Zellbiologie - Hilfe zu Moodle
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Zellbiologie Zellbiologie 1. Die Entdeckung der Zelle und die Zelltheorie 1665 entdeckte der englische Naturforscher Robert Hooke (1635–1702) mit Hilfe des kurz zuvor erfundenen Mikroskops im Kork eine aus vielen Kästchen aufgebaute wabenähnliche Struktur. Er nannte die Kästchen Zellen und prägte damit den bis heute verwendeten Fachbegriff. Aus der neulateinischen Übersetzung cytos wurde später der wissenschaftliche Begriff Cytologie (gesprochen: zütologi) für die Zellbiologie abgeleitet. Nach ihrer Entdeckung dauerte es noch fast 200 Jahre bis man die Bedeutung der Zelle erkannte. Erst 1838 kamen die Biologen Schleiden und Schwann auf Grund von Untersuchungen verschiedener Forscher an Pflanzen, Tieren und Menschen zum Schluss, dass alle Lebewesen aus Zellen bestehen. Sie legten damit den Grundstein zur Zelltheorie. Über die Entstehung der Zellen gab es allerdings noch allerhand abenteuerliche Vorstellungen, bis der Arzt Virchow 1855 postulierte: «Omnis cellula e cellula», d. h., jede Zelle entsteht aus einer Zelle. Damit war die Zelltheorie vollständig: o Alle Organismen bestehen aus mindestens einer Zelle. o Die Zelle ist die kleinste Einheit des Lebens. o Neue Zellen entstehen nur aus bereits existierenden Zellen. Eine Zelle ist: o eine mikroskopisch kleine, o +/- scharf abgegrenzte, o morphologisch eindeutig charakterisierbare und o funktionell selbständige arbeitende Einheit KST HAT 1 Zellbiologie 2. Procyten und Eucyten KST HAT 2 Zellbiologie 3. Bau der Eucyten 3.1 Überblick über die in Eucyten zu findenden Strukturen Im Gegensatz zu den Procyten weisen die Eucyten einen Zellkern auf und sind meist deutlich grösser als die Procyten. Wir schauen uns im Unterricht tierische und pflanzliche Eucyten an. Das heisst wir suchen Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen Zellen von Tieren und Zellen von Pflanzen. Auf der Seite 4 finden Sie Abbildungen einer tierischen und einer pflanzlichen Eucyte sowie Informationstexte zu sogenannten Organellen. Ein Organell ist ein Bestandteil der Zelle mit einer bestimmten Aufgabe. Durch die Zusammenarbeit der verschiedenen Organellen ist die Zelle funktionsfähig und kann alle nötigen Vorgänge ausführen. Die Informationstexte der Seite 5 enthalten viel, dichtgepackte Information. Sie werden zur Zeit noch nicht alles verstehen und nachvollziehen können – und das ist auch kein Problem! Eine wichtige Fähigkeit besteht darin, aus einem Text die für Sie persönlich relevanten Fakten rausziehen zu können – alle anderen Dinge darf man in diesem Augenblick ruhig beiseitelassen! Mir ist wichtig, dass Sie für jede in der Tabelle auf Seite 6 aufgeführte Struktur in wenigen und für Sie verständlichen (!) Worten notieren, welche Aufgabe diese Struktur in der Zelle übernimmt. Schreiben Sie nichts hin, was Sie nicht verstehen! Für jede Struktur notieren Sie ebenfalls die Anzahl vorhandener Membranen. Wie sieht nun eine eukaryotische Zelle aus? Die Antwort ist auf den ersten Blick gar nicht so leicht, denn in der Natur existiert eine riesige Vielfalt an spezialisierten Eucyten, und keine scheint der anderen zu gleichen. Wenn Sie jedoch die Tierzelle mit der Pflanzenzelle vergleichen, können Sie neben auffälligen Unterschieden viele Gemeinsamkeiten entdecken. Die Pflanzenzelle erscheint als dickwandiger Kasten, während die Tierzelle lediglich von einer zarten Membran umhüllt ist. Diese Zellmembran gibt es bei der Pflanzenzelle auch, aber sie liegt unter der dicken Zellwand, die bei der Tierzelle fehlt. Beide Zelltypen besitzen einen grossen Zellkern, der nicht zum Cytoplasma gerechnet wird. Zwei weitere auffällige Strukturen finden Sie nur in der Pflanzenzelle: die Chloroplasten und einen grossen Flüssigkeitsbehälter, die zentrale Vakuole. All diese Strukturen kann man bereits im Lichtmikroskop gut sehen. Weitere Einzelheiten erschliessen sich mit dem sogenannten TransmissionsElektronenmikroskop. Dieses zeigt die Ultrastruktur der Zellen, also ihren Feinbau jenseits dessen, was im Lichtmikroskop zu sehen ist (lat. ultra = jenseits). Man hat in Tier- und Pflanzenzellen zahlreiche Organellen („kleine Organe") gefunden und näher beschrieben. In der Zelle tritt als wiederkehrendes Bauelement die Membran auf. Das Zellinnere wird durch Membranen in eine Vielzahl abgegrenzter Räume, so genannte Kompartimente, unterteilt. Oft bewirken Membranen durch Faltung oder Stapelung eine starke Vergrösserung der inneren Oberflächen, an denen Reaktionen ablaufen. KST HAT 3 Zellbiologie KST HAT 4 Zellbiologie KST HAT 5 Zellbiologie Übersichtstabelle zu den wichtigsten Strukturen der eukaryotischen Zelle Tragen Sie in dieser Tabelle die Funktion der einzelnen Strukturen in