Nenne 5 entscheidende Merkmale, die mit Leben assoziiert sind. Welche Merkmale haben alle Zellen? Welches sind Eigenschaften nur einiger Zelltypen?

Leben = (Alle Zellen): Reproduktion, Stoffwechsel, Differenzierung, chemische Signalgebung, Evolution.

Nur Eukaryoten: Zellorganellen, die vom restlichen Zellplasma abgeschlossen sind, Cytoskelett.

Man kann Zellen sowohl als chemische Maschinen als auch als Codierungsvorrichtungen auffassen. Erkläre, wie sich diese beiden Eigenschaften unterscheiden!

Chemische Maschinen: innerhalb der Zellen laufen von Enzymen katalysierte Reaktionen ab.

Codierungsvorrichtungen: Speicher und Prozessoren genetischer Information (DNA)

Über Wachstum sind die beiden Funktionen miteinander verbunden. Im Zellzyklus wird Wachstum von Zellteilung (und damit Verdoppelung des gesamten Zellmaterials inkl. DNA) abgelöst.

Wie viele Gene besitzt eine typische Prokaryotenzelle? Haben Eukaryoten weniger oder mehr Gene als Prokaryoten?

Prokaryoten: Escherichia coli: ca. 4300 Gene,

Eukaryoten: im allgemeinen mehr, menschliche Zelle ca. 10x mehr.

Vergleiche die prokaryotische mit der eukaryotischen Zelle. Führe Eigenschaften auf, die beiden gemeinsam sind, sowie diejenigen, in denen sich beide Zelltypen unterscheiden.

Gemeinsames: Zellmembran, Nukleinsäuren, Stoffwechselvorgänge, Cytoplasma, Ribosomen

Unterschiede: Eukaryoten enthalten Organellen (Zellkern, Mitochondrien, Chloroplasten usw.) Cytoskelett, DNA in Zellkern bestehend aus vielen Chromosomen;

Prokaryoten sind einfach aufgebaut, enthalten keine Organellen, die Nukleinsäuren sind nicht im Zellkern. Die DNA besteht aus einem einzigen doppelsträngigen Molekül, dem Chromosom, das aggregiert und das Nucleotid bildet.

DNA ist ringförmig und ist haploid, zudem gibt es extrachromosomale DNA, das Plasmid.

Sind Viren Zellen? Nenne drei Merkmale, die Viren von Zellen unterscheiden.

Viren sind keine Zellen: keine selbständige Reproduktion (nur in Verbindung mit einer Zelle), kein eigener Stoffwechsel, keine Ribosomen--> auf proteinsynthetische Fähigkeit der Zelle angewiesen

Was ist erforderlich, dass in einer Zelle Translation stattfinden kann? Was entsteht beim Translationsprozess?

Es braucht die Nukleinsäure als Informationsträger sowie die Ribosomen als Ort der Proteinsynthese. Bei der Translation werden Proteine (Enzyme, Strukturproteine, Transportproteine usw.) synthetisiert.

Worin ähneln sich Bacteria und Archaea und worin unterscheiden sie sich? Wie kann man ein Bakterium von einem Vertreter der Archaea unterscheiden?

Grösse und Zellstruktur sind ähnlich. Bakterien sind praktisch in allen Gebieten der Erde verbreitet und weisen zahlreiche phylogenetische Zweige auf. Sie können sich auf unterschiedlichste Weise ernähren, während Archaea anaerob und auf Spezialgebiete und extreme Biotope beschränkt sind. Sie können dafür unter Extrembedingungen (heisse Quellen, salzhaltige Gewässer, stark saure und alkalische Böden) überleben. Sie definieren die biologische Toleranz gegenüber physikochemischen Extremen.

Was ist ein Ökosystem? Leben Mikroorganismen dort in Reinkulturen? Wie können sich Mikroorganismen auf ihr Ökosystem auswirken?

Ökosysteme sind Gebiete, in denen verschiedene Organismen zusammenleben, und untereinander wechselwirken. Sie beinhalten deren unbelebte Natur (Biotop) sowie deren Organismenaggregationen (Populationen). In Ökosystemen leben keinerlei Organismen in Reinkulturen sondern in Wechselwirkung zu zahlreichen anderen Organismen. Mikroorganismen nehmen aus ihrer Umwelt Stoffe auf, verarbeiten sie und scheiden solche aus. Die chemischen, physikalischen und biologischen Bedingungen des Ökosystems definieren weitgehend, welche Organismen in diesem leben können.

Was ist eine Reinkultur und wie kann man eine herstellen? Warum war es für die Entwicklung der Mikrobiologie als Wissenschaft wichtig zu wissen, wie man eine Reinkultur erhält?

Reinkultur= Kultur, die nur aus einer Mikroorganismenart besteht. Um eine solche zu erhalten, müssen wir den Mikroorganismus im Laor unter entsprechenden Bedingungen halten, damit er wachsen kann. Ausserdem müssen wir dafür sorgen, dass andere Mikroorganismen die Kultur nicht verunreinigen. Solche unerwünschten Mikroorganismen, Kontaminanten genannt, sind allgegenwärtig, und man versucht durch mikrobiologische Techniken eine Kontamination zu vermeiden. Sobald wir eine Reinkultur haben, können wir ihre Biochemie, Genetik sowie andere Eigenschaften untersuchen.

Wie würdest du einen Freund überzeugen, dass Mikroorganismen viel mehr sind als nur Krankheitserreger?

Mikroorganismen sind im ganzen Ökosystem Erde verbreitet, und zu ihnen gehören neben Krankheitserregern, zahlreiche sehr wichtige Organismen, ohne die Prozesse wie Vermoderung von Totem Material, Gärung zur Produktion verschiedener Nahrungsmittel, Abbau von Umweltverschmutzungen, sowie die Produktion von wichtigen Energieträgern und Medikamenten nicht möglich wären.

Erkläre das Prinzip, das hinter dem Gebrauch des Pasteur-Kolbens bei den Untersuchungen zur Urzeugung stand.

Pasteur benutzte für seine Untersuchungen einen Kolben mit einem gebogenen „Schwanenhalskolben. In diesen Kolben goss er eine unsterile Flüssigkeit, die er durch erhitzen sterilisierte. Durch den gebogenen Hals des Kolbens konnten Staub und Mikroorganismen nicht eindringen. Solange die Flüssigkeit nicht mit den im Bogen gefangenen Mikroorganismen und Staubpartikel in Kontakt kam, blieb die Flüssigkeit über Jahre hinweg steril, obwohl sie mit Frischluft in Kontakt waren. Wurde jedoch die sterile Flüssigkeit kurz mit den Staubpartikeln in Kontakt gebracht, wuchs innert kürzester Zeit eine ganze Kolonie von Mikroorganismen in der Flüssigkeit heran.

Erkläre, warum die Erfindung des festen Kulturmediums Agar anstelle Nährstoffgelatine von grosser Bedeutung für die Entwicklung der Mikrobiologie als Wissenschaft war.

Nährstoffgelatine war trotz aller hervorragenden Eigenschaften zur Isolierung und Untersuchung verschiedener Bakterien, nicht sehr gut geeignet weil sie sich beim Temperaturoptimum der meisten menschlichen Pathogene (37° C) verflüssigt. Als den erforderlichen vielseitigen Verfestiger erwies sich Agar.

Beschreibe einen wesentlichen Beitrag von Martinus Beijerinck für die Mikrobiologie.

Die Formulierung des Konzepts zur Anreicherungskultur: Züchtung der gewünschten Organismen durch Kulturmedien, die das Wachstum des gewünschten Organismus fördern alle anderen aber eindämmen. So isolierte er die ersten Reinkulturen von stickstofffixierenden, schwefeloxidierenden und schwefelreduzierenden Bakterien.

Beschreibe anhand von Tabelle 1.1 die Unterschiede in der mikrobiologischen Forschung vor und nachdem zweiten Weltkrieg.

Vor dem 2. Weltkrieg wurde hauptsächlich auf das Ziel des Verständnisses von mikrobiologischen Prinzipien, und Mikroorganismen für die Menschliche Gesundheit geforscht, während es nach dem 2. Weltkrieg auch um die Anwendung dieser Kenntnisse in der Technologie und Wirtschaft ging.

(Beantwortung der Frage nicht sicher!!!)

Warum färbt man für die Lichtmikroskopie? Warum werden für allgemeine Färbzwecke kationische Farbstoffe verwendet?

Das Lichtmikroskop weist sehr schlechte Kontrastverhältnisse auf, so werden die meisten Zellstrukturen erst bei Verstärkung des Kontrastes durch Färbung, oder Verwendung von Phasenkontrast-, Dunkelfeld- oder Floureszenzmikroskopen sichtbar. Kationische Farbstoffe binden aufgrund der negativ geladenen Membranaussenseite der Zellen gut an deren Strukturen. (Phosphatreste an den Phospholipiden).

Welche Vorteile haben das differenzielle Interferenzkontrastmikroskop bzw. das Phasenkontrastmikroskop gegenüber dem Hellfeldmikroskop?

Differenzielle Interferenzkontrastmikroskope und Phasenkontrastmikroskope können durch Verbesserung der Kontrastverhältnisse das Beobachten an lebenden Zellen und damit die Feldforschung ermöglichen, da die Organismen nicht durch Färbung geschädigt oder abgetötet werden. Zudem werden durch Verstärkung der Kontraste auch die Auflösungsverhältnisse verbessert.

Was ist der entscheidende Vorteil des Elektronenmikroskops gegenüber dem Lichtmikroskop? Welche Art des Elektronenmikroskops benutzt man um eine Zelle dreidimensional zu sehen?

Das Elektronenmikroskop weist eine etwa 1000-fach bessere Auflösung als das Lichtmikroskop auf. Mit dem Rasterelektronenmikroskop kann man Strukturen dreidimensional sehen.

Welche wichtigen morphologischen Typen von Prokaryoten gibt es? Zeichne Zellen für jeden Morphologietyp, den du aufführst.

1 2 3 4 5 6 Darstellungen schematisch!! Kokken (1), Stäbchen (2), Spirillen (3), Spirochäten (4), Bakterien mit Anhängseln und Knospen (5), sowie fadenförmige Bakterien (6).

Beschreibe in einem Satz, wie eine Einheitsmembran aus Phospholipidmolekülen gebildet wird.

Phospholipidmoleküle bestehen aus Glycerin, an deren Kohlenstoffatome zwei Fettsäuren sowie eine Phosphatgruppe gebunden ist, die hydrophoben Enden (Fettsäuren) schotten sich von der wässerigen Umgebung ab, indem sie sich gegenseitig anlagern, so bildet sich die Membran mit hydrophilen, negativ geladenen Phosphatresten, nach aussen und nach innen der Zelle, und den hydrophoben Fettsäureschwänzen zur Mitte der Membran.

Erkläre in einem Satz, warum ionisierte Moleküle nicht leicht die Membran einer Zelle passieren. Wie durchqueren solche Moleküle die Cytoplasmamembran?

Die Mitte der Zellmembran besteht aus den Fettsäureschwänzen der Phospholipide, diese sind hydrophob, und ungeladen, sie wirken geladenen Molekülen gegenüber abstossend, so dass ionisierte Moleküle gar nicht bis zur Mitte der Membran kommen, und diese schon gar nicht passieren können. Geladene Teilchen müssen über Transportproteine in die Zelle eingeschleust werden.

Beschreibe einen wichtigen chemischen Unterschied zwischen den Membranen von Bakterien und Archaea.

Bakterien besitzen eine Lipiddoppelschicht bestehend aus Phospholipiden, wobei die Fettsäuren über Esterbindungen an das Glycerin gebunden sind (H2C-O-(C=O)-CH2-...). In den Lipiddoppelschichten oder einlagigen Lipidschichten der Archaea, die aus Glycerindiether bzw. Glycerintetraether bestehen, sind die Fettsäuremoleküle über Etherbindungen (H2C-O-CH2-...) an das Glycerin gebunden.

Escherichia coli – Zellen nehmen über das LacY-Permeasesystem Lactose, über das Phosphotransferasesystem Glucose und über den ABC-Transporter Maltose auf. Beschreibe für jeden dieser Zucker die Bestandteile ihrer Transportsysteme sowie die Herkunft der Energie für den Transport.

Lactose: Symporter, bestehend aus einem Transmembranprotein, das zusammen mit einem Lactosemolekül ein Proton aufnimmt, und mit dem vorhandenen Protonengradienten das Lactosemolekül in die Zelle transportiert. Die Energie stammt aus dem Protonengradienten.

Glucose: das Aufnahmesystem besteht aus fünf Proteinen, die abwechslungsweise das Glucosemolekül phosphorylieren und wieder dephosphorylieren, bis es vom transmembranen Enzym IIc transportiert und phosphoryliert wird. Die Aufnahme von Glucose ist energetisch neutral, da dies gleichzeitig der erste Schritt im intrazellulären Stoffwechsel der Glucose darstellt.

Maltose: das periplasmatische Bindungsprotein besitzt eine hohe Affinität für das Substrat, das membranüberbrückende Protein bildet einen Transportkanal, und das cytoplasmatische Protein hydrolysiert ATP und stellt damit die Energie für den Transport zur Verfügung. Auf diese Weise kann Maltose noch bei Substratkonzentrationen von 10-6M ausserhalb der Zelle, transportiert und aufgenommen werden.

Warum wird die starre Schicht der Bakterienzellwand Peptidoglycan genannt? Welche chemischen Eigenschaften sind für die Starrheit verantwortlich, die der Zellwand durch die Peptidoglycanstruktur verliehen wird?

Peptidoglycan besteht aus einer dünnen Schicht von zwei Zuckerderivaten, N-Acetylglucosamin und N-Acetylmuraminsäure, sowie einer kleinen Gruppe von Aminosäuren, L-Alanin, D-Alanin, D-Glutaminsäure und entweder Lysin oder Diaminpimelinsäure. Die Starrheit der Struktur entsteht wenn die Schichten über Aminosäuren quervernetzt werden.

Erkläre mit chemischen Begriffen, wie die sehr dicke Peptidoglykanschicht in der Zellwand der grampositiven Bakterien gebildet wird, obwohl ein einziges Peptidoglykanmolekül sehr dünn ist.

Die dünnen Peptidoglykanschichten wiederholen sich immer wider, wobei die einzelnen Schichten durch Aminosäuren quervernetzt werden.

Nenne verschiedene Funktionen der äusseren Wandschicht gramnegativer Bakterien. Wie ist die äussere Membran chemisch zusammengesetzt?

Funktionen: Endotoxin, Porine regeln den ein- und Austritt hydrophiler Substanzen.

Zusammensetzung: Lipopolysaccharide, d.h. in der äusseren Lipidschicht sind die Fettsäuren über Esterbindung an ein Disaccharid gebunden, das den O-Polysaccharid und den Kernpolysacchariden trägt.

Lysozym und Penicillin lysieren die bakterielle Zelle auf unterschiedliche Weise. Beschreibe wie jede dieser Substanzen die Zelle lysiert.

Lysozym zerstört die stabilisierende Zellwand, sodass Wasser in den Plasmid strömen kann, bis dieser sich aufbläht und platzt.

Penicillin verhindert die Ausbildung der Peptidquervernetzungen des Peptidoglycans bei der Ausbildung neuer Zellwände, sodass die entstehende Zellwand nicht stabil genug ist, und Autolysine weitere Zelleschäden und damit den Tod der Zelle verursachen.

Erkläre in zwei bis drei Sätzen klar, warum Saccharose Bakterienzellen bei der Lyse durch Lysozym stabilisieren kann.

Saccharose, die in der zellumgebenden Flüssigkeit gelöst ist, verhindert die osmotische Einströmung von Wasser in das höher konzentrierte Cytoplasma. Damit platzt die Zelle nicht, wenn sie ihre Zellwand durch Lyse verliert.

Beschreibe die Struktur und Funktion einer Bakteriengeissel. Woher stammt die Energie für die Geisselbewegung?

Bakteriengeisseln bestehen aus Protein. Sie sind Zapfenzieherförmig gewunden und werden von Geisselmotoren angetrieben. Durch drehen der Geisseln bewegen sich die Bakterien. Die Energie stammt aus dem Protonengradienten. Es werden etwa 1000 Protonen für eine Umdrehung der Geissel benötigt.

Erkläre in ein paar Sätzen, wodurch ein bewegliches Bakterium die Richtung eines Lockstoffes wahrnehmen und sich darauf zu bewegen kann.

Ohne die Existenz von Lockstoffen bewegen sich die Bakterien zufällig im Kreis herum, wobei sie immer wieder zwischen Taumeln und Laufen wechseln. Existiert aber ein Lockstoff, so wird die Bewegung gerichtet, indem die Laufzeiten verlängert werden, und die Taumelzeiten verkürzt. So bewegt sich das Bakterium, zwar im Zick-Zack aber doch mehr oder weniger in Richtung des Gradienten fort.

Welche Arten von cytoplasmatischen Einschlüssen bilden Prokaryoten? Wie unterscheidet sich ein Einschluss von Poly-β-hydroxybuttersäure (PHB) in seiner Zusammensetzung und Stoffwechselrolle von einem Magnetosom?

Prokaryoten reichern verschiedene Stoffe zur Speicherung von Energie oder als Reservoir von strukturellen Bausteinen an. Neben Glykogen, PHB und anderen PHA’s (Energiespeicher) werden auch Phosphat und Schwefel in so genannten Graunula angereichert.

Während Poly-β-hydroxybuttersäure zu Granuli aggregiert und der Energiespeicherung dient, sind Magnetosomen intrazelluläre Kristallpartikel, die der Zelle Magnetotaxis verleihen, ihr also die Fähigkeit geben, sich an geomagnetischen Feldlinien zu orientieren und zu wandern.

Welche Funktion haben Gasvesikel? Was macht diese Strukturen dicht für Gase?

Gasvesikel verleihen den Bakterienzellen Auftrieb in der Flüssigkeit. Dies nützt den Bakterien, die in Seen und im Meer leben, um sich zu bewegen, und z. B. bei Cyanobakterien, um sich nach dem Sonnenlicht auszurichten. Die Hülle der Gasvesikel ist aus zwei verschiedenen Proteinen aufgebaut, dem GvpA und GvpC. A hat Faltblattstruktur und bildet Rippen, und C wirkt als Helixstruktur vernetzend.

Deute in ein paar Sätzen an, wie sich die bakterielle Endospore von der vegetativen Zelle in Struktur, chemischer Zusammensetzung und der Fähigkeit unterscheidet, extremen Umweltbedingungen zu widerstehen.

Endosporen sind durch vielschichtigen Aufbau, und widerstandsfähigen Hüllen geschützt. Zu 10% des Trockengewichts bestehen die Endosporen aus Calcium-Dipicolinsäure-Komplexen, die in den vegetativen Zellen nicht vorkommen. Endosporen können weder durch Hitze, noch durch starke Chemikalien zerstört werden und weisen eine Überlebensfähigkeit von hunderttausenden von Jahren auf.

Warum besass die Entdeckung der bakteriellen Endospore eine grosse praktische Bedeutung?

Weil die Kenntnis über solche resistente Formen notwendig war, um adäquate Sterilisationsmethoden für Lebensmittel und andere verderbliche Produkte zu entwickeln.

Wie unterscheidet sich der eukaryotische Zellkern vom prokaryotischen Nucleoid? Worin ähneln sich diese beiden Strukturen?

Der Zellkern eukaryotischer Zellen besitzt eine Membran, wobei das Nucleoid der prokaryotischen Zelle ohne Membran in der Zelle schwimmt. Die beiden Strukturen sind insofern ähnlich, als dass sie beide aus Desoxyribonucleinsäure (DNA) aufgebaut sind, wobei aber das Nucleoid aus einem einzigen ringförmigen Chromosom besteht, und die DNA im Zellkern aus zahlreichen Chromosomen, die weder zyklisch noch zusammenhängend sind.

Definiere die Begriffe chemoautotroph, chemolithotroph, chemoheterotroph, photoautotroph und photoheterotroph.

Chemoautotroph: Chemische Energiegewinnung, C-Quelle: CO2 und Elektronen-Quelle anorganisch

Chemolithotroph: Chemische Energiegewinnung, e-Quelle anorganisch

Chemoheterotroph(=Chemoorganotroph): Chemische Energie, C- und e-Quellen sind organisch.

Photoautotroph: Organismen gewinnen ihre Energie aus Licht, Kohlenstoffquelle ist CO2.

Photoheterotroph: Organismen gewinnen die Energie aus Licht, Kohlenstoffquelle sind organische Verbindungen.

Warum sind Kohlenstoff und Stickstoff Makronährstoffe, Kobalt, dagegen ein Spurenelement?

Kohlenstoff und Stickstoff wird von der Zelle in grossen Mengen benötigt. Der Kohlenstoffanteil an Trockensubstanz der Zelle ist ca. 50%, Stickstoffanteil ca. 12%. Kobalt und andere Spurenelemente hingegen werden in nur sehr geringen Mengen benötigt, und teilweise nicht von allen Zellen.

Was sind Siderophore und wozu werden sie benötigt?

Siderophoren werden von Organismen gebildet, um Eisensalze zu lösen und in die Zelle zu transportieren, wo Eisen als Hauptbestandteil der Cytochrome (Element der Elektronentransportkette) benötigt wird.

Warum ist folgendes Medium kein chemisch definiertes Medium: Glucose 5g, NH4Cl 1g, KH2PO4 1g, MgSO4 0,3 g, Hefeextrakt 5 g, Aqua dest. 1 Liter?

Substanzen wie Hefeextrakt, sind keine exakte Mengen hochgereinigter anorganischer oder organischer Chemikalien. Im genannten Medium ist die genaue chemische Zusammensetzung nicht bekannt. Das vorliegende Medium besteht aus nährstoffreichen Substanzen, und eignet sich für die Kultivierung verschiedener Bakterien, und meist einiges einfacher anwendbar als chemisch definierte Kulturmedien.

Wofür benötigt die Zelle Enzyme?

Enzyme werden für die Katalyse von chemischen Reaktionen in der Zelle benötigt. Dabei verändert das Enzym (Katalysator) nicht die aus einer chemischen Reaktion gewonnene Energie, sondern setzt lediglich die Aktivierungsenergie herunter, so dass die Reaktion schneller abläuft.

Beschreibe, warum ein Enzym des Bakteriums Escherichia coli seine katalytische Fähigkeiten verliert, nachdem es gekocht wurde.

Enzyme sind hochspezifische Polymere aus Aminosäuren. Primär-, Sekundär-, Tertiär- und Quartärstruktur verleihen dem Makromolekül seine eigenartige Form, inklusive dem aktiven Zentrum, wo die Katalyse der chemischen Reaktionen stattfinden. Durch erhitzen werden Quartär-, Tertiär- und Sekundärstruktur zerstört, und das Makromolekül verliert seine Form, und damit die katalytische Fähigkeiten.

Beschreibe, den Unterschied zwischen einem Coenzym und einer prosthetischen Gruppe.

Prosthetische Gruppen sind sehr fest, meist permanent an ihre Enzyme gebunden. Coenzyme sind recht locker an Enzyme gebunden. Ein einzelnes Coenzym kann zu verschiedenen Zeiten mit unterschiedlichen Enzymen assoziiert sein. Coenzyme transportieren kleine Moleküle von einem Enzym zum anderen.

Was sind Elektronencarrier? Nenne drei beispiele und gib sowohl die Reduzierte und die Oxidierte Form an.

Elektronencarrier sind Intermediärprodukte, die Elektronen von primären Elektronendonoren zu den terminalen Elektronenakzeptoren transportieren. Beispiele für frei diffundierenden Elektronencarrier sind:

NAD+ das zu NADH + H+ reduziert wird,

NADP+ das zu NADPH + H+ reduziert wird,

FAD+ das zu FADH + H+ reduziert wird.

Chinone (stark hydrophobe Moleküle, die im Allgemeinen Elektronen von Eisen-Schwefel-Proteinen auf Cytochrome übertragen)

Beispiele für Membrangebundene Elektronencarrier sind:

NADH-Dehydrogenasen, Flavoproteine und Cytochrome.

Ist die Reaktion Glucose-6-phosphat + ADP ---> Glucose + ATP exergon oder endergon? (s. zur Hilfe Abb. 4.10)

Die energiearme Phosphat-Bindung im Glucose-6-phosphat setzt bei der Dephosphorylierung 13,8 kJ/mol frei; die energiereiche ADP-ATP-Phosphorylierung braucht 31,8 kJ/mol. Die Reaktion (Übergabe von Phosphatgruppe vom Glucose-6-phosphat an das ADP) verbraucht 31,8-13,8 = 18 kJ/mol.

Wo in der Glycolyse + Gärung wird NADH gebildet? Wo wird NADH verbraucht?

NADH + H+ entsteht bei der Phosphorylierung von Glycerinaldehyd-3-Phosphat zu 1,3-Bisposphoglycerat, wobei NAD+ zwei Elektronen und Protonen aufnimmt. Es entstehen 1 NADH + H+ pro Glycerinaldehyd-3-phosphat, also deren 2 pro Glucosemolekül.

Das NADH + H+ wird in der alkoholischen oder Milchsäuregärung wieder in NAD+ Oxidiert, wobei im Fall von Milchsäure das Pyruvat zu Lactat reduziert oder bei alkoholischer Gärung unter Abspaltung von CO2 zu Acetaldehyd und anschliessend zu Ethanol reduziert wird. Ziel dieser Reaktionen ist einzig und allein die Rückgewinnung des oxidierten NAD+ als Elektronencarrier für den weiteren Glucoseabbau und damit der ATP-Produktion.

Eisen spielt in der Zelle in energieerzeugenden Vorgängen eine wichtige Rolle. Führe drei Beispiele an, in denen Eisen eine Rolle als Elektronencarrier spielt. In welcher Form liegt Eisen als Nährstoff in Kulturmedien vor?

Cytochrom-Fe2+ ----> Cytochrom-Fe3++ e-

Nichthäm-Eisen-Schwefel-Proteine (Fe2S2 und Fe4S4)

In Kulturmedien liegt Eisen anorganisch und elementar vor.

Was bedeutet der Begriff protonenmotorische Kraft? Und warum ist dieses Konzept in der Biologie so wichtig?

Unter Protonenmotorischer Kraft versteht man den Protonengradienten, der durch katabolische Reaktionen produziert wird. (z. B. durch den Transport von Elektronen durch die Elektronentransportkette bei der Atmung, nachdem diese von Elektronencarriern abgegeben wurden). Der Protonengradient dient als Antriebskraft für die meisten anabolischen Reaktionen und zur ATP-Synthese.

Die Chemikalien Dinitrophenol und Cyanid wirken beide als Zellgifte, allerdings auf ganz unterschiedliche Weise. Vergleiche die Wirkungsweisen dieser beiden Chemikalien.

Während Cyanid als Inhibitor fest an Cytochrome bindet, und so deren Funktion blockieren, verhindern Entkoppler wie Dinitrophenol die ATP-Synthese, ohne den Elektronentransport zu beeinflussen, sondern indem sie als lipidlösliche Substanzen die Permeabilität der Membran erhöhen und damit die protonenmotorische Kraft und ihre Fähigkeit, die ATP-Synthese anzutreiben, zerstören.

In der Glycolyse entsteht aus einem Glucosemolekül 2 Moleküle Pyruvat. Welche weitere Wege im Stoffwechsel von Mikroorganismen kann dieses Molekül einschlagen und was entsteht dabei?

Das Pyruvat kann zur Weiterverarbeitung und zum Aufbau von Biomasse benützt werden, oder aber weiter zu CO2 + H2O oxidiert werden. Im schlechtesten Fall wird das Pyruvat zu Milchsäure oder Alkohol reduziert, um das NADH+H+ wieder frei zu bekommen, und aus der Zelle ausgeschieden. Dabei kann die Zelle keine weitere Energie aus dem Pyruvat mehr gewinnen, aber das NAD+ ist wieder frei, um bei der Glycolyse (Oxidation von Glucose zu 2 Pyruvat, wo netto 2 ATP produziert werden), als Elektronencarrier bereitzustehen.

Im besseren Fall, der aeroben Weiterverarbeitung, wird das Pyruvat unter Abspaltung von CO2 und Reduktion von NAD+ in den Cytratcyclus eingebunden, und dort unter Reduktion von 3 NAD+ sowie FAD zu FADH und weiterer Abspaltung von 2x CO2 vollständig reduziert. Dabei wird zusätzlich ein ATP phosphoryliert. Die Elektronencarrierproteine geben ihre Elektronen an die Elektronentransportkette weiter, wo deren Energie zum Transport von Protonen gegen den bestehenden Protonengradienten benützt wird, der anschliessend die ATP-Sythase zur ADP-Phosphorylierung antreibt. Jedes NADH + H+ bringt dabei die Energie für die Synthese von 3, jedes FADH2 die Energie für die Synthese von 2 ATP. Aus einem Molekül Pyruvat wird also 4 NADH sowie ein FADH2, und damit 3x4 + 2x1=14 + 1 ATP = 15 ATP gewonnen. Bei aeroben Bedingungen können die bei der Glycolyse reduzierten NADH ebenfalls über die Atmungskette oxidiert werden. Anstatt über ineffizienten Gärungsprozess zu regenerieren, können so weitere 3 x 2 = 6 ATP synthetisiert werden. Zudem werden verschiedene Zwischenprodukte des Cytratcyclus’ ebenfalls zur weitern Biomassesynthese verwendet, anstatt weiter zu CO2 oxidiert zu werden.

Warum kann man sagen, dass der Cytratcyclus zwei wichtige Aufgaben in der Zelle hat?

Im Cytratcyclus wird sowohl Pyruvat zu CO2+ H2O oxidiert, als auch die Grundbausteine für die Monomere der für die Zelle wichtigen Makromoleküle, bereitgestellt.

Definiere folgende Begriffe bezüglich des Wachstums von Mikroorganismen:

Spezifische Wachstumsrate, maximale spezifische Wachstumsrate, Monod-Affinitätskonstante, Generationszeit, Wachstumsgeschwindigkeit

Spezifische Wachstumsrate:

Maximale spezifische Wachstumsrate: µmax= Konstant für gegebene Temperatur, pH, Nährstoffzusammensetzung

Monod-Affinitätskonstante: Subtratsättigungskonstante

Generationszeit: mit t = gemessene Zeit; n = anz. Generationen

Wachstumsgeschwindigkeit:

Unter welchen Umständen kann eine Anlaufphase (lag-Phase) nach der Überimpfung einer Mikroorganismenpopulation auf ein Nährmedium ausbleiben, unter welchen Umständen ist sie vorhanden?

Wenn die Organismen aus einer im exponentiellen Wachstum stehenden Population genommen wird, und auf dasselbe Medium überimpft wird, kann eine lag-Phase ausbleiben.

Lag-Phasen können unter folgenden Umständen beobachtet werden:

Probe stammt aus einer stationären Phase

Probe wurde aus einem nährstoffreicheren Medium in ein nährstoffärmeres Medium überimpft (neu benötigte Enzyme müssen erst synthetisiert werden)

Die Zellen der Probe wurden durch Erhitzen beschädigt

Beschreibe den Wachstumszyklus einer Population bakterieller Zellen, von dem Zeitpunkt an, zu dem diese Population in frisches Medium überimpft wird.

Nach einer Anlaufphase (lag-Phase) wächst die Population exponentiell (exponentielle Wachstumsphase), bis sich das Wachstum verlangsamt (Verlangsamungsphase) und schliesslich eine stationäre Phase erreicht. Die bakteriellen Zellen können entweder in der stationären Phase bleiben oder absterben (Absterbephase).

Welche Direkte und indirekte Methoden gibt es, um das Wachstum von Zellpopulationen zu messen?

Bestimmung der Gesamtzählzahl: Die Bakterien werden unter dem Mikroskop unter Verwendung spezieller Zählkammern gezählt und anschliessend hochgerechnet. Nachteil: 1) man zählt sowohl lebende als auch tote Zellen 2) Kleine Zellen werden möglicherweise übersehen 3) Wenn Probe nicht gefärbt ist, wird ein Phasenkontrasmikroskop benötigt 4) ungeeignet für Suspensionen geringer Dichte

Bestimmung der Lebendzellzahl:

Ausplattieren: Probe (verdünnt) wird auf Oberfläche einer Agarplatte gegeben und gleichmässig darauf verteilt. Nach der Inkubation hat sich jedes lebende Bakterium zu einer neuen Kolonie (sichtbar) entwickelt.

Plattengussverfahren: Probe (verdünnt) wird in eine Sterile Petrischale gegeben, steriles Medium wird zugefügt und gut mit den Bakterien gemischt. Nach der Inkubation hat sich aus jeder lebenden Zelle eine Kolonie entwickelt.

Turbidimetrie: mit einer Photozelle wird wird die Trübung und damit die Bakterienkonzentration in der Suspension gemessen. Nachteil: Eichung notwendig, nur in bestimmten Bereich zuverlässige Resultate

Wie funktioniert ein Chemostat und wozu wird er benötigt?

Chemostaten werden zur Herstellung kontinuierlicher Kulturen verwendet. In ihm kann Populationsdichte und Wachstumsgeschwindigkeit unabhängig reguliert werden. Gesteuert wird das Gerät über die Verdünnungsrate und die Konzentration eines limitierenden Nährstoffes (C oder N).

Die Wachstumsgeschwindigkeit kann dabei mit der Konzentration des limitierenden Nährstoffs, die Populationsdichte mit der Verdünnungsrate bzw. der Auswaschgeschwindigkeit reguliert werden. In Chemostaten können Populationsdichten und Wachstumsraten über längere Zeit konstant gehalten werden.

Wie und warum sieht die Temperaturoptimumskurve von Mikroorganismen aus? In welchen Temperaturbereichen liegen dabei die Kardinaltemperaturen?

Oberhalb dem Temperaturminimum steigt die Geschwindigkeit enzymatischer Reaktionen linear an, bis zum Temperaturoptimum und fällt anschliessend sehr schnell bis sie beim Temperaturmaximum wieder null wird.

Temperaturminima, -optima und -maxima können dabei von verschiedenen Organismen ganz unterschiedlich liegen.

Psychrophile haben ihr Minimum unter 0°C, das Optimum unter 15°C und das Maximum unter 20°C. Dies wird durch Einbau von α-helixhaltigeren Proteinen und ungesättigten Fettsäuren erreicht.

Psychrotolerante Organismen wachsen bei 0°C aber haben ihr Optimum bei 20-40°C. Mesophile Bakterien haben mittlere (39°C), thermophile hohe (über 45°C) und hyperthermophile sehr hohe Temperaturoptima (über 80°C). Die oberen Grenzen werden von Archaea bei 113°C in Geysiren erreicht. Diese Anpassungen finden durch Verwendung von gesättigten Fettsäuren statt.

Welche Spezialisierungen auf Umgebungseigenschaften neben der Temperaturspezifität gibt es noch? Und wie nennt man diese Organismen?

Alkaliphile sind für basische (pH 9-11)

Azidophile für saure (pH 2-5)

Halophile für salzhaltige

Obligat Aerobe für sauerstoffhaltige

Fakultativ Aerobe/Anaerobe für Sauerstoffarme bis Sauerstofflose,

Obligat anaerobe für Sauerstofflose

Umgebungen spezialisiert, wobei fakultativ Aerob/anaerob darauf hindeutet, dass diese Organismen in beiden Umgebungen leben können, obligat anaerob aber durch Sauerstoff vergiftet werden.

Worin besteht das zentrale Dogma der Molekularbiologie?

DNA (Desoxyribonucleinsäure) kann repliziert, oder zu mRNA (Ribonucleinsäure) transkriptiert und diese zu Proteinen translatiert werden, wobei der DNA-Basencode genau einen RNA-Basencode, und diese genau eine Aminosäurensequenz definiert, aber eine Aminosäuresequenz durch verschiedene mögliche mRNA und damit verschiedene mögliche DNA-Basencodes definiert sein kann, weil mRNA-Basentripletts zwar genau einer Aminosäure, aber eine Aminosäure mehreren Basentrippletts entsprechen.

Worin besteht der wesentliche Unterschied was die Proteinsynthese aus DNA bei Prokaryoten und Eukaryoten betrifft?

Während bei Eukaryoten eine pre-mRNA transkriptiert wird, die anschliessend zur mRNA reifen muss (Introns werden herausgeschnitten), und schliesslich aus dem Zellkern heraustransportiert wird, wo sie als Matrize für die Translation dient, wird bei Prokaryoten direkt eine mRNA transkriptiert (keine Introns herausgeschnitten, und diese via Translation in Proteine übersetzt. Bei Prokaryoten muss die RNA nicht aus dem Zellkern transportiert werden, um die Translation durchzuführen, da Prokaryoten keinen Zellkern haben.

Worin besteht der Unterschied der Struktur, und Chromosomenzahl des Genoms bei Prokaryoten und Eukaryoten?

Während Eukaryoten lineare DNA besitzen und aus mehreren Chromosomen besteht, besteht das Genom von den meisten Prokaryoten aus einem einzigen, zirkulären Chromosom. Prokaryoten enthalten zudem teilweise noch zusätzliche extrachromosomale DNA wie Plasmide, die ebenfalls zirkulär sind.

Wie und zu welchem Zweck wird Prokaryoten-DNA überspiralisiert?

Wie kann dieses System von der Wissenschaft im speziellen von der Medizin genutzt werden?

Wie die DNA von Eukaryoten wäre die DNA von Prokaryoten zu lang wenn sie linear bzw. entspannt vorliegen würde. Darum wird sie überspiralisiert, und damit auf viel kleineren Raum komprimiert. Andererseits muss überspiralisierte DNA teilweise wieder entspiralisiert werden, um als Matrize für Replikation oder Transkription zu dienen. Um diesen Vorgang der Überspiralisierung und Entspiralisierung zu ermöglichen gibt es Enzyme wie DNA-Gyrase und Topoisomerase, die die DNA-Doppelstränge nach ihrer Überlagerung brechen und anschliessend wieder zusammenfügen.

Antibiotika können die Enzyme wie DNA-Gyrase hemmen und so deren Funktion verhindern oder beeinträchtigen.

Worin besteht das Problem für die DNA-Polymerase bei der Replikation von DNA, und wie wird es gelöst?

DNA-Polymerase kann nur vom 5’ zum 3’ Ende des DNA-Moleküls synthetisieren, wobei sie zum alten Strang komplementäre Basen an das 3’Ende des synthetisierten Strangs hinzufügen. Damit trotzdem immer an beiden DNA-Strängen der Doppelhelix eine Polymerase arbeiten kann, synthetisiert die zweite Polymerase diskontinuierlich, also Bruchstücke, die von der Ligase anschliessend zusammengefügt werden.

Was ist ein Operon und welche andere analoge Begriffe werden noch für welche wichtigen Konzepte verwendet?

Welche wichtige Grosskonzepte stecken hinter diesen Begriffen?

Ein Operon ist ein DNA-Stück, das von einem einzigen Operator kontrolliert wird. Alle in diesem Operon codierten Gene werden also gleichzeitig Transkriptiert und die codierten Proteine synthetisiert.

Entsprechend gibt es Regulons, DNA-Stücke, die aus mehreren Operons bestehen, und von einem einzigen Regulator reguliert werden. Mit dem Regulon-Begriff hängt das Konzept der Zweikomponenten-Regulationssysteme zusammen.

Was ist ein Sigma-Faktor und wozu wird er benötigt?

Sigma-Faktoren werden zur Initiation von DNA-Transkription in Prokaryoten benötigt, weil die RNA-Polymerase den Promotor für die Transkription nicht selbständig erkennen kann. Nach Beginn der Transkription wird der Sigma-Faktor wieder freigesetzt.

Welche RNA-Typen gibt es in Prokaryoten? Wozu werden die verschiednen RNA-Typen gebraucht? Und welche Proteine werden zusätzlich zur Translation gebraucht?

Es gibt mRNA, t-RNA, und rRNA.

mRNA dient als Matrize für die Proteinsynthese, bzw. die Translation. t-RNA transportiert dabei die Aminosäuren vom Protein Aminoacyl-tRNA-Synthetase zum Ribosom wo die Polypetidkette aus den Aminosäuren anhand der mRNA-Matrize synthetisiert wird.

Bei der Proteinsynthese wird im wesentlichen der genetische Code der mRNA in die richtigen Polypeptidkette der Enzyme übersetzt. Welche Regulationsmöglichkeit bietet sich damit für die Zelle? Welche andere Enzymregulationsmöglichkeiten hat die Zelle sonst noch?

Die Zelle kann die Aktivität der Enzyme auf verschiedene Weise regulieren:

Inhibitorische oder aktivierende Beeinflussung der Proteinstruktur (competitiv oder allosterisch)

Verhinderung der Translation von mRNA und damit der Proteinsynthese mit Tetracyclinen, Aminoglycosiden, Chloramphenicolen.

Verhinderung der Transkription von DNA zu mRNA (negative oder positive Kontrolle)

Wie funktioniert negative Kontrolle der Transkription von DNA?

Unter negativer Kontrolle der Transkription versteht man Induktion und Repression.

Repression: Enzyme zur Synthese spezifischer Produkte werden nicht synthetisiert wenn diese im Nährmedium bereits vorhanden sind. Dabei bindet das Produkt als Corepressor dessen Synthese vom entsprechenden Enzym katalysiert würde, an den Repressor, der damit an den Operator des enzymcodierenden Operons binden kann und somit die weitere Synthese des katalysierenden Enzyms verhindert. Bsp.: die Hemmung der Argininsynthese durch Arginin, das bereits im Medium vorhanden ist, und daher nicht von der Zelle synthetisiert werden muss.

Induktion: Der Repressor ist bei Abwesenheit des abzubauenden Stoffs aktiv und blockiert die Transkription des enzymcodierenden Operons. Wenn aber der abzubauende Stoff vorhanden ist, bindet er sich als Induktor an den Repressor und inaktiviert in, wodurch die Transkription initiiert wird. Bsp. Induktion der Synthese von β-Galactosidase zum Abbau von Lactose.

Wie funktioniert positive Kontrolle der DNA-Transkription?

In gewissen Fällen kann die RNA-Polymerase den Promotor nicht erkennen, und braucht dazu einen Aktivator, der seinerseits einen Induktor benötigt, um an die RNA-Polymerase zu binden.

Bsp. Maltose bindet an den Maltoseaktivator um die Transkription des Regulons, das die Operons für die Enzyme zur Maltoseverwertung beinhaltet, zu ermöglichen.

Was versteht man unter globaler Kontrolle und der Katabolitrepression?

Wenn ein Organismus als Antwort auf eine Veränderung seiner Umwelt viele verschiedene Gene gleichzeitig regulieren muss, wird von globaler Kontrolle gesprochen.

Katabolitrepression bezweckt, dass leicht katabolisierbare Quellen zuerst abgebaut werden, so dass z. B. Lactose erst abgebaut wird, wenn keine Glucose mehr vorhanden ist. (Diauxie)

Dabei wird die Bindung von RNA-Polymerase an die DNA und amit die Synthese von β-Galactosidase solange verhindert, bis das Katabolit-Aktivator-Protein (CAP) an die DNA gebunden hat. Dazu ist aber die allosterische Aktivierung des CAP’s durch cAMP, dessen Synthese von Glucose gehemmt wird, nötig.

Was ist ein Zweikomponenten-Regulationssystem, und wie funktioniert es?

Zweikomponenten-Regulationssysteme werden zur Regulation des Stoffwechsels aufgrund von Änderungen in der Umgebung benötigt.

Dazu befindet sich in der Zellmembran ein Protein (die Sensorkinase), an das extrazelluläre Moleküle binden, wodurch die Sensorkinase sich selbst phosphoryliert und diese Phosphatgruppe an ein Responsregulatorprotein weitergibt, welches an den Operator bindet, und damit den Start der RNA-Polymerase ermöglicht. Zusätzlich wird eine Phosphatase benötigt, um die Phosphorylierung des Responseregulatorproteins wieder rückgängig zu machen, und damit die Transkription zu stoppen.

Was ist eine Mutation und welche Formen sind bekannt?

Mutationen sind Veränderungen im genetischen Code von Zellen. Es gibt folgende Formen:

Punktmutation:

Substitution einzelner oder weniger Basenpaare

Insertion (einfügen) einzelner oder weniger Basenpaare

Deletion (löschen) einzelner oder weniger Basenpaare

Deletion ganzer DNA-Sequenzen

Insertion ganzer DNA-Sequenzen

Inversionen (Umkehrung ganzer DNA-Sequenzen)

Reversionen (Rückmutationen)

Mutationen sind in der Natur relativ selten (1:10-6). Wodurch können Mutationen häufiger auftreten?

chemische Mutagene

Strahlung

Mutationen durch DNA-Reperatur

Transposonmutagene

Wie lautet die grundlegende Reaktionsgleichung für die Reaktion, wo organischer Kohlenstoff aerob gebildet oder abgebaut wird? Welche weitere Bedeutung für das Ökosystem Erde haben dabei die einzelnen Komponenten?

CO2 + H2O CH2O + O2 Treibhausgas Aufbau von Biomasse, Sedimente, Fossile Brennstoffe Sauerstoffatmosphäre, Ozon

Welche Stoffe können als alternative terminale Elektronenakzeptoren eingesetzt werden, wenn kein Sauerstoff vorhanden ist, und in welcher Reihenfolge tun sie dies?

Standardoxidationsreaktion:

CH2O ---> CO2

Standardreduktionsreaktion:

O2 ---> H2O

Alternative Reduktionsreaktionen:

Fe3+ ---> Fe2+

NO3- ---> N2

SO42- ---> H2S

CO2 ---> CH4

In welcher Form ist organischer Kohlenstoff hauptsächlich gespeichert? Warum spielen tropische Regenwälder keine grosse Rolle für CO2-Reduktion?

Organischer Kohlenstoff ist hauptsächlich in Form der fossilen Brennstoffe gespeichert (99.95%). In tropischen Regenwäldern wird zwar viel CO2 in Organischen Kohlenstoff umgewandelt, aber gleichzeitig wird es bei der Vermoderung des Holzes wieder frei.

Wenn NO3- anstelle von O2 als terminaler Elektronenakzeptor dient (Nitratreduktion), liefert die Halbreaktion NO3- /NO2- ein positives Elektrodenpotential und damit eine negative Gibbsenergie. Wie sieht die entsprechende Energiebilanz bei Sulfatreduktion aus, und wieso kann die Reaktion trotzdem ablaufen?

Nitratreduktion:

CH2O -----> CO2

NO3- -----> NO2-	Δ E0 > 0 --> Δ G0 =-nFΔE0 < 0

Sulfatreduktion:

CH2O ---> CO2

SO42- ----> H2S	Δ E0 < 0 --> Δ G0 = -nFΔE0 > 0

[SO42-] >> [H2S]	ΔG = ΔG0 + RT ln([H2S]/[SO42-])

mit [SO42-] >> [H2S] --> RT*ln([H2S]/[SO42-]) < ΔG0

---> ΔG < 0 ===> Reaktion läuft ab!

Zeichne den Schwefelkreislauf mit den folgenden signifikanten Oxidationszuständen: +6, 0, -2 und allen wichtigen Reaktionen (12 Reaktionen total).

Formuliere die Reaktion für Desulfurylierung.

Fäulnisprozess: Desulfurylierung

+ H2O SH R1 C R3 R2 OH R1 C R3 R2 + H2S

Formuliere die Reaktion für Sulfatassimilation.

SO42- ATP PPi AdenosinPhosphoSulfat APS ATP ADP PhosphoAdenos–inPhosphoSulfat PAPS PAPS NADH + H+ NAD+ SO32- H2S Org. Schwefel–verbindungen (Aminosäuren)

Formuliere die Reaktion für anaerobe Sulfat-Respiration.

Sulfat (SO22-) dient anstelle von O2 als terminaler Elektronenakzeptor:

SO42- ATP PPi AdenosinPhosphoSulfat APS SO32- H2S

Formuliere die Reaktion für anoxygene Photosynthese mit Schwefelwasserstoff als Elektronendonor. Wo findet diese Reaktion statt?

H2S S0 SO42- CO2 CH2O ATP ADP Die Reaktion wird unter der Sprungschicht von Seen durch rote und grüne Schwefelbakterien durchgeführt (Sauerstoff nimmt stark ab, Licht ist aber noch vorhanden).

Formuliere die Reaktionsgleichung für die Oxidation anorganischer Schwefelverbindungen. Wie können dabei Schwefelverbindungen wie S2O32- und elementarer Schwefel in die Reaktion eingebunden werden?

Die Reaktion findet in zwei Schritten statt: Oxidation zu elementarem Schwefel, und Oxidation zu Sulfat.

H2S	+	½ O2	---->	S0	+	H2O

2 S0	+	3 O2	2 H2O	---->	2 H+	+	SO42-

Verbindungen wie S2O32- und elementarer Schwefel werden dabei eingebunden, indem sie ihre Elektronen an spätere Cytochrome abgeben.

Zeichne den Stickstoffkreislauf mit den folgenden signifikanten Stickstoffverbindungen: NO3-; NO2-; NO/N2O; NH2; NH3; N2; und allen wichtigen Reaktionen (13 Reaktionen total)

Stickstoffkreislauf:

Wie wird Stickstoff in Organisches Material eingebunden? Unter welchen Bedingungen finden diese Reaktionen statt?

Assimilation aus NO3- (nur aerob)

Assimilation aus NH3 (sowohl aerob als auch anaerob)

Was ist Ammonifikation und unter welchen Bedingungen findet diese Reaktion statt?

Ammonifikation ist die Desaminierung (Abbau) organischer Stickstoffverbindungen zu Ammoniak:

Die Reaktion findet sowohl unter aeroben als auch unter anaeroben Bedingungen statt.

+ H2O NH2 R1 C R3 R2 OH R1 C R3 R2 + NH3

Formuliere die Reaktion für Nitrifikation und Denitrifikation. Unter welchen Bedingungen finden sie statt?

Nitrifikation findet nur unter aeroben Bedingungen statt:

NH3	---->	NO2-	----->	NO3-

Denitrifikation dagegen (ab NO2-) nur in anaeroben Bedingungen:

NO3-	---->	NO2-	------>	N2

NO /N2O

Bei der Denitrifikation wird für die Organismen verfügbares Nitrat zu Nitrit und schliesslich zu elementarem Stickstoff reduziert. Worin besteht die Bedeutung dieses Vorgangs, und für wen ist sie ein positiver Effekt, für wen hingegen ein negativer? Welche Organismen verhindern ein Zusammenbruch des Systems durch den negativen Effekt?

Wenn für die Pflanzen verfügbares Nitrat zu Nitrit und schliesslich zu elementarem (gasförmigem !!) Stickstoff reduziert wird, kann dieser in die Atmosphäre entweichen und ist zudem chemisch inert. Für die Landwirtschaft bedeutet dies den Verlust des für das Pflanzenwachstum wichtigen Stickstoffs. (N ist in sowohl in den Aminosäuren als auch in den Nukleinsäuren vertreten und wird darum in grossen Mengen für den anabolischen Stoffwechsel benötigt)

Für die Abwasserreinigung ist der Denitrifikationsprozess hingegen hilfreich, weil sie die menge an verfügbarem Stickstoff im Wasser, der das Algenwachstum stimuliert, herabsetzt.

Von Knöllchenbakterien bei Fabaceae kann elementarer Stickstoff der in der Luft reichlich (79%) vorhanden ist, fixiert werden. Dies ist ein hoch endogener Prozess, der nur von wenigen Organismen durchgeführt werden kann. Die Reaktion läuft nur anaerob ab, kann aber auch in sonst aeroben Organismen durchgeführt werden, die dann aber Leghämoglobin zum Ausschluss von nitrogenase-deaktivierendem Sauerstoff benötigen.

Vergleiche die Zyklen der drei wichtigsten Makronährstoffe:

	Kohlenstoff	Stickstoff	Schwefel	Energie
Degradation				
Assimilation				
Ox. von niedermolekularen Verbindungen				
Anaerobe Respiration				

	Kohlenstoff	Stickstoff	Schwefel	Energie
Degradation	R-COO- + H2O  R-OH + HCO3- (=CO2)	R-NH2 + H2O  R-OH + NH3 Desaminierung	R-SH + H2O  R–OH + H2S Desulfurylierung	Fäulnisprozesse; Energieneutral, Gase gehen dem System „verloren“
Assimilation	CO2 --> CH2O Photosynthese/ CO2 Fixierung	NO3- ---> NH3  R–NH2 Nitratassimilation	SO42- -->HS- R–SH Sulfatassimilation	Energie-Input: ATP ADP AMP NADH+H+NAD+ NADPH+H+NADP+
Oxidation nieder­molekularer Verbindungen	CH4/ CH3OH  CO2 Methylotrophie	NH4+  NO2-  NO3- Nitrifikation	H2S / S0  SO42- Schwefeloxidation	Energiegewinn (Oxidation des C,N,S)
Anaerobe Respiration	CO2  CH4 Methanogenese	NO2-  N2 Denitrifikation, Nitratatmung	SO42-  H2S Sulfatatmung	Energiegewinn (alternativer e-Akzeptor)

Weshalb eignet sich die ribosomale RNA besonders gut zur Analyse der phylogenetischen Beziehungen bei Prokaryoten?

16S-rRNA ist ein sehr guter phylogenetischer Chronometer, da:

rRNAs sind uralte Moleküle, die funktionell stabil sind, universell vorkommen und ziemlich gut über weite phylogenetische Abstände erhalten sind.

Das rRNA ist ein relativ grosse Molekül. Die Grösse erlaubt die Bildung vieler verschiedener Sequenzen. Eine Ähnlichkeit zweier Sequenzen deutet somit auf eine gewisse phylogenetische Ähnlichkeit hin.

Konservierte rRNA-Sequenzen einer Bakterientaxa erlauben mittels Primers die spezifische Amplifikation aus einem Gemisch von Zellen. (S.483)

Nenne drei wichtige Parameter um den bakteriellen Wachstum zu beschreiben?

Maximale spezifische Wachstumrate umax (pro Zeit), eine Organismenkonstante bei gegebenen Umweltbedingungen

Monod Affinitätskonstante Ks, eine Substratsättigungskonstante für einen bestimmten Stoff.

Berechne die Generationszeit, die Wachstumsgeschwindigkeit und die spezifische Wachstumsrate.

1. Generationszeit: mit t: gemessene Zeit, n: Anzahl Generationen

Rechnerisch: t ablesen, n = 3.3 [logNt– logN0] mit Nt: Zellzahl nach t, N0: Anfangszellzahl, n: Anzahl Generationen zwischen N0 und Nt

Graphisch: Im log(Zellenanzahl) zu Zeit – Diagramm ist die Steigung der Geraden wichtig, denn die Generationszeit ist:

2. Wachstumsgeschwindigkeit:

3. Spezifische Wachstumsrate: mit s: Stoffkonzentration im Substrats, Ks: Monod Affinitätskonstante

Sind die Elektronenakzeptoren einen Teil der bakteriellen Biomasse?

Nein, ein oxidierte Elektronenakzeptor wird von der Zelle aufgenommen, reduziert (Energiegewinnung) und dann ausgeschieden.

Die organischen und anorganischen Kohlenstoffverbindungen werden jedoch aufgenommen und zu einem Teil der Zellbiomasse.

Wieviel Kohlenstoff und Stickstoff muss ich zugeben um 4 g Trockenbiomassse zu erhalten? (Ausbeutekoeffizient: C=1, N=8)

Annahme: Zugegebenes Element = Konsumiertes Elementarem

C zugegeben = 4g / 1 = 4g

N zugegebe = 4g / 8 = 0.5g

(Skript Egli S.14)

Ein Medium enthält 0.21 g Stickstoff wieviel Kohlenstoff sollte zugegeben werden. (Wachstumsfaktoren: C = 1, N =8)

Gebildete Trockenbiomassse = Wachstumfaktor * Konsumiertes N

= 8 * 0.21g = 1.7g

C zugegeben =

= 1.7g / 1 = 1.7g

Beschreiben Sie den Aufbau einer Gram-negativen und einer Gram-positiven Zellhülle.

Gram-negative Zellhülle:

Von innen nach aussen der Zelle kommt zuerst die Cytoplasmamembran aus einer Phospholipiddoppelschicht, die mit Proteinen durchsetzt ist. Dann folgt eine dünnen Peptidoglykanschicht, welche mit Lipoproteinen and die zweite, äusser Phospholipiddoppelschicht gebunden ist. Diese ist mit Proteinen und Porinen durchsetzt. Die äussere Lipidschicht enthält viele Lipopolisaccharide. (S.83)

Gram-positive Zellhülle:

Zuerst Cytoplasmamembran mit Proteinen durchsetzt, die Membran ist über Lipoteichonsäuren mit der dicken Peptidoglykanschicht verbunden. Die Lipoteichonsäuren durchdringen die Peptidoglykanschicht vollständig. Gegen aussen der Zelle sind an der Peptidoglykanschicht Proteine und Teichonsäuren angebracht. (S.80)

Gegeben sind folgende wachstumskinetische Parameter: maximale spezifische Wachstumsrate = 0.92 pro Stunde, Monodaffinitätskonstante 400 ug Glucose pro Liter, Glucosekonzentration = 150 ug pro Liter

Bestimme die spezifische Wachstumsrate.

Spezifische Wachstumsrate: mit s: Stoffkonzentration im Substrats, Ks Mono Affinitätskonstante

Spezifische Wachstumsrate: μ= 0.92*150 / (400+150) = 0.25 pro Stunde

Beschreiben Sie den Aufbau der Zellhülle Gram-negativer Bakterien. Fertigen Sie eine Skizze an und beschreiben Sie die Unterschiede zum Aufbau der Zellhülle Gram-positiver Bakterien (1 Punkt).

Gram negativ:

Gram positive:

Beschreiben Sie den Aufbau eines typischen bakteriellen Gens. Fertigen Sie hierzu eine Skizze an. Erklären Sie (in Stichworten) anhand dieser Skizze, wie Beginn und Ende von Transkription und Translation gesteuert werden. Warum können auf einer bakteriellen mRNA mehrere Proteine hintereinander kodiert sein? (2 Punkte).

Transcription DNA

mRNA B Translation

A Protein

Transcription:

Beginn: Promotoren (spezifische DNA-Sequenzen an die sich RNA-Polymerasen binden)

Stopp: Stammschleife (Intrinsische Terminator), Transcriptionsterminator (Rho-Protein) veranlasst RNA-Polymerase zu stoppen

Translation:

Startcodon (AUG), Stoppcodon (UAA, UAG, UGA)

DNA enthält keine Introns und ist Polycistronisch (mehrere Codierende Bereiche).

Beschreiben Sie den Aufbau eines Insertionselements/einer Insertionssequenz und fertigen Sie eine Skizze an. Nennen Sie seine 3 wichtigsten funktionellen Bereiche. (1 Punkt)

Insertionselement (IS):

Gen welches für ein Transposase codiert (diese Enzym verursacht Einzelstrangbrüche)

IR: kurze Endständige umgekehrte Sequenzwiederholungen

1000 Nucleotide lang, einfachste Art von transponierbaren Elementen (codiern nur Transposase)

Prokaryoten enthalten neben der chromosomalen DNA häufig noch zusätzliche "mobile" genetische Elemente. Nennen Sie 3 solche Elemente und beschreiben Sie in Stichworten ihre Charakteristika. Nennen Sie Anwendungsbeispiele für diese genetischen Elemente in der Molekularbiologie.

(1 Punkt)

Plasmide:

Existieren und replizieren sich unabhängig vom Chromosom.

Z.B. Antibiotikaresistenz

Mitochondrien:

Enthalten respratorische Enzyme (Energieerzeugung durch Atmung).

Z.B. ?

Chloroplasten:

Phototrophe ATP-Bildung.

Z.B. ?

Skizzieren Sie den Aufbau eines Plasmids für die Überexpression eines humanen Proteins in Escherichia coli. Was ist zu beachten? Nennen Sie die wichtigsten funktionellen Elemente dieses Expressionsvektors. (2 Punkte)

Kam nie vor ist ein ganzes Kapitel.

Prinzip: Wie kriege ich E. coli dazu z.B. Insulin zu produzieren.

Brock: Kaptiel 10, Seite 382ff

Der aerobe Abbau von Glucose in Escherichia coli liefert 2x mehr ATP als der anaerobe Abbau von Glucose.

Richtig oder Falsch?

Falsch:

aerob: 38 ATP/Glucose

anaerobe: 2 ATP/Glucose

=> 19 mal mehr, also Falsch

Bei der anaeroben Fumarat-Atmung wird Fumarat zu Succinat oxidiert. Richtig oder Falsch?

Fumarat + 2 e- und 2 H+ => Succinat (+0.03V)

=> Falsch, da es reduziert wird.

Methan, Methanol und Methylamin sind typische Substrate, die von methylotrophen Bakterien verwertet werden.

Richtig oder Falsch?

Richtig sind die drei wichtigsten Substrate.

Während der Methanogenese werden für die Reduktion von 1 Mol CO2 insgesamt 4 Mol H2 benötigt.

Richtig oder Falsch?

Falsch: 2Mol (1 H2 und 2 H)

S. 684 Abbildung 15.46

Weil Pflanzen und Cyanobakterien über zwei Lichtreaktionen verfügen, benötigen sie für die CO2-Fixierung im Calvin-Zyklus weniger ATP als die photosynthetischen Purpurbakterien, welche nur eine Lichtreaktion besitzen.

Richtig oder Falsch?

Falsch: Calvin-Zyklus beleibt Calvin-Zyklus:

6 CO2 + 12 NADPH + 18 ATP --> C6H12O6(PO3H2) + 12 NADP+ + 18 ADP + 17 Pa

Die Wasserstoff oxidierenden Bakterien (sog. „Knallgasbakterien“) sind chemolithoautotrophe Mikroorganismen.

Richtig oder Falsch?

Fast alle Wasserstoffbakterien sind fakultativ chemolithoautotrophe => Richtig

Die Bakteriorhodopsin-abhängige Lichtreaktion in Halobakterien dient nur zur Bildung von ATP, nicht aber zur Bildung von Reduktionsäquivalenten.

Richtig oder Falsch?

„Bakteriorhodopsin ist eine lichtgetriebene Protonenpumpe. Das Protein ist ein Membranprotein. Lichteinwirkung führt zu einem Protonentransport über die Zellmembran, und dies zu einem Protonengradienten, der dann von dem Bakterium für energieverbrauchende Prozesse ausgenutzt werden kann.“

http://www.biophysik.uni-freiburg.de/projekte/diplom_br.html

=> Richtig

Die Milchsäuregärung verläuft nach der folgenden einfachen Formel: Glucose + 2 ADP +2 Pi + 2 NAD+ → 2 Lactate + 2 ATP + 2 [NADH+H+].

Richtig oder Falsch?

Richtig

Monooxygenasen sind wichtige Schlüsselenzyme für den aeroben Abbau von aliphatischen und aromatischen Kohlenwasserstoffen.

Richtig oder Falsch?

Wahrscheinlich Richtig

Seite 703

Poly-Beta-hydroxybuttersäure ist ein Polymer, welches von manchen Bakterien als Kohlenstoffquelle verwertet werden kann.

Richtig oder Falsch?

Ist ein Kohlenstoff-Energiespeicherpolymer

=> Richtig

Erklären Sie das Prinzip der Atmung (Respiration mit O2) in Bakterien, so gut Sie können in der Sprache eines Biochemikers. (1 Punkt)

Prozess, bei dem eine Verbindung oxidiert wird und O2 als terminaler Elektronenakzeptor dient; meist wird er von ATP-Synthese durch oxidative Phosphorylierung begleitet.

Nennen Sie Unterschiede zwischen der Photosynthese der Purpurbakterien und der Photosynthese der Cyanobakterien? (1 Punkt)

Purpurbakterien:

Synthetisieren nur ATP, kein NADH oder NADPH

=> nicht autotroph

Cyanobakterien:

Können autotroph leben (normale Photosynthese).

Nennen Sie Fachausdrucke (jeweils nur 1 Wort), welche die folgenden Eigenschaften im Lebensstil gewisser Mikroorganismen prägnant bezeichnen (1 Punkt):

Die Fähigkeit zum Wachstum bei obligat sehr hohen Temperaturen (>90°C).

Hyperthermophil (mehr als 80°C)

(Flasch: Thermophil zwischen 45°C bis 80°C)

Nennen Sie Fachausdrucke (jeweils nur 1 Wort), welche die folgenden Eigenschaften im Lebensstil gewisser Mikroorganismen prägnant bezeichnen (1 Punkt):

Die Fähigkeit zum Wachstum bei erhöhter Salzkonzentration, ohne jedoch von dieser obligat abhängig zu sein.

fakultativ Halophil

Nennen Sie Fachausdrucke (jeweils nur 1 Wort), welche die folgenden Eigenschaften im Lebensstil gewisser Mikroorganismen prägnant bezeichnen (1 Punkt):

Die Fähigkeit, Metalle aus sulfidischen Erzen herauszulösen.

? Ferrooxidans

Nennen Sie Fachausdrucke (jeweils nur 1 Wort), welche die folgenden Eigenschaften im Lebensstil gewisser Mikroorganismen prägnant bezeichnen (1 Punkt):

Die Fähigkeit, Nitrat oder Nitrit in atmosphärischen Stickstoff umzuwandeln.

Denitrifikation

Nennen Sie Fachausdrucke (jeweils nur 1 Wort), welche die folgenden Eigenschaften im Lebensstil gewisser Mikroorganismen prägnant bezeichnen (1 Punkt):

Die absolute Abhängigkeit von höheren Kohlenstoffverbindungen für das Wachstum.

(obligat) Chemoorganotroph

(obligat) Photoheterotroph

Nennen Sie eine Reihe von genetischen, biochemischen und phänotypischen Merkmalen, die sich für die Erstellung von Verwandtschaftsbeziehungen unter verschiedenen Prokaryoten eignen. (1 Punkt)

genetisch:

GC-Verhältnis

DNA Sequenzieren

biochemisch:

Metabolismus (Nährstoffe, Ausscheidungen)

C-Quelle (organisch, anorganisch)

Energiequelle (Photo-, Chemotroph)

phänotypisch:

Zellwand (Gram positiv, Gram negativ)

Morphologie (Kokke, Spirille, Stäbchen,...)

Sporenbilden (Ja, Nein)

Flagellen (peritrich, monopolar monotrich, monopolar polytrich)

Beschreiben Sie den Aufbau des Lipopolysaccharids (mit Skizze). Welche funktionellen Domänen weist es auf? Welche Domäne zeigt beim Vergleich verschiedener Bakterienstämme die höchste Variabilität? (1 Punkt)

Bei Gram negative Bakterien:

O-spezifisches Polysaccharid:

höchste Variabilität

Kernpolysaccharid:

Barrierefunktion für gewisse Antibiotika, Detergenzien

Lipid A:

Endotoxin bei Phatogenen, variiert am wenigsten

Bakterienkulturen mit folgenden Wachstumsgeschwindigkeiten wurden gemessen:

10.00Uhr: 100 Bakterien/ml

11.00Uhr: 800 Bakterien/ml

12.00Uhr: 6400 Bakterien/ml

Berechne die Generationszeit.

Generationszeit: mit t=2h, n = 3.3 [log6400– log100] = 6

= 0.33h = 20min

Richtig oder falsch, Begründung::

Mikroaerophile wachsen bei atmosphärischem Sauerstoffdruck besonders gut.

Autotrophe Bakterien können selbst dann wachsen, wenn nur Kohlendioxyd als Kohlenstoffquelle zur Verfügung steht.

Obligat Anaerobe besitzen im allgemeinen eine Superoxid Dismutase, um toxische Sauerstoffverbindungen abzubauen.

Psychrophile Bakterien können bei 8°C wachsen.

Unter der homoviskosen Adaption versteht man die Anpassungen der Membranfluidität an veränderte Umgebungstemperaturen.

falsch, Mikroaerophile wachsen nur wenn pO2 < pLuft

richtig, Autotrophe wachsen mit CO2 als einziger C-Quelle

falsch, da sie keine Superoxid-Dismutase besitzen ist Sauerstoff für sie schädlich deshalb leben sie unter anaeroben Bedingungen und darum heissen sie obligat Anaerobe
Obligat Aerobe besitzen jedoch im allgemeinen eine Superoxid-Dismutase (O2- + O2- -> H2O2+O2) und auch eine Katalase (H2O2 + H2O2 -> 2H2O + O2)

ja, Psychrophile leben bei den für Bakterien kältest möglichen Temperaturen (Temperaturminimum: 0°C, Optimum: 15°C, Maximum: 20°C)

falsch(unsicher), jedenfalls folgende molekulare Schutzmechanismen:
tiefe Temp: Einbau von alpha-helixalen Proteinen und unges. FS
hohe Temp: Einbau gesättigter Fettsäuren

Was versteht man unter Chemolithoautotrophie? Erklären sie dessen Prinzip anhand eines von ihnen selbst gewählten Beispiels.

Chemolithoautotrophie: Chemische anorganische Verbindungen werden als Energiequelle benutzt, C-Quelle ist CO2 (S.641)

Beispiele: Nitrifikation(Nitrosomonas, Nitrobacter) bzw. Schwefeloxidation (Thiobacillus) betreibende Bakterien

zB Nitrosomonas gewinnt Energie aus dem Abbau des anorganischen NH3 zu NO2- (1.Stufe der Nitrifikation)

C-,N-,S-Kreislauf:

Konzeptionell ähnlich NH4+ Oxidation, jedoch im N-Kreislauf

Konzeptionell ähnlich der Sulfat-Atmung, jedoch im S-Kreislauf

Konzeptionell ähnlich der CO2-Fixierung, jedoch im S-Kreislauf

Konzeptionell ähnlich der Methanogenese

Konzeptionell ähnlich der Nitrifikation

Konzeptionell ähnlich der H2S Oxidation im N-Kreislauf

Konzeptionell ähnlich der Nitratatmung im S-Kreislauf

NH4+ Oxidation passiert in der Nitrifikation, also ähnlich Schwefeloxidation

Denitrifikation

Sulfatassimilation

Denitrifikation und Sulfatatmung

Methylotrophie und Schwefeloxidation

Nitrifikation

Sulfatatmung

Erstellen sie eine stöchiometrische Reaktionsgleichung für die biologische N-Fixierung, mit Angabe der benötigten Menge ATP.

Stickstoff-Fixierung:

N2 + 10H+ + 8e- +16ATP -> 2NH4+ + H2 + 16ADP +16Pi

Was ist für die Mikroorganismen beim Abbau von Biomasse (CH2O) energetisch „lukrativer“; ein Einsatz von Nitrat oder ein Einsatz von Sulfat als Oxidationsmittel? Wie lauten die entsprechenden Reaktionsgleichungen?

Nitrat hat ein positiveres Reduktionspotential als Sulfat. Nitrat ist folglich ein besserer terminaler e-Akzeptor als Sulfat und setzt somit mehr Energie frei.

CH2O + NO3- -> NO2- +

CH2O + SO4(2-) -> H2S +

Worin besteht der Unterschied zwischen einer Gärung und einer Atmung?

Energiegewinnung mittels ATP-Synthase geht über Substratketten-phosphorylierung (Gärung) bzw. die oxidative Phophorylierung (Atmung).

Atmung: Prozess bei dem eine Verbindung oxidiert wird bis zum terminalen e-Akzeptor (O2 oder Ersatz), meist ATP-Synthase durch oxidative Phosphorylierung

Gärung (Fermentation): Anaerober Katabolismus einer organischen Verbindung in dem die Verbindung sowohl als Elektronendonor als auch als Elektronenakzeptor dient, ATP-Synthase durch Substratketten-phosphorylierung

Methan kann von den methanotrophen Mikroorganismen mittels Sauerstoff oxidiert werden; gibt es auch einen anaeroben Abbau von Methan?

Nach meinem momentanen Wissensstand nicht.

Mikrobiologie 3. Semester D-UWIS Roman Schenk 254

Mikrobio Kärtchen

Roman Schenk

2005-02-15T21:04:00