2. Das Lichtmikroskop

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Cytologie
1. Zellen allgemein
Die wesentlichen Merkmale der Zelltheorie (wurde um 1850 entwickelt):
Alle Lebewesen sind aus Zellen aufgebaut.
Zellen entstehen nur aus Zellen.
Der Aufbau von tierischen Zellen (Größe: ca. 1/100 mm)
Der Aufbau von pflanzlichen Zellen Größe: ca. 1/100 bis 1/10 mm
Vergleich zwischen Tierzelle und Pflanzenzelle
...keine Chloroplasten
Tierzellen haben... ...keine Zellwand d.h. keine feste Form
...keine Vakuole
2. Das Lichtmikroskop
Definition: Auflösungsvermögen eines Mikroskops
Mindestabstand zweier Punkte, um noch getrennt erkannt zu werden [in Meter].
Das Auflösungsvermögen erklärt...
3. Das Elektronenmikroskop
Daten zur besseren Einschätzung
Auflösungsvermögen des menschlichen Auges:
Auflösungsgrenze des Lichtmikroskops:
Auflösungsgrenze des Elektronenmikroskops
ca. 0,2 mm = 2 x 10-4 m
ca. 200 nm = 2 x 10-7 m
ca. 1 nm = 1 x 10-9 m
Vergleich: Elektronenmikroskop und Lichtmikroskop
Nachteile:
Vorteile:
1) Nur tote Objekte können betrachtet
werden
2) Nur Schwarzweiß-Bilder
3) Großer Aufwand
(Kunstharz-Einbettung,
Ultradünnschnitte..)
1) Viel besseres Auflösungsvermögen
Unterschied zum Lichtmikroskop:
"Lichtquelle" sind Elektronen.
Die Linsen sind durch magnetische Felder ersetzt. Bildentstehung auf einen
Leuchtschirm.
Hochvakuum im Inneren des Elektronenmikroskopes. Elektronen würden von
Luftmolekülen gebremst. Aus diesem Grund können auch nur entwässerte
Präparate, aber niemals lebende Objekte beobachtet werden.
Grundelement eines Elektronenmikroskopes ist eine Röhre, vergleichbar mit einer
Fernsehröhre. Eine Glühkathode liefert Elektronen: Hochspannung zwischen
Kathode und Anode beschleunigt Elektronen. Die Elektronen fliegen durch ein Loch
in der Anode und treffen auf das Objekt (sehr dünn, Ultradünnschnitte! ). Elektronen
durchdringen das Objekt, werden abgelenkt oder reflektiert. Die Vergrößerung erfolgt
dann durch ein magnetisches Objektiv und ein magnetisches Okular (Projektiv). Die
Elektronen treffen schließlich auf einen Leuchtschirm. Helle Stellen zeigen an, dass
an dieser Stelle des Objektes Elektronen durchgelassen wurden. Dunkle Stellen
entsprechen den Teilen des Objektes, die für Elektronen wenig oder gar nicht
durchlässig sind. Zur Verstärkung des Bildkontrastes werden die Präparate mit
Schwermetallsalzen behandelt.
Bau und Anwendung eines Elektronenmikroskops
Typische ABI-Frage:
Auf welche Weise können Zellstrukturen bei der Herstellung von Präparaten sichtbar
gemacht werden
a) beim Elektronenmikroskop b) beim Lichtmikroskop . (Jeweils mit Erklärung)
Muster-Antwort:
Da Zellstrukturen sowohl für Lichtstrahlen als auch für Elektronenstrahlen fast durchsichtig
sind d.h. zu wenig Strahlung absorbieren, muss man in beiden Fällen den Kontrast durch
"Anfärben" erhöhen:
Kontrastierung für das ElMi: Schwermetallatome bzw. Schwermetall-Ionen
(Uran,Osmium, Platin...)
Kontrastierung für das LiMi: Farbstoffe
In beiden Fällen lagern sich die Kontrastmittel selektiv an bestimmte Oberflächen
(Membranen, Fasern, Riesenmoleküle wie DNA oder Zellulose...) an und verändern die
Durchlässigkeit des Präparats für die Strahlung. Im LiMi macht sich dies durch farbige
Kontrastierung bemerkbar, im ElMi durch Hell-Dunkel-Kontrastierung.
