Ganzes Skript Zytologie Ende · 2020. 2. 24. · Zytologie 3 – Mikroskop Aufbau und Funktion des Mikroskops Das optische Auflösungsvermögen eines Mikroskops ist bis zu 500-mal

Mag. Nisveta Decker

Mag. Sabine Reitböck Bio-Challenge „Zytologie“

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Biologie-Challenge 2020 Förderung interessierter & begabter SchülerInnen

#1 Das Auge

#2 Das Herz

#3 Pflanzenanatomie

#4 Knochen und Gelenke

#5 Das Nervensystem

#6 Zytologie

Alle Informationen unter:

bio-challenge.at

Mag. Nisveta Decker


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Biologie-Challenge Zytologie 1 - Zelltypen

Zelltypen

a. Prokaryoten

Die Zellen der Prokaryoten nennt man Protozyten. Der Protozyte

fehlt der Zellkern. Bei Prokaryoten schwimmt die DNA frei im

Zytoplasma. Daneben findet man bei Prokaryoten oft noch kleinere

DNA-Moleküle, die Plasmide. Prokaryoten sind meist einzellig,

manche leben allerdings in Zellverbänden.

Die meisten Protozyten sind von einer mehrschichten Zellwand

umgeben. Nach außen ragen Geißeln (Flagellen), die der Bewegung

dienen und kleinere Strukturen (Pili), mit denen sie sich an anderen

Zellen oder an Nahrung anheften können. Prokaryoten teilt man

in die Archaeen und Bakterien. Sie unterscheiden sich im Aufbau

(s. Abb.) und der Lebensweise voneinander.

Archaeen:

Archaea sind sehr alte Prokaryoten. Manche existieren in extremen Lebensräumen.

Halophile (gr. Halo: Salt, Philo: Freund) Archaea sind salzliebende Bakterien. Sie leben z.B. in

Salzstöcken, Salinen, stark gesalzenem Fleisch od. Fisch.

Thermoacidopihile Archaea leben in heißen Quellen (ca. 100°C). Sie leben in Tiefseequellen (Black

Smoker), Vulkanen, Sauren Schlammlöchern und Geysiren.

Methanogene Archaea können aus Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid anaerob Methan produzieren.

Sie leben in Sümpfen, Ablagerungen (Sedimente) stehender Gewässer., Faultürmen (Kläranlagen) und

Verdauungstrakten von Wiederkäuern (Das aufgestoßene Methangas der Kühe ist ein

Stoffwechselprodukt dieser Bakterien)

Bakterien:

Auch manchen Bakterien können unter lebensfeindlichen Bedingungen leben.

Hyperthermophile Bakterien haben ihr Lebensoptimum bei ca. 80°C. Sie leben in der Nähe von

vulkanischen Quellen.

Fototrophe Bakterien (Purpurbakterien, Cyanobakterien, decken ihren Energiebedarf durch

Fotosynthese. Sie leben in Marschen (Schwemmländer von Meeresküsten). Cyanobakterien konnten

als erste Organismen Licht für ihren Stoffwechsel nutzen. Es ist nachweisbar, dass sie seit 3,5 Mrd.

Jahren auf der Erde vorkommen.

Chemolithothrophe Bakterien beziehen ihre Energie aus der Oxidation anorganischer Substanzen.

Besonders wichtig sind in diesem Fall die nitrifizierenden Bakterien. Sie wandeln im Stickstoffkreislauf

das aus den Fäulnis- und anderen Prozessen stammende Ammoniak in Nitrat um und machen es

somit für Pflanzen, Pilze und Bakterien zugänglich.

Schwefel- und eisenoxidierende Bakterien nutzen die Energie aus Schwefel- bzw. Eisenverbindungen.

Das umgebende Milieu wird sauer. (Vorkommen und Verwendung: Korriosionsschäden, Umwandlung

von giftigem Kohlenstoffmonoxid in Kohlenstoffdioxid)

Enterobakterien können aerob und anaerob leben. Leben in der tierischen und menschlichen

Darmflora. Es gibt aus krankheitserregende Formen (z.B. Salmonellen).

Parasitierende Bakterien können dauerhaft nur innerhalb eines Wirtens existieren (z.B. Pesterrerger,

Chlamydien)

Schematische Darstellung einer prokaryotischen Zelle

https://de.wikipedia.org/wiki/Mitochondrium#/media/Datei

Animal_mitochondrion_diagram_de.svg

Entnommen am 03.03.2020

Mag. Nisveta Decker


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b. Eukaryoten

Eukaryoten sind Lebewesen mit Zellkern (Nucleus). Ihre Zellen nennt man Euzyten.

