Die Zelle + Bau und Funktion eines Lichtmikroskopes

durchsichtig ist. Dies ist nur bei alten Zellen der Fall. Bei sehr jungen Zellen erfüllt das Plasma noch den ganzen Raum der Zelle.

Plasma ist die lebende Substanz der Zelle, kann wachsen und sich vermehren. Mit zunehmendem Wachstum bilden sich zellsaftgefüllte Hohlräume, die Vakuolen. Die Vakuole enthält eine wäßrige Lösung verschiedener organischer und anorganischer Stoffe.

Auch der Zellkern ist in der Zelle enthalten. Dieser Zellkern liegt häufig an einer Wandfläche. Um den Zellkern besser zu erkennen, kann man die Zelle färben oder fixieren. Bei der Färbung wird der Kern nur farbig hervorgehoben, jedoch bei der Fixierung wird die Zelle abgetötet und gleichzeitig gefärbt.

Bei der Untersuchung tierischer Zellen ( z.B. Mundschleimhaut)

können wir eine Vielzahl von Zellen erkennen. Durch Färbung des Präparates können wir die Zellstruktur deutlicher sehen. Hierbei fällt auf, dass die Zelle keine Zellwände wie die Pflanzenzelle enthält, sondern nur eine dünne, elastische Zellmembran. Auch die für die ältere Pflanzenzelle typische Vakuole fehlt. Der Raum um den Zellkern ist wie bei der jungen Pflanzenzelle vollständig mit Plasma gefüllt.

Das Elektronenmikroskop und seine Besonderheiten

Ein Lichtmikroskop kann zwei Punkte die in einem bestimmten Abstand liegen erkennen und somit differenzieren.

Durch eine Elektronenquelle hingegen kann man kleinste Teilchen perfekt erkennen. Das Lichtmikroskop hat ein Auflösungsvermögen von 300µm und ein Elektronenmikroskop ein Auflösungsvermögen von 2µm.

Als Elektronenquelle dient ein auf etwa 2500°C erhitzter Wolframdraht, der an seiner Kathode eine Hochspannung von -1000000 Volt hat. Die austretenden Elektronen werden auf ²/ der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. Es tritt durch die Anode ein extrem schneller (kurzwelliger) Elektonenstrahl auf.

Die Säule des EM muß völlig Luftleer gepumpt werden, da selbst Moleküle und Atome den Elektronenstrahl ablenken könnten.

Das EM enthält ebenfalls einen Kondensor, ein Objektiv und ein Okular. Der Unterschied ist nur, dass diese drei Dinge magnetisch sind.

Elektronenstrahlen sind für das Auge nicht sichtbar, also muß man das erzeugte „Bild“ auf einen Leuchtschirm projizieren. Allerdings kann ein EM im Gegensatz zum LM nur schwarz-weiße Abbildungen produzieren und man kann damit auch nur tote Objekte mikroskopieren.

Bei der Präparartion von Objekten für das EM muß man nacheinander die Schritte Fixierung, Entwässern, Einbetten, und Schneiden durchführen.

Fixierung: Bei den EM müssen lebende Objekte zuerst fixiert

werden. Dies geschieht mit Hilfe von den Substanzen Kaliumpermanganat oder Glutaraldehyd. Diese Fixierung muß sehr schonend sein, da das Objekt ihren Originalzustand beibehalten soll.

Entwässerung: Das Objekt muß für das EM extrem wasserfest

sein, da schon kleine Spuren von Wasser den

Einbettung: Bei diesem Schritt wird das wasserfreie Objekt in

ein Einbettungsmittel gegeben (z.B. Metarcyrl) wie

Schnitt: Wir schneiden unsere Objektscheibchen mit einer

Rasierklinge. Soll das Objekt jedoch in ultradünne Scheiben geschnitten sein, benutzt man das Ultramikrotom, welches das Objekt mit Glas- oder Diamantenmesser schneidet.

Präparate, bei welchen nur eine schlechte Struktur erkennbar ist, müssen kontrastiert werden. Hier gibt es drei Möglichkeiten der Kontrastierung.

1. Schrägbedampfung : Das Objekt wird schräg mit Metalldampf bedampft. Der Metalldampf (Gold oder

2. Negativkontrastierung : Wir geben auf das Objekt Phosphorwolframsäure. Dort, wo

3. Gefrierätzung: Bei dieser Methode wird das Objekt mit flüssigem Stickstoff eingefroren, um es zu verfestigen. Danach wird die Oberfläche abgehoben und die Erhebungen werden bedampft. Die abgehobene und bedampfte Haut kann nun mikroskopiert werden.

