Mikrobiologie und Pilze (BIO-Mik) — Biologie · Matura-Zusammenfassung

Bakterien und Antibiotika#

~3 Min LesezeitStandardBIO-Mik-9.1

Bakterien sind Prokaryoten - Zellen ohne echten Zellkern und ohne membranumhüllte Organellen (; vgl. Thema Zellbiologie). Sie kommen in charakteristischen Formen vor (Kokken, Stäbchen, Spirillen) und vermehren sich durch einfache Zweiteilung (binäre Spaltung), unter optimalen Bedingungen alle 20-60 Minuten - das ergibt ein rasantes exponentielles Wachstum.

Prokaryotische Zelle - Bakterium

Abb. 1Keine membranumhüllten Organellen; Nukleoid mit Ringchromosom, Plasmide, 70S-Ribosomen, Zellwand mit Murein.

Abb. 1 ↓

Ein wichtiges diagnostisches Merkmal ist die Gram-Färbung: Gram-positive Bakterien (z. B. Staphylokokken) besitzen eine dicke Mureinschicht und färben sich violett; Gram-negative (z. B. E. coli) haben eine dünne Mureinschicht plus eine zusätzliche Aussenmembran und erscheinen rot. Dieser Unterschied entscheidet mit, welches Antibiotikum wirkt.

Stoffwechselseitig sind Bakterien extrem vielseitig: autotroph oder heterotroph, aerob oder anaerob. Diese Flexibilität erlaubt es ihnen, praktisch jeden Lebensraum zu besiedeln - vom Darm über den Boden bis zu heissen Vulkanquellen.

Im und am Menschen lebt das Mikrobiom: rund

10^{14}

Bakterien, also mehr als der Körper eigene Zellen hat. Es unterstützt die Verdauung, produziert Vitamine (K, B-Gruppe) und trainiert das Immunsystem. Eine Antibiotikatherapie kann dieses Gleichgewicht empfindlich stören (etwa Durchfall oder Pilzüberwucherung).

Antibiotika greifen gezielt an bakterienspezifischen Strukturen an, die menschliche Zellen nicht besitzen: Penicillin und andere Beta-Lactame blockieren die Mureinsynthese (Zellwand-Defekt, daher nur bei WACHSENDEN Bakterien wirksam); Streptomycin hemmt das bakterielle 70S-Ribosom; Ciprofloxacin hemmt die DNA-Gyrase. Gegen Viren wirken Antibiotika prinzipiell NICHT, da Viren keine dieser Strukturen haben.

Das große Problem ist die Antibiotika-Resistenz: Durch zufällige Mutation entstehen resistente Zellen, die unter Antibiotikadruck selektiert werden; zusätzlich verbreiten sich Resistenzgene horizontal über Plasmide (Konjugation). So entstehen multiresistente Keime wie MRSA. Die WHO stuft die antimikrobielle Resistenz (AMR) als eine der grössten globalen Gesundheitsbedrohungen ein.

Querverbindung zu Evolution und Genetik: Die Resistenzentstehung ist gerichtete Selektion auf zufällige Mutationen plus Gentransfer (vgl. Themen Evolution und Genetik) - ein Lehrbeispiel für Evolution in Echtzeit. Daraus folgen die Gegenmassnahmen: Antibiotika nur gezielt einsetzen, Therapien zu Ende führen und Reserveantibiotika schonen (One-Health-Ansatz).

Vokabeln

→ Kartei

PlasmidKleiner, ringförmiger DNA-Ring neben dem Chromosom.
KonjugationÜbertragung von DNA zwischen Bakterien.
grampositivDicke Mureinschicht, keine äußere Membran.
ResistenzUnempfindlichkeit gegenüber einem Antibiotikum.
horizontaler GentransferWeitergabe von Genen zwischen Zellen derselben Generation.
SelektionsdruckBevorzugung resistenter Varianten unter Antibiotikaeinsatz.

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Musterbeispiel

Exponentielles Bakterienwachstum

Eine Kultur startet mit 1000 Zellen; die Generationszeit beträgt 30 min. Wie viele Zellen sind nach 3 Stunden vorhanden (ungebremstes Wachstum)?

Anzahl Generationen
$n = \dfrac{t}{g} = \dfrac{180\ \mathrm{min}}{30\ \mathrm{min}} = 6$ Teilungen.
Wachstumsgesetz
$N = N_0\cdot 2^{n} = 1000\cdot 2^{6}$ .
Potenz ausrechnen
$2^{6} = 64$ .
Ergebnis
$N = 1000\cdot 64 = 64000$ Zellen.

