Skriptum:Einführung in die Mikrobiologie II (Wagner Michael)
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VO 1: Mikrobielle Evolution und Systematics; Evolution der Erde (Kap. 11)
Die Erde existiert seit 4, 6 Mrd. Jahren. Schon sehr früh entstanden die ersten Mikroorganismen (MO).
Mirkoskopische Hinweise: In alten Gesteinsformen (Datierung erfolgt anhand von Isotopverteilung), zB 3, 45 Mrd. Jahre altes Gestein: Man findet mit dem Elektronenmikroskop stäbchenförmige Strukturen → eventuell fossile, uralte MO.
Stromatoliten: Fossilien von mikrobiellen Matten aus fadenförmigen, phototrophen MO (diese scheiden nach außen Zucker und Proteine aus, darin verfangen sich Partikel).
Matten entstehen mist in extremen Habitaten, wo nur MO leben können.
Heutzutage entstehen Stromatoliten selten neu; befinden sich nur dort, wo sie nicht von höheren Lebewesen aufgefressen werden können, zB in Shark Bay (hypersalin).
Bedingungen auf der Early Earth:
- Heiß
- Kein O2
- Atmosphäre aus Wasserdampf, Methan, CO2, Nitrogen, Ammoniak
- H, S, FeS, HCN, Spuren von H2 und CO
- Erdoberflächen hatte zu Beginn über 100°C → Die ersten Lebensformen waren Hypothermophile
1953: Stanley Miller und Harold Urey:
Glaskolbenversuch: Nachstellen der Early Earth mit Urozean, Uratmosphäre, Temperatur, künstlicher Blitzerzeugung. Es gab keine organischen Verbindungen. ABER: Nach einer Woche waren 10-15 % organische Verbindungen entstanden, davon 2% Aminosäuren.
Kritik am Experiment: ZU stark vereinfacht.
Später: Alle organischen Markomoleküle können spontan unter den Bedingungen der Early Earth entstanden sein!
Frühe Energiezufuhren waren: Blitze, UV- Strahlung (da es noch keine Ozonschicht gab), natürlcihe Radioaktivität, Einschläge von Meteoriten, vulkanische Aktivitäten (Wärmeenergie).
Die spontane Synthese und Polymerisierung braucht Katalysatoren (zB Tonoberflächen oder Pyrite, FeS2 ). Auf diesen katalysatorischen Flächen bilden die Markomoleküle einen Film → Entstehung des Lebens??
Experiment: Ton + Fettsäuren + RNA → Bildung von kreisförmigen Lipidstrukturen, welche die RNA sogar einschließen (entfernte Zellähnlichkeit); können größer werden und sich teilen. (= Lipidvesikel).
(unter speziellen Bedingungen synthetisieren sich aus Ribonukleiden spontan RNA Stücke…)
RNA Welt:
- Anfangs war die Erde steril.
- Entstehung von Biomolekülen
- Bildung von organischen Filmen (da die Erde steril war, wurden die organischen Verbindungen nicht abgebaut).
- Bildung von Proteinen und RNA
- Bildung von selbstreplizierenden RNA Molekülen (auch heute noch herstellbar)
- Wenn ein Lipidvesikel eine selbstrplizierende RNA einschließt: sehr zellähnliche Struktur!
Unter Ribozymen versteht man selbstreplizierende RNA, die bestimmte Reaktionen katalysiert.
Warum gibt es die RNA Welt nicht mehr?
- Sobald eine selbst repliziernde Einheut existiert, gibt es Selektion und Nischenbildung.
- die DNA ist eine sicherere, stabilere Speichermöglichkeit der genetischen Information als die RNA (die RNA Polymerase macht Fehler).
- Die RNA wurde durch DNA ersetzt. Dadurch können Proteine viel spezifischer katalysieren als RNA.
- Proteine übernahmen die katalytische Funktion, die RNA war nur noch Informationsträgerin.
- Evolution von RNA zu DNA.
Daraus folgte das moderne, zelluläre Leben.
Energiegewinnung:
Vor 2 Milliarden Jahren gab es noch kein O2. Über Milliarden von Jahre stieg der O2 Gehalt der Atmosphäre langsam. (Heute: E(nergie)- Gewinnung durch Atmung, e- (Elektronen) Übertragung auf O2 ).
Früher: H2 wird von Hydrogenase oxidiert; dabei werden p+ und e- frei. S wird mit Säurereduktase reduziert.
→ H2S Außen werden p+ produziert, Innen p+ konsumiert. Es entsteht ein p+ Gradient (d.h., außen sind mehr p+ als innen). Der p+ Gradient wird durch ATPase genützt, ATP und Phosphor werden generiert.
H2 S geht aus der Zelle heraus; Raktion mit FeS zu FeS2 → es wird wieder H2 frei (nötig zur E- Gewinnung).
Das ist die Atmung mit Schwefel. Heute gibt es in heißen Quellen MO, die so ihre E gewinnen.
Erst durch die Entstehung von Cyanobakterien vor 2,8 Mrd. Jahren gelangt O2 in die Atmosphäre. Cyanobakterien sind phototrophe MO, die E aus Licht gewinnen und O2 erzeugen. Zu Beginn hatten die Cyanobaktereien eine tolle, neue Nische. Das gebildete O2 reagierte aber zunächst sofort mit FeS zu Fe³+ (oxidiertes Eisen). O2 konnte erst in die Atmosphäre, als alles FeS abreagiert war (und FeS gabs im Urozean haufenweise). (Heute ist das sichtbar in Fossilien, Felsschichtungen, etc. (banded Iron Formations). Vielleicht gab es Cyanobakterienblüten).
O2 in der Atmosphäre!
a) Entstehung von neuen Formen des Metabolismus
b) Bildung der Ozonschicht
Ad b): Photodissoziation: O2 → O. .O
O2 +O → O3
O3 absorbiert in der Stratosphäre UV.
UV-Strahlen sind extrem mutagen. Durch die starke, ungefilterte UV- Strahlung aus der Early Earth konnte das Leben nur in UV- geschützten Orten entstehen (Im Meer, unter Steinen…).
