Archaea & Bakterien

Bakterien - Evolution von Bakterien

Evolution von Bakterien

Bakterien haben schon sehr früh in der Geschichte des Lebens auf der Erde existiert . Bakterien Fossilien aus mindestens der in Felsen bisher entdeckt Devon (419.200.000-358.900.000 Jahren), und es gibt überzeugende Argumente , dass Bakterien seit Anfang vorhanden gewesen sein präkambrischen Zeit , etwa 3,5 Milliarden Jahren. Bakterien waren auf der Erde zumindest seit dem letzten Teil des Paläoproterozoikums vor etwa 1,8 Milliarden Jahren weit verbreitet, als infolge der Einwirkung von Sauerstoff in der Atmosphäre auftratCyanobakterien . Bakterien hatten also viel Zeit, sich an ihre Umgebung anzupassen und zahlreiche Nachkommenformen hervorzubringen.

Über die Natur des ursprünglichen Vorgängers, der am Ursprung des Lebens beteiligt ist, wird viel spekuliert. Es wurde vermutet, dass die ursprüngliche Zelle verwendet wurdeRNA als genetisches Material, da Untersuchungen gezeigt haben, dass RNA-Moleküle zahlreiche katalytische Funktionen haben können. Die Bakterien undArchaea weicht sehr früh in dieser Zeit von ihrem gemeinsamen Vorläufer ab . Die beiden Arten von Prokaryoten neigen dazu, unterschiedliche Arten von Umgebungen zu bewohnen und neue Arten mit unterschiedlichen Raten hervorzubringen. Viele Archaeen bevorzugen Hochtemperatur - Nischen . Ein Hauptzweig des Archaealbaums besteht nur aus thermophilen Arten, und viele der Methanogene in einem anderen Hauptzweig können bei hohen Temperaturen wachsen. Im Gegensatz dazu besteht kein wichtiger eubakterieller Zweig ausschließlich ausThermophile . Sowohl Bakterien als auch Archaea enthalten Mitglieder, die bei sehr hohen Temperaturen wachsen können, sowie andere Arten, die bei niedrigen Temperaturen wachsen können. Ein weiterer wichtiger Unterschied besteht darin, dass sich Bakterien weitgehend an aerobe Bedingungen angepasst haben, während viele Archaeen obligate Anaerobier sind. Keine Archaeen sind obligat photosynthetisch. Vielleicht sind die Archaeen ein primitiverer Organismus mit einer beeinträchtigten genetischen Reaktion auf sich ändernde Umweltbedingungen. Eine eingeschränkte Anpassungsfähigkeit an neue Situationen könnte die Archaeen auf raue Umgebungen beschränken, in denen weniger Konkurrenz durch andere Lebensformen besteht.

Organismen müssen sich entwickeln oder an sich ändernde Umgebungen anpassen, und es ist klar, dass Mutationen , die Änderungen in der Sequenz von Nukleotiden in einem Organismus sindDNA kommt ständig in allen Organismen vor. Die Änderungen in der DNA-Sequenz können zu Änderungen in der Aminosäuresequenz des Proteins führen , das von diesem DNA-Abschnitt codiert wird. Infolgedessen könnte das veränderte Protein unter den vorherrschenden Bedingungen entweder besser oder weniger gut für die Funktion geeignet sein. Obwohl viele Nukleotidänderungen, die in der DNA auftreten können, keinen Einfluss auf die Fitness der Zelle haben, könnte die Mutantenform ihre relative Anzahl in der Population erhöhen , wenn die Nukleotidänderung das Wachstum dieser Zelle nur in geringem Maße fördert . Wenn die Nucleotidänderung jedoch das Wachstum der Zelle verzögert, würde die mutierte Form von den anderen Zellen entwachsen sein und verloren gehen.

Die Fähigkeit, genetische Informationen zwischen Organismen zu übertragen, ist ein wesentlicher Faktor für die Anpassung an Umweltveränderungen . Der Austausch von DNA ist ein wesentlicher Bestandteil des Lebenszyklus höherer eukaryotischer Organismen und kann in allen Eukaryoten auftreten. Der genetische Austausch findet auch in der gesamten Bakterienwelt statt, und obwohl die übertragene DNA-Menge gering ist, kann dieser Transfer zwischen entfernt verwandten Organismen stattfinden. Gene auf durch Plasmide können ihren Weg auf den bakteriellen finden Chromosom und ein stabiler Teil der Erbschaft des Bakteriums werden. Organismen besitzen normalerweise mobile genetische Elemente, die als bezeichnet werdenTransposons , die die Reihenfolge und das Vorhandensein von Genen auf dem Chromosom neu ordnen können. Transposons können eine Rolle dabei spielen, das Evolutionstempo zu beschleunigen .

