Kapitel 6 Zelllehre
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Zelllehre 6. Zelllehre (Cytologie) 6.1. Einführung, Begriffe Lexikalische Definition: Die Zelle (lateinisch cellula = kleine Kammer, Zelle) ist die strukturell sichtbare Einheit aller Lebewesen. Es gibt Einzeller, die aus einer einzigen Zelle bestehen, und Mehrzeller, bei denen mehrere Zellen zu einer funktionellen Einheit verbunden sind. Der menschliche Körper beispielsweise besteht aus rund 220 verschiedenen Zell- und Gewebetypen. Dabei haben die Zellen ihre Selbständigkeit durch Arbeitsteilung (Spezialisierung) aufgegeben und sind einzeln oft nicht mehr vollständig lebensfähig. Zelltheorie (ca. 1840): Die Zelle ist die Grundeinheit des Lebendigen 1. 2. 3. Nebst Zellen, die am Aufbau von Geweben beteiligt sind, gibt es solche, die immer als Einzeller bestehen bleiben: Pflanzliche und tierische Einzeller. Grössen von Zellen: Zelllehre 6.2. Das elektronenmikroskopische Bild einer Pflanzenzelle: Zelllehre Zellorganellen (Natura Seite 340 / 341) Centriolen In jeder Zelle ist ein Paar zu finden. Sind am Prozess der Zellteilung beteiligt. Cytoplasma Zellflüssigkeit, in der die Organellen und gelöste Stoffe schwimmen. Dictyosom (Golgi-Apparat) Organell zur Lagerung und Transport von Proteinen und andern Baustoffen, welche die Zelle gebildet hat (an den Ribosomen). Kann auch solche Stoffe aus der Zelle ausscheiden. Endoplasmatisches Retikulum (ER) Ein Stapel flacher, membranumhülter Kanälchen und Säckchen. Ein Netzwerk, das das ganze Cytoplasma durchläuft. Der Syntheseort für Lipide (Fettmoleküle, welche z.B. Bestandteil von Membranen sind). An diesem Organellen sitzen teilweise viele Ribosomen. Mitochondrien (einz. Mitochondrium) Sind die Orte der energieliefernden Zellatmung, als die Kraftwerke der Zelle. Sie sind in Gestalt und Grösse recht unterschiedlich. Plastiden Sie kommen nur in Pflanzenzellen vor. Man unterscheidet Chloroplasten, Leukoplasten und Chromoplasten. Die Chloroplasten dienen der Photosynthese, die farblosen Leukoplasten beteiligen sich am Aufbau der Reservestärke, die roten und gelben Chromoplasten färben Blüten und Früchte. Ribosomen Diese sehr kleinen Organellen sind die Synthesestelle für Proteine. Vakuole In Tierzellen sind es kleine, mit Flüssigkeit gefüllte Räume. In Zellen höherer Pflanzen fliessen sie oft zu einem einzigen grossen Hohlraum zusammen. Dient der interzellulären Verdauung und der Speicherung von Stoffen. Mögliche Speicherstoffe: Zucker, Stärke, Farbstoffe, Geruchsstoffe in Wasser gelöst. Zellkern Enthält die Erbinformationen, die alle Vorgänge des Stoffwechsels, des Wachstums und der Entwicklung steuern. Färbt man den Zellkern an, erscheint ein wirres Fadenwerk, das Chromatin. Die Bestandteile des Chromatin sind DNA und Proteine (Histone). Zellmembran Umgibt jede Zelle. Aufgabe ist die Begrenzung. Es finden viele Stoffwechselprozesse hier statt. Zellwand Besteht aus Zellulose. Ist verantwortlich für die Stabilität des Lebewesens. Kommt nur in Pflanzen vor. Zelllehre Beispiel einer Pflanzenzelle (Prakikum): Rahmen: 1. Sie arbeiten alleine. JedeR SchülerIn bearbeitet während der Lektion alle Punkte. 2. Sie teilen Sich die Arbeit selber ein. 3. Sie arbeiten sauber, räumen Ihren Arbeitsplatz am Schluss wieder auf. 4. Sie erstellen einen Bericht (=Beantworten der Fragen), welchen Sie am Ende der Lektion abgeben. 5. Der Lehrer steht für Fragen und Hilfe zu Verfügung. Vorgehen: 1. Sie nehmen ein Blättchen der Pflanze Wasserpest vom Pult. 2. Legen Sie das Blatt auf einen Objektträger, und geben Sie einen Tropfen Wasser dazu. Decken Sie es mit einem Deckglas ab. 3. Erstellen sie bei mittlerer Vergrösserung eine Übersichtszeichnung, auf der mindestens fünf Zellen zu sehen sind. 4. Suchen Sie eine möglichst „schöne“ Einzelzelle und erstellen Sie bei der grössten Vergrösserung eine Skizze gemäss Anleitung (Praktikumskript) in einen Kreis von 10 cm Durchmesser. 5. Berechnen Sie anhand Ihrer Skizze die Länge der Zelle, den Durchmesser des Zellkerns und die Dicke der Zellwand. Kennzeichnen Sie die zur Berechnung verwendeten Stellen in der Zeichnung mit Pfeilen. 6. Lesen Sie den Theorieteil über die Organellen. Beschriften Sie das Schema. 7. Beschriften Sie Ihre Skizze. Sie werden bei dieser Vergrösserung nicht die Organellen erkennen, sondern nur die grossen. 