Allgemeine Mikrobiologie: 53 Tabellen
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| Previous Title: | Schlegel, Hans Günter Allgemeine Mikrobiologie |
|---|---|
| Format: | Book |
| Language: | German |
| Published: |
Stuttgart [u.a.]
Thieme
2007
|
| Edition: | 8., vollst. überarb. und erw. Aufl. |
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| Online Access: | Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis |
| Physical Description: | XX, 678 S. zahlr. Ill., graph. Darst. |
| ISBN: | 9783134446081 3134446081 |
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Inhalt
Inhalt
0
1 Die Mikroorganismen - eine kurze Einführung_ 1
G. Fuchs
1.1 Die Anfänge der Mikrobiologie. 3
1.2 Die alten drei Reiche: Tiere, Pflanzen und Protisten . 5
1.2.1 Tiere. 5
1.2.2 Pflanzen. 6
1.2.3 Protisten. 7
1.3 Von den zwei Reichen der Prokaryonten und Eukaryonten
zu den drei neuen Reichen. 7
1.3.1 Die zwei Reiche. 7
1.3.2 Die drei neuen Reiche. 8
1.4 Evolution der Organismen und phylogenetischer Stammbaum. 9
1.5 Allgemeine Eigenschaften der Mikroorganismen. 11
1.5.1 Das erfolgreiche Prinzip Kleinheit. 11
1.5.2 Größeneinheit Mikrometer, die Elle des Mikrobiologen. 12
1.5.3 Großes Oberfläche/Volumen-Verhältnis und seine Folgen. 12
1.5.4 Stoffwechselvielfalt und individuelle Anpassungsfähigkeit. 13
1.5.5 Rasche genetische Anpassung. 14
1.5.6 Verbreitung und Überdauerungsvermögen der Mikroorganismen. 15
1.5.7 Mikroorganismen als Modellobjekte der Forschung. 15
1.6 Rolle der Mikroorganismen im Kreislauf der Stoffe. 17
1.6.1 Kreislauf des Kohlenstoffs. 17
1.6.2 Kreislauf des Stickstoffs. 19
1.6.3 Kreislauf des Phosphors. 19
1.6.4 Kreislauf des Schwefels. 20
1.6.5 Mikroorganismen und ihre Fressfeinde. 21
1.7 Mikroorganismen als Symbionten . 21
1.8 Mikroorganismen im Dienste des Menschen. 23
1.8.1 Klassische mikrobielle Verfahren . 23
1.8.2 Neue mikrobielle Verfahren . 24
1.8.3 Mikroorganismen und Gen
1.8.4 Mikroorganismen in Umweltprozessen. 25
1.8.5 Monopolstellung der Mikroorganismen . 25
1.9 Mikroorganismen als Gesundmacher - der Mensch als besiedelter Raum . 25
1.10 Mikroorganismen als Krankheitserreger. 26
2 Die Prokaryonta und die prokaryontische Zelle „_ 29
E. Schneider
2.1 Prokaryonten versus Eukaryonten. 31
2.1.1 Struktur des Genoms. 31
2.1.2 Struktur der Zelle . 32
2.2
2.3 Die Prokaryontenzelle - Zellformen und Größe, chemische Zusammensetzung 36
2.3.1 Morphologische Merkmale. 36
2.3.2 Stoffliche Zusammensetzung. 38
2.4
2.4.1
2.4.2 Artbegriff. 47
2.5 Die „natürliche" oder phylogenetische Klassifikation. 47
Inhalt
2.6 Ausgewählte Beispiele aus dem „natürlichen System". 48
2.6.1 Eubakterien. 48
2.6.2 Archaebakterien. 53
Pilze_^_^_ 57
E. Kothe
3.1 Vorkommen der Pilze. 59
3.2 Die pilzliche Zelle. 59
3.2.1 Aufbau der pilzlichen Zelle. 59
3.2.2 Pilzwachstum. 60
3.3 Einteilung der Pilze. 61
3.3.1 Vermehrungsformen der Pilze als Einteilungskriterien. 62
3.3.2 Basidiomyceten. 63
3.3.3 Ascomyceten. 64
3.3.4 Zygomyceten und Glomeromyceten. 64
3.3.5 Chytridiomyceten . 65
3.3.6 Deuteromyceten und Hyphomyceten. 65
3.4 Asexuelle Vermehrung. 66
3.4.1 Mitose und Zellzyklus. 66
3.4.2 Asexuelle Vermehrungsformen bei Ascomyceten. 67
3.4.3 Asexuelle Vermehrungsformen bei Basidiomyceten, Zygomyceten,
Glomeromyceten und Chytridiomyceten. 68
3.5 Sexuelle Vermehrung. 68
3.5.1 Homothallie und Heterothallie. 68
3.5.2 Sexuelle Entwicklung bei Basidiomyceten . 69
3.5.3 Sexuelle Entwicklung bei Ascomyceten . 70
3.5.4 Sexuelle Entwicklung der Zygomyceten. 72
3.6 Saprophytisches Wachstum. 73
3.6.1 Schimmelpilze. 74
3.6.2 Weißfaule und Braunfäule. 74
3.7 Mykorrhiza - Symbiose zwischen Pilz und Pflanze . 75
3.7.1 Arbuskuläre Endomykorrhiza. 75
3.7.2 Ektomykorrhiza. 76
3.8 Parasitismus. 78
3.8.1 Phytopathogene Pilze . 78
3.8.2 Tier- und humanpathogene Pilze . 80
3.9 Pilzgenetik. 82
3.9.1 Ascusanalyse. 83
3.9.2 Molekulargenetik mit eukaryontischen Systemen . 84
3.10 Pilze in der Biotechnologie und Produktion. 85
3.10.1 Biotechnologie. 86
3.10.2 Speisepilze und Pilzgifte. 86
3.11 Vielfalt pilzlicher Lebensformen. 88
3.11.1 Synchrone
3.11.2 Umwandlung von Pflanzenorganen durch den Antherenbrand. 88
3.11.3 Komplizierte Lebenszyklen bei Rostpilzen. 89
3.11.4 Humanpathogene Pilze: Virulenzfaktoren bei Cryptococcus. 90
3.11.5 Die Innere Uhr: Zeitgeber bei
3.11.6 Septenbildung bei filamentösen Pilzen: Ashbya gossypü . 92
3.11.7 Sex
3.11.8 Oomyceten: Kraut- und Knollenfaule der Kartoffel . 93
3.11.9 Mycetozoa: cAMP als Lockstoff. 94
Inhalt
4 Viren_------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 97
В.
