Grundlagen Mikrobiologie - Exam.pdf

Aufgabe 1)

Mikroskopie und Färbetechniken:Mikroskopie ist die Untersuchung mikroskopisch kleiner Organismen oder Strukturen. Verschiedene Färbetechniken werden verwendet, um den Kontrast zu erhöhen oder spezifische Strukturen sichtbar zu machen.

• Lichtmikroskopie: sichtbares Licht, Vergrößerung bis ca. 1000x
• Elektronenmikroskopie: Elektronenstrahlen, höhere Auflösung
• Gram-Färbung: Unterscheidung zwischen gram-positiven und gram-negativen Bakterien
• Säurefest-Färbung: Nachweis säurefester Bakterien wie Mycobacterium
• Fluoreszenzmikroskopie: Nutzung von Fluoreszenzfarbstoffen zur Markierung spezifischer Strukturen
• Phasenkontrastmikroskopie: Beobachtung lebender, ungefärbter Proben

a)

Erläutere den Unterschied zwischen der Elektronenmikroskopie und der Lichtmikroskopie hinsichtlich ihrer Prinzipien und Anwendungen. Gehe insbesondere darauf ein, warum Elektronenmikroskope eine höhere Auflösung erreichen als Lichtmikroskope. Nutze dabei physikalische Gesetze oder Formeln, um Deine Erklärung zu untermauern.

Lösung:

Unterschied zwischen Elektronenmikroskopie und Lichtmikroskopie:

• Prinzipien:
  • Lichtmikroskopie: Bei der Lichtmikroskopie wird sichtbares Licht als Strahlungsquelle verwendet, um das Bild eines Objekts zu erzeugen. Ein Lichtmikroskop besteht aus einer Lichtquelle, die das Untersuchungsobjekt durchleuchtet, und mehreren Linsen, die das vergrößerte Bild darstellen. Die maximale Vergrößerung eines Lichtmikroskops liegt bei etwa 1000x.
  • Elektronenmikroskopie: Bei der Elektronenmikroskopie werden Elektronenstrahlen anstelle von Licht verwendet. Elektronen besitzen eine viel kleinere Wellenlänge als sichtbares Licht, was zu einer höheren Auflösung führt. Es gibt zwei Haupttypen von Elektronenmikroskopen: das Transmissionselektronenmikroskop (TEM) und das Rasterelektronenmikroskop (REM).
• Anwendungen:
  • Lichtmikroskopie: Lichtmikroskope werden häufig verwendet, um lebende Zellen, Gewebeproben und kleine Organismen zu betrachten. Sie sind nützlich für die Grundlagenforschung in der Biologie und Medizin und für klinische Diagnosen.
  • Elektronenmikroskopie: Elektronenmikroskope werden verwendet, um die ultrastrukturellen Details von Zellen, Viren, Makromolekülen und anderen kleinen Strukturen zu untersuchen. Sie sind besonders nützlich in der Materialwissenschaft und Nanotechnologie.
• Physikalische Gesetze und Formeln:Die Auflösung eines Mikroskops wird durch das Auflösungsvermögen bestimmt, das von der Wellenlänge (\(\lambda\)\) der verwendeten Strahlung abhängt. Die Auflösung (d) kann durch das Abbe-Limit beschrieben werden:\[d = \frac{\lambda}{2NA}\]Hierbei ist NA die numerische Apertur des Mikroskops. Da die Wellenlänge von Elektronenstrahlen viel kleiner ist als die von sichtbarem Licht, kann ein Elektronenmikroskop eine viel höhere Auflösung erreichen. Zum Beispiel hat sichtbares Licht eine Wellenlänge von etwa 400-700 nm, während Elektronenstrahlen Wellenlängen im Bereich von Pikometern (10^{-12} m) haben. Dies ermöglicht es Elektronenmikroskopen, strukturelle Details im Nanometerbereich (10^{-9} m) abzubilden, während Lichtmikroskope nur Details bis etwa 200 nm auflösen können.

b)

Stelle die Gram-Färbung und die Säurefest-Färbung gegenüber. Beschreibe den Ablauf jeder Methode und erkläre, warum diese Färbemethoden spezifisch für die jeweiligen Bakterienarten geeignet sind. Welche strukturellen Unterschiede in den Zellwänden der Bakterien sind dafür verantwortlich?

Lösung:

Vergleich zwischen Gram-Färbung und Säurefest-Färbung:

• Gram-Färbung:
  • Ablauf:
    1. Zellen werden auf einem Objektträger fixiert und mit Kristallviolett, einem violetten Farbstoff, gefärbt.
    2. Eine Lösung aus Jod und Kaliumiodid wird hinzugefügt, die mit dem Kristallviolett einen Komplex bildet.
    3. Zellen werden mit Alkohol oder Aceton entfärbt. Gram-negative Bakterien verlieren die violette Farbe, während gram-positive Bakterien sie behalten.
    4. Als Gegenfärbung wird Safranin oder Fuchsin angewendet, wodurch gram-negative Bakterien rot oder rosa erscheinen.
  • Spezifität: Die Gram-Färbung unterscheidet Bakterien basierend auf den strukturellen Unterschieden ihrer Zellwände. Gram-positive Bakterien haben eine dicke Peptidoglykan-Schicht, während gram-negative Bakterien eine dünne Peptidoglykan-Schicht und eine äußere Membran haben. Dies führt dazu, dass der Kristallviolett-Jod-Komplex in gram-positiven Bakterien eingeschlossen bleibt, während er bei gram-negativen Bakterien durch das Entfärben entfernt wird.
• Säurefest-Färbung:
  • Ablauf:
    1. Zellen werden auf einem Objektträger fixiert und mit Carbolfuchsin, einem roten Farbstoff, gefärbt. Eine Erwärmung kann notwendig sein, um die Färbung zu erleichtern.
    2. Zellen werden mit einer sauren Alkohol-Lösung entfärbt. Nur säurefeste Bakterien behalten die rote Farbe.
    3. Als Gegenfärbung wird Methylenblau angewendet, wodurch nicht säurefeste Bakterien blau erscheinen.
  • Spezifität: Säurefeste Färbemethoden sind spezifisch für Bakterien mit einer hohen Lipid- und Mykolsäure-Konzentration in ihren Zellwänden, wie Mycobacterium. Diese Wachsschicht schützt vor dem Entfärben durch saure Alkohol-Lösungen, wodurch diese Bakterien ihre rote Farbe behalten.
• Strukturelle Unterschiede in den Zellwänden:
  • Gram-positive Bakterien: Dicke Peptidoglykan-Schicht (20-80 nm), die das Kristallviolett-Jod-Komplex zurückhält.
  • Gram-negative Bakterien: Dünne Peptidoglykan-Schicht (2-7 nm) und eine äußere Membran, die das Entfärben des Kristallviolett-Jod-Komplexes ermöglicht.
  • Säurefeste Bakterien: Zellwände enthalten hohe Konzentrationen an Lipiden und Mykolsäuren, wodurch die Zellwand hydrophob und resistent gegen Entfärben mit sauren Lösungen wird.