Die Zellwand

Die Zellwand kann unterschiedlich dick sein.

In der Zellwand ist die Zellulose enthalten, welche sich bei Wasseraustritt zu Fadenmolekülen in mehreren Bündeln, den Mikrofibrillen, zusammensetzen.

Die Mikrofibrille sind die Baueinheiten der Zellwand. Zellulose hat eine große wirtschaftliche Bedeutung, es ist in Holz und Papier enthalten ; unser Körper kann die Zellulose in Traubenzucker zerlegen.

Schichtenbau der Zellwand

Eine neue Zellwand bildet sich jeweils bei der Zellteilung. Es wird eine dünne Haut, die Primordialwand, angelegt. Sie bleibt als Mittellamelle erhalten (diese wird z.B. bei Fäulnis durch Bakterien zuerst befallen).

Auf der Primordialwand lagern die Primärwände, die noch dehnungsfähig sind und in denen die Mikrofibrille in einer Streuungsstruktur angeordnet sind. Mit dem Wachstum der Zelle müssen auch die Zellwände mitwachsen, was zu einer Wandverdünnung führt. Diese Wandverdünnung wird durch erneute Auflagerung von Fibrillennetzen ausgeglichen.

Dieses Wachstum der Primärwände hält solange an, bis die Zelle ihre endgültige Größe erreicht hat. Sobald die Primärwand fertig ist, setzt das Dickenwachstum der Zellwand ein, das auf beiden Seiten der Primärwand relativ starre Schichten auflagert.

So entsteht der Hauptteil der Zellwand ausmachenden Sekundärwand. In ihr sind im Gegensatz zu den Primärwänden die Mikrofibrille parallel , von Schicht zu Schicht gekreuzt, angeordnet. Dies nennt man Paralleltextur.

Zum Schluß des Wandwachstums kommt noch die Schicht der Abschlußlamelle oder Tertiärwand hinzu.

Mikrofibrille: Jede einzelne Mikrofibrille setzt sich noch mal

aus 15 bis 20 Elementarfibrillen oder

Das Cytoplasma und der Zellkern

Das Cytoplasma (Plasma) haben wir in allen lebenden Zellen gefunden. Dies ist ein leicht körniger Inhalt, in den der Zellkern eingebettet ist. Das Plasma ist die lebende Substanz der Zelle. Sie ist durch eine Zellmembran nach außen abgeschlossen. Bei der pflanzlichen Zelle ist das Plasma noch von einer Zellwand umschlossen.

Das Plasma ist keine strukturell einheitliche Masse. Im Plasma sind der Zellkern, die Plastiden und die Mitochondrien enthalten.

Weiterhin kann man durch das EM Membransysteme, Ribosomen und Microtubuli erkennen. Alle diese Zellbestandteile haben bestimmte Funktionen zu erfüllen, es sind die „Organe der Zellen“ dar und werden als Zellorganellen bezeichnet.

Das Plasma wechselt zwischen dem flüssigen Sol- und dem festeren Gelzustand. Oft sieht man ein körnerfreies, festeres Ektoplasma und ein körnerreiches, flüssiges Endoplasma, die auch nebeneinander im Plasma bestehen können.

Kompartimierung: In der Zelle laufen auf engstem Raum viele

Lebensvorgänge ab. Damit das möglich ist, muß eine hochkomplizierte Organisation des Plasmas vorhanden sein.

Das Plasma ist durch die Membranen in viele abgeschlossene Räume aufgeteilt. Dadurch können verschiedene Stoffwechselvorgänge in diesen Räumen unabhängig voneinander ablaufen.

Diese Aufteilung der Zelle in verschiedene Räume bezeichnet man als Kompartimierung.

Zellkern

Meistens besitzt eine Zelle nur einen Zellkern (Nucleus). Sie ist ohne ihren Zellkern nicht lebensfähig. Im Inneren des Kerns ist das Kernplasma, durch eine Kernhülle vom Cytoplasma abgegrenzt.

Das Kernplasma besteht aus einer durchsichtigen, flüssigen Grundsubstanz und einem Gerüst feinster Fäden.

In dem Zellkern ist die DNA, die genetischen Erbinformationen enthalten. Im Kern sind außerdem regelmäßig Kernkörperchen zu erkennen. Plastiden

Plastiden ist die Gruppe verschiedener Zellorganellen, wie Chloroplasten, Chromoplasten und Leukoplasten.