Viele Beispiele für die schnelle Entwicklung von Bakterien sind verfügbar. Vor den 1940er JahrenAntibiotika wurden in der medizinischen Praxis nicht eingesetzt . Als Antibiotika schließlich zum Einsatz kamen, reagierten die meisten pathogenen Bakterien empfindlich auf sie. Seitdem hat die bakterielle Resistenz gegen ein oder mehrere Antibiotika jedoch so stark zugenommen, dass zuvor wirksame Antibiotika gegen bestimmte Arten von Bakterien nicht mehr geeignet sind. Die meisten Beispiele für Antibiotikaresistenzen bei pathogenen Bakterien sind nicht das Ergebnis einer Mutationdas verändert das Protein, das das Antibiotikum angreift, obwohl dieser Mechanismus auftreten kann. Stattdessen beinhaltet Antibiotikaresistenz häufig die Produktion von Enzymen durch das Bakterium, die das Antibiotikum verändern und inaktiv machen. Ein Hauptfaktor bei der Ausbreitung der Antibiotikaresistenz sind übertragbare Plasmide, die die Gene für die arzneimittelinaktivierenden Enzyme von einer Bakterienart zur anderen transportieren. Obwohl die ursprüngliche Quelle des Gens für diese Enzyme nicht bekannt ist, können mobile genetische Elemente (Transposons) eine Rolle in ihrem Aussehen gespielt haben und auch ihre Übertragung auf andere Bakterientypen ermöglichen.

Biosynthese, Ernährung und Wachstum von Bakterien

Faktoren, die das Bakterienwachstum beeinflussen

Nährstoffbedarf

Bakterien unterscheiden sich dramatisch in Bezug auf die Bedingungen, die für ihr optimales Wachstum notwendig sind. In Bezug auf den Ernährungsbedarf benötigen alle Zellen Quellen vonKohlenstoff , Stickstoff , Schwefel , Phosphor , zahlreiche anorganische Salze (z. B. Kalium , Magnesium , Natrium , Calcium und Eisen ) und eine große Anzahl anderer Elemente, die als Mikronährstoffe bezeichnet werden (z. B. Zink , Kupfer , Mangan , Selen , Wolfram und Molybdän) ). Kohlenstoff ist das Element, das Bakterien in der größten Menge benötigen, da Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser gewonnen werden können, which is a prerequisite for bacterial growth. Also required is a source of energy to fuel the metabolism of the bacterium. One means of organizing bacteria is based on these fundamental nutritional needs: the carbon source and the energy source.

There are two sources a cell can use for carbon: inorganic compounds and organic compounds. Organisms that use the inorganic compound carbon dioxide (CO2) as their source of carbon are called autotrophs. Bacteria that require an organic source of carbon, such as sugars, proteins, fats, or amino acids, are called Heterotrophe (oder Organotrophe). Viele Heterotrophe wie Escherichia coli oder Pseudomonas aeruginosa synthetisieren alle ihre zellulären Bestandteile aus einfachen Zuckern wie Glucose, da sie über die erforderlichen Biosynthesewege verfügen. Andere Heterotrophe haben einige dieser Biosynthesewege verloren; Um zu wachsen, müssen ihre Umgebungen bestimmte Aminosäuren, stickstoffhaltige Basen oder Vitamine enthalten, die chemisch intakt sind.

Bakterien benötigen neben Kohlenstoff auch Energie, die fast immer durch die Übertragung eines Elektrons von einem Elektronendonor auf einen Elektronenakzeptor gewonnen wird. Es gibt drei grundlegende Energiequellen: Licht, anorganische Verbindungen und organische Verbindungen.Phototrophe Bakterien nutzen die Photosynthese , um zelluläre Energie in Form von zu erzeugenAdenosintriphosphat (ATP) von Lichtenergie.Chemotrophe beziehen ihre Energie aus Chemikalien (organische und anorganische Verbindungen);Chemolithotrophe erhalten ihre Energie aus Reaktionen mit anorganischen Salzen; undChemoheterotrophe beziehen ihren Kohlenstoff und ihre Energie aus organischen Verbindungen (die Energiequelle kann in diesen Organismen auch als Kohlenstoffquelle dienen).