c)

In einem experimentellen Setup wirst Du gebeten, eine lebende, ungefärbte bakterielle Probe zu untersuchen. Welche Mikroskopie-Technik würdest Du wählen und warum? Berücksichtige dabei die Notwendigkeit, die Struktur und Bewegung der Bakterien in Echtzeit zu beobachten. Welche spezifischen Vorteile bietet diese Technik gegenüber anderen Techniken?

Lösung:

Wahl der Mikroskopie-Technik:

Für die Untersuchung einer lebenden, ungefärbten bakteriellen Probe würde ich die Phasenkontrastmikroskopie wählen. Diese Technik ermöglicht die Beobachtung lebender Proben, ohne dass eine Färbung erforderlich ist, die die Bakterien abtöten oder ihre natürlichen Eigenschaften verändern könnte.

• Gründe für die Wahl der Phasenkontrastmikroskopie:
  • Hervorheben von Strukturdetails: Die Phasenkontrastmikroskopie nutzt Unterschiede im Brechungsindex von Zellkomponenten, um den Kontrast zwischen verschiedenen Strukturen zu erhöhen. Dies ermöglicht es, feine Details innerhalb der Zellen zu erkennen, die bei herkömmlicher Lichtmikroskopie nicht sichtbar wären.
  • Beobachtung lebender Proben: Da keine Färbung notwendig ist, können die Bakterien in einem natürlichen, lebenden Zustand beobachtet werden. Dies ist besonders wichtig, wenn die Struktur und Bewegung der Bakterien in Echtzeit untersucht werden soll.
  • Echtzeit-Beobachtung: Die Phasenkontrastmikroskopie ermöglicht die Beobachtung der Bakterien in Echtzeit, was es ermöglicht, dynamische Prozesse wie Zellteilung, Bewegung und Wechselwirkungen zu verfolgen.
• Vorteile gegenüber anderen Techniken:
  • Lichtmikroskopie: Bei der herkömmlichen Lichtmikroskopie sind ungefärbte Proben oft schwer zu erkennen, da es an Kontrast zwischen unterschiedlichen Strukturen fehlt. Die Phasenkontrastmikroskopie überwindet dieses Problem durch Erhöhung des Kontrasts.
  • Elektronenmikroskopie: Elektronenmikroskope bieten zwar eine höhere Auflösung, erfordern jedoch oft eine aufwändige Probenvorbereitung, die die Proben fixiert und abtötet. Daher ist die Elektronenmikroskopie nicht geeignet für die Beobachtung lebender Proben.
  • Fluoreszenzmikroskopie: Obwohl Fluoreszenzmikroskopie spezifische Strukturen markieren und sichtbar machen kann, erfordert sie das Hinzufügen von Fluoreszenzfarbstoffen oder markierten Antikörpern, was oft zu einer Färbung der Probe führt. Dies kann ebenfalls die Lebensfähigkeit der Bakterien beeinträchtigen.

Aufgabe 2)

Im Rahmen eines mikrobiologischen Experiments sollst Du ein Umweltprobe analysieren, wobei Du verschiedene Mikroorganismen isolieren und identifizieren sollst. Es stehen Dir folgende Methoden und Werkzeuge zur Verfügung: Sterile Techniken, verschiedene Kultivierungsmedien (selektiv und differentiell), die Streak Plate Methode, Gram-Färbung, biochemische Tests (bspw. Enzymaktivität und Stoffwechselprodukte) und molekularbiologische Tests (bspw. PCR und Sequenzierung von 16S rRNA-Genen).

a)

Beschreibe den Prozess der Isolierung und Vermehrung der Mikroorganismen aus Deiner Umweltprobe. Erkläre, warum sterile Techniken wichtig sind und wie die Streak Plate Methode zur Herstellung von Reinkulturen eingesetzt wird.