Chloroplasten: Sie sind kugel- oder linsenförmig und treten in

Pflanzenzellen auf. Sie sind für die

Chromoplasten: Sie können rundlich sein, sind jedoch oft eckig,

nadel- oder sichelförmig (durch Kristallation

Leukoplasten: Diese Teilchen sind meistens rundlich, sie

enthalten im Gegensatz zu den anderen Zwei

Die Vakuole und der Zellsaft

Verschiedene Pflanzen haben verschieden viel Flüssigkeit, den sogenannten Zellsaft in ihrer Zelle enthalten. Der Zellsaft ist in den Vakuolen, das sind besondere Hohlräume im Plasma, enthalten. Die Vakuole tritt nur in pflanzlichen Zellen auf, sie ist von einer Membran, dem Tonoplasten, umschlossen und dadurch von dem Plasma abgegrenzt.

Bei einer jungen Zelle füllt das Plasma den ganzen Zellraum gleichmäßig aus. Sobald sich die Zelle vergrößert, treten im Plasma kleine Hohlräume auf, die sich mit Zellsaft füllen. Die am Anfang nur kleinen Vakuolen werden größer und fließen ineinander.

Erst sind noch Plasmaschichten, später nur noch Plasmafäden in der Zelle vorhanden. Der Zellsaft wird immer mehr, und am Ende des Wachstums hat sich das Plasma in die Zellwand zurückgezogen und die Zelle ist nun komplett (bis auf den Zellkern) mit einer Großen Vakuole gefüllt.

Der Zellstoff ist eine wäßrige Lösung organischer und anorganischer Stoffe, die von der Art der Zelle verschieden sind.

Wir unterscheiden zwei Stoffgruppen in der Vakuole:

Reservestoffe: Diese Stoffe sind vorübergehend aus dem

stoffwechsel der Zelle herausgenommen worden

Exkrete: Dies sind Stoffwechselprodukte, die die Pflanze nicht

mehr benötigt. Exkrete können sogar sehr giftig sein, wenn sie nicht durch eine Membran vom übrigen Plasma abgetrennt werden. Die Pflanze kann im Gegensatz zum Tier diese Exkretionen nicht ausscheiden (innere Exkretion).

Das elektromikroskopische Bild der Zelle

Kern und Kernhülle

Die Kernhülle wird von zwei Membranen gebildet.

Zwischen dieser Doppelmembran ist ein Spalt; in dieser gesamten Hülle sind die Kernporen (kanalähnlich), durch die ein kontrollierter Austausch von Stoffen zwischen dem Kerninnenraum und dem Plasma abläuft.

Das Kernplasma zeigt im EM nur schwach abgegrenzte Strukturen, wie z.B. das Kernkörperchen, das einzeln oder vermehrt vorkommen kann. Es hat einen hohen Gehalt von Proteinen (80%) und Ribonucleinsäuren (15%).

Das Chromatin ist ein fädiges Netzwerk im Zellkern, das erst durch Färbung erkennbar ist.

Der Zellkern ist die Steuerzentrale der Zelle. Er enthält (auf den Chromosomen) die Erbinformationen. Zellen ohne Zellkern können sich nicht mehr teilen und leben nur noch kurze Zeit.

Endoplasmatisches Reticulum

Im Zellplasma ist ein weit verzweigtes Kanalsytem, das Endoplasmatische Reticulum (ER) zu erkennen. Das ist ein Membransystem von flächigen Hohlräumen, Röhren oder Bläschen, das bestimmte Teile vom Zellplasma abgrenzt. Man nennt diese Hohlräume... Zisternen. Auch der Kern gehört zum ER. Oft sind große Bereiches des ER mit kleinen Teilchen besetzt, den Ribosomen. Die ribosomenreiche Membran nennt man rauhes ER, die ribnosomenfreie Membran heißt glattes ER.

Das ER dient zum Transport von Eiweißketten, an den Ribosomen des Er läuft die Eiweißsynthese ab. Das ER hat auch die Funktion der Stoffumwandlung, da auf der Oberfläche von ER-Membranen zahlreiche Enzyme gebunden sind, welche körpereigene und körperfremde Substanzen umsetzen können.

In unserem Muskel ist das Sarkoplasmatische Reticulum vorhanden, es speichert, nimmt Calium- Ionen auf und gibt sie auch ab.

