Viren, Pilze und Antibiotika. Überblick der Mikrobiologie

Inhaltsverzeichnis

1. Viren

2. Mykologie

3. Gärung

4. Antibiotika

5. Regulation des Stoffwechsels

6. Medizinische Mikrobiologie

Mikrobiologie

1. Viren

wichtigste Charakteristika Viren

- Genom besteht aus DNS oder RNS (nie aus beiden Nukleinsäuren)
- besitzen keinen eigenen, von der Wirtszelle unabhängigen Metabolismus
- zur Reproduktion wird nur virale Nukleinsäure benötigt, die in der Wirtszelle dafür frei vorliegt (Proteine des Capsids od. der Hülle werden dafür nicht benötigt)

Viruskomponenten/Strukturelemente Viren

- Nukleokapsid = Nukleinsäure + Kapsid (= Proteinhülle)
- Kapsid (Coat, Shell) = aus Kapsomeren aufgebaut
- Kapsomere = aus Proteinuntereinheiten (einer oder mehreren) aufgebaut & besitzen Info zur Zusammenlagerung selbst → keine Helferproteine notwendig (self assembly)
- Hüllmembran (Hülle, Envelope) = aus zellulärer Membran (Lipid bilyaer) in der virusspezifische Proteine eingelagert sind (meist Glykoproteine) eingelagert sind

= nackte Viren (ohne Hülle, nonenveloped Viruses)

= Viren mit Hülle (enveloped Viruses)

- Glykoproteine

Morphologische Gruppen der Viren

- Capsid in helicaler Form = Bsp. Tabakmosaikvirus

= 16,5 Untereinheiten pro Windung

= 2130 identische Untereinheiten von je 158 Aminosäuren je Capsid

- Capsid mit polyedrischer Struktur (Eikosaeder) = effektivste Verpackungsform

= einfachste Form: 20 Außenflächen; 3 Untereinheiten pro Fläche = 60 Untereinheiten

= komplexere Formen: 180, 240 oder 420 Untereinheiten

= Bsp. Retroviren

- zusammengesetzte Viren = aus polyedrischem Kopf und helicalem Schwanz

= Bsp. Bacteriophagen

- komplexe Viren = Bsp. Pokenvirus

= aus verschiedenen Komponenten zusammengesetzt

Virale oder virusähnliche Sonderformen

- Retrotransposonen = evolutionär wahrscheinlich von Retroviren abgeleitete transponible Sequenzen

= im Genom der Zellen von Pflanzen, Tieren, Wirbellosen, Protozoen und Pilzen

= kodieren für reverse Transkriptase, Enzyme für die Replikation und Integration sowie für ein Capsid-Protein

= synthestisierte RNS wird in Virus-like-Particles gemeinsam mit reverser Transkriptase verpackt

= sind nicht infektiös

- Killer-Nukleinsäuren = doppelsträngige RNS oder DNS

= im Zytoplasma von Pilzen

= kodieren für Killer-Toxine und Resistenzfaktoren sowie für Enzyme für ihre Replikation

= werden nicht in Virus-like-Partivles verpackt

= nicht infektiös

- Viroide = ringförmige einzelsträngige RNS Moleküle in Pflanzenzellen

= verursachen verschiedene Pflanzenkrankheiten

Virusgenom

- DNS oder RNS als Einzel- oder Doppelstrang
- ss RNS; ss DNS; ds RNS; ds DNS – ringförmig, linear, segmentiert
- Menge variiert sehr stark:
- Viren mit Hülle: 1-2 % der Gesamtmasse
- Nackte Viren: 25-5- % der Gesamtmasse
- Anzahl der Moleküle Nukleinsäure pro Capsid ist sehr unterschiedlich
- viele Viren: 1 Molekül
- Retroviren: 2 identische RNS Moleküle
- Influenzaviren: 8 RNS Moleküle unterschiedlicher Größe
- unterschiedliche Mechanismen der Bildung der mRNS in Abhängigkeit von Art der vorliegenden Nukleinsäure

Virale Proteine (einzelne Teile von Viren werden separat synthestisiert)

- Frühe Proteine
- Synthese sofort nach der Injektion bzw. der Freisetzung der Virus-Nukleinsäure
- meist in geringen Mengen produziert
- notwendige Proteine für Replikation und Transkription der viralen Nukleinsäure
- mittlere Proteine
- sind in Replikation der viralen Nukleinsäure involviert (z.B. DNS-Gyrase)
- meist in geringen Mengen produziert
- Synthese erfolgt zeitgleich nachdem frühe Proteine hergestellt wurden
- späte Proteine
- Synthese erfolgt spät im Zyklus
- sind meist Strukturproteine (Coat, Envelope) → sogen für Bildung der Hülle
- werden in größeren Mengen hergestellt

