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
