Antworten zu den bungsblttern Mikrobiologie WS - stern-im

Antworten zu den Übungsblättern Mikrobiologie WS 2004/2005
Erstellt von F. Tolle, S. Schwenk, P. Lindemann, M. Stern
Übungsblatt 1:
1. Was ist Leben?
5 Kriterien:
- Stoffwechsel: Aufnahme von Nahrung, Umwandlung, Ausscheiden
- Vermehrung: Wachstum
- Evolution: Mutation
- Differenzierung: Sporenbildung, Bildung neuer Zellstrukturen
- Kommunikation: Zell-Zell Kommunikation (Hormone)
2. Was sind Mikroorganismen?
Mikroorganismen, manchmal auch "Mikroben" genannt, sind mikroskopisch kleine Lebewesen, die als
einzelne Individuen mit bloßem Auge nicht zu erkennen sind.
Die meisten Mikroorganismen sind Einzeller.
Beispiele für Mikroorganismen sind Bakterien, viele Pilze wie beispielsweise die Hefen und
mikroskopische Algen.
3. Was sind Prokaryonten?
Eine prokaryontische Zelle besteht aus:
Zellwand, Cytoplasmamembran und Cytoplasma.
Sie enthalten keine Zellorganellen, wie zum Bsp.: Zellkern, Endoplasmatisches Retikulum,
Golgi-Apparat und Lysosomen
4. Was verstehen Sie unter Eukaryonten?
Eine eukaryontische Zelle besteht aus:
Cytoplasmamembran, Zellwand (nur bei Pflanzen und Pilzen), Zellkern und Zellorganellen wie zum
Bsp.: Mitochondrien und Chloroplasten (nur bei Pflanzen).
Sie enthalten darüber hinaus auch noch Endoplasmatisches Retikulum, Golgi-Apparat und
Lysosomen
5. Welche Unterschiede gibt es zwischen Prokaryonten und Eukaryonten im Zellaufbau?
Prokaryonten haben keinen Zellkern und keine Zellorganellen.
6. Ist die Zellgröße ein entscheidendes Kriterium zur Unterscheidung von Prokaryonten und
Eukaryonten?
Nein ist es nicht.
(Prokaryonten sind meist 1-2µm lang, es gibt aber auch Sonderformen die bis zu 750 µm
Durchmesser erreichen können.
Die kleinsten Eukaryonten haben 2-3 µm Durchmesser, Bäckerhefe 5 µm und tierische und
Pflanzliche Zellen ca. 20 µm).
7. Wie groß sind Mikroorganismen; wie klein sind die kleinsten Eukaryonten, wie groß die
größten Prokaryonten?
Prokaryonten sind meist 1-2µm lang, es gibt aber auch Sonderformen die bis zu 750 µm Durchmesser
erreichen können.
Die kleinsten Eukaryonten haben 2-3 µm Durchmesser, Bäckerhefe 5 µm und tierische und
Pflanzliche Zellen ca. 20 µm.
8. Wo finden wir Mikroorganismen? Welche Bereiche auf der Erde sind frei von
Mikroorganismen?
Mikroorganismen bevölkern fast den gesamten Globus.
Mikroorganismen gedeihen in einer erstaunlichen Vielfalt unterschiedlichster Habitate, sowohl in
extremer Hitze, Kälte, Strahlung, Druck, Dunkelheit, als auch in salziger, saurer und alkalischer
Umgebung. Oft leben sie da, wo kein anderes Leben existieren kann und beziehen ihre Nährstoffe
ausschließlich aus anorganischem Material.
9. Wo kommen Mikroorganismen bei bzw. auf Mensch und Tier vor?
Sie kommen fast auf dem gesamten Menschen/Tier vor, nur Augen, Nägel, Lunge und Blut sind
keimfrei. (Beim gesunden Menschen).
10. In welchem Temperaturbereich können Mikroorganismen wachsen?
Die einzelnen Arten können in vielen verschieden Temperaturspektren wachsen, man unterteilt in:
(Angaben in °C)
- psychrophil (-2 bis 20)
- mesophil (15 bis 45)
- thermophil (45 bis 70)
- extrem thermophil (65 bis 90)
- hyperthermophil (80 bis 115)
Ab 121°C ist kein Leben mehr möglich. (Ab ca. 80°C ausschließlich Prokaryonten)
11. Was ist eine „Art“ im biologischen Sinne?
Definition Art: Alle Mitglieder einer Art sind uneingeschränkt miteinander kreuzbar und
können fruchtbare Nachkommen produzieren. Diese Definition ist nur anwendbar bei
sexueller Fortpflanzung!
Bei Prokaryonten kann diese Definition nicht verwendet werden.