Zu den Eukaryoten gehören Einzeller, Algen, Pflanzen, Pilze, Tiere und Mensch.

Im Zellkern ist die Erbsubstanz (DNA) der Zelle in Form von Chromatin. Hier findet die DNA-Replikation und die

Genexpression (Transkription) statt. Nur die transkribierte mRNA (messenger RNA) verlässt den Nucleus. So ist

die DNA vor äußeren Einflüssen geschützt.

Nur Eukaryoten verfügen über Mitochondrien, Endoplasmatisches

Retikulum und Golgi-Apparat.

Die Zellform wird durch das Zytoskelett, ein Gerüst aus

Proteinverbindungen, aufrechterhalten. Bei den Proteinen handelt es

sich um Aktinfilamente, Intermediärfilamente und Mikrotubuli. Bei

den Pflanzenzellen fehlen diese Proteinverbindungen beinahe zur

Gänze, da die Zellwand die stützende Funktion übernimmt.

Die eukaryotische Zelle, besteht aus verschiedenen, abgegrenzten

Zellkompartimenten, in denen sich Zellorganellen (z.B.

Mitochondrien, Golgi-Apparat…) befinden. Fast alle Zellorganellen

besitzen eine semipermeable Membran, die einen

Stoffaustausch mit dem Rest der Zelle über das Zytoplasma

ermöglicht.

Pilzzellen:

Die Gruppe der Pilze (gr. Mykes, lat. Fungus) fällt durch ihre Formenvielfalt auf. Pilze sind Kosmopoliten, d.h.

sie sind über die gesamte Welt verbreitet. Sie sind sehr anpassungsfähig und können auch extreme Standorte

besiedeln. Als heterotrophe (Ernährung durch Aufnahme organischer Stoffe) Organismen und viele Pilze

Destruenten (Zersetzter).

Pilze besitzen kein Chlorophyll und betreiben daher auch keine Fotosynthese. Sie besitzen aber, wie die

Pflanzen, eine Zellwand. Daher sind sie trotz ihrer heterotrophen Lebensweise auch nicht eindeutig den

tierischen Organismen zuzuordnen.

Pilze besitzen einen oder mehrere Zellkern/e. Die Zellwände bestehen aus Chitin, einem Baustoff, der auch im

Auenskelett der Insekten und Spinnentiere zu finden ist.

Vielzellige Pilze bestehen aus dünnen verzweigten Zellfäden (Hyphen), die das Mycel bilden. Dieses Mycel ist

der eigentliche Pilzkörper, der meist nicht sichtbar ist. Der oberirdische Pilzkörper dient der Fortpflanzung

(Sporen).

Hyphenstränge.

https://de.wikipedia.org/wiki/Hyphe#/media/Datei:Hyphae.JPG

entnommen am 03.01.2020

Bakterien

Archaea

Kugel

Kugel

Kolonie

Kolonie

Stäbchen

Stäbchen

Vibrio

Spirillum

Clostridium

tetani

Aufgelagerte Schichten

der Zellwand

Murein

Zellmembran

Zellinneres

Zellinneres

Zellmembran

Wand aus Polysacchariden

oder Proteinen

Vergleich Bakterien und Archaea: Zellformen und Zellwandstruktur

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Pflanzenzellen:

Pflanzen besitzen eine Zellwand. Sie grenzt die Zelle gegenüber anderen Zellen ab und verleiht der

Pflanzenzelle eine regelmäßige Form. Die Zellwand besteht hauptsächlich aus Cellulose, einer langen Kette aus

Glucose-Molekülen. Ein Bündel von Cellulosemolekülen nennt man Mikrofibrille. Nach innen aufgelagert ist die

Zellmembran, die das Zellinnere umgibt. Die Cellulose für die Zellwand wird in der Zellmembran gebildet und

nach außen abgegeben. Die Grenze zwischen zwei benachbarten Zellen heißt Mittellamelle. Die Mittellamelle

bewirkt den Zusammenhalt der Zellen in der Pflanze. Ein direkter Stoffaustausch zwischen dem Cytoplasma

zweier Zellen erfolgt gewöhnlich durch Plasmodesmen. Dies sind Poren in der Zellwand. Sie sind von

Cytoplasma durchzogen und enthalten in der Regel Kanäle des Endoplasmatischen Retikulums.

