Workshop

Die
Mikrowelt
der Zelle
1 Kennzeichen der Lebewesen
2 Zellen sind mikroskopisch klein
2.1 Das Mikroskop macht das Innenleben der Zellen sichtbar
3 Organellen als „Organe“ der Zelle
3.1 Der Zellkern ist die Steuerzentrale
der Zelle
3.2 Zellmembranen – aktive Grenzschichten
3.3 Mitochondrien sind die „Kraftwerke“
der Zelle
3.4 Ribosomen dienen dem Aufbau
körpereigener Proteine
3.5 Endoplasmatisches Reticulum (ER) –
wichtiges „Kanalsystem“
3.6 Der Golgi-Apparat – Ausscheidungsund Transportsystem
3.7 Peroxisonen
4 Pflanzenzellen sehen anders aus
4.1 Plastiden – eine Besonderheit der
Pflanzenzellen
4.2 Vakuolen sind Zellsafträume
4.3 Die Zellwand umgibt die Pflanzenzelle
5 Prokaryoten und Eukaryoten
6 Die formenreiche Welt der Einzeller
6.1 Sind Augentierchen tier- oder
pflanzenähnlich?
6.2 Protozoen – tierähnliche Einzeller
mit vielfältigen Lebensweisen
6.3 Peroxisomen
7 Vom Einzeller zum Vielzeller
7.1 Algenkolonien – vom pflanzlichen
Einzeller zum Vielzeller
7.2 Einfache Vielzeller im Tierreich
Chemische Evolution
Entwicklung einfachster
organischer Moleküle zu
Makromolekülen aus Komponenten der Uratmosphäre
und der Urmeere der Erde
Stanley Miller
(1930 – 2007) = amerik.
Biologe und Chemiker, führte
1953 die ersten Experimente
mit "Ursuppen" durch
Schwarze Raucher
heiße vulkanische Quellen
in der Tiefsee mit hohem
Gehalt an Sulfiden und
Schwermetallen
Die ältesten bekannten Lebensspuren auf unserer Erde
sind 3,8 Milliarden Jahre alt. Es ist daher anzunehmen,
dass sich nach der Entstehung der Erdkruste vor etwa
4,5 Milliarden Jahren Vorgänge abgespielt haben, die
zur Bildung einfachster lebender Strukturen aus leblosen Stoffen führten. Als gängige Hypothese gilt heute,
dass im Zuge einer chemischen Evolution die ersten
organischen Moleküle entstanden sind.
Unter den damals herrschenden Bedingungen (u. a.
extrem hohe UV-Strahlung, Hitze und elektrischenEntladungen) sollen sich im Ozean aus anorganischen Verbindungen wie Kohlenstoffdioxid, Methan
und Ammoniak die ersten organischen Moleküle
(z. B. Aminosäuren) gebildet haben. Im Rahmen der
Miller’schen Versuche, in denen diese Bedingungen
nachgebildet wurden, konnten alle wesentlichen
Bausteine der Lebewesen erzeugt werden.
Als Entstehungsort werden meist flache, warme Meeresbuchten vermutet. Die Bildung erster Zellbausteine könnte auch an den so genannten Schwarzen
Rauchern – verbreitete vulkanische Quellen in der
Tiefsee – stattgefunden haben.
Abb. 27: Protobionten
1 Kennzeichen der Lebewesen
r
Stoffwechsel: Stoffe werden aus der Umgebung aufgenommen und mit Hilfe von Enzymen um-, auf- und
wieder abgebaut und ausgeschieden. Zellen sind offene Systeme, weil sie mit ihrer Umgebung Stoffe und
Energie austauschen. Ein Strom von Stoffen fließt durch
den Körper (Fließgleichgewicht). Der Stoffwechsel ist so
geregelt, dass die Zelle innerhalb bestimmter Grenzen
eine konstante Zusammensetzung hat. Diese Aufrechterhaltung des Gleichgewichts nennt man Homöostase.
r
Energieumsatz: Energie wird aufgenommen, umgewandelt und wieder abgegeben. Durch den Abbau energiereicher Stoffe wird Energie freigesetzt, die für die
Organismen nutzbar ist. Ein Teil dient als chemische Energie den Stoffwechselreaktionen, ein anderer Teil wird
als Wärme frei.
r
Wachstum und Entwicklung: Wachstum bedeutet die
Vermehrung der Körpermasse durch den Aufbau körpereigener Stoffe. Im Zuge der evolutionären Anpassung werden neue Formen und Eigenschaften ausgebildet. Diese Prozesse sind nicht umkehrbar!
r
Reizbarkeit: Organismen reagieren in bestimmter Weise auf Reize ihrer Umwelt. Sie antworten auf Einflüsse
von außen und können sich dadurch auf veränderte
Umweltbedingungen einstellen (Selbstregulation).
r
Systemcharakter: Zellen sind belebte Systeme, d. h. die
einzelnen Teile einer Zelle sind isoliert nicht lebensfähig.
Erst ihr Zusammenwirken ermöglicht Eigenschaften,
die wir als Kennzeichen des Lebendigen bezeichnen
können. Alle diese Eigenschaften des Lebens ergeben
sich bei Organismen aus dem hochgradig geordneten
System der Lebewesen.
Protobionten
(griech. protos = erster;
griech. bios = Leben) =
die mit der Fähigkeit zur
Selbstvermehrung
System
Einheit aus mehreren
Elementen, die miteinander
in Beziehung stehen; das
System kann belebt oder
unbelebt sein;
Abb. 29: Alle Lebewesen verbinden die Kennzeichen des
Lebens
Folgende Kennzeichen charakterisieren das Phänomen Leben:
r
r
Biologische Evolution
Entwicklung der Lebewesen
von den Protobionten über
die Prokaryoten zu den
Eukaryoten
30
Als erste Vorstufen der Zellen gelten einfache, hohle
„Membrankugeln“ – die Protobionten. Sie bestanden
vermutlich aus einer Nucleotidmembran, abiotisch
gebildeten Proteinen und Nucleinsäuren sowie einem einfachen Apparat zur Energiegewinnung und
zur Informationsübertragung. Die Voraussetzung für
die Bildung der ersten „echten“ Zellen schufen jedoch die Proteinbiosynthese (f S. 41) und die Mechanismen der Vererbung. Deren Entstehung ist derzeit noch ungeklärt, jedoch waren sie wesentlich für
den Beginn der biologischen Evolution.
Aktive Bewegung: Plasmabewegung, Geißelbewegung und Flimmerbewegung sind beispielsweise typisch für Einzeller (f S. 48), Muskelbewegung für Wirbellose und Wirbeltiere, Turgor- und Wachstumsbewegung für Pflanzen.
Fortpflanzung: Leben geht immer aus anderem Leben
hervor – dieses Grundphänomen heißt Biogenese. Dabei werden die Erbanlagen weitergegeben, die bei allen
Lebewesen in der DNA gespeichert sind.
Abb. 28: Schwarze Raucher
2 Zellen sind mikroskopisch klein
Die Zelle ist die Grundeinheit aller Lebewesen.
Sie vereinigt alle Merkmale in sich, die wir als typisch für das Lebendige ansehen.
Zellen haben meist eine Größe von 0,001 bis
0,1 mm. Bakterien als kleinste Zellen sind weniger als 0,001 mm groß. Man misst sie in Mikrometer (μm).
1 μm = 0,001 mm
Ein effektiver Stoffaustausch begrenzt die Größe einer Zelle entscheidend. Für den Stoffaustausch durch die Membranen ist eine große
Oberfläche im Verhältnis zum Volumen wichtig.
Wenn eine Zelle zu groß wird, erfolgt der Stoffaustausch von der Außenmembran ins Zellinnere zu langsam. Dadurch kann die Zelle nicht
mehr ausreichend versorgt werden.
ÜBRIGENS
… sind weiße Blutkörperchen 7 bis 20 μm
und rote Blutkörperchen etwa 7,5 μm
klein. Beide sind unter dem Mikroskop
sichtbar.
… messen menschliche Eizellen 200 bis 250
μm, also etwa ¼ mm, und sind daher mit
freiem Auge sichtbar!
… werden pflanzliche Faserzellen bis zu 50
cm lang.
… erreichen Nervenzellen mit ihren Fortsätzen (Neuriten) eine Länge von bis zu 1 m.
… ist das Straußenei mit einem Längsdurchmesser von etwa 15 cm und einem Gewicht von an die 2 kg (= ca. 24 Hühner
eier) die größte tierische Zelle.
Abb. 30: Zellen im Größenvergleich
Die Zelle ist ein offenes System
I
MINWorkshop
Suche nach Strukturen in deinem Alltag, die man auch als „System“ bezeichnet, und notiere sie.
Lies erneut die Definition für „System“. Finde Argumente, die beweisen, dass die von dir gefundenen Strukturen tatsächlich offene oder geschlossene „Systeme“ sind.
Diskutiert in der Gruppe und notiert eure Ergebnisse.
31
2.1 Das Mikroskop macht das Innenleben der Zellen sichtbar
Auflösungsvermögen
kleinster Abstand zweier
Punkte, bei der diese noch
getrennt wahrgenommen
werden können
Mit Hilfe eines Mikroskops können die Strukturen der
Zellbestandteile stark vergrößert werden. Für die Leistungsfähigkeit eines Mikroskops ist die Vergrößerung,
aber auch das Auflösungsvermögen entscheidend. Ein
gutes Lichtmikroskop kann Zellen und größere Zellbestandteile sichtbar machen, die Feinstrukturen können
nur im Elektronenmikroskop deutlich aufgelöst werden.
Zellsaftraum
Zellwand
Zellplasma
Zellkern
Zellmembran
Abb. 31:
Pflanzenzelle (links) und tierische Zelle (rechts) im
Lichtmikroskop schematisch)
sichtbares Licht
Licht, das vom menschlichen
Auge wahrgenommen
werden kann; liegt in einem
Wellenbereich von 380 bis
750 nm
Nanometer (nm)
0,001 μm = 106 mm
Farbstoffträger
(Chloroplast)
Lichtmikroskop (LM)
Elektronenmikroskop (EM)
Das Untersuchungsmaterial wird von sichtbarem
Licht durchstrahlt.
Das Elektronenmikroskop arbeitet mit Elektronenstrahlen, deren Wellenlänge erheblich kleiner ist als
die des sichtbaren Lichtes.
Mehrere Systeme aus Glaslinsen erzeugen durch
Lichtbeugung ein vergrößertes Abbild. Der Kondensor bündelt das Licht der Strahlungsquelle.
Zur Ablenkung und Bündelung der Strahlen werden
elektrische oder magnetische Felder verwendet. Die
Darstellung des Bildes erfolgt auf Leuchtschirmen
oder auf fotografischen Platten.
Das Auflösungsvermögen ist durch die Wellenlänge
des sichtbaren Lichtes begrenzt und liegt bei etwa
200 nm.
Mit der Geschwindigkeit der Elektronen verkürzt sich
die Wellenlänge der Strahlen. Das Auflösungsvermögen eines EM ist mit etwa 0,1 nm begrenzt.
Moderne LM erreichen eine bis zu 1.000-fache Vergrößerung mit ausreichender Auflösung.
Mit dem Elektronenmikroskop erreicht man eine bis
zu 1.000.000-fache Vergrößerung.
Die Untersuchung von lebenden, präparierten und
gefärbten Objekten ist möglich.
Da im Inneren des EM ein Vakuum herrscht, können
nur speziell präparierte Objekte und keine lebenden
Zellen untersucht werden.
Elektronenquelle
(Glühkathode)
Okular
Stativ
elektronische Linse
(Kondensor)
Objektschacht + Objekt
Kondensor
(lat. condensare = bündeln)
= Linsensystem, welches
das Mikroskoplicht im
Strahlengang bündelt, um
das Präparat möglichst hell
auszuleuchten
Objektivrevolver
elektronische Linse
Objektiv
(Objektiv)
Vakuum
Objekt
Objekttisch
elektonische Linse
(Projektiv)
Blendenring
Kondensor
Scharfstellrad
Okular
(Glaslinsen)
Lichtquelle
Leuchtschirm, Sensor
Abb. 32: Lichtmikroskop (links) und Elektronenmikroskop (rechts)
32
QUIZ
Größenvergleich
1. Schätze die Größen der folgenden Organismen bzw. Zellen und ordne sie von der größten zur kleinsten.
Jede richtige Reihung bringt einen Punkt.
