Leitfaden für die Vorlesung Mikrobiologie und ... - Gudrun Nagl

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FH-MIKROBIOLOGIE UND HYGIENE DR. NAGL Zellkern: Der Zellkern speichert die Erbinformationen und ist oberstes Steuerzentrum der Bakterienzelle für alle Lebensvorgänge. Obwohl es bisher nur bei einigen Bakterienarten nachgeprüft wurde, geht man davon aus, daß das Erbmaterial der Bakterien in Form eines ringförmigen Fadens angeordnet ist. Dieser Ring, das "Bakterien-Chromosom", kann einen Umfang von einem Millimeter und mehr aufweisen (z.B. bei E. coli: 1,4 mm). Das Chromosom muß daher, um in der Bakterienzelle Platz zu finden, verwunden und geknäuelt sein. Auf dem Chromosom liegen die Gene der Bakterienzelle. Wie bei den anderen Lebewesen besteht das Erbmaterial aus Desoxyribonucleinsäure DNA, D steht für Desoxyribose einem Zucker. NA heißt nucleic acid (= Nukleinsäure; chemisch gesehen sind dies Basen). In der DNA kommen die Basen Adenin (Abkürzung A), Cytosin (C), Guanin (G) und Thymin (T) vor. Die genannten Bausteine sind folgendermaßen verbunden. An jeder Desoxyribose hängt eine der vier Basen. Die Desoxyribosen ihrerseits sind durch Phosphorsäurereste (P) zu langen "Strängen" verbunden. Die DNA liegt im kompletten Erbmaterial als "Doppelstrang" vor. Bindung erhalten die "Einzelstränge" über die Basen. Die Base A bildet mit T ein Basenpaar. Die Base C mit G sind das andere Paar. (A und T, C und G nennt man komplementäre Basen.) Die komplementären Basen sind durch Wasserstoffbrücken-Bindung verknüpft. Im Chromosom von E. coli sind zum Beispiel rund vier Millionen Basenpaare enthalten. Der DNA- Doppelstrang ist spiralig zur α-Helix verwunden. Nucleinsäuren sind die Träger der genetischen Information jeder Zelle. Sie sind hochpolymere Makromoleküle und bestehen aus einem Molekül Ribose oder Desoxyribose, einem Phosphorsäurerest und einer Stickstoffbase (Adenin, Guanin, Cytosin und Uracil bzw. Thymin). Wie sich bei Wörtern und Sätzen der Sinn durch die Reihenfolge der Buchstaben ergibt, so sind durch die Abfolge der Basen auf dem DNA-Strang die Inhalte der Erbinformation verschlüsselt. Der komplementäre Strang birgt quasi spiegelbildlich die gleiche Information. So kann bei der Querteilung der Bakterien, ihrer üblichen Art der Vermehrung jede Tochterzelle die komplette Erbinformation erhalten. Der DNA-Doppelstrang wird dazu an den Basenpaaren durch Enzyme getrennt und die fehlende Hälfte mit einem neu gebildeten, komplementären Strang ergänzt. Aus diesem Verdoppelungsmechanismus läßt sich ableiten, daß die Nachkommen einer Bakterienzelle die gleiche DNA wie die Mutterzelle besitzen werden. Sie müssen also völlig identische Eigenschaften besitzen, ein Sachverhalt der beim Erkennen und der Verwendung von Bakterien von großer Bedeutung ist. Allerdings ist zu beachten, daß Fehler beim "Ablesen" oder "Kopieren" der Erbinformation zu veränderten Eigenschaften (= Mutationen) führen können. Zum Zweiten tragen viele Bakterien zusätzliche Eigenschaften auf sogenannte Plasmiden. Ihre DNA wird unabhängig von der "Zellkern DNA" vermehrt. Bestimmung des GC Anteils Das Verhältnis der Mole der Basen GC zu der Summe der Mole der Basen insgesamt ist artspezifisch und wird als Differenzierungskriterium genutzt. Die Basen GC sind durch dreifache Wasserstoffbrückenbindung gebunden. Sie "haften" fester aneinander und benötigen eine höhere Temperatur (Schmelztemperatur) um getrennt zu werden, als die nur zweifach gebundenen Basen AT. Je höher nun der GC-Anteil ist, desto höher ist die Schmelztemperatur der gesamten DNA. 01FH.DOC 14