Pflanzliche Zellen besitzen zudem noch eine oder mehrere Vakuolen.

In ihnen können Farbstoffe, Abwehrstoffe oder andere Substanzen gelöst sein.

Der Tonoplast (eine Membran) begrenzt die Vakuole.

Die Chloroplasten ermöglichen der Pflanze die Fotosynthese (Kohlenhydratherstellung aus CO2 und H2O und

Ausnutzung der Sonnenenergie).

Tierzellen:

Tierische Zellen besitzen keine Zellwand. Sie haben

eine 7 – 10 nm dünne Zellmembran, durch die der

gesamte Stoffaustausch stattfindet.

Der Zellinhalt der Protozyten und Euzyten nennt man

Cytoplasma. Die Grundsubstanz des Ztyoplasmas ist

das Zytosol. Es enthält viel Wasser, ist aber wegen

seines hohen Proteingehalts zähflüssig.

Tierische Zellmembranen werden durch lange,

reißverschlussartig ineinandergreifende

Proteinstränge verknüpft. Es entsteht eine

geschlossene Schicht. In den Blutgefäßen verhindert

diese geschlossene Schicht, dass Stoffe ungehindert ins

Gehirn gelangen. Diese Verschlusskontakte bilden die

Blut-Hirn-Schranke. Solche Verbindungen nennt man

Tight Junctions.

Schematische Darstellung einer Pflanzenzelle

https://de.wikipedia.org/wiki/Zelle_(Biologie)#/m

edia/Datei:Plant_cell_structure_svg-de.svg


Zellwand: Schema mit Plasmodesmen

Schematische Darstellung einer tierischen Zelle

https://de.wikipedia.org/wiki/Eukaryoten#/media/Datei:Animal_ce

ll_structure_de.svg


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An bestimmten Stellen liegen Desmosen (Proteinbrücken). Sie halten die Membranen wie Nieten zusammen

und durch sie sind die Zytoskelettelemente von Nachbarzellen miteinander verbunden. Sie verleihen dem

Gewebe eine hohe Zugfestigkeit (z.B. im Epithelgewebe).

Manche Zellen bilden das Kollagen. Das sind nach außen abgegebene Proteine. So entsteht z.B. das

Bindegewebe.

Direkte Verbindungen werden durch Tunnel oder Poren hergestellt. Sie heißen Gap Junctions. Der direkte

Stoffaustausch an den Gap Junctions von Cytoplasma zu Cytoplasma erfolgt entsprechend dem

Konzentrationsgefälle zwischen den benachbarten Zellen.

Vergleich tierische und pflanzliche Zelle:

Pflanzenzelle Tierzelle

gemeinsame Zellorganellen Endoplasmatisches Retikulum, Golgi-Apparat, Ribosomen, Mitochondrien, Zellkern

Gleich wie Pflanzenzelle

Chloroplasten vorhanden nicht vorhanden Lysosomen nicht vorhanden vorhanden Vakuolen vorhanden nicht vorhanden Zellwand vorhanden nicht vorhanden Zytoskelett schwach ausgeprägt stark ausgeprägt primäre Stützfunktion Zellwand Zytoskelett Kohlenhydratspeicher Stärke Glykogen Interzellulärer Kontakt durch Plasmodesmen durch Desmosomen Zellentgiftung durch Glyoxysomen durch Peroxisomen

Verknüpfungen:

a) Verschlusskontakte (Tight Junctions), b) Desmosen, c) Stoffaustauschstellen (Gap Junctions)

Eigenskizze

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Biologie-Challenge Zytologie 2 – Zellorganellen

Mit zwei Membranen

Zellkern:

Der Zellkern (Nucleus) ist im Regelfall das größte Zellorganell. Er ist nach außen durch die Kernhülle geschützt.

Der Zellkern enthält die Erbsubstanz (DNA in Form von Chromatin) und meist zwei Kernkörperchen

(Nucleolus: vorwiegend aus Nucleinsäuren-Ketten aus Einfachzucker und Phosphatrest). Die Kernkörperchen

sind an der Bildung der Ribosomen beteiligt. Der Zellkern enthält auch ein Kernskelett, das für seine Form

verantwortlich ist.