Lösung:

Prozess der Isolierung und Vermehrung von Mikroorganismen aus einer Umweltprobe:

• Schritt 1: Sammlung der Umweltprobe Zuerst wird eine Umweltprobe entnommen, beispielsweise aus Erde, Wasser oder Luft. Dabei wird darauf geachtet, dass die Probe möglichst repräsentativ ist und keine Kontaminationen aufweist.
• Schritt 2: Vorbereitung des Labors Im Labor angekommen, müssen alle Arbeitsmaterialien und Oberflächen desinfiziert werden. Sterile Techniken sind unverzichtbar, um Verunreinigungen durch fremde Mikroorganismen zu vermeiden und die Qualität der Analyse zu gewährleisten.
• Schritt 3: Herstellung von Verdünnungen Die Umweltprobe wird in einer sterilen Lösung suspendiert und in verschiedenen Verdünnungen aufgeteilt. Dies erhöht die Wahrscheinlichkeit, einzelne Mikroorganismen zu isolieren.
• Schritt 4: Verwendung der Streak Plate Methode Die Streak Plate Methode ist eine Technik, bei der eine kleine Menge der verdünnten Probe auf die Oberfläche eines Nähragarplättchens ausgebreitet wird. Zuerst wird eine sterile Impföse in die Probe getaucht und dann in einem Zickzack-Muster über den Agar gestrichen. Durch wiederholtes Ausstreichen wird die Anzahl der Mikroorganismen reduziert, sodass schließlich einzelne Kolonien sichtbar werden.
• Schritt 5: Inkubation Die Agarplatten werden unter geeigneten Bedingungen für 24-48 Stunden inkubiert. Während dieser Zeit wachsen die Mikroorganismen und bilden sichtbare Kolonien.
• Schritt 6: Auswahl und Reinkultivierung Nachdem die Kolonien gewachsen sind, werden einzelne Kolonien ausgewählt und auf frische Agarplatten zur weiteren Reinkultivierung übertragen. Dies stellt sicher, dass eine Reinkultur eines einzelnen Mikroorganismus isoliert wird.

Bedeutung der sterilen Techniken:

• Sterile Techniken verhindern das Einbringen von Kontaminationen, die die Ergebnisse verfälschen könnten.
• Sie gewährleisten, dass die isolierten Mikroorganismen tatsächlich aus der Umweltprobe stammen und nicht aus dem Laborumfeld.
• Kontaminationen können pathogene Mikroorganismen enthalten, die ein Gesundheitsrisiko darstellen können.

Die Streak Plate Methode zur Herstellung von Reinkulturen:

• Die Streak Plate Methode ist eine einfache und effektive Technik zur Isolierung einzelner Mikroorganismen aus einer Probe.
• Durch das wiederholte Ausstreichen der Probe auf einem Nährboden wird die Konzentration der Mikroorganismen reduziert, sodass einzelne Kolonien entstehen.
• Diese Kolonien bestehen von einem einzigen Mikroorganismus und können zur Reinkultur herangezogen werden.
• Die Methode ermöglicht eine einfache visuelle Identifizierung und Auswahl von Mikroorganismen basierend auf Koloniemorphologie.

b)

Wähle passende Kultivierungsmedien zur Isolierung von Gram-negativen Bakterien und erkläre Deine Wahl. Beschreibe außerdem, wie differentiell wirkende Medien Dir bei der Identifikation der Mikroorganismen behilflich sein können.

Lösung:

Auswahl der passenden Kultivierungsmedien zur Isolierung von Gram-negativen Bakterien:

• MacConkey Agar Dieses Medium ist selektiv für Gram-negative Bakterien und enthält Kristallviolett und Gallensalze, die das Wachstum von Gram-positiven Bakterien hemmen. Zudem erlaubt es die Unterscheidung von Laktose-fermentierenden und nicht fermentierenden Bakterien durch einen pH-Indikator, der bei Säureproduktion (rot) Laktose-Fermentation anzeigt.
• Eosin-Methylen-Blau (EMB) Agar EMB Agar ist ein weiteres selektives Medium für Gram-negative Bakterien. Es enthält die Farbstoffe Eosin und Methylenblau, welche die meisten Gram-positiven Mikroorganismen hemmen. Laktose-fermentierende Bakterien bilden auf diesem Medium Kolonien mit einem metallischen Glanz (z.B. E. coli) oder anderen charakteristischen Färbungen.
• Hektoen Enteric (HE) Agar HE Agar ist ebenfalls selektiv für Gram-negative Bakterien und wird häufig zur Isolierung von Enterobakterien verwendet. Es enthält Gallensalze, Bromthymolblau und Azur II, welche die meisten nicht-enterischen und Gram-positiven Bakterien hemmen. Die unterschiedlichen Färbungen ermöglichen eine differenzierte Identifikation durch Farbreaktionen bei Stoffwechselprozessen.

Bedeutung und Nutzen differentiell wirkender Medien:

• Differenzierung von Stoffwechseleigenschaften Differentiell wirkende Medien enthalten bestimmte Substrate oder Indikatoren, die verschiedene Stoffwechselreaktionen sichtbar machen. Zum Beispiel zeigt MacConkey Agar an, ob Mikroorganismen Laktose fermentieren können (rote Kolonien) oder nicht (farblose Kolonien).
• Ermöglicht Sichtuntersuchungen bei unterschiedlicher Kolonienmorphologie Kolonien von Mikroorganismen, die unterschiedliche Stoffwechseleigenschaften besitzen, erscheinen unterschiedlich gefärbt oder haben unterschiedliche Kolonienmorphologien. Dies hilft, erste Rückschlüsse auf die Identität des Mikroorganismus zu ziehen.
• Gezielte Isolierung und Identifikation von Pathogenen Selektiv-differenzielle Medien, wie der HE Agar, ermöglichen dank ihrer Zusammensetzung die gezielte Isolierung und Identifizierung von pathogenen Keimen (z.B. Salmonellen und Shigellen), die auf diesen Medien charakteristische Kolonien bilden.
• Zusätzlich unterstützende biochemische Tests Kombiniert man differentiell wirkende Medien mit weiteren biochemischen Tests, können sehr präzise Mikroorganismen identifiziert und charakterisiert werden, da die ersten Differenzierungen im Medium sofort ersichtlich sind und gezielt weiter analysiert werden können.

c)

Zur Bestimmung eines spezifischen Mikroorganismus möchtest Du biochemische und molekularbiologische Tests durchführen. Erkläre, welche Tests Du wählst und beschreibe, wie diese genau ablaufen. Berechne zudem, wie viele Zyklen eine PCR durchlaufen muss, um ausgehend von einer einzelnen Ziel-DNA-Sequenz, nach 35 Zyklen eine Menge von etwa 34,4 Milliarden doppelsträngiger DNA zu erzielen. Hinweis: Die Verdopplung der DNA-Menge erfolgt in jedem Zyklus.