8. Versuchen Sie sich eine Vorstellung über die räumliche Form der Zellen und auch der Organellen zu machen. Zelllehre Repetition: Aufgabe 1: Organellen-Kreuzworträtsel 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1. Haben nur Pflanzen. 2. Alle Zellen werden dadurch begrenzt. 3. Zellflüssigkeit (Cyto-…) 4. Ein Chloroplast, Leukoplast oder Chromoplast ist ein … 5. Abkürzung für ein Organell, welches Lipide bildet. 6. Hier findet die Zellatmung statt. (Mz.) 7. Hier findet die Photosynthese statt. (Mz.) 8. Speicherorganell 9. Hier befindet sich das Erbgut (DNA). (Zell…) 10. Entdecker der Dictysomen. Man hat sie auch nach ihm benannt. Lösungswort: Thema des heutigen Biologie-Morgens. Aufgabe 2: Organell ist eine Verkleinerungsform für Organ. Die Zellorganellen können als kleine Organe der Zelle betrachtet werden. Überlegen Sie Sich, mit welchen menschlichen Organen, sie folgende Organellen am ehesten vergleichen können: Organell Mitochondrium Zellwand Zellmembran Dityosom Vakuole Organ des menschl. Körpers Zelllehre Exkurs zum Basiskonzept der Kompartimentierung Zelllehre 6.3. Chloro-, Leuko- und Chromoplasten – die Plastiden Repetition: 1. Was ist Photosynthese? Ziel, Produkte etc.: 2. Welche Organellen spielen für den Stoffwechsel eine Rolle? Plastiden: - - Chloroplasten: Sind als Träger des grünen Blattfarbstoffes ‚Chlorophyll’ grün. In ihnen vollzieht sich die Photosynthese. Chromoplasten: Sie sind als Träger des roten Farbstoffes (Karotin) und des gelben Farbstoffes (Xanthophyll) rot oder gelb. Sie sind bei der Photosynthese mitbeteiligt und bewirken die Blüten-, Laubblatt und Fruchtfärbung. Leukoplasten: Sie sind farblos. In ihnen wird der bei der Photosynthese entstandene Zucker in Stärke umgewandelt. Sie kommen deshalb hauptsächlich in Speichergeweben vor. Sie können sich unter Umständen in Chloroplasten oder Chromoplasten umwandeln. Bild eines Chloroplasten. Rechts gezeichnetes Schema, links elektronenmikroskopishes Bild Die drei Plastidenarten befinden sich im Cytoplasma der Pflanzenzelle. Die grüne Farbe der Laubblätter resultiert aus der grossen Menge der Chloroplasten. Wenn man grüne Blätter eine Zeitlang belichtet, kann man in ihnen Stärke nachweisen. Diese Stärke nennt man primäre Stärke oder Assimilationsstärke. Die Aufnahmefähigkeit der Chloroplasten für Assimilationsstärke ist sehr begrenzt. Ausserdem ist nach längerem Abdunkeln eines Blattes in diesem keine Stärke mehr nachweisbar. Sie wird also vorwiegend nachts wieder zu Zucker abgebaut und wegtransportiert. Der Zucker wird dann in nichtgrüne Pflanzenteile Zelllehre transportiert und dort wieder in Stärke zurückgebildet. Dies geschieht in den Leukoplasten. Diese abgelagerte Stärke wird nun sekundäre Stärke oder Speicherstärke genannt. Bei der Keimung oder dem Austreiben im Frühjahr greifen die Pflanzen auf diesen Vorrat zurück. Die Stärke wird zu Traubenzucker gespalten, woraus die Pflanze praktisch alle Stoffe aufbaut, welche sie zum Leben benötigt. Im Herbst werden die Laubblätter bekanntlich bunt. Durch Ansäuern werden die Chloroplasten abgebaut und z. T. zu Chromoplasten umgebaut (Gelbfärbung der Blätter). Da gleichzeitig mit den Absterbeprozessen des Blattes Gerbstoffe gebildet werden, erscheint häufig auch der braune Gerbstoff in den Blättern (Braunfärbung). Ähnliches geschieht bei der Fruchtreifung. Aus den grünen Fruchtknoten entstehen oft gelbe Früchte. Die rote Blattfarbe hat nichts mit den Plastiden zu tun. Sie entsteht in den Vakuolen der Zellen. Zelllehre Praktikum Plastiden: A) Mikroskopisches Bild von Chloroplasten: Sie haben letzte Woche eine Zelle mit Chloroplasten mikroskopiert (Wasserpestspross). 1. Gehen Sie auf ihre Skizzen zurück. Beschreiben Sie in Stichworten ihre Beobachtungen (Wie sehen Chloroplasten aus, wie viele hat es in einer Zelle, wie gross sind sie etc.) B) Vergleich mit Kartoffeln / Peperoni: Präparationen: 1. Schneiden Sie mit dem Messer tangential ein Stück Korkhaut weg. Erstellen Sie dann einen möglichst dünnen Schnitt durch die unmittelbar darunter liegenden Zellschichten. 2. Erstellen Sie ein Präparat. 3. Ziehen Sie bei der Peperoni ein Stück der Haut ab. Erstellen Sie ein Präparat. Aufgaben: 1. Skizzieren Sie bei der 400x - Vergrösserung eine Peperonizelle mit Inhalt. (inkl. Grössenangaben, Beschriftung etc.) 2. Beobachten Sie die Plastiden. Notieren Sie einige Beobachtungen in Stichworten. Bestimmen Sie, um welches Plastid es sich handelt. 