Bakterien

1. Der Bau

Normale Einzeller

enthalten alle Bestandteile einer pflanzlichen oder tierischen Zelle, wie z.B. die Dictyosomen, Mitochondrien, Plastiden und einen Zellkern, in dem sich die Erbanlagen befinden

1.2 Das Bakterium

- Zellmembran aus 1. Gram - positive Bakterien mit einer Membran aus Murein und 2. Gram - negative Bakterien mit einer Membran aus einer dünnen Murinschicht und einer zusätzlich von außen bedeckten Lipoid - Protein - Schicht

- Bakterien besitzen keinen Zellkern, folglich schwimmt die DNA (ein ringförmiger Doppelstrang) im Zellplasma frei herum

- zusätzlich zum Bakterienchromosom befindet sich auch noch ein Plasmid im Zellplasma, das zusätzliche genetische Informationen enthält

- da die haploiden Bakterien keinen Zellkern haben, bezeichnet man sie als Prokaryoten, im Gegensatz zu den Eukaryoten, zu denen Tiere, Pflanzen und Pilze gehören

2. Das Wachstum von Bakterienkulturen

- aufgrund ihrer vielfältigen Stoffwechselwege sind Bakterien in der Lage sich den unterschiedlichsten Lebensbedingungen anzupassen - sie können fast überall überleben, deshalb spricht man auch von der Allgegewärtigkeit der Bakterien

- Bakterien vermehren sich durch Zweiteilung, also durch die mitotische Teilung







Bild: Wachstumskurve

Anlaufphase:

- die Zellteilungen beginnen einzusetzen

Exponentielle Phase:

- es liegt eine konstante maximale Teilungsrate vor, deshalb ist
diese Phase durch einen linearen Kurvenverlauf gekennzeichnet
es herrschen optimale Kulturbedingungen

Stationäre Phase:

- ohne unbegrenztes Nährstoffangebot setzt jedoch mit
verknappten Nährstoffen ein langsameres Wachstum ein, das
Wachstum sinkt so lange, bis die Zahl mit den sterbenden
Zellen übereinstimmt - es entsteht also ein Gleichgewicht

Absterbephase:

- nach einiger zeit wirken sich die ungünstigen Faktoren (Nähstoffmangel/hohe Stoffwechselbelastung) so negativ aus, dass es zu einer stetigen Abnahme der Kultur kommt

3. Die Mutationen

3.1 Das Antibiotika

- sind Stoffe, die Bakterien schon in geringer Konzentration in ihrem Wachstum hemmen oder abtöten

- die geläufigste Form der Antibiotika ist das Penizillin: Es tötet nur Bakterien, die sich in der Teilung befinden, da es die Zellwandbildung außer Kraft setzt: (dies läuft folgendermaßen ab)

- folglich können die Zellen nicht die mitotische Teilung durchführen, da eine Zellwandbildung und somit eine Trennung der beiden Zellen ausgeschlossen ist, trotz der nicht abgeschlossenen Zellteilung, beginnt die Zelle zu wachsen sie wächst um ein Vielfaches der normalen Bakteriengröße - bis sie schließlich zerplatzt

- da die Zellwand nur bei Gram - positiven Bakterien allein aus Murein besteht, werden Gram - negative Bakterien durch Penizillin nicht beeinträchtigt

- diese Eigenschaft wird an die Nachkommen weitergegeben, ist also vererbbar







Bild: Fluktuationstest
3.2 Der Fluktuationstest

- Mutationen werden grundsätzlich als zufällige Vorgänge eingestuft - also muss die Antibiotikaresistenz eine von vielen Mutationen sein, die auch ohne den Kontakt mit Antibiotika auftritt

- der Fluktuationstest weist nach, dass die Resistenz ein zufälliges Mutationsergebnis ist, und schon vor dem Kontakt mit dem Antibiotikum entsteht

3.3 Die Mangelmutanten

- viele Mutationen sind Mangelmutanten, sie haben die Fähigkeit der Synthese einer zum Wachstum benötigten Verbindung (z.B. Aminosäure) verloren

4. Die Genetische Rekombination

- die Mutante 1. konnte die Aminosäuren A und B, die Mutante 2. Die Aminosäuren C und D nicht synthetisieren







Bild: Versuch Lederberg, Tatum 1

- beide Mangelmutanten konnten also auf einem Minimalnährboden ohne die Aminosäuren A,B,C,D nicht gedeihen

- breitet man jedoch ein Gemisch der beiden Kulturen auf einem Minimalnährboden aus, so zeigte sich, dass einige wenige ( unvorstellbar wenig 10*14) Bakterienkulturen überlebten - dies schließt eine doppelte Rückmutation aus - es ist also vielmehr zu einem einseitigen Austausch von genetischem Material gekommen

zum Beweis dieser Annahme, dass für den

beobachteten Genaustausch ein Zellkontakt notwendig ist machten die beiden
Biologen einen zweiten Versuch:








Bild: Versuch 2 (Konjugation)
- in die eine Hälfte eines U - Rohres füllte man die Mangelmutante 1. (kann A und B bilden), in die andere Hälfte die Mangelmutante 2. (kann C und D bilden)

- bei einer Durchmischung mit einem Bakterienfilter (bakterienundurchlässig / nährlösungsdurchlässig) im U - Rohr und anschließendem Test auf einem Minimalnährboden, zeigte sich, dass keine Bakterienkulturen wuchsen - es kam also zu keinem Austausch von genetischem Material

- entfernt man hingegen den Bakterienfilter, so wachsen Bakterienkulturen auf dem Minimalnährboden - folglich muss zur genetischen Rekombination ein Zellkontakt hergestellt werden

- ein solcher Zellkontakt erfolgt über eine sogenannte Plasmabrücke, über die das genetische Material transportiert wird - es findet also ein einseitiger Transfer von Spenderzelle zu einer Empfängerzelle statt

- diese Form der Rekombination nennt man Konjugation

- nicht jede Zelle kann als Spenderzelle fungieren, hierfür ist der sogenannte F - Faktor (Fertilitätsfaktor) nötig - der F - Faktor ist ein besonderes Plasmid

- Spenderzellen mit diesem F - Faktor werden deshalb auch als F+ (männlich) bezeichnet, dementsprechend sind die Empfängerzellen F - (weiblich)

- F - Faktor: Er trägt u. a. Gene, die für die Ausbildung von längeren Fortsätzen verantwortlich sind. Diese F - Pili (Sex - Pili) erkennen eine Empfängerzelle (F - ) und stellen den Zellkontakt über die Plasmabrücke her.

- vor der genetischen Rekombination wird der F - Faktor verdoppelt (synthetisiert)

- nach Ausbildung der Konjugationsbrücke öffnet sich ein DNA - Strang des F - Faktors der Spenderzelle, und wandert in die Empfängerzelle, die somit selber zur Spenderzelle wird

- eine Zelle die F - ist, wird also durch den erhaltenen F - Faktor selber zu einer F+ Zelle

4.1 Der Chromosomentransfer



















Bild: Genübertragung bei der Konjugation

- es gibt auch Bakterien, bei denen der F - Faktor in das Bakterienchromosom integriert ist - eine solche Zelle wird als Hfr - Zelle bezeichnet (High Frequency of recombination)

- Hfr - Zelle: Spenderzelle, bei der das Plasmid ins Bakterienchromosom integriert ist. Es wird bei der Konjugation mit der Kopie des F - Faktors meist auch ein Teil der Kopie des Bakterienchromosoms in die Empfängerzelle übertragen

- die Hfr - Zelle fungiert also als F+ Zelle, es wird wiederum ein Plasmabrücke aufgebaut, über die nicht nur der F - Faktor, sondern auch chromosomale Gene übertragen werden können

dies geschieht folgendermaßen:

- der DNA - Strang wird in die Empfängerzelle übertragen und dort verdoppelt (synthetisiert) - es liegt also in der Empfängerzelle ein doppelsträngiges DNA - Stück der Spenderzelle vor, das zu einem Abschnitt des Empfängerchromosoms homolog ist

es kann daher zu einem Stückaustausch zwischen den homologen Chromosomen durch crossing - over kommen,

sprich zwischen Spender - und Empfängerzelle - es findet
also eine genetische Rekombination in der Empfängerzelle statt

4.2 Die Sexduktion







Bild: Sexduktion

- der F - Faktor schert aus dem Chromosom aus und wird wieder zum Plasmid

- bei dieser Freisetzung können chromosomale Gene mitgenommen werden, so dass ein F - Plasmid entsteht, das zusätzliche Geninformationen trägt - in diesem Fall spricht man von einem F' - Faktor

- der F' - Faktor kann auf eine Empfängerzelle übertragen werden, bei dessen Übertragung er Teile des Bakterienchromosoms mitnehmen kann - tritt dieser Vorgang ein, so ist die sekundär F' - Faktor - Zelle teilweise diploid


allgemein:
Diese Vorgänge werden als Parasexualität bezeichnet, da es wie bei der sexuellen Fortpflanzung zur Vereinigung und zum Austausch von genetischem Material kommt. Bei den parasexuellen Vorgängen handelt es sich im Gegensatz zu den sexuellen jedoch nicht um die Vereinigung zweier kompletter Sätze der genetischen Information, sondern meist nur um Teile davon. Der Austausch erfolgt nicht nach den Gesetzen der Meiose.

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