Kapitel 6 Zelllehre

Werbung
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:
Herunterladen
Explore flashcards