Autoren: Alena Uyar, Julia Gardjan Datum: 12.11.2021 Protokoll zum Versuch: Bestimmung des osmotischen Potentials der Alium cepa und Tradescatia spatcea mittels der Grenzplasmolyse 1. Einleitung Der im Folgendem dargestellte Versuch, veranschaulicht das osmotische Potenzial von Alium cepa und Tradescantia spathacea anhand der Plasmolyse. Dies lässt sich auf Grundlage des Wissens über Plasmolyse, selektive permeable Membran, osmotischer Aktivität und Aufbau einer Pflanzenzelle erklären. Pflanzenzellen besitzen eine selektiv permeable Plasmamembran. Diese ist nur für bestimmte Moleküle, wie z.B. Wasser, ohne zusätzliche Proteine, durchlässig. Es handelt sich hierbei, um eine freie Diffusion. Einige Moleküle, wie z.B. Salze, Zucker und hochmolekulare Verbindungen können nicht durch die semipermeable Membran, im Rahmen der freien Diffusion, hindurchdiffundieren. Diese Moleküle benötigen spezielle Membranproteine, mit denen können die Moleküle entweder über einen aktiven Transport oder über einen passiven Transport in die Zelle gelangen. Diffundieren die Moleküle eines Lösungsmittels jedoch frei über eine semipermeable Membran, handelt es sich um Osmose. Osmose sorgt für den Konzentrationsausgleich. Hierbei spielt die Umgebung/ das Medium einer Zelle eine entscheidende Rolle. Liegt die Pflanzenzelle in einer hypertonischen Lösung, so ist die Konzentration an gelösten Teilchen außerhalb der Zelle höher. Es liegen unterschiedliche Konzentrationen vor. Der osmotische Druck sorgt dafür, dass die Zelle an Wasser (Zellsaft aus der Vakuole) verliert. Die Folge ist, dass der Zellkörper schrumpft und die Zellmembran sich von der Zellwand löst. Diesen Vorgang bezeichnet man als Plasmolyse. Man kann zwischen mehrere Stadien von Plasmolyse unterscheiden. Zum einem gibt es die sogenannte Konvexplasmolyse, dies bedeutete, dass eine geringe Wandhaftung des Plasmas besteht, wodurch es zu einer rundlichen Ablösung der Zellmembran von der Zellwand kommen kann. Und zum anderen gibt es die Konkavplasmolyse. Hierbei löst sich die Zellmembran nur stellenweise von der Zellwand ab. Es entstehen dünne Fäden von der Membran ausgehend, die noch an der Zellwand kleben. Diese Fäden werden als Hecht´sche Fäden bezeichnet. Liegt die Pflanzenzelle in einer hypotonischen Lösung, so ist die Konzentration innerhalb in der Zelle höher. Dieser osmotische Druck sorgt für die Wasseraufnahme in der Vakuole, bis sie den Protoplasten vollständig gegen die Zellwand drückt. Der Druck wird auch als Turgor bezeichnet. Er trägt zur 1 Festigung der Pflanze bei und übernimmt eine entscheidende Funktion beim Zellwachstum. Auch ist dieser verantwortlich für die Stehkraft im Pflanzenkörper. Dem Turgor wirkt der Wanddruck der Zellwand entgegen, wodurch die Vakuole nicht unbegrenzt Wasser aufnehmen kann. Dieser Vorgang entsteht nach der Wiederaufnahme von Wasser und wird als Deplasmolyse bezeichnet. Ist die Konzentration des Außenmediums gleich der Konzentration der Pflanzenzelle, so liegt die Zelle in einer isotonischen Lösung. Es liegt ein Konzentrationsausgleich vor und somit ist die Anzahl der Konzentration an osmotisch aktiven Teilchen gleich groß. Mithilfe des Verfahrens der Grenzplasmolyse, lässt sich das osmotische Potential des Zellsaftes einer Pflanze ermitteln. Dafür werden die Pflanzenpräparate in verschiede Zuckerlösungen gelegt und es wird darauf geachtet, ab welcher Konzentration die Zellen eines Gewebes zu 50% Plasmolysiert sind. So lassen sich die Werte der Grenzplasmolyse ermitteln. 