Euglena r Amöbe r Schmuckalge: Micrasterias r die größten Nervenzellen r weiße Blutkörperchen r
Pantoffeltierchen r typische Pflanzenzelle r Bakterien r menschliche Eizellen r Straußenei
2. Ergänze dann mit Hilfe deines Buches die realen Größenwerte in Form einer Tabelle.
Wie sehen die Zellen einer Küchenzwiebel aus?
Workshop
Material:
Küchenzwiebel, Pinzette, Skalpell (alternativ: Rasierklinge), Objektträger, Deckglas, Pipette oder Glasstab,
Methylenblau, Neutralrot, Filterpapier, Mikroskop, Anleitung zum Mikroskopieren unter
www.hpt.at/165051.
Aufgaben:
Vergleiche dein Mikroskop mit der Abb. 32 und mache dich
mit den einzelnen Teilen vertraut. Studiere die Anleitung zum
Mikroskopieren genau, bevor du in deiner Gruppe die weiteren
Aufgaben bearbeitest.
Anleitung zur Herstellung eines Präparates:
An der Innenseite einer Zwiebelschuppe schneidet man mit dem Skalpell ein kleines Fenster aus und löst
das zarte Häutchen mit der Pinzette ab.
r Mit einer Pipette oder einem Glasstab gibt man einen Tropfen Wasser auf den Objektträger und legt das
Zwiebelhäutchen hinein.
r Nun deckt man das Häutchen vorsichtig mit einem Deckglas ab, sodass keine Luftblase eingeschlossen
wird. Anschließend fixiert man den Objektträger auf dem Objekttisch des Mikroskops.
r
Stellt ein Präparat nach Anleitung her und beobachtet das Bild im Mikroskop. Wenn ihr ein scharfes
Bild eingestellt habt, erkennt ihr die regelmäßigen Zellen des Zwiebelhäutchens.
Setzt mit einer Pipette auf einer Seite des Deckglases einen kleinen Tropfen Neutralrot ab. Saugt
nun mit dem Filterpapier, das an der anderen Deckglasseite angedrückt wird, die Farbstofflösung
durch das Präparat auf. Notiert eure Beobachtungen.
Zeichne möglichst groß auf ein DIN-A4-Blatt, was du im mikroskopischen Bild sehen kannst.
Beschrifte die Zellbestandteile.
Das Plasma hebt sich deutlich von der starren Zellwand ab. Es beginnt, sich rot zu färben.
Stellt wie oben beschrieben ein neues Präparat her, färbt es in gleicher Weise mit Methylenblau
und beobachtet die Veränderung.
Kleine rundliche Gebilde in der Mitte der Zellen färben sich blau. Die Zellkerne werden sichtbar.
Zeichne möglichst groß auf ein DIN-A4-Blatt, was du im Mikroskop erkennen kannst. Beschrifte
die in deiner Zeichnung dargestellten Zellbestandteile (Beachte folgende Kriterien, die eine
naturwissenschaftliche Zeichnung kennzeichnen: Zeichne alles, was du bei genauer Betrachtung
siehst, mit deutlichen durchgängigen Strichen und so groß wie möglich)
Während Neutralrot vorwiegend das Plasma färbt, wirkt Methylenblau auf den Zellkern.
33
3 Organellen als "Organe" der Zelle
Organellen
„kleine Organe“ = abgegrenzte Bereiche in der Zelle,
die wie die Organe eines vielzelligen Körpers bestimmte
Funktionen erfüllen
Betrachten wir eine Zelle im Elektronenmikroskop
(f Abb. 32), erkennen wir eine Reihe von Strukturen.
Man nennt sie Organellen, weil sie wie die Organe eines
vielzelligen Körpers bestimmte Aufgaben erfüllen.
Nach außen ist die Zelle von einer Zellmembran umschlossen. Die meisten Organellen im Plasma sind ebenfalls von Membranen umgeben, die den gleichen Aufbau
wie die Zellmembran haben. Der organellenfreie Teil des
Cytoplasmas wird als Grundplasma bezeichnet. Es besteht zu 60 bis 90 % aus Wasser und enthält Eiweiße, Kohlehydrate, Fette, fettähnliche Stoffe (Lipoide) und Salze.
Kernkörperchen
Kernmembran
Dictyosom
Mitochondrium
Kernpore
Kernplasma
Zellplasma (= Cytoplasma)
Lipoidtröpchen
Endoplasmatisches
Reticulum
Zellpore
Zellmembran
Ribosomen
Abb. 33: Tierische Zelle im EM (schematisch)
Frischpräparate und Dauerpräparate
EXTRA
Zur mikroskopischen Betrachtung biologischer Objekte werden unterschiedliche Präparate hergestellt. Bei
pflanzlichem Material verwendet man häufig dünne Schnitte, die man zum Beispiel mit einer Rasierklinge anfertigen kann. Werden sie direkt untersucht, erlauben sie das Beobachten der Zellen in lebendigem Zustand.
Diese sogenannten Frischpräparate sind aber meist wenig kontrastreich und nicht lange haltbar.
Für eine kontrastreichere Darstellung kommen verschiedene Fixierungs- und Färbemethoden zum Einsatz.
Durch die Fixierung des Präparats (z. B. mit Alkohol oder Formalin (Formol)) werden allerdings die Zellen abgetötet. Ein großer Vorteil dieser Dauerpräparate ist deren lange Haltbarkeit. Zusätzlich besteht die Darstellungsmöglichkeit bestimmter Strukturen durch vielfältige, spezifische Färbungen (z. B. Zellwand durch GramFärbung).
Manche Organellen sieht man auch im Lichtmikroskop
I
MINWorkshop
Vergleiche die Abb. 31 mit der Abb. 33. Beschreibe den wesentlichen Unterschied.
Erinnere dich an die Beobachtungen im Workshop S. 31. Welche Organellen sind im lichtmikroskopischen Bild zu erkennen? Notiere.
34
Workshop
Was kannst du über die Zellorganellen erfahren?
Material:
buntes Papier, Schere, Klebstoff, Watte, Schnüre etc.
Aufgaben:
Betrachte die Abb. 33 genau! Sie zeigt den schematischen Aufbau einer tierischen Zelle mit ihren
Organellen.
Stelle nach dem untenstehenden Muster eine Tabelle her und trage Namen und schematische
Zeichnungen der Organellen darin ein. Stelle den Zusammenhang zwischen Aufbau und Funktion
her. Schreibe das Ergebnis in die entsprechende Spalte.
Suche dann in den folgenden Kapiteln nach genaueren Informationen und ergänze die Tabelle!
Hilfe erhältst du auch im Internet unter www.hpt.at/165051 – „Interaktive Übung zur Zelle“.
Name der
Organelle
Zellkern
Schematische
Zeichnung
Beschreibung
(Zahl, Form, Lage, Größe,
Sonstiges …)
Zahl: 1
Form: rund bis oval
Lage: im Plasma meist bei
Tieren in Zellmitte, bei Pflanzen am Rand
Sonstiges: relativ groß, von
Doppelmembran mit Kernporen umgeben; netzartiges
Gerüstwerk im Inneren
Funktion(en) begründen
Weil der Zellkern DNA enthält,
dient er als Informationsspeicher, der Steuerung des Zellstoffwechsels, der Weitergabe
der Erbinformation
Sucht euch jeweils eine/n Partner/in, vergleicht eure Tabellen und überprüft die Richtigkeit mit
Hilfe der Texte im Buch.
Jede Gruppe sucht sich ein Organell aus und bastelt das Modell dazu.
Präsentiert euer Modell der Klasse, indem ihr Struktur und Funktionen des Organells anhand eures
Modells erklärt.
Vielleicht schafft ihr es, als gesamte Klasse eine komplette Zelle mit allen wichtigen Organellen
zusammen zu stellen – ein lohnendes Objekt für eine kleine Ausstellung! Sprecht euch innerhalb
der Klasse untereinander ab!
3.1 Der Zellkern ist die Steuerzentrale der Zelle
Der Zellkern (Nucleus) ist auch im Lichtmikroskop als
rundliches oder ovales Gebilde erkennbar. Er ist durch
eine von Poren durchsetzte doppelte Membran vom
Grundplasma abgegrenzt. Diese Kernmembran steht
mit dem Endoplasmatischen Reticulum (f S. 41) in
Verbindung.
Im Inneren befindet sich das Kernplasma, in dem fadenförmige Strukturen eingebettet sind. Sie erscheinen im Lichtmikroskop als netzartige Struktur und
werden als Chromatin bezeichnet.
Das Chromatin stellt die Erbsubstanz dar. Es besteht
aus den so genannten Nucleoproteiden, die sich aus
Desoxyribonucleinsäure (DNS oder engl. DNA) und
verschiedenen Eiweißstoffen zusammensetzen.
nucleus
lat. = Kern
Endoplasmatisches
Reticulum
Kernmembran
Kernpore
Kernplasma
+ DNA
(Chromatin)
Kernkörperchen
Abb. 34: Bau des Zellkerns (schematisch)
Nucleinsäuren
Kernsäuren; sind wichtige
Bestandteile des Zellkerns
und für die Speicherung und
die Weitergabe der Erbanlagen verantwortlich
DesoxyriboNucleinSäure
(DNS = DNA: A steht für
engl. acid = Säure) =
Bestandteil der Chromosomen, findet sich auch
in Chloroplasten und
Mitochondrien (f S. 40).
35
Chromosom
(griech. chroma =
Farbe, soma = Körper) =
Transportform der DNA
während der Zellteilung; gut
anfärbbar
Chromosomensatz
Gesamtheit der Chromosomen im Zellkern
Nucleolus
(lat. = kleiner Kern) =
Kernkörperchen
(Mehrzahl: nucleoli)
RiboNuclein-Säure
(RNS = engl. RNA)
Nucleinsäuren; sind im
Zellkern, in den Mitochondrien, den Ribosomen und
den Chloroplasten enthalten
Vor jeder Zellteilung rollen sich die feinen Chromatinfäden zu kompakten Chromosomen auf. Diese bestehen
jeweils aus einem stark spiralig aufgewundenen Faden
der DNA, der von Eiweißstrukturen gestützt wird.
Jede Organismenart besitzt eine für sie charakteristische
Anzahl von Chromosomen – den Chromosomensatz.
Einzelne Abschnitte auf der DNA werden Gene oder
Erbanlagen genannt. Diese Gene legen die Eigenschaf-
ten eines Organismus fest. Durch die Weitergabe der
DNA werden diese Eigenschaften auf die nächste Generation weitervererbt.
Im Kernplasma liegen meist zwei Kernkörperchen
(Nucleoli), in denen sich eine weitere Nucleinsäure
befindet, die ribosomale Ribonucleinsäure = r-RNA
(r-RNS). Diese r-RNA ist zur Bildung der Ribosomen
(f S. 41) erforderlich.
ÜBRIGENS
… besitzen alle Körperzellen des Menschen 46 Chromosomen (Chromosomensatz = 46) – davon stammen 23
vom Vater und 23 von der Mutter.
… haben Geschlechtszellen des Menschen (Ei- und Spermienzelle) jeweils nur 23 Chromosomen. Erst nach ihrer
Verschmelzung bei der Befruchtung entsteht wieder eine Zelle (Zygote) mit 46 Chromosomen, aus der sich der
Embryo entwickelt.
… besitzt der Chromosomensatz des Haushuhns 78, jener der Hausmaus 40 und der einer Stechmücke
6 Chromosomen. Die Chromosomenzahl ist also kein klarer Hinweis auf die Entwicklungshöhe des Organismus.
r Als Träger der Erbanlagen (Gene): Die Informationen für die zahlreichen Eigenschaften eines Lebewesens sind in der DNA gespeichert. Die DNA
enthält „Baupläne“ für Eiweißstoffe unterschiedlicher Funktion (z. B. für Enzyme zur Steuerung des
Zellstoffwechsels).
r Für die Weitergabe der Erbanlagen an die Tochterzellen im Zuge der Zellteilung.
{
3.1.1 Der Zellkern erfüllt lebenswichtige
Aufgaben
DNA-Doppelhelix
Eiweißgerüst
3.1.2 Warum die DNA so einzigartig ist
komplementär
ergänzend (eine Kette der
DNA ist das ergänzende
Gegenstück zur anderen
Kette)
helix
lat. = Schnecke
Basensequenz
Abfolge der Basen in der DNA
36
Die Baueinheiten der DNA nennt man Nucleotide.
