Mibi theme VL1 p[2] Flashcards
Beschreiben Sie das Prinzip der folgenden mikrobiellen Prozesse: Nitrifikation, Denitrifikation, Anammox!
Nitrifikation = aerobe bakterielle Oxidation von Ammoniak/Ammonium-Ionen zu Nitrat ozwei gekoppelten Teilprozessen: Oxidation von Ammoniak zu Nitrit Oxidation von Nitrit zu Nitrat -Denitrifikation = anaerobe Umwandlung des im Nitrat gebundenen Stickstoffs zu molekularem Stickstoff und Stickoxiden -Anammox = anaerobe Ammoniumoxidation durch Planktomyceten = Synproportionierung von Ammonium und Nitrit zu molekularem Stickstoff (+ H2O)
Luria-Delbrück-Experiment (Fluktuationstest)
Nachweis der zufälligen und ungerichteten Natur spontaner Mutationen unabhängig von der Gegenwart eines selektierenden Mittels
- jede Zelle einer log. Wachsenden Bakterienkultur hat eine geringe Wahrscheinlichkeit , eine spontane Mutation zu erhalten, welche zB. in eine Antibiotikaresistenz resultiert
- → nach einiger Zeit Zugabe eines selektierenden Faktors (Antibbiotikum) = es bilden sich nur aus den Zellen Kolonien, die zw. Ausplattieren u. Zugabe eines Selektionsfaktors durch Mutation eine Resistenz ausgebildet haben
- Wenn Mutation früh im Laufe der Entwicklung ereignet: viele resistente Kolonien; wenn Mutation spät/ nur kurz vor Selektionsfaktorzugabe ereignet: wenige resistente Kolonies
- ) viele identische Kulturen einige stunden aufgezogen, dann Selektionsfaktor Antibiotikum dazu: meisten Platten keine Kolonien, da keine Resistenzbildung durch Mutation aufgetreten
- aber einige resistente Kulturen vorhanden: Mutation erlaubt resistente Tochterkolonien
- falls viele resistente Kolonien aufgezogen werden konnten, trat die Mutation zur Resistenz schon sehr früh beim Original-Kulturen Wachstum ein
→ große Fluktuation der Ergebniswerte/Zahlen (wenige Kulturen ursprüngl. Mutiert, wenige früh mutiert aber dann viele Tochterzellen → mathematisch errechenbar: spontane, ungerichtete mutationen - Nachweis: zufällige Mutationen in Bakterien sind spontan, erfolgen auch in Abwesenheit von Selektoinsfaktoren
- Erfolgen nicht aus Änderungen der Umwelt
- entwickelten Weg, die Mutationsrate von Bakterien zu bestimmen
Einleitende Schritte bei der Sulfat-Atmung
• In Abwesenheit von O2 können alternative Elektronen-Akzeptoren (Nitrat, Sulfat, organische Verbindungen) in Elektronen-Transportketten genutzt werden (anaerobe Respiration)
SULFATREDUKTION
Sulfat SO42-
• Organische Substrate/Wasserstoff werden oxidiert und Sulfat SO42- wird zu Schwefelwasserstoff H2S reduziert !anaerob!