Ergebnis: Nach 3 Stunden enthält die Kultur 64000 Zellen - die binaere Spaltung führt zu exponentiellem Wachstum, das erst durch Naehrstoff- oder Platzmangel begrenzt wird.

Schritt-für-Schritt Erklärung3 Schritte

1
Bakterien sind die älteste und vielseitigste Lebensform - die meisten sind nützlich oder neutral.
Prokaryotische Zelle - Bakterium
Abb.Keine membranumhüllten Organellen; Nukleoid mit Ringchromosom, Plasmide, 70S-Ribosomen, Zellwand mit Murein.
2
Penicillin sabotiert die Zellwand - Bakterien platzen, weil sie ihren Druck nicht halten.
3
Resistenz ist Evolution in Echtzeit - jeder unnötige Einsatz beschleunigt sie.

SRDP-Aufgaben

SelbsttestAus der Fragenbank5 Punkte

Aufgabenstellung

Erläutere die Wirkungsweise von Penicillin und das Problem der Antibiotikaresistenz.

Deine Antwortwird nicht automatisch bewertet

Typische Fehler

Resistenz wird als gezielte Anpassung des Bakteriums beschrieben.
Antibiotika werden als gegen Viren wirksam dargestellt.
Grampositiv und gramnegativ werden vertauscht.
Der horizontale Gentransfer bleibt unerwähnt.
Plasmide werden mit dem Bakterienchromosom gleichgesetzt.

Aktive Wiederholung

Erläutere, warum man Antibiotika-Therapien immer zu Ende führen sollte - mit Bezug auf Resistenzbildung.

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Quellen: WHO Global Action Plan on Antimicrobial Resistance (WHO)

Viren - Lytischer und lysogener Zyklus, COVID-19/HIV/Influenza#

~3 Min LesezeitStandardBIO-Mik-9.2

Viren stehen an der Grenze des Lebendigen: Sie haben keinen eigenen Stoffwechsel, keine Ribosomen und können sich nur in einer Wirtszelle vermehren. Im Kern bestehen sie aus einem Capsid (einer Proteinhülle) und einer Nukleinsäure - DNA oder RNA -, manche zusätzlich aus einer Lipidhülle. Ausserhalb einer Zelle sind sie inerte Partikel.

Bakteriophagen (Viren, die Bakterien befallen) zeigen zwei Vermehrungswege. Im lytischen Zyklus läuft der „Überfall" schnell ab: Adsorption an die Wirtszelle, Injektion der Nukleinsäure, Replikation, Zusammenbau neuer Viren und schließlich Lyse - die Wirtszelle platzt und setzt die Viren frei ().

Lytischer vs. lysogener Zyklus (Bakteriophage)

Abb. 2Lytisch: Adsorption -> Injektion -> Replikation -> Lyse. Lysogen: Integration als Prophage, später Aktivierung (Induktion).

Abb. 2 ↓

Im lysogenen Zyklus integriert sich die Virus-DNA dagegen als Prophage ins Wirtsgenom und wird bei jeder Zellteilung unbemerkt mitkopiert. Erst unter Stress (z. B. UV-Strahlung) wechselt der Prophage in den lytischen Zyklus. „Lysogen" heißt also nicht „harmlos" - das Virus kann jederzeit aktiv werden.

SARS-CoV-2 ist ein umhülltes RNA-Virus: Sein Spike-Protein bindet den ACE2-Rezeptor menschlicher Zellen (vor allem in den Atemwegen), die RNA gelangt ins Cytoplasma und wird direkt translatiert. Die Pandemie 2020-2023 wurde mit mRNA-Impfstoffen (BioNTech, Moderna) und Vektorimpfstoffen (AstraZeneca) bekämpft.

HIV ist ein Retrovirus mit einem besonderen Trick: Seine reverse Transkriptase schreibt die virale RNA in DNA um, die ins Wirtsgenom integriert wird. HIV befällt die T-Helferzellen und zerstört damit die zentrale Steuerung der Immunabwehr - unbehandelt führt das zu AIDS. Die antiretrovirale Therapie (HAART) kontrolliert die Vermehrung, heilt aber nicht.