FH-MIKROBIOLOGIE UND HYGIENE DR. NAGL Extrachromosomale DNA Neben der chromosomalen DNA haben sowohl die meisten prokaryotischen als auch die eukaryotischen Zellen extrachromosomale DNA. Das sind bei den Bakterien Plasmide und bei den eukaryotischen Zellen Mitochondrien und Plastiden. Plasmide sind extrachromosomale ringförmige DNA-Doppelstränge, die in der Mikroorganismenzelle zur autonomen Replikation fähig sind. Sie stellen genetische Systeme dar, die die Variabilität der Bakterienzellen wesentlich erhöhen, so daß sie sich an veränderte Umweltbedingungen anpassen können. Plasmide sind im Verlauf der Evolution somit als zusätzliche genetische Information zwangsläufig entstanden, um das Überleben der Art zu garantieren. Ähnlich den Bakteriophagen sind Plasmide von einer Zelle auf andere übertragbar. Dadurch wird die Anpassungsfähigkeit der Bakterienpopulation bei veränderten Umweltbedingungen garantiert. Entsprechend der Aufgabe der Plasmide, eine hohe Variabilität zu garantieren, sind Plasmide gegenüber anderen Plasmidreplikons kompatibel. Das trifft jedoch auf Plasmidmoleküle gleicher Replikationsherkunft zu, da die Plasmidhäufigkeit (Kopienzahl) durch Kontrollgene limitiert wird. D.h., bei gleichartigen Plasmidreplikons besteht eine Inkompatibilität. Plastiden sind in eukaryotischen Zellen vorkommende Organellen, die zur autonomen Replikation fähig sind, jedoch nicht mit der Reduplikation der chromosomalen DNA synchronisiert ist. Der Anteil der Plastiden-DNA an der Gesamt-DNA der Pflanzenzelle beträgt nur etwa 1 - 10 %. Sie liegen als zirkuläre doppelsträngige DNA mit etwa 150 000 Basenpaaren vor und können bis zu etwa 100 verschiedene Proteine codieren. Die Plastiden enthalten sowohl Gene mit Introns als auch ungespaltene Gene. Plastiden leiten sich von Blaualgen ab und sind der Sitz der Energiegewinnung (Photosynthese). Mitochondrien sind in eukaryotischen Zellen vorkommende Organellen von rundlicher oder länglicher Form, deren DNA zur autonomen Replikation fähig ist. Der Anteil der mitochondrialen DNA an der Gesamt-DNA beträgt nur etwa 1 - 2 %. In einem Mitochondrium können bis zu 1000 DNA-Moleküle vorkommen. Im allgemeinen ist die mitochondriale DNA ringförmig und doppelsträngig. Diese DNA codiert verschiedene RNA- Typen und etwa 5 - 10 % der mitochondrialen Proteine. Die Mitochondrien besitzen Enzyme, die der Atmung und der Synthese von ATP in der Zelle dienen. Sie haben somit eine entscheidende Bedeutung für die Energiegewinnung der Zelle. Cytoplasma: Die nur im Lichtmikroskop homogen erscheinende Grundsubstanz des Cytoplasmas, das Grundplasma, besteht aus Wasser, Stoffwechselprodukten und hauptsächlich aus Eiweiß, das zum größeren Teil in Form von Enzymen vorliegt. Das Grundplasma ist ein kolloidales dynamisches System, das sich in ständiger Bewegung befindet (Plasmaströmung) und in dem Stoffwechselprozesse ablaufen. Das Cytoplasma wurde lange Zeit als homogene Proteinlösung angesehen. Nach Einführung moderner Untersuchungsverfahren, wie der Elektronenmikroskopie, wurden als Grundelemente Membransysteme erkannt. Die Cytoplasmamembran, sie wird auch Plasmalemma genannt, begrenzt den Protoplasten gegen die Zellwand. Sie setzt sich bei manchen Bakterien in Form von Einstülpungen als intraplasmatische Membran in den Protoplasten fort und bildet teilweise Vesikel. Eine Unterteilung des Cytoplasmas (Kompartimentierung) in verschiedene Reaktionsräume wie bei den Eukaryoten ist aber deutlich geringer ausgeprägt. Auf Ultradünnschnitten mancher, aber 01FH.DOC 15
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