3. Geben Sie Kaliumiodid zu dem Kartoffelpräparat. Damit weisen Sie Stärke nach. Lesen Sie dazu im Praktikumsskript das Kapitel Färbungen. 4. Skizzieren Sie bei der 400x - Vergrösserung eine angefärbte Kartoffelzelle mit Inhalt. (inkl. Grössenangaben, Beschriftung etc.) 5. Beobachten Sie die Plastiden. Notieren Sie einige Beobachtungen in Stichworten. Bestimmen Sie, um welches Plastid es sich handelt. Kommentar. Vergleichen Sie die Plastiden. Weshalb finden wir diese Organellen in den entsprechenden Geweben? Welche Funktion nehmen Sie dort wahr? (5 Sätze) Zelllehre 6.4. Funktion und Aufbau des Zellkerns a) Bau des Zellkerns Zelllehre b) Klonen: Zelllehre c) Die DNA (Desoxyribonucleinacid) – der Träger des genetischen Codes 1. Theoretische Grundlagen: Aufgabe: Sie gehen auf mein Moodle-Konto. Dort finden Sie zwei Filme: Welt der Gene betrachten Sie die Filme ‚Im Zellkern sind die Chromosomen’ und ‚Chromosomen sind aufgewickelte Gen-Fäden’. Schauen Sie diese Filme und beantworten Sie die unten stehenden Fragen. Beantworten Sie folgende Fragen / Aufgaben: 1. Warum kommen Chromosomen immer in Paaren vor? 2. Wie viele Chromosomen hat ein Mensch? 3. Stimmt die Aussage: ‚Je höher entwickelt ein Lebewesen ist, desto mehr Chromosomen hat es’? 4. Wie wird beim Menschen das Geschlecht bestimmt? 5. Was versteht man unter der Doppelhelixstruktur der DNA? 6. Aus wie vielen ‚Buchstaben’ besteht die DNA? 7. Wie unterscheiden sich Bakteriengene von menschlichen Genen? 8. Welche Basen liegen sich auf den beiden Strängen gegenüber? Was bedeutet Schlüssel-Schloss-Prinzip hier? 9. Falls die Fragen nicht alle Aussagen abdecken, die Sie wichtig finden, machen Sie sich ergänzende Notizen. 10. Betrachten Sie die Darstellung von DNA. Was erkennen Sie alles? 11. Gehen Sie nach vorne zum Lehrerpult. Dort liegt ein dickes Buch. Vor mittlerweile 9 Jahren hat man das gesamte menschliche Erbgut entschlüsselt. Das Resultat ist das Buch. Das Buch ist 1 Chromosom des Menschen. Blättern Sie etwas im Buch. Lesen Sie die Codes und notieren Sie Ihre Eindrücke. Zelllehre Praktikum: Extraktion von DNA aus einer Tomate: Beobachten Vorgehen: 1. Ein Viertel einer Tomate mit dem Messer in möglichst feine Würfel schneiden und in das grössere der beiden Bechergläser geben. 2. 10 – 20 ml Extraktionspuffer dazugeben und den Inhalt des Becherglases während mindestens einer Minute mit dem Stempel der Pipette sehr gut zerdrücken. Es muss ein möglichst homogener Brei entstehen. 3. Den Inhalt des Becherglases durch den Kaffeefilter in das kleine Becherglas filtrieren. 4. Vom Filtrat 1.5 ml mit der Plastikspritze entnehmen und in die verschliessbare Flasche geben. 5. 1.5 ml Wasser dazugeben. 6. 6 ml Brennsprit mit der Spritze aufsaugen und langsam und ganz vorsichtig entlang der Wand des Becherglases hinunter rinnen lassen. Nicht schütteln! 7. Gefäss verschliessen und vorsichtig 2 – 3 x auf den Kopf und zurück drehen. Einige Minuten stehen lassen. Allenfalls nochmals kippen, aber unbedingt ohne heftige Bewegungen. -> Die DNA löst sich und wird sichtbar. Sie können Sie mit einem Zahnstocher herausfischen. Material: - Tomate Küchenbrett Messer Extraktionspuffer (pro Liter: 8.8 g Kochsalz, 44 g Natriumcitrat (Zitronensäure), 100 ml Spühlmittel) Brennsprit Filter und Trichter Plastikspritzen Zahnstocher 3 Gefässe (Becherglas gross, Becherglas klein, kleines verschliessbares Gefäss) Protokoll: Protokollieren Sie Ihre Beobachtungen und das Resultat. Zelllehre d) Die Chromosomen Die Erbinformation im Zellkern besteht aus einem langen Faden-Molekül, der Desoxyribonukleinsäure (DNS). Die DNS (englisch DNA) ist ein Kettenmolekül, das in Form von hintereinander gereihten Bauteilen, den Nukleotiden, die Erbinformation in linearer Form enthält, ähnlich unserer Schrift mit ihren Buchstaben. Die Reihenfolge der DNA-Bauteile kann in ein Merkmal übersetzt werden, wobei man die Menge der dazu benötigten Nukleotide als Gen bezeichnet. Die DNA enthält so verschiedene hintereinander angeordnete Gene. Das ganze DNA-Kettenmolekül ist in einzelne Teilstücke, die Chromosomen aufgeteilt. In der Zeit zwischen den Zellteilungen wird die DNA abgelesen und liegt in entspannter Fadenform vor. Man spricht von der Arbeitsform der DNA. Sie ist in diesem Zustand im Lichtmikroskop als leicht anfärbbare