Allgemeine Mikrobiologie E-Book

• Herausgeber: Thieme
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Sprache: Deutsch

Seitenzahl: 2119

Veröffentlichungsjahr: 2021

Beschreibung

Das Standardwerk der Mikrobiologie – aktuell, umfassend und komplett überarbeitet

Hier erfährst du alles, was du im Biologiestudium über Mikrobiologie wissen musst:
- Mikroorganismen im Überblick
- allgemeiner Zellstoffwechsel mit Biosynthesen und Abbau organischer Verbindungen
- besondere Stoffwechselleistungen, z.B. Methanbildung
- Genetik und Molekularbiologie
- Ökologie, Symbiose, Antagonismus
- Systematik der Mikroorganismen, vernetzt mit dem Stoffwechselkapitel
- Biogeochemie und marine Mikrobiologie
- Einführung in die medizinische Mikrobiologie und Infektionskrankheiten
- neuer Teil zu Coronaviren
- Biotechnologie inkl. Informationen zu Fermentationstechnik und Lebensmittelbiologie
- Anhang mit den wichtigsten thermodynamischen Grundlagen des Stoffwechsels
- Vokabularium zur etymologischen Herkunft von Fachausdrücken

Großes Format, übersichtliches Layout, bewährtes didaktisches Konzept:
- viele Bilder und Grafiken, komplett farbig
- klar formulierter Haupttext
- spannend und verständlich geschrieben
- verschiedenfarbige Boxen mit vertiefendem Wissen und Methoden

Gut zu wissen: Der Buchinhalt steht dir ohne weitere Kosten digital in unserem Lernportal via medici und in der Wissensplattform eRef zur Verfügung (Zugangscode im Buch). Mit der kostenlosen eRef App hast du viele Inhalte auch offline immer griffbereit.

Leseprobe

Allgemeine Mikrobiologie

Georg Fuchs

Marc Bramkamp, Bernhard Schink, Erwin Schneider, Gottfried Unden, Börries Kemper, Petra Dersch, Thomas Eitinger, Georg Fuchs, Johann Heider, Erika Kothe, Susanne Modrow, Jörg Overmann, Christian Rüter

* Autoren aus Vorauflage

Begründet von Hans G. Schlegel

11., vollständig überarbeitete Auflage

905 Abbildungen

Vorwort zur 11. Auflage

Seit der letzten, vollständig überarbeiteten und erweiterten Auflage sind 7 Jahre vergangen. Wir haben deshalb das Lehrbuch erneut gründlich überarbeitet. Eine maßvolle Erweiterung des Umfangs ist begründet durch eine ausführlichere, bessere Didaktik und durch viele inhaltliche Neuerungen. Eine Betonung erfuhren die medizinisch wichtigen Aspekte der allgemeinen Mikrobiologie, besonders die Kapitel über Viren und über Medizinische Mikrobiologie. Öfter als sonst werden wir danach gefragt: „Sag mal, du bist doch Mikrobiologe, …“. Deshalb verdiente dieser Aspekt mehr Aufmerksamkeit.  

Gerade in Zeiten der Coronakrise hat selbständiges Lernen anhand eines Lehrbuchs wieder an Bedeutung gewonnen.  Durch die großartigen Möglichkeiten des Internets kann man zwar jedes erdenkliche Detail erfahren und sich weiterklicken. Aber „…dann hat er die Teile in seiner Hand, fehlt, leider, nur das geistige Band.“ Dieses geistige Band gehört zum gründlichen wissenschaftlichen Rüstzeug, und es zu knüpfen ist mehr denn je Aufgabe eines Lehrbuches.  

Zwei Autoren sind aus dem Team ausgeschieden, Erwin Schneider und Börries Kemper. Ihnen gilt unser großer Dank, denn auf ihrer Arbeit konnten Andere aufbauen. Das Kapitel 4 (Viren) hat Frau Susanne Modrow übernommen. Kapitel 5 (Prokaryontische Zellbiologie) vertritt Marc Bramkamp. Das Kapitel 19 (Mikroorganismen als Symbionten und Antagonisten) ging in die Hände von Petra Dersch und Christian Rüter. Die Kapitel 2, 10, 12 und 13 hat Georg Fuchs bearbeitet.  

Wir danken herzlich Kolleginnen und Kollegen für wichtige Anregungen, Korrekturen und Bildmaterial: Hans-Jürgen Kutzner (Darmstadt), Hans-Dieter Klenk (Marburg), Christiane Dahl (Bonn),  Gerhard Wanner (München), Andreas Kappler (Tübingen).

Unser besonderer Dank gilt den Verlagsmitarbeitern, allen voran unserer bewährten Lektorin, Frau Dr. Karin Hauser, und Frau Marianne Mauch. Es war wieder eine Freude, mit ihnen zusammenzuarbeiten.

Wir schließen mit dem Rat eines persischen Dichters: „Sucht nicht, denn Ihr sucht vergeblich, nach einem Menschenbruder ohne Fehler“, und fügen hinzu: „... nach einem Lehrbuch ohne Fehler“. Wir sind für Hinweise auf Fehler und Lücken, für alle Vorschläge und Verbesserungen sehr dankbar. Leider bekommen wir so gut wie keine Rückmeldungen, und so erfreuen wir uns an einem der wenigen Kommentare eines Lesers zur letzten Auflage: „Noch besser!“ Das sei unser Motto.

Sommer 2021

Die Autoren

Vorwort zur 1. Auflage

Die Mikrobiologie behandelt vorwiegend die großen Gruppen der Pilze, Bakterien und Viren, die an Mannigfaltigkeit und physiologischen Phänomenen den Objekten der traditionellen Fächer Botanik und Zoologie nicht nachstehen. Zur Lösung der Grundprobleme der allgemeinen Biologie hat das Studium der Mikroorganismen in den letzten Jahren hervorragende Beiträge geleistet. Die leichte Handlichkeit, das rasche Wachstum, das hohe Anpassungsvermögen und andere Eigenschaften haben die Mikroorganismen zu den bevorzugten Objekten der Biochemie und Genetik werden lassen.

