Beschreibe vier strukturelle Unterschiede zwischen einer Dünndarmzelle des Menschen und einer Darmbakterienzelle.

Prevotella copri ist ein ausschließlich anaerobes, unbewegliches und stäbchenförmiges Darmbakterium des Menschen. Für dessen optimale Vermehrung wurden die Wachstumsbedingungen untersucht. Hierfür wurden in verschiedenen Versuchen die Bakterien in unterschiedlichen Nährmedien angesetzt. In der ersten Versuchsreihe wurde das Nährmedium PYG verwendet, in einer zweiten Versuchsreihe das Nährmedium DMMG. In beiden Reihen wurde jeweils, unter sonst gleichen Bedingungen, die Zusammensetzung der Nährmedien verändert. In den folgenden Diagrammen werden die Ergebnisse der Untersuchungen dargestellt.

Erkläre den Verlauf der Populationsentwicklung von P. copri in Abbildung 1 auf dem vollständigen PYG-Medium.

Erläutere auch unter Bezug auf die ermittelten Ergebnisse aus Abbildung 1 und 2 vier für eine schnelle Vermehrung von P. copri bedeutende Faktoren.

In weiteren Untersuchungen wurde der Stoffwechsel des Darmbakteriums P. copri analysiert. Es nutzt für seinen Energiestoffwechsel eine spezielle Form der Atmungskette, von der ein Ausschnitt vereinfacht in Abbildung 3 dargestellt ist.

Beschreibe die in Abbildung 3 dargestellten Prozesse und erkläre auf deren Grundlage den Mechanismus der ATP-Bildung.

Zusätzlich zu den in Abbildung 3 dargestellten Prozessen werden die an der Atmungskette von P. copri beteiligten Natrium-Ionen mittels eines speziellen Transportproteins gegen Protonen ausgetauscht (Abb. 4). Beschreibe auf der Grundlage der Abbildungen 3 und 4 den vorliegenden Transportmechanismus an der Biomembran und erkläre die Auswirkungen auf die ATP-Produktion.

Mikrobiologen am Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie in Marburg entwickelten einen neuen Stoffwechselweg zur Kohlenstoffdioxid-Fixierung, den sogenannten CETCH-Zyklus. Die Enzyme für diesen Zyklus stammen unter anderem aus Darmbakterien und Pflanzen. Die folgende Abbildung 5 zeigt schematisch einen deutlich vereinfachten CETCH-Zyklus.

Vergleiche den CETCH-Zyklus (Abb. 5) mit den in Pflanzen ablaufenden lichtunabhängigen Reaktionen der Fotosynthese, indem du vier Unterschiede zwischen diesen beiden Reaktionswegen beschreibst.

Neben dem künstlichen, enzymgesteuerten System des CETCH-Zyklus werden zur Funktion einer künstlichen Fotosynthese bisher immer noch Thylakoidmembranen aus Chloroplasten lebender Organismen benötigt. Erläutere die Notwendigkeit der Nutzung von Thylakoidmembranen für die unabhängige Funktionsfähigkeit eines künstlichen Fotosynthese-Systems.

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Unterschiede zwischen einer Dünndarmzelle und einer Darmbakterienzelle

Verlauf der Populationsentwicklung In der Abbildung ist die Entwicklung des Bakteriums P. copri auf dem vollständigen PYG-Medium dargestellt. Die Kultur wächst logistisch. Dabei wird zwischen verschiedenen Phasen unterschieden.

• lag-Phase: Wird die Kultur auf das neue Medium übertragen, so braucht sie eine gewisse Latenzzeit (etwa 2 Stunden), um ihren Stoffwechsel an die gegebenen Nährstoffe im Medium anzupassen. In dieser Zeit ist noch kein starkes Wachstum zu beobachten.
• log-Phase: Haben die Bakterienzellen ihren Stoffwechsel angepasst, so geht die Kultur in die Wachstumsphase über. Hier ist die Teilungsrate der Zellen maximal. Es kommen mehr Zellen hinzu, als absterben, was in einem exponentiellen Wachstum der Kultur resultiert.
• stationäre Phase: Etwa 7 Stunden nach der Übertragung auf das neue Substrat hat sich ein Gleichgewicht zwischen neu hinzukommenden und absterbenden Zellen eingestellt. Die Populationsgröße bleibt auf einem konstanten Niveau, da die Limitierung des Nahrungsangebotes sowie die Anreicherung von Stoffwechselendprodukten weiteres Wachstum verhindern.