Substanz im Zellkern sichtbar und wird Chromatin (chromos, griechisch für Farbe) genannt. Bei der Zellteilung kommt es auch zur Kernteilung, wobei die Erbinformation identisch auf die beiden Tochterzellen verteilt werden muss. Die DNA wird dazu spiralisiert, aufgewickelt, und die Chromosomen werden in ihrer typischen Gestalt im Lichtmikroskop sichtbar. In dieser Form kann die DNA nicht mehr abgelesen werden, man spricht von der Transportform der DNA. Jedes Chromosom besteht aus zwei Teilen, den Chromatiden, die durch vorherige Verdoppelung entstanden sind und deren Erbinformation darum identisch ist. Die beiden Chromatiden sind am Zentromer miteinander verbunden. In den beiden Chromatiden befindet sich also ein gleiches Teilstück der DNA in stark aufgewickelter Form. DNA: Erbinformation, Gesamtheit aller Gene eines Lebewesens. Gesamtlänge in jeder menschlichen Zelle: 2m Chromatin: Teilstück der DNA. Enthält mehrere Gene. Durchschnittliche Länge Chromatid: Aufgewickelte (= organisierte Form) DNA Chromosom (Transportform): besteht aus zwei identischen Chromatiden Zelllehre Aufgaben: 1. Das Aufwickeln der DNA hat einen grossen Vorteil. Überlegen Sie: Beziehen Sie dabei mit ein, dass bei der Zellteilung die ganze DNA kopiert werden muss. 2. Definieren Sie diese für die Zellteilung sehr wichtigen Begriffe in eigenen Worten: Chromatin: Chromosom: Chromatid: 5. Beschriften Sie die Grafik mit den Begriffen Chromatid, Zentromer und Chromosom. Zelllehre e) Zellteilung (Mitose) Bedeutung der Zellteilung: Bei der Geburt besteht ein Mensch aus 60 Billionen Zellen, beim Erwachsenen steigt die Zahl auf 90 Billionen an. Zur Veranschaulichung dieser gigantischen Anzahl: Allein um diese Zellen zu zählen, müssten wir bei einer Zählgeschwindigkeit von 1 Zelle/Sekunde 3'000'000 Jahre (!) zählen. Die Zellteilung oder Mitose ist eine der wichtigsten Vorgänge in unserem Körper überhaupt. Das Ziel der Mitose ist: Wichtige Aspekte ihrer Bedeutung: + + Diploide und haploide Zellen Fast alle höher entwickelten Lebewesen sind diploid. Das heisst alle Körperzellen enthalten zwei Chromosomensätze, wobei sich die homologen Chromosomen paarweise in Grösse, Aufbau und Gestalt gleichen. Alle Lebewesen haben aber auch Zellen mit nur einem Chromosomensatz. Diese werden haploid genannt. Bei den höher entwickelten Lebewesen sind dies die Geschlechtszellen. Diese werden durch die Meiose gebildet. 1. Was heissen folgende Begriffe: homolog, haploid und diploid 2. Skizzieren Sie eine haploide Zelle mit 3 verschiedenen Chromosomen. 3. Skizzieren Sie dieselbe Zelle im diploiden Zustand. 4. In welchen Zellen eines Lebewesens kommen die beiden Zustandsformen vor und warum? Zelllehre Der grundsätzliche Ablauf der Zellteilung (Vereinfachtes Schema des Zellkerns) Zelllehre Aufgabe 1: Zellteilungsphasen (30 Minuten) 1. Arbeiten Sie zuerst alleine. Ordnen Sie die Bilder in der richtigen Reihenfolge. 2. Vergleichen Sie mit Ihrer Gruppenpartnerin 3. Kleben Sie die Bilder auf. 4. Lesen Sie die Texte zu den Phasen durch. 5. Beschriften Sie die Phasen auf dem Bild Ablauf der Mitose und Mitosephasen: Zelllehre Aufgabe 2: Mikroskopieren (20 Minuten) 1. Nehmen Sie ein Lichtmikroskop aus dem Beobachten Kasten. 2. Holen Sie ein Dauerpräparat einer Wurzelspitze vom Lehrerpult. 3. Betrachten Sie das Präparat unter dem Mikroskop. Zuerst in der kleinsten Vergrösserung. 4. Machen Sie eine einfache (!) Übersichtsskizze. 5. Suchen Sie Zellen die sich am Teilen sind. Sie werden Zellen in den verschiedensten Phasen der Mitose finden. 6. Wechseln Sie jetzt auf die grössere Vergrösserung und betrachten Sie mindestens 2 verschiedene Phasen der Zellteilung und eine Zelle, die in der Ruhephase ist. 7. Skizieren Sie je eine Zelle: 7.1. eine ‚normale’ Wurzelzelle: 7.2. die __________-Phase 7.3. die __________-Phase 8. Beantworten Sie folgende Fragen: a)Weshalb findet man in einer Wurzelspitze vielen Zellen die sich teilen? b) Welche Pflanzenteile könnte man wohl auch untersuchen, um Zellteilungen zu beobachten? c) In welchem menschlichen Gewebe würden Sie suchen, um ähnliche Bilder zu kriegen? Zelllehre Aufgabe 3: Zellzyklus (20 Minuten): 1. Nehmen Sie die Präparate aus Aufgabe 2: Gehen Sie auf der grössten Vergrösserung die Zellen aus. Wie viele befinden sich im in welcher Phase? 2. Berechnen Sie die prozentualen Anteile. 