I eigenen, Ihnen verständlichen Worten ein und nennen Sie jeweils die Anzahl vorhandener Membranen. Struktur Aufgabe Anzahl Membranen Zellwand Zellmembran Glattes Endoplasmatisches Retikulum Raues Endoplasmatische Retikulum Dictyosom = Golgi-Apparat Zellkern Mitochondrium Chloroplast Ribosom Mikrofilamente Mikrotubuli KST HAT 6 Zellbiologie 3.2. Biomembranen und Transportvorgänge 3.2.1 Vorkommen von Biomembranen Ein Haus hat Wände, die es von der Umgebung abgrenzen und im Inneren in verschiedene Zimmer aufteilen. Genauso sind alle lebenden Zellen von Biomembranen umschlossen und werden innen durch Biomembranen in unterschiedliche Kompartimente unterteilt. Zimmerwände müssen Türen haben, schliesslich muss man hinein- und hinausgehen können. Biomembranen weisen dafür besondere Öffnungen und Schleusen auf, sodass Moleküle von einer Seite auf die andere gelangen können. 3.2.2 Der Bau von Biomembranen Der wichtigste Bestandteil der Biomembranen ist das Phospholipid. Dieses Molekül hat einen Kopf und daran befestigt zwei Schwänze. Der Kopf und die beiden Schwänze unterscheiden sich aber in ihren Eigenschaften wesentlich. o Der Kopf ist so gebaut, dass er gerne Wassermoleküle in seiner Umgebung hat. Man sagt der Kopf ist hydrophil, was etwa mit wasserfreundlich übersetzt werden kann. Du weisst aus deiner eigenen Erfahrung, dass sich Wasser und Fette (bspw. Öl) gegenseitig abweisen: In einer Suppe schwimmen Öltropfen obenauf und wenn du fettige Hände hast, kriegst du das Fett nicht weg, wenn du dir die Hände nur mit Wasser wäscht. Fettfrei werden die Hände erst durch den Einsatz von Seife. Wasser und Fette unterscheiden sich in ihrem Aufbau wesentlich, was zu dieser gegenseitigen Abstossung führt. Der Kopf ist wie gesagt hydrophil. Das bedeutet, dass er gleichzeitig lipophob (fettmeidend) ist, da die Fettmoleküle ganz anders gebaut sind als Wassermoleküle. o Bei den Schwänzen verhält es sich genau umgekehrt wie beim Kopf. Die Schwänze sind ähnlich gebaut wie Fette und sind daher auch gerne von Fettmolekülen umgeben. Man bezeichnet sie deshalb als lipophil (fettfreundlich). Wenn die Schwänze also lipophil sind, dann sind sie gleichzeitig hydrophob (wassermeidend). Bau und Eigenschaften von Phospholipiden Wie gesagt stellen die Phospholipide den wichtigsten Bestandteil der Biomembranen dar. Nun gilt es sich zu überlegen, wie die Phospholipide in der Biomembran angeordnet sind. Dazu muss man wissen, dass das Cytoplasma zu einem grossen Teil aus Wasser besteht. Folglich erwarten wir, dass sich die hydrophilen Köpfe der Phospholipide den Wassermole- KST HAT 7 Zellbiologie külen des Cytoplasmas zuwenden. Die lipophilen Schwänze „versuchen“ das Cytoplasma zu meiden. Aus diesen Überlegungen resultiert eine Phospholipid-Doppelschicht mit nach aussen gerichteten Köpfen der Phosphlipide als günstigste Anordnung der Phospholipide. Ganz nach dem Motto ‚Gleich und gleich gesellt sich gern‘ liegen die lipophilen Schwänze nebeneinander resp. zeigen gegeneinander und meiden so das wässrige Cytoplasma. Die hydrophilen Köpfe ragen wässrigen Cytoplasma hin. Aufgabe Lesen Sie die folgenden Seiten zu den Biomembranen. Gewisse Dinge werden in diesem Text repetiert. Sie lernen aber weitere Bestandteile der Zelle kennen und wissen am Ende, weshalb die Biomembranen mit dem sogenannten Flüssig-Mosaik-Modell beschrieben werden. Beantworten Sie nach der Lektüre die nachfolgenden Fragen. KST HAT 8 Zellbiologie KST HAT 9 Zellbiologie KST HAT 10 Zellbiologie KST HAT 11 Zellbiologie 1. Beschreiben Sie, was man unter dem „Flüssig-Mosaik-Modell“ versteht. 2. Welche Funktion hat Cholesterol? 3. H. Davson und J. Danielli propagierten das sogenannte Sandwich-Modell. Sie glaubten damals, dass ihr Modell korrekt sei. Erläutern Sie, weshalb die beiden Herren zu diesem Modell kamen. 4. Erklären Sie detailliert, wie mit Hilfe der Gefrierbruchtechnik das Flüssig-Mosaik-Modell bestätigt werden kann. KST HAT 12 Zellbiologie 3.2.3 Diffusion Damit wir später die Transportvorgänge durch die Biomembranen verstehen, ist es wichtig, dass wir uns vorderhand mit der sogenannten Diffusion auseinandersetzen. Diffusionsprozesse haben Sie im Unterricht bereits kennen gelernt: In der Lunge diffundiert Sauerstoff netto aus der eingeatmeten Luft ins Blut der die Lungenbläschen umspannenden Kapillaren. Umgekehrt diffundiert Kohlendioxid netto aus den genannten Kapillaren in die Luft der Lunge. Gibt man in einen Glaszylinder zuerst Zuckerwasser und füllt danach sorgfältig Wasser darüber, so sind die beiden Flüssigkeiten zunächst deutlich voneinander getrennt: oben befinden sich nur Wassermoleküle, unten Wassermoleküle und Zuckermoleküle (linker Glaszylinder). Allmählich (über mehrere Stunden) tritt eine selbständige Vermischung der