Die Kernhülle besitzt Poren, durch die das Kerninnere mit dem Zytosol in Verbindung steht.

Mitochondrien

Mitochondrien sind stäbchenförmige oder gekrümmte Organellen. Sie sind der Ort der Zellatmung. Als

“Kraftwerke der Zelle” stellen sie die Energie für die Vorgänge in der Zelle bereit. Die Grundsubstanz, die das

Mitochondrium ausfüllt, nennt man Matrix. Die innere Membran ist zur Oberflächenvergrößerung in Falten

gelegt.

Plastiden

Plastiden kommen nur in Pflanzenzellen vor. Zu ihnen zählen die Chloroplasten, Chromoplasten und

Amyloplasten. Die Chloroplasten betreiben Fotosynthese. Die innere Membran der Chloroplasten schnürt

zahlreiche lamellenartige, flachgedrückte Membransäckchen (Thylakoide) in den Innenraum des Chloroplasten

ab. Diese liegen in der Grundsubstanz (Matrix). In der Membran der Membransäckchen befindet sich der

grüne Farbstoff Chlorophyll.

Die roten oder gelben Chromoplasten enthalten Carotinoide (kein Chlrophyll). Sie kommen vor allem in

Blütenblättern und Früchten vor.

Amyloplasten sind farblose Plastiden, die häufig Speicherfunktion haben (Knollen, Rhizomen)

Mit einfacher Membran

Endoplasmatisches Retikulum (ER)

Netzförmiges System (lat. Reticulum: Netzchen) aus membranumhüllten, nichtplasmatischen Kanälchen und

Säckchen. Durch Abschnürung von Bläschen (Vesikel) werden Membranteile (z.B. Proteine) des ER zu ihren

Bestimmungsorten, z.B. Dictyosomen, transportiert. Das ER ist somit ein wichtiges Transportsystem. Es ist

Bildungsort fast alles Organellmembranen bzw. Ihrer Bausteine.

Dictyosomen

Dictyosomen bestehen aus Stapeln flacher, membranumgrenzter, nichtplasmatischer Reaktionsräume. Sie

schnüren ebenso Vesikel ab (Verluste werden durch ER-Vesikel ergänzt). Alle Dictyosomen gemeinsam nennt

man Golgi-Apparat. Vor allem Proteine werden in Golgi-Vesikel zu anderen Organellen oder aus der Zelle

heraustransportiert. ER-Vesikel verschmelzen mit den Membransäckchen des Golgi-Apparats. Dort werden sie

in Golgi-Vesikel eingelagert und weitertransportiert. Aufgabe: Transport, Umwandlung, Sortierung und

Verpackung von Stoffen.

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Lysosomen

Lysosomen sind die Verdauungsorganellen der Zelle. Durch Enzyme werden Makromoleküle oder ganze

Organellen abgebaut. Lysosomen werden vom Golgi-Appart gebildet.

Microbodies

Microbodies (Peroxisomen) sind bläschenartige, membranumhüllte Organellen, die Enzyme enthalten. In

ihnen laufen bestimmte Stoffwechselprozesse ab, z.B. der Abbau von Fettsäuren. Durch diesen Abbau

entsteht giftiges Wasserstoffperoxid, welches aber durch die in den Microbodies enthaltene Katalase zersetzt

werden kann. (bei Pflanzenzellen: Glyoxysomen)

Vakuolen

Vakuolen sind wasserreiche, nichtplasmatische Reaktionsräume. In Pflanzenzellen können mehrere Vakuolen

zu einer Zentralvakuole zusammenfließen (bis zu 90% des gesamten Volumens). Der Inhalt besteht aus einer

wässrigen Lösung von Ionen und organischen Verbindungen (z.B. Zucker, Säuren, Farbstoffen, Proteinen).

Funktion: Speicher für Nährstoffe, Abbauprodukte und Abwehrstoffe, und dient der Stabilität.

Ohne Membran

Ribosomen

Ribosomen dienen der Proteinbiosynthese. Ribosomen liegen im Cytoplasma in Gruppen nebeneinander

aufgereiht vor --> Polysomen. Ribosomen können auch an der ER-Membran angeheftet sein (raues ER;

ribosomfreies ER --> glattes ER).

Selbstkompartimentierende Organellen

Durch Zusammenlagerung von Proteinen können Hohlräume (Kompartimente) entstehen, in denen

Stoffwechselvorgänge stattfinden. Hierzu zählen beispielsweise die Proteasomen. In ihnen sind Enzyme, die

(wie bei den Lysosomen) Proteine abbauen.