3. Wie interpretieren Sie dies, wenn Sie eine Aussage zu der Dauer der Mitosestadien machen müssen 4. Oft finden Sie in Büchern die unten stehende Darstellung des so genannten Zellzykluses. Verstehen Sie die Graphik? Was hat das mit Aufgabe 3 zu tun? Stimmen die oben gemessen Daten mit der Darstellung überein? M-Phase: Eigentliche Mitose G1-Phase (gap-phase): Wachstum und Stoffwechsel G2-Phase: Wachstum S-Phase (synthese-phase): Verdoppelung der DNA. Zelllehre Interphase: In der Interphase werden die Proteine für die Teilung gebildet (G-Phasen) und ausserdem wird die DNA-Menge verdoppelt (S-Phase). Prophase: Während der Prophase wird die DNA zur Transportform verdichtet. Die Chromosomen werden allmählich sichtbar. Ein Spindelapparat aus zahlreichen Eiweissmolekülen bildet sich zwischen den Polen. Am Ende der Prophase zerfällt die Zellmembran und die Chromosomen wandern in einer Prometaphase in die Äquatorialebene. Metaphase: Der Spindelapparat ist voll ausgeprägt. Die Chromosomen ordnen sich in der Äquatorialebene an. Da jede Zelle Erbmaterial von der Mutter und vom Vater übernommen hat, gibt es zwei äusserlich übereinstimmende Chromosomen. Jedes Chromosom besteht aus zwei identischen Spalthälften (Chromatid), da es in der Interphase verdoppelt wurde. Es hängen jetzt noch beide Chormatide eines Chromosoms zusammen. Anaphase: Die Chromatiden eines jeden Chromosoms werden von einander getrennt und bewegen sich entlang der Spindelfasern zu den entgegen gesetzten Polen. Am Ende der Anaphase befindet sich an jedem Pol eine Spalthälfte eines jeden Chormosoms. Telophase: Der Spindelapparat löst sich auf, die Chromatide lösen sich auf, einen neue Kernhülle bildet sich. Auf die Mitose folgt die eigentliche Teilung der Zelle. Tierische Zellen furchen, pflanzliche Zellen vergrössern sich nach aussen. Zelllehre Aufgabe 4: Textstudium Umgang mit Quellen (4) Zelllehre 6.5. Vom Gen zum Eiweiss: Die Ribosomen Bis jetzt wissen Sie: • Im Zellkern ist die genetische Erbinformation einer Zelle gelagert. • Träger dieser Information ist die DNA. Diese ist in Abschnitte unterteilt (beim Menschen 46), die sogenannten Chromosomen. • In jeder Zelle eines Körpers ist die gesamte DNA vorhanden. • Bei jeder Mitose wird die komplette DNA kopiert. • Gene sind die Baupläne für Eiweisse (Proteine). Wie werden die Gene in Proteine umgesetzt? Die für die Eiweisssynthese verantwortlichen Organellen sind die Rbosomen. Sie befinden sich einerseits schwimmend im Zellplasma andererseits am rauen ER. Ihre Aufgabe ist es ist, Eiweisse nach den im Zellkern gespeicherten Plänen – den Genen- herzustellen. Skizze: Aufgaben: 1. Fassen Sie die Proteinsynthese in eigenen Worten zusammen. 2. In der obigen Skizze erkennt man das Basiskonzept der Kompartimentierung. Diskutieren Sie mit ihrem Gruppenpartner das Konzept und die Bedeutung der Kompartimentierung in diesem Beispiel. 3. Was würde dann passieren, wenn es gelingen würde, ein Gen, das den Code für einen Farbstoff (z.B. rot) codiert, in die DNA im Zellkern der Zelle der Skizze einzufügen? 4. Wie heisst das Teilgebiet der Genetik, das sich mit solchen Fragen (Frage 3) beschäftigt? Zelllehre Zelllehre 6.6. Ein Modell - Die Zelle als Fabrik Um die grundsätzliche Funktionsweise einer Zelle zu veranschaulichen, wird die Zelle gerne mit einer Fabrik verglichen. Betrachten wir das Beispiel einer Kuchenfabrik. Was benötigt man, um Kuchen in grossen Mengen zu produzieren? Ihr Auftrag im Detail: Erste Phase: Bearbeiten Sie in Ihrer Gruppe folgende Aufgaben: 1. Füllen Sie in die Tabelle auf der Rückseite die Funktionen der einzelnen Zellorganellen ein (= erste Spalte der Tabelle). Dazu dürfen Sie alle Unterlagen verwenden. 2. Lassen Sie ihre Lösung durch die Lehrperson überprüfen, bevor Sie weiterarbeiten. 3. Diskutieren Sie mögliche Lösungen für das Fabrikmodell und füllen Sie die zweite Spalte der Tabelle aus. Welches Element einer Fabrik entspricht am ehesten den aufgelisteten Organellen? Zweite Phase in neuen Gruppen: Diskutieren Sie folgende Aufgaben: 1. Vergleichen Sie ihre Lösungen. Hatten Sie ähnliche Ideen? Welche Organellen haben Sie gleich besetzt? Wo unterscheiden sich ihre Lösungen? Können Sie sich einigen? 2. Bei grundlegenden Unsicherheiten können Sie auch ihre Lehrperson zu Rate ziehen. 