beiden Flüssigkeiten ein, weil sich die Wasser- und Zuckermoleküle bewegen (mittlerer Glaszylinder). Schlussendlich sind die Zuckermoleküle gleichmässig verteilt (linker Glaszylinder). Die Ursache für die Vermischung liegt in der Eigenbewegung der Moleküle (aufgrund dessen (Wieder-)Entdecker auch als Brown’sche Molekularbewegung bezeichnet). Alle Moleküle einer Flüssigkeit oder eines Gases bewegen sich. Diese Bewegungen der Moleküle bezeichnet man als Diffusion. Meist ist diese Diffusion nicht sichtbar. Auf dem Hellraumprojektor ist jedoch ein Experiment zu finden, bei welchem die Diffusion von farbigen Molekülen (Kaliumpermanganatmoleküle) sichtbar ist. Die Bewegungsrichtung der einzelnen Moleküle ist zufällig. Die nebenstehende Abbildung zeigt den Weg, welcher ein diffundierendes Teilchen zurückgelegt hat. Man sieht, dass es die Richtung immer wieder geändert hat, also einen Zickzackkurs beschritten hat. Die Ursache für diesen Zickzackkurs liegt im Zusammenprall mit anderen diffundierenden Molekülen oder dem Aufprall an der Gefässwand. Ein Zusammenprall führt üblicherweise zu einer anderen Bewegungsrichtung, welche so lange Bestand hat, bis wiederum ein nächster Zusammenprall stattfindet, etc. Posten 1: Diffusions-Animation Schauen Sie sich auf dem Laptop die Diffusions-Animation an. Verfolgen Sie während einiger Sekunden den Weg eines Moleküls. Füllen Sie anschliessend die drei untenstehenden Zeilen aus. Die diffundierenden Moleküle ändern immer wieder ihre Richtung, weilS a) ____________________________________________________________________ b) ____________________________________________________________________ c) ____________________________________________________________________ KST HAT 13 Zellbiologie Kommen wir zurück auf unser Beispiel des Glaszylinders, welcher zu Beginn unten Zuckerwasser und oben reines Wasser aufweist. Jedes Zuckermolekül (wie auch jedes Wassermolekül) bewegt sich zickzackartig und auf einem individuellen Weg durch den Glaszylinder. Gewisse Zuckermoleküle bewegen sich auf ihrem Zickzackkurs nach oben, sodass sich mit der Zeit auch oben im Glaszylinder Zuckermoleküle befinden. Wichtig ist aber festzuhalten, dass ein sich oben befindendes Zuckermolekül auf seinem zufälligen Zickzackweg auch wieder nach unten gelangen kann. Die Diffusion der Zuckermoleküle führt dazu, dass nach einer gewissen Zeit im ganzen Glaszylinder Konzentration eine einheitliche Konzentration der ZuUnter der Konzentration versteht man die Menckermoleküle zu finden ist. Wenn wir zu ge/den Anteil einer Molekülsorte an einem bediesem Zeitpunkt Bilanz ziehen, dann stel- stimmten Volumen. len wir fest, dass eine Nettodiffusion von Beispiel Wasser und Zuckerlösung: Die KonzentZuckermolekülen nach oben stattgefunden ration von Wassermolekülen beträgt im reinen Wasser 100%, Konzentration von Zuckermolekühat. Unter der Nettodiffusion versteht man len beträgt hingegen 0%. In einer bestimmten die Diffusion der Zuckermoleküle, welche Zuckerlösung beträgt die Konzentration der Wasnach oben diffundiert sind, abzüglich jener, sermoleküle 94% und somit die Konzentration der Zuckermoleküle 6%. welche wieder nach unten diffundiert sind. Aufgabe Definieren Sie die beiden Begriffe Diffusion und Nettodiffusion. Posten 2: Nettodiffusion eines farbigen Stoffes Auf dem Hellraumprojektor finden Sie drei Glasschalen. Sie weisen Wasser unterschiedlicher Temperaturen auf sowie Kaliumpermanganatmoleküle. Die Nettodiffusion der Kaliumpermanganatmoleküle ist aufgrund ihrer Farbe gut erkennbar. Wovon ist nun der Umfang der Nettodiffusion abhängig? Beantworten Sie diese Frage mit Hilfe des Experiments auf dem Hellraumprojektor und weiteren, eigenen Überlegungen. Je o o o o desto umfangreicher ist die Nettodiffusion. KST HAT 14 Zellbiologie Der Transport kleiner Teilchen durch Diffusion ist innerhalb der winzigen Zelle in kurzer Zeit möglich. Daher ist die Diffusion bei Zellen von zentraler Bedeutung. Über grössere Strecken (z. B. zwischen verschiedenen Organen eines Menschen) sind aber andere Transportmechanismen notwendig, bspw. der Transport von Stoffen mit Hilfe des fliessenden Blutes. 