bio

• Systematik der Bakterien und Archaea:

  • Untersuchung der Diversität von Organismen und ihrer Verwandtschaftsbeziehungen
  • Beinhaltet Taxonomie und Phylogenie
• Taxonomie:

  • Wissenschaft der Identifizierung, Klassifizierung und Nomenklatur von Organismen
• Phylogenie:

  • Evolutionäre Verwandtschaftsbeziehungen zwischen Organismen
• 1978: Erste systematische Untersuchung phylogenetischer Beziehungen durch Carl R. Woese

  • Messung der evolutionären Beziehung anhand von Sequenzunterschieden in der ribosomalen RNA (rRNA) der kleinen Untereinheit des Ribosoms (16S/18S rRNA)
• Warum rRNA?

  • Universell vorhanden
  • Funktionell konstant
  • Ausreichend konserviert (nur langsame Veränderung)
  • Ausreichend lang für Einblick in Verwandtschaftsbeziehungen
• Geschichte der Kategorisierung von Organismen:

  • Zu Zeiten von Aristoteles: Pflanze oder Tier
  • 1735: Carl von Linné führt formales System der Klassifizierung in zwei Reiche ein: Plantae und Animalia
  • Im 19. Jh.: Carl von Nägeli schlägt vor, Bakterien und Pilze in das Pflanzenreich zu klassifizieren
  • Ernst Haeckl schlägt das Reich der Protisten vor (Bakterien, Protozoen, Algen, Pilze)
• Änderung der Kategorisierung von Organismen:

  • 1937 Einführung des Begriffs "Prokaryoten", 1968 Vorschlag von Robert Murrays das Reich der Prokaryotae
  • 1969 Vorschlag von Robert Whittakers des 5-Reiche-Systems zur Klassifizierung
• Nomenklatur:

  • Eindeutige Bezeichnung nötig für wissenschaftlichen Namen des Organismus
  • Binäres System: Jeder Organismus trägt zwei Namen (Gattungsname - Escherichia, Speziesname - coli)
• Einteilung:

  • Bisher ca. 450.000 unterschiedliche Organismen identifiziert (Bakterien + Eukaryoten)
  • Definition prokaryotischer Spezies: Gruppe von Stämmen mit hoher Sequenzidentität in der 16S rRNA
• Taxonomische Hierarchie:

  • Spezies, Gattung, Familie, Ordnung, Klasse, Phylum, Domäne
• Methoden zur Klassifizierung von Mikroorganismen:

  • Biologisches Spezieskonzept
  • Kombination von phänotypischen, genotypischen und phylogenetischen Daten
• Evolutive Beziehungen der Mikroorganismen:

  • Analyse über Sequenzhomologie
  • Orthologe und Paraloge Gene
  • Genotypische Analyse der 16S rRNA
• Phylum Euryarchaeota:

  • Gruppen mit unterschiedlicher Physiologie
  • Methanogene, extrem anaerob
  • Anaerobe Atmung: CO2 + 4 H2 => CH4 + 2 H2O
  • Beispiel: Thermoplasma
• Systematik der Archaea:

  • Phyla: Crenarchaeota, Euryarchaeota, Nanoarchaeota, Korarchaeota, Thaumarchaeota
• Archaea:

  • Acidophilste aller Prokaryoten: Picrophilus (vermögen bei pH 0.06 zu wachsen)
  • Euryarchaeota:
  • Ordnung: Thermococcales
  • Thermococcus Topt = 85-90 °C
  • Pyrococcus:
  • Heterotroph anaerob
  • Wächst optimal bei 100°C
  • Oxidiert Proteine, Stärke oder Maltose
  • Reduziert S° zu H2S oder H+ zu H2
  • Phylum: Crenarchaeota
  • Beispiel: Acidophile hyperthermophile Archaea - die Sulfolobales
  • Wächst in schwefelreichen geothermisch erhitzten Regionen bei Temperaturen von bis zu 90°C und bei pH-Werten von 1-5
  • Aerob, chemolithotroph
  • Oxidation von H2S oder S0 zu H2SO4
• ASGARD Archaeen und Eukaryoten:

  • Große Ähnlichkeit zu Eukaryotenzellen
  • Ähnlichkeiten in DNA Replikations-, Transkriptions- und Translationssystemen
  • Enthalten Proteasom, Exosom, Ubiquitin-Modifikationssystem
  • ESCRT-Maschinerie
  • Mikrofilamente und Mikrotubuli als erste Bausteine eines Zytoskeletts
  • Kleine GTPasen als Regulatoren der eukaryotischen Transportmaschinerie
  • Zeitliche Abläufe der Eukaryogenese sind schwierig zu bestimmen, aber den Gengehalt der letzten ASGARDarchaeellen/eukaryotischen Vorläuferzelle zu bestimmen ist eher möglich
• Bacteria:

  • Ca. 80 bekannte Phyla bei den Bacteria
  • Phylum: Proteobacteria
  • Größtes Phylum mit der größten metabolischen und morphologischen Vielfalt
  • Unterteilung in sechs verschiedene Klassen
  • Phototrophe Purpurbakterien:
  • Zwei Gruppen:
  • Purpurschwefelbakterien:
  • Nutzen H2S als Elektronendonator
  • Massenentwicklung bei hohen H2S Konzentrationen
  • Purpur-Nicht-Schwefelbakterien:
  • Können auch H2S in geringen Konzentrationen nutzen
  • Benutzen überwiegend organische Verbindungen als Elektronendonator
  • Nitrifizierende Bakterien:
  • Können chemolithoautotroph wachsen
  • Benutzen NH3 oder NO2- als Elektronendonator
  • Pseudomonaden:
  • Chemoorganotroph, Abbau vieler verschiedener komplexer organischer Verbindungen
  • Obligater Atmungsmetabolismus (aerob oder anaerob)
  • Essigsäurebakterien:
  • Acetobacter und Gluconobacter
  • Obligat aerob, zur Herstellung von Essig verwendet
• Pathogene Proteobakterien:

  • Beispiele: Neisseria gonorrhoeae, Rickefsia rickefsii, Rickefsia prowazekii, Salmonella, Cholera
  • Übertragung durch Läuse, Zecken, Lebensmittel, Wasser
  • Fast alle sind obligate intrazelluläre Parasiten
• Gram-positive Bakterien:

  • Nichtsporulierende Firmicutes:
  • Gruppe der Milchsäurebakterien
  • Homofermentative Milchsäurebakterien produzieren Milchsäure als einziges Fermentationsprodukt
  • Heterofermentative bilden neben Laktat auch Ethanol und CO2
  • Endosporenbildende Firmicutes:
  • Bekannte Gattungen: Clostridium, Bacillus
  • Können Endosporen ausbilden, um ungünstige Lebensbedingungen zu überstehen
• Anaerobe Bakterien:

  • Vor allem im Boden vorhanden
  • Können Endosporen bilden, um ungünstige Lebensbedingungen zu überstehen
  • Fermentieren (Buttersäuregärung)
  • Bekannte Gattung: Bacillus (aerobe Lebensweise), auch im Boden vorhanden
• Mollicutes:

  • Relativ kleine Organismen ohne Zellwand (Zellwand vermutlich sekundär verloren)
  • Bekannte Gattung: Mycoplasma
  • Viele pathogene Organismen, die in Tieren oder Pflanzen vorkommen
  • Kann aufgrund des Fehlens einer Zellwand 0,2 µm Filter passieren; verursacht manchmal Probleme bei Zellkulturen
• Actinobacteria:

  • Wichtige Gattung: Corynebacterium
  • Aerobe, unbewegliche stäbchenförmige Organismen
  • Dicke säurefärbbare Zellwand mit Mycolsäuren und phenolischen Glycolipiden
  • Bilden charakteristische V-förmige Zellen aufgrund einer Schnappbewegung (Zellwand aus 2 Schichten aufgebaut)
  • Wichtige Gattung: Propionibacterium
  • Werden bei der Hartkäseherstellung, z. B. Emmentaler, verwendet
  • Wachsen fermentativ, z. B. im Darm oder Pansen von Wiederkäuern (Propionsäuregärung)
  • Vergären Zucker oder Laktat; Bildung von Propionsäure, Acetat und CO2 (für die Löcher im Käse verantwortlich)
  • Weitere wichtige Gattungen: Streptomyces, Actinomyces, Nocardia
  • Bilden myzelartige Strukturen
  • Ältere Kolonien bilden Luftmyzel mit Sporen über der Oberfläche der Kolonie
  • Bilden viele Antibiotika als Sekundärmetabolite
• Phylum: Cyanobacteria

  • Wichtige Gattungen: Anabaena, Synechococcus, Oscillatoria
  • Ökologisch und morphologisch heterogene Gruppe oxygener, phototropher Bakterien (früher Blaualgen)
  • Verantwortlich für die Sauerstoffanreicherung der Atmosphäre
  • Bereiteten den Weg für die Evolution der Eukaryoten, deren Atmung von Sauerstoff abhängt
• Phylum: Chlamydia

  • Wichtige Gattung: Chlamydia
  • Relativ kleine Gram-negative kokkoide Zellen, die als Elementarkörperchen (infektiöse Form) oder als Initialkörperchen (Vermehrungsform) vorliegen können
  • Obligate intrazelluläre Parasiten, die beim Menschen Atemwegs- und Geschlechtskrankheiten verursachen
• Phylum: Planctomyces

  • Wichtige Gattungen: Planctomyces, Pirellula, Gemmata
  • Kein Murein, stattdessen S-Schicht mit cystein- und prolinreichen Proteinen
  • Aquatisch, mehrere Zellen sind über S-Del (aus Proteinen) miteinander verbunden, was Anheftung ermöglicht
  • Besitzen Ausstülpungen der Plasmamembran, nicht membranumgebene Strukturen im Zellinneren
• Phylum: Grüne Schwefelbakterien

  • Wichtige Gattung: Chlorobium
  • Nicht bewegliche, strikt anaerobe phototrophe Bakterien
  • Verwenden H2S als Elektronendonator, Oxidation zu elementarem Schwefel außerhalb der Zelle
  • Chlorosomen enthalten hohe Konzentrationen an Bakteriochlorophyll c, d und e
  • Können bei sehr geringen Lichtintensitäten wachsen
• Phylum: Spirochäten

  • Wichtige Gattungen: Spirochaeta, Treponema, Borrelia
  • Schraubenartig bewegliche, dicht zusammengedrehte, biegsame Bakterien
  • Besitzen Endoflagellen im periplasmatischen Raum entlang des Protoplasmazylinders
  • Teilweise pathogene Organismen wie Treponema pallidum (Syphilis) und Borrelia burgdorferi (Lyme)
• Phylum: Deinococci

  • Wichtige Gattungen: Deinococcus, Thermus
  • Thermus aquaticus (Taq DNA-Polymerase wird in der PCR verwendet)
  • Deinococcus radiodurans ist ein extrem strahlenresistentes Bakterium
  • Gram-positiver Kokkus mit zusätzlicher äußerer Membran
  • Zellen sind rot gefärbt durch Carotinoide, die zur hohen Strahlenresistenz beitragen
  • Spezielle Genomanordnung ermöglicht effektive Reparatur eines fragmentierten Genoms durch Austausch mit benachbarter Zelle
• Phylum: Grüne Nicht-Schwefel-Bakterien

  • Wichtige Gattung: Chloroflexus
  • Filamentöse anoxygene phototrophe Bakterien
  • Meist thermophil, phylogenetisch relativ ursprünglich
  • Ähnliche Pigmente und Chlorosomen wie bei Chlorobium
  • Können im Dunkeln auch aerob wachsen
• Phylum: Thermotoga