4. Die Tierzelle im Elektronenmikroskop
Skizze:
Skizzen solltest du zeichnen und beschriften können...
farbig = vom Zellplasma abgetrennte Reaktionsräume
1=
Zellmembran
4 = Mitochondrium
7=
endoplasmatisches
Retikulum ER
10 = Kernhülle
2 = Zellplasma
5 = Dictyosom (GolgiApparat)
8 = rauhes ER
11 = DNA
3 = Ribosom
6 = Golgi-Vesikel
9 = Kernpore
12 = Kernkörperchen
=Nukleolus
Informieren Sie sich über weitere Strukturen in der Zelle: Lysosom, Peroxisom, Zentriol, Mikrotubuli
13 = Bürstenförmige Ausstülpungen der Zellmembran werden als Mikrovilli bezeichnet und dienen der
Oberflächenvergrößerung
5. Die Pflanzenzelle im Elektronenmikroskop
Skizze:
1 = Zellmembran
6 = DNA
11 = Tüpfel
16 = Tonoplast
2 = Zellwand
7 = Kernpore
12 = Dictyosom/GolgiApp.
17 = Golgi-Vesikel
3 = Nachbarzelle
8 = Nukleolus
13 = Ribosom
4 = Zellplasma
9 = ER
14 = Mitochondrium
5 = Chloroplast
10 = rauhes ER
15 = Vakuole
Wichtige zellbiologische Fachbegriffe:
Am Beispiel des Mitochondriums kann man den biologischen Sinn der Kompartimentierung gut
erklären:
1) Die 2 Kompartimente ermöglichen es, dass verschiedene chemische Reaktionen parallel ablaufen
können,
wie in verschiedenen "Reagenzgläsern".
2) Membrangebundene Vorgänge - hier: Zellatmung - werden durch Oberflächenvergrößerung der
Membran
d.h. durch Faltung optimiert, da dadurch die Zahl der aktiven Membranmoleküle vermehrt werden
kann.
3) Eine Steigerung der Leistung einer best. Zellfunktion erreicht die Zelle also durch 2 Maßnahmen:
Vermehrung der Zahl der jeweiligen Organellen und Vergrößerung der Oberfläche der Membran.
6. Das Mitochondrium
Skizze:
Funktion der Mitochondrien:
 Ort der Zellatmung
 ATP- Gewinnung durch oxidativen Abbau der Glukose
 "Kraftwerk" der Zelle
Atmungsgleichung: (Bruttogleichung)
Wiederholung: Dissimilation:
Die aus der Glykolyse stammende Brenztraubensäure (Pyruvat) wird in die Matrix aufgenommen, wo
durch oxidative Decarboxylierung zunächst aktivierte Essigsäure (+CO2+NADH2) entsteht
Diese wird im Zitronensäurezyklus schrittweise unter CO2-Abspaltung und Bildung von NADH2
(=Übertragung von Wasserstoff(elektronen) auf das Coenzym NAD) zerlegt.
Der coenzymgebundene Wasserstoff wird nun an der Innenmembran des Mitochondriums auf
Redoxenzyme übertragen. Dabei wird der Wasserstoff in H+-Ionen und Elektronen getrennt. Die e-
werden auf einer Transportkette von Redoxenzymen weitergereicht (=Atmungskette) und werden an
deren Ende auf den eingeatmeten Sauerstoff übertragen (H2O-Synthese).
Mit der hierbei freigewordenen Energie werden die H+-Ionen (=Protonen) aus der Matrix in den
Zwischenmembranraum gepumpt und dort angereichert. Dieser H+-Ionen-Gradient wird nun wie eine
"Turbine" zur ATP-Synthese benutzt:
Die einströmenden H+-Ionen werden durch spezifische Ionenkanäle in der Innenmembran geleitet, in
denen die ATP-Synthase die Energie der zurückfließenden H+-Ionen zur Synthese von ATP benutzt.
Die Innenmembran der Mitochondrien koppelt also den Elektronentransport mit der ATP-Synthese.
Das Grundprinzip der aeroben Energiegewinnung besteht also darin, dass den
aufgenommenen Nährstoffen (Kohlenhydrate, Fette und Proteine) Elektronen
entzogen werden, um diese dann als Energiequelle zur ATP-Synthese zu
verwenden.
stark vereinfachtes Schema:
Abbau der Nährstoffe im aeroben Energiestoffwechsel:
Gewinnung von chemischer Energie
(ATP) durch Abbau von Glukose mit Sauerstoff
Die Zellatmung ist der Funktionskomplex aus Glykolyse, Citratzyklus und
Atmungskette.
Bruttogleichung:
C6H12O6+6H2O+6O2 à12H2O+6CO2 (+38ATP)
Gärung:
Gewinnung chemischer Energie (ATP) durch Abbau von Glukose ohne Sauerstoff
(anaerobe Energiegewinnung)
z.B. Milchsäure-Gärung:
C6H12O6 à 2 C3H6O3 (+2ATP)
Besonderheiten:
1) Mitochondrien werden nur von der Mutter vererbt, da die väterlichen
Mitochondrien im Spermium bei der Befruchtung nicht in die Eizelle gelangen!
Deshalb ist mitochondriale DNA ideal für die Erforschung mütterlicher
Verwandtschaftslinien.
