Taschenlehrbuch Biologie: Mikrobiologie (eBook)

Katharina Munk: Taschenlehrbuch Biologie – Mikrobiologie 1
Auf einen Blick 2
Innentitel 4
Impressum 5
Vorwort 6
Hinweise zur Benutzung 9
So arbeiten Sie effektiv mit der Taschenlehrbuch-Reihe 9
Adressen 10
Inhaltsverzeichnis 12
1 Die Welt der Mikroorganismen 20
1.1 Winzlinge mit großem Anpassungsvermögen 20
1.2 Mikroorganismen in der Natur 24
1.3 Mikrobielle Besiedelung von Wirtsorganismen 27
1.4 Mikroorganismen im Dienst des Menschen 30
2 Struktur und Funktion der Zellen von Mikroorganismen 33
2.1 Die Zelle: Grundeinheit des Lebens 33
2.1.1 Zellgröße 35
2.1.2 Zellformen und Zellverbände 36
2.2 Die Endosymbiontentheorie 38
2.2.1 Endosymbiosen als flexibles Prinzip der Evolution 39
2.2.2 Die Entstehung der Organellen 40
2.3 Zellstrukturen 44
2.3.1 Zellmembranen 44
2.3.2 Zellhülle 49
2.3.3 Exopolymere 58
2.3.4 Bewegungsformen 61
2.3.5 Cytoskelett 70
2.3.6 Zelleinschlusskörper und ihre Funktion 71
2.4 Zelldifferenzierung 73
2.4.1 Dauerformen bei eukaryotischen Einzellern 74
2.4.2 Endosporen 75
2.4.3 Andere Dauerformen 77
3 Systematik und Phylogenie 78
3.1 Grundlagen 78
3.2 Methoden der Bakterientaxonomie 79
3.3 Das System der drei Urreiche 83
3.3.1 Sequenzanalysen und Phylogenie 83
3.3.2 Der neue Stammbaum des Lebens 86
3.4 Die Entwicklungslinien der Bacteria 89
3.4.1 Aquificae, Thermodesulfobacteria und Thermotogae 90
3.4.2 Chloroflexi: Schwefelfreie Grüne Bakterien 91
3.4.3 Chlorobi (Grüne Schwefelbakterien) 92
3.4.4 Deinococcus-Thermus 93
3.4.5 Spirochaetes 94
3.4.6 Bacteroidetes 94
3.4.7 Chlamydiae 95
3.4.8 Cyanobacteria 96
3.4.9 Firmicutes 97
3.4.10 Actinobacteria 100
3.4.11 Proteobacteria 102
3.4.12 Weitere Entwicklungslinien der Bacteria 115
3.5 Die Entwicklungslinien der Archaea 117
3.5.1 Crenarchaeota 119
3.5.2 Euryarchaeota 121
3.5.3 Weitere Entwicklungslinien der Archaea 124
4 Viren 125
4.1 Struktur- und Vermehrungsprinzipien der Viren 125
4.2 Virale Genomtypen und Virusgruppen 131
4.2.1 DNA-Viren 133
4.2.2 RNA-Viren 138
4.2.3 Retroviren 142
4.2.4 Viroide und defekte Viren 147
4.2.5 Prionen 148
4.3 Strategien der Virusinfektion 149
4.4 Methoden zum Nachweis von Viren 153
4.4.1 Elektronenmikroskopische Nachweisverfahren 153
4.4.2 Zellbiologische Nachweisverfahren 154
4.4.3 Molekularbiologische Nachweisverfahren 156
4.4.4 Immunologische Nachweisverfahren 157
5 Pilze 159
5.1 Was sind Pilze? 159
5.1.1 Das System der Pilze 160
5.1.2 Der Aufbau der pilzlichen Zelle 161
5.1.3 Stoffwechsel der Pilze 166
5.1.4 Sekundärmetabolite 166
5.2 Molekularbiologie mit Pilzen 169
5.2.1 Mutation und Selektion 169
5.2.2 Transformation mit Pilzen 173
5.3 Alternative Wuchsformen: Hefe oder Hyphe? 175