Zu einer Art gehören hier alle Stämme oder Klone, die in den meisten oder allen wichtigen
genetischen und biochemischen Eigenschaften übereinstimmen.
Art: „kleinste biologische Einheit“
Gattung: eine Gruppe von Arten, die bestimmte wichtige Eigenschaften gemeinsam haben.
Viele verschieden Definitionen:
- Biologisches (populationsgenetisches) Artkonzept
Eine Art (Biospezies) besteht aus mindestens einer Population, deren Genpool gegen andere
Populationen generativ durch Fortpflanzungsisolation (reproduktive Isolation, siehe
Biologische Evolution) isoliert ist.
Angehörige einer Art sind abgesehen von geschlechtspezifischen Merkmalen morphologisch
oder physiologisch nicht unterscheidbar und können unter natürlichen Bedingungen fruchtbare
Junge erzeugen.
- Physiologische Definition bei Bakterien
Bakterien zeigen nur wenige morphologische Unterscheidungsmerkmale und weisen
praktische keine Rekombinationsschranken auf. Deshalb wird der Stoffwechsel als
Unterscheidungskriterium von Stämmen herangezogen.
12. Welche Formen finden Sie bei Bakterien?
Morphologie auf wenige Grundformen beschränkt:
Meistens: Kokken (Micro-, Diplo-, Strepto-, Staphylo- ) und Stäbchen
Auch: Spirillen, Vibrionen und Spirochäten
13. Was besagt die Rubnersche Oberflächenregel?
Rubner´sche Oberflächenregel (1893): Bei Tieren im Ruhezustand ist
der Kalorienumsatz proportional zur Oberfläche, nicht zum Volumen oder
Gewicht. Kleine Lebewesen haben daher eine höhere Stoffwechselaktivität im
Verhältnis zum Gewicht als größere. Ebenso ist die Stoffwechselaktivität von
Einzellern umso höher, je kleiner die Zellen sind. Stoffwechselvorgänge wie
Atmung oder Aufnahme von Nährstoffen erfolgen über die Cytoplasmamembran,
sie erfolgen also an Zelloberflächen.
→ Extrem schnelles Wachstum
14. Ein Würfel von 1 cm Kantenlänge hat eine Oberfläche von 6 cm². Wie groß ist die
Gesamtoberfläche, wenn Sie diesen Würfel in Würfel mit 1 µm Kantenlänge zerlegen?
Was folgt daraus für die Stoffwechselrate von Mikroorganismen?
Konsequenz: sehr schnelles Wachstum von Mikroorganismen; langsames
Wachstum von „Nicht-Mikroorganismen“. Je größer die Zellen, desto langsamer
sind in der Regel der Stoffwechsel und damit das Wachstum.
Beispiele: 500 kg Hefezellen können in 24 Stunden 50.000 kg Protein bilden.
Ein Rind von 500 kg bildet in 24 Stunden 0,5 kg Protein.
15. Welchen chemischen Elemente finden wir in Mikroorganismen: was sind
Makrobioelemente; welche Mikrobioelemente kennen Sie?
Makroelemente: C, O, N, H, P, S, Mg, K, Ca, Fe, Na, Cl
Mikro/Spurenelemente: Mn, Mo, Zn, Cu, Co, Ni, V, W, Se, Si, B
16. Welche molekulare Zusammensetzung haben Bakterien und andere Organismen?
Monomere 4%
Makromoleküle 96%
Übungsblatt 2:
1. Welche chemischen Elemente finden Sie in jeder lebenden Zelle?
C, O, N, H, P, S, Mg, K, Ca, Fe, Na, Cl (geringere Mengen: Mn, Mo, Zn, Cu, Co, Ni, V,W, Se, Si, B).
2. Was sind Makrobioelemente; welche Mikrobioelemente kennen Sie?
Makrobioelemente sind solche, die in der Zelle relativ häufig, bis ca. >0,1%Gew% vorkommen.
Mikrobioelemente sind: Mn, Mo, Zn, Cu, Co, Ni, V, W, Se, Si, B (Maßstab mg/kg; µg/kg).
3. Wozu benötigt die Zelle Mikrobioelemente?
Essentiell für einzelne Zellfunktionen. Fe (eigentlich kein Mikrobioelement, aber als Bsp. angegeben)
zentrales Element der Chromophore von Cytochromen, für Atmung essentiell, teilweise
Energielieferant. (Genauere Angaben Skript Seite 16, Metall-Kreislauf)
4. Welche Elemente sind in der Umwelt nur in geringer Menge vorhanden, so dass sie
wachstumsbegrenzend werden können? Welche Elemente sind meist im Überfluss vorhanden?