(siehe "EVA"-Hypothese in der Humanevolution)
2) In den Mitochondrien findet man DNA und Ribosomen. Man nimmt deshalb an,
dass M. ursprünglich freilebende Einzeller waren. (Endosymbionten-Hypothese)
Typische ABI-Fragen:
1) Warum ist die Innenmembran der Mitochondrien so stark gefaltet?
2) Welche Zelltypen besitzen besonders viele Mitochondrien?
3) Nennen Sie 3 biologische Prozesse, die besonders viel ATP verbrauchen.
4) Erythrocyten haben weder einen Zellkern noch Mitochondrien. Auf welche Art der
ATP-Gewinnung sind sie deshalb angewiesen? Welches Lebenskennzeichen fehlt
ihnen?
Muster-Antworten
zu 1) Die Faltung bewirkt eine größere Fläche
--> Effizientere Zellatmung, da mehr Platz für Atmungsenzyme
--> stärkere ATP-Produktion
--> mehr Energie (Struktur-Funktionsprinzip)
zu 2) Zellen, die viel Stoffwechselenergie benötigen,z.B. für Bewegung, Synthesevorgänge und
aktiven Transport: Muskelzellen, Nervenzellen, Herzzellen, Sinneszellen..
zu 3)




aktiver Transport (z.B. Ionenpumpen in Nervenzellen)
Bewegung (Zellbewegung durch Cilien, Geißeln; Muskelarbeit)
Regeneration (z.B. Erneuerung des Sehfarbstoffs in den Stäbchen)
Synthese von Riesenmolekülen (DNA, Proteine, Stärke..)
zu 4) Anaerobe Energiegewinnung -->ATP-Gewinnung durch Glykolyse
Kein Zellkern --> keine Zellteilung -->Lebenskennzeichen Fortpflanzung fehlt.
7. Ribosomen, Zellkern, Endoplasmatisches Retikulum
Der Zellkern
Ribosomen
Ort: Frei im Zellplasma oder gebunden an das ER.
Funktion: Eiweißsynthese für die Zelle (z.B. Enzyme) und zur Sekretion (z.B. Hormone,
Antikörper..)
Bau: kugelförmiges Riesenmolekül, aus 2 Untereinheiten bestehend, ohne Membran
Das Endoplasmatische Retikulum
Bau: Röhren - und etagenförmiges Membransystem in der Zelle.
Man unterscheidet das glatte ER (ohne Ribosomen) vom rauen ER (mit
Ribosomen).
Funktion des rauen ER:
Synthese und Transport von Proteinen
a) für die eigene Zelle z.B. Enzyme, Membranproteine.. oder für den "Export"
z.B. Antikörper = Immunglobuline (Plasmazellen), Hormone (Insulin in Beta-Zellen) oder
Verdauungsenzyme (Bauchspeicheldrüsenzellen)
(Funktion des glatten ER: Synthese und Transport von Phospholipiden und Steroidhormonen.)
Viele Proteine werden zum weiteren Umbau mit Membran-Vesikeln, die sich vom ER
abschnüren zu anderen Organellen z.B. zum Golgi-Apparat gebracht.
Skizze:
Merke:
Drüsenzellen (Verdauung, Hormone) enthalten ein dichtes Netz von ER, ebenso
Immunzellen, die Antikörper produzieren (sog. Plasmazellen).
(1ml Lebergewebe enthält ca. 10m2 ER!)
8. Der Golgi-Apparat
Dictyosomen = Golgiapparat = Summe aller Dictyosomen in einer Zelle
Funktion:
Herstellung und Speicherung von Sekreten z.B. Drüsensäfte, Schleim,
Zellwandbaustoffe....
Am Rand der flachen Membran-Zisternen schnüren sich Golgi-Vesikel, gefüllt mit
Stoffen (Membranproteine, Enzyme, Sekrete) ab. Diese speichern und transportieren
ihren Inhalt entweder innerhalb der Zelle, oder sie wandern zur Zellmembran und
verschmelzen mit ihr unter Ausschüttung des Inhalts nach draußen = Exocytose.
Bau:
Sonderfall:
Lysosomen: Vesikel mit Verdauungsenzymen
Aufgabe: Verdauung von aufgenommenen Nahrungsteilchen bzw. Bakterien (z.B.
durch Fresszellen)
Merke:
Viele Dictyosomen sind wie ER ein Kennzeichen von Drüsenzellen. Zusätzlich viele
Mitochondrien weisen auf aktiven Transport nach außen hin.Eine stark gefaltete
Zellmembran mit großer Oberfläche weist ebenfalls auf Stoffaustausch mit der
Umgebung hin.
Beispiel: Belegzellen in der Magenwand, die Salzsäure für den Magen produzieren.
Dünndarmzellen mit einem "Bürstensaum" = Mikrovilli.