5.4 Sporenbildung 180
5.4.1 Pilze können sehen – Lichtwahrnehmung 184
5.4.2 Pilze haben eine innere Uhr 188
5.4.3 Altersforschung bei Pilzen 189
5.4.4 Sex ja – Inzucht nein: Die Wahl des richtigen Partners 190
5.4.5 Kommunikation über Pheromone 192
5.5 Pilze als Lebenspartner 196
5.5.1 Flechten 196
5.5.2 Die Mykorrhiza 199
5.6 Pathogene Pilze 202
5.7 Kuriositäten 206
5.7.1 „Schießende“ Pilze 206
5.7.2 „Pilze“ auf Wanderschaft 206
5.7.3 „Räuberische Pilze“ 208
6 Mikrobielle Genetik 209
6.1 Das genetische System der Mikroorganismen 209
6.1.1 Struktur der DNA 209
6.1.2 Mikrobielle Genome 213
6.1.3 Mikrobielle Chromosomen 216
6.1.4 DNA-Replikation 220
6.1.5 Transkription 223
6.1.6 Translation 226
6.1.7 Proteinfaltung, Modifikation und Stabilität 230
6.2 Veränderungen der Erbsubstanz durch Mutationen 232
6.2.1 Mutationen und Mutanten 233
6.2.2 DNA-Reparatur-Mechanismen 246
6.3 Veränderungen der Erbsubstanz durch Rekombination 249
6.4 Biologie der Plasmide 252
6.5 Transponierbare Elemente 257
6.6 Gentransfer 259
6.6.1 Transformation 259
6.6.2 Transduktion 263
6.6.3 Konjugation 266
6.1.3 Einschränkung des Gentransfers durch Restriktion und Modifikation 273
7 Mikrobielles Wachstum 276
7.1 Wachstumsansprüche von Mikroorganismen 276
7.1.1 Makro- und Mikroelemente 276
7.1.2 Wachstumsfaktoren 279
7.1.3 Nährmedien 280
7.2 Wachstum und Vermehrung 281
7.2.1 Zellteilung bei Mikroorganismen 282
7.2.2 Wachstum bei Mikroorganismen 284
7.2.3 Messung des Wachstums 290
7.3 Sicherheit im Umgang mit Mikroorganismen 296
7.3.1 Sterilisation und Desinfektion 297
7.3.2 Sicherheit im Labor 300
7.4 Kultivierung von Mikroorganismen 304
7.4.1 Kultivierung im Labormaßstab 304
7.4.2 Kultivierung im industriellen Maßstab 308
7.4.3 Statische und kontinuierliche Kultur 309
7.4.4 Anreicherung von Mikroorganismen 313
7.4.5 Isolierung von Mikroorganismen 314
7.5 Identifizierung und Charakterisierung von Mikroorganismen 318
7.5.1 Mikroskopische Untersuchungen 318
7.5.2 Untersuchung von Stoffwechselprozessen 319
7.5.3 Molekularbiologische Untersuchungen 322
8 Der Energiestoffwechsel der Mikroorganismen 323
8.1 Grundprinzipien des Energiestoffwechsels 323
8.1.1 Energie- und Leistungsstoffwechsel und ihre Verknüpfung 323
8.1.2 Stoffwechselvielfalt der Mikroorganismen 325
8.2 Bioenergetische Grundlagen 328
8.2.1 Änderung der Freien Energie im Verlauf einer chemischen Reaktion 330
8.2.2 Redoxreaktionen und das Redoxpotential 333
8.2.3 Das elektrochemische Potential 335
8.3 Mechanismen der Energiekonservierung 338
8.3.1 Substratstufenphosphorylierung 339
8.3.2 Elektronentransportphosphorylierung 340
8.4 Phototrophie 352
8.4.1 Photosynthetische Pigmente 355
