download pdf (Mikrobiologie, 24.11. 09): B. Bukau - ZMBH

Fakultät für Biowissenschaften, WS 2009/10 

Grundvorlesung Biologie I: Teil Mikrobiologie 

Vorlesungsthemen Mikrobiologie 

1. Einführung in die Mikrobiologie B. Bukau 

2. Zellaufbau von Prokaryoten B. Bukau 

3. Bakterielles Wachstum und Differenzierung B. Bukau 

4. Bakterielle Genetik und Evolution V. Sourjik 

5. Mikrobielle Vielfalt und Ökologie V. Sourjik 

6. Medizinische Mikrobiologie V. Sourjik 

7. Gentechnik und industrielle Mikrobiologie V. Sourjik 

B. Bukau, Zentrum für Molekulare Biologie Heidelberg, 

DKFZ-ZMBH-Allianz 

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Zellaufbau von Prokaryoten 

1. Zellstrukturen von Prokaryoten: Unterschiede zu Eukaryoten 

2. Aufbau der Zellhülle von Bakterien und Archaea 

- Cytoplasmatische Membran 

- Die Zellwand 

- Gram-Färbung 

- Aussenmembran von Gram-negativen Bakterien 

3. Kapseln 

4. Pili 

5. Flagellen (Geißeln) 

- Aufbau 

- Geißelbewegung 

- Chemotaxis 



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Kennzeichen zellulären Lebens 


1. Kompartimentalisierung und Metabolismus 

5. Bewegung 

6. Evolution 

2. Vermehrung (Wachstum) 

3. Differenzierung 

4. Kommunikation 

Achtung: Nur manche Zellen 

differenzieren und bewegen sich 



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Ultrastruktur (EM) von Dünnschnitten der drei Domänen 

der Mikroorganismen 

Bacteria 

Archaea 

Bäckerhefe 



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Repräsentative Zellformen bei Prokaryoten 

Thiocapsa roseopersicina 

Spirochaeta stenostrepta 

Spirochaete 

Kokken 

Desulfuromonas acetoxidans 

Rhodomicrobium annielii 

Stäbchen 

Rhodospirillum rubrum 

Knospende Bakterien 

und Bakterien mit Appendices 

Chloroflexus aurantiacus 

Spirille 

Filamentöse Bakterien 



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Unterschiede zwischen Pro- und Eukaryonten 

Prokaryont 

Eukaryont 

Achtung: unterschiedliche Skalen 

Prokaryonten: 

keinen Zellkern, Mitochondrien, 

Chloroplasten: keine 

membranbegrenzten Organellen 

keine Endozytose/Pinozytose: nur 

einzelne Moleküle werden 

aufgenommen 

unterschiedliche biochemische 

Zusammensetzung, u.a. der Proteine 

(z.B. Ribosomen), Lipide 

meist zirkuläres Chromosom und 

extrachromosomale Elemente 

(Plasmide) 

meist haploid, asexuelle Vermehrung 

meist viel kleiner 

unterschiedliche Zellhülle 



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Die Zellmembran (Cytoplasmamembran): Funktionen 

Selektive Permeabilitätsbarriere: Osmotische Barriere 

Selektiver Stofftransport 

Proteinsekretion 

Energiegewinnung/Speicherung: Elektonentransportkette 

Verschiedene Enzyme 

Signalverarbeitung: Kommunikation mit Umwelt 



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Die Zellmembran (Cytoplasmamembran): Aufbau 

Phospholipiddoppelschicht 

Verstärkung durch Hopanoide (z.B. 

Diploptän) keine Sterole (Cholesterol) 

Integrierte und periphere Membranproteine 

Flüssige Mosaikstruktur 

Cholesterol 

Diploptän 



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Die Zellmembran der Archaea 

keine Hopanoide 

Ether- statt Esterbindungen 

keine Fettsäuren sondern 

Isopren-Bausteine (steifer) 

kovalent verknüpfte Lipide 

resistenter gegen 

Hydrolyse! 