Jedes Nucleotid ist aus einem Zuckermolekül (Desoxyribose), einem Molekül Phosphorsäure und einem Molekül einer stickstoffhaltigen organischen
Base zusammengesetzt. Es gibt vier verschiedene Basen – Adenin (A), Thymin (T), Cytosin (C) und Guanin (G) – die vier verschiedene Nucleotide bilden.
Die DNA besteht aus zwei langen Nucleotidketten,
in denen immer ein Thymin mit einem Adenin und
ein Cytosin mit einem Guanin verbunden sind (Wasserstoffbrücken-Bindung). Dadurch liegen einander
zwei komplementäre Ketten gegenüber, die eine so
genannte Doppelhelix bilden. Die Ketten umwinden
sich in regelmäßigen Schraubengängen, sodass das
ganze Molekül mit einer in Längsrichtung gedrehten
Strickleiter verglichen werden kann. Die Basenpaare
stellen dabei die Sprossen der Leiter dar (f Abb. 35).
Gene sind bestimmte Abschnitte auf der DNA. Sie enthalten die Bauanleitung für Proteine. Die Information steckt
in der Abfolge der verschiedenen Basen (Basensequenz).
Drei Basen (ein Basentriplett) stehen für eine bestimmte
Aminosäure. So definiert etwa das Basentriplett GCU die
Aminosäure Alanin, während GGU für Glycin steht. Jedes
Triplett ist eindeutig. Eine bestimmte Aminosäure kann
durch verschiedene Basentripletts codiert werden. So
stehen GCU, GCC, GCA und GCG alle für Alanin.
Spiralisierung der
DNA Doppelhelix
{
Chromosom mit
2 Chromatiden
Abb. 35: DNA-Doppelhelix – Aufbau eines Chromosoms im
Überblick
Die in der DNA gespeicherte Information wird bei
jeder Zellteilung an die Tochterzellen weitergegeben. Das ist möglich, weil die DNA die einzigartige
Fähigkeit besitzt, sich vor jeder Kernteilung identisch
zu kopieren (Identische Reduplikation = IR). Dazu
werden die beiden Ketten enzymatisch getrennt, und
jeder Einzelstrang dient als komplementäre Vorlage
für einen neuen Gegenstrang, der sich aus freien Nucleotiden des Kernplasmas neu zusammensetzt.
Identische Reduplikation
die Fähigkeit der DNA,
sich selbst identisch (bis
zu jedem Atom exakt) zu
kopieren
Komplementäres
Nucleotid lagert
sich an
Enzyme trennen
die Doppelhelix
Nucleotide im
Kernplasma
Abb. 36: Chemische Bausteine der DNA
Abb. 37: Identische Reduplikation der DNA
QUIZ
Multiple Choice: DNA
Finde die richtigen Antworten und kreuze sie an.
Achtung, es können auch mehrere Antworten
richtig sein!
Auswertung: Jede richtige Antwort bringt einen
Punkt, jede falsche Antwort einen Punkteabzug.
Du hast drei Minuten Zeit – viel Erfolg!
3. Wie kann man den zweifach gewundenen
DNA-Faden bezeichnen?
Wasserstoffbrücke
Basentriplett
Doppelhelix
komplementäre Nucleotidketten
1. Aus welchen chemischen Bausteinen besteht
ein Nucleotid?
Zuckermolekül
organische Base
Eiweißrest
Phosphorsäure
4. Aus wie vielen Chromosomen besteht der vollständige Chromosomensatz des Menschen?
46
23
13
48
2. Welche Substanz ist keine der vier organischen
Basen der DNA?
Arginin
Thymin
Guanin
Cytosin
5. Welche Bezeichnung wird durch DNS abgekürzt?
Desoxyribonucleinsäure
Ribonucleinsäure
Desoxyriboflavinsäure
Desoxyribose
37
ÜBRIGENS
… vermögen in der DNA vier frei kombinierbare Zeichen, nämlich die vier Basen, genetische Information zu speichern. Theoretisch können 64 unterschiedliche Aminosäuren kodiert werden – das sind weit mehr als notwendig! Benötigt werden in unserem Körper nur 20 Aminosäuren, und einige Tripletts kodieren dieselbe Aminosäure.
… besitzt die DNA des Menschen über 3 Milliarden Basenpaare, die etwa 23.000 Gene bilden.
… enthält die DNA des Darmbakteriums Escherichia coli nur etwa 4.500 Gene.
… ist die DNA einer einzelnen menschlichen Zelle aneinandergereiht etwa 1,80 m lang.
… wurde das menschliche Genom im Jahre 2003, nach 15-jähriger Arbeit, erstmals vollständig entschlüsselt.
3.2 Zellmembranen – aktive Grenzschichten
Membranen sind Grenzschichten zwischen Zellen und
grenzen die Organellen gegen das Cytoplasma ab.
r Sie regulieren den Stoffaustausch innerhalb der
Zelle sowie zwischen den Zellen und ihrer Umgebung.
r Zellmembranen sind selektiv permeabel (auswählend durchlässig). Sie können entsprechend ihrer
Aktivität die Struktur und die Durchlässigkeit für
bestimmte Stoffe verändern. Auf diese Weise kann
die Auswahl der Stoffe an den jeweiligen Bedarf angepasst werden.
EXTRA
Hydrophil und hydrophob
hydrophil
(griech. hydro = Wasser,
philos = Freund) = wasserliebend
Der Grund für die Wasserfreundlichkeit hydrophiler Stoffe liegt in ihrem Molekülbau.
r Sie sind polar wie das Wassermolekül, in dem der Sauerstoff (O) die Elektronen stärker anzieht als die Wasserstoffatome (H). Die sogenannte Elektronegativität
ist also bei Sauerstoff größer. Dadurch entsteht am O
ein negativer Pol, an den H-Atomen aber jeweils ein
positiver Pol. Das Wassermolekül ist demnach ein Dipol.
r Ein anderes polares Molekül entwickelt elektrostatische Anziehungskräfte zu den Polen des Wassermoleküls. Es bildet sich eine Wasserstoffbrücken-Bindung
– eine schwache chemische Bindung.
hydrophob
(griech. phobos = Angst) =
wasser-feindlich (z. B. Fette).
Sie lösen sich nicht in Wasser.
amphiphil
(griech. amphí = beides,
philos = liebend) = zeigt
hydrophile und hydrophobe
Eigenschaften
Hydrophobe Stoffe hingegen sind unpolare Moleküle
wie die langen Kohlenwasserstoffketten (f Abb. 38) in
den Fetten, die keine Dipole bilden und daher wasserabweisend sind.
Phospholipide sind amphiphil, d. h. sie bestehen aus einem hydrophilen und einem hydrophoben Teil.
hydrophil
hydrophil
Auf Grund dieser molekularen Struktur ordnen sich die
beiden Anteile innerhalb der Membrandoppelschicht so
an, dass die hydrophoben Molekülteile nach innen und
die hydrophilen nach außen zeigen.
r Ein Teil ist hydrophil, um vom wasserhaltigen Zellplasma nicht abgestoßen zu werden.
r Ein anderer Teil ist hydrophob und bildet eine Barriere
für wasserlösliche Stoffe.
38
Abb. 38: Polare Moleküle (z. B. Wasser, oben) und
unpolare Moleküle (z. B. Hexan, unten)
hydrophob
hydrophil
hydrophob
Abb. 39: Hydrophile und hydrophobe Anteile in
einer Membran
3.2.1 Passive und aktive Transportvorgänge
regeln den Stoffaustausch
Für den aktiven Transport muss Energie aufgebracht
werden. Der passive Transport kann ohne zusätzliche
Energiezufuhr erfolgen; er ist aber nur für kleine, molekulare Teilchen (z. B. Wassermoleküle) möglich.
Der passive Stofftransport erfolgt durch die
physikalischen Vorgänge Diffusion und Osmose
Unter Diffusion versteht man einen physikalischen
Vorgang, der zu einer gleichmäßigen Verteilung
unterschiedlicher Teilchen führt. Grundlage dieses
Prozesses ist die thermische Eigenbewegung der
Teilchen, die so genannte Brown’sche Molekularbewegung. Je höher die Temperatur ist, desto stärker
bewegen sich die Teilchen.
Schichtet man Flüssigkeiten mit unterschiedlicher
Konzentration vorsichtig übereinander, so bewegen
sich die Moleküle beider Flüssigkeiten so lange vom
Ort höherer Konzentration zum Ort niederer Konzentration, bis eine gleichmäßige Verteilung der Moleküle erreicht ist (Konzentrationsausgleich).
Osmose nennt man die Diffusion durch eine selektiv
permeable Membran bis zum Konzentrationsausgleich. Trennt man zwei verschieden konzentrierte
Lösungen durch eine Membran, die zwar das Lösungsmittel (z. B. Wasser), nicht aber den gelösten
Stoff (z. B. Zucker) durchtreten lässt, so wandern die
Wassermoleküle zur Seite der höher konzentrierten
Lösung.
Da auf diese Weise das Flüssigkeitsvolumen auf der Seite
der ursprünglich höheren Konzentration zunimmt, entsteht hier ein Überdruck, der osmotische Druck.
Alle Zellmembranen sind selektiv permeabel. Diffusion und Osmose ermöglichen den Stoffaustausch
und regeln den Wasserhaushalt der Zellen.
Raum 2
Zellmembran
Raum 1
Wasser
Diffusion
Bewegung gelöster
Stoffe aus einem Bereich
von hoher Konzentration in
einen Bereich niedrigerer
Konzentration
Konzentration
Anzahl der Teilchen in einer
bestimmten Flüssigkeitsmenge
selektiv permeabel
(lat. selectio = Auswahl,
permeare = durchgehen) =
nur für bestimmte Moleküle
durchlässig
Osmose
Diffusion durch eine selektiv
permeable Membran, die
das Lösungsmittel
(z. B. Wasser), nicht aber
die darin gelösten größeren
Moleküle durchlässt.
Salz
Wasser + Salz
Wasser
Abb. 41: Osmose durch eine Membran
Abb. 40: Diffusion von Salz in Wasser
Warum platzen Kirschen auf, wenn es regnet?
Workshop
Material:
Leitungswasser, Becherglas, Waage, stark zuckerhaltige Früchte (Kirschen, Zwetschken, Weintrauben)
Den Workshop
„Wie verhält sich Himbeersirup in Wasser?“ findest du
online auf
www.hpt.at/165051.
Aufgaben:
Entwickelt mit den oben genannten Materialien eine Versuchsanordnung, die es ermöglicht, den
Konzentrationsausgleich durch selektiv permeable Membranen zu beobachten.
Führt den Versuch durch und protokolliert ihn. Bedenkt bei der Durchführung, dass der Vorgang ein
bis zwei Stunden dauert.
Interpretiert eure Beobachtungen und formuliert eine Erklärung für die Veränderung der Früchte.
39
Zuckermolekül-Seitenkette
Helix-Protein
{
Globuläres Protein
Cholesterin
hydrophober
Abschnitt
Lipoide
(griech. lipos = Fett) =
Sammelbezeichnung für
fettartige, hydrophobe
Substan-zen; z. B. Butter
und Olivenöl (Triglyceride),
Membranfette (Phospholipide) sowie Cholesterin und die
Geschlechtshormone
globuläre Proteine
kugelförmige Eiweiße, Bestandteil der Zellmembranen
Helix-Proteine
(lat. helix = Schraube) =
kettenförmige Eiweiße, Bestandteil der Zellmembranen
Mikrovilli
(lat. mikros = klein, villus
= Zotte) = fadenförmige
Zellfortsätze zur Oberflächenvergrößerung
Phospholipide
hydrophober Anteil
hydrophiler Anteil
Abb. 42: Modell einer Zellmembran: (schematisch) Zellmembranen bestehen aus einer Doppelschicht von Phospholipiden, die nach außen hydrophile und nach innen hydrophobe Anteile aufweisen. Eingelagerte Cholesterinmoleküle verstärken die Schicht. Kugelförmige (globuläre Proteine) und kettenförmige Eiweiße (Helixproteine) sind
in der Lipoidschicht eingebaut. An den aus der Membran herausragenden Anteilen tragen die Proteine Zuckermoleküle als Seitenketten.