8.4.2 Antennensysteme und photosynthetische Membranen 357
8.4.3 Reaktionszentren der Photosysteme 359
8.4.4 Lichtgetriebener Elektronentransport mit einem Photosystem 359
8.4.5 Lichtgetriebener Elektronentransport mit zwei Photosystemen 362
8.4.6 Die lichtgetriebene Protonenpumpe der Haloarchaea 365
8.5 Chemoorganotrophie: I. Zentrale Abbauwege zur Oxidation organischer Verbindungen 368
8.5.1 Die Glykolyse: Der Embden-Meyerhof-Parnas-Weg 369
8.5.2 Der Entner-Doudoroff-Weg 371
8.5.3 Der Phosphoketolase-Weg 374
8.5.4 Oxidation des Pyruvats 374
8.5.5 Der Citratzyklus 374
8.5.6 Die ?-Oxidation der Fettsäuren 376
8.6 Chemoorganotrophie: II. Aerobe und anaerobe Atmung 378
8.6.1 Aerobe Atmung 380
8.6.2 Nitratatmung 383
8.6.3 Fumaratatmung 384
8.6.4 Sulfatatmung 385
8.6.5 Methanogenese 386
8.6.6 Acetogenese 390
8.7 Chemoorganotrophie: III. Gärung 393
8.7.1 Milchsäuregärung 395
8.7.2 Ethanolgärung 397
8.7.3 Gemischte Säuregärung 398
8.7.4 Propionsäuregärung 400
8.7.5 Buttersäuregärung und Lösungmittelgärung 402
8.7.6 Vergärung von Aminosäuren 404
8.7.7 Vergärung von Citrat 405
8.8 Chemolithotrophie 407
8.8.1 Nitrifikanten: Ammonium- und nitritoxidierende Bakterien 410
8.8.2 Sulfurikanten: Oxidation reduzierter Schwefelverbindungen 410
8.8.3 Eisenoxidierende Bakterien 411
8.8.4 Wasserstoffoxidierende Bakterien 412
8.8.5 Kohlenmonoxidoxidierende Bakterien 412
9 Biosyntheseleistungen von Mikroorganismen 414
9.1 Stoffaufnahme und Transport 414
9.2 Das Netzwerk des Stoffwechsels 421
9.2.1 Anaplerotische Reaktionen 423
9.2.2 CO2-Fixierung in Prokaryoten 427
9.3 Die Biosynthese von Monomeren in Mikroorganismen 433
9.3.1 Monosaccharide 434
9.3.2 Aminosäuren 436
9.3.3 Nucleotide 440
9.3.4 Fettsäuren 443
9.4 Die Synthese von Polymeren in Mikroorganismen 446
9.4.1 Polysaccharide 447
9.4.2 Lipide 448
9.4.3 Nucleinsäuren und Proteine 452
9.5 Die Synthese der bakteriellen Zellwand 454
9.5.1 Die Biosynthese des Peptidoglykans 454
9.5.2 Biosynthese archaebakterieller Zellwände 461
10 Anpassungsfähigkeit von Mikroorganismen 463
10.1 Grundlagen der Anpassung von Mikroorganismen an Veränderungen in ihrem Lebensraum 463
10.1.1 Organismus und Umwelt 463
10.1.2 Umweltreiz und molekulare Antwort 464
10.1.3 Regulatoren der Anpassung 466
10.1.4 Regulon, Modulon, Stimulon 468
10.2 Anpassung an Temperaturbedingungen 471
10.2.1 Anpassung an extreme Temperaturen 472
10.2.2 Hitzeschock-Antwort 474
10.2.3 Kälteschock-Antwort 476
10.3 Anpassung an pH-Bedingungen 477
10.3.3 Anpassung an Lebensräume mit extremen pH-Werten 479
10.3.4 Säure-Base-Schock-Antwort 480
10.4 Anpassung an osmotische Bedingungen 482
10.4.1 Wasseraktivität 482
10.4.2 Halophile Mikroorganismen 484
