Bakterien/Viren Prokaryonten/Bakterien [Abbildung: floureszierende akridinorangegefaerbte Bakterien aus der altenn Donau] Bakterien, Archeae (medizinisch nicht relevant: nicht pathogen, aber z. B. interessannte Enzyme (temperaturbestaendig!) DNA: frei, zirkulaer Eukaryonten: DNA im Zellkern auf Histonen (DNA + Protein == Chromatin) 70S (30S+45S) Ribosomen (Eukaryonten: 80S (40S + 60S)) Bacteriophage: <= 100 nm ... Cyanobacterium - bei vielen Bakterien Schleimkapsel (Mucopolysaccharid): Fixierung, Vermehrung -> Biofilme - oder aeuss. Membran (nur gram-negative Bakterien - statt Kapsel?) - Mureinschicht - innere Zellmembran Nukleoid: Ordnung - zirkulaer, rechtsgewundene DNA -> ineinander linksverdrillt (Supercoil) Depotstoffe (Metaphosphate, Glycogen, poly-beta-OH-ButCOO-) Bakterienform: - kokoid (kugelfoermig), einzeln bzw in Verbindung ueber Kapseln (z. B. Streptococcus) - staebchenfoermige Bakterien (e. coli, salmonella, ...) - Treponema pallidum (schraubenfoermig gewunden) Bewegungstypen: sehr schnell im Vergleich zur Groesse, Geisseln - monotrichen: 1 Geissel - lophotrich (mehrere Geisseln an 1 Ende) - amphitrich (2 Geisseln an je einem Ende) - peritrich (rundum mit Geisseln besetzt) Murein: Zucker + Peptid N-Acetyl-Muraminsaeure/N-Acetyl-Glucosamin NAc-Glu/N-Ac-Mur glycosidische beta-(1->4)-Bindung Peptidketten an Mur, Quervernetzung ueber Peptidbindung (AS-Bindung: letzte COO--Gruppe, NH aus basischer AS) Angriff d. Mureinschichte: Lysozym, Transpeptidase (Muroendopeptidase) (Speichel, Auge, tw. Darmzotten, ...) Zellmembran: - gram-positive Bakterien: ausserhalb d. Zellmembran Peptidoglykannschicht (bis 30 % der Biomasse d. Bakteriums!) Teichonsaeure (-> chem. Erkennung: nur bei gram-pos.!) - gram-negative Bakterien: Zellmembran wie pos. sehr duenne Peptidoglykanschicht (1 - 4 Schichten, max 10 % d. Biomasse) aeussere Zellmembran: LPS-Schicht == Lipopolysaccharidschicht (wichtig!) Lipopolysaccharidschicht (LPS-Layer, nur bei gram-neg.): - Basislipid (Lipid A) - Polysaccharid (Kernpolysaccharid) - O-spezifische Kette (Fortsatz, Polysaccharide) LPS-Schicht ist Endotoxin (-> pathogen bei Infektion!) Gram-Faerbung (Hans Christian Gram 1853 - 1934) - Fixation (CH2O) - Kristallviolettfaerbung/Genzianaviolett - Iodbehandlung: Verbindung m. Kristallviolett (lackartig) - haelt Faerbung im Bakterium - Entfaerbung (z. B. Aceton): gram-neg./gram-pos. - Gegenfaerbung (z. B. safranin): zeigt evtl. gram-pos. Bakt. (CAVE: wenn gram- und Gegenfaerbung positiv sind, muss die Kultur aufgetrennt werden - Behandlung) pos: - Kokken: saphylococcus aureus (pyrogen, toxikosen -> eiter) - Staebchen: Corynebakterium diphteriae (Diphterie) Bacillus anthracis (Milzbrand, Anthrax) Toxin B: Festheftung an Zelle Toxin A: fuer Krankheit verantwortlich (Virus == Prophage (Phage == Bakteriennvirus)) (z. B. Corynebakterium ohne Phage nicht Diphterieausloesend) neg: - Kokken: Neisserie gonorrhoe (STD Gonorrhoe) - Staebchen: Salmonella enterica (Enteritis) Definintion Pathogenitaet: Faehigkeit einens Erregers, in empf. Wirt Krankheit hervorzurufen (-> humanpathogen - Viren, Bakt., ...) Definition Virulenz: Ausmass d. krankheitserzeugenden Eigenschaft (== Grad d. Pathogenitaet eines Erregers) bakt. Virulenzfaktoren: - Adhaesine (Erkennnung, z. B. Fimbrien) - Invasionsfaktoren (z. B. Exoenzyme: oft Proteasen) -> Einndringen/Verbreitung - Toxine (Exo-/Endotoxine (s. o.)) - Evasionnsstrategien gegen Immunsystem d. Wirts [24. 