Durch aktiven Stofftransport werden größere Moleküle sowie Ionen transportiert
Der Transport der größeren Moleküle und Ionen erfolgt
mit Hilfe eigener Transportmoleküle der Zellmembranen. Als Transportmoleküle fungieren:
r Globuläre Proteine, die für den Austausch von Ionen
und von verschiedenen Molekülen wie z. B. Aminosäuren verantwortlich sind.
r Helix-Proteine, die als Rezeptoren für zellfremde Moleküle dienen. Diese Transportproteine binden diese Moleküle vorübergehend und transportieren sie
durch die Membran.
ÜBRIGENS
… bilden die Zellmembranen mancher Zellen zusätzlich feine Ausstülpungen, die Mikrovilli genannt werden.
Sie vergrößern die Oberfläche und verbessern dadurch die Fähigkeit zum Stoffaustausch, z. B. die Nährstoffaufnahme durch die Darmwand.
… sind die Membranen benachbarter Zellen in vielzelligen Organismen durch spezielle Kontaktstellen miteinander verbunden. Über Plasmafäden innerhalb dieser Verbindungskanäle können Stoffe ausgetauscht
werden.
3.3 Mitochondrien sind die „Kraftwerke“ der Zelle
Mitochondrium
(griech. mitos = Faden;
griech. chondros = Korn) =
Organell der Zelle; dient der
Zellatmung
(Mz. Mitochon-drien)
Adenosintriphosphat
(ATP)
energiereiche Verbindung,
aufgebaut aus einem Molekül
Zucker und drei Molekülen
Phosphorsäure; Energieüberträgerstoff in den Zellen aller
Organismen
40
äußere Membran
innere Membran
Matrix
Ribosomen
DNA
Abb. 43 Mitochondrium
Mitochondrien (Einzahl: Mitochondrium) haben stäbchen- bis kugelförmige Gestalt. Sie sind von einer Doppelmembran umgeben. Im Innern befindet sich die zentrale Grundsubstanz (Matrix), die Ribosomen und eine
eigene DNA (mitochondriale DNA) enthält. Die innere
Membran bildet zahlreiche Falten und Einstülpungen
zur Vergrößerung der Oberfläche. In der Matrix und der
inneren Membran sind die Enzyme (f S. 68) für die Zellatmung eingebettet, bei der das energiereiche Molekül
Adenosintriphosphat (ATP) gebildet wird.
Für den Aufbau von ATP werden im Zuge der Zellatmung
energiereiche Stoffe (z. B. Glucose C6H12O6) enzymatisch
zu CO2 und Wasser abgebaut. Dabei wird schrittweise
Energie freigesetzt, die zum Aufbau des Energieüberträgerstoffes ATP genutzt wird. Ein Teil der Energie wird als
Wärme abgegeben (Zellatmung f S. 74).
ATP dient als zentraler Energielieferant für fast alle Stoffwechselvorgänge in der Zelle. Die vereinfachte Summengleichung der Zellatmung lautet:
C6H12O6 + 6 O2 t 6 CO2 + 6 H2O + Energie (ATP und
Wärme)
3.4 Ribosomen dienen dem Aufbau körpereigener Proteine
Ribosomen sind winzige, kugelige Partikel, die aus Ribonucleinsäure (f S. 36) und Proteinen bestehen. Mit
ihrer Hilfe erfolgt der Aufbau der körpereigenen Eiweiße, die so genannte Proteinbiosynthese. Dabei können
mehrere Ribosomen hintereinander perlschnurartig
aufgereiht sein. In diesem Fall spricht man von Polysomen. Dadurch kann die Eiweißproduktion noch effizienter ablaufen.
3.5 Endoplasmatisches Reticulum (ER) – wichtiges „Kanalsystem“
Bei elektronenmikroskopischer Betrachtung einer Zelle
zeigt sich, dass das Cytoplasma von verzweigten Kanälen
durchzogen ist. Dieses netzartige Kanalsystem bezeichnet man als Endoplasmatisches Reticulum (ER). Es dient
vor allem dem Transport von Stoffen in und zwischen
den Zellen.
Es steht sowohl mit der Zellmembran als auch mit der
Kernmembran in Verbindung. Die Kernmembran ist eine
besondere Ausbildung des ER.
r Das glatte ER trägt keine Ribosomen. Es wirkt bei vielen Stoffwechselvorgängen mit und ist u. a. an der Lipidbiosynthese beteiligt. Hier werden Öle, Phospholipide und Steroide produziert. Dazu gehören auch Geschlechts- und andere Steroidhormone.
r Das raue oder granuläre ER ist an seiner Oberfläche
dicht mit Ribosomen besetzt (f Abb. 44). Hier finden
zahlreiche Stoffumwandlungen statt. Unter anderem werden die an den Ribosomen gebildeten Proteine weitertransportiert.
Im Zuge des Stoffwechselgeschehens wird das ER
ständig verändert und umgebaut. So werden aus ERMembranen Bläschen gebildet, die entweder dem
Stofftransport oder der Speicherung von Stoffen
dienen. Derartige Bläschen heißen Transportvesikel,
die z. B. Proteine zum Golgi-Apparat weitertransportieren oder Verdauungsenzyme speichern.
Ribosom
Endoplasmatisches
Retikulum (ER)
Abb. 44: Endoplasmatisches Reticulum mit Ribosomen
3.6 Der Golgi-Apparat – Ausscheidungs- und Transportsystem
Transportbläschen des ER wandern mit Stoffen zum
Golgi-Apparat. Dieser fungiert als Art „Endfertigungsund Postzentrale“ für diese Substanzen. Hier werden
die vom ER übernommenen Stoffe modifiziert und in
Bläschen verpackt, die genau an den gewünschten
Zielort in der Zelle transportiert werden.
Dictyosomen sind Stapel aus kleinen Membransäckchen, die an ihren Enden Bläschen abschnüren. Besonders häufig kommen sie in Drüsenzellen vor und
erzeugen dort Sekrete, z. B. die ätherischen Öle der
Pfefferminze. Die Sekrete werden in den Bläschen gespeichert und an die Zelloberfläche transportiert, wo
sie ausgeschieden werden.
Im Golgi-Apparat werden auch die Lysosomen gebildet, die nur in tierischen Zellen vorkommen. Diese
Bläschen weisen einen sauren pH-Wert auf und enthalten Verdauungsenzyme. Ihre Aufgabe besteht in
Ribosomen
Organellen der Zelle; Orte
der Proteinbiosynthese;
20 – 25 nm groß
Proteinbiosynthese
Aufbau körpereigener
Eiweiße in lebenden Zellen
Polysomen
Aneinanderreihung vieler
Ribosomen im Zuge der
Proteinbiosynthese
Endoplasmatisches
Reticulum (ER)
(griech. endo = innen; lat.
reticulum = kleines Netz)
= Netz aus Kanälen im
Zellplasma
Golgi-Apparat
Zellorganell aus Mem
branräumen; dienen dem
Abtransport von Stoffen;
entdeckt von Camillo Golgi
Membransäckchen
Sekretbläschen
(z. B. Lysosomen)
Abb. 45: Dictyosomen
der intrazellulären Verdauung. In weißen Blutkörperchen sind sie für die Verdauung von Krankheitserregern wichtig.
Der Golgi-Apparat besteht aus der Gesamtheit aller
Dictyosomen einer Zelle. Ihr Aufbau ist nur im Elektronenmikroskop deutlich erkennbar.
Camillo Golgi
(1844 – 1926); ital. Forscher,
Entdecker des GolgiApparates; erhielt 1906 den
Nobelpreis für Physiologie
oder Medizin
Dictyosomen
(griech. diktyon = Netz;
griech. soma = Körper) =
Stapel aus Membransäckchen des Golgi-Apparates
3.7 Peroxisomen
Peroxisomen sind kleine kugelförmige Organellen, die
von einer Membran umgeben sind. Sie ähneln den Lysosomen, werden aber nicht im Golgi-Apparat gebildet. In den Peroxisomen finden wichtige Stoffwechselvorgänge statt, die u.a. der Entgiftung der Zelle dienen:
r Abbau von Wasserstoffperoxid (H2O2) durch Enzyme
(Oxidasen und Katalasen). H2O2 wird dabei zu Wasser
und Sauerstoff zerlegt.
r Bindung freier Radikale
Sekret
Drüsenabsonderung
ätherisch
leicht flüchtig; verdunstet
sehr schnell
Lysosomen
vom ER gebildete Bläschen;
dienen der Auflösung oder
Verdauung von zelleigenen
oder zellfremden Stoffen
41
4 Pflanzenzellen sehen anders aus
4.1 Plastiden – eine Besonderheit der Pflanzenzellen
Stärkekörner
Grana-Stapel
Chloroplasten
(griech. chloros = grün, plastos = geformt) = Organellen
mit grünem Farbstoff ; dienen
der Fotosynthese
Grana-Stapel
Chlorophyll
(griech. chloros = grün,
phyllon = Blatt) = grüner
Blattfarbstoff
Leukoplasten
(griech. leukos = weiß) =
farblose Plastiden; dienen
dem Aufbau von Speicherstoffen
Chromoplasten
(griech. chroma = Farbe) =
farbige Plastiden; enthalten
gelbe bis rote Farbstoffe
f1 Gesund bleiben –
EXTRA: Functional food, S. 19
Abb. 46: EM-Aufnahme (li.) und Schema (re.) des Chloroplasten
Die Plastiden der pflanzlichen Zelle sind auch im Lichtmikroskop sichtbar.
Man unterscheidet:
r Chloroplasten (f Abb. 46) sind meist linsenförmig
und besitzen eine Doppelmembran. Die Einstülpun-
Antioxidantien
Radikalfänger; binden
Radikale
42
r Die farblosen Leukoplasten beteiligen sich am Aufbau der Reservestoffe (z. B. Stärke) in den farblosen
Teilen der Pflanze (z. B. den Wurzelstöcken).
r Die Chromoplasten färben viele Blüten und Früchte.
Sie sind z. B. verantwortlich für das Gelb der Sonnenblume und das Rot der Tomaten.
4.2 Vakuolen sind Zellsafträume
Vakuolen sind mit Flüssigkeit gefüllte Hohlräume der
Zelle. Sie dienen u. a. der Speicherung von Stoffen
oder der intrazellulären Verdauung.
Während sie bei Tierzellen stets klein sind, können
die Vakuolen in ausgewachsenen Pflanzenzellen den
Großteil der Zelle ausfüllen (Abb. 31). Der darin enthaltene Zellsaft besteht aus einer wässrigen Lösung
von Ionen und organischen Verbindungen. Hier werden etwa Kalium- und Chlorid-Ionen, Speicherstoffe
wie Proteine oder auch Stoffwechselabfälle eingelagert.
Auch Farbstoffe sind im Zellsaft gelöst. So verleihen
Anthocyane vielen Blütenblättern, dem Blaukraut
oder den roten Rüben ihre rote, blaue und violette
Farbe.
In der Vakuole lagern ebenso Giftstoffe, wie das Koffein der Kaffeebohne oder das Nikotin des Tabaks.
Kampf gegen Radikale!
Radikale
sehr reaktionsfähige Atome
oder Atomgruppen mit
mindestens einem freien
Elektron
Doppelmembran
gen der inneren Membran bilden viele übereinander
gestapelte Säckchen (Thylakoide), in welchen sich
der grüne Farbstoff, das Chlorophyll, befindet. Hier
findet die Fotosynthese (f S. 71) statt. Dabei wird
aus Wasser und Kohlenstoffdioxid unter Einwirkung
von Sonnenlicht und mit Hilfe von Chlorophyll Zukker und Sauerstoff produziert. Die Reaktionsgleichung der Fotosynthese lautet:
6 CO2 + 6 H2O t C6H12O6 + 6 O2
Abb. 47: Blütenfarben des Lungenkrauts – durch den Farbstoff Anthocyan im Zellsaft
EXTRA
Viele Pflanzenfarbstoffe wirken als „Radikalfänger“. Radikale sind Atome oder Atomgruppen mit mindestens einem freien Elektron. Sie sind sehr reaktionsfähig und daher oft gefährlich für unseren Organismus, weil sie zu Zellschäden führen können.