• → Sulfate dienen statt O2 als e Akzeptoren
• komplexer Vorgang, es wird ATP benötigt- Energiegewinn durch ETK mit cyt c,b =pmf
• Endprodukt ist H2S
• meiste prok. Benutzen es als quelle für den benötigten Zellschwefel
• nur sulfatreduzierende Bakterien können als Elektronenakzeptor für energiegewinnung verwenden - große Mengen an Sulfatreduktion SO42-
• es gibt 2 arten von Sulfatreduktion: assimilatorische u dissimilatorische
o assimilatorische: Schwefelwasserstoff H2S wird in sehr geringem Ausmaß gebildet , in organ. Molek. Wie manche AS eingebaut
• Produkt der Reduktion ist Sulfit SO32-
• Dann durch Enzym Sulfitreduktase Schwefelwasserstoff H2S
o dissimilatorische: es können sehr grosse Mengen Schwefelwasserstoff H2S gebildet werden, h2s wird aus der Zelle ausgeschieden und kann mit anderen Zellen/Metallen (-unter Bildung von Metallsulfiden) reagieren
• Produkt der Reduktion: Sulfit SO32-
• Dann durch Enzym Sulfitreduktase Schwefelwasserstoff H2S
• ! ETK bildet PMF
• SO42- ist relativ ungünstiger e Akzeptor
• Es werden andere e Donatoren benötigt, zB. Wasserstoff, Lactat, Pyruvat, Ethanol, Fumarat, Malat, cholin, Acetat
• Sulfat muss vor der Reduzierung aktiviert werden (ATP verbrauch), weil es chem. sehr stabil ist → Enzym ATP-Sulfurylase = bindet Sulfat an ATP, es entsteht APS (Adenosinphosphosulfat)
• (APS wird bei Dissimilation direkt in Sulfit SO32- reduziert- Enzym APS-Reduktase )
• wichtige Enzyme: Sulfitreduktase, Hydrogenase
• Prinzip der behandelten CO2-Fixierungswege
…
Virulenz-Faktoren in humanpathogenen Bakterien
Virulenz-Faktoren = Zellkomponenten (meist Proteine), die für die Ausprägung pathogener Eigenschaften (Lyse der Zelle und Ernährung von Bestandteilen) erforderlich sind
• genetische Information auf Pathogenitätsinseln gelegen (Gencluster der Virulenz-Faktoren) ◦ 10-100kb
◦ andererGC-GehaltundandereCodon-UsagealsimrestlichenGenom ◦ oftflankiertvontRNA-GenenundDirectRepeats
◦ enthaltenauchGenefürMobilität(Transposasen,Integrasen)
• Faktoren:
◦ Eisentransportsysteme/Siderophore→EisenknappheitimOrganismus(benötigt selber viel für Häm, produziert eigene Chelatoren) → ohne eine Vielzahl solcher
Systeme ist Wachstum von Pathogenen im Organismus nicht möglich
◦ Falgellen→erforderlichfürBewegungzumWirkort
◦ Adhäsions-Pili/Fimbrien, Adhäsine, Oberflächenproteine
▪ AdhäsionanWirtszelle(z.B.Schleimhautzelle)
▪ spezifischesAndockenanGlykolipide
▪ z.B.festeInteraktionmitZipper-MechanismusbeiYersinia
▪ (vgl.netzartigflacheVerbindunginnerhalbvonMikrokolonienmitExopoly-
saccharidhüllle = Biofilm)
◦ Sekretionssysteme(z.B.Typ-III-Pilus),Effektorproteine
▪ infiltrierenWirtszelleundverändernderenAktivität(z.B.Umwachsendes Bakteriums bei Salmonella)
▪ werdenvordemExportvonChaperonenreorganisiert
◦ Exotoxine→schädigenWirtszelle(z.B.Enterotoxine→Diarrhoe)durch:
▪ EinfügenvonPoreninWirtsmembran→VerlustvonIonengradientund/oder Integrität (z.B. Hämolysin → löst Erys auf)
▪ WirkungaufProteinbiosyntheseamRibosomoderTranslationsfaktoren(nach Rezeptorvermittelter Endozytose)
▪ EingriffinSignaltransduktionsketten→verändertIonenflüsseüberMembran,z.B. bei Cholera (Vibrio cholerae):
• AB5-Typ Toxin (A1-Toxin mit begleitendem B5-Pentamer)
• B5 erkennt Membran und bindet an diese (Ganglioside zwischen den Zotten)
• Vesikelbildung und Endozytose zum ER → A1 wird durch wirtszelleneigene
Transporter aus diesem ins Zytosol freigesetzt
• A1 sucht Zielprotein → eine GTPase / Adenylatcyklase (normal eher transient)
• diese wird durch ADP-Ribosylierung enzymatisch modifiziert und dauerhaft
aktiviert
• dauerhafte cAMP-Bildung schließt Na+-Kanal und führt zum Verlust von Cl-
und Wasser → Diarrhoe
◦ Virulenz-Plasmid
◦ einigeToxinetretennurimKontexttoxin-produzierenderPhagenauf
Bedeutung differenzierter Zellen in filamentösen
Cyanobakterien
1) Akineten: Reservestoffreiche Überdauerungszellen - dickwandig, entstehen aus vegetativen Zellen
2) Heterocysten: dickwandige Zellen, in ihnen aerobe Fixierung v. molekularem Stickstoff N2 durch Nitrogenese-System
dicke Zellwand, PS2 wird abgebaut und Nitrogenase wird synthetisiert.