1. 2008] Virulenzfaktoren - Exotoxine: verlassen Zelle (pot. Invasionsfaktoren, meist Proteine) durch Sterilisation vorbeugbar (Denaturierung) - Endotoxine: Zellwandbestandteile, werden erst virulent bei Aufloesung/Zerstoerung d. bakteriellen Zellmembran! nicht denaturierbar -> Sterilisation unwirksam! Exotoxine: krankheitsspezifisch Einteilung: A - nach Zelltyp - Zytotoxine (viele Wirtszellen) - Neurotoxine (Neuronen) - Enterotoxine (Enterozyten) B - nach Wirkungsmechanismen - membranschaedigende Exot. (z. B. Lipasen) (z. B. Gasbrand-Toxin: Clostridium perfringens - gram-positiv) - proteinsynthesehemmende Exot. (Wirkung auf Translation - Enzymhemmung) (z. B. Diphtherie (s. o.): inaktiviert Elongationsfaktor) - zellfunktionsaendernde Exot. (Deregulation d. Metabolismus) (z. B. Cholera (vibrio cholerae): prophage: Deregulation d. Wasser- und Ionenhaushalts - Druchfall, Erbrechen ...) (z. B. Botulinum-Toxin (clostridium botulinum): erhoehter ACh-Abbau, Tetanus-Toxin (clostridium tetani): hemmt ACh-Abbau an mot. Endplatte -> Kraempfe (== tetanus) Neurotoxine (hemmen Abbau v. Neurotranmittern)) > 120 vibrio cholerae staemme (Neusiedlersee 8 - 9 Arten, nicht alle toxisch) Endotoxine: temperaturbestaendig, weil nicht proteinbasiert Lipid A, Core-Polysaccharid, spez. Polysaccharid Toxizitaet vor allem durch Lipid A hervorgerufen nicht krankheitsspezifisch, allgemeine Symptome: Schwaeche, Schmerzen, Schock (leitende Geafaesse undicht (Poren) -> Plasmadiffusion in Gewebe -> septischer Schock: Unterversorgung peripherer Organe -> Gewebsschaedigung) cyanotische Bereiche auf der Haut als Symptom! LPS (Lipopolysaccharid-Layer) von gramnegativen Bakterien als exogenes Pyrogen wirksam (Fieber - Temperaturregulation) Extrazellulaere Enzyme: krankheitsspezifisch, ursaechlich am Krankheisbild beteiligt (Pruefung??) Beispiele: - Streptokokken (z. B. Hyaluronidase): spaltet Kittsubstanz d. Bindegewebes - Staphylokokken: z. B. Coagulase: foerdert Blutgerinnung (gefestigter Bereich f. Biofilme, Fibrin zur Tarnung gg. Immunsystem) Abwehr gegen Bakterien: Bild: Penicillumkolonie in Petrischale verhindert Bakterienausbreitung (Fleming -> Hofbildung) z. B. - Zellwandsynthese (Penicilline) verhindert Aufbau d, Mureinschichten aus N-Acetyl-Muraminsaeure/N-Acetyl-Glucosamin - Folsaeure-Biosynthese (-> THF) (Sulfonamide: Kompetition) (Folsaeure: Pyrimidin/Purinbasensynthese) Benzoesaeure aeunlich Sulfonsaeure -> komp. Hemmung - RNA-Polymerase (Rifamycin) - Proteinsynthese, 30S-Inhibitoren (Tetracyclin) (kleine Untereinheit d. Ribosomen blockiert) - Proteinsynthese, 50S-Inhibitoren (Erythromycin) (grosse Einheit d. Ribosomen blockiert) Bakterienstoffwechsel: - katabole Reaktionen Verdauung (extrazell. Enzyme) Aufnahme (Permeasen, Diffusion) Vorbereitung z. Oxidation (COO- Entfernung, Desaminierung, Phosphorylierung) Oxidation: Energiefreisetzung (ATP-Synthese/Ac-S-CoA) - Anabole Reaktionen (Synthese aus Grundbestandteilen, viele Wege) Oxidationswege: H2-Donator -> H2-Akzeptor: - anorg. geb. O: anaerobe Atmung (zb. NO3- ..