Lösung:

Wahl und Durchführung biochemischer und molekularbiologischer Tests zur Bestimmung eines spezifischen Mikroorganismus:

• Biochemische Tests:
  • Katalase-Test: Dieser Test prüft das Vorhandensein des Enzyms Katalase, das Wasserstoffperoxid (H₂O₂) in Wasser und Sauerstoff zerlegt. Ablauf:
    • Schritt 1: Eine kleine Menge der Bakterienkultur wird mit einem sterilen Objektträger aufgenommen.
    • Schritt 2: Ein Tropfen Wasserstoffperoxid wird hinzugefügt.
    • Schritt 3: Das Auftreten von Blasen zeigt einen positiven Test an, was die Anwesenheit von Katalase bestätigt.
  • Oxidase-Test: Dieser Test identifiziert das Vorhandensein des Enzyms Cytochrom c-Oxidase, welches in der Elektronentransportkette involviert ist. Ablauf:
    • Schritt 1: Ein Oxidase-Teststreifen oder Reagenz wird verwendet.
    • Schritt 2: Ein wenig Bakterienkultur wird auf den Teststreifen übertragen.
    • Schritt 3: Eine violette Färbung innerhalb von 10-30 Sekunden zeigt einen positiven Test an.
  • Indol-Test: Dieser Test prüft die Fähigkeit des Mikroorganismus, Tryptophan zu Indol abzubauen. Ablauf:
    • Schritt 1: Die Bakterienkultur wird in ein tryptophanhaltiges Medium überführt und für 24-48 Stunden inkubiert.
    • Schritt 2: Nach der Inkubation wird Kovacs Reagenz hinzugefügt.
    • Schritt 3: Eine rosafarbene bis rote Farbreaktion an der Oberflächenphase zeigt einen positiven Indol-Test an.

• Molekularbiologische Tests:
  • PCR (Polymerase-Kettenreaktion): PCR amplifiziert eine spezifische DNA-Sequenz. Ablauf:
    • Schritt 1: Denaturierung: Erhitzen der doppelsträngigen DNA auf 94-98°C, um die Stränge zu trennen.
    • Schritt 2: Annealing: Abkühlen auf 50-65°C, damit die Primer an die spezifischen Zielsequenzen binden können.
    • Schritt 3: Elongation: Erhitzen auf 72°C, damit die Taq-Polymerase die DNA-Stränge verlängern kann.
    • Schritt 4: Wiederholen dieser Schritte für 25-40 Zyklen zur Amplifikation der Ziel-DNA.
  • 16S rRNA-Gensequenzierung: Diese Technik identifiziert Mikroorganismen basierend auf der Sequenz ihres 16S rRNA-Gens. Ablauf:
    • Schritt 1: PCR-Amplifikation des 16S rRNA-Gens mit spezifischen Primern.
    • Schritt 2: Reinigung des PCR-Produkts zur Entfernung von Verunreinigungen.
    • Schritt 3: Sequenzierung des gereinigten PCR-Produkts.
    • Schritt 4: Vergleich der erhaltenen Sequenz mit Datenbanken wie NCBI oder SILVA zur Identifizierung des Mikroorganismus.

Berechnung der Zyklenanzahl für PCR:

Da die Anzahl der DNA-Moleküle nach jedem Zyklus der PCR exponentiell wächst, kann die Menge der DNA nach n Zyklen mit der Formel \(2^n\) berechnet werden.

Um ca. 34,4 Milliarden (d.h. 34,4 × 10⁹) doppelsträngiger DNA-Moleküle zu erzeugen, setzen wir dies in unsere Formel ein:

\[2^n = 34.4 \times 10^9\]

Um \(n\) zu berechnen, verwenden wir den Logarithmus zur Basis 2:

\[n = \frac{\log_{10}(34.4 \times 10^9)}{\log_{10}(2)}\]

Durch Vereinfachung erhalten wir:

\[n = \frac{\log_{10}(34.4) + \log_{10}(10^9)}{\log_{10}(2)}\]

\[n = \frac{1.5376 + 9}{0.3010}\]

\[n ≈ \frac{10.5376}{0.3010}\]

\[n ≈ 35\]

Es sind also etwa 35 PCR-Zyklen erforderlich, um ausgehend von einer einzelnen Ziel-DNA-Sequenz etwa 34,4 Milliarden doppelsträngiger DNA zu erzeugen.

Aufgabe 3)

Energiegewinnung (Atmung und Gärung) bei Bakterien: Bakterien wandeln organische Substrate in Energie um, entweder aerob (Atmung) oder anaerob (Gärung). Dabei wird bei der Atmung O₂ als terminaler Elektronenakzeptor genutzt, was mehr Energie erzeugt als die Gärung, die organische Verbindungen als Elektronenakzeptoren verwendet. Die allgemeine Atmungsformel lautet C_6H_{12}O_6 + 6 O_2 -> 6 CO_2 + 6 H_2O + Energie und die allgemeine Gärungsformel ist C_6H_{12}O_6 -> 2 C_2H_5OH + 2 CO_2 + Energie. Wichtige Enzyme, die an diesen Prozessen beteiligt sind, umfassen Dehydrogenasen und Cytochrome. Die Energiemenge, die durch Atmung erzeugt wird, beträgt ca. 38 ATP pro Glukosemolekül, während die Gärung etwa 2 ATP pro Glukosemolekül produziert.

a)

(a) Vergleiche die Energiemengen, die durch die Atmung und die Gärung aus einem Mol Glukose produziert werden. Erkläre, warum die Atmung mehr Energie als die Gärung produziert und nenne die chemische Gleichungen für beide Prozesse, sowie die Rolle der beteiligten Enzyme.