Den Studierenden der Mikrobiologie stehen die hervorragenden, im Literaturverzeichnis genannten Lehrbücher „Stanier et al., General Microbiology“, „Thimann, Das Leben der Bakterien“, und „Davis et al., Microbiology“, sowie zahlreiche andere Lehr- und Handbücher zur Verfügung. Es fehlte jedoch eine knapp gefasste Darstellung, die nicht nur dem Mikrobiologen eine Übersicht, sondern auch dem Studierenden der Botanik, Zoologie, Pharmazie, Landwirtschaft, Medizin, Chemie und Physik die nötigen Grundkenntnisse in der Allgemeinen Mikrobiologie zu vermitteln vermag. Das vorliegende Buch soll den Anforderungen dieses weiten Leserkreises Rechnung tragen. Es soll einen allgemeinen Überblick und spezielle Kenntnisse vermitteln und Anregungen geben. Das Buch setzt gewisse Kenntnisse in der Biologie voraus, die beispielsweise in den in der gleichen Reihe herausgegebenen kurzen Lehrbüchern der Botanik und der Zoologie vermittelt werden. Das Buch regt auch dazu an, Grenzgebiete, in erster Linie Allgemeine Biochemie, eingehend zu studieren. Neben einem Skelett der chemischen Grundreaktionen des Stoffwechsels werden hier nur die für Mikroorganismen typischen Stoffwechselreaktionen hinreichend ausführlich dargelegt.

Zugunsten einer möglichst eingehenden Darstellung grundlegender Zusammenhänge und unter Hintansetzung einer mehr beschreibenden Mitteilung konzentriert sich der vorliegende Text auf die Physiologie der Bakterien. Durch das Verständnis molekularer Zusammenhänge ist die Biologie einfacher und leichter überschaubar geworden. Die mannigfaltigen Lebensäußerungen und Stoffwechselleistungen lassen sich auf gemeinsame Ursachen und eine begrenzte Zahl von Elementarstrukturen und -prozessen sowie von Bau- und Stoffwechselplänen zurückführen, deren Kenntnis wiederum auch für den deskriptiven Bereich wertvolle heuristische Prinzipien abzuleiten gestattet. So trägt das Eindringen in die Tiefe für das Verständnis der Breite reiche Frucht.

Dank: Für die vielfältige Unterstützung, Kritik und Beratung, die ich von meinen Mitarbeitern D. Claus, U. Eberhardt, G. Gottschalk und N. Pfennig erfahren habe, sei an dieser Stelle besonders gedankt. Einen wesentlichen Anteil an der Arbeit hat Fräulein Dr. K. Schmidt. Ohne ihre Mithilfe bei dem Entwurf der Zeichnungen, bei der Durcharbeitung des Manuskripts und vielen redaktionellen Arbeiten wäre der rechtzeitige Abschluss des Manuskripts nicht möglich gewesen. Herrn L. Schnellbächer danke ich für die sorgfältige und verständnisvolle Ausführung der Zeichnungen. Frau M. Welskop sei für das Schreiben des Manuskripts und die Abfassung des Sachverzeichnisses gedankt.

Dank gebührt auch allen Kollegen, die mir unveröffentlichte fotografische Abbildungen überlassen oder Hochglanzabzüge bereits veröffentlichter Abbildungen zur Verfügung gestellt haben. Die großzügige Genehmigung der Wiedergabe dieser Abbildungen durch die Verlagshäuser wird dankbar gewürdigt.

Besondere Anerkennung verdient der Georg Thieme Verlag, der es unternommen hat, für die biologischen Wissenschaften eine Reihe außerordentlich preiswerter, gut ausgestatteter einführender Lehrbücher herauszubringen.