> NO2- + O., SO3 ..> O2-, -H2S , ) - freies O2: aerobe Atmung - org. H2-Akzeptor: Gaerung gram-positive bilden Hungerformen (mRNA, tRNA, Aufloesung der meisten Enzyme/RNA/Speiche) -> keine Sporen! Sporenbildung: nur bei gram-positiven Bakterien! humanpathogen: clostridien (anaerob), bazillus (aerob) Sporulation Spore == Duaerform (resitent gg. Hitze, Kaelte, Trockenheit, Chemikalien, pH, Strahlen, ...) Sporulationsablauf: - veg. Zelle, unter unguenstigen Umweltbedingungen: - Sporulation: Endospore - Absterben d. Bakterienzelle -> Freisetzung d. Endospore == Spore - Keimung (Germination) bei Verbesserung d. Umweltbedingungen (ueber GTP) (innerhalb 24 Stunden) - Zellteilung -> vegetative Zelle Aufbau einer reifen Spore (~ 6 Schichten + Core), wichtig: - Core (DNA, RNA, Ribosomen, Enzyme, Ca-Dipicolinat) - Sporenwand (potentielle Zellwand) - Cortex (Sporenrinde: atyp. Peptidoglycan) 120 o/10 min Sterilisation nicht ausreichend: 2 x Sterilisieren (121 o/5 bar, 1 Stunde warten, erneut sterilisieren -> veg. Formen beseitigt) Ca-Dipicolinat: Vorstufe d. Pimelinsaeure? Ala-Glu-Meso-(di-Amino-Pimelinsaeure)-Ala-(...) [Bakterielle DNA: Plasmide, DNA] [25. 1. 2008] Bakterielle DNA: - Chromosom: Haploid, zirkulaer - extrachromosomal: Plasmid (zirkulaer, rechtsverdreht, linksverdrillt) autonome Replikation! nicht essentiell: bei Zellteilung statistische Aufteilung (0, 1 oder mehrere Plasmideinheiten pro Tochterzelle) "Luxusinformation", nicht immer notwendig Zaehlung: z. B. Beobachtung d. photometrischen Dichte Beobachtung d. Kulturwachstums: - Anlaufphase: Lag-Phase - Anstiegsphase (leichter Anstieg) - exponentieller Antieg (log-Phase: deutliche Truebung) - Knick (Hemmphase, Nomenklatur unterschiedlich) - stationaere Phase: Konstanz d. Zellzahl (fuer Tests meist optimale Phase) - Sterbephase (Abfall d. Populationszahl): Bodensatz + Wasserueberstand mehrere Tage/Wochen Teilung/Wachstum == vertikaler Informationsfluss: keine Modifikation -> andere Ursachen genetischer Diversitaet notwendig: Gentransfer == horizontaler Informationsfluss (Rekombination) [ vermutlich keine Pruefungsfragen: 1. Allg. Rekombination (homologe Rekombination) rek-A-Gen (Gengruppe f. hom. rek.) 2. ortsspezifische Rekombination unabh. v. rek-A-Gen: z. B. Phagelander (als Plasmid oder lineare DNA, sticky ends: Einbindung immer an der selben Stelle d. Chromosoms) 3. nichthomologe Rekombination Addition (Insertionssequenzen, "jumping genes") IS-SG-IS (Insertion sequence, Strukturgen: Code nur fuer Enzym) inverted repeats: IS an beiden Seiten in umgekehrter Richtung Transposo ] - Transformation: Transfer nackter DNA (aeltester Weg) Uebertragung mittels eines d. obigen Mechanismen (DNA: aus lysierter Zelle - Autolyse oder Nekrose ...) kompetente Zelle: permeabel f. DNA (z. B. bei nachteiligen Umwelteinfl.) Kompetenzfaktor == DNA-bindende