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Mikrobiologie 1. Einführung in die Mikrobiologie 1. 1 Definition Mikroorganismen Mikroorganismen: Kleine, meist mikroskopisch kleine Lebewesen, die oft aus einer einzigen Zelle bestehen. Sie umfassen Bakterien, Archaeen, Pilze, Protozoen, Algen und Viren. 1. 2. Allgemeiner Aufbau der prokaryotischen und eukaryotischen Zelle Prokaryotische Zelle: ● Kein Zellkern, DNA im Cytoplasma. ● Keine membranumschlossenen Organellen. ● Zellmembran, Zellwand, Ribosomen, manchmal Flagellen oder Pili. ● Beispiel: Bakterien und Archaeen. Eukaryotische Zelle: ● Zellkern mit DNA. ● Membranumschlossene Organellen (Mitochondrien, Golgi-Apparat, ER, etc. ). ● Zellmembran, manchmal Zellwand (bei Pflanzen und Pilzen), Ribosomen, komplexes Zytoskelett. ● Beispiel: Pflanzen, Tiere, Pilze, Protisten.

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2. Spezieller Aufbau der Bakterien 2. 1. Aufbau der Bakterienzellwand ● Grampositive Bakterien: ○ Dicke Peptidoglycanschicht (Mureinschicht). ○ Teichonsäuren in der Zellwand. ○ Keine äußere Membran. ○ Färben sich violett bei Gramfärbung. ● Gramnegative Bakterien: ○ Dünne Peptidoglycanschicht. ○ Äußeres Membran mit Lipopolysacchariden (LPS). ○ Periplasmatischer Raum. ○ Färben sich rosa/rot bei Gramfärbung. 2. 2. Prinzip der Gramfärbung Gramfärbung: Differenzierung von Bakterien in Gram-positive und Gram-negative basierend auf der Zellwandstruktur. 1. Fixierung: Bakterienzellen werden auf einem Objektträger fixiert (z. B. durch Hitze). 2. Kristallviolett-Färbung: Der Objektträger wird mit Kristallviolett gefärbt, das in die Zellwände aller Bakterien eindringt. 3. Behandlung mit Jodlösung: Eine Jodlösung (Lugol'sche Lösung) wird aufgetragen, die mit dem Kristallviolett einen Komplex bildet. 4. Entfärbung: Der Objektträger wird mit Alkohol (Ethanol oder Aceton) behandelt. Dies ist der kritische Schritt, der die Unterscheidung ermöglicht: ○ Grampositive Bakterien: Dicke Peptidoglykanschicht in der Zellwand behält den Kristallviolett-Jod-Komplex. Die Bakterien bleiben violett gefärbt. ○ Gramnegative Bakterien: Dünne Peptidoglykanschicht und äußere Membran ermöglichen das Auswaschen des Kristallviolett-Jod-Komplexes. Die Bakterien werden farblos.

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5. Gegenfärbung: Der Objektträger wird mit Safranin oder Fuchsin gegengefärbt: ○ Grampositive Bakterien: Bleiben violett. ○ Gramnegative Bakterien: Färben sich pink oder rot. 2. 3. Endo-und Exotoxine ● Endotoxine: ○ Bestandteile der äußeren Membran gramnegativer Bakterien (LPS). ○ Freisetzung bei Zelllyse. ○ Führen zu starken Immunreaktionen (z. B. Fieber, Entzündungen). ● Exotoxine: ○ Proteine, die von Bakterien (grampositiv und gramnegativ) sezerniert werden. ○ Sehr potent und spezifisch für bestimmte Zelltypen. ○ Beispiel: Tetanustoxin, Botulinumtoxin. 2. 4. Vergleich Vegetative Zelle vs. Endospore ● Vegetative Zelle: ○ Metabolisch aktiv. ○ Empfindlich gegenüber Umweltbedingungen. ○ hoher Wassergehalt ● Endospore: ○ Dauerform, die unter ungünstigen Bedingungen gebildet wird. ○ Extrem widerstandsfähig gegen Hitze, Strahlung, Chemikalien. ○ Ruhender Zustand, keine Stoffwechselaktivität. ○ niedriger Wassergehalt 3. Bakteriengenetik 3. 1. Vergleich Prokaryoten vs. Eukaryoten Merkmal Prokaryoten Eukaryoten DNA-Struktur Zirkuläre DNA Lineare Chromosomen Replikation-Ein origin of replication -Schnelle Replikation-Mehrere origins of replication -Langsamere Replikation -Komplexer aufgrund von Histonen und Chromatinstruktur Transkription-Im Zytoplasma -Keine RNA-Prozessierung -Promotorerkennung durch Sigma-Faktor-Im Zellkern -RNA-Prozessierung: 5'-Cap, Poly-A-Schwanz, Spleißen -Promotorerkennung durch Transkriptionsfaktoren

