Bakterien

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

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

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

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:

- 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

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

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.