farbig = vom Zellplasma abgetrennte Reaktionsräume 7 = endoplasmatisches Retikulum ER

Transkript

1 Cytologie 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 (Golgi-Apparat) 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

2 Die Pflanzenzelle im Elektronenmikroskop Skizze: 1 = Zellmembran 6 = DNA 11 = Tüpfel 16 = Tonoplast 2 = Zellwand 7 = Kernpore 12 = Dictyosom/Golgi-App. 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.

3 Das Mitochondrium Funktion der Mitochondrien: Ort der Zellatmung ATP- Gewinnung durch oxidativen Abbau der Glukose "Kraftwerk" der Zelle Atmungsgleichung: (Bruttogleichung) 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. 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)

4 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. 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.

5 Merke: Drüsenzellen (Verdauung, Hormone) enthalten ein dichtes Netz von ER, ebenso Immunzellen, die Antikörper produzieren (sog. Plasmazellen). (1ml Lebergewebe enthält ca. 10m 2 ER!) 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. 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.

6 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) 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. 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.

7 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 "fluid mosaic": Beweglicher, dynamischer "Lipidfilm", in den mosaikartig Eiweißmoleküle eingestreut sind.

8 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.