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Merkmal Prokaryoten Eukaryoten Translation-Ribosomen: 70S (50S und 30S Untereinheiten) -Translation beginnt während der Transkription-Ribosomen: 80S (60S und 40S Untereinheiten) -Translation und Transkription sind räumlich und zeitlich getrennt Ort der Prozesse-Beides im Zytoplasma-Transkription im Zellkern, Translation im Zytoplasma 3. 2. Mutationen ● Definition: Veränderung der DNA-Sequenz. ● Spontane Mutation: Tritt ohne äußere Einflüsse auf, z. B. durch Replikationsfehler. ● Induzierte Mutation: Verursacht durch äußere Faktoren wie Chemikalien oder Strahlung. ● Punktmutation: Einzelne Nukleotidveränderung. ○ Stumme Mutation: Keine Auswirkung auf das Protein. ○ Missense-Mutation: Führt zu einer anderen Aminosäure. ○ Nonsense-Mutation: Führt zu einem Stop-Codon. 3. 3. Bakterielle Rekombination ● Definition: Austausch von genetischem Material zwischen Bakterien. ● Horizontaler Gentransfer: ○ Transformation: Aufnahme freier DNA aus der Umgebung. ○ Konjugation: Direkter DNA-Transfer durch Zell-Zell-Kontakt mittels Plasmiden. ○ Transduktion: ■ Allgemein: Bakteriophagen übertragen zufällige DNA-Stücke. ■ Spezifisch: Bakteriophagen übertragen spezifische DNA-Sequenzen. 3. 4. Mangelmutanten ● Mangelmutanten: Bakterien, die bestimmte Nährstoffe nicht synthetisieren können und auf externe Quellen angewiesen sind. ● Replika-Technik: Methode zur Identifikation von Mangelmutanten durch Übertragung von Kolonien auf verschiedene Nährmedien. ● Ames-Test: Test zur Identifikation von mutagenen Substanzen anhand der Rückmutation von Histidin-abhängigen Salmonella typhimurium Mutanten zu Histidin-Unabhängigkeit.

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4. Antibiotika 4. 1. Definition Antibiotikum ● Antibiotikum: Eine Substanz, die das Wachstum von Mikroorganismen hemmt oder diese abtötet. Ursprünglich von Mikroorganismen produziert, wird heute oft auch synthetisch hergestellt. 4. 2. Antibakterielle Aktivität von Antibiotika ● Bakteriostatisch: Hemmt das Wachstum von Bakterien, ohne sie zu töten. ● Bakterizid: Tötet Bakterien ab. ● Bakteriolytisch: Tötet Bakterien ab und lysiert sie. 4. 3. Klassifizierung der Antibiotika nach Wirkort/Wirkweise Antibiotikum Wirkort Wirkweise Mechanismen der Resistenzen Penicillin Zellwand Hemmung der Zellwandsynthese-Beta-Lactamasen, die den Beta-Lactam-Ring hydrolysieren -Veränderung der Penicillin-Bindungsproteine (PBPs) -Efflux-Pumpen Tetracyclin Ribosomen (30S Untereinheit) Hemmung der Proteinsynthese-Efflux-Pumpen -Ribosomale Schutzproteine, die die Bindung verhindern -Enzymatische Inaktivierung Ciprofloxacin DNA-Gyrase und Topoisomerase IV Hemmung der DNA-Replikation-Mutationen in den Zielenzymen (DNA-Gyrase und Topoisomerase IV) -Efflux-Pumpen -Plasmidvermittelte Resistenz Erythromycin Ribosomen (50S Untereinheit) Hemmung der Proteinsynthese-Methylierung der 23S r RNA, die die Bindung verhindert -Efflux-Pumpen -Enzymatische Inaktivierung Vancomycin Zellwand Hemmung der Zellwandsynthese-Änderung der Zielstellen (D-Ala-D-Ala zu D-Ala-D-Lac) -Zellwandverdickung (in grampositiven Bakterien) *Efflux-Pumpen sind wesentliche Komponenten des zellulären Abwehrsystems gegen toxische Substanzen, einschließlich Antibiotika. Durch das aktive Herauspumpen dieser

