₂

C ₂ C ₁

∆G = (-)RT ^. ln(c ₁ /c ₂ )

Teilungsrate:1/Generationszeit (v, h ^-1 )

Wachstumsrate: Zuwachs pro Zeit (µ, h ^-1 ) [ vgl. Zinssatz]

Verdopplungszeit: Zeit, die ein Wachstumsparameter zur Verdopplung braucht (t _d , h) [Achtung: Zinseszins]

Maximale Wachstumsrate µ _max : Wachstumsrate während der exponenziellen Phase (h ^-1 )

Wachstums ^{Z = Z} ⁰ **^{* 2}**

Z ₀ = Zellzahl zu Beginn g = Anzahl der Generationen

2 ¹⁰ = 1024 ≈1000 2 ²⁰ ≈ 1 Million