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Mi 12 – 14, W3- 1- 161

VorlesungAllgemeine Mikrobiologie

Was ist Mikrobiologie? Was ist Mikrobiologie

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TerminplanMittwoch 12-14, W3 1-161

13.4.: H. Cypionka: Einführung

20.4.: E. Rhiel: Zellen der Pro- und Eukaryoten

27.4.: E. Rhiel: Zellen der Pro- und Eukaryoten

4.5.: T. Brinkhoff: Evolution und phylogenetischer Stammbaum

11.5.: B. Engelen: Ausgewählte Prokaryoten

18.5.: B. Engelen: Ausgewählte Prokaryoten

25.5.: M. Könneke: Ausgewählte Prokaryoten

1.6.: M. Könneke: Ausgewählte Prokaryoten

8.6.: L. Berthe-Corti: Angewandte Mikrobiologie

15.6.: L. Berthe-Corti: Angewandte Mikrobiologie

22.6.: M. Müller: Viren

29.6.: K. Palinska: Cyanobakterien

6.7.: A. Gorbushina: Pilze

Terminplan

Weitere Infos und Folien unter

www.icbm.de/pmbio - - - > Teaching

Bücher...

• VL Allg. Biologie

• VL Physiologie der Mikroorg.

• VL Mikrobielle Ökologie

• • •

weitere Infos

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www.grundlagen-der-mikrobiologie.de

Grundlagen der Mikrobiologie

Bitte um Verbesserungs-vorschläge bis Mitte Mai an:

Cypionka@icbm.de

Wachstumsexperiment

Wattestopfen

Erlenmeyer-Kolben

Wasser

Magnetstäbchen

Sterilisation von Gasen

Autoklavieren oder Sterilfiltration von Flüssigkeiten

Rolle von Wasser

Durchmischung: Rolle von Sauerstoff

Wovon sollen die Bakterien wachsen?

Wachstumsexperiment

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Glucose

C6H12O6, <CH2O>6, MW 180 g

Glucose

Genügen Wasser und ein einziges Substrat zum Wachstum einer Kultur?

Definiertes KulturmediumKomponente Konzentration Versorgung mit

mM (= mmol/l)

Destilliertes Wasser ≈55 000 WasserKH2PO4 2 K, PNH4Cl 10 NMgSO4 2 Mg, S(NaCl 1 – 350 Na und Cl bei

marinen Organismen)FeSO4 0.01 FeCaCl2 0.01 CaSpurenelement- Cu, Mn, Mo, Zn,Lösung <0.001 Co, Ni, Se ... im

katalytischen Zentrumeiniger Enzyme

z.B. Glucose 10 C- und EnergiequellepH-Wert auf 7.0 einstellen durch Zusatz von Puffer: z.B. Phosphat, je 15 mM KH2PO4 und K2HPO4 oderBicarbonat, je 15 mM NaHCO3 und CO2 (≈ 20 % CO2 i.d. Gasphase)

Wichtige limitierende Faktoren in der Natur unterstrichen.

Kulturmedium

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Schritte im Wachstumsprozess

• Aufnahme von Glucose => Detektion, Signalkette, Induktion eines Transportsystems

• Aufnahme unter gleichzeitigerVeränderung des Moleküls(Aktivierung durch Phosphatgruppe)oder auch zusammen mit Na+-Ionen

=> Investition vonEnergie, bevorWachstum einsetzt

Wachstumsprozess 1

Schritte im Wachstumsprozess

• Metabolismusvon Glucose

=> Umbau und Einbau indie Biomasse,Anabolismus,Assimilation,Biosynthese

=> Abbau zum Zweck derEnergiegewinnung,Katabolismus,Dissimilation,Destruktion

Wachstumsprozess 2

≈30 %

≈70 %

z. Vgl. Student:

0% / 100%

Erhaltungsstoffwechsel

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Metabolismus eines organoheterotrophenAerobiers

=> Substrat dient als Baustoff und Brennstoff

MetabolismusTransport-systeme

AnabolismusKatabolismus

Beteiligung von O2im letzten Schritt

Cytoplasma-Membran

=> Oxidation zu CO2 ohneBeteiligung von O2

=> TransportsystemeWesentlich fürEnergiestoffwechsel

Atmungs-kette

=> Anabolismus divergent Katabolismus konvergent

+ -

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+ -

Prinzip der chemiosmotischen Energiekonservierung

=> Ein Bakterium enthält nur 6 freie Protonen, kann aber in einer Minute mehrere hunderttausend davon nach außen pumpen und über die ATP-Synthase wieder aufnehmen.