Lipiddoppelschicht 

(Bacteria) 

Lipideinzelschicht 

(einige Arachaea) 

Bacteria 

Archaea 

Archaea 

Isopren 



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Die Zellwand von Prokaryoten 

Schutzfunktion: 

z.B. gegen Detergenzien und amphipathische Substanzen (polar und nicht-polar) 

Turgordruck (im Zytosol: 2 Atmosphären): mechanische Festigkeit 

Peptidoglycan: 

auch Murein genannt 

1-25 Schichten in Zellwand von Bacteria (ausser Mycoplasmen) 

existiert nicht bei Archaea und Eukaryoten 

Basis für Gram-positive und Gram-negative Klassifizierung 

Bestandteile: 

2 Zuckerderivate (N-Acetylglucosamin; N-Acetylmuraminsäure) 

besondere Aminosäuren 

bilden zusammen vernetzte Schichten um die Zelle: Peptidoglycan-Sacculus 



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Die Gramfärbung: Einteilung vieler Bakterien 

Methylenblau und Kristallviolett: kationische (+ geladene) Farbstoffe. 

Die + geladenen Gruppen reagieren mit der negativ geladenen 

Baktienhülle. Chlorid (Cl) ist das Gegenion. 

Gram-positive Zelle: der Kristallviolett-Iodid Komplex wird durch die 

multiplen Schichten des Peptidoglykans zurückgehalten. 

Gram-negative Zelle: Komplex läuft aus, Zellen werden gegengefärbt 

gram-positive (purple): Staphylococcus aureus 

B. Bukau, Zentrum für Molekulare Biologie Heidelberg, gram-negative DKFZ-ZMBH-Allianz (pink): Escherichia coli 

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Die Peptidverknüpfung in Peptidoglykan 

G, N-Acetylglucosamin 

M, N-Acetylmuraminsäure 

E. coli (gram-) 

Staphylococcus aureus (gram+) 

Unübliche Aminosäuren: 

Diaminopimelinsäure 

D-Aminosäuren (D-Glutaminsäure; D-Alanin) 

Arten, Anzahl und Stärke der Quervernetzung der Aminosäuren unterscheiden sich von 

Organismus zu Organismus 



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Der Peptidoglycan-Sacculus 

Isolierter Peptidoglycan-Sacculus von E. coli 

Glycanketten (Ringe) 

mit Peptiden verbunden (Pfeile) 



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Angriffspunkt von Lysozym 

In tierischen Sekreten (Tränen, Speichel) als Abwehr gegen Bakterien 

Lysozym 



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Angriffspunkt von ß-Lactam-Antibiotika 

ß-Lactam-Antibiotika inhibieren die Peptidverknüpfung im Peptidoglycan 

binden und hemmen Transpeptidasen (verknüpfen Peptidoglycanketten) 

= Penicillin-Bindeproteine (PBPs) 

bilden 50% aller Antibiotika: 

u.a. Penicilline (gram+), Cephalosporine, 

Ampicillin (gram-) 

haben ähnliche chemische Grundstruktur 

Alexander Fleming, Entdecker des Penicillins (1928). 

Nobelpreis 1945 

Penicillin 


Fleming's originale Agarplatte mit Penicillium-Pilz, 

der das Wachstum von Bakterien hemmt 


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Die Zellwand der gram-positiven Bakterien 

(z.B. Bacillus subtilis) 

Teichonsäuren 

(Zuckeralkohole mit verknüpften Aminosäuren) 

Viele geladene und polare Gruppen: Resistenz gegen hydrophobe Substanzen 

Dicke Peptidoglycanschicht: mechanische Stabilität 



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Zellwand der Archaea 

sehr divers 

am meisten verbreitet ist die S-Schicht: parakristalline Oberflächenschicht aus 

hexagonalen Proteinen oder Glycoproteinen 

EM-Aufnahme einer S-Schicht 

Peptidoglycan-ähnliche Zellwand: Pseudopeptidglycan (andere Zucker) 

dicke Schichten von Polysacchariden, Glycoproteinen oder Proteinen 



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Die Außenmembran der gram-negativen Bakterien 