Faktoren für das schnelle Wachstum der Bakterienkultur

1. Glucose: In Abbildung 1 ist das Wachstum der Bakterienkultur auf Medium mit und ohne Glucose dargestellt. Es ist deutlich zu erkennen, dass die Kultur auf dem Medium ohne Glucose langsamer wächst, und die Dichte der Population geringer ausfällt, als auf dem Medium mit Glucose.
2. Vitamin K: In Abbildung 2 ist zu erkennen, dass Bakterien ohne Vitamin K im Medium ihr Wachstum einstellen. Zu Beginn der Beobachtung sterben sogar einige Bakterien ab.
3. Nährmedium: Vergleicht man die verstrichene Zeit, bis die Kulturen eine bestimmte Populationsdichte erreicht haben, so wird deutlich, dass die Kulturen auf PYG-Medium deutlich schneller wachsen als auf DMMG. Die Nährstoffzusammensetzung im PYG-Medium ist für P. copri besser geeignet.
4. Äußeres Milieu: Gemäß der RGT-Regel verdoppelt bis vervierfacht sich die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen bei einer Temperaturerhöhung von 10 °C. Auch die Teilungsrate von Bakterien ist temperaturabhängig. Bei den Darmbakterien ist ein Temperaturoptimum von 37 °C zu erwarten. Auch der pH-Wert hat einen Einfluss auf die Teilungsrate. Im Dünndarm ist der pH-Wert neutral bis leicht basisch. Daher ist ein starkes Wachstum bei einem pH-Wert zwischen 7 und 8 zu erwarten.

In Abbildung 3 dargestellte Prozesse und ATP-Bildung: Die Ionen-Konzentration im Cytoplasma und im Intermembranraum unterscheidet sich voneinander. Während sich im Cytoplasma nur wenige Natrium-Ionen befinden, liegen im Intermembranraum viele Natrium-Ionen vor. Um dieses Konzentrationsgefälle aufrechtzuerhalten, müssen Natrium-Ionen aktiv transportiert werden. Um diesen Transport zu gewährleisten, werden die durch die Reaktion von NADH/H⁺ zu NAD⁺ freigesetzten Elektronen auf Fumarat übertragen, was wiederum zu Succinat reagiert. Dieser Prozess wird als Elektronentransportkette bezeichnet, und von einem Proteinkomplex katalysiert. Auch der Transport der positiven H⁺-Ionen entgegen dem Konzentrationsgefälle in Richtung Intermembranraum erfolgt durch eine Elektronentransportkette durch die Reaktion von FD_red zu FD_ox. Die bei der Reaktion entstehenden Elektronen werden wieder mittels eines Proteinkomplexes auf Fumarat übertragen, welches anschließend zu Succinat umgesetzt wird. Durch diese Prozesse ist im Intermembranraum ein Protonenüberschuss vorhanden. H⁺-Ionen können entlang ihres Konzentrationsgefälles wieder ins Cytoplasma gelangen. Die bei diesem Rückfluss frei werdende Energie treibt die Synthese von ATP aus ADP durch Addition von Phosphat an.

Transportmechanismus an der Biomembran Durch das Transportprotein ist der Rücktransport von Natrium-Ionen an den Transport von H⁺-Ionen gekoppelt. So wird der passive Natrium-Ionentransport genutzt, um den Protonengradient ohne zusätzlichen Energieaufwand zu verstärken. Es können mehr H⁺-Ionen für die ATP-Synthese genutzt werden, und die ATP-Produktion wird erhöht.

Vergleich von CETCH-Zyklus und Calvin-Zyklus

• Glucosebildung: Im Calvin-Zyklus wird Glucose aus zwei C3-Körpern gebildet, im CETCH-Zyklus aus drei C2-Körpern.
• ATP-Bedarf: Pro Molekül Glucose werden im Calvin-Zyklus 18 Moleküle ATP benötigt, im CETCH-Zyklus sind es nur drei.
• NADH/H⁺-Bedarf: Pro Molekül Glucose werden im Calvin-Zyklus 12 Moleküle NADH/H⁺ benötigt, im CETCH-Zyklus sind es nur vier.
• Sauerstoffbildung: Im Calvin-Zyklus wird kein Sauerstoff benötigt, im CETCH-Zyklus werden neben CO₂ auch zwei Moleküle Sauerstoff benötigt.
• Wasserstoffperoxidbildung: Im Calvin-Zyklus entsteht im Gegensatz zum CETCH-Zyklus kein Wasserstoffperoxid als Produkt.

Thylakoidmembranen für die Funktionsfähigkeit eines künstlichen Fotosynthese-Systems In den Thylakoidmembranen findet die Lichtreaktion der Fotosynthese statt. Hier befinden sich auch das Photosystem I und II. Diese beiden Systeme bestehen aus Chlorophyllen, Carotinoiden und dem zentralen Reaktionszentrum der Granathylakoide der Chloroplasten und sind für die Lichtabsorption verantwortlich. Bei der Lichtreaktion werden NADPH/H⁺als Reduktionsäquivalent sowie ATP als Energieäquivalent gebildet. Beide Stoffe werden für Funktionsfähigkeit der lichtunabhängigen Reaktion benötigt.