Proteine an Aussenseite, DNA-Transport-Proteine in Zelle (Schutzfunktion, um Restriktionsendonukelasen abzuhalten) ss-DNA: Ersatz des zweiten Sranges ds-DNA: evtl als ss-DNA eingebunden - Transduktion: Transfer mittels Phagen (Virushuelle == verpackte DNA) (Wurfgroesse == Zahl d. Phagen zw. 5 u. 35) Phage enthaelt Passagier-DNA: kann Bestandteil d. Bak. Genoms werden - Konjugation: Transfer mittels Zell-Zell-Kontakt (Mating, meist gram-neg.) (Kontakt ueber Pili: Austausch von Plasmiden) Sexpilus: mehrfaches d. Zelllaenge von einer der Zellen augebildet, Lassofunktion -> Brueckenbildung Gene f. Ausbildung eines Sex-Pilus auf Plasmid: F-Plasmid (Fertilitaets-Plasmid), F-Faktor F+: Bakterium besitzt Sex-Pilus-Funktion, F-: keine Sex-Pilus-Funktion durch Austauschmechanismus Transfer: F- wird zu F+ (F-: Empfaenger, F+: Donor) [5'-Ende d. an ORI aufgebrochenen Plasmids transferiert: rolling circle] Coliphage T2: - Kopf (Kristallgitter) mit DNA - Kragen (whiskers) - Scheide (dehnbare Proteinhuelle) - Schwanzfasern (Erkennung von Zielzellen) - Basalplatte - Injektionstift -> DNA-Injektion nach Andocken an Zielzelle Transduktion: - Phage injiziert DNA: leeres Kapsid - Phagenreplikation (Umstellung d. Bakterienstoffwechsels) - usw. - atyp. Phage: bakt. Passagier-DNA -> Transduzierte Zelle, keine weitere Phagenvervielfaeltigung F-Plasmide (Fertilitaet -> Sex-Pilus) Resistenzplasmide (R-Plasmide) Virulenzplasmide (Exotoxine wie Tetanus-Toxin ...) [28. 1. 2008] F-Zellen: Uebertragung HFR (high frequency recombination) F-Faktor oft mit Zusatzinformation uebertragen -> evtl. diploides Merkam F+/F- Viren Grippe ~ 1918 - Schiele usw DNA oder RNA, es oder ds - enthaelt alle Informationen f. Synthese eines neuen Virus von Capsidhuelle umgeben (schuetzt DNA/RNA), Transport kein lebender Organismus, klassische Definition: Infektionserreger - ultrafiltrierbar - unzuechtbar - lichtmikroskopisch unsichtbar moderne Def.: - Partikel aus xNS + Capsid - keine eig. Stoffwechsel, - keine Proteinsynthese, - keine Vermehrung auss. Wirtsz., - Synthese in Wirtszelle nach viraler Infetktion Wartezeit -> Wirtsoberflaeche -> Infektion -> Reproduktion (Kopien: Wurfgroesse) -> Freisetzung Schematischer Aufbau: - nackte Viren: non-enveloped (nur Capsid aus Capsomeren) - umhuellte Viren (enveloped: Lipidmembran + Membranproteine (Glykoprot.) - zum Teil aus Wirt!) virales Genom: DNA oder RNA, es oder ds positive Polaritaet: 5' -> 3' (wie mRNA -> sofort exprimierbar) negative Polaritaet: 3' -> 5' (muss erst umkopiert werden!) Groesse: DNA: Pockenvirus am groessten, Parvoviren am kleinsten (DNA) RNA: Mumps gross, Poliovirus: PicoRNAviren - "Picorna", resistent gegen Austrocknung! Beispiele: - Herpes simplex: dsDNA m. Lipidhuelle - Blaeschenausschlag - HIV: 2 ssRNA m. Lipidhuelle - AIDS - Poliovirus: +ssRNA ohne Lipidh. - Kinderlaehmung - Influenza A: -ssRNA (8 Segmente) - Virusgrippe Eintrittspforten ueber Schleimhaeute, Blut ... CAVE Verbrennungen -> Oeffnung grossflaechiger Eintrittspforten Arthropoda (Insektenstiche!) Virusvermehrung (pruefungsrelevant?): 1. Bindung (attachment) 2. Eindringen