9. Chloroplasten
Chloroplasten
Vorkommen: Nur in grünen Pflanzenzellen. (beachte: Pilze sind Pflanzen ohne
Chloroplasten!)
Die Chloroplasten zählt man allgemein zu den Plastiden.
(Es gibt noch Chromoplasten (rot) und farblose Leukoplasten)
Bau: Skizze:
Schema:
Funktion - Ort der Photosynthese:
In Worten: Mit Hilfe von Lichtenergie können Chloroplasten aus Kohlendioxid und
Wasser Glukose (Traubenzucker) und Sauerstoff herstellen. Der Sauerstoff unserer
Atmosphäre stammt aus der Photosynthese!
Wichtig:
1) wie bei den Mitochondrien findet man in Chloroplasten DNA und Ribosomen.
Auch hier nimmt man an, dass sie ursprünglich frei lebende Cyanobakterien waren,
die von den Vorfahren der heutigen Pflanzenzellen in die Zellen aufgenommen
wurden.
2) Auch hier kann man Kompartimentierung und Oberflächenvergrößerung
beobachten.
10. Biomembran
Vorüberlegungen:
Eine Membran
muss:
1) innerhalb der Zelle Kompartimente mit wässrigem Inhalt
voneinander trennen.
2) bestimmte Stoffe selektiv durchlassen, andere abhalten.
(= semipermeabel)
3) bestimmte Stoffe aktiv "durchpumpen" d.h. einseitig
anreichern.
4) beweglich, elastisch, "mitwachsend", "abschnürbar" sein.
(siehe Zellteilung, Vesikelabschnürung, Phagocytose..)
5) als Zellgrenze mit Botenstoffen kommunizieren können.
(z.B. auf Hormone, Transmitter reagieren können.)
6) als Zellgrenze fremde Zellen, Viren... ( = "nicht selbst")
von eigenen Zellen (= "selbst") unterscheiden können.
Folgerungen:
zu 1) Die Membranmoleküle müssen einen "wasserabweisenden"," fettähnlichen"
d.h. lipophilen Molekülteil besitzen und einen "wasserfreundlichen"
d.h. hydrophilen Molekülteil.
zu 2 +3) In diese Membranmoleküle müssen "tunnelartige" Moleküle eingebettet
sein.
zu 4) Die Membranmoleküle bilden keine feste "Haut",
sondern umgeben das wässrige Plasma wie ein "Fettfilm" oder
"Seifenblasenhaut".
zu 5) Auf der Außenseite der Membran müssen spezifische Moleküle sitzen,
die wie "Antennen" oder "Schlösser" bestimmte "Schlüssel"moleküle binden.
zu 6) Die Membranoberfläche muss spezifische Erkennungsmoleküle aufweisen.
Experimentelle Befunde:




Die Analyse elektronenmikroskopischer Bilder von Biomembranen ergibt eine
Doppellinie d.h. der Aufbau ist dreischichtig: Zwei "Außenlagen" und eine
"Zwischenlage".
Fett lösende Detergentien ("Seifen") lösen Membranen auf.
durch Detergentien zerstörte Biomembranen, deren Moleküle an der
Wasseroberfläche schwimmen, benötigen die doppelte Fläche.
Chemisch bestehen Membranen etwa zur Hälfte aus fettähnlichen
"wasserfeindlichen" = lipophilen Substanzen (= Lipide) und
"wasserfreundlichen" = hydrophilen Proteinen.
Das Besondere an den Membranlipid-Molekülen ist ihr Aufbau aus hydrophilem
"Kopf" und lipophilem "Schwanz". Dadurch bilden sich in Wasser zweischichtige
Molekülfilme=Doppellipid-Schicht oder kugelförmige Micellen, die wässrige
Kompartimente voneinander trennen können.
Mosaik-Modell
Micelle, räumlich dargestellt
Ergebnis:
Das Doppellipid-Modell
Skizze:
(Singer & Nicolson 1972)( =fluid-mosaic-Modell)
"fluid mosaic":
Beweglicher, dynamischer "Lipidfilm", in den mosaikartig Eiweißmoleküle eingestreut
sind.
Funktion der Membranbausteine:
1) Phospholipid-Moleküle:
Sie bilden durch ihren hydrophilen "Kopf" und ihren lipophilen "Schwanz" die
Doppel-Lipid-Schicht, die zwei wässrige Kompartimente voneinander trennt.
2) Membranproteine:
a) Integrale Proteine:
Sie "schwimmen" in der Membran und bilden einen hydrophilen Tunnel in der
Wasser
abweisenden Doppellipidschicht. Sie sind als selektive "Poren" und "Kanäle" für
die
Durchlässigkeit von z.B. Ionen verantwortlich.