3) Hormogonien: kurze, undifferenzierte Filamente, die sich abspalten und neues Filament bilden –> Vermehrung
Entstehung der protonenmotorischen Kraft
Cytoplasmamembran ist Hauptort der Energiespeicherung – kann energetische geladen vorkommen → dabei findet Abspaltung von Protonen (H+) von Hydroxylionen (OH¬¬-) über gesamte Oberfläche statt (eine Ladungstrennung, = Energie, wie eine Batterie)
⇒diese Energiequelle = PROTONENMOTORISCHE KRAFT
- treibt Funktionen an, zB. Transport, Motilität, Biosynthese von ATP
- Protonenmotorische Kraft: [ p = Δψ - 59ΔpH [V] ] Δψ = Membranpot.
! die Atmungskette ist an die Membran gebunden- findet in ihr statt. → Atmungskette bildet Protonenmotorische Kraft! Pumpt Protonen H+ nach außen (durch Elektronentransportkette)
→ mit dem Protonengradient produziert ATP- Synthase ATP . bringt Protonen von außen + nach innen +
Ablaufkette:
- Respiration, Photosynthese Prozesse beinhalten eine Elektronentransportkette.
- Der Elektronentransport bildet einen Protonengradienten (meist außen +, innen -)
o wir erhalten: PROTONENMOTORISCHE KRAFT
o aus ihr: Flagellenbewegung | Transport mit Transportproteinen → durch ATP Synthase: ATP! Das wiederum: E für Transport | Biosynthesen
- liefert Energie für den einfachen transport (wo nur 1 Protein beteiligt ist )
- = Energie für die Rotation der Geißel (Protonenbewegung durch den Mot- Complex (Kanäle in den Mot-Proteinen) und über die Cytoplasmamembran , Protonen wandern von außen nach innen entlang Konz. Gefälle). Ca 1000 Protonen pro Rotation benötigt (Protonenturbine, elektrostatische Kräfte wirken)
- „Ergebnis“ ist Energiespeicherung durch oxidative Phosphorylierung
- – Ausgangspuntk ist energetischer Zustand der Membran, welcher durch die Elektronentransportketten (…) entsteht
o ELEKTRONENTRANSPORT:
o Elektronentransport: Transport vom Primaeren Donor zum terminalen Akzeptor (mithilfe Oxidations- Reduktionsemzymen (cytochrome…); und Elektronenüberträger = Chinone )
o Während des Transportes über die Membran werden Protonen und Elektronen getrennt (zB 2e und 2p von NADH durch NAHD-Dehydrogenase ; durchlaufen ETK )
o H+ wird nach außen ausgeschieden (aus NADH und aus Wasserspaltung H¬2O) → (Innenseite Anhäufung von OH- noch negativer) —- Unterschied in Ladung und in pH-Wert
o = elektrochemisches Pot. = pmf, Proton motive force
o ein Teil der pmf wird in Form von ATP gespeichert
Warum erfolgt die Sulfat-Atmung mit einer ATP-abhängigen Umsetzung von Sulfat zu Adenosinphosphosulfat?
- Direktreduktion freien Sulfates zu Sulfit energetisch ungünstig
- Reduktion durch Verbrauch von ATP gekoppelt → Sulfataktivierung
- Vergleichen Sie die Energiebilanzen der CO2-Fixierung durch den Calvin-Zyklus, den reduktiver Tricarbonsäure-Zyklus und den Acetyl-Coenzym A-Weg. Warum können die Enzyme der beiden günstigeren Wege nicht universell genutzt werden? (4)
- Calvin-Zyklus – 9 ATP
- Red. Tricarbonsäure-Zyklus – 5 ATP
- Acetyl-CoA-Weg – 4 ATP
- je nach Anwesenheit von O2 gehen energetisch günstige Wege nicht!