in Zelle (cell entry) 3. Genomfreisetzung (uncoating) 4. Replikation NS -> mRNA 5. Proteinsynthese -> Protein (Replikasen/Capsid/...!) -> Capsid -> Virus 6. Zusammenbau (assembly) 7. Freisetzung (release - z. B. Autolysine) Influenzavirus N-Acetylneuraminsaeure enveloped spikes (Peplomere): Enzyme -> Eindringen in/Ausbruch aus Zelle Infektion von Zellen - Rezeptor fuer Virus - permissiv (Genom muss repliziert werden koennen) Tropismus: Faehigkeit, in einen bestimmten Zelltyp einzudringen (eher wissenschaftliche Diktion, medizinische weniger relevant) Plasmamembran: physiologische Barriere (verschiedene Proteine) Eindringen von Virentypen: - nackte Viren: Transfer d. xNA ins Zytoplasma durch Membran (evtl. Phagozytose-/Pinozytoseartiger Prozess -> Vesikel/Vakuole) - umhuellte Viren: Fusion d. Membranen -> xNA direkt im Zytoplasma Kodierung: - Capsid - Membran - Enzyme - Regulation [29. 1. 2008] Viren: Eindringen, Uncoating -> nachte Viren erst endozytiert Faktoren der humanen Zelle f. Virusvermehrung: - Replikationsenzyme (DNA-Polymerase) - Enzyme f. Proteinsynthese (Transkription, Translation, posttr. Mod.) (Synthese in ER/Glykos./Mod. GA wie andere Proteine!) Faktoren d. Virus selbst f. Virusvermehrung: - RNA-abhaengige RNA- und/oder DNA-Polymerasen (reverse Transkriptaseen) Lebenszyklus DNA-Virus: Capsid/Uncoating DNA -> mRNA/DNA-Replikation im Kern Translation in Cytoplasma Zusammenbau im Cytoplasma Capsidhuelle + DNA-Genom + Fuellproteine (evtl. Aushoehlung -> Ersatz durch Genom) Membranaufloesung (nacktes Virus) oder Ausschleusung durch Knospung Replikation im Zellkern (Enzyme nur in S-Phase vorhanden!) z. B. Adenoviren Ausnahme: Pockenvirus (nimmt DNA-Polymerase aus Wirtszelle mit) Lebenszyklus RNA-Virus: Capsid/Uncoating +RNA (mRNA-Kompatibel 5'->3') -> Translation: Enzyme fuer -RNA, Capsid -RNA -> +RNA-Replikation Zusammenbau und Replikation im Zytoplasma! Freisetzung Voraussetzung: viruseigene Enzyme (RNA-Polymerasen) z. B. Rhinoviren Ausnahmen bei RNA-Viren-Replikation: - Influenza Rep. im Zellkern - Retroviren: RNA Umschreibung in DNA -> Integration in Wirtsgenom Unterschiede: 1. DNA-Replikation: wie bei physiologischer Zellfunktion 2. mRNA/+RNA -> Information fuer Polymerase! (-> -RNA -> +RNA) 3. -RNA: keine mRNA! (zu viele STOP-Codons): verpackte RNA-Polymerase in Virus -> +RNA: Translation, Proteinsynthese, RNA-Polymerase (-RNA) fuer neue Viren (i. e. -RNA-Virus muss Enzyme mitbringen!) Retroviren: - (+)RNA wird in DNA umgeschrieben (2 RNA-Straenge), - mitenthaltene inverse/reverse Transkriptase (Enzyme) - aus zwei +RNA-Straengen DNA-Synthese (c-DNA == komplementaere DNA), - 2. Strang dazusynthetisiert == auf dsDNA synthetisiert, - Integration in Genom der Wirtszelle (Integrase) == Provirus: wird mit jedem Replikationszyklus der Wirtszelle mitgeschleppt - (unauffaellige DNA, Enzyme werden abgebaut, Integration ueber mehrere Mechanismen: Integrase) [Excisionase: nicht SIP-Stoff; Repressorproteine: bei Ausfall Ausschleusung] - Freisetzung von Virusnachkommen: nackte Viren: Lyse (Membrandurchloecherung) umhuellte Viren: Budding (Knospung) an