Das Influenza-Virus schließlich hat ein segmentiertes RNA-Genom, das es wandlungsfähig macht: Kleine Mutationen (Antigen-Drift) erfordern die jährlich angepasste Grippeimpfung; ein Austausch ganzer Segmente zwischen Virusstämmen (Antigen-Shift, Reassortment) kann schlagartig neue Pandemiestämme erzeugen (Spanische Grippe 1918, H1N1 2009).

Vokabeln

→ Kartei

KapsidProteinhülle des Virusgenoms.
lytischer ZyklusVermehrung mit Zerstörung der Wirtszelle.
lysogener ZyklusEinbau des Virusgenoms in das Wirtsgenom.
RetrovirusRNA-Virus mit reverser Transkriptase.
WirtsspezifitätBindung nur an Zellen mit passendem Rezeptor.
AntigendriftAllmähliche Veränderung der Oberflächenantigene.

Musterbeispiel

SARS-CoV-2 und HIV - Vermehrung vergleichen

Beide sind RNA-Viren - warum braucht HIV eine reverse Transkriptase, SARS-CoV-2 aber nicht?

SARS-CoV-2
Die (+)-RNA wird im Cytoplasma direkt als mRNA an Ribosomen translatiert; eine RNA-abhängige RNA-Polymerase repliziert das Genom - alles ohne DNA-Stufe.
HIV (Retrovirus)
Die reverse Transkriptase schreibt die virale RNA in DNA um; diese wird als Provirus ins Wirtsgenom integriert.
Folge der Integration
Das Provirus bleibt dauerhaft im Genom - deshalb ist HIV (anders als eine ausgeheilte SARS-CoV-2-Infektion) nicht eliminierbar; HAART kann nur die Replikation kontrollieren.
Therapieansatz
HIV-Medikamente hemmen gezielt reverse Transkriptase und Integrase - Enzyme, die der Mensch nicht besitzt.

Ergebnis: SARS-CoV-2 vermehrt sich rein über RNA, HIV macht den Umweg RNA -> DNA -> Genom. Die Integration ins Genom macht HIV chronisch und bisher unheilbar.

Schritt-für-Schritt Erklärung3 Schritte

1
Viren sind die Hijacker der Biologie - sie kapern Zellen, um sich zu vermehren.
Lytischer vs. lysogener Zyklus (Bakteriophage)
Abb.Lytisch: Adsorption -> Injektion -> Replikation -> Lyse. Lysogen: Integration als Prophage, später Aktivierung (Induktion).
2
COVID-19 ist ein RNA-Virus, HIV ein Retrovirus mit DNA-Kopie im Genom - sehr unterschiedliche Strategien.
3
Influenza muss jährlich neu geimpft werden - die Oberflächenproteine driften ständig.

SRDP-Aufgaben

SelbsttestAus der Fragenbank5 Punkte

Aufgabenstellung

Erläutere am Beispiel von SARS-CoV-2 den Aufbau und die Vermehrung eines Virus sowie die Wirkungsweise einer mRNA-Impfung.

Deine Antwortwird nicht automatisch bewertet

Typische Fehler

Viren werden als Lebewesen bezeichnet.
Lytischer und lysogener Zyklus werden vertauscht.
Bakterien und Viren werden in der Behandlung gleichgesetzt.
Die reverse Transkriptase wird der normalen Transkription zugeordnet.
Die Mutationsrate wird nicht mit der Impfstoffanpassung verbunden.

Aktive Wiederholung

Vergleiche die Vermehrung von SARS-CoV-2 und HIV - was machen Retroviren anders?

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Quellen: Nature - SARS-CoV-2 Biology Review (Nature Reviews Microbiology)

Pilze und Symbiosen#

~3 Min LesezeitBasisBIO-Mik-9.3

Pilze bilden ein eigenes Reich neben Pflanzen und Tieren - sie sind eukaryotisch, aber heterotroph (sie nehmen organische Nahrung auf, statt sie aufzubauen), und ihre Zellwand besteht aus Chitin, nicht aus Cellulose. Sie können einzellig sein (Hefen) oder als vielzelliges Geflecht feiner Fäden (Hyphen) wachsen, das man Myzel nennt.

Nach ihrer Ernährung unterscheidet man drei Lebensweisen (): saprophytische Pilze zersetzen totes organisches Material und sind als Destruenten unverzichtbar; parasitische Pilze schädigen lebende Wirte (Pflanzenkrankheiten, Hautpilze); symbiontische Pilze leben in Partnerschaft mit anderen Organismen.