Auch für den aktiven Transport bestimmter Stoffe sind sie zuständig.
b) periphere Proteine:
Sie liegen z.B. außen in der Membran eingebettet und können als spezifische
Rezeptoren
wie "Schlösser" best. Botenmoleküle an sich binden,
um im Zellinneren bestimmte Folgereaktionen auszulösen.
3) Ketten aus Kohlenhydratmolekülen:
Sie sind für die Kommunikation zwischen den Zellen wichtig.
An ihnen erkennt z.B. eine Abwehrzelle eine körperfremde Zelle.
Typische Abi-Fragen:
1)
2) Wenn man die Membranlipide aus Biomembranen einer bestimmten Anzahl
von Blutzellen extrahiert und in Wasser bringt, dann bilden sie einen
monomolekularen "Film" auf der Wasseroberfläche.
Begründen Sie, warum dieser die doppelte Oberfläche aller Zelloberflächen
bedeckt.
3) Markiert man die Membranlipide
bestimmter Zellen mit
Antikörpermolekülen, die mit Farbstoff A
gekoppelt sind und wiederholt man das
Ganze mit anderen Zellen, die mit
Farbstoff B gekoppelt sind, dann kann
man unter UV-Licht beide Zellsorten an
der Farbe unterscheiden. (siehe Abb.1)
Bringt man nun durch elektrische Impulse
eine Zelle "A" mit einer Zelle "B" zum
Verschmelzen, dann lässt sich nach
einiger Zeit folgendes Bild beobachten.
(siehe Abb.2).
Deuten Sie das Ergebnis mit dem
Membranmodell.
Muster-Antworten:
zu 1a) Hier grenzen die Zellmembranen zweier Nachbarzellen aneinander.
Da jede Membran aus einer Doppellipid-Schicht besteht, erscheinen bei höchster Auflösung vier
Linien.
zu 1b) Skizze des Grenzbreichs:
Man kann 7 Teilabschnitte unterscheiden:
a: äußere Molekülschicht der linken Zellmembran mit
peripheren Proteinen und hydrophilen Lipid-Anteilen
b: lipophile Lipid-"Schwänze" der Doppellipidschicht
c: entsprechend zu a
d: wässrige Zwischenzell-Flüssigkeit
e: entsprechend zu a, c
f: entsprechend zu b
g: entsprechend zu a, c, e
zu 1c) Raues ER, Mitochondrium (links oben), Kern? (links unten)
zu 2) Der Doppellipid-Film besteht aus einer doppelten Molekülschicht. Trennt man diese, dann
beanspruchen sie auf der Wasseroberfläche die doppelte Fläche.
zu 3) Die markierten Membranmoleküle beider Zellen mischen sich gleichmäßig.
Dies ist ein Beweis für das "fluid-mosaic"-Modell, wonach die Membran ein Flüssigkeitsfilm aus
verschiedenen Molekülsorten ist, in dem sich die Membranbausteine frei bewegen können.
11. Transportmöglichkeiten durch Membranen
Schema: Transportmöglichkeiten durch Membranen
Detail-Schema zur Ecocytose
12. Methoden der Zellforschung
Schema:
Weitere Methoden der Zellforschung:
Elektrophorese:
Problem: Wie trennt man Molekülgemische, die z.B. im Zellplasma vorliegen?
Bio-Moleküle besitzen häufig elektrisch geladene Atomgruppen (z.B. Säuregruppen
in Aminosäuren und DNA-Bausteinen). Deshalb kann man solche Gemische dadurch
trennen, dass man sie in einem Gleich- spannungsfeld je nach ihrer Ladung zum
Plus- oder Minuspol wandern lässt. Je größer die Ladung und je kleiner das Molekül
desto schneller wandern sie zum Pol.
Autoradiographie:
Problem: Woher weiß man, welchen Weg bestimmte Wirkstoffe in der Zelle nehmen,
oder wo an der Membranoberfläche ein Botenstoff andockt?
Die Moleküle, deren Weg man verfolgen will, werden radioaktiv markiert. Dies
geschieht dadurch, dass künstlich hergestellte radioaktive Isotope in das Molekül
eingebaut werden. (z.B. radioaktives O-Atom ( 15O) statt normales O-Atom ( 16O)
wird in Wassermoleküle eingebaut. Folge: Diese Moleküle verraten sich durch ihre
radioaktive Strahlung. Nachgewiesen wird diese Strahlung dadurch, dass sie einen
photographischen Film belichten kann. Im Filmmaterial (lichtempfindliche
Gelatinefolien) entstehen schwarze Flecken, die den Ort der gesuchten Substanz
verraten.
13. Prokaryoten und Eukaryoten
Alle Tierzellen und Pflanzenzellen sind grundsätzlich gleich aufgebaut: Sie besitzen
einen Zellkern, d.h. die Erbsubstanz ist von einer Doppelmembran (=Hülle)
umgeben.