3. Im Biologieunterricht werden oft Modelle präsentiert. Modelle eignen sich, um ein uns nicht sichtbares Phänomen anschaulich darzustellen. Das ist hilfreich und lehrreich. Modelle sind aber auch immer Vereinfachungen und weisen zum Teil Fehler auf. Denken Sie im Rahmen dieser Aufgabe auch über Möglichkeiten und Grenzen von Modellen nach: a. Hat dieses Modell (Zellfabrik) zum besseren Verständnis der Funktionsweise der Zelle beigetragen? b. Verstehen sie die Funktionsweise einer Zelle jetzt besser? c. Haben Sie Fehler entdeckt? d. Welche Sachinhalte, Elemente werden unglücklich dargestellt? Was irritiert Sie? e. Wir haben bereits andere Modelle kennen gelernt: DNAModell, Modelle bei der Lunge (Rippenatmung, Zwerchfellatmung) etc. Welches dieser Modelle fanden Sie besonders gut? Welches schwierig? f. Ganz allgemein: Was macht ein gutes Modell aus? ... Lysosom Mitochondrium Vesikel Golgi-Apparat ER Entstehendes Protein Zellkern Ribosom Zellorganell / Zellbestandteil DNA Zelllehre Aufgabe Fabrikvergleich Zelllehre Zelllehre 6.7. Vergleich von tierischen und pflanzlichen Zellen Zelllehre Zelllehre 6.8. Die Zellmembran: Aufbau und Stoffwechselprozesse a) Bau und Struktur einer Biomembran Aufgabe Textstudium Bearbeiten Sie den Text folgendermassen: 1. Lesen Sie den Text als Ganzes durch. 2. Lesen Sie den Text Abschnitt für Abschnitt durch. Markieren Sie die wichtigsten Aussagen und notieren Sie diese am Rand oder auf einem Zusatzblatt. 3. Schlagen Sie Wörter, die Sie nicht verstehen, im Internet oder einem Wörterbuch nach. 4. Fassen Sie aufgrund der Stichworte von Punkt 2 den Text in ganzen Sätzen, in der Zeitform Präsens zusammen. 5. Beantworten Sie die Frage im Anhang Die Biomembran – eine raffinierte Grenzschicht Chemische Grundlage - die Lipide Lipide sind eine Gruppe von unterschiedlichen Molekülen mit ähnlichen Eigenschaften. Sie sind unlöslich in Wasser (also nicht mit Wasser mischbar) aber löslich in gewissen Lösungsmitteln wie Aceton oder Benzin. Die bekannteste Gruppe der Lipide sind die Fette. Ein typisches Lipid (ein Tryglycerin) wird aus drei Molekülen aufgebaut. Ein Molekül Glycerin bindet an mehrere Fettsäure-Moleküle. Diese Molküle können recht gross werden. (Abb. 1) Abb. 1 Biomembrane bestehen hauptsächlich aus solchen Lipidmolekülen. Dabei kommt eine besondere Eigenschaft dieser Moleküle zum Tragen. Der Glycerinkopf des Moleküls ist hydrophil, der lange Schwanz aus den Fettsäuren ist hydrophob. Bringt man diese Moleküle in Wasser, ordnen sie sich in einer Schicht an der Wasseroberfläche an, weil ihre hydrophoben Schwänze aus dem Wasser gedrängt werden. Oft bilden Sie dann eine hauchdünne Schicht, die aus einer einzigen Lage von Lipid-Molekülen besteht (Abb. 2 links). In Zellen liegen Lipide hingegen meist als Lipiddoppelschicht vor. Die hydrophoben Schwänze der Lipidmoleküle richten sich gegeneinander aus. Diese Anordnung macht Sinn, da so die hydrophoben Schwänze der Lipidmoleküle nicht in Kontakt mit der wässrigen Umgebung stehen. Abb. 2 Zelllehre Bau einer Lipiddoppelschicht Biomembrane sind also Lipiddoppelschichten. Dies kann man auch im elektromikroskopischen Bild erkennen (Abb. 3). Diese Membranen sind ca. 7 nm (Nanometer) dick. Abb. 3 Das Flüssig-Mosaikmodell der Membran Nach dem 1972 von Singer und Nicolsen vorgeschlagenen und heute noch gültigen Flüssig-Mosaik-Modell können sich die Lipid-Moleküle innerhalb der Schicht bewegen wie in einem zähflüssigen Harz. In dieser zähflüssigen Schicht schwimmen Proteine (Abb. 4). Sie tauchen mehr oder weniger in die Lipid-Doppelschicht ein oder reichen sogar bis auf die andere Seite durch die Membran hindurch. Tunnelproteine bilden Tunnel, in denen hydrophile Stoffe die Membran durchqueren können. Weil in diesem Modell die Proteine in der flüssigen Lipidschicht verteilt sind wie Steinchen in einem Mosaik, nennt man es Flüssig-Mosaik-Modell. Eine Membran ist folglich kein starres Gebilde. Die Lipidmoleküle verschieben sich gegeneinander, und die Proteine treiben durch die Schicht wie Eisberge im Wasser. Die Struktur der Membran ist also veränderlich. So können sich die Eigenschaften (z.B. Durchlässigkeit), Form und auch Grösse der Membran verändern. Abb. 4 Zelllehre Aufgaben von Membranen Membrane grenzen Zellen und auch gewisse Organellen gegen die Umgebung ab, wobei abgrenzen nicht isolieren oder völlig abdichten bedeutet. Membrane ermöglichen und regulieren den Austausch von Stoffen und Informationen. Sie wirken