Erst durch die Cyanobakterien wurde es möglich, die Erdoberfläche zu besiedeln. Das war die Grundlage für höheres Leben.
Endosymbiose:
Eukaryotische Zellen unterscheiden sich von rokaryotischen.
Eukaryotische Zellen sind größer, besitzen einen Zellkern und Organellen ( Mitochondrien, Chloroplasten).
Die Entwicklung des Zellkerns ist nicht ganz geklärt.
Entwicklung d. Organellen:
Ein früher Eukaryont bekam seine Mitochondrien durch Aufnahme von atmenden Bakterien → intrazelluläre Bakterien. Diese Bakterien wurden von den Eukaryonten domestiziert. Die intrazellulären Bakterien warfen viele Gene aus ihrem Genom, da der Wirt alles für sie machte. → dadurch wurden sie immer abhängiger vom Wirt. Einige Gene aus dem Genom der intrazellulären Bakterien wurde in das Genom des Wirts integriert.
So entstanden aus den intrazellulären Bakterien obligate, reduzierte Endosymbionten (Sklaven! Da: sie für ein höheres Leben E zur Verfügung stellen).
Ähnlich lief es bei den Chloroplasten: Die eukaryontische Zelle nahm Cyanobakterien auf, die immer abhänginger wurden → schließlich *versklavt* zu Chloroplasten.
Höhere Lebewesen können ohne Endosymbionten nicht existieren!
Mitochondrien und Chloroplasten besitzen kleine, ringförmige Genome (darauf befinden sich Gene für ribosomale RNA → ganz klarer bakterieller Ursprung). Sie werden auch durch Antibiotika gehemmt, die Bakterien hemmen. Das alles spiegelt ihre Herkunft wider.
Erst in den letzten 500 Millionen Jahren gab es höhere Lebewesen, davor nur MO. (Cambrium Explosion).
In Fossilien kann man MO nicht unterscheiden, sie sehen alle gleich aus.
Verwandtschaft unter Bakterien untersucht man mittels:
Molekulare / Evolutions – Chronometer (Zuckerkandl und Pauling).
Molekulare Systematik; die Verwandtschaft wird durch Vergleich von Makromolekülen abgeleitet. Man vergleicht die Sequenz von Molekülen. Organismen, die näher verwandt sind, haben eine ähnliche Sequenz.
RNA (ribosomale RNA) ist ein idealer molekularer Chronometer!
Weil: Sie kommt universell in allen Organismen vor. Und: Sie hat in allen Organismen dieselbe Funktion (Strukturkomponente des Ribosoms). Und: Sie mutiert sehr, sehr langsam (sonst könnte man keine Stammbäume daraus entwickeln, die evolutive Verwandtschaft widerspiegeln). Und: Sie ist sehr groß bzw. lang genug
16 s, 32 s…. (s bedeutet: Svetbergeinheiten; eine Masseneinheit; wird ermittelt durch die Absinkgeschwindigkeit eines Moleküls in der Ultrazentrifuge).
Der Pionier der Stammbaumrekonstruktion von MO war Carl Woese.
VO 2
Wiederholung von VO1: 4, 6 Mrd. Jahre in einer Stunde dargestellt: „normales“ Leben entstand erst in den letzten 5 Minuten, davor nur MO auf der Erde
Wie kam H2O auf die Erde? → unklar
H2O in der Milchstraße relativ häufig; Vorkommen auf Mond, Merkur, Mars, Neptun, Pluto
→ H2O ist auf der Erde nicht einzigartig
Wenn Sterne entstehen: Starker Wind aus Staub und Gasen nach außen → E → H2O Bildung.
- Fossile MO
- Miller/Urey
- katalytische Oberflächen für organische Verbindungen
- UV- Absorption von Ozon (UV stark mutagen)
- Endosymbiontentheorie
Methods for determining evolutionary relationships (Verfahren zur Ableitung von evolutionärer Verwandtschaft)
→ Fossilfunde (bei MO nur wenige Morphologien; verwandtschaftliche Eigenschaften können nicht davon abgeleitet werden).
→ Molekulare Verfahren (werden auch bei höheren Lebewesen angewendet, da genauer). Wurden 1965 von Zuckerkandl und Pauling eingeführt. Man vergleicht Makromoleküle, DNA-Sequenzen oder homologe Proteine. Durch Sequenzunterschiede ist es möglich, Aussagen über den Verwandtschaftsgrad von Organismen zu treffen.
Die DNA macht manchmal Fehler = Mutationen.
Grundannahme: Die Mutationshäufigkeit ist bei allen Organismen in allen Genomen gleich groß. Daraus folgt: Je entfernter verwandt, desto unterschiedlichere Sequenzen.
→ „Molekular Clock“
Die ribosomale RNA ist das entscheidende Chronometer /Molekül bei MO, um Verwandtschaft abzuleiten.
- Universally distributed (RNA ist bei allen Lebewesen vorhanden)
- functionally similar (Überall die gleiche Funktion)
- changes slowly (Langsame Mutationen; sonst wären die Moleküle gar nicht mehr vergleichbar, da zu unterschiedlich).
- sufficient information content (genug Informationsgehalt).
Ribosomale RNA kommt im Ribosom vor. Baktereienribosomen haben eine große (2RNA, 5s, 23 s) und eine kleine (16s) Untereinheit. (Verschieden lang, verschiedene Basen).
Die RNAs bilden mit dem Ribosom den Ort der Proteinbiosynthese.
Die RNA hat ausgeprägte Sekundärstrukturen, ist nicht linear.
„Skelett des Ribosoms“ , daran haften sich ribosomale Proteine an.
Der Stammbaum wird mit der 16 s ribosomalen RNA berechnet, bei höheren Lebewesen nimmt man die 18 s (die evolutionär demselben Ursprung entstammen).
Carl Woese (DER Pionier!) leitete den Stammbaum des Lebens ab.
Man hat ein Bakterium, zB einen Kokkus unterm Mikroskop.
Frage: Wo gehört es in den Stammbaum?