Außerdem besitzen sie weitere durch Membranen bzw. Doppelmembranen
abgegrenzte Organelle. Man nennt diese Zellen Eucyten bzw. die Lebewesen
Eukaryo(n)ten.
(eu=gut/ karyos=Kern)
Es gibt jedoch auch einfacher aufgebaute Zellen, die keine membranumgebenen
Organellen besitzen: Prokaryo(n)ten. Man nimmt an, dass sich die
Eukaryonten aus prokaryotischen Vorfahren entwickelt haben.
Zu den Prokaryonten gehören die Bakterien und die Cyanobakterien ("Blaualgen")
Beachte: Algen sind moderne Pflanzenzellen, ebenso sind Hefezellen keine Bakterien, sondern
Pilzzellen! Tierische Einzeller wie Amöben, Pantoffeltierchen, Malariaerreger und Geißeltierchen
sind ebenfalls Eukaryonten!
Bakterienzelle im Elektronenmikroskop:
Skizze:
1 = Zellmembran
2 = Zellplasma
3 = DNA
(=Bakterienchromosom
ringförmig) frei im
Zellplasma
4 = Bakterien-Zellwand
(Material: Murein)
5 = Plasmid
(= zusätzlicher kleiner
DNA-Ring)
6 = Membraneinstülpung
(mit Atmungsenzymen zur
Zellatmung: Mesosom oder bei
Cyanobakterien zur Photosynthese mit
Bakt.chlorophyll-Molekülen: Thylakoid)
7 = Bakterien-Ribosomen
(kleiner als bei Eukaryonten)
8 = Bakterien-Geißel (nur
manche Arten)
Schleimkapsel (nur manche
Arten)
Tabelle: Vergleich: Eukaryont - Prokaryont
Eukaryont
Kernhülle
Prokaryont
fehlt: DNA frei im
Plasma
Zellkern
vorhanden:
Mitochondrium
vorhanden
fehlt:
ER
vorhanden
fehlt
Plasmid
fehlt
vorhanden
Golgi-Apparat
vorhanden
fehlt
Ribosomen
vorhanden
Chloroplast
Bei Pflanzen: vorhanden
fehlt
Zellwand
Bei Pflanzen: Zellulose
vorhanden:
(größer)
Einteilung
Mesosom
vorhanden
(kleiner)
Murein
Einteilung
Tierzellen Pflanzenzellen Bakterien Cyanobakterien
Grundsätzlich verschieden ist die Situation bei Viren:
Viren sind gar keine echten Lebewesen, da ihnen ein wesentliches Kennzeichen
fehlt: Zelle mit eigenem Stoffwechsel.
Viren sind Zellparasiten, die sich nur mit Hilfe des Stoffwechsels einer Wirtszelle
vermehren können. Viren befallen Tier- Pflanzen- und Bakterienzellen, indem sie ihr
Erbgut einschleusen, das den Bauplan für neue Viren enthält. Außerhalb einer Zelle
sind Viren nur "Chemikalienpakete" aus Erbgut und "Eiweißverpackung".
Bau eines Virus (vereinfacht)
Orginalphoto: Herpesviren
Skizze:
Viren, die Bakterien befallen:
Bakteriophagen
14. Zelldifferenzierung als Grundlage der Gewebe- und Organbildung
Fast alle Zellen spezialisieren sich im Verlauf ihres Lebens. Die Zellen erreichen dies
durch das gezielte Ein- und Ausschalten von Genen, die so genannte Kontrolle der
Genexpression.
Bei dieser Spezialisierung werden viele Gene, die von einer bestimmten Zelle für ihr
Überleben nicht gebraucht werden, inaktiviert. Die Gene, die die Zelle aber öfters
benötigt, die also oft aktiv sind, werden von Proteinen, man bezeichnet sie als
Transkriptionsfaktoren, "kontrolliert". Wird nun ein Protein/Enzym gebraucht,
machen sich diese Transkriptionsfaktoren an die Arbeit, das entsprechende Gen zu
aktivieren, indem sie sich an bestimmten Stellen, sog. Kontrollregionen, an die DNA
binden und so das Gen "anschalten".
Zelldifferenzierung bedeutet, dass sich ursprünglich gleichartige Zellen zu Zellen
mit unterschiedlicher Funktion und verschiedenem Bau entwickeln.