Freie Radikale entstehen im Zuge von Stoffwechselvorgängen in der Zelle (z. B. der Atmung in den Mitochondrien) oder durch äußere Einflüsse wie UV-, Röntgen- und radioaktive Strahlung sowie durch Einatmen von Zigarettenrauch. Sie können Zellen schädigen, wenn sie beispielsweise lebenswichtige Moleküle oxidieren und damit unwirksam machen.
Radikalfänger, die diese reaktiven Moleküle binden, nennt man daher auch Antioxidantien. Dazu gehören
viele Vitamine wie Vitamin A, C oder E.
I
MINWorkshop
Radikalfänger-Menü
Informiere dich, welche Nahrungsmittel Antioxidantien enthalten. Benenne die Stoffe, die als
Radikalfänger wirken.
Stelle schriftlich ein fantasievolles Menü zusammen, in welchem du möglichst viele Radikalfänger
zu dir nehmen kannst.
Vergleicht eure Menüs. Erklärt einander die wichtigsten Radikalfänger und bereitet zu Hause eines
der Menüs zu.
QUIZ
Steckbriefrätsel: Organellen
Wanted! Um welche Zellorganellen handelt es sich bei den folgenden Steckbriefen? Jeder richtige Begriff bringt
einen Punkt.
1. Wanted!
t runder bis ovaler, gut sichtbarer Teil der Zelle
t enthält DNA
t steuert den Zellstoffwechsel
t speichert Erbanlagen und gibt sie an die
nächste Generation weiter
2. Wanted!
t stäbchen- oder kugelförmige Gestalt
t besitzen eine Doppelmembran
t weisen eigene DNA auf
t Aufbau von ATP
t Ort der Zellatmung
3. Wanted!
t mit Zellsaft gefüllt
t Hohlräume der Zelle
t Ort intrazellulärer Verdauung
t oft Speicherung von Farb- und Giftstoffen
t bei Tieren klein, bei Pflanzen groß
4. Wanted!
t Aufbau körpereigener Eiweiße (Proteinbiosynthese)
t winzige kugelige Partikel
t bestehen aus RNA und Proteinen
t oft perlschnurartig hintereinander aufgereiht
5. Wanted!
t Stapel aus kleinen Membransäckchen
t schnüren an ihren Enden Bläschen ab
t besonders häufig in Drüsenzellen
t bilden z. B. ätherische Öle der Pfefferminze
Lückentext: Osmose
QUIZ
Jeder richtige Begriff bringt einen Punkt.
Ergänze: Warum platzen Kirschen am Baum, wenn es lange regnet?
1. Weil die Konzentration des
in den Zellen hoch, im Regenwasser dagegen gering ist.
2. Weil die Zuckermoleküle zu groß sind, um durch die
Membran nach außen zu dringen.
3. Weil der Konzentrationsausgleich daher nur erfolgen kann, indem die
in die Zelle
hineinwandern.
4. Weil diese Wasseraufnahme so lange erfolgen kann, bis die Zelle
!
43
4.3 Die Zellwand umgibt die Pflanzenzelle
Cellulose
Vielfachzucker
(Polysaccharid); aus
hunderten Glucosemolekülen
gebildet; wasserunlöslich
Pektin
Polysaccharid; bildet fadenförmige Moleküle
Hemicellulose
Polysaccharid aus verschiedenen Zuckermolekülen
Lignin
Holzstoff ; langkettiger
Kohlenwasserstoff aus aromatischen Makromolekülen
aromatisch
ringförmiger Kohlenwasserstoff
Die pflanzliche Zelle ist neben der elastischen Zellmembran (f S. 40) noch von einer festen Zellwand umhüllt.
Sie gibt der Zelle Stabilität und Schutz.
Die pflanzliche Zellwand besteht aus Cellulosefibrillen,
die in eine Grundsubstanz aus Pektin, Hemicellulose,
Protein und teilweise auch Lignin eingebettet sind. Die
einzelnen Zellen sind durch die Zellwände hindurch
mittels Plasmasträngen (Plasmodesmen) verbunden.
ÜBRIGENS
… ist Stärke ein typischer Reservestoff in Pflanzenzellen.
… ist Cellulose sehr widerstandsfähig und ein wichtiger Rohstoff in der Papierherstellung und Bekleidungsindustrie (z. B. in Baumwolle und Leinen).
… ist Lignin ein wichtiger Bestandteil des Holzes (z. B. Stützfunktion bei Bäumen). Lignin bewirkt die Verholzung (Festigung) der Zelle.
… bilden tierische Zellen das Glycogen als Reservestoff.
… kommt Chitin nicht nur im Panzer von Insekten vor, sondern auch in den Zellwänden der Pilze. Vielleicht
ein Hinweis für eine tierische Eigenschaft der Pilze, die ja weder zu den Pflanzen noch zu den Tieren gezählt werden.
Tierzelle und Pflanzenzelle sind unterschiedlich
Workshop
Untersuchungen im Elektronenmikroskop zeigen, dass die Zellen der Pflanzen, Tiere und Menschen im
Wesentlichen den gleichen Aufbau haben. Es gibt aber einige wichtige Unterschiede, die mit der grundlegend
unterschiedlichen Lebensweise zusammenhängen.
Aufgaben:
Vergleiche Pflanzen- und Tierzelle. Dokumentiere die Unterschiede im Aufbau, indem du alle Bestandteile
der Zellen nach dem untenstehenden Muster in eine Tabelle einträgst:
Pflanzliche Zelle
Tierische Zelle
Bestandteile
Funktionen
Bestandteile
Zellkern
Speicherung und Weitergabe der Erbanlagen,
Steuerung des Zellstoffwechsels
Zellkern
Stelle den Zusammenhang zwischen dem Zellaufbau und dem grundlegenden Unterschied der
Lebensweise grüner Pflanzen zur Lebensweise tierischer Organismen her.
Erläutere die Lebensweise grüner Pflanzen und nenne den Fachbegriff (Hilfe bekommst du aus dem Text
des letzten Kapitels, aus deiner Liste aus Workshop S. 35 und im Internet).
44
5 Prokaryoten und Eukaryoten
Pflanzen, Tiere, Pilze und Protisten werden als Eukaryoten bezeichnet.
Bakterien und Archaeen (früher Archaebakterien) gehören zu den Prokaryoten. Vermutlich waren sie Vorstufen
in der Entwicklung der Einzeller. Bei Prokaryoten ist die
DNA im Gegensatz zu den Eukaryoten nicht in einem
abgegrenzten Zellkern geschützt, sondern liegt frei im
Cytoplasma.
Prokaryoten
einfache Zellen ohne
geformten Zellkern
(z. B. Bakterien)
Archaeen
(griech. archaios = uralt) =
altertümliche bakterienähnliche Prokaryoten
Abb. 48: Stammbaum der Lebewesen (stark vereinfacht)
Prokaryotenzelle
Eukaryotenzelle
(Bakterien und Archaeen)
(tierische und pflanzliche Einzeller,
mehrzellige Pflanzen, Pilze und Tiere)
Aufbau einfach
Eukaryoten
Organismen mit einem
Zellkern und membranumgrenzte Organellen
sehr komplex
Größe meist < 10 μm
meist 10 – 100 μm
Zellkern Kernäquivalent ohne Membran
echter Zellkern von Kernmembran umgeben
Erbgut ein ringförmiges Chromosom und mehrere klei- mehrere Chromosomen mit komplexer Strukne ringförmige DNA-Stücke (Plasmide); liegen tur; im Zellkern eingeschlossen
frei im Cytoplasma
Organellen fehlen meist; organellenähnliche Strukturen;
meist nicht von Membran umgrenzt (Ausnahme z. B. Cyanobakterien)
Zellmem- meist einschichtig
bran
verschiedene Organellen vorhanden; meist von
Membran umgeben
zweischichtig; komplex gebaut, veränderlich
Zellwand verschiedene Strukturen und Zusammensetzun- Algen-, Pflanzen- (aus Cellulose, s. o.) und Pilzgen; z. B. aus vielschichtigen Peptidoglycanen
zellen (aus Chitin) besitzen eine Zellwand, tierioder Lipopolysacchariden
schen Zellen fehlt eine Zellwand
Schematischer
Aufbau
Peptidoglycane
Murein = Makromoleküle
aus Zuckern und Aminosäuren; bilden eine Schicht der
Bakterienzellwand
Zellsaftraum
Plasmid (DNA-Ring)
Lipopolysaccharide
Makromoleküle aus Lipoiden
und Polysacchariden
Zellwand
Zellwand (mehrschichtig)
Plasmamembran
Ribosom im Plasma
Membrankörper (Mesosom)
Reservestoff : Phosphat
Lipidtropfen
Tüpfel
Zellplasma
Kernkörperchen
Zellkern
Mitochondrium
Zellmembran
Geißel
Chloroplast
Abb. 49: Bakterienzelle (schematisch)
Abb. 50: Eukaryotenzelle (halbschematisch)
45
EXTRA
Steckbrief: Virus
r
r
r
r
sehr klein (20-200nm)
bestehen nur aus einer Eiweißhülle und der Erbsubstanz
kein eigener Stoffwechsel
Vermehrung nur in lebenden Zellen (Wirtszellen):
- Bildung von bis zu 300 neuen Viren in einer Wirtszelle
- Freisetzung und Befall weiterer Zellen
- Wirtszelle stirbt
r keine echten Lebewesen
r extrem hohe Vermehrungs- und Mutationsrate und daher schwer zu
bekämpfen (oft neue Impfsubstanz nötig)
r können gefährliche Krankheitserreger sein (z. B. Tollwut Hepatitis,
AIDS)
Multiple Choice: Zellorganellen
Abb. 51:
Viren (EM-Aufnahme, gefärbt)
QUIZ
Finde die richtigen Antworten und kreuze sie an. Achtung, es können auch mehrere Antworten richtig sein!
Auswertung: Jede richtige Antwort bringt einen Punkt, jede falsche Antwort einen Punkteabzug. Du hast drei
Minuten Zeit. Viel Erfolg!
1. Membranen regulieren den Stoffaustausch.
Ihre Doppelschicht ist aufgebaut aus:
Kochsalz und Proteinen
Cholesterin und Phospholipiden
Kohlenhydraten und Magnesium
2. Welche Zellorganellen sind für den Transport
von Stoffen zuständig?
Mitochondrien und Ribosomen
Zellkern und ER
ER und Dictyosomen
3. An welchen Stellen der Zellen kommt DNA vor?
Zellkern und Mitochondrien
Zellkern und Ribosomen
Mitochondrien und ER
Eukaryoten – Prokaryoten
QUIZ
Ordne die folgenden Eigenschaften der Prokaryoten- bzw. Eukaryotenzelle zu, indem du P (für Prokaryotenzelle)
bzw. E (für Eukaryotenzelle) in das Kästchen neben der Eigenschaft einträgst! Wer hat die richtige Lösung am
schnellsten?
Würmer
meist 10 – 100 μm
Kernäquivalent
Zellwand aus Murein (Peptidoglycanen)
Zellwand aus Cellulose
komplexer Aufbau
Chromosomen
Plasmide
einfacher Aufbau
Kernmembran
Bakterien
meist < 10 μm
einschichtige Zellmembran
2-schichtige Zellmembran
Chloroplasten
Membrankörperchen
46
6 Die formenreiche Welt der Einzeller
6.1 Sind Augentierchen tier- oder pflanzenähnlich?
Das Augentierchen (Euglena) ist ein einzelliger, mikroskopisch kleiner Organismus, der in Gewässern lebt. Im lichtmikroskopischen Bild findet man neben dem Zellkern
noch zahlreiche Chloroplasten (f S. 42). Ist genügend
Licht vorhanden, kann das Augentierchen Fotosynthese
betreiben. Wenn es dunkel ist, kann es auch organische
Stoffe aufnehmen und verdauen.
Euglena lebt daher im Licht autotroph (f S. 67), ohne
ausreichend Licht aber heterotroph (f S. 67). Daher
handelt es sich beim Augentierchen um einen Organismus, der sowohl pflanzen- als auch tierähnliche Eigenschaften besitzt.
Am Vorderende der Zelle befindet sich ein langer Plasmafortsatz, welcher der Fortbewegung dient: die lange
Geißel. Die Bewegung wird bei Euglena durch Lichtreize gesteuert, die durch einen Fotorezeptor an der
Geißelbasis unterhalb des Augenflecks aufgenommen
werden. Diese Fähigkeit, die Lichtrichtung erkennen zu
können, erklärt den Namen „Augentierchen“. Sie ermöglicht Euglena immer, die hellsten Bereiche des Gewässers
(z. B. Tümpels) anzusteuern und für die Fotosynthese zu
nützen.