3.2.4 Durch Osmose können Zellen Wasser aufnehmen oder abgeben Definition Osmose ist die Nettodiffusion von Wassermolekülen durch eine semipermeable Membran in Richtung der höheren Konzentration gelöster Stoffe bzw. geringeren Konzentration der Wassermoleküle. Tönt auf den ersten Blick etwas kompliziert – ist es aber eigentlich nicht! Lesen Sie zuerst den untenstehenden Text. Danach möchten wir anhand zweier Versuche der Osmose auf die Spur kommen. Sie haben Freunde eingeladen und wollen ihnen einen frischen Blattsalat servieren. Eine Viertelstunde vor Ankunft Ihrer Gäste giessen Sie eine würzigsalzige Sosse über den Salat. Eine halbe Stunde später sitzen Sie und Ihre Freunde vor einem Häufchen kläglich zusammengefallener grüner Blätter! Dieses Missgeschick wird Ihnen nie wieder passieren, wenn Sie verstanden haben, wie Osmose funktioniert. Die meisten Biomembranen sind semipermeabel, das heisst halbdurchlässig. Wassermoleküle können sie passieren, nicht aber Ionen (bspw. Kochsalzionen) und Biomoleküle wie Zucker und Aminosäuren. Wenn eine solche Membran eine Zuckerlösung von reinem Wasser trennt, dann wird Wasser entlang seinem Konzentrationsgefälle in die Zuckerlösung netto hinein diffundieren (siehe Abbildung 1). Anders ausgedrückt, wenn eine semipermeable Membran zwei Lösungen mit unterschiedlicher Konzentration an gelöstem Material trennt, wird Wasser von der Seite mit niedrigerer Konzentration des gelösten Stoffes netto zur Seite höherer Konzentration fliessen, da die Konzentration der Wassermoleküle dort niedriger ist. Diese Wasserdiffusion an einer semipermeablen Membran nennen wir Osmose. Dabei kommt es nicht auf die Art der gelösten Teilchen an, sondern nur auf ihre Konzentration. Die Lösung mit der höheren Konzentration an Gelöstem heisst hypertonisch und die mit der geringeren heisst hypotonisch. Lösungen mit gleicher Konzentration werden als isotonisch bezeichnet. Sie können sich also auch merken, dass bei Osmose das Wasser durch die semipermeable Membran immer von der hypotonischen zur hypertonischen Lösung Übertritt, sozusagen „um diese zu verdünnen“. KST HAT 15 Zellbiologie Posten 3: Osmose-Modell An diesem Posten finden Sie Schalen vor, welche Kugeln in zwei verschiedenen Grössen und eine mit Löchern versehene Trennwand enthalten. Mit Hilfe dieser Schalen kann auf einfache Weise der Vorgang der Osmose nachgespielt werden. 1. Halten Sie zuerst fest, welche Bedeutung die folgenden Bestandteile des Modells haben: o Trennwand mit Löchern o Kleine Kugeln o Grosse Kugeln 2. Stellen Sie verschiedene Ausgangssituationen („Konzentrationen“) her und halten Sie diese stichwortartig fest. Den Vorgang der Osmose führen Sie durch, indem Sie die Schale horizontal haltend schütteln. Halten Sie anschliessend jeweils die Endsituation fest und interpretieren Sie die Versuchsresultate. KST HAT 16 Zellbiologie Posten 4: Osmometer Mit einem Osmometer können wir die ablaufende Osmose mitverfolgen. Im grossen Glasgefäss befindet sich reines Wasser (sogenannt destilliertes Wasser). Das heisst, die Konzentration von Wassermolekülen beträgt 100%. In der „Wurst“ befindet sich gefärbter Zuckersaft. Zucker wurde also in Wasser aufgelöst, was zur Folge hat, dass die Konzentration der Wassermoleküle weniger als 100% beträgt. Entscheidend ist nun die Haut der „Wurst“. Dabei handelt es sich um ein Stück eines Dialyseschlauchs (Solche Schläuche kommen bei Patienten zum Zug, welche sich aufgrund einer Unterfunktion ihrer Nieren einer Dialyse entziehen müssen. Dabei werden dem Blut osmotisch Abfallstoffe entzogen.). Der Dialyseschlauch entspricht den Eigenschaften einer Biomembran. Im Dialyseschlauch sitzt eine Kapillare. Informieren Sie sich betreffend der Pegelstände während der vergangenen Lektionszeit. Erklären Sie Ihre diesbetreffende Feststellung indem Sie die untenstehende Zeichnung ergänzen und die Vorgänge schriftlich beschreiben. Bemerkung: Vielleicht gelingt Ihnen dies sogar ohne vorne in den Unterlagen nachzuschauenS KST HAT 17 Zellbiologie Eine Folge von Osmose: Plasmolyse und Deplasmolyse Lesen Sie den untenstehenden Text, beantworten Sie danach die Fragen und führen Sie selber Plasmolysen und Deplasmolysen bei Zellen einer roten Zwiebel herbei. Die Osmose spielt für alle lebenden Zellen eine wichtige Rolle, es gibt aber deutliche Unterschiede. Tierische Zellen brauchen eine isotonische Umgebung. Nur unter dieser Bedingung zeigen rote Blutzellen ihre normale linsenförmige Gestalt (siehe Abbildung 2) Wenn Zellen sich in einer hypertonischen Flüssigkeit befinden, schrumpfen sie; in hypotonischer Flüssigkeit dagegen dehnen sie sich durch Wasseraufnahme in das Cytoplasma aus, bis sie platzen. Daher ist für viele Tiere die Homöostase (das heisst die Konstanz) der osmotischen Verhältnisse in den Körperflüssigkeiten extrem wichtig. Pflanzenzellen dagegen befinden sich meistens in hypotonischer Umgebung. Der Zellsaft in der zentralen Vakuole weist eine relativ hohe Konzentration an gelösten Salzen auf. Wie bei den Tierzellen strömt osmotisch Wasser ein. Aber anders als Tierzellen haben Pflanzen eine relativ starre Zellwand. Dadurch dehnt die Zelle sich nicht bis zum Platzen aus, sondern baut einen Innendruck auf, den Turgor. Der Turgor gibt den einzelnen Zellen und auch ganzen Pflanzen, soweit sie nicht verholzt sind, ihre Form und Standfestigkeit. In isotonischer Umgebung verlieren