Zytoskelett

Das Zytoskelett ist ein Netzwerk aus Proteinmolekülen, die winzige Röhren (Mikrotubulli) und feine Fäden

(Mikrofibrillen) bilden und die Zellform bestimmt. Unter der Membran ist ein Netz an fädigen Proteinen

(Actinfilamente) an der Membran verankert und gibt der tierischen Zelle mechanische Festigkeit. Das

Zytoskelett ist auch an der Bewegung des Cytoplasmas und von Organellen (durch Motorproteine). Die

Organellen sind an den Schwanzteil des Motorproteins gebunden und das Zytoskelett an den Kopfteil des

Proteins. Verändert das Motorprotein seine Struktur bewirkt es eine Bewegung.

Centriolen

Centriolen kommen paarweise vor (2 senkrecht zueinander liegende Zylinder). Sie sind an der Kern- und

Zellteilung beteiligt und bilden den Basalkörper von Geißeln.

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Biologie-Challenge Zytologie 3 – Mikroskop

Aufbau und Funktion des Mikroskops

Das optische Auflösungsvermögen eines Mikroskops ist bis zu 500-

mal stärker als das des menschlichen Auges. Zwei sehr nahe

aneinander gelegene Punkte erscheinen für unser Auge als ein Punkt.

Die vom Objektiv aufgelösten Punkte müssen durch das Okular so

stark vergrößert werden, dass sie für das Auge als getrennte Punkte

ersichtlich werden.

Der Kondensor bündelt das Licht unterhalb des Objekts, damit es

gleichmäßig ausgeleuchtet wird.

Mit der Blende kann man die Lichtstärke und Helligkeitsunterschiede

(Kontraste) einstellen.

Schematische Darstellung eines Mikroskops

https://de.wikipedia.org/wiki/Lichtmikroskop#/media/Datei:Mic

roscope-letters.svg


A) Okular, B) Objektiv, C) Objektträger,

D) Kondensor, E) Objekttisch, F) Beleuchtungsspiegel

Strahlenverlauf

https://de.wikipedia.org/wiki/Lichtmikroskop#/media/Datei:Critica

l_Illumination_de.svg


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Biologie-Challenge Zytologie 4 – Vorgänge in der Zelle

Zellen benötigen für ihre Stoffwechselvorgänge Stoffe, die sie aufnehmen müssen, umsetzen und deren

Abbauprodukte sie wieder abgeben. Dieser ständige Stoffaustausch erfolgt über passive und aktive

Transportprozesse. Sie sorgen dafür, dass Stoffe durch die Zellmembran und auch in die Zellorganellen treten

können und die Stoffwechselendprodukte aus der Zelle geschleust werden können. Darüber hinaus können

Stoffe auch in Vesikeln verpackt abgegeben werden.

Passive und aktive Transportmechanismen unterscheiden sich in ihrem Energieverbrauch. Nur aktive

Transportprozesse benötigen Energie.

1. Passiver Stofftransport:

Der passive Stofftransport erfolgt mittels Diffusion und Osmose. Das grundlegende Prinzip liegt im Bestreben,

einen Konzentrationsunterschied zwischen zwei mischbaren Lösungen auszugleichen. Dies gilt sowohl für die

Diffusion als auch für die Osmose. Jedoch erfolgt der Konzentrationsausgleich bei der Osmose über eine semi-

permeable Membran, welche durchlässig für das Lösungsmittel ist, aber nicht für die darin gelösten Stoffe.

a) Diffusion

Gibt man einen Tropfen Tinte in ein Glas Wasser, so

verteilt sich die Tinte mit der Zeit vollständig im

Wasser, auch ohne umzurühren.

Das Prinzip dahinter ist die Diffusion: Mischt man

zwei Lösungen mit unterschiedlich hohen

Konzentrationen, gleicht sich der

Konzentrationsunterschied mit der Zeit aus. Dies

liegt im Bestreben der Teilchen einer möglichst

gleichmäßigen Verteilung in einer Flüssigkeit oder in

einem Gas.

Die Tinte hat aufgrund der vielen Farbstoffteilchen eine hohe Konzentration, Wasser hingegen eine geringe

Konzentration. Der Konzentrationsausgleich erfolgt immer von der Lösung mit der hohen Konzentration hin

zur Lösung mit der niedrigen Konzentration. Im Beispiel mit der Tinte im Wasser verteilen sich also die

Farbteilchen der Tinte im Wasser.