10.4.3 Anpassung an Standorte extremer Osmolarität 485
10.5 Anpassung an Sauerstoffpartialdruck und Sauerstoffstress 488
10.5.1 Sauerstoff und Energiegewinnung 488
10.5.2 Regulation des Energiestoffwechsels 489
10.5.3 Sauerstoffstress 491
10.5.4 Sauerstoffstress-Antwort 492
10.6 Stoffwechselsteuerung durch stringente Kontrolle, Attenuation, RNA-Schalter, Stationärphase und Katabolitenregulation 494
10.6.1 Stringente Kontrolle 495
10.6.2 Steuerung der Aminosäure- und Cofaktorenbiosynthese auf Ebene der RNA durch Attenuation und RNA-Schalter 497
10.6.3 Stationärphase und generelle Stressantwort 499
10.6.4 Regulation des Katabolismus 502
10.7 Regulation der Assimilation und Fixierung von Stickstoff 505
10.7.1 Regulation der Stickstoffassimilation 506
10.7.2 Kontrolle der Stickstofffixierung 508
10.8 Regulation der Phosphorassimilation 510
10.9 Regulation der Sporulation von Bacillus subtilis 512
10.9.1 Sporenbildung bei Bakterien 512
10.9.2 Molekulare Regulation der Sporenbildung in B. subtilis 514
11 Einfluss von Mikroorganismen auf Natur und Mensch 517
11.1 Auf- und Abbau von Biomasse 517
11.1.1 Der Biomassekreislauf 517
11.1.2 Zusammensetzung und Depolymerisierung der Biomasse 519
11.2 Stoffkreisläufe 531
11.2.1 Kohlenstoffkreislauf 532
11.2.2 Stickstoffkreislauf 536
11.2.3 Schwefelkreislauf 543
11.2.4 Phosphorkreislauf 547
11.3 Mikrobielle Besiedelung des Menschen 548
11.3.1 Die Normalflora des Menschen 549
11.3.2 Pathogene Mikroorganismen 552
11.3.3 Übertragungswege 555
11.3.4 Infektionskrankheiten des Menschen 555
11.3.5 Infektionsschutz 564
11.3.6 Infektionstherapie 565
12 Mikrobielle Biotechnologie 568
12.1 Mikroorganismen und mikrobielle Enzyme im Dienste des Menschen 568
12.1.1 Wirtschaftliche Bedeutung der mikrobiellen Biotechnologie 570
12.1.2 Der Einsatz von Mikroorganismen in der Biotechnologie 571
12.2 Lebensmittelherstellung und -veredelung 574
12.2.1 Fermentierte Lebensmittel 574
12.2.2 Alkoholische Getränke 575
12.2.3 Essig 576
12.3 Stoffproduktion mit Mikroorganismen 577
12.3.1 Ablauf biotechnologischer Produktionsverfahren 578
12.3.2 Biomasse als Produkt 580
12.3.3 Mikrobielle Produkte für Gesundheit und Ernährung 581
12.3.4 Mikrobielle Produkte für technische Zwecke 592
12.3.5 Mikrobielle Produktion von Enzymen 593
12.4 Stoffumwandlung mit Mikroorganismen und Enzymen 595
12.4.1 Biotransformationen 596
12.4.2 Stoffumwandlung mit mikrobiellen Enzymen 596
12.5 Umweltbiotechnologie 599
12.5.1 Abwasseraufbereitung 599
12.5.2 Abbau von Naturstoffen 602
12.5.3 Bodensanierung und Abbau von Xenobiotika 602
12.5.4 Mikrobielle Luftreinigung 603
Bildquellen 606
Titelliste 607
Sachverzeichnis 608