Obwohl sich alle Körper-Zellen eines Organismus durch erbgleiche Zellteilung
(Mitose) aus einer befruchteten Eizelle (Zygote) entwickelt haben, sind sie am Ende
der Differenzierung so spezialisiert, dass sie sowohl im Bau (Zellform,
Organellenausstattung, Kompartimente), als auch in ihrer chemischen Ausstattung
kaum noch Ähnlichkeit haben.
mögliche Ursachen der Zelldifferenzierung:
- Schon bei den ersten Zellteilungen werden Signalstoffe im Zellplasma
unterschiedlich auf die Tochterzellen verteilt; dies bewirkt, dass in den Zelllinien
unterschiedliche Gene in zeitlich sinnvoller Reihenfolge "an- und abgeschaltet"
werden. àDifferenzielle Genaktivität
- Durch Hormone u. ä. Signalstoffe wird eine Zelldifferenzierung gestartet
àDifferenzielle Genaktivität oder Steuerung der Enzymaktivität
z.B. SexualhormoneàPubertät.., InterleukineàDifferenzierung von B-Lymphozyten zu
Plasmazellen; Puff-Muster an Riesenchromosomen während der
Insektenmetamorphose..
- Kontakte mit Nachbarzellen üben eine gegenseitige Induktionswirkung aus
z.B. Teilungshemmung bei Hautzellen, Einstülpung der Augenlinsen..
Eine spezialisierte Zelle verfügt also über die gesamte genetische Information,
verwendet sie aber nur zum kleinen Teil.
Einzeller, embryonale Zellen oder Stammzellen sind omnipotent (totipotent)
d.h. sie können das gesamte genetische Programm realisieren.
Je nach Umweltbedingung können sie sich zu Spezialzellen differenzieren (z.B.
Blutzellen im Knochenmark oder Wurzelzellen bei Stecklingen) oder sogar ein
komplettes Lebewesen regenerieren (Klonierung)
Pflanzenzellen:
Tierzellen:
Zelle: Kleinste Lebenseinheit mit allen
Kennzeichen des Lebendigen.
Stoffwechsel (Ernährung, Atmung), Wachstum
und Fortpflanzung, Reizbarkeit, Bewegung,
(Tod, Alterung)
Eine Spezialisierung und Arbeitsteilung
durch Zelldifferenzierung erfolgt in zwei
Richtungen:
- Durch Differenzierung des Zellinneren:
Kompartimentierung (Abgrenzung von
Reaktionsräumen) und Bildung bestimmter
Organellen (= Funktionseinheiten innerhalb der
Zelle) z.B. Mitochondrien, Dictyosomen..
- Durch Zusammenschluss spezialisierter
Zellen:
Gewebe:
Verband gleichartiger Zellen mit gleicher
Funktion.
Die Zellen zeichnen sich durch eine typische
Form und typische Ausstattung mit Organellen
aus. z.B. Drüsengewebe mit Dictyosomen,
Vesikel, ER.., Muskelgewebe: Mitochondrien,
Fibrillen..
Organ: Verband mehrerer verschiedener
Gewebe zur Erfüllung einer bestimmten
Funktion.
z.B. Blatt aus Deckgewebe, Palisadengewebe,
Stützgewebe.. oder: Haut aus Deckgewebe,
Bindegewebe, Nervengewebe, Fettgewebe, Blut
als flüssiges Gewebe...
Organismus: arttypisches Lebewesen als
Gesamtheit der Gewebe und Organsysteme.
(Population: Verband von Lebewesen der
gleichen Art im gleichen Raum zur gleichen
Zeit)
In der Evolution hat sich diese Spezialisierung vom Einzeller bis zum vielzelligen
Organismus ebenfalls abgespielt und lässt sich an heute noch existierenden
Lebensformen belegen.
Pflanzen:
- Einzellige grüne Algen --> totipotente, potentiell unsterbliche Zellen, deren
"Mutter"zelle durch Zellteilung in zwei "Tochter"zellen weiterlebt.
- Zellkolonie: Verband gleichartiger Einzeller, die auch getrennt überleben können.
- Vielzeller: z.B. Volvox (Kugelalge) als Übergang von der Zellkolonie zum
Vielzeller: ca. 10000 Zellen zu einer Hohlkugel vereint; mit Plasmabrücken zwischen
den Zellen; gemeinsamer Geißelschlag, lichtempfindliche Spezialzellen "vorn" und
Fortpflanzungszellen "hinten"; Tochterkugeln, die nach innen abgeschieden werden,
können nur freigesetzt werden, wenn die Mutterkugel stirbt à Alterstod als Folge der
Arbeitsteilung!
Tiere:
- Einzellige Tiere: z-B. Pantoffeltierchen, Amöben àwie bei Pflanzen - nur ohne
Chloroplasten.
- Zellverband: Schwämme: Zellverbände ohne Gewebe und Organe; zweischichtige
Körperwand aus wenig spezialisierten Zellen (Geißelzellen, Deckzellen) ; kann sich
aus Teilen regenerieren. Keine Sinneszellen, Muskelzellen.
- Vielzeller: Hohltiere: z.B. Polyp, Quallen, Korallentiere: Spezialisierte Zellen, aber
noch keine echten Gewebe /Organe, da in der zweischichtigen Körperwand noch
mehrere Zelltypen gemischt nebeneinander liegen. (Nesselzellen, Hautmuskelzellen,
Sinneszellen..). Ansätze zu Gewebe: Nervennetze. Kann sich noch durch vegetative
"Knospen" vermehren.