→ Verfahren:
1. Man isoliert die DNA (durch Zerstörung der Zelle; daraus wird die DNA extrahiert) → das gesamte, kreisförmige Chromosom liegt vor. Isoliert man die DNA von vielen Zellen liegt viel DNA vor.
2. Bestimmung der 16 s RNA in dessen Sequenz. Hierfür vermehrt man die DNA durch die Polymerase Kettenreaktion (PCR) [durch Einsatz von Primern (= kurze, künstlich hergestellte DNA Stücke), die an die DNA binden und diese vervielfältigen]
3. Codieren von vielen 16 s ribosomaler RNA Kopien
4. Diagnose
5. Alignment (= aufschreiben und eintragen in eine Datenbank)
In der Datenbank stehen homologe Positionen übereinander.
Der Computer spuckt aus, zB wie viele Unterschiede zwischen dem Organismus X und dem Organismus Y liegen.
zB: 3 Unterschiede auf einer Länge von 12 Basen:
3: 12 = 0,25
Aus den Abständen (Unterschiedlichkeit) kann man den Stammbaum berechnen. Je unterschiedlicher die Organismen, desto früher haben sie sich getrennt.
Die Unterschiede spiegeln aber nicht die tatsächliche Unterschiedlichkeit wider, da ein Unterschied auch aus mehr als einer Mutation entstanden sein kann! Eine Position, die gleich erscheint, muss auch nicht zwangsläufig gleich sein, da multible Mutationen nicht immer sichtbar sein müssen.
→ die Unterschiede werden unterschätzt. Dieser Effekt ist umso ausgeprägter, je weiter zwei Organismen von einander entfernt sind.
Zur Korrektur dieses Fehlers (Berechnen der tatsächlichen Mutationen) gibt es viele Verfahren, zB Junkes-Cantor (diese Methode geht davon aus, dass jede Mutation mit derselben Wahrscheinlichkeit vorkommt).
Durch Korrekturverfahren wird der Abstand größer. Der Stammbaum wird nach den korrigierten Ergebnissen erstellt und die Äste des Stammbaumes zwischen den Organismen entsprechen den korrigierten Werten. (Räumliché Anordnung der Unterschiede).
Oft gibt es keine Ideale Lösung, aber man versucht es so gut wie möglich zu machen.
Sequenzvergleich → Korrektur → evolutionärer Abstand → Distanzmatrix
Es gibt aber auch viel, viel komplexere Verfahren, das obige ist das primitivste.
Stammbäume kann man als Radialbaum (fächerförmig) oder als Dendogramm (nur horizontale Linien zählen; vertikale haben nichts mit der Distanz zu tun) darstellen.
Carl Woese berechente alles Leben in einen einzigen Stammbaum. Früher sprach man von 5 Königreiche (Hauptentwicklungslinien); heute sind drei große Entwicklungslinien bekannt:
Bacteria, Archaea , Eukaryonten
Woese wurde hauptsächlich wegen der Archaea so berühmt.
Archaea und Bacteria sehen unterm Mikroskop ziemlich gleich aus, sind aber in Wirklichkeit völlig unterschiedlich. Bis in die Mitte der 1980er wurden die Archaea völlig übersehen!
Genetisch sind MO viel diverser als Tiere und Pflanzen.
Die Mutationsraten der einzelnen Linien sind nicht konstant, deshalb kann man unter die Stammbäume keine Zeitachse legen (das liegt an der Vermehrungsgeschwindigkeit). Es gibt keine molekulare Uhr (d.h. 1 cm steht nicht immer 1 Mio. Jahre).
Phylogenetisch fallen Chloroplasten und Mitochondrien nicht zu den Eukaryonten sondern zu den Bacteria. → Beweis der Endosymbiontentheorie!
Thermophile Organismen sind sehr früh abgezweigt. Dies passt zur Annahme der Bedingungen auf der Early Earth.
Cultivation of Bacteria in the Lab
Probe (zB Abstrich) → Nährmedium (zB Agar mit Zucker, etc) → Bacteria vermehren sich, bilden Kolonien.
Jede Kolonie geht auf eine Einzelzelle zurück. (Jede Probe muss stark verdünnt werden).
Kolonien → vereinzelt → eine Reinkultur entsteht, die im Labor züchtbar ist.
Das alles ist mühsam.
Signatursequenzen (sind für alle Gruppen vorn Organismen findbar): Ribosomaler RNA Vergleich: Bestimmte Organismengruppen haben eine bestimmte, für sie typische Abfolge von Basen.
zB: eine bestimmte Basenfolge an einer bestimmten Stelle in der Sequenz haben alle Archaea.
Fluorescence in situ (= vor Ort) Hybridization (FISH):
Datensatz/Software spuckt typische Signatursequenz für die mich interessierend Organismengruppe aus.
Im Labor erzeugt man eine Gensonde („Probe“) / Primer, die komplementär zur Signatursequenz ist.
Die Gensonde trägt einen fluoreszierenden Farbstoff („phylogeneischer Farbstoff“; „Label“). Man kann die Gensonde auf vorbehandelte (durchlässige= fixierte), abgetötete Zellen werfen.
Die Gensonden binden hochspezifisch an die Signatursequenz ribosomaler RNA und markiert sie mit dem Farbstoff.
→ waschen, sodass nur die Zellen mit der Signatursequenz übrig bleiben
Dieses Verfahren dauert 2 Stunden und weist die MO direkt in der Probe nach, ohne sie (s.o.) kultivieren und isolieren zu müssen.
Die Spezifität der Gensonden ist nach Belieben einstellbar.
VO 3
Wiederholung von VO2:
#FISH
#Gensonden= phylogenet. Farbstoffe <span style="background-color: navy; color: white;" />→ Möglichkeit, anhand von Morphologie (spez. Färbung) MO nachzuweisen. Dazu gewinnt man einen RNA Ansatz aus einer Umweltprobe (statt aus selbiger mühsam eine Reinkultur machen zu müssen) ; DNA extrahieren-PCR-16s ribosomale RNA- Gensequenzen aus Umwelt( = Mischung!) –Klonierung (mit zB E. Coli als Vektor) – Erstellung einer Datenbank. In der Umwelt existiert eine unbekannte Zahl von MO; Millionen von MO, die noch nie gesehen wurden.
