Vorlesung Allgemeine Mikrobiologie

Mi 12 – 14, W3- 1- 161

Vorlesung

Allgemeine Mikrobiologie

Was ist Mikrobiologie? Was ist Mikrobiologie

Terminplan

Mittwoch 12-14, W3 1-161

13.4.: H. Cypionka: Einführung

20.4.: E. Rhiel: Zellen der Pro- und Eukaryoten 27.4.: E. Rhiel: Zellen der Pro- und Eukaryoten

4.5.: T. Brinkhoff: Evolution und phylogenetischer Stammbaum 11.5.: B. Engelen: Ausgewählte Prokaryoten

18.5.: B. Engelen: Ausgewählte Prokaryoten 25.5.: M. Könneke: Ausgewählte Prokaryoten

1.6.: M. Könneke: Ausgewählte Prokaryoten 8.6.: L. Berthe-Corti: Angewandte Mikrobiologie 15.6.: L. Berthe-Corti: Angewandte Mikrobiologie 22.6.: M. Müller: Viren

29.6.: K. Palinska: Cyanobakterien 6.7.: A. Gorbushina: Pilze

Terminplan

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Bücher...

• VL Allg. Biologie

• VL Physiologie der Mikroorg.

• VL Mikrobielle Ökologie

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www.grundlagen-der-mikrobiologie.de

Grundlagen der Mikrobiologie

Bitte um

Verbesserungs- vorschläge bis Mitte Mai an:

Cypionka@icbm.de

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 eines Transportsystems

• 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

=> Oxidation zu CO ₂ ohne Beteiligung von O ₂

=> Transportsysteme Wesentlich für Energiestoffwechsel

Atmungs- kette

=> Anabolismus divergent Katabolismus konvergent

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

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

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)

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!

Zellteilung

• Biomassezunahme, Längenwachstum

• Replikation des Chromosoms, Auftrennung der Tochtermoleküle

• Einziehung neuer Membranen und Zellwände Einfacher Zellcyclus

Zellteilung

Wachstum einer Mikrokolonie

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

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 2 ³⁰ ≈ 1 Milliarde

↓

↓ 64

Zellzahlen

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

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?.

Wachstumsertrag Wachstumsertrag

Chemostat

Zellen werden unter konstanten

Bedingungen in einer exponenziellen Phase (mit µ < µ _max ) kultiviert

Chemostat

Chemostat erzeugt Fließgleichgewicht (steady state):

Wachstumsrate = Verdünnungsrate

Substratkonzentration

ständig gering

Alternative Lebensweisen

Alternative Lebensweisen

Alternative Elektronen- akzeptoren: NO

, SO

, Fe

, Mn

, CO

... : Anaerobe Atmung

Anorganische C-Quelle CO

: Autotrophie Anorganischer

Elektronendonator: H

, H

S, NH

, CO, Fe

, Mn

... : Lithotrophie

Licht statt Atmungsprozess zur Protonentranslokation:

Phototrophie

Alternativen meist nur bei Prokaryoten!

Ohne externen

Elektronenakzeptor, ohne (?) chemiosmotische Energie- konservierung: Gärungen

Lebensweisen

Lebensweisen

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Mikrobiologischer Garten