Lebensweisen der Pilze

Abb. 3Pilze leben zersetzend, parasitisch oder symbiontisch - mit jeweils typischem Prinzip und Beispiel.

Abb. 3 ↓

Die ökologisch wichtigste Symbiose ist die Mykorrhiza - eine Win-Win-Partnerschaft zwischen Pilz und Pflanzenwurzel: Der Pilz erhält Zucker aus der Photosynthese, die Pflanze über das weitreichende Myzel Wasser und Mineralstoffe (vor allem Phosphat und Stickstoff). Rund 90 % aller Landpflanzen leben mykorrhizal.

Eine zweite klassische Symbiose ist die Flechte: ein Doppelwesen aus einem Pilz und einer Alge bzw. einem Cyanobakterium. Die Alge betreibt Photosynthese und ernährt den Pilz, der Pilz schützt vor Austrocknung und liefert Mineralien. Flechten sind Erstbesiedler kahler Felsen und - weil empfindlich gegen Luftschadstoffe - wertvolle Bioindikatoren.

Auch wirtschaftlich sind Pilze unverzichtbar: Hefe vergärt Bier und Wein, lockert Brotteig und produziert biotechnologisch sogar Insulin; Penicillium lieferte das erste Antibiotikum; Aspergillus produziert Citronensäure; Speisepilze wie Champignons sind Nahrungsmittel.

Pilze können aber auch krank machen: Fußpilz (Tinea pedis) und Candidosen sind verbreitete Infektionen, und manche Schimmelpilze bilden Aflatoxine - hochwirksame, krebserregende Gifte in verdorbenen Lebensmitteln. Pilze sind also Zersetzer, Partner, Nahrung UND potenzielle Krankheitserreger zugleich.

Vokabeln

→ Kartei

HypheFadenförmige Pilzzelle.
MyzelGesamtheit der Hyphen eines Pilzes.
MykorrhizaSymbiose von Pilz und Pflanzenwurzel.
FlechteSymbiose aus Pilz und Alge oder Cyanobakterium.
SaprophytOrganismus, der totes organisches Material zersetzt.
äußere VerdauungEnzymabgabe nach außen und Aufnahme der Bausteine.

Musterbeispiel

Mykorrhiza als Mutualismus analysieren

Begründe, warum die Mykorrhiza ein Mutualismus (+/+) ist und kein Parasitismus, und nenne den Nutzen für jeden Partner.

Nutzen für die Pflanze
Das Pilzmyzel erschließt ein viel grösseres Bodenvolumen und liefert Wasser, Phosphat und Stickstoff.
Nutzen für den Pilz
Der Pilz erhält energiereichen Zucker aus der Photosynthese der Pflanze (er ist selbst heterotroph).
Bilanz ziehen
Beide Partner ziehen einen Vorteil -> Wirkung (+/+), also Mutualismus; beim Parasitismus (+/-) würde ein Partner geschädigt.
Tragweite
Rund 90 % der Landpflanzen leben mykorrhizal - ohne diese Allianz wäre die Besiedlung des Landes kaum gelungen.

Ergebnis: Die Mykorrhiza ist ein echter Mutualismus: Zucker gegen Wasser und Mineralien. Beide gewinnen, daher (+/+) - im Gegensatz zum Parasitismus, der einen Partner schädigt.

Schritt-für-Schritt Erklärung3 Schritte

1
Pilze sind keine Pflanzen - sie sind ein eigenes Reich mit eigener Stoffwechselstrategie.
2
Ohne Mykorrhiza wären Pflanzen nie an Land gegangen - eine 450 Mio. Jahre alte Allianz.
3
Flechten sind Doppelwesen - Pilz und Alge im perfekten Team.

SRDP-Aufgaben

SelbsttestAus der Fragenbank5 Punkte

Aufgabenstellung

Erläutere am Beispiel Mykorrhiza und Flechten die Bedeutung von Symbiosen mit Pilzen.

Deine Antwortwird nicht automatisch bewertet

Typische Fehler

Pilze werden den Pflanzen zugeordnet.
Die Zellwand wird aus Cellulose statt Chitin angegeben.
Die Mykorrhiza wird einseitig als Nutzen für den Pilz beschrieben.
Die Flechte wird als eine Art bezeichnet.
Saprophytismus und Parasitismus werden vermengt.

Aktive Wiederholung

Erkläre die ökologische und landwirtschaftliche Bedeutung der Mykorrhiza.