H.-G. Schlegel

Göttingen, im November 1968

Inhaltsverzeichnis

Titelei

Vorwort zur 11. Auflage

Vorwort zur 1. Auflage

1 Die Mikroorganismen – eine kurze Einführung

1.1 Überblick

1.2 Was sind Mikroorganismen?

1.3 Die Anfänge der Mikrobiologie

1.4 Die alten drei Reiche: Tiere, Pflanzen und Protisten

1.4.1 Tiere

1.4.2 Pflanzen

1.4.3 Protisten

1.5 Von den zwei Reichen der Prokaryonten und Eukaryonten zu drei neuen Domänen

1.5.1 Die zwei Reiche: Prokaryonten und Eukaryonten

1.5.2 Die drei neuen Domänen: Archaea, Bacteria und Eukarya

1.6 Phylogenetischer Stammbaum und Evolution der Organismen

1.7 Allgemeine Eigenschaften der Mikroorganismen

1.7.1 Das erfolgreiche Prinzip Kleinheit und große Zahl

1.7.2 Größeneinheit Mikrometer, die Elle des Mikrobiologen

1.7.3 Großes Oberfläche/Volumen-Verhältnis und seine Folgen

1.7.4 Stoffwechselvielfalt und individuelle Anpassungsfähigkeit

1.7.5 Rasche genetische Anpassung

1.7.6 Verbreitung und Überdauerungsvermögen

1.7.7 Mikroorganismen als Modellobjekte der Forschung

1.8 Rolle der Mikroorganismen für unseren Planeten Erde

1.8.1 Kreislauf des Kohlenstoffs

1.8.2 Kreislauf des Stickstoffs

1.8.3 Kreislauf des Phosphors

1.8.4 Kreislauf des Schwefels

1.8.5 Mikroorganismen und ihre Fressfeinde

1.9 Mikroorganismen als Symbionten

1.10 Mikroorganismen im Dienste des Menschen

1.10.1 Klassische mikrobielle Verfahren

1.10.2 Neue mikrobielle Verfahren

1.10.3 Mikroorganismen und Gentechnologie

1.10.4 Mikroorganismen in Umweltprozessen

1.10.5 Monopolstellung der Mikroorganismen

1.11 Mikroorganismen als Gesundmacher – der Mensch als besiedelter Raum

1.12 Mikroorganismen als Krankheitserreger

2 Die Prokaryonta und die prokaryontische Zelle

2.1 Überblick

2.2 Prokaryonten versus Eukaryonten

2.2.1 Struktur des Genoms

2.2.2 Struktur der Zelle

2.3 Archaea versus Bacteria

2.4 Die Prokaryontenzelle – Zellform, Größe und chemische Zusammensetzung

2.4.1 Morphologische Merkmale

2.4.2 Stoffliche Zusammensetzung

2.4.3 Speicherstoffe

2.4.4 Ausgewählte Beispiele prokaryontischer Organismen aus dem „natürlichen“ System

2.4.5 Bacteria

2.4.6 Archaea

3 Pilze

3.1 Überblick

3.2 Ernährungsweise

3.3 Phylogenie

3.3.1 Basidiomyceten

3.3.2 Ascomyceten

3.3.3 Die Verwandtschaftsgruppe der Zygomyceten

3.3.4 Die Chytridien

3.4 Die pilzliche Zelle

3.4.1 Aufbau der pilzlichen Zelle

3.4.2 Pilzwachstum

3.4.3 Vermehrung und Ausbreitung

3.4.4 Umweltsignale und Signaltransduktion

3.5 Asexuelle Vermehrung

3.5.1 Mitose und Zellzyklus

3.5.2 Asexuelle Vermehrungsformen bei Ascomyceten

3.5.3 Asexuelle Vermehrungsformen bei anderen Pilzen

3.6 Sexuelle Vermehrung

3.6.1 Homothallie und Heterothallie

3.6.2 Sexuelle Entwicklung bei Basidiomyceten

3.6.3 Sexuelle Entwicklung bei Ascomyceten

3.6.4 Sexuelle Entwicklung der Zygomyceten

3.7 Ökologie und wirtschaftliche Bedeutung der Pilze

3.7.1 Schimmelpilze und Mykotoxine

3.7.2 Holzabbau

3.7.3 Pilze in der Bioremediation

3.8 Interaktionen mit Pflanzen

3.8.1 Infektionen durch phytopathogene Pilze

3.8.2 Pflanzliche Abwehrmechanismen

3.8.3 Mykorrhiza

3.8.4 Flechten

3.8.5 Endophytische Pilze

3.9 Tier- und humanpathogene Pilze

3.9.1 Mykosen des Menschen

3.9.2 Insektenpathogene Pilze

3.10 Pilzgenetik und Molekularbiologie der Pilze

3.10.1 Ascusanalyse

3.10.2 Meiose

3.10.3 Molekulargenetik mit eukaryontischen Systemen

3.10.4 Genomanalysen

3.10.5 Funktionelle Genanalyse

3.11 Pilze in Biotechnologie und Produktion

3.11.1 Produktion von Antibiotika und Vitaminen

3.11.2 Weitere biotechnologisch hergestellte Produkte

3.11.3 Speisepilze und Pilzgifte

3.12 Pilzähnliche Algen und Protisten

3.12.1 Oomyceten: pflanzen- und tierpathogene Vertreter

3.12.2 Kohlhernie-Erreger

3.12.3 Eumycetozoa: cAMP als Lockstoff

4 Viren

4.1 Überblick

4.2 Vorkommen, Entdeckung und Vielfalt

4.3 Der technische Umgang mit Viren

4.4 Aufbau der Viren

4.4.1 Viren und Bakteriophagen

4.4.2 Archaeenviren, Virusoide (Satellitenviren), Viroide, Mimiviren und Virophagen

4.4.3 Prionen

4.5 Klassifizierung der Viren

4.6 Vermehrungszyklus

4.6.1 Vermehrung von Phagen

4.6.2 Vermehrung von Viren

4.7 Mechanismen der Verbreitung und Übertragung von Viren und Phagen

4.8 Auswirkungen der Virusvermehrung auf die Wirtszellen

4.8.1 Zellschädigung und Zelltod

4.8.2 Zellschädigungen durch latente und persistierende Virusinfektionen

4.8.3 Auswirkung der Virusinfektion auf das Genom der Wirtszellen

4.8.4 Zellimmortalisierung und Tumorbildung als Folgen einer Virusinfektion

4.9 Chemotherapie von Virusinfektionen

4.9.1 Hemmstoffe viraler Enzyme

4.9.2 Antivirale immunstimulatorische Chemotherapeutika

4.9.3 Resistenzentwicklung als Problem beim Einsatz antiviraler Chemotherapeutika

4.10 Prävention von Infektionen durch Impfstoffe