Ribosomen

Die Ribosomen können zu einer spiralig gewundenen Kette aufgereiht werden, man nennt sie dann Polysomen. Alle Ribosomen enthalten Ribonucleinsäure und Eiweiß, sie sind außerdem in zwei Untereinheiten aufgeteilt.

In den Ribosomen läuft die Proteinbiosynthese ab. Einzelne Aminosäuren werden an den Ribosomen zu Proteinketten aneinandergefügt.

Mitochondrien

Die Mitochondrien sind kleine runde oder längliche Zellorganellen. Sie besitzen eine Doppelmembran, die durch einen kleinen Zwischenraum getrennt ist. Die innere Membran ist vielfach eingestülpt (röhren- oder lamellenartig) und der Innenraum des Mitochondriums ist mit einer Grundsubstanz, der Matrix, gefüllt. Man fand heraus, dass die Mitochondrien sich in ihrer Größe und Form erheblich verändern können.

Die Mitochondrien werden als die „Kraftwerke der Zelle“ betrachtet, da in ihnen die Energiegewinnung abläuft.

Sie enthalten alle Enzyme für die Zellatmung, und besitzen nebenbei auch das Enzyme für den Fettabbau und einen Teil des Kohlenhydratabbaus.

Die Enzyme sind direkt an die Membran gebunden. An der Membraninnenseite sind gestielte Köpfchen, die Elementarpartikel, zu erkennen. Hier findet während der Zellatmung die Energiegewinnung statt.

In der Matrix sind ebenfalls eine Vielzahl von Enzymen enthalten, die DNA ist hier gelagert und auch der Abbau von Fettsäuren und die Umsetzung von Aminosäure findet hier statt. Jedoch liegt für die Mehrzahl der Mitochondrieneiweißstoffe die DNA auf den Chromosomen des Zellkerns.

Chloroplasten

Die Chloroplasten sind in allen Pflanzenzellen enthalten. Sie sind von einer durchgehenden Doppelmembran umgeben, die den Chloroplasteninnenraum umschließt.

Dieser Innenraum wird von zahlreichen flachen Membranen, den Thylakoiden, durchzogen, die in manchen Bereichen geldrollenartig gestapelt sind, was man Grana nennt. Die innere Oberfläche des Chloroplasten wird durch die Übereinanderschichtung der Chloroplastenmembran, die sich nach innen einfaltet und die Grana bildet, stark vergrößert. Die Grundsubstanz in der die Thylakoiden eingebettet sind, nennt man Stroma. Diese Stroma ist chlorophyllfrei, aber es laufen wichtige Stoffwechselprozesse darin ab. Es werden Stärke und Fett als Stärke- bzw. Als Fetttröpfchen abgelagert und die Stroma enthält auch mehrere ringförmige DNA-Moleküle.

Die Thylakoiden bestehen etwa zu gleichem Teil aus Lipiden ( fettähnliche Stoffe) und

Proteinen. Ein Viertel der fettähnlichen Stoffe bestehen aus Chlorophyll. In den Chloroplasten läuft an den Thylakoidenmembranen die Photosynthese ab. Es gibt zwei Möglichkeiten zur Entstehung der Chloroplasten. Zum einen entstehen sie bei der Teilung ihresgleichen, zum zweiten gehen sie genauso wie die Plastiden aus den Proplastiden hervor. Die Proplastiden sind kleine Zellorganelle, die von einer Doppelmembran umgeben ist und deren innere Membran sich einstülpt. Zur vollständigen Entwicklung brauchen die Chloroplasten

Licht. Ist das Wachstum beendet heben Grana- und Stromathylakoide keinen Kontakt mehr zur umhüllenden Doppelmembran.

Dictyosomen (GOLGI-Apparat)

Der Golgi-Apparat besteht aus zahlreichen Membranstapeln, den Dictyosomen. Heute wird die Gesamtheit der Dictyosomen als Golgi-Apparat gesehen.

Dictyosomen sind Stapel von 4 - 12 flachen Hohlräumen, die Hohlräume nennt man Zisternen. An den Rändern sind diese Zisternen oft durchbrochen und schnüren kleine Bläschen, die Golgi-Vesikel, ab. Man nimmt an, dass die Dictyosomen aus Teilung oder auch aus Material des ER hervorgehen.

Die Dictyosomen haben je nach Zellenart verschiedene Aufgaben:

In der pflanzlichen Zelle geht die Bildung der Zellmembran und der Zellwand auf die Dictyosomen zurück. Die erste trennende Membran entsteht z.B. durch zusammenfließen der Golgi-Vesikel und auch Zellwandsubstanzen werden in den Dictyosomen zusammengebaut.