4.1 Vorkommen und Entdeckung. 99
4.2 Entwicklung. 100
4.2.1 Der lytische Zyklus. 100
4.2.2 Der lysogene Zyklus . 101
4.3 Aufbau. 101
4.4 Vermehrung. 104
4.5 Mechanismen der Verbreitung. 105
4.6 Klassifizierung der Viren. 105
4.7 Beispiele.,. 106
4.7.1 Doppelsträngige DNA-Viren (Klasse-I-Viren) . 106
4.7.2 Partiell doppelsträngige DNA-Viren . 110
4.7.3 Einzelsträngige DNA-Viren (Klasse-H-Viren). 112
4.7.4 Die plus-Strang-RNA-Viren (Klasse-IV- und Klasse-VI-Viren). 114
4.7.5 Die minus-Strang RNA-Viren der Eukaryonten (Klasse-V-Viren). 117
4.7.6 Doppelsträngige RNA-Viren (Klasse-III-Viren). 118
4.8 Viroide. 120
5 Die Besonderheiten prokaryontischer Zellen_123
E. Schneider
5.1 Abbildung von Mikroorganismen. 125
5.1.1 Lichtmikroskopie. 125
5.1.2 Elektronenmikroskopie. 127
5.2 Chromosom und Plasmide . 128
5.3 Cytoskelett . 129
5.4 Ribosomen . 129
5.5 Zellmembranen . 130
5.5.1 Cytoplasmamembran. 130
5.5.2 Intracytoplasmatische Membranen. 132
5.6 Zellwand. 133
5.7 Kapseln und Schleime. 136
5.8 Die äußere Membran gramnegativer Bakterien. 137
5.9 Flagellen, Fimbrien,
5.9.1 Flagellen. 138
5.9.2 Fimbrien und
5.10 Speicherstoffe. 143
5.10.1 Polysaccharide. 143
5.10.2 Fettartige Substanzen . 143
5.10.3 Polyphosphate. 144
5.10.4 Schwefel. 144
5.10.5 Cyanophycin . 145
5.11 Andere Zelleinschlüsse. 145
5.12 Spezielle Zelldifferenzierung. 146
5.12.1 Endosporen und andere Dauerformen . 146
5.12.2 Heterocysten. 147
5.13 Prokaryontische und eukaryontische Zellen im Vergleich. 149
5.14 Angriffsorte und Wirkungsweise wichtiger Antibiotika. 150
XII Inhalt
6 Wachstum und Ernährung der Mikroorganismen_155
B. Schink
6.1 Chemische Zusammensetzung der Zelle und Nahrungsbedarf. 157
6.1.1 Elementare Nährstoffansprüche . 157
6.1.2 Ergänzungsstoffe. 157
6.2 Ernährungstypen und Lebensstrategien. 158
6.3 Substrate für Mikroorganismen. 158
6.4 Anpassung an unterschiedliche Umweltbedingungen . 160
6.5 Zusammensetzung von Nährmedien und Kultivierungstechniken. 162
6.5.1 Nährböden. 163
6.5.2 Kultivierungstechniken. 163
6.6 Selektive Kulturmethoden. 166
6.6.1 Anreicherungskultur. 166
6.6.2 Reinkultur. 168
6.6.3 Mischkultur. 168
6.7 Wachstum und Zellteilung. 169
6.7.1 Methoden zur Bestimmung der Zellzahl und der Bakterienmasse. 169
6.7.2 Kinetik des Wachstums. 171
6.8 Physiologie des Wachstums. 173
6.8.1 Bakterienwachstum in statischer Kultur. 173
6.8.2 Parameter der Wachstumskurve. 175
6.8.3 Lineares Wachstum. 176
6.8.4 Bakterienwachstum in kontinuierlicher Kultur. 177
6.8.5 Unterschiede zwischen statischer und kontinuierlicher Kultur. 180
6.9 Hemmung des Wachstums und Abtötung. 180
6.10 Sterilisation und Desinfektion . 182
6.11 Konservierungsverfahren. 186
6.12 Kulturerhaltung. 188
6.13 Mikrobiologische Diagnostik. 189
6.13.1 Klassische Techniken. 189
6.13.2 Molekularbiologische Techniken. 190
7 Zentrale Stoffwechselwege_ 193
G. Fuchs
7.1 Grundmechanismen des Stoffwechsels und der Energieumwandlung. 195
7.1.1 Abbau der Kohlenhydrate. 196
7.1.2 Funktion der Enzyme . 196
7.1.3 Umwandlung von Energie. 200
7.2 Wege des Hexoseabbaus. 202
7.2.1 Glykolyse. 202
7.2.2 Pentosephosphatweg und oxidativer Pentosephosphatzyklus . 203
7.2.3 KDPG-(2-Keto-3-desoxy-6-Phosphogluconat-)Weg. 204
7.2.4 Energiebilanzen und Verbreitung der Zuckerabbauwege. 206
7.2.5
7.3 Citratzyklus und alternative Wege. 208
7.4 Elektronentransportphosphorylierung der Atmungskette. 210
7.4.1 Prinzip der Atmungskette. 210
7.4.2 Komponenten der Atmungskette.213
7.4.3 Atmungskette bei Veratmung von Sauerstoff.215
7.4.4 Elektronentransportphosphorylierung.218
7.4.5 Rückläufiger Elektronentransport.220
7.4.6 Elektronentransportprozesse bei anaeroben Bakterien. 220
Inhalt XIII
7.5 Eigenschaften und Funktionen von Sauerstoff. 220
7.5.1 Regulation durch Sauerstoff. 221
7.5.2 Toxische Wirkung des Sauerstoffs und Entgiftungsreaktionen. 221
7.5.3 Sauerstoff als Cosubstrat. 222
7.5.4 Biolumineszenz. 222
7.6 Verbindung zwischen Energiestoffwechsel und Biosynthese. 223
7.6.1 Bereitstellung des Kohlenstoffs für die Biosynthese. 223
7.6.2 Hilfszyklen und Sonderwege. 223
7.6.3 Regulation von Genexpression und Enzymaktivität. 226
8 Biosynthesen---------------------------------------------------------------.---------------------------------------------------------229
G. Fuchs
8.1 Organisation der „Zellfabrik". 231
8.2 Syntheseleistung der Zelle. 232
8.3 Makromoleküle und ihre Bausteine. 233
8.4 Assimilation der Elemente N, P,
8.4.1 Stickstoff. 234
8.4.2 Schwefel. 238
8.4.3 Phosphor. 240
8.4.4 Spurenelemente. 240
8.5 Bereitstellung von C,-Einheiten, Energie, Reduktions- und Oxidationsmitteln 242
8.5.1 C,-Einheiten. 242
8.5.2 Energie. 243
8.5.3 Reduktions- und Oxidationsmittel . 244
8.6 Synthese von Zellmaterial aus CO2 und Formaldehyd . 244
8.6.1 Synthese von Zellmaterial aus CO2 (autotrophe CO2-Fixierung). 244
8.6.2 Synthese von Zellmaterial aus Formaldehyd. 249
8.7 Biosynthesen der Bausteine. 252
8.7.1 Aminosäuren. 252
8.7.2 Zucker. 252
8.7.3
8.7.4
8.7.5 Synthesen von Zellwandkomponenten an der Membran. 259
8.7.6 Speicherstoffe . 260
9 Transport über die Cytoplasmamembran_263
E. Schneider
9.1 Grundlagen des Transports. 265
9.1.1 Passiver Transport durch Diffusion. 265
9.1.2 Passiver Transport durch Kanalproteine. 265
9.1.3 Aktiver Transport durch
9.2 Transportmechanismen und Transportsysteme. 267
9.2.1 Primäre Transportsysteme. 269
9.2.2 Sekundäre Transportsysteme. 270
9.2.3 Gruppentranslokation. 271
9.2.4 Zusammenwirken von Exoenzymen und Transport. 272
9.3 Weitere Aspekte der Transportsysteme. 272
9.3.1 Beteiligung von Transportsystemen an der Gen- und Proteinregulation 272
9.3.2 Transportsysteme als chemotaktische Rezeptoren. 273
9.3.3 Transportsysteme als Mediatoren der Differenzierung. 275