Zwei Membrane, Peptidogclycan im Periplasma 



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Die Außenmembran der gram-negativen Bakterien 

Asymmetrische Membran: Lipopolysaccharid (LPS) aussen, 

Phospholipide innen 

Permeabilitätsbarriere 

Porine (Porenproteine) für kleine Moleküle (600 Da) 

seitlich 

Porin von oben 

Struktur des LPS 

ähnlicher Grundaufbau in gram- Bakterien 

hohe Variabilität in O-spezifischen Polysacchariden 

wichtiges Antigen 

LipidA kann toxisch sein: Endotoxin 

z.B. Fieber, Diarrhöe: Lebensmittelvergiftung durch Salmonellen 



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Zellhülle: Vergleich gram- und gram+ 

gram-positiv 

gram-negativ 

Periplasma 

- Peptidoglycan 

- Proteine (Transport, Enzyme, Faltung) 

- Lipoproteine (Verbindung zu Aussenmembran 



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Kapseln, Pili und Flagellen: Wie Bakterien auf ihre 

Umwelt reagieren können 

strukturell ähnliche Proteinfilamente (Piline und Adhesine) 

fast alle gram-, nur wenige gram+ 

Kapseln und Schleimschichten 

aus Polysacchariden oder Aminosäuren 

Schutz vor Austrocknung, Anheftung (Caries-Plaques), Abwehr (Phagocytose), 

Motilität 

Pili und Fimbrien) 

viele physiologische Funktionen, aber jeweils spezialisiert: 

- Anheftung an Wirtszellen und Oberflächen 

Salmonella typhimurium 

- Transfer von Proteinen und DNA (Pili, Konjugation!) in andere Zellen 

- Motilität (durch Anheftung und Retraktion) 

Film 

V. Sourjik 



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Fortbewegung durch Pili 

„Twitching motility“ = Zuckende Fortbewegung 

wie Enterhaken: 

- Pili adherieren 

- depolymerisieren von inneren Ende 

- ziehen die Zelle dadurch zurück 

Beispiel: Pseudomonas aeruginosa 

Rowland Institute (Harvard) 



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Flagellen (Geißeln) 

sind molekulare Motoren: Motilität 

lange, dünne Appendices aus Proteinen 

Filamentprotein: Flagellin 

helikal aufgebaut (definierte Biegungen- 

Wellenlänge) 

Peritrich Polar Lophotrich 

(Büschel) 

Rotationsbewegung durch Basalkörper 

Energie durch Protonenbewegung durch Cytoplasmamembran und Basalkörper: 

Protonenturbine, durch Mot-Proteine und Protonengradienten angetrieben 



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Aufbau und Funktionsweise eines Flagellums 

Protonen fliessen durch Mot-Proteine ins Cytosol 

Mot-Proteine: Geißelmotor 

Dies erzeugt Kraft, die auf C- und MS-Ringe wirken: 

Rotationsbewegung (1000 Protonen/Umdrehung) 

Fli-Proteine: Motorschalter 

Im Filament und Schaft: schmaler Kanal für Flagellin 



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Geißelbewegung 

Geißelbewegung: ≤ 60 Zelllängen/Sekunde 

Gepard: 25 Körperlängen/ Sekunde (110 km/h) 

- Uhrzeigersinn (clockwise, CW): Taumeln 

- Gegenuhrzeigersinn (counterclockwise, CCW): 

Schwimmen 

- CCW und CW alternieren in synchroner Weise 

Wie kann gerichtete Bewegung entstehen? 