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Quellen: Nature - Mycorrhiza Networks (Nature Reviews Microbiology)

Mikrobiologische Arbeitsmethoden#

~3 Min LesezeitBasisBIO-Mik-9.1

Mikroorganismen sind unsichtbar und überall - deshalb braucht die Mikrobiologie ein striktes Methodenrepertoire (). An erster Stelle steht die Sterilisation: die VOLLSTÄNDIGE Abtötung aller Keime einschließlich ihrer widerstandsfähigen Sporen, etwa im Autoklaven (gespannter Wasserdampf, 121 °C, 2 bar, 20 min), durch Heissluft oder Gammastrahlung.

Sterilisation, Desinfektion und Aseptik

Abb. 4Die drei Grundverfahren der mikrobiologischen Keimkontrolle nach Ziel und Wirkung auf Sporen.

Abb. 4 ↓

Davon zu unterscheiden ist die Desinfektion: Sie reduziert die Zahl vermehrungsfähiger Keime auf ein unschädliches Mass (z. B. mit Alkohol oder Aldehyden), tötet aber nicht zwingend alle Sporen ab. Wer Sterilisation und Desinfektion gleichsetzt, übersieht genau diese Sporen - ein häufiger Fehler.

Beim Umgang mit Kulturen ist aseptisches Arbeiten Pflicht: Man arbeitet im Aufstrom über der Bunsenbrennerflamme, glüht Impfösen aus und giesst Nährböden steril - so verhindert man, dass Fremdkeime aus der Luft die Kultur kontaminieren.

Kultiviert werden Mikroben auf Nährmedien, fest (mit Agar verfestigt) oder flüssig (Bouillon). Spezialmedien erweitern die Möglichkeiten: Selektivmedien hemmen unerwünschte Keime und lassen nur bestimmte wachsen; Differentialmedien machen Stoffwechselmerkmale durch Farbumschlag sichtbar.

Um eine Reinkultur (Nachkommen einer einzigen Zelle) zu gewinnen, nutzt man den Verdünnungsausstrich oder das Plattengussverfahren: Stark verdünnte Proben liefern einzeln liegende Kolonien, von denen jede aus einer koloniebildenden Einheit (KbE) hervorgeht. Die KbE zählt lebende, teilungsfähige Zellen - nicht die Gesamtzellzahl.

Sichtbar gemacht werden Mikroben durch Mikroskopie und Färbung: Die Gram-Färbung und Methylenblau differenzieren Bakterien im Lichtmikroskop; Viren werden erst im Elektronenmikroskop erkennbar, da sie unter der Auflösungsgrenze des Lichtmikroskops liegen.

Schließlich regeln Sicherheitsstufen den Umgang mit gefährlichen Erregern: Die Einteilung in die Stufen BSL 1 bis 4 richtet sich nach dem Gefährdungspotenzial - von harmlosen Laborstämmen (BSL 1) bis zu hochgefährlichen Erregern wie Ebola (BSL 4), für die strengste Sicherheitslabore vorgeschrieben sind.

Vokabeln

→ Kartei

SterilisationVollständige Abtötung aller Keime einschließlich Sporen.
AutoklavGerät zur Dampfsterilisation unter Druck.
SelektivnährbodenBoden, der nur bestimmte Keime wachsen lässt.
DifferentialnährbodenBoden, der Keime unterscheidbar macht.
VerdünnungsreiheStufenweise Verdünnung zur Keimzahlbestimmung.
Gram-FärbungFärbeverfahren zur Unterscheidung des Wandtyps.

Musterbeispiel

Keimzahlbestimmung durch Plattengussverfahren

Von einer Probe werden 0,1 mL einer 1:100000-Verdünnung ( $10^{-5}$ ) ausplattiert. Auf der Platte wachsen 120 Kolonien. Wie hoch ist die Keimzahl (KbE/mL) in der Originalprobe?

Formel
$\mathrm{KbE/mL} = \dfrac{\text{Kolonien}}{\text{Volumen}\cdot \text{Verdünnung}}$ .
Werte einsetzen
$\dfrac{120}{0{,}1\ \mathrm{mL}\cdot 10^{-5}}$ .
Nenner
$0{,}1\cdot 10^{-5} = 10^{-6}\ \mathrm{mL}$ .
Division
$\dfrac{120}{10^{-6}} = 1{,}2\cdot 10^{8}$ .

Ergebnis: Die Originalprobe enthält 1,2 x 10^8 koloniebildende Einheiten pro mL; nur lebende, teilungsfähige Zellen werden erfasst.