9.4 Resistenz durch proteinvermittelten Export. 275
XIV Inhalt
9.5 Translokationssysteme für den Proteinexport.276
9.5.1 Sec-Translokationssystem. 276
9.5.2 Tat-Translokationssystem. 277
9.5.3 Spezielle Sekretionssysteme. 277
9.6 Aufnahme von DNA. 279
10 Abbau organischer Verbindungen _ 283
G. Fuchs
10.1 Aerobe und anaerobe Mineralisierung.285
10.1.1 Aerobe Mineralisierung. 285
10.1.2 Anaerobe Mineralisierung. 285
10.2 Gemeinsame Aspekte des Polymerabbaus. 286
10.3 Abbau von Polysacchariden. 287
10.3.1
10.3.2 Hemicellulosen . 288
10.3.3
10.3.4 Andere Polysaccharide. 290
10.3.5 Chitin und Murein. 290
10.3.6 Stärke. 291
10.3.7 Fructane. 292
10.4 Abbau von
10.5 Abbau von Proteinen, Nukleinsäuren und Lipiden. 295
10.5.1 Proteine. 295
10.5.2 Nukleinsäuren. 296
10.5.3
10.6 Abbau niedermolekularer Substanzen.297
10.6.1 Zucker. 298
10.6.2 Aminosäuren. 300
10.6.3 Aromatische Verbindungen. 302
10.6.4 Kohlenwasserstoffe. 308
10.6.5 Fettsäuren. 312
10.6.6 Purine, Pyrimidine und andere heterozyklische Verbindungen. 314
10.7 Abbau und Cometabolismus von Xenobiotika. 315
10.8 Unvollständige Oxidationen. 317
11
J. Heider
11.1 Habitate und Lebensweise von chemolithotrophen Bakterien.323
11.1.1 Art und Herkunft der Substrate. 323
11.1.2 Habitate. 324
11.1.3 Lebensweise. 324
11.1.4 Stoffwechseltypen und ihre Nischen. 326
11.1.5 Symbiosen. 327
11.2 Prinzipien der Lithotrophie. 328
11.2.1 Stoffwechselprinzip.328
11.2.2 Rückläufiger Elektronentransport.328
11.3 Reduzierte Stickstoffverbindungen als Elektronendonatoren.329
11.3.1 Ammonium- und nitritoxidierende Nitrifikanten. 330
11.3.2 Biochemie der Ammoniumoxidation. 330
11.3.3 Biochemie der Nitritoxidation. 331
11.3.4 Ökologische und praktische Bedeutung der Nitrifikation. 332
Inhalt
11.4 Reduzierte Schwefelverbindungen als Elektronendonatoren.333
11.4.1 Biochemie der-Sulfid- und Schwefeloxidation .336
11.4.2 Schwefelwasserstoffoxidierende Symbionten.338
11.5 Reduzierte Metallionen als Elektronendonatoren.339
11.5.1 Biochemie der
11.5.2 Erzeugung.341
11.6 Wasserstoff als Elektronendonator.342
11.6.1 Biochemische Grundlagen.343
11.6.2 Aerobe wasserstoffoxidierende Mikroorganismen . 343
11.7 Kohlenmonoxid als Elektronendonator. 344
12 Mikrobielle Gärungen_-------.------.----------------------------------------------------------------._347
J. Heider
12.1 Prinzipien der Gärung.349
12.1.1
12.1.2 Regeneration der Redox-Carrier . 349
12.1.3 Gärungstypen. 350
12.1.4 Substratkettenphosphorylierung. 350
12.1.5 Wasserstoff als Gärprodukt. 352
12.1.6 Biotechnologische Bedeutung von Gärungen . 353
12.2 Milchsäuregärung. 353
12.2.1 Homofermentative Milchsäuregärung. 355
12.2.2 Heterofermentative Milchsäuregärung. 355
12.2.3 Bifidobactenum-Gärimg. 356
12.2.4 Praktische Bedeutung der Milchsäurebakterien. 357
12.2.5 Medizinische Bedeutung von Milchsäurebakterien. 359
12.3 Ethanolgärung. 359
12.3.1 Biochemie der Ethanolbildung .360
12.3.2 Praktische Bedeutung der alkoholischen Gärung.362
12.4 Gemischte Säuregärung.363
12.4.1 Biochemie der gemischten Säuregärung.364
12.4.2 Bedeutung der gemischten Säuregärung für Trinkwasser-
und Labordiagnostik.368
12.5 Buttersäure- und Lösungsmittelgärung.369
12.5.1 Buttersäuregärende Clostridien. 369
12.5.2 Biochemische Grundlagen der Buttersäuregärung. 369
12.5.3 Lösungsmittelgärung (Butanolgärung) .371
12.6 Propionsäuregärung.371
12.6.1 Biochemische Grundlagen der Propionsäuregärung.372
12.7 Vergärung von Aminosäuren und Nukleotidbasen.374
12.7.1 Stickland-Gärung. 374
12.7.2 Weitere Gärungswege für Aminosäuren und
12.8 Sekundäre Gärungen und Homoacetatgärung. 375
12.8.1 Sekundäre Gärungen. 375
12.8.2 Homoacetatgärung. 377
XVI Inhalt
13 Anaerobe Atmung_._379
J. Heider
13.1 Energetisches Prinzip. 381
13.2 Nitrat, Nitrit, N2O als Elektronenakzeptoren.382
13.2.1 Denitrifikation. 383
13.2.2 Nitratammonifikation.385
13.2.3 Anammox-Reaktion.385
13.3 Fumarat als Elektronenakzeptor. 387
13.4 Oxidierte Metallionen als Elektronenakzeptoren.388
13.5 Sulfat als Elektronenakzeptor.388
13.5.1 Unterschiede zwischen assimilatorischer und
dissimilatorischer Sulfatreduktion. 391
13.5.2 Rolle der sulfatreduzierenden Mikroorganismen im Naturhaushalt. 392
13.6 Schwefel als Elektronenakzeptor. 393
13.7 Methanogenese: CO2 als Elektronenakzeptor. 395
13.7.1 Methanbildung aus H2 und CO2 . 397
13.7.2 Methanbildung aus Acetat. 398
13.8 Acetogenese: CO2 als Elektronenakzeptor. 400
13.9 Reduktion weiterer Elektronenakzeptoren. 402
13.9.1 Sulfoxide und Aminoxide .402
13.9.2 Anorganische Oxyanionen.403
13.9.3 Chlororganische Verbindungen.403
14 Phototrophe Lebensweise_._405
G. Fuchs
14.1 Bedeutung und Prinzipien der Photosynthese.407
14.1.1 Licht als Energiequelle und phototrophes Wachstum.407
14.1.2 Prinzipien der Photosynthese. 407
14.2
14.2.1 Vorkommen und Rolle von Cyanobakterien. 409
14.2.2 Stoffwechsel und Zellstruktur. 410
14.2.3 Morphologische Gruppen .411
14.2.4 Zelldifferenzierungen. 413
14.3 Anoxygene phototrophe Bakterien.413
14.3.1 Vorkommen und Rolle von anoxygenen phototrophen Bakterien.415
14.3.2 Purpurbakterien und Grüne Nicht-Schwefelbakterien
(Photosysteme vom Typ
14.3.3 Grüne Schwefelbakterien und Heliobakterien (Photosysteme vom Typ
14.4 Photosynthetische Pigmente und Thylakoide.420
14.4.1
14.4.2 Akzessorische Pigmente. 422
14.4.3 Thylakoide. 424
14.5 Antennenkomplexe. 424
14.5.1 LH
14.5.2 Chlorosomen. 425
14.5.3 Phycobilisomen. 426
14.6
14.6.1 Die photosynthetische Redoxkette im Überblick . 427
14.6.2 Photosystem
14.6.3 Elektronentransportkette. 429
14.6.4 Photosystem
14.6.5 Zyklische Photophosphorylierung. 430
14.6.6 Bilanz, Quantenbedarf und Wirkungsgrad der Lichtreaktion. 431
Inhalt XVII
14.7 Anoxygene Photosynthese. 432