Zur Speicherung der aufgenommenen Energie dient ein
stärkeähnlicher Reservestoff – das Paramylon –, der in
zahlreichen Körnern im Cytoplasma untergebracht ist.
Der Ausscheidung dienen kontraktile Bläschen (Vakuolen), die sich in regelmäßigen Abständen füllen und
durch die Zellmembran entleeren.
Augenfleck
Fotorezeptor
Zellkern
kurze Geißel
Ausscheidungsbläschen
Paramylon
(griech. para = neben;
lat. amylum = Stärke) =
stärkeähnlicher Reservestoff
von euglenaartigen Algen
und von Kalkalgen
Paramylonkörnchen
(Stärke ähnlicher
Reservestoff )
Chloroplast
Abb. 52: Euglena schematisch
Einzeller sind nicht alle miteinander verwandt!
autotroph
(griech. autos = selbst und
trophos = Ernährer) = sich
selbstständig ernährend;
Herstellung von organischen
Substanzen ausschließlich
aus anorganischen Substanzen, z. B. durch Fotosynthese
heterotroph
(griech. heteros = fremd)
= in der Ernährung ganz
oder teilweise auf die
Körpersubstanz oder die
Stoffwechselprodukte
anderer Organismen
angewiesen
Geißel
Basalkorn
Fotorezeptor
Sinneszellen bzw. Sinnesorganellen, die auf Lichtreize
reagieren
Abb. 53: Euglena (Lichtmikroskop-Aufnahme)
EXTRA
Einzeller bilden keine geschlossene Verwandtschaftsgruppe. Ihre Gemeinsamkeit besteht darin, dass sie alle aus
nur einer einzelnen Zelle bestehen. Dazu zählen:
r alle Archaeen (z. B. Methan-, Halobakterien): sehr ursprünglich gebaute Einzeller, die sich häufig durch
einen anaeroben Stoffwechsel auszeichnen
r die meisten Bakterien (z. B. Cyanobakterien, Purpurbakterien, viele Krankheitserreger): besitzen wie die
Archaeen keinen Zellkern, entsprechen aber in vielen Zellstrukturen den Eukaryoten (f S. 45)
r einige Pilze (z. B. Hefe): eukaryotische, heterotrophe Organismen mit Besonderheiten wie z. B. einem chitinhaltigen Zellskelett (f S. 157)
r Protisten (z. B. Protozoen und einzellige Algen): eukaryotische Einzeller mit tierischer und pflanzlicher
Lebensweise
47
6.2 Protozoen – tierähnliche Einzeller mit vielfältigen Lebensweisen
Protozoen
tierische Einzeller = Einzeller
mit heterotropher Ernährung
Protozoen sind zumeist nur im Mikroskop sichtbar
und leben heterotroph im Wasser oder in vielfältigen
anderen feuchten Umgebungen. Sie besiedeln sogar
Extremstandorte wie Schnee oder Salzseen. Trocknet
ihr Lebensraum, wie etwa ein kleiner Tümpel oder eine
feuchte Wiese vorübergehend aus, so bilden manche
Protozoen (z. B. Glockentierchen) Dauerformen. Sie umgeben sich mit einer festen Schale und überstehen so
als Cysten die Trockenperiode.
Protozoen ernähren sich heterotroph: Die Nahrung
wird von einer Membran umhüllt, die ein Verdauungsbläschen bildet (Nahrungsvakuole). Durch Verdauungsenzyme wird die Nahrung in ihre Grundbausteine
zerlegt, die durch die Membran der Nahrungsvakuole
in das Plasma transportiert werden. Dort werden sie zu
körpereigenen Stoffen aufgebaut oder dienen als Energielieferanten.
Im Zuge der Stoffumsetzungen in der Zelle entstehen
unbrauchbare oder sogar schädliche Stoffe. Sie werden
mit Hilfe der kontraktilen Vakuole, die sich regelmäßig
füllt und entleert, nach außen durch die Zellmembran
entfernt.
Zu den wichtigsten Vertretern der Protozoen gehören
Geißel-, Wimper- und Sporentierchen sowie Kammerlinge und Wurzelfüßer.
6.2.1 Geißeltierchen (Flagellaten)
Geißel (Flagellum)
beweglicher Zellfortsatz;
dient der Fortbewegung und
Nahrungsaufnahme
Symbiose
Zusammenleben
von Individuen, die für beide
Partner vorteilhaft ist
Sie bewegen sich mit Hilfe feiner Plasmafortsätze
(Geißeln) und besiedeln nahezu alle Lebensräume.
Beispiele sind das Augentierchen (f S. 47), das in mineralstoffreichen Gewässern vorkommt, und Trypanosomen, die als Parasiten in verschiedenen Wirbeltieren (z. B. auch dem Menschen) leben. Trypanosomen sind die Erreger der Schlafkrankheit, die in den
tropischen Gebieten Afrikas vorkommt.
Bestimmte Geißeltierchen leben in Symbiose mit Termiten. In so genannten Gärkammern des Termitendarmes helfen sie, das gefressene Holz in verwertbare
Stoffe abzubauen.
Abb. 54: Augentierchen
(Euglena), ca. 0,05 mm lang
6.2.2 Wimpertierchen (Ciliaten)
Wimpern (Cilien)
bewegliche Zellfortsätze;
dienen der Fortbewegung
und Nahrungsaufnahme;
unterscheiden sich von
den Flagellen durch die
schnellere und koordinierte
Bewegungsweise
Wimpertierchen, wie das Pantoffeltierchen und das
Glockentierchen, besitzen auf ihrer Oberfläche viele feine Fortsätze (Wimpern = Cilien), die der Bewegung und
der Nahrungsaufnahme dienen. Sie kommen häufig im
Süßwasser und in feuchtem Boden, aber auch im Meer
vor. Da sie Bakterien und große Mengen Detritus (organische Abfallstoffe) aufnehmen und verdauen können,
spielen sie eine wichtige Rolle bei der Selbstreinigung
der Gewässer.
Abb. 56: Pantoffeltierchen
48
Abb. 55:
Pantoffeltierchen, ca. 0,3 mm lang
Abb. 57: Glockentierchen
6.2.3 Sporentierchen (Sporozoen)
Sie leben ausschließlich als Parasiten. Ein Beispiel
sind die Plasmodien – die Erreger der Malaria, die in
tropischen Gebieten verbreitet ist. Die Übertragung
der Parasiten erfolgt durch den Stich infizierter Fiebermücken (Anophelesmücken). Die Malariaerreger
zeigen im Zuge ihrer Entwicklung einen deutlichen
Generationswechsel – die verschiedenen Entwicklungsstadien sehen nicht nur anders aus, sondern
zeigen auch eine andere Lebensweise in den unterschiedlichen Wirtstieren (f Abb. 58). Die Krankheit
ist gekennzeichnet durch regelmäßige Fieberanfälle
(Wechselfieber), die durch eine periodische Vermehrung der Parasiten in den roten Blutkörperchen ausgelöst werden.
Ein weiterer Parasit unter den Sporentierchen sorgt
für die Infektion der Toxoplasmose. Zumeist durch
Katzenkot übertragen, verläuft die Erkrankung beim
Menschen meist ohne Symptome. Nur eine Infektion während der Schwangerschaft kann zu schweren
Schädigungen des Embryos führen.
Abb. 58: Lebenszyklus des Malariaerregers Plasmodium
(ca. 0,01 – 0,05 mm lang) mit Wirtswechsel. Die infektiösen
Stadien der Speicheldrüsen der Mücke treten beim Stich in
das Blut des Menschen über. In der Leber vermehren sie sich
ungeschlechtlich weiter und befallen rote Blutkörperchen,
wo Geschlechtszellen gebildet werden. Wenn bei einem
weiteren Mückenstich das infizierte Blut aufgenommen
wird, gelangen diese Zellen in den Mitteldarm. Dort verschmelzen sie und bilden wieder infektiöse Stadien, die in
die Speicheldrüsen wandern.
6.2.4 Wurzelfüßer (Rhizopoden)
Amöben (Wechseltierchen) ernähren sich von Algen,
Bakterien und Detritus, leben vereinzelt aber auch
räuberisch von anderen Einzellern. Sie kommen u. a.
im Schlamm, in stehenden Gewässern und auf Wasserpflanzen vor. Sie können als Parasiten auch Krankheiten auslösen (z. B. Amöbenruhr beim Menschen).
Die Fortbewegung erfolgt durch Plasmabewegungen und die Bildung von Scheinfüßchen (Pseudopodien). Dabei heften sich diese Plasmafortsätze am
Untergrund fest, verkürzen sich und ziehen den übrigen Zellkörper nach. Diese Art der Fortbewegung
ist mit einem dauernden Gestaltwechsel verbunden
(daher Wechseltierchen) und wird auch als amöboide
Bewegung bezeichnet.
Stößt die Amöbe auf ein Nahrungsteilchen, wie etwa
eine kleine Alge, umfließt sie diese mit den Scheinfüßchen. Die Alge wird von einer Membran umschlossen, die eine Nahrungsvakuole bildet, in welcher die
Verdauung erfolgt.
Die Grundbausteine der Nahrung gelangen schließlich durch die Membran der Nahrungsvakuole in das
Plasma und werden dort zu körpereigenen Stoffen
aufgebaut.
Im Zuge der Stoffumsetzungen in der Zelle entstehen unbrauchbare bzw. sogar schädliche Stoffe. Sie
werden mit Hilfe der kontraktilen Vakuole, die sich
regelmäßig füllt, nach außen durch die Zellmembran
entleert.
Abb. 59: Amöbe (Wechseltierchen) im LM (~ 200-fach
vergrößert)
pulsierendes Bläschen
Scheinfüßchen
Nahrung
Zellkern
Nahrungsbläschen
Scheinfüßchen
Abb. 60: Amöbe (schematisch)
49
6.2.5 Kammerlinge (Foraminiferen)
Mit über 10.000 heute lebenden Arten zählen sie zu
der formenreichsten Protistengruppe. Der überwiegende Teil der Foraminiferen (auch Kammerlinge
genannt) lebt auf dem Meeresboden, wenige bilden
Meeresplankton und selten findet man auch Vertreter im Süßwasser. Zumeist liegt ihre Größe
zwischen 0,2 und 0,5
mm. Sie besitzen ein
vielkammeriges Gehäuse mit kleinen Poren,
durch die zarte Scheinfüßchen austreten.
Abb. 61: Poren im Detail
Abb. 62: Unterschiedliche Gehäuseformen von
Foraminiferen
ÜBRIGENS
… können einige Amöbenarten bis zu 0,5 mm groß werden, sind also mit dem freien Auge bereits sichtbar!
… bewegen sich einige der weißen Blutkörperchen des Menschen ähnlich wie Amöben mit Scheinfüßchen. Diese
Blutkörperchen erreichen eine Geschwindigkeit von etwa 5 mm/h.
… bewegen sich die Spermienzellen des Menschen (ca. 0,06 mm Länge) mit Geißeln und erreichen dabei eine Geschwindigkeit von etwa 3 bis 4 mm/min! Umgerechnet auf Menschengröße wären das etwa 7 km/h (langsames
Joggen).
… waren die Foraminiferen in manchen erdgeschichtlichen Perioden sogar gesteinsbildend. Zum Beispiel bestehen die Klippen von Dover und das Baumaterial der ägyptischen Pyramiden aus Foraminiferenkalken.
… haben die zahlreichen fossilen Foraminiferen große Bedeutung als Leitfossilien für die Altersbestimmung geologischer Schichten und als Hinweise für Erdölvorkommen.
… zählen bestimmte Foraminiferenarten mit über 10 cm Durchmesser zu den größten Einzellern der Erde!
Welche Einzeller leben im Heuaufguss?
Workshop
Material:
Mikroskop, Objektträger, Deckgläser, Teich oder Regenwasser, Heu, Becherglas
Vorgangsweise:
1. Herstellung eines Heuaufgusses:
Man gibt eine Handvoll Heu in ein Becherglas und bedeckt es mit Regen- oder Teichwasser (kein
Leitungswasser!). Den Heuaufguss einige Tage stehen lassen.