Schritt-für-Schritt Erklärung2 Schritte

1
Autoklav tötet alles ab - auch Sporen; Desinfektion senkt nur die Keimzahl.
2
Eine Kolonie auf der Platte ist der Nachwuchs einer einzigen Zelle - daher Reinkultur.

SRDP-Aufgaben

SelbsttestAus der Fragenbank5 Punkte

Aufgabenstellung

Grenze Sterilisation und Desinfektion ab und beschreibe, wie man aus einer Mischkultur eine Reinkultur gewinnt.

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Typische Fehler

Desinfektion und Sterilisation werden gleichgesetzt.
Selektiv- und Differentialnährboden werden vermengt.
Die Verdünnungsstufe wird bei der Keimzahl nicht berücksichtigt.
Das sterile Arbeiten wird als Formalie beschrieben.
Die Gram-Färbung wird als Artbestimmung dargestellt.

Aktive Wiederholung

Beschreibe, wie aus einer Mischkultur eine Reinkultur gewonnen und die Keimzahl bestimmt wird.

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Erinnere dich an die Kernpunkte — dann aufdecken.

Biotechnologie und Gärung#

~4 Min LesezeitStandardBIO-Mik-9.1BIO-Mik-9.3

Die Gärung ist der anaerobe Abbau von Glucose zur Energiegewinnung - ohne die sauerstoffabhängige Endoxidation der Atmungskette (vgl. Thema Biochemie). Sie liefert nur die zwei ATP der Glykolyse, also weit weniger Energie als die Zellatmung; ihr eigentlicher Zweck ist es, das verbrauchte NAD+ zu regenerieren, damit die Glykolyse weiterlaufen kann.

Bei der alkoholischen Gärung (Hefe) wird das Pyruvat zu Ethanol und

\ce{CO2}

umgesetzt ():

\ce{C6H12O6 -> 2 C2H5OH + 2 CO2}

. Diese Reaktion ist die Grundlage von Bier und Wein (Ethanol) sowie der Lockerung von Brotteig (das

\ce{CO2}

treibt den Teig auf).

Alkoholische und Milchsäuregärung

Abb. 5Die beiden wichtigen Gärungstypen mit ihren Produkten und Anwendungen.

Abb. 5 ↓

Bei der Milchsäuregärung (Milchsäurebakterien, aber auch im überlasteten Muskel) wird Pyruvat zu Lactat reduziert:

\ce{C6H12O6 -> 2 C3H6O3}

. Sie ist die Basis von Joghurt, Sauerkraut und Käse - die entstehende Säure konserviert zugleich das Lebensmittel.

Solche Verfahren nutzt die klassische Biotechnologie seit Jahrtausenden: Mit Mikroorganismen werden Brot, Käse, Essig und - seit Fleming - Antibiotika aus Penicillium hergestellt. Der Mensch macht sich hier den natürlichen Stoffwechsel der Mikroben zunutze.

Die moderne Biotechnologie geht weiter: Gentechnisch veränderte Bakterien (E. coli) und Hefen produzieren menschliches Insulin, Enzyme, Impfstoffe und Vitamine (vgl. Thema Genetik). Man unterscheidet grob rote (Medizin), weisse (Industrie) und grüne (Landwirtschaft) Biotechnologie.

Im industriellen Maßstab läuft das im Bioreaktor (Fermenter): einem Behälter, in dem Temperatur, pH-Wert, Sauerstoff und Nährstoffe kontrolliert geregelt werden, damit die Mikroben optimal produzieren. Man unterscheidet die Batch-Kultur (ein einzelner Ansatz) von der kontinuierlichen Kultur (ständiger Zu- und Ablauf).

Die Bedeutung reicht weit über Lebensmittel hinaus: nachhaltige Stoffproduktion, Biokraftstoffe wie Bioethanol (selbst ein Gärungsprodukt!) und die biologische Abwasserreinigung, bei der Mikroorganismen organische Schadstoffe abbauen. Biotechnologie ist damit ein Schlüssel zu nachhaltiger Produktion.

Vokabeln

→ Kartei

alkoholische GärungAbbau zu Ethanol und CO₂ durch Hefen.
MilchsäuregärungAbbau zu Lactat durch Bakterien und Muskelzellen.
FermenterBehälter für kontrollierte biotechnische Prozesse.
rekombinante DNAKünstlich zusammengesetzte DNA aus mehreren Quellen.
VektorTransportmittel für fremde DNA in eine Zelle.
Downstream-ProcessingAufarbeitung und Reinigung des Produkts.