4.10.1 Wirkungsweise von Lebendimpfstoffen

4.10.2 Wirkungsweise von Totimpfstoffen

4.10.3 Peptidimpfstoffe

4.10.4 DNA- und RNA-Impfstoffe

4.11 Die Methoden der Reverse Genetics bei der Impfstoffentwicklung

4.12 Markerimpfstoffe

4.13 Komplexität der Viren und ihrer Bekämpfung

4.13.1 Influenzaviren

4.13.2 Coronaviren

4.14 Viren und ihre Evolution, Vielfalt und Bedeutung für den Naturhaushalt und die Wirtschaft

5 Prokaryontische Zellbiologie

5.1 Überblick

5.2 Abbildung von Mikroorganismen

5.2.1 Lichtmikroskopie

5.2.2 Elektronenmikroskopie

5.3 Chromosom und Plasmide

5.4 Ribosomen

5.5 Zellwand

5.5.1 Zellwand der Bacteria

5.5.2 Zellwand der Archaea

5.6 Kapseln und Schleime

5.7 Zellmembranen

5.7.1 Cytoplasmamembran der Bacteria

5.7.2 Cytoplasmamembran der Archaea

5.7.3 Die äußere Membran gramnegativer Bakterien

5.8 Das prokaryontische Cytoskelett

5.8.1 Das tubulinähnliche FtsZ-Protein und die Zellteilung

5.8.2 Das aktinähnliche MreB-Protein und die Zellform

5.8.3 Das intermediärfilamentähnliche Crescentin-Protein

5.9 Organellähnliche Kompartimente

5.9.1 Von einer Lipidmembran umschlossene Kompartimente

5.9.2 Proteinumhüllte Kompartimente

5.10 Speicherstoffe

5.10.1 Polysaccharide

5.10.2 Fettartige Substanzen

5.10.3 Polyphosphate

5.10.4 Schwefel

5.10.5 Cyanophycin

5.10.6 Andere Zelleinschlüsse

5.11 Zellanhänge

5.11.1 Flagellen und Chemotaxis

5.11.2 Fimbrien und Pili

5.11.3 Cellulosomen

5.12 Spezielle Zelldifferenzierung

5.12.1 Endosporen und andere Dauerformen

5.12.2 Heterocysten

5.13 Prokaryontische und eukaryontische Zellen im Vergleich

5.14 Angriffsorte und Wirkungsweise wichtiger Antibiotika

6 Prokaryontische Genetik und Molekularbiologie

6.1 Einführung

6.2 Organisation prokaryontischer DNA

6.2.1 Struktur der DNA

6.2.2 Gene und Operons

6.2.3 Chromosomen

6.2.4 Plasmide

6.3 Weitergabe genetischer Information: Replikation genomischer DNA

6.3.1 DNA-Polymerasen

6.3.2 Reaktionen an der Replikationsgabel

6.3.3 Segregation von Chromosomen und Plasmiden

6.4 Mutationen und DNA-Reparatur

6.4.1 Arten von Mutationen

6.4.2 Entstehung von Mutationen

6.4.3 DNA-Reparatur

6.4.4 Beseitigung oxidativer Schäden

6.5 Genetische Rekombination

6.5.1 Homologe Rekombination

6.5.2 Nichthomologe Rekombination

6.6 Mobile genetische Elemente

6.6.1 Insertions-(IS-)Elemente

6.6.2 Transposons

6.6.3 ICEs

6.7 Mechanismen der Genübertragung

6.7.1 Transformation

6.7.2 Konjugation

6.7.3 Transduktion

6.8 Schutzmechanismen gegenüber Fremd-DNA

6.8.1 Restriktions-Modifikations-Systeme (R/M-Systeme)

6.8.2 Immunsystem in Bacteria und Archaea

6.9 Expression genetischer Information: Transkription und Translation

6.9.1 Transkription

6.9.2 Translation

6.10 DNA-Klonierung

6.10.1 Plasmide als Vektoren für kleine DNA-Fragmente

6.10.2 Vektoren für große DNA-Abschnitte

6.11 DNA-Sequenzierung und Genomsequenzen

6.11.1 Genomsequenzierung

6.11.2 Genomgrößen und Genomorganisation

6.11.3 Interpretation von Genomsequenzen – Funktionelle Genomik

6.11.4 Genomvergleiche

6.12 Postgenomik, Metagenomik und synthetische Biologie

7 Wachstum und Ernährung der Mikroorganismen

7.1 Überblick

7.2 Chemische Zusammensetzung der Zelle und Nahrungsbedarf

7.2.1 Elementare Nährstoffansprüche

7.2.2 Ergänzungsstoffe

7.3 Ernährungstypen und Lebensstrategien

7.3.1 Energiequellen

7.3.2 Elektronendonatoren und Kohlenstoffquellen

7.4 Substrate für Mikroorganismen

7.4.1 Kohlenstoffquellen

7.4.2 Schwefel und Stickstoff

7.4.3 Phosphor

7.4.4 Sauerstoff

7.5 Anpassung an unterschiedliche Umweltbedingungen

7.5.1 Temperatur

7.5.2 Wasserstoffionenkonzentration

7.5.3 Wassergehalt und osmotischer Wert

7.6 Zusammensetzung von Nährmedien und Kultivierungstechniken

7.6.1 Nährböden

7.6.2 Kultivierungstechniken

7.7 Selektive Kulturmethoden

7.7.1 Anreicherungskultur

7.7.2 Reinkultur

7.7.3 Mischkultur

7.8 Wachstum und Zellteilung

7.8.1 Methoden zur Bestimmung der Zellzahl und der Bakterienmasse

7.8.2 Kinetik des Wachstums

7.9 Physiologie des Wachstums

7.9.1 Bakterienwachstum in statischer Kultur

7.9.2 Parameter der Wachstumskurve

7.9.3 Lineares Wachstum

7.9.4 Bakterienwachstum in kontinuierlicher Kultur

7.9.5 Unterschiede zwischen statischer und kontinuierlicher Kultur

7.10 Hemmung des Wachstums und Abtötung

7.10.1 Schädigung der Zellgrenzschichten

7.10.2 Hemmung des Stoffwechsels

7.10.3 Einfluss von Antibiotika

7.10.4 Absterben und Abtötung von Mikroorganismen

7.11 Sterilisation und Desinfektion

7.11.1 Feuchte Hitze

7.11.2 Trockene Hitze

7.11.3 Filtration

7.11.4 Bestrahlung

7.11.5 Chemische Mittel

7.12 Konservierungsverfahren

7.12.1 Physikalische Konservierungsverfahren

7.12.2 Chemische Konservierungsverfahren

7.13 Kulturerhaltung