14.7.1 Gemeinsamkeiten und Unterschiede bei den anoxygenen Photosystemen 432
14.7.2 Photosysteme vom Typ
14.8 Bakteriorhodopsin- und Proteorhodopsin-abhängige Photosynthese. 435
15 Prokaryontische Genetik und Molekularbiologie_439
T. Eitinger
15.1 Organisation prokaryontischer DNA. 441
15.1.1 Struktur der DNA. 441
15.1.2 Chromosomen. 441
15.1.3 Plasmide .'. 443
15.2 Weitergabe genetischer Information: DNA-Replikation. 444
15.2.1 DNA-Polymerasen. 444
15.2.2 Reaktionen an der Replikationsgabel . 444
15.3 Mutationen und DNA-Reparatur. 446
15.3.1 Arten von Mutationen. 446
15.3.2 Entstehung von Mutationen. 447
15.3.3 Selektion von Mutanten . 451
15.3.4 DNA-Reparatur . 451
15.4 Genetische Rekombination. 454
15.4.1 Homologe Rekombination. 454
15.4.2 Nichthomologe Rekombination. 455
15.5 Mobile genetische Elemente. 457
15.6 Mechanismen der Genübertragung. 459
15.6.1 Transformation . 460
15.6.2 Konjugation. 462
15.6.3 Transduktion. 466
15.7 Restriktion und Modifikation. 467
15.8 Expression genetischer Information: Transkription und Translation. 468
15.8.1 Transkription. 469
15.8.2 Translation. 471
15.9 DNA-Klonierung. 476
15.9.1 Plasmide als Vektoren. 477
15.9.2 Phagen als Vektoren. 478
15.9.3 Cosmide. 480
15.9.4 YACs, BACs und PACs: Vektoren für sehr große DNA-Fragmente. 480
15.9.5 cDNA-Banken und Ligationsverfahren. 480
15.9.6 Identifizierung rekombinanter Klone . 481
15.10 DNA-Sequenzierung und Genomsequenzen. 482
15.10.1 Genomsequenzierung . 482
15.10.2 Genomgrößen und Genomorganisation. 485
15.10.3 Genomvergleiche. 485
15.11 Postgenomik. 486
16 Regulation des Stoffwechsels und des Zellaufbaus von Bakterien_491
G. Linden
16.1 Regulation der Genexpression in Bakterien. 493
16.1.1 Veränderung der DNA-Struktur. 493
16.1.2 Kontrolle der Transkription und Translation. 494
16.1.3 Posttranslationale Regulation. 494
XVIII Inhalt
16.2 Kontrolle der Enzymaktivität durch posttranslationale Regulation.495
16.2.1 Allosterische Regulation .495
16.2.2 Kovalente Modifikation von Proteinen.496
16.3 Reizaufnahme und Reizverarbeitung.497
16.3.1 Membranständige und cytoplasmatische Sensoren .497
16.3.2
16.3.3 Aufbau und Funktion von Zweikomponentensystemen.499
16.4 Regulation von Transkription und Translation.499
16.4.1 Regulation der Transkription durch DNA-bindende Proteine. 500
16.4.2 Kontrolle durch regulatorische
16.5 Regulation von Katabolismus und Energiestoffwechsel. 504
16.5.1 Übergeordnete Regulation des Kohlenstoffkatabolismus. 505
16.5.2 Regulation des Stoffwechsels durch Elektronenakzeptoren. 507
16.6
16.6.1
16.6.2 Generelle Stressantwort und Regulation der stationären Phase in
16.7 Spezifische Stressreaktionen. 512
16.7.1 Oxidativer
16.7.2 Hitzeschockreaktion. 513
16.7.3 Osmoregulation. 515
16.8 Regulation der Stickstoffassimilierung. 516
16.9 Chemotaxis. 518
16.10 Interzelluläre Kommunikation und Zelldichteregulation (Quorum
16.11 Differenzierung bei Bakterien. 521
17 Die Rolle von Mikroorganismen im Stoffkreislauf und in der Natur_ 525
B. Schink
17.1 Ökosystem, Standort und ökologische Nische. 527
17.1.1 Ökosystem. 527
17.1.2 Standort. 527
17.1.3 Ökologische Nische. 527
17.1.4 Bewohner eines Ökosystems. 528
17.2 Limitierung von Substraten und Energiequellen. 528
17.2.1 Logistisches Wachstum. 528
17.2.2 Begrenzung der Abbaurate . 529
17.3 Fließsysteme, Substrataffinität und Schwellenwerte . 529
17.4 Hunger,
17.4.1 Hunger. 531
17.4.2
17.4.3 Abweidung. 532
17.4.4 Phagen. 532
17.5 Transport von Substraten und Produkten. 533
17.5.1 Diffusionskontrollierte Lebensräume und Gradientenorganismen. 534
17.6 Methoden zur Analyse mikrobieller Populationen
und ihrer Aktivitäten in der Natur. 535
17.6.1 Färbetechniken und Mikroautoradiografie. 535
17.6.2 Chemische Methoden . 536
17.6.3 Kultivierungsmethoden. 536
17.6.4 Molekularbiologische Methoden. 537
17.6.5 Analyse von Organismengemeinschaften. 539
17.7 Oberflächenanheftung, Biofilme und interzelluläre Kommunikation. 539
17.7.1 Oberflächenanheftung.539
17.7.2 Funktionelle Differenzierung im Biofilm. 540
Inhalt XIX
17.8 Kooperation zwischen Mikroorganismen. 541
17.8.1 Die anaerobe Fütterungskette. 542
17.8.2 Andere Typen von Symbiosen. 543
17.9 Seen und Ozeane. 544
17.9.1 Süßgewässer. 545
17.9.2 Ozean. 550
17.10 Boden und tiefer Untergrand. 553
17.10.1 Boden als Standort für Mikroorganismen. 553
17.10.2 Bodenbestandteile. 555
17.10.3 Mikroorganismen im Boden . 556
17.10.4 Stickstoffhaushalt . 556
17.10.5 Methankreislauf.:. 556
17.10.6 Schichtung des Bodens. 557
17.10.7 Tiefer Untergrund. 557
17.11 Extreme Standorte und ihre Bewohner. 557
17.11.1 Heiße Standorte und thermophile Organismen . 558
17.11.2 Kalte Standorte, psychrophile Organismen und Kältekonservierung . 561
17.11.3 Saure und basische Standorte und daran angepasste Organismen. 561
17.11.4 Salzreiche Standorte und halophile Organismen. 562
17.12 Mikrobielle Umsetzungen von Mineralien in der Erdkruste. 563
17.12.1 Eisenablagerung. 564
17.12.2 Ablagerung von Calciumcarbonat. 564
17.12.3 Schwefelablagerung und andere Lagerstätten. 564
17.13 Tierische Verdauungssysteme. 565
17.13.1 Ernährungs- und Verdauungstypen. 565
17.13.2 Verdauungsapparat der Wiederkäuer. 566
17.13.3 Verdauungsapparat des Pferdes . 568
17.13.4 Verdauungsapparat von holzfressenden Termiten. 568
18 Mikroorganismen als Symbionten und
£ Schneider
18.1 Symbiosen. 573
18.2 Symbiose von stickstofffixierenden Bakterien mit Pflanzen. 574
18.2.1 Wurzel- oder Stammknöllchenbakterien. 574
18.2.2 Andere Formen. 577
18.3 Lebensgemeinschaften von Mikroorganismen mit Tieren. 577
18.4 Körperflora des Menschen. 578
18.5 Mikroorganismen als Auslöser von Krankheiten . 581
18.5.1 Tier- und humanpathogene Bakterien. 581
18.5.2 Virale Krankheitserreger und Prionen. 590