Alkoholische Gärung (Hefe)

\ce{C6H12O6 -> 2 C2H5OH + 2 CO2}

Nur zwei ATP je Glucose statt rund 32 bei der Atmung - der Preis dafür, dass kein Sauerstoff nötig ist. Das CO₂ ist es, das den Teig treibt.

Milchsäuregärung (Lactat)

\ce{C6H12O6 -> 2 C3H6O3}

Derselbe Zweck wie bei der alkoholischen Gärung: NADH wird regeneriert, damit die Glykolyse weiterlaufen kann. Im Muskel ist das die Notversorgung unter Sauerstoffmangel.

Musterbeispiel

Gärung vs. Zellatmung - ATP-Ausbeute

Wie viel ATP liefert die Gärung pro Glucose, wie viel die vollständige Zellatmung - und warum vergärt Hefe trotzdem?

Gärung
Nur die Glykolyse liefert Energie: 2 ATP pro Glucose; Ethanol bzw. Lactat dienen nur der Regeneration von NAD+.
Zellatmung
Mit Sauerstoff und Endoxidation rund 32 ATP pro Glucose (vgl. Thema Biochemie).
Faktor
$32 / 2 = 16$ - die Atmung ist also etwa 16-mal effizienter.
Warum trotzdem Gärung?
Ohne Sauerstoff steht die Atmung nicht zur Verfügung; 2 ATP sind besser als keine, und die Gärung läuft sehr schnell.

Ergebnis: Gärung: 2 ATP, Atmung: ca. 32 ATP pro Glucose. Die Gärung ist energetisch ineffizient, aber unter anaeroben Bedingungen die einzige Option - und biotechnologisch wegen ihrer Produkte (Ethanol, CO2, Lactat) unschätzbar.

Schritt-für-Schritt Erklärung2 Schritte

1
Ohne Sauerstoff schaltet die Zelle auf Gärung um - wenig ATP, aber besser als nichts.
2
Hefe macht Alkohol und CO2 - das eine für Wein, das andere für luftiges Brot.

SRDP-Aufgaben

SelbsttestAus der Fragenbank5 Punkte

Aufgabenstellung

Vergleiche alkoholische und Milchsäuregärung und erkläre, warum die Gärung weniger ATP liefert als die Zellatmung.

Deine Antwortwird nicht automatisch bewertet

Typische Fehler

Die Gärung wird als sauerstoffverbrauchend beschrieben.
Alkoholische und Milchsäuregärung werden im Organismus vertauscht.
Die ATP-Ausbeute wird der Atmung gleichgesetzt.
Fermentation und Gärung werden unscharf gebraucht.
Der Vektor bei der rekombinanten Technik bleibt unerwähnt.

Aktive Wiederholung

Vergleiche alkoholische und Milchsäuregärung und nenne je ein Lebensmittel als Beispiel.

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Immunbiologie - Infektion, Abwehr und Impfung#

~3 Min LesezeitVertiefungBIO-Mik-9.2

Das Immunsystem wehrt Krankheitserreger in zwei abgestuften Linien ab. Die unspezifische (angeborene) Abwehr wirkt sofort und gegen alles: physikalische Barrieren (Haut, Schleimhäute), Fresszellen (Makrophagen, neutrophile Granulozyten), die Entzündungsreaktion, das Komplementsystem und natürliche Killerzellen. Sie unterscheidet nicht zwischen verschiedenen Erregern.

Reicht das nicht, greift die spezifische (adaptive) Abwehr durch die Lymphozyten: B-Zellen tragen die humorale Antwort (sie bilden Antikörper), T-Zellen die zelluläre. Erkannt werden Erreger über Antigene, die auf MHC-Molekülen präsentiert werden - so „sieht" das Immunsystem, was fremd ist.

Der zentrale Mechanismus ist die klonale Selektion: Aus dem riesigen Repertoire an Lymphozyten aktiviert das Antigen genau jene, deren Rezeptor passt. Diese vermehren sich (Klonbildung) - die einen werden zu Plasmazellen, die Antikörper ausschütten, die anderen zu T-Killerzellen, die infizierte Zellen abtöten.

Entscheidend für den langfristigen Schutz ist das immunologische Gedächtnis: Neben den kurzlebigen Effektorzellen entstehen langlebige Gedächtniszellen. Bei einem zweiten Erregerkontakt reagieren sie schneller und stärker (Sekundärantwort) - genau das macht man sich beim Impfen zunutze.