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Substanzen tragen sie erheblich zur Antibiotikaresistenz bei, was die Behandlung bakterieller Infektionen erschwert. 5. Entkeimungsmethoden 5. 1. Sterilisation ● Physikalische Methoden: ○ Hitze: Anwendung von Dampf unter Druck bei 121°C für 15-20 Minuten. ○ Strahlung: UV-Strahlung oder ionisierende Strahlung. ○ Filtration: Entfernung von Mikroorganismen durch Filtration (für hitzeempfindliche Flüssigkeiten). ● Chemische Methoden: ○ Ethylengas/Formaldehyd: Einsatz im gasförmigen Zustand zur Sterilisation von hitzeempfindlichen Materialien. 5. 2 Autoklavieren ● Autoklavieren: Dampfsterilisation unter Druck (121°C, 15-20 Minuten) zur Abtötung aller Mikroorganismen, einschließlich Sporen. 5. 3. Desinfektion ● Desinfektion: Reduktion der Anzahl pathogener Mikroorganismen auf einem Objekt auf ein sicheres Niveau, nicht notwendigerweise werden alle Mikroorganismen abgetötet. ○ Methoden: Verwendung von Desinfektionsmitteln wie Alkohol, Chlor, Phenolen. 5. 4. Pasteurisierung ● Pasteurisierung: Teilentkeimung durch Erhitzen auf Temperaturen zwischen 60°C und 85°C für kurze Zeiträume zur Reduktion der Anzahl pathogener Mikroorganismen, z. B. in Milch. 5. 5. Konservierung ● Konservierung: Methoden zur Verlängerung der Haltbarkeit von Lebensmitteln durch Hemmung des mikrobiellen Wachstums. ○ Methoden: Salz, Zucker, Konservierungsstoffe, Trocknung, Kühlen, Einfrieren.

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6. Labordiagnostik 6. 1. ELISA (Enzyme-Linked Immunosorbent Assay) 6. 1. 1 Direkter ELISA: ● Prinzip: Detektiert das Antigen mit einem direkt markierten Antikörper. ● Ablauf: 1. Beschichtung: Antigen wird an die Mikrotiterplatte gebunden. 2. Bindung: Ein enzymatisch markierter Antikörper, der spezifisch für das Antigen ist, wird hinzugefügt. 3. Waschen: Nicht gebundene Antikörper werden entfernt. 4. Nachweis: Substrat wird hinzugefügt, das durch das Enzym umgesetzt wird, was zu einer Farbänderung führt. ● Vorteile: Schneller, da nur ein Antikörper verwendet wird. ● Nachteile: Weniger flexibel, da jeder zu detektierende Antigen-Antikörper eine spezifische Markierung erfordert. 6. 1. 2. Indirekter ELISA: ● Prinzip: Detektiert das Antigen mit einem unmarkierten primären Antikörper und einem markierten sekundären Antikörper. ● Ablauf: 1. Beschichtung: Antigen wird an die Mikrotiterplatte gebunden. 2. Bindung: Ein unmarkierter primärer Antikörper, der spezifisch für das Antigen ist, wird hinzugefügt. 3. Waschen: Nicht gebundene primäre Antikörper werden entfernt. 4. Sekundärbindung: Ein markierter sekundärer Antikörper, der spezifisch für den primären Antikörper ist, wird hinzugefügt. 5. Waschen: Nicht gebundene sekundäre Antikörper werden entfernt. 6. Nachweis: Substrat wird hinzugefügt, das durch das Enzym umgesetzt wird, was zu einer Farbänderung führt. ● Vorteile: Flexibler, da ein sekundärer Antikörper für viele primäre Antikörper verwendet werden kann, Signalverstärkung. ● Nachteile: Etwas zeitaufwändiger und komplexer als direkter ELISA. 6. 2. Zellkultur ● Prinzip: Kultivierung von Zellen in einem kontrollierten, künstlichen Umfeld zur Untersuchung ihrer Eigenschaften und Verhaltensweisen. ● Verwendung: ○ Diagnose von Infektionskrankheiten. ○ Testen von Arzneimitteln und Toxizität. ○ Forschung zur Zellbiologie und Genetik.