7.13.1 Dauerkulturen

7.13.2 Lebendkulturen

7.14 Mikrobiologische Diagnostik

7.14.1 Klassische Techniken

7.14.2 Molekularbiologische Techniken

8 Zentrale Stoffwechselwege

8.1 Überblick

8.2 Grundmechanismen des Stoffwechsels und der Energieumwandlung

8.2.1 Funktion der Enzyme

8.2.2 Dehydrogenierung und Pyridinnukleotide

8.3 Allgemeines Prinzip des Stoffwechsels

8.4 Umwandlung von Energie

8.4.1 ATP und andere energiereiche Verbindungen

8.4.2 Regeneration von ATP

8.5 Wege des Hexoseabbaus

8.5.1 Glykolyse

8.5.2 Pentosephosphatweg und oxidativer Pentosephosphatzyklus

8.5.3 KDPG-(2-Keto-3-desoxy-6-phosphogluconat-)Weg

8.5.4 Wege des Zuckerstoffwechsels in Archaea

8.5.5 Energiebilanzen und Verbreitung der Zuckerabbauwege

8.6 Oxidation von Pyruvat

8.7 Citratzyklus und alternative Wege

8.8 Elektronentransport-Phosphorylierung der Atmungskette

8.8.1 Energetische Grundlagen und das Prinzip der Atmungskette

8.8.2 Komponenten der Atmungskette

8.8.3 Atmungskette bei der Atmung mit Sauerstoff

8.8.4 Elektronentransport-Phosphorylierung

8.8.5 Rückläufiger Elektronentransport

8.8.6 Elektronentransportprozesse bei anaeroben Bakterien

8.9 Eigenschaften und Funktionen von Sauerstoff

8.9.1 Regulation durch Sauerstoff

8.9.2 Toxische Wirkung des Sauerstoffs und Entgiftungsreaktionen

8.9.3 Sauerstoff als Cosubstrat

8.9.4 Sauerstoff und Biolumineszenz

8.10 Verbindung zwischen Energiestoffwechsel und Biosynthese

8.10.1 Bereitstellung des Kohlenstoffs für die Biosynthese

8.10.2 Gluconeogenese, Hilfszyklen und Sonderwege

8.10.3 Regulation von Enzymaktivität und Genexpression

9 Biosynthesen

9.1 Überblick

9.2 Organisation der „Zellfabrik“

9.3 Syntheseleistung der Zelle

9.4 Metabolite und ihre Konzentrationen in der Zelle

9.5 Makromoleküle und ihre Bausteine

9.6 Assimilation der Elemente N, S, P und der Spurenelemente

9.6.1 Stickstoff

9.6.2 Schwefel

9.6.3 Phosphor

9.6.4 Spurenelemente

9.7 Bereitstellung von C1-Einheiten, Energie, Reduktions- und Oxidationsmitteln

9.7.1 C1-Einheiten

9.7.2 Energie

9.7.3 Reduktions- und Oxidationsmittel

9.8 Synthese von Zellmaterial aus CO2

9.8.1 Calvin-Benson-Zyklus

9.8.2 Alternative Wege der CO2-Fixierung

9.8.3 Ökologische, ökonomische und evolutionäre Aspekte

9.9 Synthese von Zellmaterial aus Formaldehyd

9.9.1 Hexulosephosphatzyklus

9.9.2 Serinweg

9.9.3 Dihydroxyacetonzyklus

9.9.4 Anaerober Weg

9.10 Biosynthesen der Bausteine

9.10.1 Aminosäuren

9.10.2 Zucker

9.10.3 Nukleotide und Desoxynukleotide

9.10.4 Lipide

9.10.5 Speicherstoffe

9.11 Synthese von Sekundärmetaboliten

9.11.1 Funktion von Sekundärmetaboliten

9.11.2 Beispiele für Sekundärmetabolite

9.12 Synthesen von komplexen Zellstrukturen

9.12.1 Synthese von Zellwandkomponenten an der Membran

9.12.2 Zusammenbau komplexer Strukturen

10 Transport durch die Cytoplasmamembran

10.1 Überblick

10.2 Grundlagen des Transports

10.2.1 Passiver Transport durch Diffusion

10.2.2 Passiver Transport durch Kanalproteine

10.2.3 Aktiver Transport durch Carrier

10.3 Transportmechanismen und Transportsysteme

10.3.1 Primäre Transportsysteme

10.3.2 Sekundäre Transportsysteme

10.3.3 Gruppentranslokation

10.3.4 Zusammenwirken von Exoenzymen und Transport

10.4 Weitere Aspekte der Transportsysteme

10.4.1 Beteiligung von Transportsystemen an der Gen- und Proteinregulation

10.4.2 Transportsysteme als chemotaktische Rezeptoren

10.4.3 Transportsysteme als Mediatoren der Differenzierung

10.5 Resistenz durch proteinvermittelten Export

10.6 Translokationssysteme für den Proteinexport

10.6.1 Sec-Translokationssystem

10.6.2 Tat-Translokationssystem

10.6.3 Spezielle Sekretionssysteme

10.7 Aufnahme von DNA

11 Abbau organischer Verbindungen

11.1 Überblick

11.2 Aerobe und anaerobe Mineralisierung

11.2.1 Aerobe Mineralisierung

11.2.2 Anaerobe Mineralisierung

11.3 Gemeinsame Aspekte des Polymerabbaus

11.4 Abbau von Polysacchariden

11.4.1 Cellulose

11.4.2 Hemicellulosen

11.4.3 Pectine

11.4.4 Andere Polysaccharide

11.4.5 Chitin und Murein

11.4.6 Stärke

11.4.7 Fructane

11.5 Abbau von Lignin

11.6 Abbau von Proteinen, Nukleinsäuren und Lipiden

11.6.1 Proteine

11.6.2 Nukleinsäuren

11.6.3 Lipide

11.7 Abbau niedermolekularer Substanzen

11.7.1 Zucker

11.7.2 Aminosäuren

11.7.3 Aromatische Verbindungen

11.7.4 Kohlenwasserstoffe

11.7.5 Fettsäuren

11.7.6 Purine, Pyrimidine und andere heterozyklische Verbindungen

11.8 Abbau und Cometabolismus von Xenobiotika

11.9 Unvollständige Oxidationen

12 Oxidation anorganischer Verbindungen: chemolithotrophe Lebensweise

12.1 Überblick

12.2 Habitate und Lebensweise von chemolithotrophen Bakterien

12.2.1 Art und Herkunft der Substrate

12.2.2 Habitate

12.2.3 Lebensweise

12.2.4 Kultivierung

12.2.5 Stoffwechseltypen und ihre Nischen