18.6 Pflanzenpathogene Bakterien und Pilze. 592
18.6.1 Pflanzenpathogene Bakterien . 593
18.6.2 Pflanzenpathogene Pilze. 593
18.6.3 Pflanzenabwehr gegen Mikroorganismen. 595
18.7 Biologische Waffen. 596
XX
19 Mikroorganismen im Dienste des Menschen: Biotechnologie_599
ß. Schink
19.1 Die Bakterienzelle als Produzent. 601
19.2 Technische Abläufe in der klassischen Biotechnologie. 601
19.3 Essigsäure. 604
19.3.1 Unvollständige Oxidationen . 604
19.3.2 Stoffwechselleistungen von Essigsäurebakterien . 604
19.3.3 Biochemie der Essigsäurebildung. 605
19.4 Produktion organischer Säuren durch Pilze. 606
19.4.1 Physiologie und Biotechnologie. 606
19.4.2 Chemie der Säurebildung durch Pilze. 608
19.5 Aminosäuren. 610
19.6 Stoffumwandlungen. 610
19.7 Antibiotika. 611
19.7.1 Antibiotikabildende Mikroorganismen. 612
19.7.2 Nachweis der Synthese von Antibiotika.613
19.7.3 Therapeutisch wichtige Antibiotika.614
19.7.4 Mycotoxine.618
19.8 Vitamine.618
19.9 Exopolysaccharide und Tenside .619
19.10 Enzyme. 620
19.11 Polyhydroxyalkanoate.621
19.12 Gentechnische Verfahren. 622
19.12.1 Klassische Verfahren versus Gentechnik. 622
19.12.2 Produktionsstämme. 622
19.12.3 Vektoren . 622
19.12.4 Exoenzyme. 623
19.12.5 Einschlusskörper. 623
19.13 Produktion von Biomasse. 623
19.14 Umwelttechnologie . 624
19.14.1 Abwasserreinigung . 625
19.14.2 Kompostierung . 629
19.14.3 Trinkwasserbehandlung. 630
19.14.4 Abluftreinigung. 630
19.14.5 Bodensanierung. 630
19.15 Metalllaugung und Renaturierung im Tagebau. 631
19.16 Energieversorgung. 632
19.17 Biosensoren. 633
19.18 Mikrobiologische Prozesskontrolle. 634
19.19 Mikrobielle Schädlingsbekämpfung. 634
Anhang_637
Ausgewählte Literatur. 637
Vocabularium. 646
Bildnachweis. 650
Register_653 |
| adam_txt |
Inhalt
Inhalt
0
1 Die Mikroorganismen - eine kurze Einführung_ 1
G. Fuchs
1.1 Die Anfänge der Mikrobiologie. 3
1.2 Die alten drei Reiche: Tiere, Pflanzen und Protisten . 5
1.2.1 Tiere. 5
1.2.2 Pflanzen. 6
1.2.3 Protisten. 7
1.3 Von den zwei Reichen der Prokaryonten und Eukaryonten
zu den drei neuen Reichen. 7
1.3.1 Die zwei Reiche. 7
1.3.2 Die drei neuen Reiche. 8
1.4 Evolution der Organismen und phylogenetischer Stammbaum. 9
1.5 Allgemeine Eigenschaften der Mikroorganismen. 11
1.5.1 Das erfolgreiche Prinzip Kleinheit. 11
1.5.2 Größeneinheit Mikrometer, die Elle des Mikrobiologen. 12
1.5.3 Großes Oberfläche/Volumen-Verhältnis und seine Folgen. 12
1.5.4 Stoffwechselvielfalt und individuelle Anpassungsfähigkeit. 13
1.5.5 Rasche genetische Anpassung. 14
1.5.6 Verbreitung und Überdauerungsvermögen der Mikroorganismen. 15
1.5.7 Mikroorganismen als Modellobjekte der Forschung. 15
1.6 Rolle der Mikroorganismen im Kreislauf der Stoffe. 17
1.6.1 Kreislauf des Kohlenstoffs. 17
1.6.2 Kreislauf des Stickstoffs. 19
1.6.3 Kreislauf des Phosphors. 19
1.6.4 Kreislauf des Schwefels. 20
1.6.5 Mikroorganismen und ihre Fressfeinde. 21
1.7 Mikroorganismen als Symbionten . 21
1.8 Mikroorganismen im Dienste des Menschen. 23
1.8.1 Klassische mikrobielle Verfahren . 23
1.8.2 Neue mikrobielle Verfahren . 24
1.8.3 Mikroorganismen und Gen
1.8.4 Mikroorganismen in Umweltprozessen. 25
1.8.5 Monopolstellung der Mikroorganismen . 25
1.9 Mikroorganismen als Gesundmacher - der Mensch als besiedelter Raum . 25
1.10 Mikroorganismen als Krankheitserreger. 26
2 Die Prokaryonta und die prokaryontische Zelle „_ 29
E. Schneider
2.1 Prokaryonten versus Eukaryonten. 31
2.1.1 Struktur des Genoms. 31
2.1.2 Struktur der Zelle . 32
2.2
2.3 Die Prokaryontenzelle - Zellformen und Größe, chemische Zusammensetzung 36
2.3.1 Morphologische Merkmale. 36
2.3.2 Stoffliche Zusammensetzung. 38
2.4
2.4.1
2.4.2 Artbegriff. 47
2.5 Die „natürliche" oder phylogenetische Klassifikation. 47
Inhalt
2.6 Ausgewählte Beispiele aus dem „natürlichen System". 48
2.6.1 Eubakterien. 48
2.6.2 Archaebakterien. 53
Pilze_^_^_ 57
E. Kothe
3.1 Vorkommen der Pilze. 59
3.2 Die pilzliche Zelle. 59
3.2.1 Aufbau der pilzlichen Zelle. 59
3.2.2 Pilzwachstum. 60
3.3 Einteilung der Pilze. 61
3.3.1 Vermehrungsformen der Pilze als Einteilungskriterien. 62
3.3.2 Basidiomyceten. 63
3.3.3 Ascomyceten. 64
3.3.4 Zygomyceten und Glomeromyceten. 64
3.3.5 Chytridiomyceten . 65
3.3.6 Deuteromyceten und Hyphomyceten. 65
3.4 Asexuelle Vermehrung. 66
3.4.1 Mitose und Zellzyklus. 66
3.4.2 Asexuelle Vermehrungsformen bei Ascomyceten. 67
3.4.3 Asexuelle Vermehrungsformen bei Basidiomyceten, Zygomyceten,
Glomeromyceten und Chytridiomyceten. 68
3.5 Sexuelle Vermehrung. 68
3.5.1 Homothallie und Heterothallie. 68
3.5.2 Sexuelle Entwicklung bei Basidiomyceten . 69
3.5.3 Sexuelle Entwicklung bei Ascomyceten . 70
3.5.4 Sexuelle Entwicklung der Zygomyceten. 72
3.6 Saprophytisches Wachstum. 73
3.6.1 Schimmelpilze. 74
3.6.2 Weißfaule und Braunfäule. 74
3.7 Mykorrhiza - Symbiose zwischen Pilz und Pflanze . 75
3.7.1 Arbuskuläre Endomykorrhiza. 75
3.7.2 Ektomykorrhiza. 76
3.8 Parasitismus. 78
3.8.1 Phytopathogene Pilze . 78
3.8.2 Tier- und humanpathogene Pilze . 80
3.9 Pilzgenetik. 82
3.9.1 Ascusanalyse. 83
3.9.2 Molekulargenetik mit eukaryontischen Systemen . 84
3.10 Pilze in der Biotechnologie und Produktion. 85
3.10.1 Biotechnologie. 86
3.10.2 Speisepilze und Pilzgifte. 86
3.11 Vielfalt pilzlicher Lebensformen. 88
3.11.1 Synchrone
3.11.2 Umwandlung von Pflanzenorganen durch den Antherenbrand. 88
3.11.3 Komplizierte Lebenszyklen bei Rostpilzen. 89
3.11.4 Humanpathogene Pilze: Virulenzfaktoren bei Cryptococcus. 90
3.11.5 Die Innere Uhr: Zeitgeber bei
3.11.6 Septenbildung bei filamentösen Pilzen: Ashbya gossypü . 92
3.11.7 Sex
3.11.8 Oomyceten: Kraut- und Knollenfaule der Kartoffel . 93
3.11.9 Mycetozoa: cAMP als Lockstoff. 94
Inhalt
4 Viren_------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 97
В.