In den meisten Fällen wird zelluläre Energie mittels erzeugt Elektronentransferreaktionen , bei denen sich Elektronen von einem organischen oder anorganischen Donormolekül zu einem Akzeptormolekül über einen Weg bewegen, der die beim Elektronentransfer freigesetzte Energie konserviert, indem sie in einer Form eingefangen werden, die die Zelle für ihre chemische oder physikalische Arbeit verwenden kann . Die primäre Energieform, die beim Elektronentransfer gewonnen wird, ist ATP. Die Stoffwechselprozesse, bei denen organische Moleküle zur Energieerzeugung abgebaut werden, werden als katabolische Reaktionen bezeichnet . Im Gegensatz dazu werden die Stoffwechselprozesse, die Moleküle synthetisieren, als anabole Reaktionen bezeichnet .

Viele Bakterien können eine große Anzahl von Verbindungen als Kohlenstoff- und Energiequelle verwenden, während andere Bakterien in ihren Stoffwechselfähigkeiten stark eingeschränkt sind. Während Kohlenhydrate eine häufige Energiequelle für Eukaryoten sind, werden diese Moleküle nur von einer begrenzten Anzahl von Bakterienarten metabolisiert, da die meisten Bakterien nicht über die notwendigen Enzyme verfügen, um diese oft komplexen Moleküle zu metabolisieren. Viele Bakterienarten hängen stattdessen von anderen Energiequellen ab, wie Aminosäuren, Fetten oder anderen Verbindungen. Andere für Bakterien wichtige Verbindungen umfassen Phosphat, Sulfat und Stickstoff. Niedrige Werte vonPhosphat in vielen Umgebungen, insbesondere in Wasser, kann ein begrenzender Faktor für das Wachstum von Bakterien sein, da viele Bakterien kein Phosphat synthetisieren können. Andererseits können die meisten Bakterien Sulfat oder Sulfid in die organische Form umwandeln , die für die Proteinsynthese benötigt wird . Die Fähigkeit eines lebenden Organismus, Stickstoff aus Ammoniak einzubauen, ist in der Natur weit verbreitet, und Bakterien unterscheiden sich in ihrer Fähigkeit, andere Formen von Stickstoff wie Nitrat im Boden oder Distickstoffgas (N 2 ) in der Atmosphäre in Zellmaterial umzuwandeln .

Ein besonders wichtiger Nährstoff für Bakterien ist Eisen , ein reichlich vorhandenes Element in der Erdkruste. Eisen ist ein Bestandteil von Hämproteinen wie Hämoglobin in roten Blutkörperchen und Cytochromen in Elektronentransferketten sowie vielen anderen eisenhaltigen Proteinen, die an Elektronentransferreaktionen beteiligt sind. Eisen wird für das Wachstum fast aller Organismen benötigt. In aeroben Umgebungen bei neutralen pH-Werten wird Eisen (Eisen im + 2-Zustand) zu Eisen (Eisen im + 3-Zustand) oxidiert, das in Wasser praktisch unlöslich ist und nicht in Zellen eindringen kann. Viele Bakterien synthetisieren und sezernieren Chemikalien, sogenannte Siderophore, die sehr fest an Eisen binden und es wasserlöslich machen. Die Bakterien nehmen dann diese Eisen-Siderophor-Komplexe auf und entfernen das Eisen für ihre SyntheseAufgaben. Die Fähigkeit, Eisen auf diese Weise zu erwerben, ist besonders wichtigpathogene (krankheitsverursachende) Bakterien, die mit ihrem Wirt um Eisen konkurrieren müssen. In anaeroben Umgebungen kann Eisen im löslicheren Eisenzustand vorliegen und ist für Bakterien leicht verfügbar.

Einige Bakterien sind Parasiten verpflichten und nur in einer lebenden Wirtszelle wachsen. Rickettsia und Chlamydia wachsen beispielsweise in eukaryotischen Zellen und Bdellovibrio in Bakterienzellen. Es ist schwierig, wenn nicht unmöglich, Treponema pallidum in Kultur zu züchten , wahrscheinlich weil es eine niedrige Sauerstoffspannung und niedrige Oxidations-Reduktions-Niveaus erfordert, die durch das Vorhandensein tierischer Zellen anstelle eines bestimmten Nährstoffs bereitgestellt werden . Da einige Bakterien möglicherweise nur als tierische oder pflanzliche Parasiten oder nur in einer reichhaltigen Nährstoffquelle wie Milch gedeihen, gedeihen sie in der Natur wahrscheinlich nicht als freie Bakterien. Viele Bakterien aus natürlichen Umgebungen existieren in aKonsortium mit anderen Bakterien und sind schwer zu isolieren und getrennt von den anderen Mitgliedern dieser Partnerschaft zu kultivieren.