pflanzliche Zellen ihren Turgor und werden schlaff. Wenn Sie Pflanzenzellen in eine hypertonische Umgebung bringen, z.B. Ihren Blattsalat mit salziger Salatsosse begiessen, dann strömt wie bei Tierzellen Wasser aus und der Zellinnenraum schrumpft. Da die Zellwand aber starr ist, löst sich beim Schrumpfen die Zellmembran von der Zellwand; wir sprechen dann von Plasmolyse. Dieser Vorgang kommt durchaus in lebenden Pflanzen vor, wenn sie aufgrund langer Trockenheit welken. Falls die Trockenheit nicht zu lange anhält, überleben Pflanzen die Plasmolyse. Bei einsetzendem Regen wird die Zellumgebung wieder hypotonisch, der osmotische Druck baut sich auf und die Zellmembran legt sich wieder an die Zellwand an. Dieser gegenläufige Vorgang bezeichnet man als Deplasmolyse. Den Effekt sehen Sie auch von aussen, wenn sich eine welke Pflanze nach dem Giessen wieder aufrichtet. KST HAT 18 Zellbiologie Fragen 1. Was bedeutet Turgor? 2. Weshalb ist der Turgor für Pflanzenzellen wichtig? 3. Erläutere den Begriff Plasmolyse in eigenen Worten. 4. Erkläre, was die Deplasmolyse ist und wie sie abläuft. Posten 5 Führen Sie selber eine Plasmolyse und eine Deplasmolyse herbei. Sie halten an diesem Posten ihre Beobachtungen fest und verwenden Ihr Dokument später für Ihr Portfolio. Beobachten a) Beim Mikroskop finden Sie ein Präparat einer roten Zwiebel. Betrachten Sie es unter dem Mikroskop und notieren Sie sich präzise Ihre Beobachtungen. Verwenden Sie bei allen Beobachtungen die entsprechenden Fachbegriffe. KST HAT 19 Zellbiologie b) Entfernen Sie das Präparat aus dem Objektführer, heben Sie das Deckglas an und geben Sie einen Tropfen Glycerinlösung neben das Zwiebelhäutchen. Legen Sie das Deckglas zurück und suchen Sie unter dem Mikroskop nach Zellen, welche eine Veränderung erfahren haben. Notieren Sie wiederum präzise Ihre Beobachtungen. c) Entfernen Sie nochmals das Präparat aus dem Objektführer und geben Sie einige Tropfen Wasser dazu. Saugen Sie mit der Pipette die Wasser-Glycerin-Lösung ab. Wiederholen Sie die Wasserzugabe und das Absaugen der Flüssigkeit nochmals zweimal. d) Schauen Sie sich das Präparat wiederum unter dem Mikroskop an und notieren Sie sich Ihre Beobachtungen. Hausaufgaben-Versuch ‚Welche Stoffe sind osmotisch aktiv?‘ Dieses Experiment bearbeiten Sie selbständig als Hausaufgabe, erstellen ein detailliertes Beobachtungsprotokoll und fügen dieses Ihrem Portfolio bei. Beobachten Material Zwei Kartoffeln, Rüstmesser, Löffel, Schneidebrettchen, Haushaltszucker, Kochsalz, Stärke (Maizena oder Weissmehl). Erläuterungen Gewisse Stoffe führen zu osmotischen Prozessen, sind also sogenannt osmotisch aktiv. Andere Stoffe hingegen sind osmotisch nicht aktiv. Das heisst, sie können keine osmotischen Prozesse auslösen. In diesem Versuch geht es darum zu bestimmen welche Stoffe osmotisch aktiv sind und welche nicht. Durchführung o Halbieren Sie die zwei Kartoffeln und machen Sie mit einem Löffel in jede der vier Schnittebenen eine kleines Loch rein. o Geben Sie in drei Löcher entweder einen Esslöffel Kochsalz oder einen Esslöffel Haushaltszucker oder einen Esslöffel Stärke. Das vierte Loch füllen Sie nicht. Diese Kartoffelhälfte dient als Kontrolle/Vergleich. Notieren Sie Ihre Beobachtungen. o Lassen Sie die Kartoffelhälften eine halbe Stunde stehen und halten Sie dann Ihre Beobachtungen fest. Überlegen Sie sich anschliessend, welche Stoffe osmotisch aktiv sind? Halten Sie auch die Antwort auf diese Frage fest. o Vergesse nicht das Resultat zu interpetieren. KST HAT 20 Zellbiologie 3.2.5 Stoffaustausch der Zelle Zellen nehmen Stoffe auf. Um beispielsweise Zellatmung betreiben zu können, müssen Zellen Sauerstoff und Traubenzucker (Glukose) aus ihrer Umgebung aufnehmen. Andererseits geben Zellen auch Stoffe ab. Zwei Beispiel dazu: Als Abfallprodukt der Zellatmung fällt Kohlendioxid an, welches abgeführt werden muss. Fotosynthesebetreibende Pflanzenzellen stellen aus der produzierten Glukose Kristallzucker (Saccharose, auch bekannt unter dem Namen Haushaltszucker). Wenn Kristallzucker bspw. in den Wurzeln oder Früchten der Pflanze benötigt wird, wird er aus der Zelle heraustransportiert und an den entsprechenden Zielort gebracht. Die Aufnahme von Stoffen in die Zelle und die Abgabe von Teilchen aus der Zelle werden als Stoffaustausch bezeichnet. Beim Stoffaustausch werden zwei grundsätzliche Wege unterschieden: o Kleine und grosse Teilchen (= Moleküle und Ionen) gelangen direkt durch die Membran → Möglichkeit A. o Nahrungsteilchen und sehr grosse Teilchen können die Membran nicht durchqueren. Sie werden durch spezielle Transportvorgänge transportiert, sogenannte Endocytose und Exocytose → Möglichkeit B. Möglichkeit A: Stofftransport durch die Membran Wie oben erwähnt gelangen