Fachmodul Mikrobiologie II - Cheatsheet

Grundlagen der mikrobiellen Stoffwechselwege

Definition:

Grundlegende Prozesse zur Energie- und Nährstoffgewinnung in Mikroorganismen.

Details:

• Glykolyse: Umwandlung von Glukose zu Pyruvat, Gewinn von ATP und NADH
• Citratzyklus: Oxidation von Acetyl-CoA zu CO2, Produktion von NADH, FADH2 und GTP
• Atmungskette: Elektronentransport und ATP-Synthese durch oxidative Phosphorylierung
• Fermentation: Energiegewinnung ohne O2, Bildung von Lactat oder Ethanol
• Anabolische Wege: Aufbau komplexer Moleküle, z.B. Aminosäuren, Nukleotide
• Katabolische Wege: Abbau von Molekülen zur Energieerzeugung

Energiestoffwechsel und ATP-Synthese

Definition:

Prozesse zur Energiegewinnung in Zellen; Synthese von ATP durch chemische oder photochemische Reaktionen

Details:

• Glykolyse: Abbau von Glukose zu Pyruvat
• Citratzyklus: Oxidation von Acetyl-CoA zu CO₂ und Reduktionsäquivalente (NADH, FADH₂)
• Atmungskette: Elektronentransport und Protonengradient für ATP-Synthase
• OXPHOS: Elektronentransportkette und ATP-Synthese in der inneren Mitochondrienmembran
• Substratkettenphosphorylierung: Direkte ATP-Bildung in Glykolyse und Citratzyklus
• Photophosphorylierung: Nutzung von Lichtenergie zur ATP-Synthese in Chloroplasten
• ATP-Synthase: Enzymkomplex zur ATP-Bildung unter Nutzung des Protonengradienten

Hierarchische Struktur der Stoffwechselwege

Definition:

Hierarchische Struktur der Stoffwechselwege beschreibt die Organisation und Regulation der verschiedenen Stoffwechselreaktionen, indem sie in abgestufte Ebenen oder Hierarchien unterteilt werden.

Details:

• Metabolische Wege werden als Netzwerke organisiert.
• Primäre und sekundäre Stoffwechselwege: primäre für wesentliche Zellfunktionen, sekundäre für spezielle Funktionen.
• Regulationsmechanismen umfassen Feedback-Hemmung, allosterische Regulation und Genexpression.
• Wichtige metabolische Schlüsselpunkte (Schlüsselenzyme) steuern den Fluss durch die Pfade.
• Katabolische und anabolische Wege: Katabolismus zerlegt Moleküle zur Energiegewinnung, Anabolismus verwendet Energie zum Aufbau komplexer Moleküle.
• Wichtigste Wege: Glykolyse, Citratzyklus, Atmungskette, Fettsäurezyklus.

Rückkopplung und allosterische Regulation

Definition:

Rückkopplung: Mechanismus, bei dem das Endprodukt eines Stoffwechselwegs die Aktivität eines Enzyms desselben Weges hemmt oder aktiviert. Allosterische Regulation: Enzyminhibition/-aktivierung durch Bindung eines Effektors an einer anderen Stelle als dem aktiven Zentrum.

Details:

• Negatives Feedback: Hemmung der Enzymaktivität durch das Endprodukt.
• Positives Feedback: Aktivierung der Enzymaktivität durch das Endprodukt.
• Allosterische Effektorbindungsstellen: Unterschiedlich vom aktiven Zentrum.
• Allosterische Aktivatoren: Stabilisieren die aktive Form des Enzyms.
• Allosterische Inhibitoren: Stabilisieren die inaktive Form des Enzyms.

Industrielle Fermentation und biologische Produktion

Definition:

Mikrobiologische Verfahren zur Herstellung von chemischen Verbindungen, Biofuels oder pharmazeutischen Produkten.

Details:

• Substratumwandlung mittels Mikroorganismen oder Enzymen.
• Typische Mikroorganismen: Bakterien, Pilze, Hefen.
• Parameter: pH, Temperatur, Sauerstoffzufuhr, Rührgeschwindigkeit.
• Batch-, Fed-Batch- und kontinuierliche Prozesse.
• Produkte: Antibiotika, Vitamine, Aminosäuren, Bioethanol.
• Metabolismus: Glykolyse, Zitronensäurezyklus, fermentative Pfade.
• Skalierung: Labor- zu Industriemaßstab.
• Monitoring und Steuerung: Sensoren für pH, Temperature, O\textsubscript{2}, CO\textsubscript{2}.

Genetische Engineering-Techniken zur Modifikation mikrobieller Stoffwechselwege

Definition:

Techniken zur gezielten Veränderung mikrobieller Stoffwechselwege durch genetische Manipulation, um spezifische Produkte oder höhere Ausbeuten zu erzielen.

Details:

• CRISPR/Cas: Präzise Genom-Editierung durch gezielte DNA-Schnitte.
• Rekombination: Einführen neuer Gene oder Mutationen durch homologe oder site-spezifische Rekombination.
• Plasmide: Verwendung von Vektoren zur Genübertragung und Expression.
• Promotor-Engineering: Modifikation von Promotoren zur Regulierung der Genexpression.
• Metabolisches Engineering: Optimierung gesamter Stoffwechselwege zur Verbesserung der Produktion von Metaboliten.
• Optogenetik: Steuerung von Genexpression durch Lichtsignale.

Stickstofffixierung und Schwefeloxidation

Definition:

Stickstofffixierung: Umwandlung von atmosphärischem Stickstoff (\text{N}_2) in Ammoniak (\text{NH}_3) durch Mikroorganismen. Schwefeloxidation: Umwandlung von reduzierten Schwefelverbindungen (z.B. \text{H}_2\text{S}) in Sulfat (\text{SO}_4^{2-}) durch Mikroorganismen.

Details:

• Stickstofffixierung wird von Enzym Nitrogenase katalysiert.
• Stickstofffixierende Bakterien: Rhizobium, Cyanobakterien.
• Formel: \text{N}_2 + 8H^+ + 8e^- \rightarrow 2\text{NH}_3 + H_2
• Schwefeloxidation durch Schwefelbakterien: Thiobacillus, Beggiatoa.
• Formel: \text{H}_2\text{S} + 2\text{O}_2 \rightarrow \text{SO}_4^{2-} + 2H^+

CRISPR-Cas und andere biotechnologische Werkzeuge

Definition:

CRISPR-Cas: Gentechnisches Werkzeug zur gezielten Genom-Editierung durch Erkennung und Schneiden spezifischer DNA-Sequenzen. Andere Werkzeuge: Verschiedene molekulare Methoden zur Manipulation von DNA/RNA.

Details:

• CRISPR-Cas: Adaptives Immunsystem von Bakterien, genutzt für Geneditierung
• Bestandteile: crRNA, tracrRNA, Cas9-Protein
• Anwendungsbereiche: Genomforschung, Medizin, Landwirtschaft
• Zinkfingernukleasen (ZFN): DNA-bindende Domänen + FokI-Nuklease für gezielte DNA-Schnitte
• Transcription Activator-Like Effector Nucleases (TALENs): DNA-bindende Proteine + FokI-Nuklease zur Genom-Editierung
• RNAi: Post-transkriptionale Genregulation durch siRNA und miRNA