Virale Enzyme und deren Funktion

- einige Virions enthalten Enzyme, die erst nach Freisetzung in der Wirtszelle aktiv werden

- Enzyme:

- Polymerase → Synthese der mRNS

- reverse Transkriptase (= Revertase) → Synthese der DNS von der RNS

→ enthalten in Retroviren

- Neuraminadasen → Auflösen glykosidischer Bindungen zwischen Glykoproteinen und Glykolipiden in Geweben tierischer Zellen

- Lysozym → Auflösung der Zellwand des Wirtsbakteriums, wodurch Zelle lysiert und Bakteriophagen freigesetzt werden

→ enthalten in Bakteriophagen

Virusvermehrung

- Attachment = Absorption
- Anlagerung des Virus an best. Strukturen (Rezeptoren) der Zelloberfläche
- Penetration = Injektion oder Endozytose des Virus
- Injektion der Virusnukleinsäurein die Zelle bzw.
- Aufnahme des gesamten Virus in die Zelle und Freisetzung der viralen Nukleinsäure
- Frühe Schritte der Replikation der viralen Nukleinsäure
- Nutzung des Biosyntheseapparates des Wirts bei gleichzeitiger Umschaltung auf Bedürfnisse des Viruses
- Synthese Virusspezifischer Enzyme (frühe Enzyme)
- Replikation der viralen Nukleinsäure
- Synthese der Proteinuntereinheiten für Virus-Kapsid und evtl. für Virushülle
- Zusammenlagerung der Nukleinsäure und der Proteinuntereinheiten zu neuen Viruspartikeln

(evtl. Einbau der Membrankomponenten in Virushülle)

- Freisetzung der reifen Viruspartikel (häufig durch Lyse der Wirtszelle)

Temperente Phagen

- Virulente Phagen
- sofortiger Beginn der Synthese neuer Phagen nach Injektion der Nukleinsäure
- Temperente Phagen
-Infektion der Zelle ohne sofortigen Start der Synthese neuer Phagen

(temperent = gemäßigt)

- Phage liegt im nichtinfektiösen Zustand vor und wir bei der Zellteilung auf die Nachkommen vererbt (Prophage):
- Einbau ins Genom der Wirtszelle
- Ringförmig geschlossenes Plasmid
- spontan erfolgt Vermehrung der Phagen und Freisetzung durch Lyse der Wirtszelle

(Lysogenie; lysogene Bakterien)

- Phagen-Konversion: Immunität lysogener Bakterien gegen Zweitinfektion durch andere Phagen, da Prophage Repressorprotein produziert

Lytischer Zyklus

- Freisetzung der Nachkommen durch Lyse der Wirtszelle (Tod der Zelle)
- Schritte:
- Infektion
- Aktivierung der frühen Gene des Virus → Einleitung der Zerstörung des Wirtsgenoms
- Replikation des viruseigenen Genoms
- Aktivierung der späten Gene → Synthese
- Lyse der Wirtszelle

Restriktion/Modifikation (Virenabwehr)

- Restriktion:
- intrazellulärer Abbau fremder DNS (z.B. Virus-DNS) mittels spezifischer Enzyme (restriktive Endonukleasen = Restriktasen)
- Modifikation:
- Modifizierung der zelleigenen DNS zum Schutz vor den Restriktasen mittels Methylierung oder Glukosylierung

Virale Schutzmechanismen

- viruskodierte Hemmproteine gegen Restriktasen
- viruskodierte Modifikation der DNA
- Einbau von Nukleotiden mit unüblichen Basen in der DNA
- Koinjektion internaler Proteine mit der DNA in die Zelle
- Kontraselektion gegen das Vorkommen von Erkennungssequenzen im Phagengenom
- Strangorientierung nichtsymmetrischer Erkennungssequenzen
- Abbau von Kofaktoren für Restriktasen

Was sind Prionen und wie kommt es zur Entstehung der Krankheiten (BSE, CJD, nvCJD)?

- Prionen
- proteinartige infektiöse Partikel
- Verursacher tödlich verlaufender Hirnerkrankungen beim Menschen (CJD) und beim Tier (BSE)
- wirtseigenes Protein, das in einer normalen (PrPC) und fehlerhaft gefalteten, pathologischen (PrPSc) Form vorkommt
- pathologisches Prion wandelt wahrscheinlich natürlich vorkommendes Protein in infektiöse Formen um
- Wie BSE, CJD und nvCJD entstehen
- durch Futter
- durch Nahrungsaufnahme von erkrankten Tieren
- durch Gen-Mutationen
- erblich durch Gendefekt
- Übertragung von Mensch zu Mensch (Transplantationen, verunreinigte Medikamente)
- Mutation in Prion-Genen