Lösung:

(a) Vergleich der Energiemengen bei Atmung und Gärung

• Atmung: Bei der aeroben Atmung wird ein Molekül Glukose vollständig zu Kohlendioxid (CO₂) und Wasser (H₂O) oxidiert. Die chemische Gleichung für die Atmung lautet:

  C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O + Energie

  Die dabei freigesetzte Energiemenge beträgt etwa 38 ATP pro Glukosemolekül.
• Gärung: Bei der anaeroben Gärung wird ein Molekül Glukose unvollständig zu Ethanol (C₂H₅OH) und Kohlendioxid (CO₂) umgewandelt. Die chemische Gleichung für die Gärung lautet:

  C6H12O6 → 2 C2H5OH + 2 CO2 + Energie

  Die dabei freigesetzte Energiemenge beträgt nur etwa 2 ATP pro Glukosemolekül.

Warum produziert die Atmung mehr Energie als die Gärung?

• Terminaler Elektronenakzeptor: Bei der Atmung wird molekularer Sauerstoff (O₂) als terminaler Elektronenakzeptor verwendet, was eine vollständige Oxidation der Glukose ermöglicht. Dies führt zur Freisetzung einer größeren Menge an Energie. Im Gegensatz dazu wird bei der Gärung eine organische Verbindung als Elektronenakzeptor verwendet, was die Energiegewinnung begrenzt.
• Effizienz der Energiekonservierung: Die Atmung gibt alle Elektronen an den Sauerstoff ab, wodurch ein maximales Potenzial der Redoxreaktion genutzt wird. Bei der Gärung sind die Redoxreaktionen weniger effizient, da nicht alle Elektronen aus der Glukose vollständig an einen terminalen Akzeptor übertragen werden.

Rolle der beteiligten Enzyme

• Dehydrogenasen: Diese Enzyme sind sowohl in der Atmung als auch in der Gärung beteiligt und sind dafür verantwortlich, Wasserstoffatome von Substraten zu entfernen.
• Cytochrome: Diese Enzyme spielen eine entscheidende Rolle bei der Atmung, indem sie Elektronen durch die atmungskette übertragen, die schließlich zur Reduktion von Sauerstoff zu Wasser führen. Bei der Gärung werden Cytochrome normalerweise nicht eingesetzt, da die Elektronentransferkette nicht genutzt wird.

b)

(b) Berechne die Gesamtmenge an ATP, die bei der Verwertung von 10 Molen Glukose durch Atmung und durch Gärung bereitgestellt wird. Formuliere Deine Berechnung unter Verwendung der allgemeinen Energiebilanzgleichungen für beide Prozesse.

Lösung:

(b) Berechnung der Gesamtmenge an ATP bei der Verwertung von 10 Molen Glukose

Um die Gesamtmenge an ATP zu berechnen, die bei der Verwertung von 10 Molen Glukose durch Atmung und durch Gärung bereitgestellt wird, verwenden wir die angegebenen Energiebilanzgleichungen:

• Atmung: Ein Mol Glukose erzeugt etwa 38 ATP. Die allgemeine Gleichung für die Atmung lautet:

  C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O + Energie (38 ATP)

  Berechnung für 10 Mole Glukose:

  38 ATP/Mol * 10 Mol = 380 ATP

• Gärung: Ein Mol Glukose erzeugt etwa 2 ATP. Die allgemeine Gleichung für die Gärung lautet:

  C6H12O6 → 2 C2H5OH + 2 CO2 + Energie (2 ATP)

  Berechnung für 10 Mole Glukose:

  2 ATP/Mol * 10 Mol = 20 ATP

Zusammenfassung der Berechnung:

• Bei der Verwertung von 10 Molen Glukose durch Atmung werden insgesamt 380 ATP erzeugt.
• Bei der Verwertung von 10 Molen Glukose durch Gärung werden insgesamt 20 ATP erzeugt.

Dies zeigt deutlich den enormen Unterschied in der Effizienz der Energiegewinnung zwischen Atmung und Gärung.

c)

(c) Diskutiere die Rolle der Dehydrogenasen und Cytochrome in den Prozessen der Atmung und Gärung. Warum sind diese Enzyme besonders wichtig für die Energiebereitstellung in Bakterien?

Lösung:

(c) Rolle der Dehydrogenasen und Cytochrome in der Atmung und Gärung

Rolle der Dehydrogenasen

• Dehydrogenasen: Diese Enzyme sind in beiden Prozessen, Atmung und Gärung, entscheidend. Ihre Hauptfunktion besteht darin, Wasserstoffatome (oder Elektronen und Protonen) von Substraten zu entfernen und auf Elektronenakzeptoren zu übertragen.
• In der Atmung: Dehydrogenasen spielen eine wichtige Rolle im Zitronensäurezyklus (Krebszyklus) sowie bei der oxidativen Phosphorylierung. Sie oxidieren Substrate wie NADH und FADH₂, wodurch Elektronen für die Elektronentransportkette bereitgestellt werden. Beispiele für solche Enzyme sind die NADH-Dehydrogenase und die Succinat-Dehydrogenase.
• In der Gärung: Dehydrogenasen sind auch wichtig, um Elektronen von NADH auf interne organische Elektronenakzeptoren zu übertragen, beispielsweise bei der Umwandlung von Pyruvat zu Ethanol oder Laktat. Die Alkoholdehydrogenase und Lactatdehydrogenase sind Beispiele für solche Enzyme.