Taxonomie der MO:
- 3 Domänen (Bact. Arch. Euk.)
- Phyllum, Klasse, Ordnung, Gattung, Art
#1987 kannte man 12 Phyllen innerhalb der Bacteria und 2 innerhalb der Archaea
#1997: 24 kultivierte Phyllen; 12 Phyllen aufgrund des Gensondneverfahren entdeckt
# seit 1987 70 Phyllen gefunden.
Die Kultivierung im Lab ist nicht sehr effizient. Viele MO sind schwer oder kaum im Lab kultivierbar. Je nährstoffärmer (= oligotropher) ein System, desto weniger dort lebende MO sind züchtbar.
The full cycle:
Man kann die 16 s – Sequenzen aus der Umwelt die Umwelt widerspiegeln lassen:
Man macht für eine bestimmte Sequenz eine Gensonde und markiert sie, gibt sie in eine Umweltprobe → Nachweis der MO, obwohl diese nicht im Lab kultivierbar sind.
Um schätzen zu können, wie viele Bacteria es gibt, muss man erst den Begriff „Art“ definieren.
Ernst Mayer: Eine Art ist nicht nur eine Gruppe morphologisch gleicher Organismen, diese müssen untereinander auch fruchtbare Nachkommen hervorbringen.
Verschiedene Arten bedeutet also: Sie können sich nicht miteinander reproduzieren.
Bacteria vermehren sich jedoch nur durch Teilung, nicht durch Sexualität.
→ Mayers Definition ist nicht anwendbar auf sich asexuell vermehrende Organismen.
(auch unverwandte) Bacteria tauschen allerdings untereinander Gene aus = lateral/horizontal Gen Transfer. Dieser passiert, wenn ein starker Selektionsdruck herrscht; dadurch entsteht zB Antibiotikaresistenz. Die Resistenz entsteht also nicht nur durch Mutation, sondern auch durch Aufnahme von fremder DNA, welche die resistent machenden Eigenschaften enthält.
Wie geht das? Normalerweise sind Bacteria klonale Organismen, es findet kein Gentausch statt.
→ Konjugation: Ausbildung von Sex-Pili; Austausch von DNA über einen Schlauch (funktioniert zB auch zwischen Bacteria und Hefe).
→ Transduktion: Phagen übertragen manchmal nicht nur ihr eigenes Genom, sondern auch versehentlich Stücke des Genoms einer ehemaligen Wirtszelle, die sie unabsichtlich in ihr eigenes Genom eingebaut haben.
→ Transformation: Viele Bakterienzellen können nackte, fragmentierte DNA (zB von lysierten Bacteria) aufnehmen. Ist diese nützlich, kann sie ins eigene Genom eingebaut werden.
Anhand der 16s rRNA kann man die Art bei Bacteria nicht bestimmen.
Man fasst relativ ähnliche Genome als Art zusammen.
DNA-DNA Hybridisierung ist eine Schlüsseltechnik der Mikrobiologie, nur bei Reinkultur anwendbar:
- 2 Organismen werden verglichen.
- DNA wird extrahiert und zerkleinert
- Die DNA von Organismus 1 wird radioaktiv markiert (mit radioaktivem P)
- Erhitzen → Doppelstränge werden zu Einzelsträngen
- Man mischt die DNAs von Organismus 1 und Organismus 2, wobei jene des Organismus 2 in Überzahl ist.
- Stücke, die eine gewisse Ähnlichkeit aufweisen, paaren und bilden wieder einen Doppelstrang. (Sie müssen nicht gleich sein, nur ähnlich)
- Man bestimmt den % - Wert, der in der DNA-DNA Hybridisierung miteinander hybridisiert (messbar über die radioaktive Markierung)
- Auswertung: per Definition, kein biologisches Konzept! Pragmatisch, willkürlich.
- Zwischen 0-25% : unterschiedlich
- 25-70% gleiche Gattung, untersch. Arten
- 70-100% gleiche Art.
Diese % Werte sind nicht übersetzbar in Sequenzähnlichkeit.
Ein anderer Messwert ist ∆Tm.
Ist ∆Tm < als 5° ….selbe Spezies.
Nach diesem System hätten Mensch und Gorilla ∆Tm 1,4 und wären somit in einer Art.
→ Der Artbegriff in der Mirkobiologie ist sehr weitgesteckt.
Die meisten MO sind nicht kultivierbar, d.h. die DNA-DNA Hybridisierung ist nicht einsetzbar. Man weiß nicht, wie korrekt die 16 s rRNA Ähnlichkeit mit der DNA-DNA Hybridisierung übereinstimmt.
Bei der 16 s Ähnlichkeit kann es sich, auch bei fast identer rRNA Sequenz um ganz unterschiedliche Arten handeln. Bei geringer 16s Ähnlichkeit (unter 97%) kommen keine Organismen vor, die über 70 % DNA-DNA Hybridisierungsähnlichkeit haben.
Bei solchen Organismen muss man gar keine DNA-DNA Hybridisierung mehr durchführen, weil es sowieso logisch ist, dass sie nicht verwandt sind.
Bacterial Selection: Wie sich verschiedene Bacteria- Arten bilden
→ Verschiedene Modelle
- Ecotypen: Spezies, die im selben Habitat leben, aber verschiedene Nischen nutzen, (zB Habitat ist ein See und die Bacterien leben an verschiedenen Stellen)
Angenommen man hat 3 verschiedene Ecotypen (a,b,c). In Ecotyp a findet eine Mutation statt, durch die der betroffene Organismus fitter wird = adaptive Mutation (passiert selten; die meisten Mutationen sind neutral). Dieser eine Organismus wird sich vermehren und alle anderen seines Ectyps aus seiner Nische herausdrängen = periodic selection.
Geschieht periodic Selection öfter, entsteht eine neue Art des Ecotyps a.