12.2.6 Symbiosen

12.3 Prinzipien der Lithotrophie

12.3.1 Stoffwechselprinzip

12.3.2 Rückläufiger Elektronentransport

12.4 Reduzierte Stickstoffverbindungen als Elektronendonatoren

12.4.1 Ammonium und Nitrit oxidierende Nitrifikanten

12.4.2 Biochemie der Ammoniumoxidation

12.4.3 Biochemie der Nitritoxidation

12.4.4 Ökologische und praktische Bedeutung der Nitrifikation

12.5 Reduzierte Schwefelverbindungen als Elektronendonatoren

12.5.1 Biochemie der Sulfid- und Schwefeloxidation

12.5.2 Schwefelwasserstoff oxidierende Symbionten

12.6 Reduzierte Metallionen als Elektronendonatoren

12.6.1 Biochemie der Oxidation von Metallionen

12.6.2 Erzlaugung

12.7 Wasserstoff als Elektronendonator

12.7.1 Biochemische Grundlagen

12.7.2 Aerobe Wasserstoff oxidierende Bakterien

12.8 Kohlenmonoxid als Elektronendonator

13 Mikrobielle Gärungen

13.1 Überblick

13.2 Prinzipien der Gärung

13.2.1 Habitate von gärenden Mikroorganismen

13.2.2 Das Prinzip: Regeneration der Redox-Carrier ohne Sauerstoff

13.2.3 Gärungstypen

13.2.4 Energiekonservierung durch Substrat-Phosphorylierung

13.3 Milchsäuregärung

13.3.1 Milchsäurebakterien

13.3.2 Homofermentative Milchsäuregärung

13.3.3 Heterofermentative Milchsäuregärung

13.3.4 Bifidobacterium-Gärung

13.3.5 Praktische Bedeutung der Milchsäurebakterien

13.3.6 Medizinische Bedeutung von Milchsäurebakterien

13.4 Ethanolgärung

13.4.1 Biochemie der Ethanolbildung

13.4.2 Praktische Bedeutung der alkoholischen Gärung

13.5 Elektronentransport-Phosphorylierung und revertierter Elektronentransport

13.6 Elektronenbifurkation und Wasserstoffbildung

13.6.1 Das Prinzip der Elektronenbifurkation

13.6.2 Energiekonservierung durch Ferredoxingetriebene Protonen- bzw. Na+-Pumpen

13.6.3 Wasserstoff als Gärungsprodukt

13.7 Gemischte Säuregärung

13.7.1 Biochemie der gemischten Säuregärung

13.7.2 Bedeutung der gemischten Säuregärung für Trinkwasser- und Labordiagnostik

13.8 Buttersäure- und Lösungsmittelgärung

13.8.1 Buttersäuregärende Clostridien

13.8.2 Biochemische Grundlagen der Buttersäuregärung

13.8.3 Lösungsmittelgärung (Aceton-Butanolgärung)

13.9 Propionsäuregärung

13.9.1 Propionibacterium

13.9.2 Biochemische Grundlagen der Propionsäuregärung

13.10 Vergärung von Aminosäuren und anderen Verbindungen

13.10.1 Stickland-Gärung

13.10.2 Vergärung von Glutamat

13.11 Sekundäre Gärungen und Homoacetatgärung

13.11.1 Sekundäre Gärungen

13.12 Homoacetatgärung

14 Anaerobe Atmung

14.1 Überblick

14.2 Energetisches Prinzip

14.3 Nitrat, Nitrit, N2O als Elektronenakzeptoren

14.3.1 Denitrifikation

14.3.2 Nitratammonifikation

14.3.3 Anammoxreaktion

14.4 Fumarat als Elektronenakzeptor

14.5 Oxidierte Metallionen als Elektronenakzeptoren

14.6 Sulfat als Elektronenakzeptor

14.6.1 Biochemie der Sulfatreduktion

14.6.2 Energetik der Sulfatatmung

14.6.3 Unterschiede zwischen assimilatorischer und dissimilatorischer Sulfatreduktion

14.6.4 Rolle der sulfatreduzierenden Mikroorganismen im Naturhaushalt

14.7 Schwefel als Elektronenakzeptor

14.7.1 Polysulfidatmung in Wolinella succinogenes

14.7.2 Syntrophe Assoziation von Desulfuromonas acetoxidans mit Grünen Schwefelbakterien

14.8 Methanogenese: CO2 als Elektronenakzeptor

14.8.1 Methanogene Archaea

14.8.2 Methanbildung aus H2 und CO2

14.8.3 Methanbildung aus Acetat

14.9 Acetogenese: CO2 als Elektronenakzeptor

14.9.1 Biochemie der Acetogenese

14.10 Reduktion weiterer Elektronenakzeptoren

14.10.1 Sulfoxide und Aminoxide

14.10.2 Anorganische Oxyanionen

14.10.3 Chlororganische Verbindungen

15 Phototrophe Lebensweise

15.1 Überblick

15.2 Bedeutung und Prinzipien der Photosynthese

15.2.1 Licht als Energiequelle und phototrophes Wachstum

15.2.2 Prinzipien der Photosynthese

15.3 Photosynthetische Pigmente und Thylakoide

15.3.1 Chlorophylle und Bakteriochlorophylle

15.3.2 Akzessorische Pigmente

15.3.3 Thylakoide

15.4 Antennenkomplexe

15.4.1 LH I und LH II

15.4.2 Chlorosomen

15.4.3 Phycobilisomen

15.5 Oxygene phototrophe Bakterien (Cyanobakterien)

15.5.1 Vorkommen und Rolle von Cyanobakterien

15.5.2 Stoffwechsel und Zellstruktur

15.5.3 Morphologische Gruppen

15.5.4 Zelldifferenzierungen

15.6 Anoxygene phototrophe Bakterien

15.6.1 Vorkommen und Rolle von anoxygenen phototrophen Bakterien

15.6.2 Purpurbakterien und Grüne Nicht-Schwefelbakterien (Photosysteme vom Typ II)

15.6.3 Grüne Schwefelbakterien und Heliobakterien (Photosysteme vom Typ I)

15.6.4 Aerobe anoxygene phototrophe Bakterien (Photosysteme vom Typ II oder Bakteriorhodopsin)

15.7 Energiekonservierung bei oxygener Photosynthese

15.7.1 Die photosynthetische Redoxkette im Überblick

15.7.2 Photosystem II (Chinon-Typ) und Wasserspaltung

15.7.3 Elektronentransportkette

15.7.4 Photosystem I (FeS-Typ) und NADPH-Bildung