In tierischen Zellen geht vor Allem die Bildung eiweißhaltiger Sekrete auf die Dictyosomen zurück. Allerdings werden diese Glycoproteine an den Ribosomen des ER gebildet und von dort zu den Dictyosomen gebracht, die sie in den Golgi-Vesikel verpackt weiter transportieren.

Diffusion und Osmose

Die Teilchen einer Flüssigkeit befinden sich in ständiger, regelloser Bewegung. Jedesmal, wenn zwei Teilchen zusammenstoßen, ändern sie ihre Richtung. Je höher die Temperatur einer Lösung, desto intensiver die Teilchenbewegung.

Die z.B. in Wasser gelösten Teilchen streben aufgrund ihrer Eigenbewegung genauso wie die Teilchen des Lösungsmittels selber eine gleichmäßige Verteilung an. Es stellt sich also für jede Teilcheart der Lösung eine gleichmäßige Verteilung ein, die auch bei weiterer Bewegung erhalten bleibt. Diesen Ausgleich nennt man Diffusion.

Wir haben ein Salz in Flüssigkeit, um das sich eine semipermiable Membran bildet. Diese Membran läßt das Wasser gut und die Salze gar nicht durchkommen. Dadurch entsteht ein Niveauunterschied, da mehr Wassermoleküle in die Lösung hineinwandern als hinaus. Diese Diffusion durch eine semipermeable Membran nennt man Osmose.

Biomembranen

Die Vakuolen und das Plasma sind jeweils von einer Membran umgeben. Auch einzelne Zellbezirke sind durch eine Membran abgeschlossen. Diese Zellräume nennt man Kompatimente. Auch Zellorganellen wie Kern, Mitochondrien und Plastide sind von einer Membran umgeben. Die Membranen haben die Aufgabe nur ganz bestimmte Substanzen um die Zelle herum auszusuchen und aufzunehmen. Diese Semipermeablität ist das wesentliche Kennzeichen einer Membran.

Der Bau der Biomembran

In allen Biomembranen fand man als Baustein Lipide und Proteine, häufig auch noch Kohlenhydrate.

In Membranen ist das Lecithin (Lipid) vorhanden. Dieses Lecithin ist bipolar, d.h. es einen hydrophilen (wasseranziehend) und eine hydrophoben (wasserabstoßend) Teil. Deshalb bildet das Lecithin sobald es in wäßrige Umgebungen kommt, geordnete Molekülverbände. Gibt man ein Tröpfchen eines solchen Lipids in Wasser, so bildet sich eine Fettschicht, die nur aus einer Moleküllage besteht. Dabei ragen die hydrphilen Teile ins Wasser und die hyfrophoben Teile in die Luft.

Wenn man diese Lipidschicht kurz durchschüttelt, entstehen unter Wasser kleinste Fetttröpfchen, bei denen die hydrophilen Teile wider dem Wasser zugewandt sind und die hydrophoben Teile nach innen ragen.

Die Zellmembran besteht immer aus einer Lipid-Doppelschicht. Dabei ragen die hydrophoben Bereiche natürlich nach innen.

Um die Lipid- Doppelschicht sind zusätzlich links und rechts jeweils eine Proteinschicht aufgebaut. Dabei ist die Lipid-Doppelschicht dicker als die Proteinschicht außen. Da damals alle Membranen gleich aussahen, nahm man an, es gäbe nur eine Membran, die Einheits-oder Elementarmembran.

An der Zellenaußenseite der Membran findet man einen geringen Teil der Kohlenhydrate. Sie sind dort entweder an Lipide oder Proteine gebunden.

Das spätere Membranbild von Singer und Nicolson unter-scheidet sich wesentlich von dem Früheren.

In dem Modell liegen die Proteinschichten unregelmäßig verteilt vor und dringen auch unterschiedlich tief in die hydrophobe Lipiddoppelschicht ein. Manche Proteine reichen sogar ganz durch die Membran durch und es können je nach Gewebeart unterschiedliche Mengen von Proteinen aufgelagert sein.

Außerdem hat man festgestellt, dass die Biomembran in keiner starre Struktur, vielmehr in einem flüssig-kristallinen Zustand vorliegt. Die Proteine schwimmen in der mehr oder weniger flüssigen Lipidschicht.

Sie nennen ihr Modell das Flüssig-Mosaik-Modell, in dem die Lipide und Proteine der Membran eine beachtliche Bewegung haben.