Wachstumsbegrenzend: (Magnesium, Kalium, Calcium, je nach Bodenbeschaffenheit) Phosphor
Im Überfluss vorhanden: Wasserstoff, Sauerstoff, Kohlenstoff
5. Was verstehen Sie unter Eutrophierung; wodurch wird sie ausgelöst?
Eutrophierung: Übermäßige Zunahme von org. Substanzen in Gewässern, meist durch Überdüngung
(zumeist Phosphor- /Stickstoffverbindungen), teilweise auch durch häusliche- (Waschmittel) / und
industrielle Abwässer.
6. Welche molekulare Zusammensetzung haben Bakterien und andere Organismen?
Proteine, Kohlenhydrate, Lipide, Nucleinsäuren, Mikro-/ Makrobioelemente, Cytoplasmamembran,
Cytosol, Ribosomen, teilweise Zellwand, Nucleus, Golgi-Apperat, ER, Vakuole, Tonoplast, Peroxisom,
Mitochondrium, Chkloroplast, Plasmodesmen.
7. Was sind Geißeln, Fimbrien und Pili (Typ I- und Typ II-Pili)?
Fimbrien (Typ I Pili)
Sex-Pili (Typ II Pili)
- 10->1000 pro Zelle
- für Konjugation
- nicht für Fortbewegung
- Genaustausch zw. Bakterien
- 3-14nm Durchmesser
- starre, dünne, aus Proteinen aufgebaute
- vermutlich zur Anheftung
Stäbchen
8. Wie erfolgt Konjugation bei Bakterien und wozu dient sie?
Übertragung F-Faktor von F+ (Donor) auf F- Zelle (Rezipient) (Bild: Skript Seite 30)
Konjugation erfolgt durch (Sex)Pili und dient dem Genaustausch.
9. Welche Begeißelungsformen kommen bei Bakterien vor?
Monopolar monotrich, monopolar polytrich, bipolar polytrich (amphitrich), peritrich (Skript Seite 32)
10. Was sind Kapseln und Schleime bei Bakterien?
- nicht lebensnotwendig
- außerhalb der Zelle lokalisiert
- stark wasserhaltig
- in der Regel aus Polysachariden, seltener Polypeptiden (Bacillus)
- Synthese erfolgt in der Regel außerhalb der Zelle über extrazelluläre Enzyme
Kapseln: Exopolysacharide sind fest(!) mit der Zellwand verbunden und scharf gegenüber den
Medien abgetrennt.
Schleime: Sehr lose/ keine Verbindung mit der Zellwand, gehen ins Medium über
11. Was ist Dextran, was ist Laevan?
Dextran: Polyglucose, entsteht bei der Zersetzung von Sacherose durch das Milchsäurebakterium
Levonostoc mesenteroides (Sacherose zu Dextran und Fructose[->Milchsäure, CO2 und H2O])
Laevan: Entsteht im Mund durch das Kariesbakterium Streptococcus mutans bei der Polymerisierung
von Fructose.
12. Nennen Sie ein Laevan- und einen Dextran-bildendes Bakterium. Wo kommen diese beiden
Bakterien vor?
Laevan: Streptococcus mutans
Dextran: Levonostoc mesenteroides
13. Wo begegnen Ihnen im Alltag Bakterienschleime?
Siehe hierzu Skript Tabelle 13 Seite 28, Spalte: Verwendung
14. Welche industrielle Nutzung von Bakterienschleimen kennen Sie?
Kampfstoffe, Medikamente, Lebensmittel
15. Haben Sie heute schon bakterielle Schleime gegessen?
Die Beantwortung dieser Frage ist individuell verschieden. Wer es nicht wissen will schaut nicht bei
Frage 13 nach.
16. Wie sind bakterielle Zellwände aufgebaut? Wie unterscheidet sich die Zellwand von Gramnegativen von Gram-positiven Bakterien?
Der Aufbau der Zellwände ist je nach Zellenart verschieden.
Zellwand von Pflanzen/Pilzen aus polymeren Zuckerderivaten wie Cellulose und Chitin.
Bei Eubakterien (heute auch kurz Bacteria) meist ein Peptidoglykan als Mureinsacculus.
Bei Archeaebakterien aus Pseudomurein, Polysachariden, oder Proteinen. (Genauere
Zusammensetzung siehe Skript Seiten 24-26)
Gram-negativ: Zellwände besitzen über der dünnen Schicht aus Peptidoglykan noch eine äußere
Membran (echte Doppelmembran, Modell Skript Seite 36 Abb. 20), dadurch Anfärbung mit
Kristallviolett nicht möglich.
Gram-positiv: Zellwände besitzen keine äußere Membran, nur dicke und vielschichtige
Peptidoglykanschicht.