15.7.5 Zyklische Photophosphorylierung

15.7.6 Bilanz, Quantenbedarf und Wirkungsgrad der Lichtreaktion

15.8 Energiekonservierung bei anoxygener Photosynthese

15.8.1 Gemeinsamkeiten und Unterschiede bei den anoxygenen Photosystemen

15.8.2 Photosysteme vom Typ II (Chinon-Typ) und vom Typ I (FeS-Typ)

15.9 Bakteriorhodopsin- und proteorhodopsinabhängige Photosynthese

16 Regulation des Stoffwechsels und des Zellaufbaus von Bakterien

16.1 Überblick

16.2 Aufrechterhaltung des Zellmilieus und Antwort auf Änderungen

16.3 Mechanismen zur Anpassung und Änderung des Zellaufbaus

16.3.1 Veränderung der DNA-Struktur

16.3.2 Kontrolle der Transkription und Translation

16.3.3 Regulation der Transkription durch DNA-bindende Proteine

16.3.4 Alternative σ-Faktoren

16.3.5 Funktionskontrolle durch Synthese und Proteolyse

16.3.6 Kontrolle der Translation: regulatorische RNA, Attenuation und RNA-bindende Proteine

16.3.7 Posttranslationale Regulation

16.4 Reizaufnahme und Reizverarbeitung

16.4.1 Membranständige und cytoplasmatische Sensoren

16.4.2 Regulons, Stimulons und Netzwerke

16.4.3 Aufbau und Funktion von Zweikomponentensystemen

16.4.4 Intrazelluläre Signalmoleküle

16.5 Regulation von Katabolismus und Energiestoffwechsel

16.5.1 Übergeordnete Regulation des Kohlenstoffkatabolismus

16.5.2 Regulation des Stoffwechsels durch Elektronenakzeptoren

16.6 Regulation der Stickstoffassimilierung

16.7 Stringente Kontrolle und generelle Stressantwort

16.7.1 Stringente Kontrolle und Kopplung von Anabolismus und Katabolismus

16.7.2 Generelle Stressantwort und Regulation der stationären Phase in E. coli

16.7.3 Toxin-Antitoxin-Systeme und bakterielle Persistenz

16.8 Spezifische Stressreaktionen

16.8.1 Oxidativer Stress

16.8.2 Hitze- und Kälteschockreaktion

16.8.3 Hüllstress und Reizerkennung durch ECF-σ-Faktoren

16.8.4 Osmoregulation

16.9 Interzelluläre Kommunikation und Zelldichteregulation (Quorum Sensing)

16.10 Chemotaxis

16.11 Differenzierung bei Bakterien

16.11.1 Endosporenbildung bei B. subtilis

16.11.2 Lebenszyklus von Caulobacter crescentus

16.11.3 Fruchtkörperbildende Myxobakterien

17 Mikrobielle Vielfalt, Evolution und Systematik

17.1 Überblick

17.2 Diversität

17.2.1 Diversitätsbegriff und Definition

17.2.2 Quantifizierung und Umfang mikrobieller Diversität

17.2.3 Relevanz der mikrobiellen Diversitätsforschung

17.3 Systematik der Prokaryonten

17.3.1 Bestandteile der Systematik: Charakterisierung, Taxonomie und Phylogenie

17.3.2 Methoden der Charakterisierung und Systematik bei Prokaryonten

17.3.3 Artkonzept und Artbeschreibung bei Prokaryonten

17.4 Evolutionäre Grundlagen der prokaryontischen Vielfalt

17.4.1 Mechanismen prokaryontischer Evolution und Relevanz für die Systematik

17.4.2 Populationsgenetische Evolutionsmodelle

17.5 Archaea – extremophile lebende Fossilien?

17.5.1 Crenarchaeota

17.5.2 Euryarchaeota

17.5.3 Thermoplasmatota

17.5.4 Halobacterota

17.5.5 Thaumarchaeota

17.5.6 Weitere Phyla der Archaea

17.6 Bacteria

17.6.1 Aquificae

17.6.2 Thermotogae

17.6.3 Caldiserica

17.6.4 Coprothermobacterota

17.6.5 Dictyoglomi

17.6.6 Deinococcus-Thermus

17.6.7 Chloroflexi

17.6.8 Armatimonadetes

17.6.9 Abditibacteriota

17.6.10 Firmicutes: grampositiv mit niedrigem GC-Gehalt

17.6.11 Actinobacteria: grampositiv mit hohem GC-Gehalt

17.6.12 Fusobacteria und Synergistetes

17.6.13 Cyanobacteria – oxygen photosynthetisch, hoch divers und weit verbreitet

17.6.14 Nitrospirae

17.6.15 Acidobacteria

17.6.16 Spirochaetes

17.6.17 Chrysiogenetes und Deferribacteres

17.6.18 Planctomycetes, Verrucomicrobia, Chlamydiae und Elusimicrobia

17.6.19 Gemmatimonadetes

17.6.20 Chlorobi

17.6.21 Bacteroidetes

17.6.22 Proteobacteria

17.6.23 Die „Candidate Phyla Radiation“ (CPR)

18 Die Rolle von Mikroorganismen im Stoffkreislauf und in der Natur

18.1 Überblick

18.2 Ökosystem, Standort und ökologische Nische

18.2.1 Ökosystem

18.2.2 Standort

18.2.3 Ökologische Nische

18.2.4 Bewohner eines Ökosystems

18.3 Limitierung von Substraten und Energiequellen

18.3.1 Logistisches Wachstum

18.3.2 Begrenzung der Substratverfügbarkeit

18.4 Fließsysteme, Substrataffinität und Schwellenwerte

18.5 Hunger, Stress, Abweidung und Populationskontrolle durch Phagen

18.5.1 Hunger

18.5.2 Stress

18.5.3 Abweidung

18.5.4 Phagen

18.6 Transport von Substraten und Produkten

18.6.1 Diffusionskontrollierte Lebensräume und Gradientenorganismen

18.7 Methoden zur Analyse mikrobieller Populationen und ihrer Aktivitäten in der Natur

18.7.1 Färbetechniken und Mikroautoradiografie

18.7.2 Chemische Methoden

18.7.3 Kultivierungsmethoden

18.7.4 Molekularbiologische Methoden

18.7.5 Analyse von Organismengemeinschaften

18.8 Oberflächenanheftung, Biofilme und interzelluläre Kommunikation