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Bakterielle Chemotaxis 

Bewegung entlang eines chemischen Konzentrationsgradienten 

eintauchen 

Kapillarentest 

Salzlösung 

Farbvideokamera: Bakterien, die sich 

auf eine O2-produzierende Alge bewegen 

(„Aerotaxis“) 

Lockstoff 

„attractant“ 

(z.B. Zucker) 

abstoßender Stoff 

„repellent“ 

(z.B. Schwermetalle) 



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Gerichtete chemotaktische Bewegung 

ohne Lockstoff 

mit Lockstoff 

zufällige Bewegung 

zielgerichtete Bewegung: 

längere Geraden („Run“; CCW) in Richtung Ziel 

Wie kann die „richtige Richtung“ von der „falschen Richtung“ unterschieden werden? 



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Mechanismus der Chemotaxis in E. coli 

Bakterien nehmen die Bewegung entlang eines chemischen Gradienten durch ein 

molekulares Gedächtnis war: was ist die Konzentration jetzt, und wie war sie eben? 

Sensorproteine in der Cytoplasmamembran: Chemorezeptoren binden den Lockstoff 

Bindung führt zu chemischen Veränderungen an Proteinen im Cytoplasma: 

Phosphorylierung von Che-Proteinen 

Phosphorylierungszustand von CheY bestimmt die Rotationsrichtung des Motors 

Anpassung (Sensitivität gegenüber Lockstoff) durch Methylierung: Uhr wird zurückgesetzt. 



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Bakterielles Wachstum und Differenzierung 

1. Die bakterielle Zellteilung 

2. Wachstum einer Bakterienpopulation 

3. Bildung von Endosporen 



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Bakterielle Zellteilung 

durch Zweiteilung 



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Die Bildung des Septums 

Divisom-Struktur am Septum (E. coli) 

FtsZ-protein (bakterielles Tubulin): 

bildet Ring am Septum 

ZipA-Protein verankert FtsZ an Membran 

FtsI bewirkt Peptidoglykansynthese 

(Penicillin-Bindeprotein) 

Teilung und Zellwandsynthese in 

Streptokokken 

(gram+) 



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Wachstum von Bakterienpopulationen 

Periode des exponentiellen Wachstums: 

N = N o 2 n 

N = endgültige Zellzahl 

N o = ursprüngliche Zellzahl 

n = Zahl von Generationen 

Generationszeit g = t/n 

t = Dauer des exponentiellen Wachstums 

Eine konstante Generationszeit resultiert in logarithmischem Wachstum 



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Wachstumskurve einer Bakterienpopulation 

Meßmethoden: 

optische Dichte (Trübung), 

Gesamtzahlbestimmung (mikroskopisch; Zählkammer), 

Lebendzahlbestimmung (ausplattieren auf Agarplatte) 



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Umweltfaktoren beeinflussen Wachstum: Temperatur 

Temperaturspektrum 

des Wachstums einer Bakterienart 



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Zelldifferenzierung bei Bakterien: Endosporen 

In schwierigen Zeiten, bei besonders widrigen Umweltbedingungen: 

extreme Temperaturen, Trockenheit, Nährstoffmangel 

Einige gram+-Bakterien, u.a.: 

Bacillus subtilis (Bodenbakterium) 

Clostridium tetani (Tenatus Erreger) 

Clostridium botulinum (Botulismus) 

Bacillus anthracis (Anthrax = Milzbrand) 

Endosporen: 

- Differenzierte Zellen, die sehr resistent sind, u.a. gegen 

Hitze, Chemikalien, Bestrahlung, Trockenheit 

- Können leicht verbreitet werden (Wind, Wasser, Kot...) 

- Extrem langlebig (250 Millionen Jahre!!) 

- Schwer abzutöten (resistent bis 150°C; Autoklav mit 

feuchter Hitze und 121°C tötet die meisten E.) 

- Dicke Hüllschicht; protektive Moleküle für DNA und zur 

Dehydrierung (Dipicolinsäure, SASPs) 



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Die Bildung einer Endospore (B. subtilis) 



Seite 36



Vorlesungsthemen Mikrobiologie 



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