Grundvorlesung Allgemeine Mikrobiologie

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Grundvorlesung Allgemeine Mikrobiologie nachvollziehen. Es ist nicht möglich zu entscheiden, welche Theorie wahr und welche falsch ist. Experimentell besser untermauert ist sicherlich die Ursuppentheorie. Es spricht aber nichts dagegen, daß die Moleküle der frühen Ursuppe sich dann unter Zuhilfenahme der Pyritreaktion erheblich schneller zu komplexeren Strukturen anordnen konnten. Das bestechende an der Pyrittheorie ist sicherlich, daß die Pyritbildung auch gleich der Energielieferant für diverse Synthesen von Makromolekülen ist. Die Evolution könnte somit erheblich schneller abgelaufen sein. Darin liegt auch ein Vorteil gegenüber der Synthese von Makromolekülen an Ton−Oberflächen wie sie oft im Zusammenhang mit der Ursuppentheorie diskutiert wird. Was ist Leben? − Keine Definition, eher eine Sammlung von Kriterien • Ausbildung von Individuen mit definierter Gestalt • Stoffwechsel (als balanciertes Wechselspiel von Anabolismus und Katabolismus) hält ein Fließgleichgewicht aufrecht, das mit dem Gleichgewichtszustand im chemischen Sinne nichts gemein hat • Produktivität: Wachstum und Vermehrung • Reizbarkeit: Reaktion auf Änderungen der Umgebung, die nicht allein durch die unmittelbar zugeführte Energie zu erklären ist, sondern auf Energiereserven des Organismus zurückgreift • Mutabilität als treibendes Moment der Evolution Was ist Leben? − Keine Definition, eher eine Sammlung von Kriterien 12
Die prokaryontische Zelle: Struktur, Organisation, Funktion Bakterien haben eine zelluläre Organisation, die sich aber wesentlich von den Zellen der Pflanzen oder Tiere unterscheidet. Im Gegensatz zu diesen Lebewesen, die wir Eukaryonten nennen, weil sie einen Zellkern haben, sind die Bakterien Prokaryonten, haben also keinen Zellkern. Insgesamt erscheint uns die Organisation der Prokaryonten einfacher. Es ist wahrscheinlich, daß sich die heutigen Eukaryonten aus den Prokaryonten entwickelt haben. Die Wege der Evolution sind trotz enormer Anstrengungen nicht leicht nachzuvollziehen. Mit Blick auf rund 4 Milliarden Jahre Entwicklungsgeschichte des Lebendigen kann die retrospektive Analyse nicht leicht sein. Schließlich können wir nur aus den Genomen der rezenten Lebewesen Rückschlüsse auf diese enorme Zeitspanne ziehen. Außerdem verlief die Evolution zu keinem Zeitpunkt linear. Belegt durch viele Beobachtungen wissen wir, daß Gene nicht nur vertikal, von Müttern auf Töchter, sondern auch horizontal, durch Austausch von Genen zwischen Angehörigen verschiedener Arten weitergegeben wurden und auch heute noch weitergegeben werden. Wir werden somit von den klassischen Stamm−Bäumen mit ihren lineraren Strukturen zu Stamm−Netzwerken gelangen müssen, wenn wir Evolution verstehen wollen. Makromoleküle der Zelle DNA als permanenter Informationsspeicher Den grundlegenden Aufbau der DNA mit den Nukleotiden als Monomeren Grundbausteinen kennen Sie vermutlich. 1953 stellten James Watson und Francis Crick ihr Modell der DNA−Doppelhelix vor. Damit schien das Problem der DNA−Struktur zunächst einmal gelöst. Die beiden Polynukleotidstränge im Doppelstrangmodell von Watson und Crick liegen antiparallel und sind in Form einer rechtshändigen Schraube umeinander gewunden. Die beiden Stränge werden durch Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Basen zusammengehalten. Zwischen den Basen Guanin und Cytosin werden drei, zwischen Adenin und Thymin zwei Wasserstoffbrücken ausgebildet. Zusätzlich zu diesen Wasserstoffbrücken basiert die Stabilität der DNA auf der Interaktion von π−Elektronen in der Längsrichtung der Doppelhelix zwischen den parallel übereinander gestapelten Basenpaaren. Wir nennen diese Kräfte stacking interactions oder Stapel−Energie. Die Oberfläche der DNA weist zwei schraubige Furchen oder Rillen auf, eine große und eine kleine. Die englischen Ausdrücke dafür sind major groove und minor groove. Die DNA wurde lange Zeit als starre, unveränderliche Struktur betrachtet. Wir wissen heute, daß dies nicht stimmt. Das DNA−Molekül ändert seine Konformation dynamisch. Die DNA ist in der Zelle nahezu immer zu einer Supra−Struktur überdreht, die wir Superhelix, Supercoil oder Supertwist nennen. Die Informationen zur Ausprägung der Zellform und auch die Informationen für die Stoffwechselleistungen der Zelle sind als Gene in dem Makromolekül Desoxyribonukleinsäure (DNA) niedergelegt. DNA−Moleküle sind sehr lang, auch in der Bakterienzelle. Ein beträchtlicher Anteil des Cytoplasmas einer Bakterienzelle wird von seiner DNA ausgefüllt. Mit Hilfe der Feulgen−Färbung kann man diesen Bereich auch mikroskopisch sichtbar machen. Mikroskopiker nennen diesen Teil des Cytoplasmas die Kernregion; eine begrenzende Membran dieser Region gibt es nicht. Dies ist der deutlichste und somit namengebende Unterschied zwischen Pro− und Eukaryonten. Bakterien enthalten − mit Ausnahmen − ihre gesamte genetische Information auf einem einzigen, riesigen DNA−Molekül. Bei fast allen in dieser Hinsicht untersuchten Zellen ist die DNA ringförmig. Um Ihnen eine Vorstellung von der Größe zu geben: Die DNA eines typischen Bakteriums hat eine Länge von etwa einem Millimeter; das ist rund das Tausendfache des Durchmessers der Bakterienzelle! Im Sprachgebrauch des Labors nennt man diese DNA das Bakterienchromosom. Begrifflich korrekt ist das nicht, da die typische Wickelstruktur von echten Chromosomen der Eukaryonten fehlt. Exakter sind die cytologischen Begriffe Kernäquivalent oder Nukleoid oder der genetische, auf die Funktion als Träger der Erbinformationen Die prokaryontische Zelle: Struktur, Organisation, Funktion 13
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