17. Welche ungewöhnlichen Verbindungen finden Sie in der bakteriellen Zellwand?
D-Glutamat und D-Alanin, die in Verbindung mit L-Alanin und meso-Diaminopimelinsäure die
Transpeptidbindungen bilden, sind in der Natur sehr selten anzutreffen.
18. Was ist das Periplasma; wo ist es lokalisiert?
Als Periplasma bezeichnet man den periplasmatischen Raum zwischen der Cytoplasmamembran und
der Peptidoglykanschicht (Skizze Skript Seite 23).
19. Warum stellen die bakteriellen Zellwände einen ausgezeichneten Angriffspunkt für die
Bekämpfung von pathogenen Bakterien dar?
Durch Lysozym (in Tränenflüssigkeit) wird das Peptidoglykan zwischen dem C1-Atom der NAcetylmuransäure und dem C4 des N-Acetylglucosamins gespalten.
Ein Loch in der Membran bringt die gesamte Zelle zum Auslaufen.
20. Gram-positive Bakterien können besonders leicht durch Lysozym und Penicillin geschädigt
werden: wo greifen diese Substanzen an der Zellwand an?
Lysozym siehe 19.
Penicillin greift in die Zellwand-Synthese (-> nur auf wachsende Zellen wirksam) ein. Es hemmt die
Transpeptidierung, wodurch die Zellwand immer weicher wird.
21. Was sind Protoplasten; wie können Sie diese herstellen und vermehren?
Protoplasten sind zellwandlose Bakterien, sie sind im isotonischen (Druck in Zelle identisch zum Druck
außen) Medium ziehbar.
22. Was geschieht mit Protoplasten in einem
a) isotonischen,
b) hypertonischen,
c) hypotonischen Medium?
a) Keine Veränderung
b) Protoplast schrumpelt ein
c) Protoplast platzt
23. Können Bakterien ohne Zellwand überleben und sich vermehren? Begründen Sie Ihre
Antwort!
Die Zellwand stellt einen Schutz zur Außenwelt dar uns schützt die Zelle vor mechanischen und
anderen Einflüssen. Werden diese Einflüsse von den Zellen ferngehalten, so können diese existieren
und sich vermehren. Das Medium um die zellwandlosen Bakterien muss isotonisch sein.
24. Wie wird die Zellwand synthetisiert; welche Bestandteile werden im Cytoplasma gebildet,
wie kommen sie aus dem Cytoplasma heraus und wie werden sie in die wachsende Zellwand
eingebaut?
Siehe Skript Seite 22-26
25. Was versteht man unter Transpeptidierung?
Transpeptidierung = Zellwandsynthese
26. Wie und wo wirkt Lysozym?
Siehe Frage 19.
27. Worauf beruht die bakterizide Wirkung von Penicillin? Warum wirkt Penicillin nur auf
wachsende Zellen?
Siehe Frage 20.
28. Wie ist die Cytoplasmamembran aufgebaut; welche wichtigen Komponenten kennen Sie?
Die Cytoplasmamembran besteht aus einer Lipid-Doppelschicht mit, in die Membran integrierten und
assoziierten Proteinen. Die Proteine sind richtungweisend (entweder nach Innen oder Außen offen)
aber nicht ortsgebunden. Skript Seite 36 und die Komponenten auf Seite 37 Abb. 21.
Weitere wichtige Komponenten. Glycerin, Cholin, Serin, Inosit, verschiedene Fettsäuren (-> Lipide
Glycerin + 2-3 Fettsäuren).
„Die Phospholipide sind die Hauptbestandteile der Membranen, am häufigsten findet sich
Phosphatidyl-Cholin (Lecithin).“ (Zusatzinformationen Membranlipide_1)
29. Wie sind Membranlipide aufgebaut: welche Fettsäuren spielen eine Rolle, welche weiteren
Substanzklassen finden wir?
Membranlipide bestehen aus einem hydrophilen, dem Wasser zugewandeten- und einem
hydrophoben Teil, der dem Wasser abgewandt ist. Die Glycerine haben zumeist zwei Fettsäuren, zum
Beispiel Palmitinsäure, Ölsäure oder Stearinsäure (C16 und C18 Fettsäuren)
Weitere Substanzklassen sind Ester, Proteine
30. Wie kann eine Zelle die Fluidität der Cytoplasmamembran verändern; wann ist eine
Veränderung der Membranfluidität erforderlich?
Fluidität der Cytoplasmamembran wird durch die Anzahl der ungesättigten Fettsäuren bei Lipiden und
planare Moleküle, wie Steroidderivate oder die funktionsäquivalenten Hopanoiden verändert.