4.1 Vorkommen und Entdeckung. 99
4.2 Entwicklung. 100
4.2.1 Der lytische Zyklus. 100
4.2.2 Der lysogene Zyklus . 101
4.3 Aufbau. 101
4.4 Vermehrung. 104
4.5 Mechanismen der Verbreitung. 105
4.6 Klassifizierung der Viren. 105
4.7 Beispiele.,. 106
4.7.1 Doppelsträngige DNA-Viren (Klasse-I-Viren) . 106
4.7.2 Partiell doppelsträngige DNA-Viren . 110
4.7.3 Einzelsträngige DNA-Viren (Klasse-H-Viren). 112
4.7.4 Die plus-Strang-RNA-Viren (Klasse-IV- und Klasse-VI-Viren). 114
4.7.5 Die minus-Strang RNA-Viren der Eukaryonten (Klasse-V-Viren). 117
4.7.6 Doppelsträngige RNA-Viren (Klasse-III-Viren). 118
4.8 Viroide. 120
5 Die Besonderheiten prokaryontischer Zellen_123
E. Schneider
5.1 Abbildung von Mikroorganismen. 125
5.1.1 Lichtmikroskopie. 125
5.1.2 Elektronenmikroskopie. 127
5.2 Chromosom und Plasmide . 128
5.3 Cytoskelett . 129
5.4 Ribosomen . 129
5.5 Zellmembranen . 130
5.5.1 Cytoplasmamembran. 130
5.5.2 Intracytoplasmatische Membranen. 132
5.6 Zellwand. 133
5.7 Kapseln und Schleime. 136
5.8 Die äußere Membran gramnegativer Bakterien. 137
5.9 Flagellen, Fimbrien,
5.9.1 Flagellen. 138
5.9.2 Fimbrien und
5.10 Speicherstoffe. 143
5.10.1 Polysaccharide. 143
5.10.2 Fettartige Substanzen . 143
5.10.3 Polyphosphate. 144
5.10.4 Schwefel. 144
5.10.5 Cyanophycin . 145
5.11 Andere Zelleinschlüsse. 145
5.12 Spezielle Zelldifferenzierung. 146
5.12.1 Endosporen und andere Dauerformen . 146
5.12.2 Heterocysten. 147
5.13 Prokaryontische und eukaryontische Zellen im Vergleich. 149
5.14 Angriffsorte und Wirkungsweise wichtiger Antibiotika. 150
XII Inhalt
6 Wachstum und Ernährung der Mikroorganismen_155
B. Schink
6.1 Chemische Zusammensetzung der Zelle und Nahrungsbedarf. 157
6.1.1 Elementare Nährstoffansprüche . 157
6.1.2 Ergänzungsstoffe. 157
6.2 Ernährungstypen und Lebensstrategien. 158
6.3 Substrate für Mikroorganismen. 158
6.4 Anpassung an unterschiedliche Umweltbedingungen . 160
6.5 Zusammensetzung von Nährmedien und Kultivierungstechniken. 162
6.5.1 Nährböden. 163
6.5.2 Kultivierungstechniken. 163
6.6 Selektive Kulturmethoden. 166
6.6.1 Anreicherungskultur. 166
6.6.2 Reinkultur. 168
6.6.3 Mischkultur. 168
6.7 Wachstum und Zellteilung. 169
6.7.1 Methoden zur Bestimmung der Zellzahl und der Bakterienmasse. 169
6.7.2 Kinetik des Wachstums. 171
6.8 Physiologie des Wachstums. 173
6.8.1 Bakterienwachstum in statischer Kultur. 173
6.8.2 Parameter der Wachstumskurve. 175
6.8.3 Lineares Wachstum. 176
6.8.4 Bakterienwachstum in kontinuierlicher Kultur. 177
6.8.5 Unterschiede zwischen statischer und kontinuierlicher Kultur. 180
6.9 Hemmung des Wachstums und Abtötung. 180
6.10 Sterilisation und Desinfektion . 182
6.11 Konservierungsverfahren. 186
6.12 Kulturerhaltung. 188
6.13 Mikrobiologische Diagnostik. 189
6.13.1 Klassische Techniken. 189
6.13.2 Molekularbiologische Techniken. 190
7 Zentrale Stoffwechselwege_ 193
G. Fuchs
7.1 Grundmechanismen des Stoffwechsels und der Energieumwandlung. 195
7.1.1 Abbau der Kohlenhydrate. 196
7.1.2 Funktion der Enzyme . 196
7.1.3 Umwandlung von Energie. 200
7.2 Wege des Hexoseabbaus. 202
7.2.1 Glykolyse. 202
7.2.2 Pentosephosphatweg und oxidativer Pentosephosphatzyklus . 203
7.2.3 KDPG-(2-Keto-3-desoxy-6-Phosphogluconat-)Weg. 204
7.2.4 Energiebilanzen und Verbreitung der Zuckerabbauwege. 206
7.2.5
7.3 Citratzyklus und alternative Wege. 208
7.4 Elektronentransportphosphorylierung der Atmungskette. 210
7.4.1 Prinzip der Atmungskette. 210
7.4.2 Komponenten der Atmungskette.213
7.4.3 Atmungskette bei Veratmung von Sauerstoff.215
7.4.4 Elektronentransportphosphorylierung.218
7.4.5 Rückläufiger Elektronentransport.220
7.4.6 Elektronentransportprozesse bei anaeroben Bakterien. 220
Inhalt XIII
7.5 Eigenschaften und Funktionen von Sauerstoff. 220
7.5.1 Regulation durch Sauerstoff. 221
7.5.2 Toxische Wirkung des Sauerstoffs und Entgiftungsreaktionen. 221
7.5.3 Sauerstoff als Cosubstrat. 222
7.5.4 Biolumineszenz. 222
7.6 Verbindung zwischen Energiestoffwechsel und Biosynthese. 223
7.6.1 Bereitstellung des Kohlenstoffs für die Biosynthese. 223
7.6.2 Hilfszyklen und Sonderwege. 223
7.6.3 Regulation von Genexpression und Enzymaktivität. 226
8 Biosynthesen---------------------------------------------------------------.---------------------------------------------------------229
G. Fuchs
8.1 Organisation der „Zellfabrik". 231
8.2 Syntheseleistung der Zelle. 232
8.3 Makromoleküle und ihre Bausteine. 233
8.4 Assimilation der Elemente N, P,
8.4.1 Stickstoff. 234
8.4.2 Schwefel. 238
8.4.3 Phosphor. 240
8.4.4 Spurenelemente. 240
8.5 Bereitstellung von C,-Einheiten, Energie, Reduktions- und Oxidationsmitteln 242
8.5.1 C,-Einheiten. 242
8.5.2 Energie. 243
8.5.3 Reduktions- und Oxidationsmittel . 244
8.6 Synthese von Zellmaterial aus CO2 und Formaldehyd . 244
8.6.1 Synthese von Zellmaterial aus CO2 (autotrophe CO2-Fixierung). 244
8.6.2 Synthese von Zellmaterial aus Formaldehyd. 249
8.7 Biosynthesen der Bausteine. 252
8.7.1 Aminosäuren. 252
8.7.2 Zucker. 252
8.7.3
8.7.4
8.7.5 Synthesen von Zellwandkomponenten an der Membran. 259
8.7.6 Speicherstoffe . 260
9 Transport über die Cytoplasmamembran_263
E. Schneider
9.1 Grundlagen des Transports. 265
9.1.1 Passiver Transport durch Diffusion. 265
9.1.2 Passiver Transport durch Kanalproteine. 265
9.1.3 Aktiver Transport durch
9.2 Transportmechanismen und Transportsysteme. 267
9.2.1 Primäre Transportsysteme. 269
9.2.2 Sekundäre Transportsysteme. 270
9.2.3 Gruppentranslokation. 271
9.2.4 Zusammenwirken von Exoenzymen und Transport. 272
9.3 Weitere Aspekte der Transportsysteme. 272
9.3.1 Beteiligung von Transportsystemen an der Gen- und Proteinregulation 272
9.3.2 Transportsysteme als chemotaktische Rezeptoren. 273
9.3.3 Transportsysteme als Mediatoren der Differenzierung. 275
9.4 Resistenz durch proteinvermittelten Export. 275
XIV Inhalt
9.5 Translokationssysteme für den Proteinexport.276
9.5.1 Sec-Translokationssystem. 276
9.5.2 Tat-Translokationssystem. 277
9.5.3 Spezielle Sekretionssysteme. 277
9.6 Aufnahme von DNA. 279
10 Abbau organischer Verbindungen _ 283
G. Fuchs
10.1 Aerobe und anaerobe Mineralisierung.285
10.1.1 Aerobe Mineralisierung. 285
10.1.2 Anaerobe Mineralisierung. 285
10.2 Gemeinsame Aspekte des Polymerabbaus. 286
10.3 Abbau von Polysacchariden. 287
10.3.1
10.3.2 Hemicellulosen . 288
10.3.3
10.3.4 Andere Polysaccharide. 290