2. Herstellung eines Lebendpräparates:
t Mit einer Pipette entnimmt man einen Tropfen von der feinen Haut an der Wasseroberfläche (Kahmhaut)
und gibt ihn auf einen Objektträger.
t Man bedeckt den Wassertropfen mit einem Deckglas und fixiert den Objektträger auf dem Objekttisch.
t Man stellt ein scharfes Bild ein.
Aufgaben:
Untersuche einen Tropfen deines Präparates unter dem Mikroskop nach Einzellern und beobachte sie.
Beschreibe deine Beobachtungen und interpretiere sie.
t Welche Einzeller hast du gesehen?
t Woran hast du sie erkannt?
Anmerkung: Man kann u. a. Wimpertierchen, Geißeltierchen, Amöben und Kieselalgen sehen. Wimpertierchen und
Geißeltierchen erkennt man an ihren typischen flinken, oft kreisenden Bewegungen mit Hilfe von Fortsätzen an der
Zelloberfläche. Geißeltierchen besitzen einen bis wenige lange Fortsätze – die Geißeln. Wimpertierchen haben viele kleine
Wimpern, die sich koordiniert bewegen. (Auch Schleimhautzellen in den Bronchien und in den Eileitern des Menschen
haben derartige Wimpern!)
50
QUIZ
Einzeller-Quiz
Wanted! Um welche Einzeller handelt es sich bei den folgenden Steckbriefen:
1. Wanted!
t roter Pigmentfleck
t Chloroplasten
t eine lange Geißel
2. Wanted!
t oft kreisende Bewegungen
t Fortbewegung durch Wimpern
t heterotroph
3. Wanted!
t Parasit, verursacht eine Tropenkrankheit
t von der Anophelesmücke verbreitet
t Vermehrung in roten Blutkörperchen
4. Wanted!
t Vertreter der Flagellaten
t Parasit
t durch Tsetsefliege übertragen
5. Wanted!
t Fortbewegung durch Plasmabewegung
t heterotroph
t wohnt im Schlamm und Tümpeln
6.3 Einzellige Algen – Basis vieler Nahrungsketten
Algen gedeihen im Süßwasser, im Meer und an feuchten Orten. Ihre Zellen zeigen den typischen Aufbau
einer Pflanzenzelle (f S. 42) und besitzen stets Chlorophyll. Sie können daher organische Stoffe selbst
aufbauen – sie sind autotroph (f S. 67). Man zählt
sie zu den pflanzenähnlichen Protisten. Bei guten
Bedingungen (genügend Mineralstoffe, Wärme und
Licht) können sie sich rasch vermehren. Damit bilden
sie eine wichtige Basis der Nahrungskette in einem
Ökosystem!
Die Massenentwicklung von Algen ist aber auch oft
ein Zeichen von Wasserverschmutzung, z. B. durch
Überdüngung (Eutrophierung) des Gewässers
(f S. 187), das beispielsweise auf das Einleiten von
ungereinigten Abwässern zurückgeführt werden
kann.
Einzeller sind ökologisch bedeutend
Sie bilden als Primärproduzenten (f S. 70) eine wesentliche Basis für die Nahrungskette im Meer und damit
die Nahrungsgrundlage für die meisten heterotrophen
Organismen bis hinauf zu den Fischen und Walen. Frei
schwebende Algen (Phytoplankton) produzieren etwa
die Hälfte des Sauerstoffs in der Atmosphäre.
Protozoen sind als Bodenorganismen und als Plankton
unersetzliche Bestandteile der Nahrungskette. Sie ernähren sich von Bakterien, Pilzen, Algen, pflanzlichem Material und organischen Teilchen (= Detritus) und stellen
selbst Nahrung für viele größere Organismen dar.
Einzeller spielen in nahezu allen Ökosystemen unserer
Erde zur Erhaltung des biologischen Gleichgewichts eine
zentrale Rolle!
Algen
pflanzenartige Einzeller und
Vielzeller, die Fotosynthese
betreiben und im Wasser
leben
Eutrophierung
(griech. eu = gut; griech.
trophe = Nahrung) =
Anreicherung von Mineralstoffen in einem Ökosystem
(Überdüngung); führt u. a.
durch die übermäßige Zunahme an Mikroorganismen
zu einem Sauerstoffmangel
im Gewässer
Phytoplankton
(griech. phyton = Pflanze;
griech. plankton = das
Schwebende) = im Wasser
schwebende Algen
Plankton
im Wasser frei schwebende
Kleinstlebewesen (Einzeller,
Algen, Larven, Kleinkrebse,…). Nahrungsgrundlage für viele
Wassertiere
Abb. 63: Einzellige Algen: (v. l. n. r.) Jochalge, Schmuckalge, Kieselalge
51
ÜBRIGENS
Kelp
(engl.) Braunalgen der
Ordnung Laminariales
(z. B. Riesentang); bewohnen
mineralstoffreiche Meere der
gemäßigten Breiten, z. B. an
der Westküste Amerikas
Alginsäure
Polysaccharid, wird von Algen
und Bakterien gebildet
… können sich Algen bei hohem Mineralstoffgehalt und hohen Temperaturen derart stark vermehren, dass sich
das Wasser durch die hohe Algendichte grün färbt und eintrübt. Diesen vorübergehenden Zustand nennt
man Algenblüte.
… sind aktuell über 80.000 Algenarten bekannt, nur ca. 160 werden industriell genutzt.
… liefern Algenprodukte Nahrungsmittel mit hohem Eiweißgehalt, die neben Kohlenhydraten auch wertvolle
Fette enthalten – vielleicht ein wichtiger Bestandteil der zukünftigen Welternährung?
… werden in Südostasien bereits jährlich etwa 9 Millionen Tonnen Algen (Seetang) als Salat oder Gemüse konsumiert.
… entwickeln einige Braunalgen vielzellige Riesenformen von bis zu 50 m Länge (z. B. Riesentang der Kelpwälder). Der Riesentang wächst bis zu 40 cm täglich.
… binden die Algen jährlich bis zu 50 Milliarden Tonnen CO2 und bremsen dadurch die fortschreitende
Klimaerwärmung.
… wird aus verschiedenen Braunalgenarten Alginsäure gewonnen. Deren Salze (Alginate) besitzen ein hohes
Quellvermögen und sind zum Eindicken von u. a. Fruchtsäften oder Marmeladen geeignet.
… finden Alginate auch bei der Herstellung von Gummiwaren, Tabletten, Zahnpasten usw. Verwendung.
… liefern bestimmte Rotalgen das Agar-Agar. Es wird wegen seines hohen Wasserbindungsvermögens als Geliermittel, zum Klären von Weinen und Obstsäften und als Nährboden zum Anlegen von Bakterienkulturen in
der Medizin verwendet.
Alginate
Salze der Alginsäuren
Agar-Agar
Polysaccharid,
v. a. aus Zellwänden von
Rotalgen gewonnen; dient
u. a. als Bestandteil von
Nährböden zum Züchten von
Mikroorganismen
52
QUIZ
Zuordnungsrätsel
Ordne die folgenden Eigenschaften der Amöbe bzw. dem Augentierchen zu, indem du Am (für Amöbe) bzw. Au
(für Augentierchen) in das Kästchen neben der Eigenschaft einträgst! Wer hat die richtige Lösung am schnellsten?
bildet Scheinfüßchen aus
lebt ausschließlich heterotroph
besitzt Chlorophyll
hat einen Fotorezeptor
umfließt Nahrungsteilchen
hat einen roten Pigmentfleck
lebt auch im Schlamm
hat keine feste Körperform
besitzt Chloroplasten
lebt autotroph und heterotroph
zeigt deutliche Plasmabewegungen
Fortbewegung durch Geißel
frisst Algen und Bakterien
lebt im freien Wasser
7 Vom Einzeller zum Vielzeller
Am Anfang der Entwicklung des Lebens standen einzellige Organismen, aus denen sich allmählich über den
mehr oder weniger lockeren Zellverband der Kolonie
die Gewebe und Organe der Vielzeller entwickelten.
Betrachtet man z. B. einen Laubwald etwas genauer,
so erkennt man, dass er in mehreren Organisationsstufen (hierarchisch) aufgebaut ist. Als unterste Stufe
bilden zahlreiche Organellen (z. B. Chloroplasten) Teile einer Zelle (z. B. Zelle eines Blattes). Viele gleichartige Zellen bilden ein Gewebe mit bestimmter Funktion (z. B. Gewebe für Fotosynthese in einem Blatt;
f auch S. 79). Diese sind Bestandteile von Organen
(z. B. einem Laubblatt). Aus zahlreichen Organen setzt
sich ein Organismus z. B. ein Laubbaum) zusammen.
Unterschiedliche Organismen bilden in der obersten
Organelle
f
Zelle
f
Gewebe
Stufe dieser Hierarchie die Organismengemeinschaft
eines Ökosystems (z. B. eines Laubwaldes).
Die Vielzelligkeit dürfte sich im Laufe der Evolution
mehrmals unabhängig voneinander entwickelt haben. Auch heute gibt es sowohl bei Blaualgen und
Protozoen (z. B. das Strauchglockentierchen) als auch
bei Pilzen und Algen Formen, die sowohl einzeln als
auch in Kolonien bzw. kolonieartigen Verbänden leben können.
Die Entwicklung von echter Vielzelligkeit erfordert
die Differenzierung von Zellen und war die Voraussetzung für die Entstehung aller viel komplexer gebauten
Pflanzen, Pilze und Tiere. Sehr eindrucksvoll ist diese
Entwicklung bei bestimmten Algenarten nachvollziehbar.
f
Organ
f Organismus
f Ökosystem
Kolonie
Zellverband, dessen Zellen in
der Regel auch alleine leben
können
Gewebe
Zellverband, dessen
Einzelzellen alleine nicht
lebensfähig sind
Organ
Funktionseinheit vielzelliger
Organismen, die aus Geweben aufgebaut sind
Abb. 64: Hierarchische Organisationsstufen des Ökosystems Laubwald
7.1 Algenkolonien – vom pflanzlichen Einzeller zum Vielzeller
An den Grünalgen kann man die ersten Schritte der
Entwicklung zur Vielzelligkeit beobachten.
Die kleine Grünalge Chlamydomonas (f Abb. 65) tritt
gewöhnlich als Einzelzelle auf. Sehr ähnliche Formen
dieser Geißelalge bilden auch einfache Kolonien wie
etwa Pandorina oder Gonium (f Abb. 66). Gonium besteht aus 16 selbstständig lebensfähigen Einzellern, die
lediglich durch eine Gallerthülle zusammengehalten
werden. Durch koordinierten Geißelschlag kann sich
Gonium sehr gezielt fortbewegen. Vermutlich liegt der
Vorteil gegenüber einzeln lebenden Algen darin, dass
sie auf Grund des Größenzuwachses weniger leicht von
Fressfeinden verschluckt werden können.
Die hochentwickelte Kolonie der Kugelalge (Volvox)
(f Abb. 67, 68) stellt einen weiteren wichtigen Entwicklungsschritt vom Einzeller zum Vielzeller dar.
Die Einzelzellen haben sich hier in ihren Funktionen
bereits spezialisiert und stehen miteinander in Verbindung. Außerhalb der Volvoxkugel sind sie alleine nicht
mehr lebensfähig. In der Kolonie herrscht strenge Arbeitsteilung. Es gibt Körperzellen, die für die Ernährung,
für die Bewegung oder für die Orientierung zuständig
sind. Plasmabrücken stellen eine enge Verbindung
zwischen den bis zu 20.000 Einzelzellen her, die die
Hohlkugel aufbauen. Diese Verbindungen ermöglichen
Stoffaustausch, Erregungsleitung und ein koordiniertes
Schlagen der Geißeln zur gezielten Fortbewegung. Am
vorderen Pol sorgen lichtempfindliche Zellen für die
Orientierung.