31. Erläutern Sie das „Fluid mosaic“ –Modell!
Das „Fluid mosac“-Modell geht von einer fluiden Membran aus, die sich in einer kontinuierlichen
Bewegung/ Schwingung befindet.
32. Warum können Sie die Membran als „zweidimensionale Flüssigkeit“ bezeichnen?
Die Membran kann als Flüssigkeit bezeichnet werden, da sie sich ständig in einer Bewegung befindet,
die der einer Flüssigkeit sehr nahe kommt. Als 2D kann man sie ansehen, da sie nur 6-10 nm dick ist,
was vernachlässigbar ist.
„Die Lipidmoleküle können sich in „X-Y“-Richtung frei bewegen, aber nicht „umklappen““
(Zusatzinformation biologische Membranen)
33. Was sind die Funktionen der Cytoplasmamembran?
- Abgrenzung der Zelle nach außen
- Transportfunktion: Transport von Substraten (Nährstoffen) und Produkten in der Zelle. Nur
Wasser und Gase können durch die Cytoplasmamembran diffundieren; alle anderen
Substanzen können nur mit Hilfe von Transportproteinen die Membran passieren.
(Osmotische Schranke)
- Energiegewinnung: Atmung (Mitochondrien)
Photosynthese (Chlorplasten/ Cyanobakterien)
34. Welche Verbindungen können leicht durch die Cytoplasmamembran diffundieren?
Wasser, Glycerin, Tryptophan, (Glucose). Genaue Werte siehe Skript Seite 35 Tabelle 15.
35. Wie schnell können Glycerin, Zucker und Chlorid durch die Cytoplasmamembran
hindurchdiffundieren?
Glycerin: 1/1000 mal so gut, wie Wasser
Zucker (Glucose): 1/100.000 mal so gut, wie Wasser
Chlorid: 1/100.000 mal so gut, wie Wasser
36. Wie können Ionen, Zucker, Aminosäuren und andere Verbindungen, die nicht frei durch die
Zellwand diffundieren können, in die Zelle hineingelangen?
Solche Verbindungen gelangen durch Carrier-Lipide durch die Zellwand. Evtl. auch durch andere
Carrier/ Carrier-Proteine oder Ionen auch durch eine Hydrathülle.
37. Wozu dient die Zellwand von Bakterien; in welcher Beziehung steht sie zur
Cytoplasma-Membran?
Die Zellwand bestimmt die Gestalt der Zelle und bewirkt Festigkeit gegen mechanische und
osmotische Beanspruchung. Sie dient dem Schutz der Zelle. Die Cytoplasmamembran hat eine
ähnliche Aufgabe, auch sie dient dem Schutz der Bakterie vor schädlichen Stoffen.
Man kann es evtl. auch so auffassen, das die Zellwand als erster Schutz dient und die
Cytoplasmamembran unterstützt, bzw. umgekehrt.
38. Welche chemischen Bindungskräfte spielen für den Zusammenhalt der
Cytoplasmamembran eine wichtige Rolle? Wie groß sind die Bindungsenergien?
Für den Zusammenhalt sind nichtkovalente Bindungen, sogenannte hydrophobe Wechselwirkungen
und van der Waals-Kräfte wichtig.
Übungsblatt 3:
1. Was verstehen wir unter bakteriellen Sporen oder exakter: Endosporen?
Endosporen sind Dauerformen mit hoher Resistenz gegen Austrocknung, Strahlung und chemische
Desinfektionsmittel. Sie entstehen bei sich verschlechternden Lebensverhältnissen (bei
Glucosemangel, nicht bei Austrocknung).
2. Wie unterscheiden sich Endosporen von anderen Sporen, z. B. von den verschiedenen
Pilzsporen?
Endosporen dienen – im Gegensatz zu allen anderen Sporen von Pilzen, Algen, Moosen und Farnen
nicht zur Vermehrung. Endosporen werden innerhalb der Zelle gebildet, nicht durch Abschnürung.
Endosporen sind viel hitzeresistenter als andere Sporenarten, z.B. Exosporen, Cysten.
3. Welche besonderen Eigenschaften haben Endosporen? Wie können Sie Endosporen
abtöten? Warum reicht Kochen nicht aus?
Die extreme Hitzeresistenz von Endosporen erfordert Sterilisationstemperaturen von 121°C zur
sicheren Abtötung. Kochendes Wasser wird max. 100° heiß.