Rolle der Cytochrome

• Cytochrome: Diese Enzyme sind metallhaltige Proteine, die eine zentrale Rolle im Elektronentransfer während der Zellatmung spielen. Ihre Aufgabe ist es, Elektronen durch die Elektronentransportkette zu übertragen, bis diese schließlich auf den terminalen Elektronenakzeptor, Sauerstoff (O₂), übertragen werden.
• In der Atmung: Cytochrome sind Bestandteile der Atmungskette, die in der inneren mitochondrialen Membran von Eukaryoten und in der Plasmamembran von Bakterien lokalisiert ist. Die Elektronen wandern durch eine Serie von Cytochromen und werden schließlich genutzt, um O₂ zu reduzieren und Wasser (H₂O) zu bilden. Dies erzeugt einen Protonengradienten, der zur Synthese von ATP durch die ATP-Synthase genutzt wird. Cytochrom-c-Oxidase ist ein Beispiel für ein Cytochrom in dieser Kette.
• In der Gärung: Cytochrome sind normalerweise nicht beteiligt, da die Gärung keine vollständige Oxidation von Substraten und keine Elektronentransportkette umfasst. Stattdessen erfolgt die ATP-Synthese hauptsächlich durch Substratkettenphosphorylierung.

Wichtigkeit dieser Enzyme für die Energiebereitstellung in Bakterien

• Effiziente Energienutzung: Dehydrogenasen und Cytochrome ermöglichen es den Bakterien, Energie aus organischen Substraten so effizient wie möglich zu gewinnen. Die Teilnahme an der Elektronentransportkette und die unterstützte oxidativen Phosphorylierung führen zu einer wesentlich höheren ATP-Ausbeute bei der Atmung im Vergleich zur Gärung.
• Anpassungsfähigkeit: Dank dieser Enzyme können Bakterien ihre Stoffwechselwege je nach Verfügbarkeit von Sauerstoff und Substraten anpassen, wodurch sie in verschiedenen Umgebungen überleben und gedeihen können. Beim Fehlen von Sauerstoff können sie durch Gärung Energie gewinnen, obwohl diese Methode weniger effizient ist.

Insgesamt sind Dehydrogenasen und Cytochrome unverzichtbare Komponenten für die Energieumwandlungsprozesse in Bakterien. Ihre spezifischen Rollen und die daraus resultierende Effizienz der ATP-Produktion sind entscheidend für das Überleben und die Anpassungsfähigkeit dieser lebenden Organismen.

d)

(d) Angenommen, ein Bakterium hat die Möglichkeit, sowohl Atmung als auch Gärung zu betreiben. Unter welchen Umständen würde das Bakterium die Gärung der Atmung vorziehen, obwohl die Atmung mehr Energie liefert? Identifiziere mindestens zwei Faktoren und erläutere, wie sie die Entscheidung des Bakteriums beeinflussen.

Lösung:

(d) Bedingungen für die Präferenz der Gärung gegenüber der Atmung

Auch wenn die Atmung effizienter in der Energiegewinnung ist als die Gärung, gibt es bestimmte Umstände, unter denen ein Bakterium die Gärung bevorzugen könnte. Zwei wichtige Faktoren, die Einfluss auf diese Entscheidung nehmen, sind:

1. Sauerstoffverfügbarkeit

Der wichtigste Faktor, der die Präferenz für Gärung beeinflusst, ist die Verfügbarkeit von Sauerstoff:

• Begrenzter oder fehlender Sauerstoff: In Umgebungen, in denen der Sauerstoffgehalt gering oder nicht vorhanden ist, kann die Atmung nicht effektiv stattfinden, weil O₂ als terminaler Elektronenakzeptor fehlt. Unter diesen Umständen muss das Bakterium auf Gärung zurückgreifen, um Energie zu gewinnen, auch wenn dieser Prozess weniger effizient ist. Ein Beispiel hierfür sind anaerobe Umgebungen wie der Boden oder bestimmte Lebensräume im Darm.

2. Geschwindigkeit der ATP-Produktion

Ein weiterer Faktor ist die Geschwindigkeit, mit der ATP durch Gärung im Vergleich zur Atmung produziert werden kann:

• Schnelle Energiebedarfe: In Situationen, in denen ein Bakterium schnell Energie benötigt, kann die Gärung vorteilhaft sein, weil sie schneller ATP bereitstellt als die Atmung. Obwohl die Energiebilanz niedriger ist, kann die Zelle sofort auf Energie zugreifen, um kritische Funktionen zu unterstützen. Dies könnte in Umgebungen von Vorteil sein, in denen kurze, aber intensive Energieanforderungen bestehen.

Zusätzliche Faktoren

Andere Faktoren können ebenfalls die Entscheidung zugunsten der Gärung beeinflussen:

• Substratverfügbarkeit: Wenn sich in der Umgebung des Bakteriums spezifische Substrate befinden, die besser für die Gärung als für die Atmung geeignet sind, könnte das Bakterium diese bevorzugen. Zum Beispiel könnte das Vorhandensein von Zuckern, die einfach über Gärung abgebaut werden können, den Ausschlag geben.
• Physiologische Anpassungen: Einige Bakterien haben sich physiologisch angepasst, um in bestimmten Umgebungen zu überleben, in denen die Gärung bevorzugt wird. Diese Anpassungen können bestimmte Enzyme oder Transportmechanismen umfassen, die bei der Gärung effizienter arbeiten.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Verfügbarkeit von Sauerstoff und die Geschwindigkeit der ATP-Produktion zwei Hauptfaktoren sind, die bestimmen, ob ein Bakterium die weniger effiziente Gärung der Atmung vorzieht. Diese Fähigkeit zur Flexibilität und Anpassung ist entscheidend für das Überleben und die Widerstandsfähigkeit von Bakterien in wechselnden Umgebungen.