selektiv, indem sie für gewisse Stoffe durchlässig sind und für andere nicht. Diese Durchlässigkeit kann gezielt verändert werden. Eingebaute Proteine an der Aussenseite einer Membran können als Rezeptoren (lat. Empfänger) wirken. An diese Rezeptoren können Botenstoffe binden. Durch diese Bindung verändert sich der Rezeptor und löst so im Innern der Zelle oder des Zellorganells eine Reaktion aus. Im Fall der Zellmembran übernimmt die Membran durch ihre eben beschriebenen Eigenschaften wichtige Aufgaben bei Stoffaustausch- oder Erkennungsvorgängen, bei Kommunikation zwischen Zellen und bei der Reizbarkeit von Zellen. Kontrollaufgabe: Welche Aussagen über die Biomembran sind zutreffend? Korrigieren Sie die falschen. A) Die Eiweisse der Membran bilden eine Doppelschicht. B) Die Membran lässt nur hydrophile Stoffe durch. C) Die Schichten, die im Bild mit dem Elektronenmikroskop (Abb. 3) als dunkle Linien sichtbar sind, bestehen aus Eiweissen. D) Die Eiweissmoleküle sind fest in die Lipiddoppeschicht eingebaut. E) Die mittlere Schicht der Membran, welche im Bild mit dem EM (Abb. 3) sichtbar ist, besteht aus den hydrophilen Schwänzen der Lipidmoleküle. F) Die Membran kann ihre Durchlässigkeit verändern. G) Eiweisse können Kanäle bilden, welche den Transport hydrophiler Teilchen ermöglichen. Nach Biologie: Grundlagen und Zellbiologie, Büttikofer et. al., Compendio 2003, abgeändert Zelllehre b) Diffusion 1. Das Diffusionsphänomen – Ein einfacher Versuch Moleküle streben aufgrund ihrer Eigenbewegung (Siehe Punkt 4) danach, sich in einem abgeschlossenen Raum gleichmässig zu verteilen. Auch in Flüssigkeiten gelöste Teilchen z.B. Farbstoffteilchen bewegen sich in der Lösung unter dem ständigen Zusammenprallen hin und her und breiten sich im ganzen zu Verfügung stehenden Raum langsam aus. Versuch: Geben Sie ein kleines Stückchen Kaliumpermanganat in eine Petrischale und beobachten Sie die Ausbreitung Beobachtung Zeit: Man sagt: Die Farbstoffteilchen diffundieren im Wasser hinein. Aber auch die Lösungsmittelmoleküle (hier Wasser) zeigen diese Teilchenbewegung und diffundieren ihrerseits in die Farbstoffteilchen. Diese Durchmischung geht so lange vor sich, bis überall im Gefäss die gleiche Konzentration herrscht. Die Moleküle des gelösten Stoffes sind zwar auch jetzt noch in ständiger Bewegung, doch bleibt die gleichmässige Verteilung erhalten -> Ein dynamisches Gleichgewicht. Zelllehre Zelllehre 2. Der Einfluss der Temperatur auf die Geschwindigkeit der Diffusion Versuch: Füllen Sie in das eine Becherglas kaltes Wasser vom Wasserhahn in das andere kochendes Wasser aus dem Wasserkocher. Hängen Sie je einen Beutel Hagebuttentee in das Glas. Warten Sie fünf Minuten und notieren Sie die Beobachtung: 3. Der Einfluss des Konzentrationsunterschiedes auf die Geschwindigkeit der Diffusion Die Geschwindigkeit der Diffusion ist vom Konzentrationsunterschied des diffundierenden Stoffes abhängig. Wie das Experiment mit dem Kaliumpermanganat zeigt, nimmt die Diffusionsgeschwindigkeit mit der Zeit ab. Grund dafür ist die Abnahme des Konzentratsionsunterschiedes. Ähnlich wie ein Bach langsamer fliesst, je kleiner das Gefälle ist, diffundiert ein Stoff umso langsamer, je kleiner das ‚Konzentrationsgefälle’ ist. Überlegungsaufgaben: 1. Welches Wasser wird schneller trüb? Wasser Sirup Verdünnter Sirup (50%) 2. Rückblick in die Humanbiologie: In der Lunge diffundiert Sauerstoff von der Luft ins Blut. Die eingeatmete Luft hat 21% Sauerstoff, die ausgeatmete Luft noch etwa 16%. Warum behalten wir die Luft nicht solange in der Lunge, bis sie keinen Sauerstoff mehr enthält? Zelllehre 4. Der Antrieb der Diffusion: Die brownsche Molekularbewegung Mikroskopieren Sie einen mit Wasser verdünnten Tropfen Kaffeerahm und notieren Sie kurz Ihre Beobachtung: Beobachtung Betrachtet man einen Tropfen verdünnter Milch bei stärkster Vergrösserung im Mikroskop, so erkennen wir zitternde Bewegungen der Fetttröpfchen. Durch das (unsichtbare) Auftreffen der Wassermoleküle auf die Fetttröpfchen werden diese in eine ständig zitternde Bewegung versetzt. Derartige Zitterbewegungen von suspendierten Teilchen, verursacht durch die Stösse einzelner Moleküle des umgebenden Mediums, heissen nach ihrem Entdecker: Brownsche Molekularbewegung. Die Moleküle einer Flüssigkeit (wie auch die eines Gases) befinden sich also in ständiger