4. Wie können Sie Endosporen im Mikroskop erkennen?
erscheint im Lichtmikroskop stark lichtbrechend;
liegt innerhalb der Zelle
5. Was ist „Tyndallisation“?
ein Sterilisationsverfahren, benannt nach Hr. Tyndall; aufkochen (max.100° erreichbar) und abkühlen,
Sporenkeimung setzt ein (Hitzeresistenz sinkt), dann wieder aufkochen, insgesamt drei Durchgänge
6. Was ist die dezimale Reduktionszeit?
Zeit zur Abtötung von 90% aller Zellen / Endosporen bei einer definierten Temperatur
7. Welche dezimalen Reduktionszeiten bei 100°C und 121°C finden wir bei
Endosporenbildnern?
Für jede Gattung und Art Verschiedene, z.B.:
Bacillus stearothermophilus:
D121 (3 min)
Clostridium thermoautotrophicum:
D121 (70 min)
Desulfotomaculum kuznetsovii:
D121 (240 min)
8. Schildern Sie den Ablauf der Endosporenbildung: wodurch wird sie ausgelöst, welche
Stadien werden durchlaufen?
Nährstoffmangel oder Anhäufung von Stoffwechselprodukten führen zur Sporulation:
Sieben Stadien:
1. DNA wird konzentriert im Bereich der späteren Spore; Umbau von Proteinen
2. Einschnürung der Cytoplasmamembran in dem Sporenbereich
3. Umhüllung des abgeschnürten Protoplasten mit der CM der vegetativen Zelle und damit Ausbildung
von zwei CM und die Vorspore
4. zwischen den beiden CM Ausbildung der Sporenrinde (Cortex)
5. Ausbildung der äußeren Sporenhülle
6. Sporenreifung, Entwicklung der Cortexschichten und des Exosporiums
7. Freisetzung der Spore aus der Zelle.
9. Welche Bakteriengattungen bzw. Arten bilden Endosporen?
aerobe Sporenbildner: z.B. Bacillus-Arten
anaerobe Sporenbildner: z.B. Clostridium-Arten
10. Welche biotechnologische Anwendung gibt es für Endosporen?
Endosporen haben keinen nachweisbaren Stoffwechsel (weder Atmung noch Gärung, keine
Proteinbiosynthese).
[Also keine biotechnologische Anwendung??]
11. Welche biotechnologischen Anwendungen gibt es für vegetative Zellen von Endosporen
bildenden Bakterien?
Viele, zum Beispiel:
• Gärung, dabei entstehen z.B. Aceton, Butanol, Essigsäure, Buttersäure, H2
• Enzymproduzenten, z.B. für Waschmittel, zur Stärkeverzuckerung
• Biologische Kampfstoffe
12. Was verstehen wir unter Sterilität?
Abwesenheit aller vermehrungsfähigen Keime
13. Warum sind Sauerkraut, Marmeladen und Fruchtsäfte geschützt gegen das
Auskeimen von kontaminierenden Endosporen?
falscher pH-Wert (z.B. 4 im Sauerkraut);
zu hoher osmotischer Druck (Zucker entzieht Wasser)
14. Was sind Exosporen, welche Bakterien bilden diese Dauerformen, welche
Eigenschaften zeichnen Exosporen aus?
Exosporen werden durch mycelartig wachsende Bakterien, die Actinomyceten, gebildet. Exosporen
entstehen durch einfache Abschnürung oder in Sporangien. Exosporen sind nicht hitzeresistent,
jedoch resistent gegen Austrocknung.
15. Was verstehen wir unter Cysten; was sind die Eigenschaften von Cysten und welche Arten
bilden Cysten?
Cysten werden durch einige Arten, z.B. Azetobacter und Methylocystis gebildet. Cysten sind verdickte
Zellen mit starker Zellwand. Sie verleihen Resistenz gegen Austrocknung und mechanische
Beanspruchung, nicht aber gegen Hitze.
16. Welche Verfahren zur Sterilisation gibt es im Labor und in der Industrie?
- Autoklavieren: feuchte Hitze; 121°C; 2 bar
für Medien (auch Flüssigkeiten) und Geräte aller Art
- Trockene Hitze: 160°, 2h oder 180°, 30 min
für Glas- und Metallgeräte
- chem. Sterilisation mit Ethylenoxid
für Plastikgeräte
- ionisierende Strahlung
- Diethyldicarbonat für Lebensmittel ~ 0,1% [??]
17. Können Mikroorganismen im Kühlschrank
(4-5°C) oder im Gefrierschrank wachsen?
Ja, nur viel langsamer.
18. Für die Haltbarmachung von Lebensmitteln gibt es zahlreiche Verfahren: wie unterbinden
diese das Wachstum von Mikroorganismen, welche Verfahren führen zu einer vollständigen
Abtötung aller Keime?
Sterilisation
19. Erklären Sie folgende Begriffe: a) aerob; b) anaerob; c) mikroaerophil; d) aerotolerant;
e) fakultativ anaerob; f) strikt anaerob.
