Kitabı oxu: «Prüfungen erfolgreich bestehen im Fach Mikrobiologie»
Johannes Wöstemeyer Lisa Siegmund
Prüfungen erfolgreich bestehen im Fach Mikrobiologie
Inhaltsverzeichnis
Cover
Haupttitel
Die UTB-Reihe
Inhaltsverzeichnis
Über den Autor
Impressum
Reihentitel
Vorwort
1Bakterien
Übungen zu Kapitel 1
2Archäen
Übungen zu Kapitel 2
3Bakteriophagen
3.1Genome
3.2Formen
3.3Phagen bilden Plaques
3.4Lebenszyklen
3.5Restriktion
3.6Anwendung im Labor
Übungen zu Kapitel 3
4Pilze
4.1Allgemeines
4.2Organismische Vielfalt
4.2.1Chytridiomycota und Nachbargruppen
4.2.2Zygomycota und Nachbargruppen
4.2.3Ascomycota
4.2.4Basidiomycota
4.3Pilzähnliche Organismen
4.3.1Oophyten
4.3.2Mycetozoa
Übungen zu Kapitel 4
5Protozoen
Übungen zu Kapitel 5
6Lebensentstehung
6.1Ursuppe
6.2Urpizza
6.3Hydrothermale Quellen der Tiefsee
6.4Bildung von Kompartimenten
Übungen zu Kapitel 6
7Grundlegende Arbeitstechniken
7.1Organismische Vielfalt – fast gleiche Arbeitstechniken
7.2Das Medium
7.3Sterilisation
7.4Herstellung von Reinkulturen
7.5Arbeiten mit Stammlösungen
7.6Photometrie
7.7Dünnschichtchromatographie
7.8Gelelektrophorese
7.9Mikroskopie
7.10Umgang mit Messwerten
Übungen zu Kapitel 7
8Wachstum von Mikroorganismen
8.1Petrischalen und andere Kulturgefäße
8.2Medium
8.3Wachstumskinetik
8.4Bestimmung des Titers
Übungen zu Kapitel 8
9Energiestoffwechsel: Gärung, Atmung, Photosynthese
9.1Woher kommt die Energie zum Leben?
9.2Atmung liefert viel ATP
9.3Kopplung von Katabolismus und Synthesestoffwechsel
9.4Gärung – die Alternative zur Atmung
9.5Photosynthese
9.6Elektrolithoautotrophie
Übungen zu Kapitel 9
10Bakteriengenetik
10.1Genstruktur
10.2Genomstruktur
10.3Mutationen und Mutanten
10.4Parasexualität
10.5Entwicklungsgenetik
Übungen zu Kapitel 10
11Krankheitserreger
Übungen zu Kapitel 11
12Hygiene
Übungen zu Kapitel 12
13Antibiotika
Übungen zu Kapitel 13
14Biotechnik
Übungen zu Kapitel 14
15Antworten
Kapitel 1: Bakterien
Kapitel 2: Archäen
Kapitel 3: Bakteriophagen
Kapitel 4: Pilze
Kapitel 5: Protozoen
Kapitel 6: Lebensentstehung
Kapitel 7: Grundlegende Arbeitstechniken
Kapitel 8: Wachstum von Mikroorganismen
Kapitel 9: Energiestoffwechsel: Gärung Atmung, Photosynthese
Kapitel 10: Bakteriengenetik
Kapitel 11: Krankheitserreger
Kapitel 12: Hygiene
Kapitel 13: Antibiotika
Kapitel 14: Biotechnik
Literatur
Über den Autor
Johannes Wöstemeyer stammt aus dem Ruhrgebiet und ist seit 1993 Professor für Mikrobiologie und Mikrobengenetik an der Friedrich-Schiller-Universität Jena. Seine Arbeitsschwerpunkte liegen auf der Entwicklungsgenetik sexueller und parasitischer Prozesse bei evolutionär alten Pilzen und auf der Bedeutung des horizontalen Gentransfers für die Evolution.
Lisa Siegmund hat ihre Wurzeln in Thüringen und arbeitet als Wissenschaftliche Mitarbeiterin an der Friedrich-Schiller-Universität Jena am Lehrstuhl für All-gemeine Mikrobiologie und Mikrobengenetik. Sie promoviert mit licht- und elektronenmikroskopischen sowie genetischen Ansätzen über die mechanistischen Ursachen der Entstehung von Endosymbiosen bei Protozoen.
Impressum
Quellennachweis
Alle Abbildungen in diesem Buch sind von Bernd Burkart auf Grundlage der Darstellungen der Autoren neu erstellt.
Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen.
© 2017 Eugen Ulmer KG
Wollgrasweg 41, 70599 Stuttgart (Hohenheim)
E-Mail: info@ulmer.de
Internet: www.ulmer-verlag.de
Produktion: primustype Hurler GmbH | v1
ISBN 978-3-8252-4680-8 (Print)
ISBN 978-3-8463-4680-8 (E-Book)
Reihentitel
Prüfungen erfolgreich bestehen
herausgegeben von
Prof. Dr. Michael Kühl und Dr. Susanne Kühl
weitere Titel in Planung:
Prüfungen erfolgreich bestehen im Fach …
Zellbiologie
Botanik
Genetik
Pflanzenphysiologie
Zoologie
bereits erschienen:
Prüfungen erfolgreich bestehen im Fach …
Ökologie
Tierphysiologie
Mikrobiologie
Vorwort
Der Anspruch an ein Übungsbuch kann sehr hoch sein. Manch ein Leser erhofft sich, exakt die richtigen Fragen zu finden, also am besten ausschließlich solche, die in Prüfungen demnächst gestellt werden. Diese Erwartung können wir mit hoher Wahrscheinlichkeit nicht erfüllen. Gerade die Mikrobiologie ist ein breit angelegtes Fach mit hohem integrativen Charakter. Die Trennung in Teildisziplinen, etwa Morphologie, Systematik, Physiologie und Genetik, ist hier lange nicht so ausgeprägt wie in anderen Fächern. Außerdem befasst sich kaum eine andere Disziplin mit allen drei Domänen der Lebewesen, den Bakterien, Archäen und Eukaryonten. Es liegt nahe, dass schon wegen dieser inhaltlichen Breite das Fach Mikrobiologie überall anders definiert und ausgefüllt wird. Dennoch gibt es Grundlagen, die an fast allen Orten in irgendeiner Form berücksichtigt werden. Darauf haben wir uns konzentriert.
In mancher Hinsicht kann man sich mit einem Übungsbuch eine Abkürzung zum Prüfungserfolg erarbeiten. Allein der Umgang mit Fragen, nämlich den damit verbundenen Recherchen und der Notwendigkeit, sich klar für eine Antwort entscheiden und diese auch in verständlicher Form formulieren zu müssen, hilft erheblich.
Unser Übungsbuch stellt Fragen an den Leser. In den Einführungen zu den Themengebieten wird der Rahmen aufgespannt, in den sich die Fragen einordnen. Da es jedoch kein Lehrbuch ist, kann man nicht erwarten, ausschließlich mit Hilfe des Buchs selbst alle Fragen beantworten zu können. Die Zusammenstellung soll den Leser trainieren, aus den Inhalten von Vorlesungen, Praktika und Seminaren und natürlich aus Lehrbüchern das benötigte Wissen zusammenzutragen. Wir haben zur Verdeutlichung oft Zeichnungen angefertigt. Diese sind stilistisch in etwa so gehalten, wie man sie von Ihnen als Skizzen in Prüfungen erwartet. Ganz sicher wird man Sie in Klausuren häufig bitten, einen Sachverhalt zeichnerisch darzustellen. In mündlichen Prüfungen ist so etwas ebenfalls die Regel. Die hier verwendete Form soll Ihnen als Orientierungshilfe dienen.
Die meisten Fragen haben eine Vorgeschichte und sind in unserem eigenen Umfeld vielfach gestellt und beantwortet worden, entweder als Vorbereitungsaufgaben für das Mikrobiologische Anfängerpraktikum, als Klausurfragen zur Mikrobiologischen Grundvorlesung oder zum Praktikum. Zusätzlich haben wir die Themen der Staatsexamensabschlussklausuren für das Lehramt aufgenommen, sofern sie in den Kontext passen.
Wir haben verschiedene Fragentypen aufgenommen – diese reichen von sehr einfach strukturierten Entscheidungen anhand richtiger oder falscher Aussagen, über Lückentexte, Rechnungen, experimentelle Auswertungen bis hin zur frei formulierten Antwort in Aufsatzform. Damit decken wir einen großen Bereich möglicher Prüfungsfragen ab.
Bei der Auswertung von Klausuren sehen wir eine ganze Reihe sich ständig wiederholender Schwächen. Dieses Übungsbuch gibt uns die Möglichkeit, Tipps für die Vermeidung gerade solcher Fehler zu geben und die wichtigsten Anforderungen der Trainingsaufgaben kurz zusammenzufassen:
Einfache Ankreuzfragen sind schwieriger als man denkt. Wenn man nicht nur zufällig richtig antworten will, muss man den wissenschaftlichen Hintergrund der Fragen wirklich verstehen. Die Strategie, Kreuzchen aus dem Bauch heraus zu setzen, trägt erfahrungsgemäß nicht weit. Zum Üben sind solche Fragen sehr gut geeignet, weil der Rechercheaufwand verhältnismäßig gering ist. Man macht folglich schnelle Fortschritte. Mehr Zeit erfordert der Transfer des so erworbenen Wissens in andere Bereiche hinein, um Problemlösungen zu entwickeln.
Lückentexte verlangen das richtige Wort an der richtigen Stelle. Sie erhalten bei diesem Fragentyp beträchtliche Hilfe durch die vorgegebene Grammatik. Immer, wenn Sie an der Grammatik etwas ändern wollen, sind Sie mit Sicherheit noch auf der falschen Fährte. Achten Sie auch darauf, am Ende einen in sich runden, sinnvollen Text zu erhalten.
Versuchen Sie beim Üben unbedingt, reflexartiges Ablehnen bestimmter Aufgaben zu überwinden. Erfahrungsgemäß fangen ziemlich viele Studierende Rechnungen oder chemische Fragen gar nicht erst an. Vertrauen Sie uns und Ihnen: Sie können das. Chemie und Rechnen sind immer viel einfacher als Biologie!
Achten Sie von Beginn an auf den sicheren, konsistenten Umgang mit der Fachsprache. Um Sie beim Üben zu unterstützen, haben wir solche Wörter, die man mit Sicherheit braucht, fett gedruckt. Bitte lesen Sie nie über solche Begriffe hinweg, sondern recherchieren Sie bei Unklarheiten deren genaue Bedeutung.
Benutzen Sie verlässliche Quellen für Ihre Recherchen. Das werden in aller Regel Lehrbücher sein. Weiterführende Literatur brauchen Sie zum derzeitigen Ausbildungsstand noch nicht.
Unser Dank geht besonders an die Mitarbeiter im Mikrobiologischen Praktikum, die in Gesprächen über Lehre in erheblichem Maße beigetragen haben, dieses Buch an den Anforderungen der Studierenden auszurichten. Zurzeit sind das gemeinsam mit uns Frau Sabrina Ellenberger, Frau Emilia Schulz und Frau PD Dr. Anke Burmester. Dank gebührt auch den Herausgebern der Buchreihe, Herrn Professor Dr. Michael Kühl und Frau Dr. Susanne Kühl, und besonders der hilfreichen Frau Sabine Mann vom Verlag, die auch dann noch geduldig ist, wenn alles länger dauert als gedacht.