Aufgabe 4)

Die Mechanismen der Virusinfektion und -replikation umfassen mehrere Schritte: Anheftung, Penetration, Uncoating, Replikation, Transkription/Translation, Assemblierung und Freisetzung. Der gesamte Prozess ermöglicht es Viren, eine Wirtszelle zu infizieren, sich zu vermehren und neue Virionen zu produzieren, die dann weitere Zellen infizieren können.

a)

Beschreibe im Detail die Schritte der Anheftung und Penetration eines Virus an und in eine Wirtszelle. Warum sind die Wirtszellspezifitäten der Rezeptoren für die Virusinfektion entscheidend?

Lösung:

• Anheftung: Die Anheftung, auch als Adsorption bekannt, ist der erste Schritt der Virusinfektion. Dabei bindet sich das Virus spezifisch an die Oberfläche der Wirtszelle. Dies erfolgt durch die Interaktion zwischen viralen Proteinen oder Glykoproteinen und spezifischen Rezeptoren auf der Wirtszellmembran. Diese Rezeptoren sind meist Proteine oder Glykoproteine, die für die normale Funktion der Zelle wichtig sind. Die Spezifität dieser Interaktion bestimmt, welche Zellen und Organismen ein Virus infizieren kann. Ohne diese spezifische Bindung kann das Virus nicht an die Zelle anheften und somit auch nicht in die Zelle eindringen.
• Penetration: Nach der erfolgreichen Anheftung folgt die Penetration, bei der das Virus in die Wirtszelle eindringt. Dies kann auf verschiedene Weisen geschehen:
  • Endozytose: Das Virus wird von der Zellmembran umschlossen und in die Zelle über Vesikel aufgenommen. Dies ist ein häufiger Mechanismus bei nicht-umhüllten Viren.
  • Membranfusion: Bei umhüllten Viren verschmilzt die Virushülle direkt mit der Zellmembran, was zur Freisetzung des Virusgenoms in das Zytoplasma der Wirtszelle führt.
  • Direkte Penetration: Einige Viren, insbesondere Bakteriophagen, injizieren ihr genetisches Material direkt in das Zytoplasma der Wirtszelle, während die virale Hülle außerhalb der Zelle verbleibt.

Wirtszellspezifitäten der Rezeptoren: Die Spezifität der Rezeptoren auf der Wirtszellmembran ist entscheidend für die Virusinfektion, da sie bestimmt, welche Zellen ein Virus infizieren kann. Diese Spezifität trägt zur Wirtsreichweite des Virus bei (d.h., welche Organismen und Zelltypen das Virus infizieren kann) und beeinflusst die Pathogenese der Infektion. Ein Virus kann nur in Zellen eindringen und sich vermehren, die die passenden Rezeptoren aufweisen. Daher ist die Kenntnis der Wirtszellspezifitäten der Rezeptoren nicht nur für das Verständnis der Infektionsmechanismen, sondern auch für die Entwicklung antiviraler Therapien und Impfstoffe von großer Bedeutung.

b)

Nachdem das Virusgenom freigesetzt (Uncoating) und repliziert wurde, müssen virale Proteine synthetisiert werden. Erkläre die Rolle der Transkription und Translation in diesem Prozess. Verwende dabei die Begriffe 'positive' und 'negative' Strang-RNA und ergänze gegebenenfalls mathematische oder schematische Darstellungen der notwendigen Schritte.

Lösung:

Nachdem das Virusgenom freigesetzt (Uncoating) und repliziert wurde, ist die Synthese viraler Proteine ein kritischer Schritt für die Produktion neuer Virionen. Dieser Prozess umfasst die Transkription und Translation der viralen genetischen Information.

• Transkription: Die Transkription ist der Prozess, bei dem die genetische Information des Virusgenoms verwendet wird, um mRNA-Moleküle zu erzeugen. Diese mRNA dient dann als Vorlage für die Proteinsynthese. Der Vorgang der Transkription unterscheidet sich je nach Art des viralen Genoms:
  • Positive-Strang-RNA-Viren: Das Genom dieser Viren kann direkt als mRNA fungieren, da es die gleiche Orientierung wie die mRNA hat. Die virale RNA wird sofort nach der Freisetzung als Vorlage für die Translation in virale Proteine verwendet. Beispiel:

    positiv-strang-RNA (virales Genom) → virale Proteine

  • Negative-Strang-RNA-Viren: Diese Viren müssen zunächst ihre RNA in einen positiven Strang umschreiben, bevor die virale Proteinsynthese erfolgen kann. Das Virus bringt meist eine eigene RNA-abhängige RNA-Polymerase mit, die die negative-Strang-RNA in eine positive-Strang-mRNA umschreibt. Beispiel:

    negativ-strang-RNA (virales Genom) → RNA-abhängige RNA-Polymerase → positiv-strang-mRNA → virale Proteine

• Translation: Die Translation ist der Prozess, bei dem die mRNA-Sequenzen als Vorlage zur Synthese von Proteinen verwendet werden. In diesem Prozess binden Ribosomen an die mRNA und synthetisieren die entsprechenden Proteine, indem sie die Abfolge der Nukleotide in die Abfolge der Aminosäuren übersetzen. Dies führt zur Produktion der notwendigen strukturellen und nicht-strukturellen Proteine, die für die Bildung neuer Virionen benötigt werden. Beispiel:

  mRNA → Ribosomen → Aminosäuren → virale Proteine

Zusammengefasst: Die Transkription und Translation spielen eine zentrale Rolle bei der Synthese viraler Proteine. Die Art der RNA (positive oder negative Strang-RNA) bestimmt den spezifischen Weg, den das Virus nehmen muss, bevor die Proteinsynthese beginnen kann. Positive-Strang-RNA kann direkt als mRNA dienen, während negative-Strang-RNA zunächst in eine positive-Strang-Matrize umgeschrieben werden muss. Beide Prozesse sind entscheidend für die erfolgreiche Produktion neuer Virionen und somit für die Fortsetzung des viralen Lebenszyklus.

c)

Während der Assemblierung müssen verschiedene Komponenten des Virus zusammengeführt werden. Beschreibe diesen Prozess und nenne zwei spezifische Herausforderungen, die bei der Assemblierung neuer Virionen auftreten können.