Die Beziehung der Organismen zum Sauerstoff wird begrifflich differenziert:
a) mit Sauerstoff; Kulturbedingungen sind oder Mikroorganismen wachsen aerob, d.h. nutzen
Sauerstoff als Elektronenakzeptor. Einige aerobe Mikroorganismen können unter SauerstoffAusschluss Nitrat als Elektronenakzeptor nutzen und führen also eine (anaerobe) Nitrat-Atmung
durch.
b) ohne Sauerstoff; Kulturbedingungen sind oder Mikroorganismen wachsen anaerob
c) benötigen nur wenig Sauerstoff [??]
d) Mikroorganismen mit einem anaeroben Stoffwechsel (Gärung) werden durch die Gegenwart von
Sauerstoff nicht geschädigt
e) gleichbedeutend mit fakultativ aerob: Mikroorganismen wachsen je nach gegebener
Kulturbedingung entweder aerob oder anaerob
f) Mikroorganismen leben ausschließlich unter Sauerstoff-Ausschluss, in Gegenwart von Sauerstoff
werden diese Bakterien meist sehr schnell abgetötet
20. Mit welchen Mechanismen schützen sich aerobe Bakterien gegen toxische
Sauerstoffverbindungen?
1. Katalasereaktion
(2 H2O2 Æ H2O + O2)
2. Peroxidasereaktion
(H2O2 + NADH+H+ Æ H2O2 + NAD+)
3. Superoxid-Dismutase (2 O2- + 2 H+ Æ H2O2 + O2)
21. Erklären Sie die grundlegenden Unterschiede von Atmung und Gärung.
Gärungen sind Prozesse, die der Energiegewinnung dienen, bei denen auf Grund des Mangels an
anorganischen Elektronenakzeptoren die während der Substratoxidation anfallenden Elektronen
(Reduktionsäquivalente) auf organische Akzeptoren übertragen werden.
Atmung ist die vollständige Oxidation organischer Substrate zu CO2 und H2O; meist ist dabei
Sauerstoff der Elektronenakzeptor. Atmung ist biochemisch immer mit Elektronentransport in
Membranen verbunden.
22. Hefe (Saccharomyces cerevisiae) kann anaerob die alkoholische Gärung und aerob eine
Atmung ausführen. Wie viel Biomasse, welche Mengen an Produkten werden dabei aus 1000
kg Glucose gebildet?
Anaerob: 20 kg Zellmasse; 460 kg Ethanol; 70 kg Nebenprodukte; 450 kg CO2
Aerob: 430 kg Zellmasse; 410 kg Wasser; 670 kg CO2;
470 kg O2 werden zusätzlich verstoffwechselt
23. Welche Rolle spielen ATP und NAD+ im Stoffwechsel? Sie sind Energietransportmoleküle.
24. Wie lautet die vollständige Bezeichnung für ATP und NAD+?
ATP: Adenosintriphoshat
NAD+: Nicotinsäureamid-Adenosin-Dinukleotid
25. Für welche Aufgaben benötigt jede Zelle ATP?
Für fast alle chemischen Reaktion mit Energiebedarf
26. Wie viel ATP kann bei Gärungen gebildet werden?
1- 4 ATP pro Molekül Glucose
27. Wie viel ATP wird bei der kompletten Veratmung von Glucose zu CO2 und H2O gebildet?
36 - 38 ATP pro Molekül Glucose
28. Wie können Sie bestimmen, wie viel ATP bei einer bestimmten Gärung gebildet wird?
[??]
29. Was verstehen Sie unter YATP?
Die ATP-Ausbeute je Molekül Glucose.
[Diese ist abhängig von der Kohlenstoffquelle, dem Mikroorganismus (Stoffwechsel und
Wachstumsrate) und der Kulturbedingung (pH, Temperatur, Belüftung, Salinität) ??]
Übungsblatt 4:
1. Was bedeutet Wachstum bei Mikroorganismen?
Zunahme der Anzahl der Individuen und nicht die Zunahme der Größe.
2. Wie vermehren sich Mikroorganismen?
Bei Prokaryonten findet zumeist eine binäre Zellteilung statt (binary fission), sehr selten wird
Knospung (budding) beobachtet.
3. Was bedeutet binäre Teilung; wie funktioniert Vermehrung durch Knospung?
Binäre Teilung: Zweiteilung (Schlegel Seite 23 unten)
Knospung: Inäquale Zellteilung, die sich durch lokales Wachstum vollzieht
4. Welche Mikroorganismen vermehren sich durch binäre Teilung, welche durch Knospung?
Knospung: Wasser- und Bodenbakterien
Binäre Teilung: Die meisten Bakterien
5. Was bedeutet exponentielles und arithmetisches Wachstum?
Exponentielles Wachstum: Jede Tochterzelle teilt sich ihrerseits wieder, so dass die Zunahme der
Zellzahl nach dem Schema 2n erfolgt.