  • Hyperthermophile Bakterien mit Wachstumsoptimum bei über 80 °C
  • Wichtige Gattung: Thermotoga
  • Wächst heterotroph in heißen Quellen
  • Stäbchenförmiges Bakterium, von einer scheidenförmigen Hülle (Toga) umgeben
  • Enthält ca. 20% archaeelle Gene durch horizontalen Gentransfer
• Phylum: Aquifex

  • Hyperthermophile Bakterien mit Wachstumsoptimum bei über 80 °C
  • Wichtige Gattung: Aquifex
  • Wächst chemolithoautotroph, kann bis 95 °C wachsen
  • Mikroaerophil: Knallgasbakterium H2 + ½ O2 => H2O
• Konzepte der Phylogenetischen Systematik:

  • Phylogenetisches System und Rekonstruktion von Willi Hennig
  • Peter Ax betonte Striktheit im System, aber siehe „Das System der Metazoa“ für konsequente Umsetzung von Hennings System
  • Schwierigkeiten bei der Integration von Zeit in phylogenetische Studien
  • Unterscheidung zwischen Monophylie, Paraphylie und Polyphylie
  • Monophyletische Gruppen sind inklusive und damit valide
  • Paraphyletische und polyphyletische Gruppen sind keine gültigen monophyletischen Gruppen
  • Beispiel: Die Aussage „Reptilien sind paraphyletisch“ ist falsch, da sie als solche erkannt wurden
  • Paraphylie und Polyphylie können nur anhand von Merkmalen und nicht anhand von Verzweigungsmustern unterschieden werden
• Gruppe Metazoa:

  • Porifera + Trichoplax + Cnidaria + Ctenophora + Bilateria
  • Autapomorphien: Vielzelligkeit, Zell-Zell-Kontakte, Extrazelluläre Matrix, Verankerung der Zellen auf ECM, apikal-basale Achse der Zellen
• Zell-Zell-Kontakte in biologischen Systemen:

  • Tight Junctions (Tight Junctions)
  • Hemidesmosomen für die Verankerung der Zellen auf der extrazellulären Matrix (ECM)
  • DisDnkte apikal-basale Achse der Zellen
• Geschlechtliche Fortpflanzung mit Anisogameten (Eier, Spermien)

  • Meiose
  • Zygote, Embryogenese, Furchung (Zellteilung durch Abschnürung bei Beginn der Embryogenese)
• Grundmuster des Lebenszyklus:

  • Ei, Zygote
  • Fortpflanzung: Meiose, 4 Spermien, Ei mit 3 Polkörperchen
  • Formerhaltung: Septate Junctions, Focal Junctions, ECM
• Porifera (Schwämme):

  • Rekonstruktion der frühen Evolution der Metazoa und Gewebsevolution
  • Ausdifferenzierte Zellen werden zu "Stammzellen" umfunktioniert
  • Keine Alterungserscheinungen, sehr regenerationsfähig
• Porifera (Schwämme):

  • Ökologisch wichtig als Filtrierer und Anzeiger von Umweltbedingungen
  • Verschiedene Zelltypen: Choanocyten, Endopinacocyten, Ektopinacocyten, Archaeocyten/Amoebocyten, Sclerocyten
  • Zell-Zell-Kontakte: Septate Junctions
  • Lebenszyklus mit Larven (durch Strömung getrieben auf der Suche nach Habitat)
• Cnidaria + Ctenophora + Bilateria:

  • 2 Zelllagen (Epithelien): Epidermis, Gastrodermis
  • Gastrovaskularsystem für die Verteilung der Nährstoffe
  • Körperachsen, sensorische Zellen, Nervenzellen, Epithelmuskelzellen
  • Gap Junctions für die Weiterleitung
  • Gastrulation (Embryonalentwicklung)
• Cnidaria (Nesseltiere):

  • 2 Zelllagen, differenzierte Zelltypen
  • Gastrovaskularsystem, "Skelett", Lokomotion, Nahrungsaufnahme durch Cniden
  • Planula-Larve