Die aktive Immunisierung führt dem Körper ein Antigen zu - als Tot- oder Lebendimpfstoff, als mRNA oder über einen Vektor. Der Körper baut daraufhin selbst Antikörper und Gedächtniszellen auf; der Schutz braucht einige Wochen, hält dann aber lange ( zeigt den viralen Replikationszyklus, gegen den die Antwort gerichtet ist).

Immunantwort - spezifische Abwehr

Abb. 6Antigenpräsentation, Aktivierung von T-Helferzellen, klonale Selektion von B- und T-Zellen, Antikörper und Gedächtniszellen.

Abb. 6 ↓

Die passive Immunisierung dagegen gibt fertige Antikörper (ein Serum) direkt: Der Schutz wirkt SOFORT, ist aber kurz und hinterlässt KEIN Gedächtnis - sinnvoll im akuten Notfall (Schlangenbiss, Tetanus-Exposition). Aktiv und passiv zu verwechseln ist ein klassischer Prüfungsfehler.

Schließlich kann das Immunsystem auch fehlsteuern: Allergien sind überschiessende Reaktionen auf harmlose Stoffe, Autoimmunkrankheiten richten die Abwehr gegen körpereigene Strukturen, und eine Immunschwäche (etwa durch HIV/AIDS, vgl. Abschnitt Viren) macht den Körper anfällig. Eine ausgewogene Immunantwort ist ein empfindliches Gleichgewicht.

Vokabeln

→ Kartei

unspezifische AbwehrRasche, angeborene Abwehr ohne Gedächtnis.
spezifische AbwehrErregerspezifische Abwehr mit Gedächtnis.
PlasmazelleAntikörperproduzierende B-Zelle.
ZweitantwortSchnellere und stärkere Antwort beim erneuten Kontakt.
HerdenimmunitätSchutz Ungeimpfter durch hohe Impfquote.
AutoimmunerkrankungAbwehr richtet sich gegen körpereigene Strukturen.

Musterbeispiel

Aktive oder passive Immunisierung?

Entscheide jeweils: (a) Routineschutz vor Masern, (b) ungeimpfte Person nach Schlangenbiss, (c) ungeimpfte Person mit tiefer, verschmutzter Wunde (Tetanusgefahr).

Prinzip
Aktiv = eigenes Antigen, langsam, aber langer Schutz mit Gedächtnis; passiv = fertige Antikörper, sofort, aber kurz und ohne Gedächtnis.
(a) Masern-Routine
Zeit ist vorhanden, langer Schutz erwünscht -> AKTIVE Impfung (Lebendimpfstoff).
(b) Schlangenbiss
Das Gift wirkt sofort, Warten ist nicht möglich -> PASSIV (Antiserum mit fertigen Antikörpern).
(c) Tetanusgefahr
Oft kombiniert: passiv (sofortiger Schutz) plus aktiv (langfristiger Aufbau) - Simultanimpfung.

Ergebnis: Bei drohender oder erfolgter Exposition zählt Geschwindigkeit -> passiv; für dauerhaften Schutz -> aktiv. Genau deshalb wird bei Tetanusverdacht simultan geimpft.

Schritt-für-Schritt Erklärung2 Schritte

1
Erst die unspezifische Abwehr, dann die massgeschneiderte - zwei Verteidigungslinien.
2
Impfen trainiert das Gedächtnis; passive Antikörper helfen sofort, aber kurz.

SRDP-Aufgaben

SelbsttestAus der Fragenbank5 Punkte

Aufgabenstellung

Erkläre die klonale Selektion und unterscheide aktive von passiver Immunisierung mit je einem Beispiel.

Deine Antwortwird nicht automatisch bewertet

Typische Fehler

Aktive und passive Immunisierung werden vertauscht.
Die Zweitantwort wird als gleich schnell wie die Erstantwort beschrieben.
Antigen und Antikörper werden vermengt.
Die Herdenimmunität bleibt unerwähnt.
Allergie wird als Immunschwäche statt als Überreaktion gedeutet.

Aktive Wiederholung

Erläutere, warum eine Impfung langfristigen Schutz bietet, eine Serumgabe dagegen nur kurzzeitig wirkt.

Passende Aufgaben üben50 Fragen zum Thema

Aktiv abrufen

Erinnere dich an die Kernpunkte — dann aufdecken.