Arithmetisches Wachstum: (Schlegel Seite 210 oben)
6. Mit welchen Methoden können Sie das Wachstum von Mikroorganismen verfolgen?
Direkte Methoden:
Gesamtzellzahl (Neubauer-Zählkammer ; „Coulter-Counter“)
Lebendzellzahl (Plattenguss-, Titerverfahren ; MPN-Verfahren)
Nassgewicht, Trockengewicht
Zellprotein, -DNA, -RNA, Gesamtstickstoff usw.
Indirekte Methoden:
Trübung (Optische Dichte)
Sauerstoffaufnahmerate
Kohlendioxid-Bildungsrate
Säure- oder Laugenbildung
Wärmeproduktion
Änderung der Rheologie des Kulturmediums
Für indirekte Methoden ist eine Probennahme nicht erforderlich, wenn das Kulturgefäß mit den
entsprechenden Messgeräten ausgerüstet ist.
7. Welche Vorteile hat die halblogarithmische Auftragung des Wachstums von
Mikroorganismen?
Das Ablesen des Graphen ist erheblich einfacher ; Ein Ablesen des Wachstums auch nach kurzen
Zeitabschnitten ist möglich.
8. Zellen einer Bakterienart teilen sich alle 30min. Wie viel Zellen haben Sie nach 5, 10, 15 und
20 Stunden, wenn Sie von einer einzigen Zelle ausgehen?
5 Stunden: 2(5*2) = 1024
10 Stunden: 1,048 * 106
15 Stunden: 1,0737 * 109
20 Stunden: 1,09 * 1012
9. Salmonella typhimurium teilt sich unter optimalen Bedingungen alle 20min. Ausgehend von
einer einzigen Zelle, wie viel Zellen liegen nach 12, 24 und 48 Stunden vor?
12 Stunden: 2(12*3) = 6,87 * 1010
24 Stunden: 4,72 * 1021
48 Stunden: 2,23 * 1043
10. Eine Zelle aus Frage 9 wiegt 10-12g. Wie viel Zellmasse haben Sie nach 12, 24 und 48
Stunden vorliegen?
Gewicht nach
12 Stunden: 0,069g
24 Stunden: 4,7 * 109g = 4720t
48 Stunden: 2,23 * 1025 t
11. Welche Verdopplungszeiten finden wir bei Bakterien?
Verdopplungszeit (h) => µ = ln2/td => ~ 40 Minuten
12. Erläutern Sie die Unterschiede zwischen Teilungs- und Wachstumsrate und Generationsund Verdopplungszeit!
Teilungsrate: Anzahl Zellteilungen pro Stunde (Symbol: υ)
Wachstumsrate: Veränderung der Zellzahl oder Zellmasse in einer Zeiteinheit
Generationszeit: Zeitintervall für die Verdopplung der Zellzahl
Verdopplungszeit: Zeit für die Verdopplung der Zellmasse
13. Wie sieht eine typische Wachstumskurve einer Bakterienkultur aus?
AnlaufphaseÆexponentielle PhaseÆstationäre PhaseÆAbsterbe-Phase
(Schlegel Seite 211)
14. Was verstehen Sie unter „Trophophase“ und „Idiophase“?
Trophophase: Ernährungs- oder Wachstumsphase
Idiophase: Produktionsphase
15. Wie erklären Sie das langsamere Wachstum in der lag-Phase?
Lag-Phase = Anlaufphase: Zunächst ist eine Anpassung (Adaption) an die neue Umgebung nötig.
16. Wodurch wird das Ende der exponentielle Phase ausgelöst?
Begrenzung durch z.B. Nahrungsangebot, Platz, …
17. Wie ist der Ertrag (Zellausbeute, Ys) definiert?
Def: Zellmasse / g Substrat
18. Welche Erträge können mit folgenden Substraten erreicht werden: Hexan, Sorbit, Glucose,
Succinat und Acetat?
?????
19. Was verstehen Sie unter Primärstoffwechsel und Sekundärstoffwechsel?
Primär: „Innen“ Wachstum und Entwicklung
Sekundär: „Außen“ Interaktion mit der Umwelt
20. Was ist ein Fermenter, wo kommt er zum Einsatz?
„Vermehrungsapparat“ für aerobe Bakterien
Benutzt z.B. in der Industrie zur Züchtung des Hefebakteriums, …
21. Welche Volumina können Fermenter haben?
Fermenter können Volumina von ungefähr 1L bis 10000L haben