Lösung:

• Assemblierung: Die Assemblierung ist der Prozess, bei dem die verschiedenen Komponenten eines Virus zu einem funktionalen Virion zusammengefügt werden. Dieser Schritt erfolgt meist im Zytoplasma oder im Zellkern der Wirtszelle, abhängig vom Virustyp. Der Prozess umfasst folgende Schritte:
  • Die viralen Proteine, die durch den Translationsprozess produziert wurden, sammeln sich an spezifischen Stellen in der Zelle.
  • Das Virusgenom wird in das Protein-Capsid eingebettet, das die genetische Information schützt.
  • Bei umhüllten Viren fügt sich das Capsid in die virale Hülle ein, die meist aus modifizierten Anforderungen der Wirtszellmembran besteht und virale Glykoproteine enthält.
  Dieser komplexe Prozess ist entscheidend für die Bildung infektiöser Virionen, die dann die Wirtszelle verlassen und neue Zellen infizieren können.

Zwei spezifische Herausforderungen bei der Assemblierung neuer Virionen:

• Korrekter Zusammenbau der viralen Komponenten: Die korrekte Positionierung und Faltung der viralen Proteine sowie das korrekte Einfügen des Virusgenoms in das Capsid sind kritische Schritte. Fehler in diesem Prozess können dazu führen, dass nicht-infektiöse Virionen entstehen, die nicht in der Lage sind, andere Zellen zu infizieren.
• Vermeidung von zellulären Abwehrmechanismen: Während der Assemblierung und des anschließenden Austritts der Viren aus der Zelle muss das Virus Mechanismen entwickeln, um die zellulären Abwehrsysteme zu umgehen. Die Wirtszelle verfügt über verschiedene Abwehrmechanismen wie Enzyme, die virale Proteine abbauen, oder Signale, die zur Apoptose (programmierten Zelltod) führen, um die Ausbreitung des Virus zu verhindern. Das Virus muss daher Wege finden, um diese Abwehrmechanismen zu unterdrücken oder zu umgehen.

d)

Vergleiche die Freisetzungsmechanismen lytischer Zyklus und Knospung. Welche unterschiedlichen Auswirkungen haben diese Mechanismen auf die Wirtszelle und wie beeinflussen sie die Virusvermehrung? Berechne außerdem das theoretische Wachstum eines Virus innerhalb eines 24-Stunden-Zeitraums, wenn ein Virion eine Wirtszelle infiziert und diese nach 6 Stunden 100 neue Virionen freisetzt. Tipp: Verwende eine geometrische Folge für das Wachstum.

Lösung:

• Lytischer Zyklus: Im lytischen Zyklus werden neue Virionen gebildet, indem das Virus den Zellstoffwechsel und die Biosynthesemaschinerie der Wirtszelle übernimmt. Sobald genügend Virionen erzeugt sind, wird die Wirtszelle lysiert (aufgelöst), um die neu gebildeten Viruspartikel freizusetzen. Diese Zelle platzt buchstäblich und stirbt im Prozess. Dieser Mechanismus führt zu einem schnellen und massiven Ausstoß von Virionen, jedoch auf Kosten der Wirtszelle, die zerstört wird.
• Knospung: Bei der Knospung werden neue Virionen schrittweise aus der Wirtszellmembran herausgebildet. Das Virus nimmt während der Freisetzung Teile der Wirtszellmembran auf, die ihm als Hülle dienen. Anders als beim lytischen Zyklus stirbt die Wirtszelle bei diesem Prozess in der Regel nicht sofort und kann weiterhin neue Virionen produzieren, bis sie schließlich ihre Funktion verliert und stirbt.
• Unterschiedliche Auswirkungen auf die Wirtszelle und Virusvermehrung:
  • Auswirkungen auf die Wirtszelle: Der lytische Zyklus führt zur schnellen Zerstörung der Wirtszelle, während die Knospung eine kontinuierlichere Produktion von Virionen ermöglicht und die Wirtszelle länger am Leben hält.
  • Auswirkungen auf die Virusvermehrung: Der lytische Zyklus ermöglicht eine rapide Freisetzung der Virionen, die andere Zellen schnell infizieren können, führt aber zum Verlust der Wirtszellressource. Die Knospung erlaubt eine längere, jedoch möglicherweise weniger explosionsartige Vermehrung, da die Wirtszelle nicht sofort zerstört wird.
• Theoretisches Wachstum eines Virus innerhalb eines 24-Stunden-Zeitraums: Um das Wachstum mittels einer geometrischen Folge zu berechnen, nutzen wir die Information, dass ein Virion nach 6 Stunden 100 neue Virionen freisetzt. In 24 Stunden gibt es vier 6-Stunden-Intervalle:

Die Berechnung erfolgt wie folgt:

• Gegeben: Ein Virion infiziert eine Wirtszelle und setzt nach 6 Stunden 100 neue Virionen frei.
• Geometrische Folge Formel: \(N = N_0 \times R^n\)
• Werte:
• \(N_0 = 1\) (Anfängliche Anzahl von Virionen)
• \(R = 100\) (Replikationsrate in jeder 6-Stunden-Periode)
• \(n = \frac{24}{6} = 4\) (Anzahl der Zeitintervalle innerhalb von 24 Stunden)

Also:

\( N = 1 \times 100^4 = 1 \times 10^8 = 100.000.000 \) Virionen

Innerhalb eines 24-Stunden-Zeitraums könnte ein einzelnes Virion theoretisch 100 Millionen neue Virionen produzieren.