Plasmamembran wie Coating bei Eindringen Nuckleokapsid; Virus-Huellproteine an Membranaussenseite: induziert Zusammenlagerung d. Huellproteine -> Budding/Exvagination/Abschnuerung HIV - human immunodeficiency virus/AIDS Modell des HIV: - RNA-Helix - reverse Transkriptase (violett) - Core mehrere Schutzhuellen Lipidhuelle (Lipoproteinschicht) nobs/spikes - Integrase - gp41/gp120 (Glykoproteine): beteiligt bei Virus-Wirts-Kontakt HIV-Rezeptor CD4 Co-Rezeptoren: alpha-/beta-Chemokinrez. CXCR4 (alpha, an T-Zelle), CCR5 (beta, an Makroph.) Chemokine nach Cysteinresten benannt (CC(R) mit 2, CXC: AS zwischen Cys) Wenn der Rezeptor chemokinblockiert ist, bleibt kein Angriffspunkt f. HIV CD4/CD8 Korezeptoren f. HIV Bei Bindungsprozess HIV/CD4/Chemokinrezeptor: Verbindung -> Membrandiffusion -> Freisetzung d. Capsids/Genoms [30. 1. 2008] Begriffsklaerung: - Viroide: RNA-Molekuele (zirkulaer, lineares Aussehen, nackte Viren fuer Pflanzen - Pflanzenpathogen, fuer Menschen unbedeutend) - Virion: == reifes Virenpartikel - Prion: sekludiertes Protein (keine xNA) mit Konformationsaenderung -> koennen Konformation anderer Proteine stoeren und zu Pathogenen machen [nicht pruefungsrelevant] Modell des HIV Nukleokapsid (30 Chemokine - Monozytenanlockung; Rezeptorenbenennung: CC-Chemokine (2 Cys an C-Terminus), CXC-Chemokine (Cys-X-Cys), CX3C) fusion peptide an HIV-Virus: Anbindung an Lipdhuelle nach CD4-Rezeptor-Bindung AIDS: CD4, CCR5, CXCR4-Rezeptoren auf Immunzellen (T/Makroph.) -> Gefaehrdung d. koerpereigenen Abwehr, Zerstoerung d. Immunsystems Ausbruch von AIDS: keine Abwehr von ansonsten harmlosen Krankheiten mehr AIDS Verbreitung (ges. ~ 39 Mio 2004): Afrika suedl. Sahel ~ 25.4 Mio, SEA: 7.1 Mio, LA 1.7 Mio, CEA: 1.4 Mio, EA: 1.1 Mio, NAm. 1.0 Mio, EU ~ 0.6 Mio heute: ~ 33 Mio (Todesfaelle? Therapien - AIDS-Ausbruch verhindert? Statistik?) GP120/GP41 Proteine an HIV-Virus Provirus Budding -> Freisetzung furch Knospung Burn-Out-Syndrom der Zelle Minimale Menge an Viren zur Infektion (evtl Bekaempfung einzelner Viren) antivirale Therapie: - Eindringen in Zelle Rezeptorbindung (CCR5: Maraviroc) Fusion (Enfuvirtide) Voraussetzung f. uncoating - reverse Transkriptase (Nucleosidanaloga) Polyprotein - - Protease (Saquinavir) HAART highly active anti-retroviral therapy (Kombination 2 RT-Hemmer + Proteasehemmer) - Senkung d. Viruslast im Plasma (GP120/41-Herstellungshemmung, Capsidsynthese, andere Proteine ...) - klinische Verbesserung - laengere Lebensdauer unspez. Abwehr vs spezifische Abwehr: unspez.: - mechanische Barriere (intakte Schleim-)Haut - Interferone (temporaer als Anticancerogen propagiert) - Phagozytose (Phagozyten -> Lysosom ...) Interferone (IFN) (alpha, beta, gamma) == (Leukozyten-, Fibroblasten-, Immuno-IFN) in nichtinfizierten Zellen unterdrueckt Infektion: Signal -> IFN-Transkription/Translation Reaktion auf dsRNA (evtl andere Virusfaktoren?) Induktion eines antiviralen status: IFN-Rezeptor (Freisetzung -> EZ Bindung!) [spez. Abwehr -> Immunblock Antikoerper: heavy/light chains (hypervariabler Rezeptor) Makrophagenrezeptor (-> Markierung d. Zielzellen) ]