2. Materialien und Methoden Material: Für Alium cepa: - jeweils 10 Blockschälchen mit jeweils 2mL Saccharose Lösung von 0,25M bis 0,7M (0,25; 0,30; 0,4; 0,5; 0,55; 0,6; 0,65; 0,7) Für Tradescantia spathacea: - jeweils 10 Blockschälchen mit jeweils 2 mL Saccharose Lösung von 0,05M bis 0,5M (0,05; 0,1; 0,15; 0,2; 0,25; 0,3; 0,35; 0,4; 0,45; 0,9) -Ein Lichtmikroskop, Abdeckgläschen für die Blockschälchen, Deckglas, Objektträger, Stücke der unteren Epidermis der Alium cepa und Tradescantia spathacea Methode (2.): - In die Blockschälchen jeweils 2 mL der angegeben 10 Konzentrationen füllen (für beide Pflanzen) - Für jede Saccharose Konzentration werden 3-4 oberflächenparallele Schnitte der unteren Blattepidermis entnommen und anschließend in die Konzentrationen gelegt - 20- 30 Minuten warten und zum Schutz vor Verdunstung mit einem Glasdeckel abdecken - Schließlich unter dem Mikroskop betrachten und Auszählung der plasmolysierten Zellen - Zusammenfassung der zehn ermittelten Werte aus den Tischgruppen in einer Tabelle - Grafik anfertigen (X-Achse: Saccharose Konzentration; Y- Achse: Plasmolysierte Zellen) -Berechnung des Osmotischen Werts 2 3. Ergebnisse: Vergleicht man beide Pflanzen miteinander, so lässt sich sofort erkennen, dass Tradescantia spathacea schon bei geringen Saccharose Konzentration Anzeichen von Plasmolyse deutlich werden, während bei der Zwiebelzelle (Allium cepa) erst bei einer höheren Saccharose Konzentration erste plasmolysierte Zellen zu erkenne sind. Ab einem Wert von 0,25 mol/l beginnt die Plasmolyse bei Allium Cepa, während sie bei Tradescantia spathacea bereits ab einem Wert von 0,05 mol/l beginnt. Je höher die Saccharose Konzentration ist, desto mehr Zellen werden plasmolysiert. Um die Genauigkeit des Versuchs zu erhöhen, haben mehrere Tischgruppen die Grenzplasmolyse bestimmt. Bei der Zwiebelzelle Allium cepa liegen die Werte der Tischgruppen zwischen 0,3mol/l und 0,44mol/l. Bestimmt man den Mittelwert, so ergibt sich daraus die Konzentration von 0,38 M, bei der, die Hälfte der Zellen Anzeichen von Plasmolyse zeigen (Abb.1). Mithilfe dieser Daten lässt sich der Osmotische Wert berechnen. Wir gehen von einer Zimmertemperatur (T) von 24°C und einer 0,38 M (mol/l) Saccharose-Lösung (c) aus: Beispielrechnung: Legende: 𝜋= osmotischer Druck (Einheit Pascal) c= gelöste Stoffmengenkonzentration R= universelle Gaskonstante (8,314) T= Temperatur (in Kalvin: 273+ 24°C) van’t Hoffsches Gesetz: 𝜋= c * R * T 𝜋= 0,38 mol/l * 8,314 J/ kmol*K * 297 K 𝜋= 938,31804 J/m^3 𝜋= 938,31804 Pa 𝜋= 0.93 MPa = 9.3 Bar 3 Tabelle 1: Plasmolysegrad (%) in Abhängigkeit der Saccharose Konzentration: Saccharose Konzentration in M Anzahl der Zellen mit Anzahl der Zellen Plasmolyse (%) Plasmolyse (%) Allium cepa Tradescantia spathacea 0,05 / 0 0,1 / 4 0,15 / 4 0,2 / 12 0,25 4 62 0,3 8 86 