Im Vergleich mit anderen Organismengruppen wirkt die Zahl der Bacteria relativ klein (6 500). Man schätzt, dass es 4, 5 Mio existierende Prokaryonten gibt, wahrscheinlich noch mehr, da es in jedem Insekt mindestens einen bakteriellen Symbiont gibt und es sehr viele Insekten gibt, die auch noch nicht beschrieben sind…
Bacteria vs Archaea vs Eukaryonten
- Zellmembran: Bakterien: Bilayer (Doppelmembran) aus Phospholipiden; die Cytoplasmamembran besitzt Membranproteine, Poren; die Phospholipide haben Fettsäuren.
Archaea haben keine Ester- sondern eine Etherbindung und Phetanylgruppen anstatt der Fettsäuren. Ihre Fettsäurenkette besteht aus ca. 10 C Atomen. (??). Manche Archaea haben ein Biphetanyl → sie haben keine Doppelmembran, sondern eine Monolayer. Die Glyzerinkopfgruppen sind verknüpft.
Bei hohen Temperaturen zerfällt die Bilayer, die Monolayer beleibt stabil.
Bacteria und Eukaryonten haben immer eine Bilayer und Esterbindungen.
Archaea haben z.T. Monolayer mit cyklischen C – Ringen.
Sie kommen z.T. in über 100°C heißen Quellen vor, manche halten sogar einen pH Wert von 1 aus ( H2SO4)!
- Zellwände: Bacteria: es gibt gram+ und gram-. Gram+ besitzen eine dicke Peptidoglykanschicht zwischen der Cytoplasmamembran und der äußeren Zellmembran mit LPS (Lipopolysaccariden). Gram- haben eine dünne Peptidoglykanschicht. Im Peptidoglykan befinden sich N-Acetylglucoseamin und
N-Acetylmuraminsäure
Archaea: die Zellwände sind (meist) vorhanden; sehr vielfältig. Manche haben Pseudopeptidoglykan (ist unempfindlich gegen Lysozym), N-Acetylglucoseamin,
N-Acetylthaloseaminosäure (aber keine N-Acetylmuraminsäure).
[Lysozym verdaut die Bacteriazellwand, ist zB im menschlichen Auge als Schutz vorhanden]. Manche Archaea haben kristalline Proteinschichten (s-layer) um sich herum, oder Polysaccaridwände.
Eukaryonten: viele haben keine Zellwände (zB Mensch), aber: Chitin (Fungi, Insecta) besteht aus N-Acetylglucoseamin. Pflanzenzellen haben eine Zellwand aus Zellulose. Zellulose ist eine lange Kette und bildet Fibrillen, welche die Zellwand bilden.
- Informationsprozessierungssystem: Hierbei sind Archaea sind den Eukaryonten ähnlicher. Die Cytoplasmamembran betreffend sind Archaea den Bacteria ähnlicher.
Das Informationsprozessierungssystem ist die RNA Polymerase. (Bei Archaea und Eukaryonten gibt es die TATA-Box, bei Bacteria nicht).
- Zellstruktur: Archaea und Bacteria sind ähnlicher, da sie keinen Zellkern haben (Prokaryonten). Sie haben ein ringförmiges (RF) Chromosom und keine Organellen.
- DNA: ist sehr lang und muss kompaktiert werden. Bacteria tun dies durch supercoiling (= verdrehen). Eukaryonten bilden Nucleosomen aus; das bedeutet, sie wicken die DNA um Histone herum. Die gefalteten Nucleosome sind das Chromatin; das gefaltete Chromatin ist das Chromosom.
RF DNA mit supercoiling.
VO 4: Diversität des Metabolismus (= Stoffwechsel) (Kapitel 17)
Phototrophie
Das Licht wird als E-Quelle genutzt.
a) Photoautotrophe (CO2 ist die Kohlenstoffquelle, wird aus Luft oder Wasser fixiert).
b) Photoheterotrophe (Organische Verbindungen als C-Quelle genutzt)
ad a) : Photoautotrophe Organismen stehen am Anfang der Nahrungskette. Sie leben ausschließlich von Licht und CO2 ! Ohne diese MO würden die meisten Ökosysteme ncht funktionieren.
Man unterscheidet auch (v.a. am e- Donor):
- anoxygene phototrophe MO (bei der Photosynthese entsteht kein O2 )
- oxygene phototrophe MO (es entsteht O2 )
Reaktionsäquivalente: Ist nötig, um CO2 fixieren zu können, zB H2S, H2O (bei oxygener Photosynthese), C, E
Kohlenstoff
Energie
Photosynthetische Pigmente:
- Chlorophyll A (In Pflanzen, Algen, Cyanobakterien)
- Bakterienchlorophyll A
Das Chlorophyll wird in der Membran durch eine hydrophobe Kette verankert (bei Chlorophyll Mg, bei Blut Fe ?)
Absorptionsspektrum (Welche Lichtwellen werden absorbiert?) bei Clamydomona: 430-680 nm. Das ist auf das Chlorophyll zurückzuführen.
Chlorophyll absorbiert „grünes“ Licht (d.h. Licht der Wellenlänge, die wir als grün sehen) kaum→ man sieht grün.
Bei Eukaryonten sitzt das Chlorophyll in den Chloroplasten (siehe Endosymbiontentheorie) als Grana (Stapel).
MO haben keine Organellen → das Chlorophyll wird in der Membran verankert. Deshalb gibt es viele verschiedene Membranstrukturen (zB Thylakoidmembran bei Cyanobakterien oder die Einwölbungen der Cytoplasmamembran bei Purple Bacteria oder Vesikel in der Cytoplasmamembran…).
Die photosynthetischen Pigmente fangen/sammeln Licht und leiten die Licht-E zu einigen, ausgewählten Pigmenten (Reaktionszentren) weiter. In den Reaktionszentren wird die Licht-E in chemische E umgewandelt.
Carotinoide:
- ernten Licht
- kommen in allen phototrophen Organismen vor
- schützen (Photoprotection) vor lichtinduzierten Schäden
- absorbieren im „blauen“ Bereich → seen gelb oder bräunlich aus
- sind hydrophob
Phycobiline:
- kommen bei Cyanobakterien vor
- ernten Licht
Alle photosynthetischen Pigmenten können interagieren.