10.3.5 Chitin und Murein. 290
10.3.6 Stärke. 291
10.3.7 Fructane. 292
10.4 Abbau von
10.5 Abbau von Proteinen, Nukleinsäuren und Lipiden. 295
10.5.1 Proteine. 295
10.5.2 Nukleinsäuren. 296
10.5.3
10.6 Abbau niedermolekularer Substanzen.297
10.6.1 Zucker. 298
10.6.2 Aminosäuren. 300
10.6.3 Aromatische Verbindungen. 302
10.6.4 Kohlenwasserstoffe. 308
10.6.5 Fettsäuren. 312
10.6.6 Purine, Pyrimidine und andere heterozyklische Verbindungen. 314
10.7 Abbau und Cometabolismus von Xenobiotika. 315
10.8 Unvollständige Oxidationen. 317
11
J. Heider
11.1 Habitate und Lebensweise von chemolithotrophen Bakterien.323
11.1.1 Art und Herkunft der Substrate. 323
11.1.2 Habitate. 324
11.1.3 Lebensweise. 324
11.1.4 Stoffwechseltypen und ihre Nischen. 326
11.1.5 Symbiosen. 327
11.2 Prinzipien der Lithotrophie. 328
11.2.1 Stoffwechselprinzip.328
11.2.2 Rückläufiger Elektronentransport.328
11.3 Reduzierte Stickstoffverbindungen als Elektronendonatoren.329
11.3.1 Ammonium- und nitritoxidierende Nitrifikanten. 330
11.3.2 Biochemie der Ammoniumoxidation. 330
11.3.3 Biochemie der Nitritoxidation. 331
11.3.4 Ökologische und praktische Bedeutung der Nitrifikation. 332
Inhalt
11.4 Reduzierte Schwefelverbindungen als Elektronendonatoren.333
11.4.1 Biochemie der-Sulfid- und Schwefeloxidation .336
11.4.2 Schwefelwasserstoffoxidierende Symbionten.338
11.5 Reduzierte Metallionen als Elektronendonatoren.339
11.5.1 Biochemie der
11.5.2 Erzeugung.341
11.6 Wasserstoff als Elektronendonator.342
11.6.1 Biochemische Grundlagen.343
11.6.2 Aerobe wasserstoffoxidierende Mikroorganismen . 343
11.7 Kohlenmonoxid als Elektronendonator. 344
12 Mikrobielle Gärungen_-------.------.----------------------------------------------------------------._347
J. Heider
12.1 Prinzipien der Gärung.349
12.1.1
12.1.2 Regeneration der Redox-Carrier . 349
12.1.3 Gärungstypen. 350
12.1.4 Substratkettenphosphorylierung. 350
12.1.5 Wasserstoff als Gärprodukt. 352
12.1.6 Biotechnologische Bedeutung von Gärungen . 353
12.2 Milchsäuregärung. 353
12.2.1 Homofermentative Milchsäuregärung. 355
12.2.2 Heterofermentative Milchsäuregärung. 355
12.2.3 Bifidobactenum-Gärimg. 356
12.2.4 Praktische Bedeutung der Milchsäurebakterien. 357
12.2.5 Medizinische Bedeutung von Milchsäurebakterien. 359
12.3 Ethanolgärung. 359
12.3.1 Biochemie der Ethanolbildung .360
12.3.2 Praktische Bedeutung der alkoholischen Gärung.362
12.4 Gemischte Säuregärung.363
12.4.1 Biochemie der gemischten Säuregärung.364
12.4.2 Bedeutung der gemischten Säuregärung für Trinkwasser-
und Labordiagnostik.368
12.5 Buttersäure- und Lösungsmittelgärung.369
12.5.1 Buttersäuregärende Clostridien. 369
12.5.2 Biochemische Grundlagen der Buttersäuregärung. 369
12.5.3 Lösungsmittelgärung (Butanolgärung) .371
12.6 Propionsäuregärung.371
12.6.1 Biochemische Grundlagen der Propionsäuregärung.372
12.7 Vergärung von Aminosäuren und Nukleotidbasen.374
12.7.1 Stickland-Gärung. 374
12.7.2 Weitere Gärungswege für Aminosäuren und
12.8 Sekundäre Gärungen und Homoacetatgärung. 375
12.8.1 Sekundäre Gärungen. 375
12.8.2 Homoacetatgärung. 377
XVI Inhalt
13 Anaerobe Atmung_._379
J. Heider
13.1 Energetisches Prinzip. 381
13.2 Nitrat, Nitrit, N2O als Elektronenakzeptoren.382
13.2.1 Denitrifikation. 383
13.2.2 Nitratammonifikation.385
13.2.3 Anammox-Reaktion.385
13.3 Fumarat als Elektronenakzeptor. 387
13.4 Oxidierte Metallionen als Elektronenakzeptoren.388
13.5 Sulfat als Elektronenakzeptor.388
13.5.1 Unterschiede zwischen assimilatorischer und
dissimilatorischer Sulfatreduktion. 391
13.5.2 Rolle der sulfatreduzierenden Mikroorganismen im Naturhaushalt. 392
13.6 Schwefel als Elektronenakzeptor. 393
13.7 Methanogenese: CO2 als Elektronenakzeptor. 395
13.7.1 Methanbildung aus H2 und CO2 . 397
13.7.2 Methanbildung aus Acetat. 398
13.8 Acetogenese: CO2 als Elektronenakzeptor. 400
13.9 Reduktion weiterer Elektronenakzeptoren. 402
13.9.1 Sulfoxide und Aminoxide .402
13.9.2 Anorganische Oxyanionen.403
13.9.3 Chlororganische Verbindungen.403
14 Phototrophe Lebensweise_._405
G. Fuchs
14.1 Bedeutung und Prinzipien der Photosynthese.407
14.1.1 Licht als Energiequelle und phototrophes Wachstum.407
14.1.2 Prinzipien der Photosynthese. 407
14.2
14.2.1 Vorkommen und Rolle von Cyanobakterien. 409
14.2.2 Stoffwechsel und Zellstruktur. 410
14.2.3 Morphologische Gruppen .411
14.2.4 Zelldifferenzierungen. 413
14.3 Anoxygene phototrophe Bakterien.413
14.3.1 Vorkommen und Rolle von anoxygenen phototrophen Bakterien.415
14.3.2 Purpurbakterien und Grüne Nicht-Schwefelbakterien
(Photosysteme vom Typ
14.3.3 Grüne Schwefelbakterien und Heliobakterien (Photosysteme vom Typ
14.4 Photosynthetische Pigmente und Thylakoide.420
14.4.1
14.4.2 Akzessorische Pigmente. 422
14.4.3 Thylakoide. 424
14.5 Antennenkomplexe. 424
14.5.1 LH
14.5.2 Chlorosomen. 425
14.5.3 Phycobilisomen. 426
14.6
14.6.1 Die photosynthetische Redoxkette im Überblick . 427
14.6.2 Photosystem
14.6.3 Elektronentransportkette. 429
14.6.4 Photosystem
14.6.5 Zyklische Photophosphorylierung. 430
14.6.6 Bilanz, Quantenbedarf und Wirkungsgrad der Lichtreaktion. 431
Inhalt XVII
14.7 Anoxygene Photosynthese. 432
14.7.1 Gemeinsamkeiten und Unterschiede bei den anoxygenen Photosystemen 432
14.7.2 Photosysteme vom Typ
14.8 Bakteriorhodopsin- und Proteorhodopsin-abhängige Photosynthese. 435
15 Prokaryontische Genetik und Molekularbiologie_439
T. Eitinger
15.1 Organisation prokaryontischer DNA. 441
15.1.1 Struktur der DNA. 441
15.1.2 Chromosomen. 441
15.1.3 Plasmide .'. 443
15.2 Weitergabe genetischer Information: DNA-Replikation. 444
15.2.1 DNA-Polymerasen. 444
15.2.2 Reaktionen an der Replikationsgabel . 444
15.3 Mutationen und DNA-Reparatur. 446
15.3.1 Arten von Mutationen. 446
15.3.2 Entstehung von Mutationen. 447
15.3.3 Selektion von Mutanten . 451
15.3.4 DNA-Reparatur . 451
15.4 Genetische Rekombination. 454
15.4.1 Homologe Rekombination. 454
15.4.2 Nichthomologe Rekombination. 455
15.5 Mobile genetische Elemente. 457
15.6 Mechanismen der Genübertragung. 459
15.6.1 Transformation . 460
15.6.2 Konjugation. 462
15.6.3 Transduktion. 466
15.7 Restriktion und Modifikation. 467
15.8 Expression genetischer Information: Transkription und Translation. 468
15.8.1 Transkription. 469
15.8.2 Translation. 471
15.9 DNA-Klonierung. 476
15.9.1 Plasmide als Vektoren. 477
15.9.2 Phagen als Vektoren. 478