Geißel
Pigmentfleck
pulsierendes Bläschen
Zellkern
Stärkekörner
Abb. 65: Chlamydomonas
becherförmiger
Chloroplast
Gallerthülle
Abb. 66: Gonium
53
Oberfläche der Volvox-Kolonie
{
Gallerthülle
Plasmastrang
Abb. 67: Volvox-Oberfläche im Detail
Abb. 68: Kugelalge (Volvox) mit Tochterkugeln (LM- Aufnahme)
Im hinteren Teil der Kugel befinden sich einige große
Fortpflanzungszellen. Wenn sich diese teilen, wandern
sie in das Innere der Kugel. Dort wachsen sie zu eigenen kugelförmigen Tochterkolonien heran, die dann
durch Platzen der Mutterkugel freigesetzt werden. Dieses Platzen hat den Tod der Körperzellen der Mutterkolonie zur Folge. Zum ersten Mal in der Entwicklung des
Pflanzenreiches kann hier ein „natürlicher“ Alterstod
beobachtet werden – dies ist ein wesentlicher Nachteil
der Zelldifferenzierung im Rahmen der Vielzelligkeit.
Neben der ungeschlechtlichen Vermehrung durch Zellteilung ist auch eine geschlechtliche Fortpflanzung
möglich. Dabei werden Ei- und Spermienzellen gebildet, die miteinander verschmelzen und für eine Neukombination der Gene sorgen. Das ermöglicht eine bessere Anpassung an mögliche Umweltänderungen.
Im Unterschied zu „echten“ Vielzellern bildet Volvox keine echten Gewebe aus und verfügt über keinen gemeinsamen Stoffwechsel.
Durch Kernteilungen ohne anschließende Zellteilung
können auch vielkernige Organismen entstehen. Es
handelt sich dabei jedoch nicht um einen vielzelligen
Organismus, sondern um eine einzige, große, vielkernige
Zelle, z. B. die Grünalge Bryopsis.
Viele Algen bestehen aus
mehreren Zellen
Thallus (Mz. Thalli)
vielzelliger Vegetationskörper
niederer Pflanzen ohne echte
Gewebe und Organe
Thallophyten
Pflanzen, die einen Thallus
ausbilden
Wir finden unter den Algen mikroskopisch kleine Formen, die gemeinsam
mit anderen Lebewesen (z. B. Bakterien,
Protozoen, Pilzen) im Wasser schweben
und das Plankton bilden.
Algenzellen schließen sich jedoch auch
häufig zu Kolonien oder Thalli (Lager)
zusammen und bilden dann deutlich
größere, scheinbar vielzellige Organismen. So gehören etwa der Blasentang
oder Meersalat zu den Thallophyten.
Manche Algen enthalten neben dem
grünen Chlorophyll auch andere Farbstoffe, die das Grün überdecken: Man
unterscheidet Grünalgen, Rotalgen
und Braunalgen (Tange).
Abb. 69: Häufige Meeresalgen; (v. ob. l. n.
unt. r.) Braunalgen: Blasenseil, Blasentang;
Grünalgen: Meersalat, Schirmchenalge,
Kriechsprossalge; Rotalge Gracilaria
54
EXTRA
7.2 Einfache Vielzeller im Tierreich
Auch bei den Tieren lässt sich eine Entwicklung vom Einzeller zum Vielzeller beobachten. Als Übergangs-formen
können z. B. Trichoplax und die Schwämme angesehen
werden, weil sie trotz Vielzelligkeit und Zellspezialisierung noch keine richtigen Gewebe besitzen.
eine deutliche Aufgabenteilung der spezialisierten
Zellen ihn als echten Vielzeller aus.
7.2.1 Trichoplax – einfachster tierischer
Vielzeller?
Ein eindrucksvolles Beispiel für die Entwicklung zur
tierischen Vielzelligkeit stellt der einfachste Vielzeller
Trichoplax dar. Er besitzt einen abgeflachten, scheibenförmigen Körper ohne bestimmte Form. Er besteht aus 2 Zellschichten und erreicht nur etwa eine
Größe von 2 bis 3 mm. Trichoplax kriecht auf dem
Meeresboden entlang und nimmt durch Endocytose
Nahrungsteile in seinen Körper auf. Er besteht nur aus
wenigen spezialisierten Zelltypen und besitzt noch
kein echtes Gewebe. Die unregelmäßige Fortbewegung gleicht der einer Amöbe. Die Fortpflanzung
erfolgt ungeschlechtlich durch Zweiteilung und
fallweise durch Ausbildung von Geschlechtszellen.
Jedoch weisen der gemeinsame Stoffwechsel und
Endocytose
Aufnahme von festen
Teilchen durch die Bildung
von Nahrungsbläschen,
z. B. Nahrungsaufnahme
beim Pantoffeltierchen
Abb. 70: Trichoplax
7.2.2 Auch Schwämme sind einfach gebaute
Vielzeller
Schwämme sind im Wasser lebende, tierische Organismen. Sie besitzen weder Muskulatur noch Nervensystem oder Sinnesorgane. Die Körper der erwachsenen Tiere sind festgewachsen und gleichen einem
zweischichtigen Becher, der an seinem oberen Ende
eine Ausstromöffnung besitzt.
Die Wand wird innen von der Darmschicht (Choanoderm) und außen von der Hautschicht (Pinacoderm)
gebildet. Zwischen Haut- und Darmschicht liegt eine
gallertige Stützschicht (Mesohyl), in welcher sich verschiedene Zellformen befinden (z. B. Bindegewebszellen, Ei- und Samenzellen und Skelettbildungszellen).
Von den Skelettbildungszellenwerden Skelettnadeln
aus Kalk (z. B Kalkschwämme) oder Kieselsäure
(Glasschwämme) ausgeschieden, die dem Schwamm
eine stabile Form geben. Bei Hornschwämmen sind
zusätzlich Sponginfasern vorhanden, welche die Skelettelemente auch vollständig ersetzen können (z. B.
Badeschwamm).
Die Zellschichten von Schwämmen sind keine echten
Gewebe, sondern locker organisierte Zellzusammenschlüsse, da die Zellen noch relativ unspezialisiert
und darüber hinaus im Mesohyl amöboid beweglich
sind.
Das Choanoderm kleidet den inneren Zentralraum
(Atrium) aus und besteht aus Kragengeißelzellen
(Choanocyten), die mit ihren Geißeln einen Wasserstrom erzeugen und dem Wasser Nahrungsteilchen
entnehmen. Verbrauchtes Wasser wird durch die Ausfuhröffnung hinausgespült, frisches Wasser gelangt
durch zahlreiche Öffnungen (Poren) in der Wand
Ausstromöffnung
Pinacoderm
Choanoderm
mit Choanozyten
Mesohyl
Zentralraum
(Darmhöhle)
Pore
Spongin
Strukturprotein, bildet
Strukturfasern; kommt nur
bei Schwämmen vor
Abb. 71: Bau des Schwamms (schematisch)
des Bechers herein. Schwämme zählen daher zu den
Strudlern und haben eine wichtige ökologische Bedeutung bei der Reinhaltung der Gewässer.
Die Fortpflanzung erfolgt geschlechtlich oder ungeschlechtlich. Bei der geschlechtlichen Fortpflanzung
bildet das meist zwittrige Muttertier aus manchen
Kragengeißelzellen Spermien und aus einzelnen Zellen des Mesohyls die Eizellen. Aus dem befruchteten
Ei entsteht durch Zellteilungen eine Zellkugel. Die-
55
sessil
(lat. sessilis) = festsitzend,
nicht frei beweglich
vegetative Fortpflanzung
ungeschlechtliche Fortpflanzung
Knospung
Form der vegeta-tiven
Vermehrung; Abschnü¬rung
von Tochtertieren
Tierstock
dauerhafter Verband von
Tieren, die sich nach vegetativer Fortpflanzung durch
Knospung nicht voneinander
gelöst haben
Zellgewebe
Ansammlung gleichartig
oder unterschiedlich differenzierter Zellen, die ähnliche
oder gleiche Funktionen
erfüllen und durch eine
Zwischenzellsubstanz
(Interzellularsubstanz)
verbunden sind.
se wird aus dem Muttertier ausgeschieden und lebt
zunächst freischwimmend als Flimmerlarve. Nach
wenigen Tagen stülpt sich die Larve um, sodass die
Geißelzellen innen zu liegen kommen. Dadurch wird
die Larve unbeweglich, setzt sich fest und bildet einen
neuen sessilen Schwamm.
Die ungeschlechtliche Fortpflanzung erfolgt durch
Knospung. Dabei bildet das Muttertier seitliche Auswüchse, die zu neuen Schwämmen heranwachsen,
welche sich loslösen und selbstständig weiterleben
können. Meist bleiben sie aber mit dem Muttertier verbunden und bilden ihrerseits wieder Tochtertiere, bis
eine ganze Schwammkolonie (Tierstock) entsteht.
Besonders ausgeprägt ist bei solch einfach gebauten
Organismen die Regenerationsfähigkeit. Aus wenigen Zellen kann ein vollständig neuer Organismus gebildet werden. Man spricht sogar von einer extremen
Form der ungeschlechtlichen Fortpflanzung.
Echte Vielzeller unterscheiden sich von Kolonien
durch die Ausbildung von echten Zellgeweben, einen
gemeinsamen Stoffwechsel des Zellverbandes und
eine deutliche Aufgabenteilung der spezialisierten
Zellen. Alle Organismen, die höher als die Schwämme
organisiert sind, z. B. die Nesseltiere, zählen bereits zu
den echten Vielzellern.
Abb. 72: Hornskelett eines Badeschwamms
Bio-Jeopardy!
Finde den richtigen Fachbegriff zu den folgenden Umschreibungen bzw. Erklärungen. Jeder richtige Begriff
bringt einen Punkt.
1. Linsensystem, welches das Licht auf das Objekt bündelt:
2. sich selbstständig ernährend:
3. Sinneszellen bzw. Sinnesorganellen, die auf Lichtreize reagieren:
4. einfache Zellen ohne abgegrenzten Zellkern (z. B. Bakterien):
5. Gleichgewichtszustand, der für das Funktionieren eines Organismus notwendig ist:
6. Entwicklung, die zur Bildung immer neuer Arten und Organisationstypen führt:
7. für die Leistungsfähigkeit eines Mikroskops entscheidende Eigenschaft:
8. Erbauer des ersten Elektronenmikroskops:
9. Bewegungsform, mit einem dauernden Gestaltwechsel verbunden:
56
QUIZ
QUIZ
Begriffememory
Finde zu den Begriffen aus Topf A je einen unmittelbar zusammengehörenden Begriff aus Topf B, notiere die
Begriffspaare und erkläre, warum sie zusammengehören. (Wenn unpassende Begriffe übrig bleiben, hast
du falsch gepaart!)
Jedes richtige Begriffspaar bringt einen Punkt, die richtige Erklärung dazu einen Zusatzpunkt.
Topf A
Hook‘sche Entdeckung
Lichtmikroskop
Ausscheidung schädlicher Stoffe
Plasmabewegung
Euglena
Elektronenmikroskop
Energiebereitstellung
Verdauung
Nervenzellen
schwerste tierische Zelle
Trichoplax
Topf B
2.000-fache Vergrößerung
Zellatmung
2 kg
Scheinfüßchen
Zelle
Chloroplasten
bis zu 1 m Länge
2 – 3 mm
Details bis 0,1 nm
Enzyme
pulsierende Vakuole
Lupenrätsel: Mikroskopie
Du bist Mitarbeiter/in in einem Biolabor für Wasseruntersuchungen und hast einige Proben zu analysieren.
Wegen der starken Vergrößerung des Mikroskops siehst du die Details der Organismen sehr gut!
1. Welche Arten erkennst du?
2. Handelt es sich um tierähnliche oder pflanzenähnliche Organismen?
3. Kreuze jeweils den möglichen Lebensraum an, in dem der Organismus vorkommt (Achtung: manche
Organismen können in mehreren Lebensräumen vorkommen!)
1
2
4
1. Probe
Meeresboden
Wasserpflanzen
Süßwasser
Heuaufguss
Gebirgsbach
3
5
2. Probe
Meeresboden
Wasserpflanzen
Süßwasser
Heuaufguss
Gebirgsbach
3. Probe
Meeresboden
Wasserpflanzen
Süßwasser
Heuaufguss
Gebirgsbach
6
4. Probe
Meeresboden
Wasserpflanzen
Süßwasser
Heuaufguss
Gebirgsbach
5. Probe
Meeresboden
Wasserpflanzen
Süßwasser
Heuaufguss
Gebirgsbach
6. Probe
Meeresboden
Wasserpflanzen
Süßwasser
Heuaufguss
Gebirgsbach
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