0,35 22 50 0,4 72 80 0,45 78 74 0,5 66 100 0,55 48 / 0,6 96 / 0,65 100 / 0,7 100 / mit Mithilfe der graphischen Auswertung ergibt sich für die Tracescantia spathacea ein Mittelwert von 0,21 M, bei welcher 50% der Zellen Plasmolyse zeigen. Tradescantia spathacea & Allium cepa Anzahl der Zellen mit Plasmolyse(%) Plasmolysegrad (%) in Abhängigkeit zur SaccaroseKonzentration 100 80 60 40 20 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 Saccharose-Konzentration Allium Cepa Tradescantia Spathaea (Abb.1) Legende: x-Achse: Saccharose Konzentration, y-Achse: Plasmolysierte Zelle in % 4 Tabelle 2: Ermittlung des mittleren osmotischen Wertes (MPa) der Blattepidermis von Tradescantia spathacea: Tischgruppe Konzentration der Osmotischer Wert Osmotischer Wert Saccharoselösung (M) (MPa) (bar) bei der 50% aller Zellen Plasmolyse zeigen 1. 0,28 0,7 7 2. 0,18 0,57 5,7 3. 0,23 0,57 5,7 4. 0,17 0,42 4,2 Mittelwert: 0,21 0,54 5,4 Tabelle 3: Ermittlung des mittleren osmotischen Wertes (MPa) der Zwiebelepidermis von Allium cepa: Tischgruppe Konzentration der Osmotischer Wert Osmotischer Wert Saccharoselösung (M) (MPa) (bar) bei der 50% aller Zellen Plasmolyse zeigen 1. 0,44 1,1 11 2. 0,4 0,987 9,87 3. 0,36 0,42 4,2 4. 0,3 0,74 7,4 Mittelwert: 0,38 0,938 9,38 4. Diskussion: Die Ergebnisse von Tradescantia spathacea (5,1 bar) und Allium cepa (9,3 bar) zeigen deutlich, dass die Pflanzen nicht gleich viel Zellen aufzeigen, die plasmolysiert sind. Allium cepa zeigt erst bei einer höheren Konzentration von Saccharose Anzeichen von Plasmolyse. Zusätzlich ist der Osmotische Wert bei Allium cepa fast doppelt so hoch, wie bei Tradescantia spathacea. Der osmotische Wert ist abhängig von der Teilchenanzahl der gelösten Stoffe in einer Zelle. Ist die Konzentration der gelösten Substanzen hoch (Anzahl der vorhandenen Teilchen), so strömt auch mehr Wasser durch Osmose von außen in die Zelle. Ein osmotischer Druck entsteht und das Wasser gleicht 5 den Druck aus (osmotisches Gleichgewicht). Dieser Prozess ist passiv, erfolgt also ohne Energiezufuhr. Allium cepa ist eine Küchenzwiebel, die untersuchten Zellen stammen aus der Haut der Zwiebel, welche normalerweise in der Erde liegt und als Speicherorgan dient. Dies hat zur Folge, dass sie im Gegensatz zur Tradescantia spathacea mehr osmotisch aktive Teilchen speichert. Aus diesem Grund ist der osmotische Druck innerhalb der Zelle höher. Vermehrt fließt das Wasser in die Zelle ein, um ein Konzentrationsausgleich zu schaffen. Dadurch ist die Treibkraft der Osmose viel stärker. Die Untersuchten Zellen von Tradescantia spathacea sind somit nicht gleichzustellen mit der Zwiebelzelle, da sie als Speicherorgan dient. Die Anzahl der salzhaltigen Teilchen ist viel geringer. Dies erklärt auch, warum bei Allium cepa der Osmotische Wert fast doppelt so hoch ist, wie Tradescantia spathacea. 6 5. Literaturverzeichnis: (1) Praktikumsskript: Struktur und Funktion der Organismen, Praktikum WS 2021/22; Fachbereich Biowissenschaft, Gothe- Universität Frankfurt (2) StruFu Vorlesungen 4. WS 2021/22, Thema: Begrenzung und Kompartimierung von Zellen durch Zellmembranen (3) StruFu Tutorium am Freitag, 05.11.2021 7