Energiewandlung : elektrochemischer Gradient/chemische Reaktion

Bakterium oder Mitochondrium (= ehemaliges Bakterium)

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Bilanz der Dissimilation von Glucose

Bilanz des Katabolismus

Glykolyse

Citronensäure-Cyklus

Anabolismus

Reduktions-equivalente("Elektronen")

Der Traum der Bakterien...

• Bakterien gelten als Destruenten, sind aberWeltmeister des Wachstums.

• Durch Zweiteilung in lebensfähige Tochterzellensind sie potenziell unsterblich.

Traum der Bakterien

... zwei Bakterien werden!

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Zellteilung

• Biomassezunahme, Längenwachstum

• Replikation des Chromosoms, Auftrennung derTochtermoleküle

• Einziehung neuer Membranen und Zellwände

Einfacher Zellcyclus

Zellteilung

Wachstum einer Mikrokolonie

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Der Traum der Bakterien...

Potenziell unsterblich? Gilt das für alle Bakterien?

Potenziell unsterblich?

Wachstumsphasen

Die exponenzielle Phase zeigt in der logarithmischen Auftagung einen linearen Anstieg

Wachstumsphasen

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Einige Begriffe

Generationszeit: Zeit, die eine Bakterienzelle für eine Verdopplung braucht (h)

Teilungsrate:1/Generationszeit (v, h-1)

Wachstumsrate: Zuwachs pro Zeit (µ, h-1) [ vgl. Zinssatz]

Verdopplungszeit: Zeit, die ein Wachstumsparameter zur Verdopplung braucht (td, h) [Achtung: Zinseszins]

Maximale Wachstumsrate µmax: Wachstumsrate während der exponenziellen Phase (h-1)

Griechisch v sprich 'nü'

Griechisch µ sprich 'mü', machmal auch 'mikro' (z. B. µm)

Begriffe

1Zellzahlen während des exponenziellen Wachstums

Z = Z0 * 2g

mit

Z0 = Zellzahl zu Beginn

g = Anzahl der Generationen

↓2↓4↓8↓

16

32↓

Zum Merken:

210 = 1024 ≈1000

220 ≈ 1 Million

230 ≈ 1 Milliarde

↓

↓

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Zellzahlen

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Super-Konto, Zinssatz µ = 100 % pro Jahr

1. Januar 100 Euro → 31.Dezember: 200 Euro

Xt = X0 • eµ . t

1/12 Zuwachs pro Monat + Zinseszins → 31.12.: 261 Euro

Sofortiger Zuwachs + Zinseszins → 31.12.: 271.18 Euro

Logarithmiert:

µ = (ln x – ln x0 )/(t – t0) = ln (x/x0)/(t – t0)

100 x eKontostand =

Anfangskapital • e Zeit • Zinssatz

Superkonto

Xt = X0 • eµ . t Logarithmiert:

µ = ln (x/x0)/(t – t0)

Wann hat sich mein Geld verdoppelt (td)?

x/x0 = 2

ln 2 = 0.693

µ = ln 2/td

µ = 0.693/td

td = 0.693/µ

Bei sofortiger Verzinsung brauche ich nur einen Zinssatz von 69.3 %, um mein Kapital pro Jahr zu verdoppeln.

Verdopplungszeit Verdopplungszeit

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Der Wachstumsertrag ist abhängig von den

- katabolischen Stoffwechselwegen bzw.anderen Möglichkeiten der Energiekonservierung

- Art der verfügbaren C- und N-Quellen

- Energieverbrauch für Erhaltungsstoffwechsel

- Limitierenden Faktoren (in der Natur oft N, P, Fe)

- Eventuell angehäuften toxischen Produkten

Wieviel Biomasse wird gebildet?.

Wachstumsertrag Wachstumsertrag

Chemostat

Zellen werden unter konstanten Bedingungen in einer exponenziellen Phase (mit µ < µmax) kultiviert

Chemostat

Chemostat erzeugt Fließgleichgewicht (steady state):

Wachstumsrate =

Verdünnungsrate

Substratkonzentration ständig gering

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Alternative LebensweisenAlternative Lebensweisen

Alternative Elektronen-akzeptoren: NO3

-, SO42-,

Fe3+, Mn4+, CO2 ... : Anaerobe Atmung

Anorganische C-Quelle CO2: Autotrophie

Anorganischer Elektronendonator: H2, H2S, NH3, CO, Fe2+, Mn2+ ... : Lithotrophie

Licht statt Atmungsprozess zur Protonentranslokation: Phototrophie

Alternativen meist nur bei Prokaryoten!

Ohne externen Elektronenakzeptor, ohne (?) chemiosmotische Energie-konservierung: Gärungen

LebensweisenLebensweisen

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→ www.mikrobiologischer-garten.de

Mikrobiologischer Garten