Unseren Lesern wünschen wir viel Erfolg bei der Prüfungsvorbereitung und hoffen mit Ihnen auf gute Bewertungen.
| Jena, im November 2016 | Lisa Siegmund, Johannes Wöstemeyer |
1Bakterien
Die bakterielle Welt ist genetisch, physiologisch und sogar morphologisch außerordentlich vielfältig. Dennoch entdeckt man bei der Betrachtung grundlegender zellbiologischer Eigenschaften genügend Gemeinsamkeiten, um einen bakteriellen Typus definieren zu können. Die Größe der Zellen gehört durchaus nicht dazu. Die kleinsten bekannten Bakterien sind nicht länger als 0,3 µm (1 µm = 10–3 mm), die größten kann man mit etwa 1 mm Länge bequem mit bloßem Auge sehen. Charakteristischer ist der Blick auf die Kompartimentierung der Zellen mit Membranen. Eukaryontische Zellen haben mehr morphologisch abgegrenzte Reaktionsräume als Bakterien. Zellkern, Mito-chondrien und Plastiden sind gut erkennbar und anhand der dort stattfindenden Reaktionen sehr gut charakterisiert. Allerdings darf man sich die bakterielle Zelle durchaus nicht wie einen Sack vorstellen, in dem die Reaktionen unkoordiniert ablaufen. Auch hier sind sehr viele Reaktionen membrangebunden und es gibt sogar Bakterien, aus der Planctomyces/Gemmata-Gruppe, deren Genom zellkernartig von Membranen umschlossen ist (Abb. 1.1).
Abb. 1.1 Bakterien der Planctomyces/Gemmata-Gruppe haben das Zellkernprinzip erfunden: Das Genom ist in eine Membranhülle verpackt.
Das bakterielle Genom besteht im typischen Fall aus einem einzigen, ringförmigen DNA-Molekül. Diese Regel gilt jedoch nicht für alle Bakterien. Die Größe bakterieller Genome variiert zwischen 0,6 und etwa 14 Millionen bp (Basenpaare) (Tab. 1.1). Somit gibt es durchaus Genome in Prokaryonten, die größer sind als die Genome einfacher Eukaryonten (Bäckerhefe: ca. 12 Millionen bp). Tendenziell haben die Genome obligater Parasiten kleinere Genome, weil sie im Laufe der Evolution Gene verlieren. Typisch für viele bakterielle Gruppen sind Plasmide, meist kleine, ringförmige DNAs, die zusätzlich zum Genophor vorkommen und oft für zusätzliche Stoffwechselwege oder Antibiotikum-Resistenzen kodieren. Auch scheinbar kleine DNA-Moleküle sind ausgestreckt sehr lang. Eine DNA von 3 Millionen bp ist etwa 1 mm lang. Da bakterielle Zellen im typischen Fall nur wenige µm lang und 1 µm dick sind, wird die DNA in engen Schleifen um basische Proteine gewickelt, damit sie in der Zelle Platz findet.
Der Transkriptionsapparat der Bakterien weist über alle Gruppen hinweg sehr große Ähnlichkeiten auf. Die Promotoren teilen funktionell vergleichbare Sequenzmotive, und die Zusammensetzung der Untereinheiten der RNA-Polymerase ist sehr ähnlich (Abb. 1.2). Für die Erkennung der Promotoren ist insbesondere die σ-Untereinheit der Polymerase zuständig. Viele Bakterien benutzen mehrere verschiedene σ-Faktoren und schaffen damit die Basis für eine zeit- oder entwicklungsabhängige Regulation der Transkription.
| Tab. 1.1 Genomgrößen ausgewählter Bakterien | |||
| Bakterium | Vorkommen | pathogen? | Genomgröße/Mbp (Megabasenpaare) |
| Mycoplasma genitalium | Schleimhäute Mensch | ja | 0,58 |
| Mycoplasma pneumoniae | Lunge Mensch | ja | 0,82 |
| Borrelia burgdorferi | Zecke/Säugetiere | ja | 0,91 |
| Treponema pallidum | Mensch (Syphilis) | ja | 1,1 |
| Helicobacter pylori | Magenwand/Mensch | ja | 1,67 |
| Synechocystis sp. | Süßwasser (Photosynthese) | nein | 3,57 |
| Escherichia coli | Dickdarm Mensch | nein | 4,64 |
| Bacillus subtilis | Boden (Endosporenbildner) | nein | 4,21 |
| Streptomyces coelicolor | Boden (Exosporenbildner) | nein | 8,67 |
| Ktedonobacter racemifer | Boden (Chloroflexus-Gruppe) | nein | 13,66 |
Abb. 1.2 Schematischer Aufbau der bakteriellen RNA-Polymerase
Bakterien haben charakteristische, biochemisch eindeutig erkennbare Ribosomen mit weitgehend konstanten Eigenschaften. Der grundsätzliche Aufbau aus zwei Untereinheiten mit definierten Sedimentationskonstanten, 30 S (Svedberg-Einheit) und 50 S, ist immer gleich, während das komplette Ribosom in der Ultrazentrifuge mit 70 S sedimentiert (Abb. 1.3). Auch Anzahl und Größe der ribosomalen RNAs und der ribosomalen Proteine sind sehr gut vergleichbar. Die Funktion bakterieller Ribosomen ist besonders bei den beiden großen Modellorganismen, dem Gram-negativen Enterobakterium Escherichia coli und dem Gram-positiven Sporenbildner Bacillus subtilis, im Detail studiert. Hier wurden die meisten Erkenntnisse über Ablauf und Regulation der Translation gewonnen.
Abb. 1.3 Schematischer Aufbau bakterieller Ribosomen
Die bakterielle Zelle ist von der Zellmembran umgeben, die wie in allen anderen Zellen die Reaktionsräume des Cyto-plasmas nach außen abschließt und mithilfe zahlreicher, biochemisch sehr verschiedener Transportkanäle und Transportmechanismen den Im- und Export benötigter bzw. nicht mehr benötigter Substanzen vermittelt. Für alle Substanzen, die durch die Membran transportiert werden müssen, gibt es sehr spezifisch arbeitende Transporter. Die Grundstruktur der Membranen, nämlich die Doppelschicht aus Fettsäure-
estern des Glycerins, ist für alle wasserlöslichen Substanzen und natürlich auch für Wasser selbst undurchlässig. Die Membraneigenschaften werden in erheblichem Maße von den Verhältnissen zwischen den vielen möglichen gesättigten und ungesättigten Fettsäuren beeinflusst. Eine Besonderheit bakterieller Membranen ist die Einlagerung der Hopanoide, die wie Sitosterin in Pflanzen, Ergosterin in Pilzen oder Cholesterin in Tieren für die Stabilität der Membranen sorgen und wegen wechselnder Mengen auch helfen, die Membranfluidität zu modulieren.
An die Membran schließt sich nach außen die Zellwand an. Zellwände sind in der Natur zwar durchaus keine Seltenheit, schließlich sind sie charakteristisch für die Archäen, Pilze und Pflanzen, doch hat die gesamte Tierwelt auf Zellwände verzichtet. Die bakterielle Zellwand ist chemisch gut definiert. Die typische Substanz ist das Murein. Das ist primär ein einfaches Copolymer aus N-Acetylglucosamin und N-Acetylmuraminsäure. Die Muraminsäure bringt ein über eine Etherbrücke gebundenes Milchsäuremolekül ein. Das Carboxylende dieser Säure erlaubt der Zelle, die linearen Polysaccharidketten über Peptidseitenketten zu einem einzigen, mehrdimensionalen Makromolekül rings um die Zelle zu vernetzen. Diese sehr widerstandsfähige Wand schützt die bakterielle Zelle vor den Auswirkungen starker Turgor-Schwankungen und auch vor mechanischen Einflüssen. Andererseits sollte man sich gelegentlich fragen, welchen biochemischen Aufwand diese gepanzerten Zellen treiben müssen, um überhaupt wachsen und sich teilen zu können?
Ende des 19. Jahrhunderts entwickelte Hans-Christian Gram eine Färbetechnik, die nur manche Bakterien gut färbte, während andere durch Waschen mit Ethanol sehr schnell entfärbt wurden. Der Farbstoff, das Kristallviolett, bildet in Gegenwart von Iod und Iodid einen gut sichtbaren violetten Farblack, der besonders gut von dicken Wänden zurückgehalten wird (Gram-positiv), während er aus dünnen Wänden mit Ethanol schnell ausgewaschen wird (Gram-negativ). Fast alle bakteriellen Gruppen verhalten sich in der Färbung Gram-negativ. Die wichtigste Gram-positive Gruppe bildet ein Monophylum, zu dem neben anderen die sporenbildenden Bacillus-Arten gehören.
Bakterien lagern viele verschiedene Stoffe im Cytoplasma ab. Ein wichtiger Speicherstoff ist etwa die Poly-β-hydroxybuttersäure, ein plastisch verformbarer Polyester mit durchaus erwähnenswerter technischer Bedeutung. Dazu kommen viele andere Zelleinschlüsse, wie etwa die Magnetosomen aus paramagnetischen Eisenoxiden solcher wasserbewohnender Bakterien, die sich mithilfe der vertikalen Komponente des magnetischen Erdfeldes orientieren können und damit „oben“ und „unten“ unterscheiden.
Bakterielle Zellen erscheinen auch an der Außenseite erstaunlich komplex. Eine Reihe von Anhängseln mit sehr verschiedenen Funktionen zwischen Adhäson, Motilität und parasexuellem Gentransfer kann man elektronenmikroskopisch gut unterscheiden. Fimbrien, Geißeln und Pili (Singular: der Pilus) sind sehr häufig. Dazu kommen bei etlichen Bakterien zum Teil sehr ausgedehnte Kapseln und Schleimhüllen aus Proteinen (eher seltener) und Polysacchariden (sehr häufig), die für die Adhäsion auf dem Substrat wichtig sind und etwa bei Krankheitserregern wichtige Funktionen zum Schutz der Bakterien vor den Attacken der Immunabwehr übernehmen.
Prokaryonten weisen eine unglaublich hohe Vielfalt an Möglichkeiten zur Bestreitung ihres Energiestoffwechsels auf. Als Grundregel mag dienen, dass nahezu jede in dem Milieu der lebenden Zelle mögliche Reaktion, deren Energiedifferenz ausreicht, die Synthese von ATP zu treiben, bei irgendwelchen Bakterien auch gefunden wird. Der allergrößte Anteil dieser Vielfalt ist auf dem evolutionären Pfad von den Prokaryonten zu den Eukaryonten wieder verloren gegangen. Tabelle 1.2 gibt eine Übersicht über die grundsätzlichen Möglichkeiten in den Organismengruppen.
| Tab. 1.2 Grundsätzliche Wege zur Energiegewinnung der Organismen | |||
| Organismengruppe | Energiequelle | Kohlenstoffquelle | Fachausdruck |
| Pflanzen | Licht | CO2 | Photoautotrophie |
| Tiere | organische Verbindungen | organische Verbindungen | Chemoheterotrophie |
| Pilze | organische Verbindungen | organische Verbindungen | Chemoheterotrophie |
| Bakterien | organische Verbindungen | organische Verbindungen | Chemoheterotrophie |
| Bakterien | anorganische Verbindungen | CO2 | Chemolithoautotrophie |
| Bakterien | anorganische Verbindungen | organische Verbindungen | Chemolithoheterotrophie |
| Bakterien | Licht | organische Verbindungen | Photoheterotrophie |
| Bakterien | Licht | CO2 | Photoautotrophie |
| Bakterien | Elektronen | CO2 | Elektrolithoautotrophie |
Wie eukaryontische Organismen auch können Bakterien Energie, also letztlich ATP, aus Atmungs- oder Gärungsprozessen beziehen.
Das Wesen der Atmung besteht in der Verwendung externer Elektronenakzeptoren zur Oxidation des beim Abbau energieliefernder Substrate unvermeidbar entstehenden NADH. Bei Eukaryonten ist der externe Elektronenakzeptor zur Oxidation des NADH aus der Substratkettenphosphorylierung Sauerstoff, der zu Wasser reduziert wird. Daher verbinden wir Atmung normalerweise mit aerober Lebensweise. Das muss nicht so sein. Bei Bakterien und Archäen werden außer Sauerstoff sehr viele verschiedene andere Elektronenakzeptoren benutzt. Außer O2-Atmung gibt es Nitrat-Atmung, Sulfat-Atmung etc. Man kann also problemlos auch anaerob atmen.
Das Wesen der Gärung besteht darin, die Oxidation des NADH zum NAD+, das für die Substratkettenphosphorylierung dringend gebraucht wird, ohne die Verwendung externer Elektronenakzeptoren zu schaffen. Das NADH aus der Substratkettenphosphorylierung wird folglich durch Übertragung der Elektronen auf einen internen Elektronenakzeptor wieder zu NAD+ oxidiert. Viele Bakterien, aber auch Eukaryonten, benutzen dazu die Brenztraubensäure (Pyruvat), die zu Milchsäure (Lactat) reduziert wird. Bei Bakterien werden sehr viele verschiedene andere Elektronenakzeptoren benutzt. Der Gärungstyp wird nach dem Endprodukt der Elektronenübertragung benannt. Die Namen, etwa Milchsäuregärung, Ethanolgärung, Propionsäuregärung, Gemischte Säuregärung etc., beschreiben also schon recht genau den Typus des Energiestoffwechsels eines Bakteriums.
Übungen zu Kapitel 1
Ü 1.1
Geben Sie an, welche der folgenden Aussagen zur bakteriellen Sporulation richtig oder falsch sind!
| Aussage | richtig | falsch |
| Bacillus subtilis sporuliert am besten in guten, glucosereichen Medien. | ||
| Vor der Initiation der Sporulation wertet Bacillus subtilis Umweltparameter aus. | ||
| Die Sporenmutterzellen geben die Sporen durch Knospung ab. | ||
| Eine Sporenmutterzelle erzeugt während ihres Wachstums ca. zwei bis drei Sporen. | ||
| Sporenspezifische Gene von Bacillus subtilis werden vom Transkriptionsapparat mithilfe alternativer σ-Faktoren erkannt. | ||
| Sporen von Bacillus subtilis sind wegen ihres hohen Gehalts an Dipicolinsäure besonders hitzeresistent. | ||
| Endosporen sind wegen der Akkumulation einer aromatischen Säure besonders hitzeresistent. | ||
| Sporen von Bacillus subtilis sind wegen ihres hohen Gehalts an Dipicolinsäure besonders UV-resistent. | ||
| Bacillus subtilis ist ein Gram-negatives, stäbchenförmiges Bakterium. | ||
| Bacillus subtilis bildet nur unter aeroben Wachstumsbedingungen Sporen. | ||
| Bacillus subtilis-Sporen sind resistent gegen Hitze, Austrocknung, UV-Bestrahlung und gegen viele organisch-chemische Lösungsmittel. | ||
| Zur Inaktivierung der Sporen von Bacillus subtilis reicht ein normaler Laborautoklav mit 2 Bar Gesamtdruck nicht aus. | ||
| Bacillus-Sporen überstehen die Behandlung mit kochendem Wasser. | ||
| Bacillus-Mutterzellen nehmen während der Sporulation besonders viele Calcium-Ionen auf. | ||
| Die Sporenwand von Bacillus subtilis ist vielschichtig. | ||
| Die Sporenwand von Bacillus subtilis wird zum Teil von der Mutterzelle gebildet. | ||
| Bacillus-Sporen können Jahrtausende überdauern. | ||
| Myxosporen werden als Exosporen an myzelartig wachsenden Mutterzellen gebildet. | ||
| Myxosporen entstehen durch Umwandlung der Mutterzelle zur Spore. | ||
| Myxosporen sind besonders hitzeresistente Endosporen. | ||
| Clostridium-Sporen überstehen die Behandlung mit kochendem Wasser. | ||
| In der Gattung Clostridium werden ausschließlich Endosporen gebildet. | ||
| Clostridium-Sporen werden ausschließlich unter anaeroben Bedingungen gebildet. | ||
| Bakterien der Gattung Clostridium wachsen zwar anaerob, bilden jedoch Sporen nur unter aeroben Bedingungen. | ||
| Die Sporen der Streptobakterien werden als Exosporen an myzelartig wachsenden Mutterzellen gebildet. | ||
| Der Differenzierungsweg zur Sporenbildung ist sowohl bei Bacillus als auch bei Streptomyces von mehreren sukzessiv agierenden σ-Faktoren abhängig. | ||
| Die Sporen der Streptobakterien überstehen die Behandlung mit kochendem Wasser. | ||
| Die Sporen der Streptobakterien sind im Vergleich zu anderen bakteriellen Sporen besonders kälteresistent. |
Ü 1.2
Geben Sie an, welche Aussagen zu den genannten bakteriellen Gruppen richtig oder falsch sind!
| Aussage | richtig | falsch |
| Thermotoga-Bakterien zeichnen sich durch Carotinoidbildung aus. | ||
| Thermotoga-Bakterien wachsen am besten bei Temperaturen um 80 °C. | ||
| Deinokokken sehen wegen ihrer Carotinoide in Kultur oft rötlich aus. | ||
| Deinococcus radiodurans übersteht besonders hohe Belastungen mit radioaktiver Strahlung. | ||
| Die für die PCR verwendete Taq-Polymerase stammt aus Deinokokken. | ||
| Bakterien der Gattung Salmonella sind darmbewohnende, fakultativ anaerobe Sporenbildner. | ||
| Bei Bakterien sind die hydrophoben Seitenketten der Membranlipide nicht immer über Esterbindungen an Glycerin gebunden. In der Thermodesulfobacterium-Gruppe findet man Etherbindungen. | ||
| Enterococcus faecalis leitet die Konjugation mithilfe eines Quorum-Sensing-Systems auf Peptid-Basis ein. | ||
| Bei den Proteobakterien gibt es keine Nitrifizierer, die in Reinkultur Ammoniak zu Nitrat oxidieren können. | ||
| Die mit Pseudomonas-Bakterien verwandten Zymomonas-Bakterien können zur Herstellung berauschender Getränke verwendet werden. | ||
| Bakterien der Gattung Salmonella sind fakultativ anaerobe, coliforme Enterobakterien. | ||
| Aquifex-Bakterien benutzen als Elektronendonoren oft Wasserstoff oder Schwefel in elementarer Form. | ||
| Sowohl Rickettsien als auch Chlamydien sind intrazellulär wachsende Bakterien. | ||
| Deinokokken haben ein mit Dipicolinsäure quervernetztes Murein. | ||
| Viele Purpurbakterien gewinnen Energie aus anoxygener Photosynthese. | ||
| In der Planctomyces/Gemmata-Gruppe wurde das Zellkern-Prinzip verwirklicht. |
Ü 1.3
Geben Sie an, welche der folgenden Aussagen zu den Enterobakterien richtig oder falsch sind!
| Aussage | richtig | falsch |
| Enterobakterien haben statt der Cytochrom-Oxidase eine alternative Oxidase. | ||
| Enterobakterien sind obligat anaerob. | ||
| Enterobakterien haben einen chemoorganoheterotrophen Stoffwechsel. | ||
| Das Enterobakterium Serratia marcescens bildet den Farbstoff Prodigiosin. | ||
| Alle coliformen Bakterien sind Katalase-bildende Enterobakterien. | ||
| Escherichia coli phosphoryliert Lactose bei der Aufnahme in die Zelle. | ||
| Escherichia coli kann Lactose hydrolysieren. | ||
| Escherichia coli kann Lactose nur in Gegenwart von Glucose hydrolysieren. | ||
| Enteroinvasive Escherichia coli-Stämme werden in Darmzellen häufig internalisiert. | ||
| Enterohämorrhagische Escherichia coli-Stämme haben durch horizontalen Gentransfer Toxin-Gene aufgenommen, die aus Shigella-Bakterien stammen. | ||
| Pathogenitätsrelevante Gene in EHEC-Bakterien sind die Konsequenz einer Phagenkonversion. | ||
| Enterohämorrhagische Escherichia coli-Stämme haben durch Phagenkonversion Toxin-Gene aufgenommen, die aus Shigella-Bakterien stammen. | ||
| Die Pathogenität der EHEC-Bakterien ist das Ergebnis natürlicher horizontaler Gentransferereignisse. | ||
| Das Enterobakterium Pseudomonas aeruginosa verhält sich in der Gram-Färbung Gram-negativ. |
Ü 1.4
Sie haben in Reinkultur ein Bakterium mit den folgenden Eigenschaften isoliert:
Im Lebendpräparat sehen Sie bewegliche Stäbchen.
Nach Kristallviolett-Färbung wird die Farbe mit Ethanol leicht ausgewaschen.
Im Medium mit Zusatz von Trimethyl-p-phenylendiamin ändert sich die Farbe während des Wachstums nicht.
Nach Zusatz von Wasserstoffperoxid zur Bakteriensuspension beobachten Sie Bläschenbildung.
Bei Kultivierung auf Glucose als Kohlenstoffquelle zeigt ein Indikator den pH-Wert < 4,5 an.
Die Bakterien wachsen in Hochschichtröhren oben, unten und seitlich des Stichkanals.
Auf Fuchsin/Sulfit-Indikatormedium mit Lactose als Kohlenstoffquelle bilden die Bakterien rot glänzende Kolonien.
Beantworten Sie anhand dieser Testergebnisse die folgenden Fragen:
| Wie nennt man in der Diagnostik das Ergebnis mit Trimethyl-p-phenylendiamin? | |
| Was schließen Sie aus der Bläschenbildung mit Wasserstoffperoxid? | |
| Was bedeutet die Rotfärbung auf Fuchsin/Sulfit/Lactose? | |
| In welche bakterielle Gruppe gehört dieser Organismus? | |
| In welche bakterielle Gattung gehört der Organismus sehr wahrscheinlich? |
Ü 1.5
Welche der folgenden Aussagen zur Zelloberfläche der Bakterien sind richtig, welche falsch?
| Aussage | richtig | falsch |
| Bakterielle Zellwände haben eine fibrilläre Struktur. | ||
| Bakterielle Zellwände bilden ein einziges Riesenmolekül, das die gesamte Zelle umgibt. | ||
| Die Zellwand der Gram-positiven Bakterien ist dünner als die der Gram-negativen Bakterien. | ||
| Die Grundbausteine bakterieller Zellwand-Polysaccharide sind N-Acetylglucosamin und ein Derivat des N-Acetylglucosamins, das mit Milchsäure verknüpft ist. | ||
| Die Grundbausteine bakterieller Zellwand-Polysaccharide sind N-Acetylglucosamin und N-Acetylmuraminsäure. | ||
| Teichonsäuren findet man in vielen Zellwänden der Archäen. | ||
| Teichonsäuren sind in erheblichem Maße für den anionischen Charakter der Zellaußenseite verantwortlich. | ||
| Schleimhüllen sind bei Streptococcus pneumoniae ein wichtiger Pathogenitätsfaktor. | ||
| Schleimhüllen verleihen bakteriellen Kolonien eine glänzende Oberfläche. | ||
| Schleime pathogener Bakterien stimulieren besonders gut die Immunabwehr der Wirte. |
Ü 1.6
Geben Sie an, welche der folgenden Aussagen zur Genetik von Escherichia coli richtig oder falsch sind!
| Aussage | richtig | falsch |
| Escherichia coli kann Gene horizontal auf Konjugationspartner übertragen, die ein F-Plasmid enthalten. | ||
| Escherichia coli kann Gene parasexuell auf andere Bakterienspezies übertragen. | ||
| Escherichia coli kann mithilfe transduzierender Phagen Gene in der Population verbreiten. | ||
| Escherichia coli wehrt Bakteriophagen mithilfe von Restriktionsendonucleasen ab. | ||
| Das Wort Restriktion beschreibt die Unfähigkeit der Vermehrung von Phagen beim Wechsel des Wirtsstamms von Escherichia coli. | ||
| Viele Escherichia coli-Stämme enthalten Episomen. | ||
| Hfr-Stämme von Escherichia coli enthalten Episomen, die definierte Genabschnitte auf Partner-Bakterien übertragen. | ||
| Nach der Kontaktaufnahme zwischen konjugierenden Bakterien mithilfe von Pili werden diese abgebaut und durch eine Plasmabrücke ersetzt. | ||
| Das Wort Transfektion beschreibt die Aufnahme von Phagen-DNA, gefolgt von der Synthese infektiöser Phagenpartikel. | ||
| RTF steht für Resistenztransferfaktor und meint konjugative Plasmide, die für die horizontale Verbreitung von Antibiotikumresistenzgenen in Populationen verantwortlich sind. |
Ü 1.7
Skizzieren Sie die grundlegenden experimentellen Schritte zur Isolation und Identifikation eines Enterobakteriums. Welche Eigenschaften haben Enterobakterien? Nennen Sie außerdem drei Gattungen coliformer Bakterien!
Ü 1.8
Recherchieren Sie die Lebensweisen und die Morphologie der in der Tabelle genannten Bakterien! Welche Hypothesen zu Zusammenhängen mit der Genomgröße können Sie ableiten? Diskutieren Sie die Mechanismen, die zu derart großen Unterschieden in der Genomgröße führen können!
| Bakterium | Escherichia coli | Streptomyces sp., Stigmatella sp. | Synechocystis sp. | Helicobacter pylori | Mycoplasma genitalium |
| Genomgröße | 4,6 Mbp | 8–12 Mbp | 3,2 Mbp | 1,7 Mbp | 0,6 Mbp |
Ü 1.9
Die bakterielle Welt verfügt über eine Vielzahl an Möglichkeiten zur Energiegewinnung. Definieren Sie bitte die folgenden Beschreibungen des Energiestoffwechels im Hinblick auf die Art der Kohlenstoffquelle und des Elektronendonors für die energieliefernden Reaktionen. Finden Sie Beispiele für die unterschiedlichen Lebensweisen:
Chemolithoautotrophie – Chemoorganoheterotrophie – Chemo-lithoheterotrophie – Photoautotrophie – Photoheterotrophie
Ü 1.10
Ergänzen Sie die Lücken im folgenden Text zum Thema Transkription in Bakterien!
Die Transkription der mRNA in Bakterien hängt von der Anwesenheit definierter Sequenzelemente auf der DNA, den _____________________, ab. An solchen Stellen bindet das Enzym ____________________, das aus _____ Untereinheiten zusammengesetzt ist. Eine dieser Komponenten, der sogenannte ________________, ist für die Erkennung der Startstellen zuständig. Die Bindungsstellen haben in Escherichia coli einen typischen Aufbau mit zwei charakteristischen Bindungsstellen, der ________- und der ________-Region. Die Bezeichnungen dieser Bindungsstellen sind von deren Abstand zum eigentlichen _____________________ abgeleitet.
Ü 1.11
Ergänzen Sie die Lücken im folgenden Text zum Thema Translation in Bakterien!
Zur Translation müssen die Ribosomen an der sogenannten _________________________ an die mRNA binden. Die Bindung ist spezifisch, weil diese Region der mRNA über ____________________-Bindungen an die ________ ribosomale RNA bindet. Die eigentliche Translation beginnt am __________-Codon, das immer die Sequenz _______ hat und für die Aminosäure ______________ kodiert. Während der Elongation der Translation binden mit Aminosäuren beladene ________ an das komplementäre Codon. Die wachsende Peptidkette wird auf die jeweils ankommende neue Aminosäure übertragen. Das Ende des wachsenden Proteins wird durch eines von drei möglichen ______________ definiert. Diese tragen die Sequenz ____________, ____________ oder ____________. Diese Signale werden nicht wie die vorherigen Codons von _________ gelesen, sondern von den sogenannten ______________________.
2Archäen
Gelegentlich fällt es schwer, den Domänencharakter der Archäen zu verstehen. Neben der nicht sonderlich glücklichen, doch leider noch immer verbreiteten Bezeichnung Archaebakterien liegt das an den morphologischen Ähnlichkeiten mit der Domäne der Bakterien. Die phylogenetische Eigenständigkeit der Archäen wird allerdings sofort deutlich, wenn man die molekularen Besonderheiten dieser Domäne betrachtet. Die DNA etlicher dieser Organismen ist in Histone verpackt, die zwar deutlich kürzer sind als bei Eukaryonten, jedoch durchaus Homologie erkennen lassen. Die DNA bildet auch tatsächlich nucleosomenartige Strukturen, die große Ähnlichkeit mit der Nucleosomenstruktur des Genoms bei Eukaryonten aufweisen. Auch lassen die Archäen, ganz anders als die Bakterien, eine deutliche Tendenz zu mehr als einem Replikationsursprung ihrer DNA erkennen. Insbesondere auf Transkriptionsebene wird die Ähnlichkeit der Archäen mit den Eukarya deutlich. Die RNA-Polymerase hat keine Ähnlichkeit mit der recht einfachen RNA-Polymerase der Bakterien, wohl aber mit den Polymerasen der Eukaryonten. In der Konsequenz erinnern auch die Promotoren eher an Eukaryonten. Viele Komponenten der Translationsmaschinerie sind allen drei Domänen gemeinsam, andere sind typisch für die jeweilige Domäne. Insgesamt jedoch sind die Ähnlichkeiten der Ribosomen und Translationsfaktoren zwischen Eukaryonten und Archäen deutlich größer als die der beiden prokaryontischen Domänen untereinander.
Die Zellwände der Archäen weisen im Gegensatz zu denen der Bakterien kein durchgehendes Prinzip auf. Neben zellwandlosen Formen gibt es viele Organismen, die lediglich durch parakristallin angeordnete Proteine nach außen abgegrenzt werden. Archäen, die von Polysaccharid-Wänden umgeben sind, weisen erhebliche Unterschiede zum Murein der Bakterien auf. Auch die Membranen unterscheiden sich von denen der Eukaryonten und auch von dem – immerhin auch nicht ganz einheitlichen – Bild bei Bakterien. Charakteristisch für Archäen ist der Verzicht auf Fettsäuren in den lipophilen Seitenketten der Phospholipide. Stattdessen verwenden sie die C20-Seitenkette des Phytanylrests, der über eine Etherbindung an das Glycerin gekoppelt ist. Der Vorteil solcher Etherbindungen ist die erheblich verbesserte Thermostabilität im Vergleich zu den bekannteren Fettsäure-Estern. Um auch die physikalische Thermostabilität der Membran zu erhöhen, zeichnen sich viele Archäen durch kovalente Verknüpfung der Phytanylreste beider Membranhälften aus. Auch die Flagellen der Archäen unterscheiden sich sehr deutlich in Dicke und Aufbau von denen der Bakterien.
Systematik und Phylogenie der Archäen sind Gegenstand der Debatte. Momentan gelten zwei große Phyla als gesichert, die Euryarch-aeota und die Crenarchaeota. An der Basis der Entwicklungsgeschichte stehen die hyperthermophilen Crenarchaeoten. Bei Pyrolobus fumarii hat man noch Wachstum bei 113 °C gemessen. Derzeit die höchste Temperatur, bei der Archäen noch wachsen, beträgt 122 °C für einen speziellen Stamm von Methanopyrus kandleri. Die Euryarchaeota sind phylogenetisch jünger; hierhin gehören die extrem halophilen Gattungen Halobacterium und Natronococus, die extrem acidophilen Gattungen, etwa die zellwandlosen Thermoplasmen, sowie die methanogenen Archäen, beipielsweise Methanococcus und Methanosarcina.
Zusammengenommen setzen Archäen pro Jahr etwa 109 Tonnen Methan frei. Angesichts der extremophilen Archäen darf man nicht vergessen, dass Archäen in nahezu allen Lebensräumen vorkommen. Auch Menschen werden von ihnen besiedelt, etwa in anaeroben Bereichen des Mundes und natürlich im Darm, wo sie für die Bildung von Methan verantwortlich sind. Hier spielen Methanobrevibacter- und Methanosphaera-Arten eine Rolle, nicht nur für die Methanbildung, sondern auch bei der Umwandlung des giftigen Methanols zu Methan. Allerdings kennt man bislang keine Krankheitserreger aus der Domäne der Archäen, weder für Tiere noch für Pflanzen. Biotechnisch in hohem Maße bedeutsam sind die Archäen, die in Biogasanlagen aus vielen Substraten Methan freisetzen. Die ökologische Bedeutung der Archäen erkennt man erst allmählich. Allein die Zahlenverhältnisse zwischen Bakterien und Archäen im Meer lassen vermuten, dass in dieser Domäne des Lebens noch erhebliche Überraschungen entdeckt werden können. Die hochgerechnete Anzahl von Bakterien in den Meeren liegt bei 3 x 1028, die der Archäen mit etwa 1 x 1028 ist nahezu ebenso hoch.
Übungen zu Kapitel 2
Ü 2.1
Geben Sie an, welche der folgenden Aussagen zur Biologie der Archäen richtig oder falsch sind!
| Aussage | richtig | falsch |
| Archäen kommen oft in heißen Quellen vor. | ||
| Auch im menschlichen Darm wachsen Archäen. | ||
| Krankheitserregende Archäen beim Menschen stellen eine deutlich unterschätzte Bedrohung dar. | ||
| Die RNA-Polymerase der Archäen hat deutlich weniger Untereinheiten als bakterielle RNA-Polymerasen. | ||
| Penicillin wirkt wegen des im Vergleich zu Bakterien anderen Membranaufbaus besonders gut bei Archäen. | ||
| Viele Archäen haben keine Zellwand, sondern sind lediglich von besonderen Proteinschichten eingehüllt. | ||
| Etliche Archäen bilden schädliche Klimagase. | ||
| Es gibt Archäen, die parasitisch auf Archäen wachsen. | ||
| Methanbildende Archäen gehören sämtlich in die Gruppe der Euryarchaeota. | ||
| Die Methanbildung funktioniert am besten unter aeroben Bedingungen. | ||
| Manche halophilen Archäen haben einen Mechanismus zur Energiegewinnung aus Licht entwickelt. | ||
| Es gibt zwar keine pflanzenpathogenen Archäen, wohl aber solche, die intrazellulär parasitisch in Protozoen leben. |
Ü 2.2
Archäen bieten einige Besonderheiten im Aufbau ihrer Zellmembranen. Beschreiben Sie diese und recherchieren Sie die Strukturformeln der relevanten Komponenten!
Ü 2.3
Finden Sie Unterschiede im Zellwandaufbau der Archäen im Vergleich mit Bakterien!
Ü 2.4
Biogasanlagen basieren auf der Stoffwechselaktivität methanogener Archäen. Finden Sie heraus, welche Substrate zu Methan reduziert werden. Legen Sie bei Ihren Recherchen besonderes Augenmerk darauf, aus welchem physiologischen Grund diese Organismen das sehr energiereiche Methan bilden, und dann aber nicht selbst nutzen.
Ü 2.5
Welche Rolle spielen Archäen im Pansen von Wiederkäuern? Welche Stoffwechselprozesse führen sie hier aus?
Ü 2.6
Viele Archäen wachsen Kohlenstoff-autotroph. Recherchieren und beschreiben Sie die zugrunde liegenden Stoffwechselwege!
Ü 2.7
Thermoplasmen leben unter extremen Bedingungen. Welche Eigenschaften haben sie? Aus welchen Prozessen beziehen sie ihre Energie?
Ü 2.8
Arbeiten Sie die Unterschiede im Aufbau der Flagellen bzw. Geißeln zwischen Bakterien, Archäen und Eukaryonten heraus!
3Bakteriophagen
Bakteriophagen sind mit Sicherheit die häufigsten Lebensformen auf der Erde, noch häufiger als Bakterien, da man zu jeder bakteriellen Spezies, bei der man gesucht hat, viele Phagen gefunden hat, bisweilen mehrere Hundert. Man nimmt heute mindestens für das Meerwasser an, dass auf dem Weg über die Rekombination zwischen Phagen- und Bakteriengenomen alle überhaupt möglichen bakteriellen Gene ein großes, allumfassendes Metagenom bilden. In anderen Biotopen, etwa in unserem Darm, dürfte die Situation ähnlich sein. Wegen der Möglichkeit zum horizontalen Gentransfer über Speziesgrenzen hinweg stellen Phagen daher eine bestimmende Größe dar für die Evolution und die Entstehung neuer bakterieller Arten mit neuen Eigenschaften. Der horizontale Gentransfer mithilfe von Phagen heißt in der Biologie Transduktion, dazu fähige Phagen nennt man transduzierende Phagen. Hier befassen wir uns nur mit einigen Bakteriophagen von Escherichia coli.
3.1Genome
Bei Phagen sind so ziemlich alle möglichen Genomarchitekturen verwirklicht. Es gibt Genome auf der Basis von RNA oder DNA, beide können ringförmig oder linear sein, einzelsträngig oder doppelsträngig, und auch Genome aus mehreren Molekülen kommen vor. Manche dieser Moleküle besitzen die Fähigkeit, in das Wirtsgenom zu integrieren. Man spricht dann von lysogenen Phagen im Unterschied zu den lytischen Phagen, die diese Fähigkeit nicht besitzen, sondern ausschließlich im Plasma der Wirtszelle vermehrt werden und diese schließlich lysieren.
3.2Formen
Phagen sehen durchaus nicht gleich aus, allerdings scheint die Formenvielfalt begrenzt zu sein. Die gezeigten Formen (Tab. 3.1) dürfen als typisch gelten, im Detail gibt es viele Abwandlungen.
3.3Phagen bilden Plaques
Lytische Phagen verraten sich auf Petrischalen durch die Bildung von Plaques in einem Rasen ihrer Wirtsbakterien (Abb. 3.1). In der Praxis mischt man die Phagensuspension in geeigneter Verdünnung zusammen mit so vielen Wirtsbakterien in 3 ml Weichagar, dass nach dem Ausplattieren und der Bebrütung ein durchgehender Bakterienrasen entsteht. An Stellen, an denen ein Phage bzw. eine infizierte Zelle liegt, wird die Wirtszelle lysiert und die Phagennachkommen (je nach Phage zwischen 50 und etlichen Hundert) infizieren eine weitere Wirtszelle.
Abb. 3.1 Phagen bilden Plaques in einem Rasen geeigneter Indikatorbakterien
Die Anzahl der Phagen, die eine einzige Wirtszelle produziert, heißt Wurfgröße oder im Englischen burst size. Dieser Zyklus aus Infektion und Vermehrung läuft so lange ab, bis die Wirtsbakterien in die stationäre Phase gelangen, sich nicht mehr teilen und auch keine Phagen mehr vermehren. Rund um den Ort der primären Infektion hatten die Bakterien natürlich keine Chance, zu wachsen, sodass hier eine klare Zone, ein Plaque, entstanden ist. Plaques weisen eine erstaunliche Vielfalt an Erscheinungsbildern auf. Sie können klar (etwa T4) oder durchgängig trübe sein (M13), und sie können sehr unterschiedliche Größen entwickeln. Die DNA lysogener Phagen integriert bisweilen in das Wirtsgenom. Die Plaques dieser temperenten Phagen entwickeln folglich innerhalb der Lysiszone Kolonien. An solchen Stellen hat ein Integrationsereignis stattgefunden, die resultierende Zelle ist immun gegen Superinfektion und kann nicht mehr lysiert werden. In diesem Zustand werden in aller Regel keine Phagennachkommen gebildet. Der Phage verhält sich ruhig; daher spricht man auch von temperenten Phagen. Erst die Behandlung der Wirtszellen mit Agenzien, die im Wirt Mutationen auslösen, setzt den Phagen frei, sodass der lytische Zyklus eingeleitet wird. Die Phagenvermehrung wird durch externe Einflüsse induziert, insbesondere solche, die die DNA des Wirts schädigen.
3.4Lebenszyklen
Die Lebensweise von Phagen kann sehr unterschiedlich sein. Die Abläufe bei der Infektion, der Aufnahme der genetischen Information in die Wirtszelle, der Replikation und der Transkription sind oft in hohem Maße auf die evolutionäre Strategie des jeweiligen Phagen zugeschnitten. Es gibt zwar Ähnlichkeiten zwischen den Lebenszyklen von Phagen, doch darf man nicht verallgemeinern und muss den Vermehrungszyklus neuer Phagen individuell studieren und beschreiben. Der Bakteriophage Mu etwa hat die Integration in das Wirtsgenom zum Lebensstil erhoben. Nach der ersten Integration, durchaus in der Art eines lysogenen Phagen, verhält sich Mu wie ein replikatives Transposon, sodass schließlich sehr viele Mu-Kopien an vielen Orten im Escherichia coli-Genom liegen. Dann erst wird diese DNA freigesetzt und in Phagenpartikel verpackt.
In den sich anschließenden Übungen machen Sie sich besonders mit den Eigenschaften der in molekularbiologisch arbeitenden Laboratorien immer wieder verwendeten Phagen M13, λ und T4 vertraut.
3.5Restriktion
Bakteriophagen sind eine erhebliche Bedrohung für ihre Wirtsbakterien. Folglich kann man erwarten, dass beide Partner wegen ihrer langen gemeinsamen Koevolution Abwehr- und Überlebensmechanismen entwickelt haben. Der bekannteste Phagenabwehrmechanismus ist die Restriktion. Das Wort stammt ursprünglich aus der Phagenbiologie und bedeutet, dass ein Phage – das war damals λ – nur auf einem bestimmten Genotyp von Escherichia coli Plaques bilden konnte, jedoch allenfalls sporadisch auf einem anderen. Erst später wurde die zugrunde liegende Biochemie deutlich: Bakterien besitzen sequenzspezifisch wirkende Endonucleasen, die Restriktionsendonucleasen, die aufgenommene Phagen-DNA zerschneiden, während sie ihre eigene DNA ebenfalls sequenzspezifisch durch Methylierung von Cytosin oder Adenin schützen. Gelegentlich entkommen Bakteriophagen der Restriktion durch zum Teil seltsam anmutende Modifikationen ihrer eigenen DNA. In der Phagenwelt gibt es deutlich mehr Nucleobasen als nur Adenin, Guanin, Cytosin und Thymin.
3.6Anwendung im Labor
Seit Beginn der Entwicklung gentechnischer Verfahren für die biologische Forschung haben Phagen durchweg eine große Rolle gespielt. Die replikative Form der DNA des Phagen M13 wurde bereits früh zu einem vielseitig verwendbaren Vektor für Escherichia coli entwickelt. Rekombinante M13-Phagen eignen sich hervorragend für die Sequenzierung klonierter DNA-Abschnitte. Der Bakteriophage λ und von ihm abgeleitete Plasmide, die sogenannten Cosmide, sind außergewöhnlich effiziente Vektoren zur Klonierung großer DNA-Fragmente bis etwa 45 kb (Kilobasenpaare, 1 kb = 1 000 bp). Noch größere Fragmente, etwa um 150 kb, kann man in einem System klonieren, das vom Bakteriophagen T4 abgeleitet ist.
Übungen zu Kapitel 3
Ü 3.1
Recherchieren Sie die Eigenschaften der angegebenen Bakteriophagen! Tragen Sie die richtigen Eigenschaften ein. Versuchen Sie, während ihrer Recherchen herauszufinden, worin die besondere Bedeutung dieser Phagen für die Entwicklung der mikrobiellen Genetik besteht.
| Phage | DNA/RNA? | ss/ds? | Genomgröße | lytisch/lysogen | Form (als Skizze) |
| T4 | |||||
| T5 | |||||
| λ | |||||
| Mu | |||||
| M13 | |||||
| Φ6 | |||||
| MS2 | |||||
| Φχ174 |
Ü 3.2
Ergänzen Sie den folgenden Lückentext zum Lebenszyklus des Bakteriophagen λ und beantworten Sie dann die anschließende Frage!
Der Bakteriophage λ hat ein Genom von ca. ____ kb Länge. Im Phagenpartikel liegt das Genom in ________________ Form vor. Nach Aufnahme der DNA in die Wirtszelle wird die DNA ________________. Die Lebensbedingungen des infizierten Wirts entscheiden weitgehend über die beiden alternativen Lebensstile des Phagen. Der λ-Phage kann entweder den _______________ oder den _______________ Weg verwirklichen.
Welche wichtigen, mit dieser Entscheidung über die alternativen Lebensstile assoziierten Gene spielen bei diesem Prozess entscheidende Rollen? Nennen Sie die Gene mit der gängigen Abkürzung (Gensymbol) sowie die zugehörigen Genprodukte und deren Funktion!
Ü 3.3
Die Wurfgröße von Phagen bestimmt man in einem einfachen Experiment, das traditionell unter der Bezeichnung One-Step-Growth geführt wird. Recherchieren Sie, was dies genau bedeutet und erstellen Sie dann einen experimentellen Ablaufplan, mit dem Sie die Wurfgröße eines neu isolierten Escherichia coli-Phagen ermitteln können.
Ü 3.4
Welches Phagen-kodierte Genprodukt hält beim Bakteriophagen λ den lysogenen Zustand aufrecht? Wie heißt das zugehörige Gen?
Ü 3.5
Zur Titerbestimmung eines Phagenlysats benutzen Sie die Weichagartechnik. Sie plattieren jeweils 0,2 ml der 10–9-fach verdünnten Phagensuspension zusammen mit den Indikatorbakterien aus. Nach Bebrütung über Nacht zählen Sie auf dem bakteriellen Rasen in Dreifachbestimmungen 204, 222 und 198 Plaques. Wie hoch ist der Titer der Ausgangssuspension? Geben Sie das Ergebnis in Plaque-bildenden Einheiten (pfu) pro ml an!
Ü 3.6
In einer λ-lysogenen Escherichia coli-Kultur mit dem Titer von 3 x 107 Zellen/ml wird der Prophage durch geeignete Behandlung in allen Zellen zum lytischen Wachstum induziert. Anschließend wird mit der Weichagartechnik der Phagentiter gemessen. In einer Dreifachbestimmung werden nach Ausbringung von jeweils 0,2 ml einer 10–7-fachen Phagenverdünnung auf den drei Platten 112, 131 und 99 Plaques gezählt. Wie groß ist der Phagentiter? Wie groß ist die Phagennachkommenschaft eines einzigen Wirtsbakteriums?
Ü 3.7
Geben Sie bitte eine kurze, prägnante Definition der folgenden Begriffe aus der Phagenbiologie an!
| Begriff | Definition |
| lytisch | |
| lysogen | |
| Transduktion | |
| horizontaler Gentransfer | |
| Transposition | |
| Phageninduktion |
Ü 3.8 [aus unserer Sammlung von Staatsexamensklausurthemen]
Beschreiben und skizzieren Sie die Morphologie der Escherichia coli-Phagen λ und T4. Ordnen Sie den Strukturen nach Möglichkeit Funktionen zu und erklären Sie, wie diese Phagen infizieren, replizieren und wie sie mit dem Stoffwechsel und der genetischen Steuerung der Wirtszelle interagieren.
Ü 3.9 [aus unserer Sammlung von Staatsexamensklausurthemen]
Etliche Bakteriophagen können sich entweder lytisch vermehren oder als Prophagen zusammen mit dem Genophor des Wirts weitergegeben werden. Bitte stellen Sie am Beispiel des Escherichia coli-Phagen λ die Charakteristika der beiden alternativen Lebensformen dar. Legen Sie besonderen Wert auf den Umschaltvorgang vom Prophagen zur lytischen Vermehrung.
4Pilze
4.1Allgemeines
Pilze (Mycota oder Eumycota, auch Fungi) bilden ein eigenständiges Reich innerhalb der Eukaryonten, haben also denselben systematischen Rang wie die Pflanzen und die Metazoen. Mit Letzteren sind sie phylogenetisch deutlich näher verwandt als mit den Pflanzen. Pilze leben Kohlenstoff-heterotroph wie die Tiere und wachsen im typischen Fall an den Spitzen lang gestreckter Zellverbände, den Hyphen, die in ihrer Gesamtheit das oft weitverzweigte und bisweilen zu dreidimensionalen Gebilden mit definierter Form zusammengeschlossene Myzel bilden.
Sehr charakteristisch sind einige biochemische Besonderheiten der Pilze. Die Zellwand enthält immer Chitin, wenn auch der Anteil des Chitins neben anderen Bestandteilen (viele verschiedene Glucane und Mannane, Chitosan, Proteine und Glykoproteine) gelegentlich recht klein ist. Die Zellmembran hat eine Besonderheit, die es erlaubt, mit einfachen Messungen den Anteil von Pilzmaterial in gemischten Umweltproben zu ermitteln. Sie enthält das Steroid Ergosterin, während Pflanzen an dieser Stelle Sitosterin einlagern und Tiere das Cholesterin. Selbst die allgegenwärtigen Bakterien stören solche Messungen nicht, da sie in ähnlicher Funktion die sogenannten Hopanoide in ihre Membranen einlagern.
Den Aufbau der Zellwand hat man bei einigen Pilzen im Detail aufgeklärt. Dies sind ganz überwiegend Arbeiten an dem Ascomyceten Neurospora crassa sowie den Zygomyceten Mucor rouxii und Rhizopus sp. Das Material für die Zellwand sowie etliche für die Wandsynthese benötigte Enzyme werden vom Golgi-Apparat in Vesikel verpackt und längs des Zytoskeletts an die Hyphenspitze transportiert. Hier werden sie im typischen Fall zunächst gesammelt. Diese Vesikelansammlung kann man lichtmikroskopisch, besonders im Phasenkontrast, leicht sehen; sie trägt die Bezeichnung Spitzenkörper. Die Vesikel fusionieren schließlich mit der Zellmembran und geben die Komponenten für den Zellwandaufbau nach außen ab. Die jungen Zellwände haben den höchsten Chitinanteil. Abwärts, also mit zunehmendem Alter, steigt der Anteil von Glucanen, Mannanen und Proteinen (Abb. 4.1).
Abb. 4.1 Zellwandaufbau bei Pilzen
Charakteristisch für viele Pilze ist der zunächst ungewohnte Ablauf der Mitose. Pilze neigen stark dazu, während der Mitose die Kernmembran nicht aufzulösen, sondern nach der Verdoppelung der Chromosomen diese mithilfe des Spindelapparats an die Pole des Kerns und nicht an die Pole der gesamten Zelle zu transportieren. Diese Form der Mitose heißt Endomitose. Evolutionär reflektiert sich hier wahrscheinlich, dass die allermeisten Pilze keine strikte Korrelation zwischen der durch Zellwände begrenzten Zelle und der Zahl der darin enthaltenen Kerne haben. Tendenziell sind Pilze also eher syncytial. Endomitosen verhindern zuverlässig Fehlverteilungen durch Mischen von Chromosomen verschiedener Kerne.
Ökologisch sind Pilze bedeutende Destruenten. Für den Kohlenstoffkreislauf der Erde sind sie schon deshalb unentbehrlich, weil viele die Hauptkomponenten des Holzes, also Cellulose, Xylan und besonders das außerordentlich schwer angreifbare Lignin, abbauen können. Der Gesamtumsatz von Biomasse auf der Erde liegt bei 1011 t pro Jahr. Es gibt ausgesprochene Spezialisten, die nur den Kohlenhydratanteil des Holzes als Kohlenstoff- und Energiequelle nutzen. In diesem Fall bleibt das braune Lignin übrig; man spricht folglich von Braunfäulepilzen. Es gibt auch Weißfäulepilze, die das Lignin abbauen und die Cellulose zurücklassen. Es gibt aber auch sehr viele Pilze, die beides können. Außerdem sind in der Natur oft verschiedene Pilze mit komplementären Leistungen vergesellschaftet. Auch für Xenobiotika, also jene schwer abbaubaren Stoffe, die vom Menschen in die Natur eingebracht werden, findet man in der Regel Pilze, die diese Substanzen abbauen. Pilze sind Meister im Abbau sehr vieler Kohlenstoffverbindungen, schnell sind sie allerdings nicht. Das komplette Recycling eines großen Baums kann Jahrzehnte dauern. Im Acker- oder Waldboden haben Pilze noch vor den Bakterien den größten Biomasseanteil. Ein Gramm Boden enthält ungefähr 100 m Hyphen, das entspricht etwa 0,2 mg.
Biotechnisch werden mit Pilzen sehr viele wirtschaftlich wichtige Prozesse gefahren, etwa die regio- und stereospezifische Hydro-xylierung von Steroiden mithilfe etlicher Zygomyceten, die Gewinnung Rennin-artiger Proteasen mit Mucor-Spezies, die Produktion Penicillin-artiger Antibiotika oder auch die Produktion vieler Nahrungs- und Genussmittel und sehr viel mehr.
4.2Organismische Vielfalt
Die Pilze bilden als Schwestergruppe der Metazoa ein Monophylum mit etlichen Abteilungen (Phyla; Singular: Phylum), die man in der Taxonomie an der Endung „mycota“ erkennt.
4.2.1Chytridiomycota und Nachbargruppen
Die beinahe ursprünglichsten Pilze sind die Chytridiomyceten (von griechisch χυτροζ, der Topf, benannt nach der Form der Gametangien), die als einzige Pilzgruppe bewegliche Stadien, die Zoosporen, besitzen. Alle jüngeren Gruppen haben keine beweglichen Stadien mehr. Chytridiomyceten besitzen ein weitgehend unseptiertes Myzel. Um die Verwandtschaftsverhältnisse noch deutlicher zu reflektieren, wurde die Gruppe der Neocallimastigomycota, zu denen die ökologisch außerordentlich bedeutenden anaeroben, celluloseabbauenden Pilze im Pansen der Wiederkäuer gehören, abgetrennt und als eigene Abteilung geführt. Möglicherweise geht die Geschichte der Pilze auch noch weiter zurück. Die weitverbreiteten, parasitisch auf vielen Tieren wachsenden und ohne Mitochondrien lebenden Microsporidien und die Gattung Rozella, die in Chytridiomyceten parasitiert, gehören phylogenetisch anhand von Sequenzvergleichen und wegen des Chitins in der Zellwand an die Basis der Pilze.
Zoosporen gibt es bei Chytridiomyceten und den Neocallimastix-Verwandten sowohl im mitotischen Vermehrungszyklus als auch in sexuellen, also meiotischen, Abläufen. Abbildung 4.2 gibt Morphologie und Zoosporenbildung bei einem typischen Chytridiomyceten, Allomyces arbusculus, wieder, der auch als Modellorganismus zur Aufklärung der Wirkung der Pheromone für die Anlockung der sexuell kompatiblen Gameten dient. Außerordentlich vielfältig sind die Befruchtungsvorgänge in dieser Pilzgruppe. Neben der Fusion beider Kreuzungstypen über bewegliche Gameten findet man auch die Fusion sexuell determinierter Hyphen (Somatogamie) oder die Fusion ganzer Gametangien (Gametangiogamie).
Abb. 4.2 Sporangien und Zoosporenbildung bei Allomyces arbusculus (Recherchieren Sie die Namen der Strukturen und beschriften Sie anschließend die Zeichnung!)
Ein Chytridiomycet mit erheblicher Bedeutung für die Vermehrung von Amphibien ist Batrachochytrium dendrobatidis, der Populationen von Fröschen und anderen Amphibien in erheblichem Maße bedroht. Die Tiere werden zunächst lethargisch, entwickeln Hautläsionen und sterben einige Wochen nach der Infektion. In Presse und Fernsehen wird dieser Erreger unter der saloppen Bezeichnung „Chytridpilz“ geführt. Pflanzenpathogene Chytridiomyceten haben ebenfalls eine erhebliche Bedeutung. Olpidium brassicae verursacht etwa die Schwarzbeinigkeit bei Raps und anderen Kreuzblütlern sowie bei Salat und Tabak.
4.2.2Zygomycota und Nachbargruppen
Die Zygomyceten (von griechisch ξυγοζ, das Joch) sind nach den jochartigen Strukturen ihrer typischen sexuellen Differenzierungsform benannt. Die Enden sexuell determinierter Hyphenverzweigungen (Abb. 4.3) wachsen zu vielkernigen Gametangien heran, die dann miteinander zum Zygosporangium fusionieren und nach längerem Reifungsprozess die Zygospore bilden. Die Zygosporen keimen bei allen untersuchten Zygomyceten außerordentlich schlecht, nämlich bestenfalls im kleinen, einstelligen Prozentbereich. Man erkennt in dieser Pilzgruppe besonders gut, dass Sexualität und Vermehrung nicht primär miteinander verbunden sind.
Abb. 4.3 Gametangiogamie bei Zygomyceten
(Recherchieren Sie die Namen der Strukturen und beschriften Sie anschließend die Zeichnung!)
Die Erkennung sexuell kompatibler Partner ist an oxidative Abbauprodukte des Carotins gebunden, die als Trisporoide mit dem Haupt- und Endprodukt Tri-sporsäure bezeichnet werden. Chemisch und auch im Hinblick auf die Biosynthese ähneln diese Verbindungen stark den aus der Tierwelt bekannten Retinoiden oder der bei Pflanzen hormonell aktiven Abscisinsäure. In der Grundlagenforschung sind die Zygomyceten neben ihrer Bedeutung für die Erforschung der Pheromonwirkung besonders wichtig für das Verständnis von Phototropismus und Gravitropismus. Beides wurde an dem für solche Studien hervorragend geeigneten Pilz Phycomyces blakesleeanus in vielen physiologischen und genetischen Details studiert.
Die eigentliche Vermehrung der Zygomyceten ist ein rein mitotischer, also asexueller Prozess. Im typischen Fall bilden die Pilze vielkernige Sporangien mit sehr vielen ein- oder wenigkernigen Sporen (Abb. 4.4).
Abb. 4.4 Mitosporenentwicklung bei Zygomyceten am Beispiel Absidia glauca (Recherchieren Sie die Namen der Strukturen und beschriften Sie anschließend die Zeichnung!)
Das Myzel der Zygomyceten ist im typischen Fall nicht septiert, allerdings werden Reproduktionsorgane und andere spezielle morphologische Strukturen oft durch Septen vom distalen Myzel abgegrenzt. Eine biochemische Besonderheit weisen die Zellwände auf. In dieser Pilzgruppe wird das Monomer des Chitins, das N-Acetylglucosamin, im Anschluss an die Chitinsynthese größtenteils deacetyliert, sodass die Zygomyceten als typischen Zellwandbestandteil das Chitosan (Poly-Glucosamin) enthalten.
Ökologisch sind die Zygomyceten eher Verwerter leicht abbaubarer Zucker und Proteine. Schwer abbaubare Polysaccharide, wie etwa Cellulose, oder schwer angreifbare Proteine, wie etwa Keratin, sind eher die Domäne der Chytridio-, Asco- und Basidiomyceten. In der Biotechnik macht man sich sehr viele Zygomyceten zunutze. Neben der Modifikation von Steroiden und der Herstellung von Proteasen für die Käseherstellung gewinnen auch die nicht-chemische Synthese von Carotin mithilfe von Blakeslea trispora sowie die Gewinnung von Chitosan aus Zellwänden, etwa von Absidia sp., an Bedeutung.
Die nächsten, phylogenetisch allerdings jüngeren Verwandten der Zygomyceten sind die obligat symbiontisch lebenden Glomus-artigen Pilze, denen man ebenfalls den Rang eines Phylums gegeben hat (Glomeromycota). Diese Pilze wachsen nicht in der Kultur, sondern bilden die symbiontische Basis von etwa 80 % aller Landpflanzen. Sie wachsen innerhalb der Zellen pflanzlicher Wurzeln, in denen sie charakteristische, bäumchenartige Strukturen bilden. In Anlehnung an diese Arbuskeln (Abb. 4.5), arbuscule ist das französische Wort für Bäumchen, hat man diese Pilze als arbuskuläre Mykorrhiza-Pilze (AM-Pilze) zusammengefasst.
Abb. 4.5 Entwicklung eines arbuskulären Mykorrhiza-
Pilzes (Recherchieren Sie die Namen der Strukturen und beschriften Sie anschießend die Zeichnung!)
Ausgehend von der Wurzel wächst das unseptierte Myzel dieser Pilze weit in den Boden hinaus und hilft damit bei der Akquisition wichtiger Mineralien für das Pflanzenwachstum und natürlich auch bei der Wasseraufnahme. An erster Stelle für die Pflanzen steht bei dieser Interaktion die Phosphataufnahme. Phosphat ist sehr oft wachstumslimitierend. Die deutlich erhöhte Vergrößerung der Reichweite im Boden als Folge des Myzelwachstums und die Mobilisierung unlöslicher Phosphate begründen die hohe Bedeutung dieser Symbiose. Im Austausch bestreiten die Pilze ihren Kohlenstoffwechsel aus Ressourcen der Pflanze. Insbesondere bei der Primärbesiedlung bisher nicht landwirtschaftlich genutzter Böden und auf Problemstandorten ist die Symbiose zwischen Glomus-artigen Pilzen und Pflanzen von außerordentlich großer Bedeutung. Geeignetes Inokulum mit Pilzsporen kann man kaufen. In normalen Böden sind diese Pilze allerdings bereits immer enthalten.
Glomeromyceten haben wie die Zygomyceten ein weitgehend unseptiertes Myzel. Ihre Propagationsformen sind sehr große, oft bereits mit der Lupe sichtbare asexuell entstandene Sporen, die als Chlamydo-sporen interpretiert werden. Sie enthalten Hunderte bis Tausende von Zellkernen. Die Sporen werden außerhalb der Pflanze im Boden angelegt und keimen nur in der Nähe frischer, geeignete Signalstoffe aussendender Wurzeln.
4.2.3Ascomycota
Die Gruppe der Ascomyceten umfasst nach der Artenzahl die größte Gruppe der Pilze. Sie kommen in fast allen Biotopen vor, sogar im Salzwasser. Viele Arten sind pflanzenpathogen, einige auch tier- oder humanpathogen. Namensgebendes Merkmal ist das Ascus genannte Meiosporangium, das bei den myzelialen Pilzen dieser Gruppe schlauchförmig ist und meist acht Meiosporen bildet. Bei der Bäckerhefe wandelt sich die Mutterzelle zum kugeligen Ascus mit vier Sporen um (Abb. 4.6).
Abb. 4.6 Sexuelle Entwicklung der Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae
Oft werden die Asci in größeren Verbänden auf oder in Fruchtkörpern gebildet, die je nach ihrer Morphologie Apothecien, Gymnothecien, Kleistothe-cien oder Perithecien genannt werden (Abb. 4.7).
Abb. 4.7 Sexuelle Fruchtkörpertypen bei Ascomyceten: Apothecien (a), Gymnothecien (b), Kleistothecien (c), Perithecien (d)
Über die Genetik der beiden komplementären Kreuzungstypen weiß man sehr viel. Am MAT-Locus sind die Gene für die Trans-kriptionsfaktoren für die Steuerung der sexuellen Entwicklung lokalisiert. Bei der Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae und bei der Spalthefe Schizosaccharomyces pombe kennt man das Phänomen des spontanen Wechsels des Kreuzungstyps (mating type switch). Hier liegen die Kreuzungstypgene auf transponierbaren Kassetten. Die Kassette am MAT-Locus definiert den Kreuzungstyp. Eine nicht exprimierte, stille Kassette mit den Informationen für die Transkriptionsfaktoren des anderen Kreuzungstyps kartiert an einem anderen Ort im Genom und kann durch replikative Transposition an den MAT-Locus versetzt werden.
In aller Regel sind asexuelle Prozesse für Vermehrung und Verbreitung deutlich effizienter. Es gibt auch nur wenige Ascomyceten, die für die Vermehrung auf sexuelle Prozesse angewiesen sind. Die Bildung von Mitosporen ist morphologisch außerordentlich vielfältig. Besonders viele Sporen entstehen als Ergebnis der Konidiogenese. Konidien sind nach außen abgegebene mitotische Propagationsstrukturen, die oft in langen Ketten von blastischen Mutterzellen abgeschnürt werden. In Abbildung 4.8 sind der Verlauf der Konidienbildung und die beteiligten Zelltypen für das Modell Aspergillus nidulans wiedergegeben. Die genetische Kontrolle dieses Prozesses ist in sehr vielen Einzelheiten aufgeklärt.
Abb. 4.8 Konidiogenese bei Asper-gillus nidulans
(Recherchieren Sie die Namen der Strukturen und beschriften Sie anschließend die Zeichnung!)
Es gibt eine Reihe anderer Wege zur Konidienbildung. Einige werden außerdem in besonderen Behältern gebildet, den Pyknidien. Zusätzlich zu Konidien gibt es auch andere Typen von Mitosporen.
Das Myzel der Ascomyceten ist septiert. Allerdings haben diese Septen recht große Poren, die auch Organellen passieren lassen. Außerdem haben diese Pilze eine starke Tendenz zur Bildung von Anastomosen zwischen kompatiblen Hyphen, normalerweise derselben Spezies. Daraus resultiert die Bildung genetisch gemischter Individuen mit unterschiedlichen Zellkernen. Man bezeichnet solche Myzelien als hetero-karyontisch. Heterokaryen haben den Vorteil, dass Mutationen in wichtigen Stoffwechselgenen durch andere Kerne ohne diesen Defekt komplementiert werden. Relativ häufig, jedenfalls bei Aspergillus nidulans, kommt es zu Kernfusionen und in der Folge auch zur Rekombination zwischen den DNAs der Kerntypen. Bei diesem Prozess entstehen notwendig zunächst diploide Kerne, die jedoch sehr häufig in den folgenden Teilungen Chromosomen verlieren und folglich aneuploid werden. Für diese und ähnliche Arten der Rekombination hat man den Begriff Parasexualität geprägt. Damit sind in der Biologie alle Rekom-
binationsereignisse gemeint, die nicht an das Wechselspiel von Kernfusion und Meiose gekoppelt sind.
Ascomyceten sind für viele Prozesse außerordentlich wichtig. Die fakultativ anaerobe Brau- oder Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae ist der wichtigste Produzent von Alkohol, in der Brotherstellung wird sie wegen ihrer CO2-Abgabe als natürliches Triebmittel verwendet. Etliche Käsesorten werden mithilfe von Penicillium- und anderen Kulturen hergestellt. Einige Ascomyceten bilden auch Antibiotika, etwa das Penicillin oder das Griseofulvin. Allerdings werden die weitaus meisten therapeutisch wichtigen Antibiotika aus bakteriellen Kulturen gewonnen.
Unter den Ascomyceten findet man etliche humanpathogene Pilze. In Bezug auf die Anzahl von Erkrankungen sind Hefen der Gattung Candida am bedeutendsten.
4.2.4Basidiomycota
Basidiomyceten sind wie die anderen Pilzgruppen nach ihren sexuellen Strukturen benannt. Die Produkte der Meiose entstehen hier anders als bei den Ascomyceten nicht in Sporangien, sondern an besonderen Trägerstrukturen, den Ba-sidien. Morphologisch unterscheidet man etliche Ausprägungen von Basidien, die in der Regel vier einkernige Sporen abschnüren. Eine für viele Hutpilze typische Form zeigt Abbildung 4.9. Basidien werden in einer besonderen fertilen Schicht, dem Hymenium, gebildet, das neben den Basidien auch andere charakteristische Zelltypen beherbergt. Bei den bekannten Großpilzen sind die Lamellen bzw. die Röhren an der Unterseite der Hüte mit dieser Schicht besetzt.
Abb. 4.9 Basidiosporen werden als Exomeiosporen an der Basidie gebildet
Die Basidiosporen sind in aller Regel einkernig und als Meioseprodukte natürlich haploid. Nach der Keimung der Sporen fusionieren sexuell kompatible Keimhyphen sehr schnell, nämlich solche mit komplementärem Kreuzungstyp, und bilden das für Basidiomyceten typische dikaryontische Myzel. Der Begriff Dikaryon bezeichnet das spezielle Heterokaryon, in dem sich die Kerne am Kreuzungstyp-Locus unterscheiden. Ein besonderer Mechanismus der Kernverteilung, der sich schon morphologisch als Schnallenmyzel zu erkennen gibt, erleichtert die Aufrechterhaltung des dikaryontischen Zustands bei den Zellteilungen während des Hyphenwachstums. Zur Kernfusion kommt es allerdings erst sehr viel später, nämlich bei der Entwicklung der neuen Fruchtkörpergeneration. Anschließend durchlaufen die Fusionsprodukte sofort wieder die Meiose und bilden erneut Basidiosporen.
Die genetische Determination des Kreuzungstyps kann bei Basidiomyceten ziemlich kompliziert sein. Das Kreuzungsverhalten wird, anders als bei den bisher erwähnten Phyla, durch zwei unabhängig segregierende Loci bestimmt, die in der Natur in sehr vielen Allelen vorkommen. Sexuell kompatibel sind alle Kombinationen, die sich an den Kreuzungstyp-Loci unterscheiden. Die Zahl unterscheidbarer und damit sexuell kompatibler Kreuzungstypen hängt von der Zahl der in der Natur vorkommenden Allele ab und kann bisweilen in die Tausende gehen.
Auch das Myzel der Basidiomyceten ist septiert. Im typischen Fall wächst es als Schnallenmyzel (Abb. 4.10). Die Verbindungen zwischen benachbarten Zellen sind allerdings recht schmal. Anders als bei Ascomyceten können Zellkerne und vermutlich auch kleinere Organellen nicht passieren. Außerdem haben die Poren eine sehr charakteristische Form, die aufgrund ihres im Querschnitt tönnchenförmigen Aussehens als Doliporen bezeichnet werden (von lateinisch dolium, die Tonne).
Abb. 4.10 Das Schnallenmyzel ist typisch für Basidiomyceten
4.3Pilzähnliche Organismen
Etliche organismische Gruppen sehen mindestens in manchen ihrer Entwicklungsstadien wie Pilze aus, sodass man sie taxonomisch traditionsgemäß hier einsortiert hat. Phylogenetisch haben sie mit Pilzen wenig gemeinsam. Man erkennt das an der Beschaf-
fenheit etlicher Stoffwechselwege und natürlich an den DNA-Sequenzen.
4.3.1Oophyten
Oophyten, die der Tradition folgend oft auch noch Oomyceten genannt werden, sind aus der evolutionären Linie der Algen abgeleitet, haben allerdings die Plastiden wieder verloren, die ihre Vorfahren durchaus hatten. Sie bilden zusammen mit Braunalgen, Kieselalgen und Goldalgen eine Abteilung in der Gruppe der Stramenopila. Typisch für ihre Zellwand ist folglich auch das Glucose-Polymer Cellulose; dazu kommen viele andere Glucane sowie Proteine, die das für pflanzliche Wandproteine typische Hydroxyprolin enthalten. Außerdem wachsen sie – anders als typische Pilze – als Diplonten. Zu den Oophyten gehört der für die Aufklärung der chemischen Kommunikation zwischen sexuell determinierten Strukturen bedeutende Modellorganismus Achlya ambisexualis (Abb. 4.11), aber auch die in der Fischzucht sehr relevante Gattung Saprolegnia und der weltbekannte Erreger der Kraut- und Knollenfäule bei der Kartoffel, Phytophthora infestans. Die Sexualreaktion ist morphologisch im typischen Fall (Achlya ambisexualis) eine Oogametangiogamie. Oomyceten sprechen eine Steroid-Sprache. Die Sexualpheromone zur Anlockung der Gameten sind Steroide. Krankheitserreger sind selten. Nur gelegentlich gibt es Infektionen an den Beinen von Weidetieren und ebenso selten Augeninfektionen beim Menschen.
Abb. 4.11 Sexuelle Differenzierung bei Achlya ambisexualis (Recherchieren Sie die Namen der Strukturen und beschriften Sie anschließend die Zeichnung!)