kleine und grosse Teilchen direkt durch die Membran. Entweder erfolgt der Transport durch die Lipidschicht, durch Eiweisstunnel oder durch Carrier: Durch die Lipidschicht: Ganz kleine Moleküle wie z. B. Wasser- oder Sauerstoffmoleküle durchqueren die Lipid-Doppelschicht, indem sie zwischen den Lipid-Molekülen durchschlüpfen. Der Transport erfolgt durch „ganz normale“ Diffusion (sogenannte einfache Diffusion). Durch Proteinkanäle: Ionen und grössere hydrophile (wasserliebende) Moleküle können aufgrund der Beschaffenheit der Biomembran nicht hindurchgelangen. Sie passieren die Membran durch Proteinkanäle (= Eiweisskanäle) mit wasserliebenden Wänden. Dies geschieht ebenfalls durch Diffusion (sogenannte kanalvermittelte Diffusion) Durch Carrier: Grosse und kleine Teilchen können von spezifischen Transporteiweissen (= Transportproteinen), so genannten Carrier, durch die Membran bewegt werden. Ist für diesen Transportvorgang Energie notwendig, dann spricht man von aktivem Transport, wird keine Energie aufgewendet, von passivem Transport. Passiver Carriertransport erfolgt auch durch Diffusion und wird deshalb als carriervermittelte Diffusion bezeichnet. KST HAT 21 Zellbiologie Aktiver und passiver Transport Der passive Transport benötigt also keine Energie. Er erfolgt durch Diffusion und folgt damit dem Konzentrationsgefälle. Wie eine Kugel auf einer Strasse mit dem Gefälle ohne Energieaufwand rollt, wandern die Teilchen passiv immer in den Bereich, in der ihre Konzentration tiefer ist. Die Abbildung oben zeigt, welche Transportvorgänge zum passiven Transport gezählt werden. Beim aktiven Transport werden die Teilchen gegen ihr Konzentrationsgefälle transportiert, also dorthin, wo ihre Konzentration bereits grösser ist. Damit dies gelingt ist Energie erforderlich. Aktiver Transport erfolgt durch bestimmte Carrier. Aufgaben 1. Zählen Sie die zentralen Fakten betreffend passivem Transport auf. 2. Nennen Sie die zentralen Fakten zum aktiven Transport. KST HAT 22 Zellbiologie 3. Erläutern Sie den Unterschied zwischen ‚einfacher Diffusion‘ und ‚erleichterter Diffusion‘. 4. Bestimmte Carrier sind bei aktiven Transporten beteiligt, andere bei passiven. Erläutern Sie die Bedingungen, unter welchen ein aktiver resp. ein passiver Transport durch Carrier stattfindet. 5. Take-home-message Möglichkeit B: Stofftransport anhand Endocytose und Exocytose Nahrungsteilchen und sehr grosse Teilchen können die Membran nicht durchqueren. Sie werden durch Endocytose in die Zelle aufgenommen und durch Exocytose aus der Zelle abgegeben. KST HAT 23 Zellbiologie Aufgaben 1. Beschreiben Sie mit Hilfe der Abbildung den Ablauf der Transportvorgänge! 2. Wie entsteht eine Nahrungsvakuole? 3. Lysosomen: a) Was beinhalten die Lysosomen? b) Die Enzyme in den Lysosomen, welche die Nahrungsteilchen spalten, stammen von einem Dictyosom. Wo aber wurden diese Enzyme produziert? Oder anders formuliert: Von woher kamen sie zum Dictyosom? 4. Wird eine Zelle kleiner, wenn sie dauernd Stoffe durch Endocytose aufnimmt? Begründen Sie Ihre Antwort. KST HAT 24 Zellbiologie 5. Ergänzen Sie die Lücken in der untenstehenden Zusammenfassung! Zusammenfassung: Zellen ohne Zellwand können Nahrung mit körperfremden Stoffen durch -1- in eine -2aufnehmen. Die Makromoleküle werden in der Vakuole durch -3- aus -4- verdaut und die Bausteine werden ins -5- aufgenommen. -6- Reste werden durch -7- ausgeschieden. 1: 2: 3: 4: 5: 6: 7: KST HAT 25 Zellbiologie 3.3 Der Zellkern bewahrt das Erbgut auf und steuert die Zelle Der meist kugel- oder linsenförmige Zellkern hat in der Regel einen Durchmesser von 5-25 µm und ist im Lichtmikroskop gut sichtbar. Die Details seiner Struktur sind allerdings nur im EM zu erkennen. Das Kernplasma ist durch eine Hülle aus zwei Membranen abgegrenzt. Die Kernhülle ist mit dem ER verbunden. Sie besitzt Poren, die einen kontrollierten Stoffaustausch zwischen Kern und Cytoplasma ermöglichen. Das Kernplasma enthält feine Fäden, die wegen ihrer Färbbarkeit als Chromatinfäden (chroma, gr.: Farbe) bezeichnet werden. Die Chromatinfäden bestehen aus DNA und Eiweissen. Weil die einzelnen Fäden sehr fein und mehr oder weniger stark spiralisiert sind, sieht man im EM nur das ungleichmässig dichte Chromatin. Wenn sich eine Zelle teilt, muss sich zuerst der Kern teilen. Dazu werden die Chromatinfäden in eine besser transportierbare Form gebracht. Sie verkürzen und verdicken sich durch mehrfache Spiralisierung zu gut sichtbaren Würstchen, die Chromosomen genannt werden. Die Zahl der Chromosomen ist in allen Körperzellen aller Lebewesen derselben Art gleich gross. So besitzen Menschen 46, Karpfen 106, Hunde 78, Honigbienen 16, Kartoffeln 48 Chromosomen. Neben dem Chromatin enthalten die Zellkerne mindestens ein kleines