Bewegung. Diese Eigenbewegung der Teilchen ist ungerichtet. Die Intensität der Bewegungen ist dabei abhängig von der Temperatur und vom Druck. Zelllehre c) Osmose: Zellmodell von Diffusion und Osmose Zelllehre Zelllehre Drei Versuche zur Osmose: Beobachtung Aufgabe: Notieren Sie sich je den Versuchsaufbau, die Resultate und die Interpretation des Versuchs: 1. ‚Würstliversuch’: 2. Versuch mit Eiern: Zelllehre 3. Osmose bei roten Blutkörperchen: Zelllehre Osmoseprogramm: Rahmen: Arbeiten Sie in 2-er-Gruppen Das Programm besteht aus zwei Versuchen, einem Modellvergleich und mehreren Denkaufgaben. Sie haben für alle Aufgaben 80 Minuten Zeit. 1. Pommes-Frittes-Versuch: Vorgehen: 1. Lesen Sie den aufliegenden Text über den theoretischen Aufbau eines Versuches. 2. Schneiden Sie aus Kartoffeln vier gleich breite Stängel. Schneiden Sie diese soweit zurecht, dass alle gleich lang sind. 3. Nehmen Sie vier Reagenzgläser und machen vier Lösungen (1 x reines Dest-Wasser, 1x 1%-Zuckerlösung, 1x 5%-Zuckerlösung, 1x 20%Zuckerlösung) 4. Geben Sie je ein Kartoffelstückchen in ein Reagenzglas. 5. Lassen Sie Gläser eine Stunde stehen. 6. Beobachten und messen Sie die Veränderungen. 7. Protokollieren Sie gemäss Anleitung. 2. Spielen mit dem Osmosemodell: 1. Nehmen Sie eine Plexischale mit Holzperlen an den Platz. Stellen Sie die kleine Trennwand auf (= semipermeable Membran) 2. Versuchen Sie auf der einen Seite kleine und auf der anderen Seite grosse Kugeln zu platzieren. 3. Schütteln Sie nun die Schale leicht. 4. Beobachten Sie die Verteilung der Kugeln nach 2-3 x Schütteln. 5. Beobachten Sie die Verteilung der Kugeln nach 20 x Schütteln. 6. Erklären Sie, wie dieses Modell die Osmose erklären kann. Nehmen sie diese dieses Modell zu Überlegungen zum Versuch 1. 3. Alltägliche Osmosephänomene: 1. Lachse schlüpfen im Süsswasser. Sie wandern dann flussabwärts ins Meer. Den grössten Teil des Lebens verbringen Sie dort. Welches Problem müssen sie beim Wechsel lösen? 2. Meine Mutter sagte immer: von Cola kriegt man nur noch mehr Durst. Weshalb ist die Behauptung wahrscheinlich richtig? 3. Im Winter werden die Strassen bei uns gesalzen. Das übermässige Ausbringen von Streusalz ist für Bäume schädlich. Warum? 4. Viele einheimische Pflanzen würden am Meer nicht überleben. Weshalb? 5. Weshalb sagt Ihre Mutter, Sie sollen die Sauce erst ganz am Schluss an den grünen Salat tun? 4. Bringen Sie eine Vakuole zum Schrumpfen! Die Plasmolyse. Vorgehen: 1. Mikroskopieren Sie eine Zwiebelhautzelle. Zelllehre 2. Geben Sie hochkonzentrierte Salzlösung dazu. 3. Beobachten Sie und machen eine einfache Skizze der Veränderung. 4. Lesen die Theorie im Buch Seite 345 nach (allenfalls HA)! 5. Dateninterpretation: Bei einem Versuch mit Plasmolyse haben Sie folgende Resultate beobachtet: 1. Zeichnen Sie ein Diagramm. Auf der X-Achse tragen Sie die Konzentration ein, auf der Y-Achse die Anzahl Zellen mit und ohne Plasmolyse. 2. Bei welcher Konzentration ist die Hälfte der Zellen in Plasmolyse? 3. Interpretieren Sie das Resultat. 6. Lesen Sie die folgende Notiz zur Vergiftung mit Wasser. Können Sie das erklären? Ein 21-jähriger Student in den Niederlanden wollte einer studentischen Verbindung beitreten. Das dazu gehörige Aufnahmeritual bezahlte er fast mit dem Leben: Er hatte in kurzer Zeit rund sechs Liter Wasser trinken müssen. Daraufhin erlitt der Mann einen epileptischen Anfall und fiel ins Koma, aus dem er erst eineinhalb Tage später erwachte. Dies berichtete die Zeitung "Algemeen Dagblad". Hausaufgabe: Gehen Sie im Internet auf folgenden Link und bearbeiten Sie das Programm. Vor allem das Quiz! http://www.mallig.eduvinet.de/bio/11osmose/osmueber.htm Zelllehre d) Transportvorgänge an Membranen: 1. Lesen Sie den Text in Ihrem Schulbuch Natura auf Seite 342. 2. Betrachten Sie die Grafik 2. Betrachten Sie die verschiedenen Transportprozesse. 3. Füllen Sie die unten stehende Grafik aus: Einfache Diffusion Welche Moleküle werden transportiert? Benötigt Prozesse Benötigt Prozess Energie? Fliessrichtung Kleine Moleküle, die durch die semipermeable Membran passen Konzentrationsunterschied nein Von hoher zu niedriger Konzentration Kanalvermittelte Diffusion Carrier vermittelte Diffusion Aktiver Transport Zelllehre e) Vesikel – Das System zum Transportieren und Speichern Endocytose und Exocytose Zelllehre Der Golgi-Apparat bildet Vesikel:
