Angewandte Mikrobiologie (Wahl Mikrobiologie) - Cheatsheet.pdf

Glykolyse und Krebs-Zyklus

Definition:

Stoffwechselwege zur Energiegewinnung: Glykolyse abbaut Glukose zu Pyruvat, Krebs-Zyklus (Citratzyklus) oxidiert Pyruvat zu CO2 und H20.

Details:

• Glykolyse Nettogleichung: \[ C_6H_{12}O_6 + 2 NAD^+ + 2 ADP + 2 P_i \rightarrow 2 C_3H_4O_3 + 2 NADH + 2 H^+ + 2 ATP + H_2O \]
• Krebs-Zyklus Nettogleichung: \[ Acetyl-CoA + 3 NAD^+ + FAD + GDP + P_i + 2 H_2O \rightarrow 2 CO_2 + 3 NADH + FADH_2 + GTP + 2 H^+ + CoA-SH \]
• Glykolyse: im Cytosol
• Krebs-Zyklus: in den Mitochondrien
• Hauptenergiequellen: ATP aus Glykolyse und Krebs-Zyklus
• NADH und FADH_2 liefern Elektronen für die Atmungskette

Gärung und anaerobe Atmung

Definition:

Gärung und anaerobe Atmung sind Stoffwechselprozesse, bei denen ATP ohne Sauerstoff produziert wird.

Details:

• Gärung: unvollständiger Abbau von Kohlenhydraten ohne Sauerstoff, produziert weniger ATP.
• Wichtige Gärungswege: Milchsäuregärung, alkoholische Gärung.
• Allgemeine Reaktionsgleichung (z.B. alkoholische Gärung): \[ \text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 \rightarrow 2 \text{C}_2\text{H}_5\text{OH} + 2 \text{CO}_2 \]
• Anaerobe Atmung: Nutzung von anorganischen Molekülen (nicht O2) als terminale Elektronenakzeptoren.
• Beispiele für Elektronenakzeptoren: Nitrat, Sulfat, Kohlendioxid.
• Allgemeine Reaktionsgleichung (z.B. Nitrate Reduction): \[ \text{NO}_3^- + 2 \text{H}^+ + 2 \text{e}^- \rightarrow \text{NO}_2^- +\text {H}_2 \text{O} \]
• Energiegewinnung bei anaerober Atmung höher als bei Gärung.

Kreisläufe von Kohlenstoff, Stickstoff und Schwefel

Definition:

Kohlenstoff-, Stickstoff- und Schwefelkreislauf: biogeochemische Prozesse, die die Umwandlung und den Transport dieser Elemente in der Umwelt steuern.

Details:

• Kohlenstoffkreislauf: CO2-Fixierung durch Photosynthese (CO2 -> organische Verbindungen), Rückführung durch Atmung und Zersetzung (organische Verbindungen -> CO2); Methanogenese (CO2 + 4 H2 -> CH4 + 2 H2O), Methanoxidation (CH4 + 2 O2 -> CO2 + 2 H2O); Zersetzung organischer Stoffe.
• Stickstoffkreislauf: Stickstofffixierung (N2 -> NH3), Nitrifikation (NH3 -> NO2- -> NO3-), Denitrifikation (NO3- -> N2), Ammonifikation (organischer Stickstoff -> NH3); Anammox (NH4+ + NO2- -> N2 + 2 H2O).
• Schwefelkreislauf: Sulfatreduktion (SO4^2- -> H2S), Schwefeloxidation (H2S -> SO4^2-); Einbindung in organische Verbindungen und Rückführung in anorganische Formen.

Produktion von Antibiotika

Definition:

Synthese und Isolierung bioaktiver Substanzen durch Mikroorganismen zur Bekämpfung von bakteriellen Infektionen.

Details:

• Primärmetaboliten: Substanzen, die für das Wachstum notwendig sind (z.B. Aminosäuren).
• Sekundärmetaboliten: Antibiotika, die in der stationären Phase produziert werden.
• Fermentationsprozesse: Batch, Fed-batch und kontinuierliche Kulturen.
• Maximierung der Produktion durch Optimierung von Kulturmedien, pH-Wert, Temperatur und Sauerstoffzufuhr.
• Stammverbesserung: Mutagenese und rekombinante DNA-Techniken.
• Isolierung und Aufreinigung: Filtration, Zentrifugation, Extraktion und Chromatographie.

Genetische Modifikation von Mikroorganismen

Definition:

Änderung des genetischen Materials von Mikroorganismen zur Erzielung gewünschter Merkmale.

Details:

• Methoden: Transformation, Transduktion, Konjugation
• Werkzeuge: Plasmide, Viren, CRISPR/Cas
• Anwendungen: Produktion von Medikamenten, Abbau von Schadstoffen, biotechnologische Prozesse
• Risiken: unerwünschte Mutationen, Ausbreitung in die Umwelt
• Regulierung: Sicherheitsstandards, ethische Leitlinien

CRISPR-Cas-Systeme zur Genomeditierung

Definition:

CRISPR-Cas-Systeme: Bakterielles Immunsystem, das gezielte Genomeditierung ermöglicht.

Details:

• Cas9: Endonuklease, schneidet doppelsträngige DNA.
• gRNA: Führt Cas9 zur spezifischen DNA-Sequenz.
• Korrektur: Einfügung, Löschung oder Änderung von DNA-Sequenzen möglich.
• Homologie-gerichtete Reparatur (HDR) vs. Nicht-homologe End-Verknüpfung (NHEJ).
• Anwendungen: Medizin (Gentherapie), Landwirtschaft (Pflanzenzucht), Forschung (Gen-Funktion).
• Vorteile: Präzise, kostengünstig, vielseitig.
• Ethik: Potenzielle Risiken und gesellschaftliche Implikationen.

Metagenomik und Metabolomik

Definition:

Metagenomik: Untersuchung der Gesamtheit der mikrobiellen Genome in einer Umweltprobe.Metabolomik: Analyse aller Metaboliten (Stoffwechselprodukte) in einem biologischen System.

Details:

• Metagenomik nutzt Hochdurchsatz-Sequenzierung.
• Ermöglicht Charakterisierung von Mikroben-Gemeinschaften ohne Kultivierung.
• Metabolomik verwendet Techniken wie Massenspektrometrie (MS) und Kernspinspektroskopie (NMR).
• Erlaubt Einblicke in den Stoffwechsel und Funktionsweise biologischer Systeme.
• Beide Methoden ergänzen sich und liefern umfassendes Bild mikrobieller Aktivität und funktioneller Dynamik in Ökosystemen.

Mikrobiomforschung

Definition:

Untersuchung der Gesamtmenge mikrobieller Gemeinschaften und ihrer Interaktionen in bestimmten Umgebungen.

Details:

• Mikroorganismen: Bakterien, Viren, Pilze, Archaeen
• Techniken: Metagenomik, Metatranskriptomik, Metaproteomik, Metabolomik
• Hauptziele: Verständnis der mikrobiellen Diversität, ihrer funktionellen Rollen und Auswirkungen auf die Gesundheit/wirtliche Systeme
• Anwendungsbereiche: Medizin (z.B. Mikrobiom des Darms), Landwirtschaft, Umweltwissenschaften