Kurzwellig → langwellig
Man kann Licht aus verschiedenen Wellenlängenbereichen ernten; die E kann immer weitergegeben werden. Mit dem Pigmentaufbau von 3 bis 4 Pigmenten können Cyanobakterien Licht effektiver nutzen, da so Licht aus mehreren Wellenlängenbereichen erntbar ist.
→ Verschiedene phototrophe MO können koexistieren, weil sie sich die unterschiedlichen Wellenlängenbereiche einer ökologischen Nische untereinander aufteilen.
Anoxygene Photosynthese kann sowohl von aeroben als auch anaeroben MO gemacht werden.
Anoxygene Photosynthese:
Membran → Licht fällt ein → wird von Antennenpigmenten geerntet → Reaktionszentrum → Chlorophyll A → e- Donoren →p+ Gradient baut sich auf. Innen werden e- verbraucht, außen e- herausgepumpt; e- kommen ins inaktivierte Reaktionszentrum zurück. Kein e- geht verloren. ADP wird zu ATP gemacht.
→ Photophosphoryllierung = ATP Erzeugung durch Licht-E (die e- laufen, angetrieben durch das Licht, im Kreis). e- Donoren werden gebraucht, um NADH oder NADPH (Reaktionsäquvalente) zu erzeugen, um CO2 zu fixieren.
Oxygene Phototrophie:
Photosystem II : Bekommt Licht → Antennenpigmete → Chlorophyll A wird aktiviert zum starken e- Donor → e- fallen auf Potosystem I runter. Die e- kommen aus H2O → O2 entsteht, weil H2O gespalten wird. Diese e- werden hochgehoben und über verschiedene Carrier auf Photosystem I übertragen. Im Chinonpool entsteht durch nicht-zyklischen e- Fluss ein p+ Gradient, der zur ATP Generierung genützt werden kann → e- fallen zurück → können entweder zur Herstellung von NADPH verwendet werden oder kann auf cytochrom ?? zurückfallen.
Wenn viel Licht und starke Reaktionsäquivalente: Cyklischer e- Fluss, der zur ATP Generierung verwendet wird.
„Lichtreaktion“ vs „Dunkelreaktion“ (Kein Licht nötig)
Wie kann aus Biomasse CO2 entstehen? → Autotrophe CO2 Fixierung: 5 Wege:
- Calvin Cycle
- Reverser Citratzyklus
- 3 Hydroxyproprionatzyklus
- REduktiver Acetyl-CoA pathway
- 3 Hydroxyproprionat/ 4 Hydroxybutyratcycle
Calvin Cycle: 2 Schlüsselenzyme (RubisCo) ??
Photosynthetisch aktive MO sind wichtig:
- überall wo Licht ist
- im Meer ! sonst gäbe es kein Leben – nicht nur Algen, auch viele MO kommen im Meer in Biomasseflocken vor.
Aerobe Organismen, die anoxygene Photosynthese betreiben, leben mikrotroph: Energiequelle ist Licht, Kohlenstoffquelle sind organische Verbindungen.
Protorhodopsin tragende MO:
(Protorhodopsin kommt im Meer in vielen heterotrophen MO vor, die zusätzlich Licht nutzen, um E zu gewinnen und in halophilen MO (Archaea)). Protorhodopsin pumpt e- von innen nach außen (lichtabhängige e- Pumpe) → ATP wird generiert. Protorhodopsin ist ein rotes Pigment, deshalb sind manche Salzseen rot.
VO 5
Wiederholung von VO 4: Substratkettenphosphoryllierung (sollen wir wieder nachlesen) …einfache Gärung
Es gibt photoautotrophe (fix. CO2 ) und photoheterotrophe (organ, Verbdgen) MO.
Anoxygene Microphotosynthese – kein O2 entsteht
Oxygene: H2O ist e- Donor (Pflanzen, Cyanobact.)
Elektronenfluss: Cyklisch bei anoxygener Photosynt. ; kein e- Donor vonnöten
(in Membran)
5 Wege, CO2 zu fixieren, der wichtigste = Calvin Cycle.
Chemolithotrophie
= E aus der Oxidation von anorganischen e- Donoren (meist O2 ).
Viele der Chemolithotrophen sind autotroph (d.h. sie können CO2 fixieren).
Die Reaktionsäquivalente entstehen direkt oder mit reversem e- Fluss.
Bedeutung von Chemolithotrophen:
e- Donoren werden zT natürlich produziert, kommen natürlich vor:
- H2S in Vulkanen
- Harnstoff in Dünger
- WC
- Aas: Harnstoff, Ammonium
Chemolithotrophie ist besonders für die Kreisläufe der Elemente S und N entscheidend.
Ammonium wird von Ammonium oxidierenden Bakterien zu Nitrit, das von den Nitrit oxidierenden Bakterien zu Nitrat gemacht wird. (Nahrungskette)
H2 oxidierende Bakterien
- „Knallgasreaktion“ : 2 H2 + O2 → 2 H2O
- nutzen die E, die zwischen diesem Redox-Paar ist, für ihr Wachstum
- Hydrogenase: Vorraussetzung für die H2 Oxidation
- Eine Hydrogenase in der Membran, eine Hydrogenase im Cytoplasma
- Übertragung des H2 im Chinonpool ….übertragen aufs O → Wasserbildung
- Protonengradient wird genutzt um mit ATPase ATP zu machen.
- Viele der H2 Oxidierer können auch andere Stoffwechselwege gehen, wenn kein H2 da ist.
Schwefelverbindungen (anorgan.) oxidierende Bakterien
- zB H2S, S, S2 O3 2- → Sulfat, Schwefel
- Farblose Schwefel (Sulfur) Bakterien vs Grüne u. Purple Schwefel Baktierien
- Am Meeresboden, wo H2S ist (zB wo Abwässer eingeleitet werden) entstehen MO-Matten (Bioindikatorische Wirkung für Verschmutzung).