15.9.3 Cosmide. 480
15.9.4 YACs, BACs und PACs: Vektoren für sehr große DNA-Fragmente. 480
15.9.5 cDNA-Banken und Ligationsverfahren. 480
15.9.6 Identifizierung rekombinanter Klone . 481
15.10 DNA-Sequenzierung und Genomsequenzen. 482
15.10.1 Genomsequenzierung . 482
15.10.2 Genomgrößen und Genomorganisation. 485
15.10.3 Genomvergleiche. 485
15.11 Postgenomik. 486
16 Regulation des Stoffwechsels und des Zellaufbaus von Bakterien_491
G. Linden
16.1 Regulation der Genexpression in Bakterien. 493
16.1.1 Veränderung der DNA-Struktur. 493
16.1.2 Kontrolle der Transkription und Translation. 494
16.1.3 Posttranslationale Regulation. 494
XVIII Inhalt
16.2 Kontrolle der Enzymaktivität durch posttranslationale Regulation.495
16.2.1 Allosterische Regulation .495
16.2.2 Kovalente Modifikation von Proteinen.496
16.3 Reizaufnahme und Reizverarbeitung.497
16.3.1 Membranständige und cytoplasmatische Sensoren .497
16.3.2
16.3.3 Aufbau und Funktion von Zweikomponentensystemen.499
16.4 Regulation von Transkription und Translation.499
16.4.1 Regulation der Transkription durch DNA-bindende Proteine. 500
16.4.2 Kontrolle durch regulatorische
16.5 Regulation von Katabolismus und Energiestoffwechsel. 504
16.5.1 Übergeordnete Regulation des Kohlenstoffkatabolismus. 505
16.5.2 Regulation des Stoffwechsels durch Elektronenakzeptoren. 507
16.6
16.6.1
16.6.2 Generelle Stressantwort und Regulation der stationären Phase in
16.7 Spezifische Stressreaktionen. 512
16.7.1 Oxidativer
16.7.2 Hitzeschockreaktion. 513
16.7.3 Osmoregulation. 515
16.8 Regulation der Stickstoffassimilierung. 516
16.9 Chemotaxis. 518
16.10 Interzelluläre Kommunikation und Zelldichteregulation (Quorum
16.11 Differenzierung bei Bakterien. 521
17 Die Rolle von Mikroorganismen im Stoffkreislauf und in der Natur_ 525
B. Schink
17.1 Ökosystem, Standort und ökologische Nische. 527
17.1.1 Ökosystem. 527
17.1.2 Standort. 527
17.1.3 Ökologische Nische. 527
17.1.4 Bewohner eines Ökosystems. 528
17.2 Limitierung von Substraten und Energiequellen. 528
17.2.1 Logistisches Wachstum. 528
17.2.2 Begrenzung der Abbaurate . 529
17.3 Fließsysteme, Substrataffinität und Schwellenwerte . 529
17.4 Hunger,
17.4.1 Hunger. 531
17.4.2
17.4.3 Abweidung. 532
17.4.4 Phagen. 532
17.5 Transport von Substraten und Produkten. 533
17.5.1 Diffusionskontrollierte Lebensräume und Gradientenorganismen. 534
17.6 Methoden zur Analyse mikrobieller Populationen
und ihrer Aktivitäten in der Natur. 535
17.6.1 Färbetechniken und Mikroautoradiografie. 535
17.6.2 Chemische Methoden . 536
17.6.3 Kultivierungsmethoden. 536
17.6.4 Molekularbiologische Methoden. 537
17.6.5 Analyse von Organismengemeinschaften. 539
17.7 Oberflächenanheftung, Biofilme und interzelluläre Kommunikation. 539
17.7.1 Oberflächenanheftung.539
17.7.2 Funktionelle Differenzierung im Biofilm. 540
Inhalt XIX
17.8 Kooperation zwischen Mikroorganismen. 541
17.8.1 Die anaerobe Fütterungskette. 542
17.8.2 Andere Typen von Symbiosen. 543
17.9 Seen und Ozeane. 544
17.9.1 Süßgewässer. 545
17.9.2 Ozean. 550
17.10 Boden und tiefer Untergrand. 553
17.10.1 Boden als Standort für Mikroorganismen. 553
17.10.2 Bodenbestandteile. 555
17.10.3 Mikroorganismen im Boden . 556
17.10.4 Stickstoffhaushalt . 556
17.10.5 Methankreislauf.:. 556
17.10.6 Schichtung des Bodens. 557
17.10.7 Tiefer Untergrund. 557
17.11 Extreme Standorte und ihre Bewohner. 557
17.11.1 Heiße Standorte und thermophile Organismen . 558
17.11.2 Kalte Standorte, psychrophile Organismen und Kältekonservierung . 561
17.11.3 Saure und basische Standorte und daran angepasste Organismen. 561
17.11.4 Salzreiche Standorte und halophile Organismen. 562
17.12 Mikrobielle Umsetzungen von Mineralien in der Erdkruste. 563
17.12.1 Eisenablagerung. 564
17.12.2 Ablagerung von Calciumcarbonat. 564
17.12.3 Schwefelablagerung und andere Lagerstätten. 564
17.13 Tierische Verdauungssysteme. 565
17.13.1 Ernährungs- und Verdauungstypen. 565
17.13.2 Verdauungsapparat der Wiederkäuer. 566
17.13.3 Verdauungsapparat des Pferdes . 568
17.13.4 Verdauungsapparat von holzfressenden Termiten. 568
18 Mikroorganismen als Symbionten und
£ Schneider
18.1 Symbiosen. 573
18.2 Symbiose von stickstofffixierenden Bakterien mit Pflanzen. 574
18.2.1 Wurzel- oder Stammknöllchenbakterien. 574
18.2.2 Andere Formen. 577
18.3 Lebensgemeinschaften von Mikroorganismen mit Tieren. 577
18.4 Körperflora des Menschen. 578
18.5 Mikroorganismen als Auslöser von Krankheiten . 581
18.5.1 Tier- und humanpathogene Bakterien. 581
18.5.2 Virale Krankheitserreger und Prionen. 590
18.6 Pflanzenpathogene Bakterien und Pilze. 592
18.6.1 Pflanzenpathogene Bakterien . 593
18.6.2 Pflanzenpathogene Pilze. 593
18.6.3 Pflanzenabwehr gegen Mikroorganismen. 595
18.7 Biologische Waffen. 596
XX
19 Mikroorganismen im Dienste des Menschen: Biotechnologie_599
ß. Schink
19.1 Die Bakterienzelle als Produzent. 601
19.2 Technische Abläufe in der klassischen Biotechnologie. 601
19.3 Essigsäure. 604
19.3.1 Unvollständige Oxidationen . 604
19.3.2 Stoffwechselleistungen von Essigsäurebakterien . 604
19.3.3 Biochemie der Essigsäurebildung. 605
19.4 Produktion organischer Säuren durch Pilze. 606
19.4.1 Physiologie und Biotechnologie. 606
19.4.2 Chemie der Säurebildung durch Pilze. 608
19.5 Aminosäuren. 610
19.6 Stoffumwandlungen. 610
19.7 Antibiotika. 611
19.7.1 Antibiotikabildende Mikroorganismen. 612
19.7.2 Nachweis der Synthese von Antibiotika.613
19.7.3 Therapeutisch wichtige Antibiotika.614
19.7.4 Mycotoxine.618
19.8 Vitamine.618
19.9 Exopolysaccharide und Tenside .619
19.10 Enzyme. 620
19.11 Polyhydroxyalkanoate.621
19.12 Gentechnische Verfahren. 622
19.12.1 Klassische Verfahren versus Gentechnik. 622
19.12.2 Produktionsstämme. 622
19.12.3 Vektoren . 622
19.12.4 Exoenzyme. 623
19.12.5 Einschlusskörper. 623
19.13 Produktion von Biomasse. 623
19.14 Umwelttechnologie . 624
19.14.1 Abwasserreinigung . 625
19.14.2 Kompostierung . 629
19.14.3 Trinkwasserbehandlung. 630
19.14.4 Abluftreinigung. 630
19.14.5 Bodensanierung. 630
19.15 Metalllaugung und Renaturierung im Tagebau. 631
19.16 Energieversorgung. 632
19.17 Biosensoren. 633
19.18 Mikrobiologische Prozesskontrolle. 634
19.19 Mikrobielle Schädlingsbekämpfung. 634
Anhang_637
Ausgewählte Literatur. 637
Vocabularium. 646
Bildnachweis. 650
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