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7. Immunologie und Infektiologie 7. 1. Unspezifische und spezifische Immunabwehr ● Unspezifische Immunabwehr: ○ Barrieren: Haut, Schleimhäute. ○ Zellen: Phagozyten (Makrophagen, Neutrophile), natürliche Killerzellen. ○ Mechanismen: Entzündungsreaktion, Fieber, Komplementsystem. ● Spezifische Immunabwehr: ○ Lymphozyten: B-Zellen (Antikörperproduktion), T-Zellen (Zytotoxische T-Zellen, Helferzellen). ○ Antikörper: Spezifische Immunproteine, die Antigene erkennen und binden. 7. 2. Antikörper ● Aufbau: ○ Struktur: Y-förmige Moleküle, bestehen aus zwei schweren und zwei leichten Ketten. ○ Regionen: Variable Region (Antigenbindungsstelle), konstante Region. ● AK-Klassen: ○ Ig G: Häufigster Antikörper im Blut, langanhaltender Schutz. ○ Ig M: Erstantwort-Antikörper, pentamer. ○ Ig A: Schutz auf Schleimhäuten, dimer. ○ Ig E: Abwehr von Parasiten, beteiligt an allergischen Reaktionen. ○ Ig D: Funktion nicht vollständig geklärt. Kriterium Monoklonale Antikörper Polyklonale Antikörper Definition Von einem einzelnen B-Zell-Klon abstammend, erkennen ein spezifisches Epitop. Mischung von Antikörpern von verschiedenen B-Zell-Klonen, erkennen verschiedene Epitope auf einem Antigen. Spezifität Sehr hoch, da sie ein einziges Epitop erkennen. Geringer, da sie mehrere Epitope erkennen.

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Kriterium Monoklonale Antikörper Polyklonale Antikörper Variabilität Niedrig, da sie identisch sind und nur ein Epitop erkennen. Hoch, da sie verschiedene Epitope erkennen können. Herstellung Hybridom-Technik: Fusion von B-Zellen mit Myelomzellen. Immunisierung von Tieren, Sammlung und Aufreinigung des Serums. Gleichmäßigkeit Sehr konsistent und reproduzierbar. Variabler zwischen Chargen, da sie von verschiedenen B-Zell-Klonen stammen. Anwendungen Forschung, Diagnostik und Therapie, wo hohe Spezifität erforderlich ist. Forschung und Diagnostik, wo hohe Empfindlichkeit und Robustheit benötigt werden. 7. 3. Primäre und sekundäre Immunantwort ● Primäre Immunantwort: Erste Exposition gegenüber Antigen, langsame Reaktion, Bildung von Gedächtniszellen. ● Sekundäre Immunantwort: Schnellere und stärkere Reaktion bei erneuter Exposition, Gedächtniszellen ermöglichen schnelle Antikörperproduktion. 7. 4. Impfungen ● Passive Immunisierung: Verabreichung von fertigen Antikörpern, kurzzeitiger Schutz. ● Aktive Immunisierung: Verabreichung von Antigenen zur Stimulation der eigenen Immunantwort, langfristiger Schutz. 7. 5. Vakzine (Impfstoff-Varianten) ● Lebendimpfstoffe: Abgeschwächte lebende Erreger. ● Totimpfstoffe: Inaktivierte Erreger oder deren Komponenten. ● Subunit-Impfstoffe: Bestandteile des Erregers (Proteine, Polysaccharide). ● m RNA-Impfstoffe: m RNA, die für ein Antigen des Erregers codiert.

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8. Viren 8. 1. Allgemeiner Aufbau ● Genom: Das genetische Material des Virus, das entweder aus DNA oder RNA bestehen kann und die Informationen für die Virusvermehrung enthält. ● Capsid: Eine Proteinhülle, die das virale Genom umgibt und schützt. Das Capsid besteht aus Proteinuntereinheiten, die Capsomere genannt werden. ● Nucleocapsid: Die Kombination aus dem Genom und dem Capsid wird als Nucleocapsid bezeichnet. ● Membranhülle (bei behüllten Viren): Viele Viren besitzen eine äußere Lipidhülle, die aus der Membran der Wirtszelle stammt. Diese Hülle umgibt das Nucleocapsid. ● Glykoproteine: Diese Proteine ragen aus der Membranhülle heraus und dienen als Erkennungs-und Bindungsstellen für die Wirtszellen. Sie spielen eine Schlüsselrolle beim Eintritt des Virus in die Wirtszelle. ● Membranproteine: Diese Proteine sind in der Membranhülle eingebettet und können verschiedene Funktionen haben, einschließlich der Strukturstabilisierung und der Unterstützung der Virusassemblierung. 8. 2. Klassifizierung nach Baltimore Klasse Genomtyp m RNA-Synthese Beispiele I Doppelsträngige DNA (ds DNA) DNA wird als Vorlage für m RNA verwendet Adenoviren, Herpesviren, Pockenviren II Einzelsträngige DNA (ss DNA) ss DNA wird zu ds DNA umgeschrieben, die als Vorlage für m RNA dient Parvoviren III Doppelsträngige RNA (ds RNA) RNA-abhängige RNA-Polymerase synthetisiert m RNA aus ds RNA Reoviren (z. B. Rotaviren)