- Adherieren (haften an) Schwefelkristallen, um gut an den S zu gelangen, um ihn als e- Donor zu verwenden
- 2 Wege der Sulfit- Oxidation
Fe Oxidation
- nutzen Fe 2+ als einzige E Quelle; leben nur von Fe 2+ und CO2
- Fe 2+ ist bei neutralem pH sehr instabil (wird zu Fe 3+ oxidiert)
- pH: sauer
- acidophile Baktierien ( und Archaea; die haltens auch bei pH 0 aus!!)
- es muss viel Fe oxidiert werden, da es sehr wenig E enthält
- verschiedene Typen von Fe oxidierenden Organismen (Ferooxidans): phototrophe, anaerobe
- brauchen Rusticyanin, um Fe 2+ zu Fe 3+ zu machen und es in die Atmungskette zu übertragen
- leben im sauren Bereich: viele p+ schwimmen um sie herum
- im Zellinneren herrscht pH 6→ der p+ Gradient braucht ncht erst über die Atmungskette hergestellt werden, er ist bereits da! Atmen müssen die MO aber trotzdem, da bei Nutzung des natürlichen p+ Gradienten das Innere der Zelle lethal versäuert werden würde
- brauchen reversen e- Fluss, um Reaktionsäquivalente herzustellen
Nitrifizierer/ Nitrificanten
- Oxidation von Ammonium (NH4) → Nitrit(NO2-)→Nitrat(NO3-)
- NH4 + 3/2 O2 → NO2- + 2H+ +H2O +E (Namen der MO: Nitroso…)
- NO2- + ½ O2 → NO3- + E (Namen der MO: Nitro...)
- (eigentlich wird Ammoniak (NH3) oxidiert)
- Schlüsselenzym: Ammoniumhydroxygenase (?)
- Periplasma = Das, was außerhalb der Zelle liegt
- Bei der Nitritoxidation oxidiert das Schlüsselenzym Nitrit zu Nitrat
- Carboxysome: Membraneinschlüsse mit kristallinen RubisCo Molekülen
- Ammonium und Nitrit Oxidierer kommen nebeneinander vor (Nitrit ist toxisch und die Nitritoxidierer brauchen es → perfekte Partnerschaft)
- Vorkommen in Kläranlagen, nützlich!
- Ammonium in Gewässern verursacht Fischsterben, Eutrophierung, Algenwachstum, „Umkippen“.
- Nitrat ist nicht mehr toxisch, führt aber auch zu Algenwachstum
- NH4 wird im Boden gebunden, Nitrat wird leichter aus dem Boden gewaschen (→ ins Grundwasser) → die Landwirtschaft freut sich nicht über diese MO im Boden
- Nitrit und Nitrat ist nicht gut für Kleinkinder
- NH4 + NO2- → N2 (anaerob) (N2 ist ganz harmloser Luftstickstoff!!)
Anamox (Anaerobe Ammonium Oxidierer)
- gehören zu Planktomyceten
- „the missing lithotroph“ : wurde zuerst vorherprognostiziert, dann gesucht und gefunden.
- Haben ein unterteiltes Cytoplasma, „eine Art Organellen“
- Anamoxosom = membranumschlossenese Compartiment (sehr dicke Membran)
- Dicke Membran, da seeeeehr toxisches, mutagenes Hydracin (Raketentreibstoff!) ein Zwischenprodukt ist → durch das Compartiment wird die DNA geschützt.
- Anamox werden in Kläranlagen genutzt.
Anaerobe Atmung kann in
- assimilatorische (kein E Gewinn, kommt in dieser VO nicht vor)
- dissimilatorische (E Gewinn über eine Atmungskette)
Vorgänge eingeteilt werden.
zB: Nitrit – Nitritreductase - Nitrat – Nitritreductase – NO – Nitric oxid reductase - N2 O – Nitrous oxide reductase - N2
VO 6 : Metabolismus /Mirkobielle Diversität (Kapitel 17 /19)
Wiederholung von VO 5:
Chemolithotrophe: Oxidation von anorganischen e- Donoren
e- werden in Atmungskette eingespeist (je nach Reduktionspotential idt die Atmungskette lang oder kurz) ; Aufbau einer Reduktionsäquivalente durch reversen e- Fluss oder andere Prinzipien
- Nitrifikanten (Kläranlagen, Landwirtschaft)
- Anamox – vorher postuliert, dann erst gefunden
- Denitrifikanten: lange Atmungskette, können auch ohne Sauerstoff atmen, nehmen dann Nitrat statt O2 , das Nitrat wird zu Stickstoff (Paracoccus denitrificans) ; Kläranlagen, landwirtschaftl. Genutzte Böden.
Anaerobe Atmung mit Sulfat als e- Akzeptor
- Vorkommen in Ökosystemen, wo Sulfat viel vorhenden ist, zB im Meer
- SO4 2- + CoD (organischer e- Donor) → HS- + CO2
- HS- bildet schwarze Metalloxide (deshalb ist Sand am Strand tiefer unten dunkel)
- Nachweis auch in Bohrkernen (Sediment)
- Sulfat ist elektronegativer als O2, H2O → eher ungünstig; sie können mit O2 keine E mehr gewinnen (keine aerobe Atmung); können verschiedene e- Donoren verwenden.
Assimilation vs Dissimilation:
Viele MO können Sulfat reduzieren, aber nicht, um E zu gewinnen, sondern, um andere Verbindungen zu bekommen, um in ihrem Cytoplasma schwefelhaltige Biomoleküle aufzubauen.
Dissimilation ist E Gewinnung.
Assimilation: Sulfat muss durch E aktiviert werden, zu APS → PAPS (das kostet E!) → Reduktion zu Sulfit → H2O entsteht → Einbau in organische Moleküle
Dissimilation: APS Reductase → AMP → So3 2- → Sulfidreductase …? blablabla? ... →
2 H2S
Atmungskette der Sulfid Reduzierer: H2 als e- Donor
Sulfat wird in 2 Stufen zu H2S reduziert
Oder: Lactat wird zu Pyruvat reduziert → H2 entsteht.