Biol. Funktion der Differenzierung: Arbeitsteilung und Spezialisierung der Zellen
eines Organismus ermöglichen eine bessere Anpassung z.B. bessere
Schutzreaktionen durch Abwehrzellen (Fresszellen, giftige Nesselzellen...)
bessere Nahrungssuche durch Sinneszellen
bessere Mobilität durch Muskelzellen usw.
Nachteile:
-höherer Energiebedarf, größere Störanfälligkeit durch Arbeitsteilung
-Verlust der unbegrenzten Teilungsfähigkeit bzw. Regenerationsfähigkeit
(-->Bedeutung embryonaler und adulter Stammzellen)
- Verlust der potentiellen Unsterblichkeit der Einzeller (à "Leiche")
Aufgaben:
Insektenhormone steuern die Entwicklung von Insektenlarven d.h. die
Differenzierung bestimmter Gewebe. So ist z.B. das Hormon Ecdyson für die
Verpuppung verantwortlich. Wirkt gleichzeitig mit dem Ecdyson das
Juvenilhormon, dann kommt es nur zu einer Häutung der Larve. (siehe Material 1)
Den Beweis, dass Hormone die Anschaltung bestimmter Gene bewirken können,
liefern die Riesenchromosomen in den Speicheldrüsen von Fliegenlarven: Nach
Hormonzugabe entspiralisieren sich bestimmte DNA-Abschnitte zu "Puffs" d.h. dort
werden Gene zur Transkription d.h. zur Produktion von mRNA vorbereitet. (siehe
Material 2 +3)
In einem Experiment wurden Speicheldrüsenzellen mit Ecdyson behandelt und
anschließend wurde aus deren Zellextrakt mRNA (isoliert. (Material 4)
1) Beschreiben Sie die Entwicklung eines Schmetterlings (Material 1)
2) Wiederholen Sie, wie Riesenchromosomen entstehen.
3) Fassen Sie kurz die Hormonwirkungen während der Entwicklung des Insekts zusammen (Material
1+2+3)
4) Deuten Sie mit Material 3 +4 die Ergebnisse des Experiments.
3) Welche Komponenten müssen in den Reagenzgläsern enthalten sein?
Entwicklung vom Ei zum Schmetterling
Riesenchromosomen mit Puffs
Die Umwandlung von Dopa in Dopamin bei Anwesenheit des Enzyms E2
Lösungsvorschlag zu den Aufgaben
1) Insekt mit vollständiger Entwicklung: befruchtete Eizelle (Zygote) - Larve (Raupe) Häutungen/Wachstum - Puppe - erwachsenes (=adultes) Insekt (=Imago)
2) Chromosomenvervielfachung ohne Kernteilung (=Endomitose)
3) Hormone bewirken
a) auf der Ebene des Gesamtorganismus: Die zeitliche Steuerung der Häutung bzw. Verpuppung >
Juvenilhormon und Ecdyson zusammen bewirken, dass sich die Raupe häutet. Ecdyson allein bewirkt
die Verpuppung der Raupe.
b) auf der Ebene der Chromosomen: Bestimmte Abschnitte entspiralisieren sich zu Puffs,
d.h. bestimmte Gene werden aktiviert. (Material 2+3)
4) Nachweis der Genaktivierung durch Hormone, indem die neugebildete mRNA nachgewiesen
wird:
Um das Zwischenprodukt Dopa in Dopamin umzuwandeln, ist das Enzym E2 notwendig.
Die Biosynthese dieses Enzyms erfolgt durch Transkription des zugehörigen Gens,
d.h. durch Synthese einer entsprechenden mRNA.
Diese codiert die Aminosäuresequenz des Enzyms E2. Durch Translation erfolgt die
Enzymsynthese (hier im
Reagenzglas).
In Experiment a wird kein E2 gebildet > die isolierte mRNA-Mischung enthält offensichtlich keine
Anweisung
zur Synthese von E2, da praktisch kein Dopamin entstanden ist. > Ohne Hormongabe keine
mRNA zur
Synthese von E2.
In Experiment b wird E2 gebildet > die mRNA-Mischung muss die notwendige Bauanweisung für
E2 enthalten
haben, da Dopa in Dopamin umgewandelt wurde.
Da nur in Experiment b den Larven vor der mRNA-Isolierung Hormon gegeben wurde, ist nur hier
eine
Genaktivierung, d.h. die Aktivierung der Transkription des Gens für E2 erfolgt.
5) Zur erfolgreichen Translation muss das Reagenzglas folgende Komponenten enthalten:
- mRNA
- Ribosomen
- Aminosäuren
- ATP
- Enzyme
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