2. Mykologie

Bedeutung der Pilze im Stoffkreislauf der Natur

- Rezirkularisierung von organischem Material (Ab- und Umbau organischen Materials)
- Umsetzung des Waldabfalls
- Chitinolytische Pilze (Abbau Chitinpanzer der Insekten)
- Abbau von Exkrementen der Mikrofauna
- Keratinophile Pilze

Nutzung von Pilzen

- Kultur von Speisepilzen (z.B. Kulturchampingnons)
- Lebensmittelindustrie
- Backwaren-, Bier-, Wein- und Spiritusherstellung
- Verarbeitung tierischer Rohstoffe → Kefir, Käse (Lactobacillusarten, Hefen, Penicilliumarten)
- Reifung von Fleisch und Rohwurst (Hefen, Penicillumarten)
- Fischfermentation (Aspergillusarten)
- Produktion organischer Säuren → Citronensäure, Glukonsäure (Aspergillusarten)
- verschiedenste Enzyme
- Vitamine und Aromastoffe
- Antibiotika (Penicillin)
- Wachstumeregulatoren
- Halluzinogene
- Mykotoxine

Morphologie der Pilzzelle (Aufbau Zellwand, Zellkern, Mitochondrien, Plasmide)

- zeigt typischen Aufbau einer eukaryontischen Zelle
- enthält Organellen und wird von einer Zellwand umgeben
- Zytoplasma kompartimentiert (Mitos, ER, Golgi, Microbodies)
- Membranen außen enthalten Ergosterol
- Membranen innen : Komplex
- Zellwand: Chitin, Mannane, Glukan-Mannan-Protein-Komplexe, Glukan, Glykoproteinnetz
- Zellkern: enthält Chromosomen, durch Kernmembran abgeschlossen, Kernporen, eukaryotischer Kern, Kernmembran wird während Mitose und Meiose nicht aufgelöst, Kerne der meisten Pilze enthalten haploiden Chromosomensatz, filamentöse Pilze meist mehrkernig, Nucleus associated organelle, Nucleolus: Synthese der rRNA
- Mitochondrien: können große Mengen an DNA enthalten im US zu Bakterien
- Plasmide: Hauptorte: Mitochondrien und Kern , = extrachromosomale DNA, nicht die Bedeutung wie bei Bakterien für Resistenzentwicklung

Reproduktionsformen der Pilze

- asexuelle Vermehrung
- Bildung von Sporen aus vegetativen Zellen ohne sexuelle Differenzierung und meiotische Reduktionsteilung
- sexuelle Vermehrung
- Bildung von sexuell differenzierten Zellen (Gameten)
- Fusion von Gameten
- Meiose vor der Sporenbildung
- 4 Etappen: Gametenbildung; Plasmogamie; Karyogamie; Meiose, Sporenbildung
- parasexuelle Vermehrung
- Fusion sexuell nicht differenzierter vegetativer Zellen
- Haploidisierung
- Sporenbildung ohne vorangehende Meiose

wichtige Sporentypen

- Sporangiosporen (Planosporen = Zoosporen)
- Konidiosporen (Aplanosporen)
- Oidiosporen (Aplanosporen)
- Chlamydosporen (Aplanosporen)

Lebenszyklen – Typen

- asexueller Lebenszyklus
- keine sexuelle Reproduktion – fungi imperfecti
- haploider L.
- Meiose erfolgt sofort nach Kernfusion
- diploider Kern nur sehr kurzzeitig vorhanden
- viele Phycomyceten und Ascomyceten
- haploid dikaryotischer L.
- haploide Kerne liegen nebeneinander in der Zelle vor (Dikaryon)
- Ascomyceten, Basidiomyceten
- haploid-diploider L.
- haploider und diploider L. lösen sich regelmäßig ab
- aquatische Pilze
- diploider L.
- haploide Phase nur bei Gameten oder während Gametenbildung vorhanden

Taxonomie der Pilze

- echte Schleimpilze = Myxomycetes
- bilden Masse aus mehreren Zellkernen und pflanzen sich sexuell fort
- bilden amöboid bewegliche, vielkernige Protoplasmamassen
- niedere Pilze = Phycomycetes
- einkernige Zellen oder vielkernige Thalli
und Ausbildung von Zoosporen
- höhere Pilze = Eumycetes
- Schlauchpilze (Ascomycetes; Ascus = Schlauch)
- charakterisiert durch schlauchförmiges Sporangium
und umfangreichste Klasse der Pilze
- Hakenbildung
- Sporen reifen in Schläuchen
- Ständerpilze (Basidiomycetes)
- Karyogamie und anschließende Meiose laufen im als Basidie (= Ständer) bezeichneten Meiosporangium ab
- Schnallenbildung
- Sporen reifen auf Ständern in der Fruchtschicht (im Sporenkörper)
- Fungi imperfecti (Deuteromycetes)

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