o Günstigster Weg ist der Acetyl-CoA-Weg, die Acetyl-CoA-Synthase/Decarbonylase ist aber extrem O2-empfindlich
o Red. TCA-Zyklus – kein O2
o Nur Calvin-Zyklus bei O2-Anwesenheit möglich, aber eben der teuerste
Stickstoff-Fixierung (R0
elementarer Stickstoff → [Nitrogenase]→ Ammonium:
N → NH + 24
◦ Nitrogenase=Metalloenzym(Fe-oderMoFe-Protein),ATP-Abhängig
◦ z.B.beiWurzelknöllchensymbiosederLeguminosenmitspezifischenSpezieswie
Rhizobium leguminosarum
◦ PflanzeliefertKohlenstoff(organischeSäueren),BakterienfürbessereBioverfügbarkeit
von Stickstoff
◦ SpezifitätdurchSignalmoleküle:BakterienhabenRezeptorenfürspeziellePflanzen-
Flavonoide → Bakterien bilden Nodulationsfaktoren (Zuckerpolymere mit hydrophoben Einheiten), Pflanzliche Wurzelhaare krümmen ein, bilden Nodulationsschlauch, in dem Organellen zur Bakterienvermehrung entstehen
◦ auchdurchverschiedeneCyanobakterieninHeterozystenoderActinomyceten
Anammox
→ anaerobe Ammoniumoxidation durch Planktomyceten:
NO - → NO - 32
◦ Stickstoffmonoxid → Hydrazin = NO → N2 H2
◦ oder Ammonium → [Hydrazin-Hydrolase] → Hydrazin = NH + → N H
422
◦ Hydrazin → [Hydrazin-Oxidoreduktase] → molekularer Stickstoff = N2 H2 → N2
◦ speziellesOrganell:AnammoxosomanalogzuMitochondrien→hierfindetder
Energiestoffwechsel incl ATP-Synthese statt
◦ SymproportionierunghochreaktiverIntermediate
◦ weitereBesonderheitderPlanktomyceten:ProteinzellwandwiebeiArchäen,
intrazytoplasmatische Membran (dazwischen Paryphoplasma), Pirellusom um das
Nukleoid herum (ähnlich einer Kernmembran) → inzwischen häufiger gefunden
◦ Nutzen:könntenpotentiellNitrifikationinKlärwerkenersetzen(technischabernoch
nicht ausgereift, da Bakterien schnell auswaschen)
• weiterer stickstoffhaltiger Elektronenakzeptor: Trimethylaminoxid (TMAO)
◦ wichtigerOsmolytinMeerestieren,beiZersetzungFischgeruch
Angriffsorte / Wirkmechanismen für Antibiotika
…
VL2: Struktur & Funktion der bakteriellen RNA-Polymerase
Bakterielle RNA: C, G, A, Uracil
RNA hat am Zucker eine OH gruppe (DNA hat nur H)
Die RNA- Stränge können sich auch in doppelstrangige Regionen zusammentun (also als Doppelstrang, RNA ist ja eigentl. Einselstr. ) → 3D short helices
RNA-Polymerase:
- kann wie die anderen Pol. Nur in 5’-3’ Richtung synthetisieren
- Core RNAP: (RNA Pol.)
⋅ 2 Alpha, 1 Beta, 1 Beta’ Untereinheiten (manchmal auch 1 Omega)
• Alpha subunit: Aktiviert Genexpression
⋅ elongation Form der RNAP
- RNA Holoenzym:
⋅ 2 Alpha, 1 Beta, 1 Beta’ Untereinheiten (manchmal auch 1 Omega) (= selbes wie Core RNAP)
⋅ + Sigma UE.
→ Initiation Form der RNAP
[VL.2] 2) Struktur und Funktion der Sigma-Untereinheit der RNAP
Funktion: Regulation der Genexpression
- ist Teil der Initiation form RNAP → Teil der RNA-Poymerase!!!
- sehr konservierte Regionen
⋅ Transcription initiation signal for RNAP on the chromosome
⋅ ! Regulation of gene expression
→ Gene aktivieren/inaktivieren
→ SigmaUE der RNAP austauschen: große Gruppen v. Genen hoch/runter regulieren
→ Meiste Bak. Haben mehrere Sigma UE , erkennen untersch. Promotorsequenzen
→ Untersch. Sigma UE compete for RNA Core
[VL 2] 3) Funktion des Promotors
- Binding sites für RNA- Polymerase – RNAP bindet am Promotor
- → werden von der Sigma- UE der NRAP erkannt
- Haben typische Nukleotidsequenzen: immer -35 und -10 Region, mit Spacer von ca. 17 bp
- Wenn RNAP am Promotor gebunden beginnt dort Auftrennung der Stränge