18.8.1 Oberflächenanheftung

18.8.2 Funktionelle Differenzierung im Biofilm

18.9 Kooperation zwischen Mikroorganismen

18.9.1 Die anaerobe Fütterungskette

18.9.2 Andere Typen von Symbiosen

18.10 Seen und Ozeane

18.10.1 Süßgewässer

18.10.2 Ozean

18.11 Boden und tiefer Untergrund

18.11.1 Boden als Standort für Mikroorganismen

18.11.2 Bodenbestandteile

18.11.3 Mikroorganismen im Boden

18.11.4 Stickstoffhaushalt

18.11.5 Methankreislauf

18.11.6 Schichtung des Bodens

18.11.7 Tiefer Untergrund

18.12 Extreme Standorte und ihre Bewohner

18.12.1 Heiße Standorte und thermophile Organismen

18.12.2 Kalte Standorte, psychrophile Organismen und Kältekonservierung

18.12.3 Saure und basische Standorte und daran angepasste Organismen

18.12.4 Salzreiche Standorte und halophile Organismen

18.13 Geomikrobiologie, Mikroorganismen als Gestalter unserer Erde

18.13.1 Eisenablagerung

18.13.2 Ablagerung von Calciumcarbonat

18.13.3 Schwefelablagerung und andere Lagerstätten

18.13.4 Eliminierung von toxischen Metallen und Metalloiden

18.14 Tierische Verdauungssysteme

18.14.1 Ernährungs- und Verdauungstypen

18.14.2 Verdauungsapparat der Wiederkäuer

18.14.3 Verdauungsapparat des Pferdes

18.14.4 Verdauungsapparat von holzfressenden Termiten

19 Mikroorganismen als Symbionten und Antagonisten

19.1 Symbiosen

19.1.1 Symbiose von stickstofffixierenden Bakterien mit Pflanzen

19.1.2 Lebensgemeinschaften von Mikroorganismen mit Tieren

19.2 Körperflora des Menschen

19.2.1 Haut

19.2.2 Mundhöhle

19.2.3 Verdauungstrakt

19.2.4 Atemwege

19.2.5 Urogenitalbereich

19.3 Infektionskrankheiten und Epidemiologie

19.3.1 Grundbegriffe und Prinzipien der Epidemiologie

19.3.2 Überwachung und medizinische Diagnostik

19.3.3 Kontrollmaßnahmen und Prävention

19.4 Mikroorganismen als Auslöser von Krankheiten

19.4.1 Infektion, Pathogenität und Virulenz

19.4.2 Reservoire und Übertragungswege

19.4.3 Krankheitsverlauf

19.5 Mikrobielle Pathogenität: Wirkmechanismen tier- und humanpathogener Bakterien

19.5.1 Adhäsion der Bakterien

19.5.2 Invasion der Bakterien

19.5.3 Vermehrung und Ausbreitung der Bakterien

19.5.4 Überwindung von Abwehrmechanismen des Wirtes

19.6 Ausgewählte bakterielle Krankheitserreger bei Mensch und Tier

19.6.1 Erkrankungen der Atemwege

19.6.2 Erkrankungen des Verdauungstraktes

19.6.3 Erkrankungen des Urogenitaltrakts

19.6.4 Erkrankungen des Zentralnervensystems

19.6.5 Systemische Infektionen

19.6.6 Nosokomiale Infektionen

19.7 Virale Krankheitserreger und Prionen

19.8 Pflanzenpathogene Bakterien

19.8.1 Ausgewählte pflanzenpathogene Bakterien

20 Mikroorganismen im Dienste des Menschen: Biotechnologie

20.1 Überblick

20.2 Die Bakterienzelle als Produzent

20.3 Technische Abläufe in der klassischen Biotechnologie

20.4 Essigsäure

20.4.1 Unvollständige Oxidationen

20.4.2 Stoffwechselleistungen von Essigsäurebakterien

20.4.3 Biochemie der Essigsäurebildung

20.5 Produktion organischer Säuren durch Pilze und Bakterien

20.5.1 Physiologie und Biotechnologie

20.5.2 Biochemie der Säurebildung durch Pilze

20.5.3 Produktion organischer Säuren durch Bakterien

20.6 Aminosäuren

20.7 Stoffumwandlungen

20.8 Antibiotika

20.8.1 Antibiotikabildende Mikroorganismen

20.8.2 Nachweis der Synthese von Antibiotika

20.8.3 Therapeutisch wichtige Antibiotika

20.8.4 Mykotoxine

20.9 Vitamine

20.10 Exopolysaccharide und Tenside

20.11 Enzyme

20.12 Polyhydroxyalkanoate

20.13 Gentechnische Verfahren

20.13.1 Klassische Verfahren versus Gentechnik

20.13.2 Überblick über Prozesse

20.13.3 Produktionsstämme

20.13.4 Vektoren

20.13.5 Exoenzyme

20.13.6 Einschlusskörper

20.14 Produktion von Biomasse

20.15 Umwelttechnologie

20.15.1 Abwasserreinigung

20.15.2 Kompostierung

20.15.3 Trinkwasserbehandlung

20.15.4 Abluftreinigung

20.15.5 Bodensanierung

20.16 Metalllaugung und Renaturierung im Tagebau

20.17 Energieversorgung

20.18 Biosensoren

20.19 Mikrobiologische Prozesskontrolle

20.20 Mikrobielle Schädlingsbekämpfung

21 Anhang

21.1 Thermodynamische Grundlagen des Stoffwechsels

21.1.1 Berechnung von freien Reaktionsenergien

21.1.2 Kopplung von ATP-Synthese an den Energiestoffwechsel

21.1.3 Abschätzung der möglichen ATP-Ausbeute im Energiestoffwechsel

21.1.4 Berechnung der freien Reaktionsenergie ΔG0 aus den Bildungsenergien der Reaktanden

21.1.5 Redoxreaktionen und Redoxpotenzial (Nernst-Gleichung)

21.2 Vocabularium

21.2.1 A

21.2.2 B

21.2.3 C

21.2.4 D

21.2.5 E

21.2.6 F

21.2.7 G

21.2.8 H

21.2.9 I

21.2.10 K

21.2.11 L

21.2.12 M

21.2.13 N

21.2.14 O

21.2.15 P

21.2.16 Q

21.2.17 R

21.2.18 S

21.2.19 T

21.2.20 U

21.2.21 V

21.2.22 X

21.2.23 Z

Anschriften

Sachverzeichnis

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