CO2 als e- Akzeptor für anaerobe E Gewinnung
CO2 ist überall vorhanden ; übertragen p+ vom H2 aufs CO2 → Aufbau eines p+ Gradienten an einer Membran
# Methanogene (erzeugen Methan; in Sümpfen)
#Acetogene
Häufig sind beide autotroph (Acetyl-CoA way); stehen am Ende eines Energiegewinnungsspektrums, liefern kaum E; es muss sehr viel umgesetzt werden, um Zellwachstum möglich zu machen.
Ein fundamental anderer Weg, E zu gewinnen, ist
Fermentation
Fermentation passiert dann, wenn viele e- Donoren da sind, aber keine e- Akzeptoren.
F. ist ein in der Zelle balancierter ox – red Prozess, bei dem ein interner e- Akzeptor genutzt wird. Dabei wird ein Endprodukt erzeugt, das ausgeschieden werden muss. Der e- Akzeptor wird selbst intern erzeugt. Es baut sich kein p+ Gradient auf, sondern über Substratkettenphosphoryllierung. H2 entsteht in Ökosystemen hauptsächlich durch Gärung.
Gärung ist wichtig für die Lebensmittelherstellung: Milchsäure, alkoholische Gärung…
Organische Substrate werden als e- Donoren genutzt → Oxidierung → Zwischenprodukt, auf das e- übertragen werden → Fermentationsprodukte.
Es gibt viele verschiedene Gärungen, zB von Zucker, Aminosäuren, Organischen Säuren, Alkoholen…→ es läuft jedoch immer ein und derselbe Weg ab.
(energiereiche Phosphat oder energiereiche CoA – Gruppe ?)
Durch Umwandlung in ein weiteres Produkt entsteht aus der Spaltung der energiereichen Bindung direkt ATP.
Katabolismus = Abbau von Verbindungen, um E zu gewinnen.
Anabolismus = Aufbau von Biomolekülen für die Zellsubstanz aus Verbindungen.
Der e- Donor kann sein :
- anorganisch → Lithotrophie
- organisch → Organotrophie (der e- Donor wird oxidiert)
- mit einem e- Akzeptor interagierend (aerob und anaerob) oder: Gärung
→ wird reduziert → ATP Generierung durch Atmung
NADPH / NADH überträgt die e- auf die Atmungskette
Was passiert im Meer im Sediment an Metabolismus?
Generell: Im Meer passiert Photosynthese, Biomasse wird aufgebaut (zb Tiere), diese werden gefressen – Nahrungsketten. Tote Tiere/ Biomasse sinken aufs Sediment.
So kommen organische Stoffe in das Sediment. Im Sediment sitzen MO und atmen. Zuerst veratmen sie alle p+ Donoren zu E und CO2 .
Tiefer unten in den marinen Sedimenten ist kein O2 mehr, aber noch viele organische Stoffe, die durch Enzyme zerkleinert (zerhackt!) wurden in Aminosäuren, Saccaride, Fettsäuren. Zunächst wird denitrifiziert (da dies am meiste E liefert) – im Sediment ist eine Denitrifikationszone. Dabei entsteht N2, der dem Sediment entweicht.
Nitrat diffundiert immer weiter nach, noch tiefer unten ist aber kein Nitrat mehr, aber immer noch organische Verbindungen. Nun kommen die Sulfatreduzierer zum Zug; veratmen die organ. Verbindungen: Sulfatreduktionszone. Dabei eintsteht H2S, das nach oben diffundiert und hinauf in die aerobe Zone gelangt. Dort wird es von Chemolithosulfidoxidierern veratmet: H2S plus O2 wird zu Sulfat, ein Teil der H2S bindet an dunkle Metalle.
Filamentöse Matten von MO sind Indikatoren für Umweltverschmutzung
Noch tiefer sitzen methanogene Archaea, die H2 (der durch Gärungen entsteht), verwenden.
Methan wird auch in Sümpfen erzeugt (Volta Experiment: Sammeln von Mehtangas über Sümpfen und verbrennen desselbenmit blauer Flamme).
Anabolismus: N2 Fixierung zum Aufbau von Biomasse. Der Stickstoff kommt aus Nitritassimilation. Manche können den Stickstoff auch direkt aus der Luft aufnehme, was sehr praktisch ist, denn so können sie in Habitaten ohne Stickstoffquelle überleben.
8 H+ +8e- +N2 → 2NH3 +H2 + viiiiiiel E
Das können auch einige Pflanzen, durch Bakterien, die in ihren Wurzelknöllchen leben. Diese fixieren auch für die Pflanze den Luftstickstoff. Das passiert hauptsächlcih bei Leguminosen. (oder zB Soja, manche Reissorten, Erle).
Landwirtschaftlich: Die Pflanze muss nicht gedüngt werden.
Man versucht, durch Gentechnik Pflanzen dazu zu bringen, Wurzelknöllchen auszubilden, um Dünger zu vermeiden.
Allerdings: N2 ist sehr zufrieden, d.h unreaktiv → die Aktivierung (mit Nitrogenasekomplex) ist kompliziert und energieraubend.
Um 2NH3 aus 1 N2 zu generieren, sind 16-24 ATP vonnöten!
De Nitrogenase ist außerdem empfindlich auf Sauerstoff. Das ist für aerobe Organismen ein Problem, da die Nitrogenase irreversibel gehemmt werden würde.
Cyanobakterien (oxygene, phototrophe Photosynthese) bilden Heterocysten aus (Zellen mit dicker Zellwand, die keine Photosynthse betreiben, fixieren den Stickstoff, sind in ihrem Inneren anaerob). Die Heterocyste gibt den Stickstoff an die anderen Cyanobakterien weiter.
Dies ist bemerkenswert, da die Zellen untereinander kommunizieren und spezifische Rollen übernehmen → einfache Multizellularität
Manche Aerobe machen dicke Schleimschichten und atmen heftig; das Zellinnere ist anaerob und die Nitrogenase wird geschützt.
N2 Kreislauf: N2 kommt in vielen verschiednen Verbinungen vor, die ineinander übergehen → globaler N2 Kreislauf! Das ist essentiell für das Funktionierend der Erde als System. ..und er wird von MO aufrechterhalten → OHNE SIE WÄREN WIR ALLE TOOOOOOT ;)