Körperchen, das auch im LM sichtbar ist: das Kernkörperchen. Es bildet Bauteile für die Ribosomen. Kerne pflanzlicher Zellen besitzen meist mehrere Kernkörperchen. Obwohl auch die Plastiden und die Mitochondrien kleine Mengen von DNA enthalten, ist der Kern doch der Hauptträger des Erbgutes. Er erfüllt folgende Aufgaben: o Er bewahrt das Erbgut auf o Er steuert mit dem Erbgut die Entwicklung und die Aktivitäten der Zelle o Er verdoppelt das Erbgut, bevor sich die Zelle teilt. KST HAT 26 Zellbiologie Bau eines Chromosoms Die Chromosomen einer menschlichen Zelle Wie Sie wissen, liegen die Chromatinfäden einer Zelle zeitweise aufspiralisiert, d.h. als Chromosomen vor. Das Karyogramm (karyon, gr.: Kern) ist die Anordnung aller Chromosomen einer Zelle nach Grösse, Form und Färbungsmuster (Bandenmuster). Daraus ist ersichtlich, dass bei menschlichen Zellen 46 Chromsomen vorhanden sind. 23 Chromosomen stammen von der Mutter, 23 Chromosomen vom Vater. Merken Sie sich folgendes unbedingt: Jede Körperzelle enthält das gesamte Erbgut! Wie ist aber erklärbar, dass nicht alle Zellen gleich aussehen und unterschiedliche Funktion ausüben? Die Antwort ist folgende: Bei den verschiedenen Zelltypen (bspw. Nervenzellen, Muskelzellen etc.) sind unterschiedliche Abschnitte der Chromatinfasern ablesbar resp. inaktiviert und damit nicht ablesbar. KST HAT 27 Zellbiologie 3.4 Die Chloroplasten betreiben Fotosynthese Chloroplasten kommen in allen grünen Pflanzenteilen vor, vor allem in den Laubblättern und in krautigen Stängeln. Sie enthalten den grünen Farbstoff Chlorophyll, der das Grün von Pflanzen, Wiesen, Wäldern und grünen Kaugummis verursacht und damit die Farbe unserer Landschaft weitgehend bestimmt. Die Aufgabe der Chloroplasten ist die Fotosynthese. Sie bauen mit Lichtenergie aus Kohlendioxid und Wasser Traubenzucker und Sauerstoff auf. Die Fotosynthese kann anhand folgender Gleichung beschrieben werden: Da das Fotosyntheseprodukt Traubenzucker wesentlich energiereicher ist als die Edukte Kohlendioxid und Wasser, benötigt seine Herstellung viel Energie. Die grünen Pflanzen können mit Hilfe des Chlorophylls Lichtenergie nutzen. Man sagt darum, im Traubenzucker sei Sonnenenergie gespeichert. 3.5 Die Mitochondrien betreiben Zellatmung Die Mitochondrien sind mit einer Länge von etwa 0.5-2 µm kleiner als die Chloroplasten und im LM bei 1000facher Vergrösserung gerade noch zu erkennen. Sie kommen in allen Tier- und Pflanzenzellen in grosser Zahl vor. Besonders zahlreich sind sie in Zellen mit hohem Energieumsatz (z. B. in Muskelzellen). Hier kann ihr Anteil bis 20 % der Zellmasse ausmachen. Alle Lebewesen brauchen Energie, um sich zu bewegen, um Stoffe zu transportieren und um eigene organische Stoffe also ihren Körper aufzubauen. Diese Energie kann auf verschiedene Arten gewonnen werden. Eine Möglichkeit besteht in der Zellatmung. Bei der Zellatmung bauen die Zellen energiereiche Stoffe, wie zum Beispiel den Traubenzucker (Glukose) ab. Der Traubenzucker stammt entweder aus der eigenen Produktion, von Fotosynthese (autotrophe Lebewesen) oder aus der Nahrung (heterotrophe Lebewesen). Für den Abbau wird Sauerstoff benötigt. Die Zellatmung kann anhand folgender Gleichung beschrieben werden: KST HAT 28 Zellbiologie Die Zellatmung ist eine Kette von vielen aufeinanderfolgenden biochemischen Reaktionen. Die Biologen gliedern diese Vielzahl der Reaktionsschritte in drei Teilbereiche. Der erste Teilbereich läuft im Cytoplasma ab. Die beiden anderen Teilbereiche laufen hingegen im Mitochondrium ab. Das zentrale Problem bei der Nutzung der frei werdenden Energie ist die Übertragung auf die energieverbrauchenden Vorgänge. Die Energie des Traubenzuckers soll ja nicht primär als Wärme frei werden, denn die Zelle braucht Energie für Bewegungen, Transporte und chemische Reaktionen. Zur Übertragung der Energie ist die Veratmung des Traubenzuckers in der Zellatmung gekoppelt mit dem Aufbau einer anderen energiereichen Verbindung. Diese Verbindung heisst Adenosintriphosphat oder kurz ATP. ATP ist der universell einsetzbare Energieträger der Zelle. Das Einzige, was Sie im Moment über den Bau dieses Moleküls wissen müssen, ist aus seinem Namen ersichtlich: Das ATP-Molekül ist zusammengesetzt aus einem Adenosin-Molekül und drei (tri, lat.: drei) Phosphaten. Diese werden in der Biologie mit dem Symbol P abkürzt: ATP = Adenosin- P-P-P. Adenosin P P P Das Adenosintriphosphat wird in den Mitochondrien aus Adenosindiphosphat (ADP) hergestellt, indem eine dritte Phosphatgruppe an das ADP-Molekül gebunden wird. Dazu wird die Energie verwendet, die beim Abbau des Traubenzuckers frei wird. Die Energie, die im ATP gespeichert ist, kann durch die Spaltung in ADP+ Phosphat wieder freigesetzt und für energieverbrauchende Vorgänge genutzt werden. Die folgende Abbildung stellt die wichtigsten Zusammenhänge dar. KST HAT 29 Zellbiologie 3.6 Die Evolution der eukaryontischen Zelle Aufgaben 1. Die Abbildung der nächsten Seite stellt die Evolution der eukaryontischen Zelle dar. Studiere die Abbildung. Notieren Sie allfällige Fragen, falls etwas unklar sein sollte. 