4.3.2Mycetozoa
Ebenfalls traditionsgemäß sortiert man die beiden Gruppen der Schleimpilze, besser Mycetozoa, bei den Pilzen ein. Das Argument zur Anbindung an die Pilzwelt war hier allerdings nicht das myzeliale Wachstum wie bei den Oophyten, sondern die Form der Gametangien, in denen die mitotischen Sporen gebildet werden. Die trophische Phase dieser Organismen besteht entweder aus abgegrenzten, amöboid beweglichen Einzelzellen (bei den Dictyostelia, auch Acrasio-myceten) oder aus vielkernigen, ebenfalls kriechenden Plasmodien (bei den Myxogas-tria, auch Myxomyceten). Phylogenetisch kann man sie recht zwanglos an bestimmte Protozoen angliedern.
Myxomyceten sind ubiquitär verbreitet. Sie wachsen als Amöben auf pflanzlichem Material und leben davon, Bakterien und andere kleine Zellen aufzunehmen. Da sie leicht austrocknen, haben sie im Lauf der Evolution Blaulichtrezeptoren entwickelt, die es ihnen erlauben, negativ phototaktisch auf die Sonneneinstrahlung zu reagieren und sich auf die Unterseite abgefallener Blätter oder hinter die Borke zurückzuziehen. Wenn sie allerdings Gametangien und somit Verbreitungsformen bilden, aggregieren die Einzelzellen zu großen, syncytialen Verbänden, die positiv phototaktisch die sporenbildenden Strukturen in den Luftraum hinein ausrichten. Der bedeutende und in vielen biochemischen Details studierte Modellorganismus dieser Gruppe ist Physarum polycephalum (Abb. 4.12).
Abb. 4.12 Fruchtkörperentwicklung bei Physarum polycephalum
Die Dictyosteliden wirken auf den ersten Blick vielleicht ähnlich, sind jedoch völlig anders organisiert. Die Einzelzellen bleiben zeit ihres Leben als Individuen erkennbar. Sie fusionieren nicht miteinander und teilen die Mutterzelle nach der Kernteilung, sodass keine vielkernigen Plasmodien entstehen. Der auf biochemischem und genetischem Gebiet am besten und in großer Analysetiefe studierte Modellorganismus dieser Gruppe ist Dictyostelium discoideum. An diesem Organismus hat man die zugrunde liegenden Prinzipien chemischer Kommunikation auf verschiedenen Ebenen sehr eingehend studiert. So weiß man, dass Dictyostelium Nahrung an der Ausscheidung der generell in allen Lebewesen vorkommenden Substanz Folsäure erkennt. Für die Anlockung der Einzelzellen bei der Sporangienbildung ist sekretiertes cAMP zuständig. Später, nach der Ausbildung großer Zellverbände, entscheidet eine chlorierte organisch-chemische Substanz (DIF, differenzierungsinduzierender Faktor) darüber, welche Zellen zu Sporen werden und welche den Stiel des Sporangiums bilden, das hier meist Sorokarp (Abb. 4.13) genannt wird.
Abb. 4.13 Entwicklung des Mitosporangiums von Dictyostelium discoideum
Übungen zu Kapitel 4
Ü 4.1
Geben Sie an, welche der folgenden Aussagen zur Biologie der Pilze richtig oder falsch sind!
| Aussage | richtig | falsch |
| Der Spitzenkörper ist eine Anhäufung von Vesikeln, die die Synthesebausteine der Cellulose für die Zellwandsynthese zur Verfügung stellen. | ||
| Die Vesikel des Spitzenkörpers exportieren sowohl das Zellwandmaterial als auch Enzyme für die Synthese der Wand. | ||
| Nicht alle Pilze haben einen Spitzenkörper. | ||
| Myzeliale Pilze wachsen überwiegend durch interkalaren Einbau von Zellwandmaterial längs der Hyphe. | ||
| Pilzzellwände haben eine fibrilläre Struktur. | ||
| Pilzzellwände bestehen ganz überwiegend aus Chitin. | ||
| Pilzzellwände enthalten verschiedenartige Glucane. | ||
| Der Grundbaustein des Chitins ist N-Acetylglucosamin. | ||
| Die empfindliche Hyphenspitze wird von einer besonders festen Wand geschützt. | ||
| Pilze, die keine Zellwand bilden können, heißen Mycoplasmen. | ||
| Die Zellwand myzelialer Pilze ist in der Wachstumszone am dünnsten. | ||
| Der Begriff Endomitose meint unter anderem auch die Ausbildung eines Spindelapparats innerhalb eines Zellkerns. | ||
| Endomitosen erleichtern die Zuordnung von Chromosomen zu den Tochterkernen in syncytialen Hyphen. | ||
| Endomitosen sind typisch für Pilze, kommen jedoch nicht in allen Spezies vor. | ||
| Pilze sind ökologisch wichtige Destruenten von Lignin, Cellulose und Xylan. | ||
| Pilze kann man zum Abbau umweltschädlicher Xenobiotika verwenden. |
Ü 4.2
Recherchieren Sie den Ablauf der Endomitose und stellen Sie den Verlauf in zeitlicher Folge in schematischen Zeichnungen dar!
Ü 4.3
Geben Sie an, welche der folgenden Aussagen zu Chytridiomyceten richtig oder falsch sind!
| Aussage | richtig | falsch |
| Chytridiomyceten sind fast immer syncytiale Pilze. | ||
| Chytridiomyceten sind häufig die Ursache von Mykosen bei Menschen. | ||
| Chytridiomyceten werden zum Recycling von Kunststofffolien verwendet. | ||
| Chytridiomyceten leben im typischen Fall in nasser Umgebung. | ||
| Chytridiomyceten bilden Geißeln, die dem (9+2)-Muster entsprechen. | ||
| Typischer Zellwandbestandteil bei Chytridiomyceten ist das Chitosan. | ||
| Chytridiomyceten bilden Gameten. | ||
| Die Sexuallockstoffe der Chytridiomyceten sind nach Figuren der griechischen Mythologie benannt. | ||
| Die Begeißelung der Chytridiomyceten ist ein Argument für ihr hohes phylogenetisches Alter. | ||
| Etliche Chytridiomyceten sind pflanzenpathogen. | ||
| Pilze der Gattung Neocallimastix enthalten keine Mitochondrien, sondern Hydrogenosomen. | ||
| Neocallimastix verfügt über Hydrogenosomen und setzt folglich molekularen Wasserstoff frei. | ||
| Die Sexualpheromone der Chytridiomyceten sind chemisch betrachtet Sesquiterpene. | ||
| Die Sexualhormone der Chytridiomyceten sind, wie auch bei Säugetieren, Steroide. |
Ü 4.4
Man hat die Beobachtung gemacht, dass die Infektion von Fröschen mit Batrachochytrium dendrobatidis in Gewässern mit hoher Populationsdichte von Ciliaten deutlich geringer ist. Woran kann dies liegen?
Ü 4.5
Geben Sie an, welche der folgenden Aussagen zu Zygomyceten richtig oder falsch sind!
| Aussage | richtig | falsch |
| Zygomyceten sind fast immer syncytiale Pilze. | ||
| Zygomyceten sind für häufige Anastomosen bekannt. | ||
| Zyomyceten werden zur Papierherstellung verwendet. | ||
| Viele Zygomyceten sekretieren Proteasen, die zur Käseherstellung verwendet werden. | ||
| Zygomyceten bilden begeißelte Gameten. | ||
| Mucor-verwandte Zygomyceten erkennen ihre Kreuzungspartner an Abbauprodukten des Carotins. | ||
| Zygomyceten bilden Gameten. | ||
| Die Pheromone der Zygomyceten werden von bakteriellen Endobionten synthetisiert. | ||
| Zygophoren sind frühe sexuelle Strukturen, die aufgrund chemischer Signale aufeinander zuwachsen. | ||
| Zygomyceten bilden sowohl mitotische als auch meiotische Sporen. | ||
| Die Zygomyceten sind nach der typischen Struktur ihrer sexuellen Entwicklung benannt. | ||
| Typischer Zellwandbestandteil bei Zygomyceten ist das Chitosan. | ||
| Chitosan ist demethyliertes Chitin. | ||
| Der Syntheseweg zum Chitosan unterscheidet sich grundlegend von jenem zum Chitin. |
Ü 4.6
Wie heißt das Pheromon, das bei Zygomyceten die sexuelle Differenzierung steuert? Aus welcher Vorstufe wird es synthetisiert? Recherchieren Sie die Synthesewege zu den aktiven Verbindungen!
Ü 4.7
Geben Sie bitte kurze prägnante Definitionen der folgenden Begriffe aus der Biologie der Zygomyceten!
| Begriff | Definition |
| Gametangiogamie | |
| Zygophor | |
| Columella | |
| Syncytium | |
| Phototropismus | |
| Gravitropismus |
Ü 4.8
Geben Sie drei verschiedene biotechnisch wichtige Gattungen der Zygomyceten an und erläutern Sie, wozu sie in der Technik benutzt werden! Achten Sie darauf, wirklich in hohem Maße benutzte Prozesse ausfindig zu machen und nicht irgendwelche Entwicklungen, die eher zukünftige Optionen darstellen!
| Gattung | Anwendung |
Ü 4.9
Was stellt die folgende Skizze dar? Beschriften Sie bitte die angegebenen Details und beantworten Sie die Fragen (ein bis zwei Stichwörter)!
Abb. Ü4.9
Dargestellt ist?
____________________________________
Eine Beispielgattung?
____________________________________
Ökologische Funktion?
____________________________________
Ü 4.10
Geben Sie an, welche der folgenden Aussagen zu Ascomyceten richtig oder falsch sind!
| Aussage | richtig | falsch |
| Ascomyceten sind nach ihren sexuellen Sporangien benannt. | ||
| Ascosporen entstehen als Ergebnis eines meiotischen Prozesses. | ||
| Ascosporen sind diploid. | ||
| Ascomyceten sind nach ihren Konidien benannt. | ||
| Konidien sind meiotisch entstandene Sporen. | ||
| Parasexuelle Rekombinanten bei Ascomyceten sind in der Regel die Konsequenz von Anastomosen. | ||
| Parasexuelle Prozesse führen bei Aspergillus nidulans zu heterokaryontischen Situationen. | ||
| Parasexuelle Prozesse führen bei Aspergillus nidulans zu diploiden Konidien. | ||
| Parasexuelle Prozesse führen bei Aspergillus nidulans zur Aneuploidie. | ||
| Das Myzel der Ascomyceten bildet wegen der Poren in den Septen ein cytoplasmatisches Kontinuum. | ||
| Zerbrochene Hyphen können sich mithilfe der Woronin-Körper vor dem Auslaufen schützen. | ||
| Ascosporen sind Endosporen. | ||
| Wegen der Poren in den Septen des Myzels der Ascomyceten können Kerne mit der Plasmaströmung weite Strecken in den Hyphen zurücklegen. | ||
| Konidien werden immer blastisch von Mutterzellen abgeschnürt. | ||
| Chlamydosporen sind Mitosporen, die interkalar oder endständig am Myzel gebildet werden. |
Ü 4.11
Was stellt die folgende Skizze dar? Beschriften Sie bitte die angegebenen Details und beantworten Sie die Fragen (ein bis zwei Stichwörter)!
Abb. Ü4.11
Dargestellt ist?
________________________________________________________________________
Eine passende Beispielgattung?
______________________________________
Ü 4.12
Nennen Sie die vier häufigen, typischen Fruchtkörperformen von Ascomyceten, geben Sie zu jeder eine typische Gattung an (wirklich nur die Gattung; schließlich will man bei solchen Ansagen wissen, ob Sie die diversen Ebenen der Taxa zuverlässig auseinanderhalten können) und fertigen Sie eine beschriftete Skizze an!
Ü 4.13
Recherchieren Sie Struktur, Biosynthese und Anwendungsbereich des Antibiotikums Penicillin. Wie wirkt die Substanz? Warum wirkt sie nicht bei allen Bakterien gleichermaßen gut?
Ü 4.14
Sowohl bei der Bierherstellung als auch bei der Verwendung als Backtriebmittel macht man sich die anaeroben Stoffwechselleistungen der Bäckerhefe zunutze. Welche biochemischen Prozesse laufen in der Zelle ab? Skizzieren Sie den chemischen Ablauf, benennen Sie die Reaktionspartner und die Namen der zugehörigen Enzyme!
Pulsuz fraqment bitdi.