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Klasse Genomtyp m RNA-Synthese Beispiele IV Einzelsträngige (+)RNA (ss(+)RNA) (+)RNA dient direkt als m RNA Coronaviren, Flaviviren, Picornaviren V Einzelsträngige (-)RNA (ss(-)RNA) RNA-abhängige RNA-Polymerase synthetisiert m RNA aus (-)RNA Orthomyxoviren, Rhabdoviren VI ss(+)RNA mit DNA-Zwischenstufe Reverse Transkriptase synthetisiert DNA aus RNA, die als Vorlage für m RNA dient Retroviren (z. B. HIV) VII ds DNA mit RNA-Zwischenstufe Virale DNA wird als Vorlage für m RNA verwendet, die durch reverse Transkription in DNA umgeschrieben wird Hepadnaviren (z. B. Hepatitis-B-Virus) 8. 3. Interaktion der Viren mit Wirtszellen Phase Beschreibung Mechanismus Anheftung/Adsorption Virus bindet an Zelloberflächenrezeptoren Virusproteine binden an spezifische Rezeptoren Eindringen/Penetration Virus oder Genom gelangt in die Zelle Endozytose, Fusion, direkte Injektion Freisetzung des Genoms/Uncoating Virales Genom wird freigesetzt Abbau des Kapsids durch zelluläre Enzyme Replikation und Transkription Genomreplikation und m RNA-Synthese Abhängig vom Genomstyp und Ort der Replikation Synthese viraler Proteine Translation der viralen m RNA in Proteine Wirtsribosomen synthetisieren virale Proteine Zusammenbau/Assembly Zusammenbau neuer Viruspartikel Virale Genome und Proteine werden zusammengefügt Freisetzung/Release Freisetzung neuer Viren aus der Wirtszelle Lysis oder Knospung 8. 4. Bakteriophagen ● Virulent: Führen zur Lyse der Wirtszelle. ● Temperent: Können lysogen oder lytisch sein.

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8. 4. 1. Lytischer und lysogener Zyklus ● Lytischer Zyklus: Virus repliziert und tötet die Wirtszelle. ● Lysogener Zyklus: Virales Genom integriert in das Wirtsgenom und bleibt latent. 8. 5. Plaqueassay ● Definition: ○ Ein Labortechnik zur Quantifizierung der Konzentration von Viren in einer Lösung. ● Durchführung: ○ Zunächst wird eine Zellkultur in einer Petrischale vorbereitet. ○ Die zu untersuchende Virenprobe wird auf die Zellkultur aufgetragen. ○ Die Schale wird inkubiert, damit sich die Viren auf den Zellen vermehren können. ● Plaquebildung: ○ Infizierte Zellen sterben ab und bilden klare Bereiche, sogenannte Plaques, in der Zellkultur. ○ Jede Plaque repräsentiert die ursprüngliche Infektion durch ein einzelnes infektiöses Viruspartikel. ● Quantifizierung: ○ Die Anzahl der Plaques wird gezählt, um die Konzentration der Viren in der ursprünglichen Probe zu bestimmen. ○ Die Ergebnisse werden oft als Plaquebildende Einheiten pro Milliliter (PFU/ml) angegeben. ● Herausforderungen: ○ Nicht alle Viren bilden Plaques, was die Anwendung auf bestimmte Viren begrenzen kann. 8. 6. Humane Viren HIV (Humanes Immundefizienz-Virus): ● Erreger von AIDS (Erworbenes Immunschwächesyndrom).

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● Aufbau: Retrovirus mit RNA-Genom und Reverse Transkriptase. ● Funktionsweise: Infiziert und zerstört CD4+-T-Zellen des Immunsystems. ● Reverse Transkriptase: Enzym, das die virale RNA in DNA umschreibt, was zur Integration des Virusgenoms in das Wirtsgenom führt. ● Behandlung: Antiretrovirale Therapie (ART) zur Hemmung der Virusvermehrung und Erhaltung des Immunsystems. Influenza (Grippevirus): ● Erreger der Grippe. ● Aufbau: RNA-Virus mit einzelsträngigem RNA-Genom. ● Funktionsweise: Infiziert Zellen der Atemwege, verursacht grippeähnliche Symptome. ● Reverse Transkriptase: Influenzavirus verwendet keine Reverse Transkriptase, sondern einen RNA-abhängigen RNA-Polymerase-Komplex, um sein RNA-Genom zu replizieren. ● Behandlung: Impfung als Prävention, antivirale Medikamente wie Neuraminidase-Inhibitoren zur Behandlung.

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