2. Erklären Sie, wieso Mitochondrien und Chloroplasten einerseits von zwei Membranen umgeben sind und andererseits auch DNA enthalten. KST HAT 30 Zellbiologie KST HAT 31 Zellbiologie 3.7 Vom Gen zum Protein Nahrung enthält Eiweisse oder fachsprachlich ausgedrückt Proteine. Proteinreiche Nahrungsmittel sind Fleisch, Fisch, Eier, Käse, Nüsse und Hülsenfrüchte, wie bspw. Soja. Proteine sind lange Ketten von Einzelbausteinen, sogenannten Aminosäuren. Während der Verdauung werden die Proteine von Enzymen in die einzelnen Aminosäuren zerlegt und anschliessend ins Blut aufgenommen. Schliesslich gelangen die Aminosäuren in die Zellen. Doch wie und nach welchem Bauplan werden die einzelnen Aminosäuren wiederum zu zelleigenen Proteinen zusammengebaut? Wie funktioniert also die Proteinsynthese? Die Proteinsynthese im Überblick Die Proteinsynthese geschieht in der Zelle an den Ribosomen. Die DNA mit der dazu erforderlichen Bauanleitung befindet sich aber im Zellkern und soll diesen auch nicht verlassen. Im Plasma würde sie durch Enzyme zerlegt. Um in nützlicher Frist ausreichende Mengen eines Proteins zu produzieren, muss seine Synthese an vielen Ribosomen gleichzeitig erfolgen. Die Information des zuständigen Gens wird darum gleichzeitig an vielen Ribosomen gebraucht. Aus diesen zwei Gründen werden von der DNA Abschriften (sogenannte Transkripte) erstellt und zu den Ribosomen geschickt. Die Abschrift wird nach ihrer Funktion Boten-RNA oder Messenger-RNA (mRNA) genannt wird. Weil sich die RNA im Bau von der DNA unterscheidet, muss die Information von der Schrift der DNA in die Schrift der RNA umgeschrieben werden. Man nennt das Transkription (trans, lat.: hinüber; scribere, lat.: schreiben). Ein mRNA-Molekül enthält das Rezept für den Aufbau eines Proteins. Es dient an den Ribosomen als Vorlage zur Synthese eines Proteins aus den Aminosäuren. Ein Protein wird durch das Verknüpfen von Aminosäuremolekülen zu einer langen, unverzweigten Aminosäurekette gebildet. Die mRNA liefert als Vorlage die Information für die Reihenfolge der verschiedenen Aminosäuren. Der Vorgang heisst Translation (Übersetzung): Die Information wird aus der Sprache der mRNA in die Sprache der Proteine übersetzt. Proteine können je nach Bauweise ganz unterschiedliche Funktionen haben. Sie wissen bereits, dass in der Zellmembran Proteine enthalten sind, bspw. Kanalproteine. Ein weiteres Beispiel von Proteinen sind Enzyme, welche im Körper ablaufende chemische Reaktion beschleunigen, bspw. Proteine im Darm in ihre Einzelteile, die Aminosäuren, zerlegen. KST HAT 32 Zellbiologie B A Prozesse Strukturen A B 1. Beschriften Sie die obenstehende Abbildung. 2. Weshalb wird zuerst eine Abschrift erstellt (mRNA) und nicht direkt die Information der DNA an den Ribosomen in eine Aminosäurekette umgesetzt? 3. An welchen Orten findet die Translation (die Übersetzung) statt? 4. Angenommen die mRNA enthält die Information für ein Protein, welches später in die Zellmembran eingesetzt wird. Wie unterscheiden sich die Aminosäuren, welche die Oberfläche der unten abgebildeten Proteine bilden? 5. Take-home-messeage KST HAT 33 Zellbiologie 3.8 Abschliessender Überblick über die Zellorganellen: Das Fabrikmodell Aufgabe 1. Starten Sie auf dem Computer die Webpage www.thecell.ch. Auf dieser Homepage finden Sie Filme, Texte und Übungen zum Bau der Zelle. Besonders sind vor allem die Animationen. Vorsicht: Es gibt verschiedene Niveaustufen. Lösen Sie genau die von mir gestellten Aufgaben, sonst laufen Sie Gefahr, dass es zu schwierig wird... 2. Schauen Sie sich zuerst den Überblicksfilm (Einführung → Übersicht) an. Das sollten Sie eigentlich alles kennen. 3. Oft wird die Zelle mit einer Fabrik verglichen. Zu diesem Vergleich gibt es zwei Filme (Einführung → Die Zellfabrik sowie Zellmodell). 4. Füllen Sie auf der Rückseite die Tabelle aus. 5. Wählen Sie nun den Link Pflanzenzelle Niveau 1. Da können Sie durch die Zelle reisen und alle Organellen betrachten. Dazu können Sie dieses Organell anklicken und einen Text lesen. 6. Wählen Sie den Link Test (oben auf der Seite). Dort das Untermenu ‚Organellen: Kennst du die wichtigsten Organellen und ihre Funktion?‘. Machen Sie den Test. ... Es gibt noch andere gute Sachen auf dieser Seite. Schauen Sie sich ruhig etwas um. KST HAT 34 KST HAT 35 S Mitochondrium Golgi-Apparat ER Lysosom Zellkern Ribosom Cytoskelett Zellorganell Fabrikvergleich Aufgabe Zellbiologie