Die Verteilung der Farbmoleküle beruht auf der brownschen Molekularbewegung. Dabei handelt es sich um

die durch Wärme bedingte Eigenbewegung von Atomen/Molekülen.

Die Diffusionsgeschwindigkeit wird beeinflusst durch

eine Temperaturerhöhung (Eigenbewegung der Teilchen beschleunigt sich – brownsche

Molekularbewegung).

die Masse der Teilchen (Atome, Moleküle): je kleiner die Teilchen, desto schneller erfolgt die Diffusion.

Das Konzentrationsgefälle: je höher der Konzentrationsunterschied, desto schneller erfolgt die Diffusion.

kurze Diffusionsstrecken: je kürzer der Diffusionsweg, desto schneller erfolgt die Diffusion.

(Dies trifft auf eine Zelle zu!)

Die Diffusion erfolgt immer von der Lösung mit der höheren Konzentration hin zur Lösung mit der niedrigen

Konzentration.

Die Diffusion erfolgt bspw. auch, wenn einer Tasse Kaffee oder heißem Tee Zucker zugegeben wird. Allerdings

würde die Verteilung lange dauern und der Kaffee oder Tee wäre dann kalt.

Abbildung 1 Grafische Darstellung: Diffusion Tinte (Reitböck)

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b) Osmose

Die Osmose ist ebenfalls ein passiver Transportprozess. Es gilt das gleiche wie bei der Diffusion, mit einem

Unterschied:

Bei der Osmose sind die wässrigen Lösungen mit unterschiedlichen Konzentrationen durch eine

semipermeable Membran getrennt. Eine solche Membran ist zwar durchlässig für das Lösungsmittel (z.B.

Wasser), aber nicht für die darin gelösten Stoffe. In der Zelle sind beispielsweise die Zellmembran oder die

Membranen der Zellorganellen semipermeabel.

Osmose im Versuch:

In einem U-Rohr befinden sich, getrennt durch eine semi-permeable Membran, zwei wässrige Zuckerlösungen

mit unterschiedlich hohen Konzentrationen. Die semipermeable Membran ist durchlässig für das Wasser

(Lösungsmittel), nicht aber für die großen Zuckermoleküle. Der Konzentrationsausgleich erfolgt über die

Wassermoleküle, welche durch die

semipermeable Membran zur Lösung mit

der hohen Konzentration diffundieren.

Dadurch ändert sich das Verhältnis

Wassermoleküle:Zuckermolekülen und

nähert sich so dem Verhältnis der Lösung

mit der geringeren Konzentration an.

Hypertone Lösung = Lösung mit hoher

Konzentration an darin gelösten Stoffen

Hypotone Lösung = Lösung mit geringer

Konzentration an darin gelösten Stoffen

Isotone Lösungen = Lösungen mit gleicher

Konzentration (z.B. innerhalb und

außerhalb einer Zelle)

Osmotischer Druck und Turgor:

Der osmotische Druck ist der Druck des Wassers, welcher durch die Diffusion der Wassermoleküle durch die

semipermeable Membran entsteht. Er besteht solange, bis der Konzentrationsausgleich erreicht wurde. Je

stärker die Konzentrationsunterschiede zwischen der hypertonischen und hypotonischen Lösung sind, desto

höher ist der osmotische Druck.

Der Turgor (Syn. Turgordruck) ist jener Druck, der im Zellinneren durch die osmotische Wasseraufnahme auf

die Zellwand einwirkt.

Wasseraufnahme in die Zelle am Beispiel der pflanzlichen Zelle:

Damit Pflanzen Wasser und darin gelöste Stoffe aus dem Boden

aufnehmen können muss ein Konzentrationsgefälle zwischen

Zellinnerem (Wurzelzellen) und Zellumgebung (Boden) herrschen.

Das Zellinnere muss gegenüber der Zellumgebung hyperton sein:

Die Vakuole enthält neben Wasser auch viele gelöste Stoffe, die

Lösung ist hyperton. Im Vergleich dazu ist das Wasser im Boden

hypoton, Wassermoleküle strömen also in die Vakuole ein.

Wird z.B. eine Topfpflanze zu stark gedüngt (z.B. konzentrierter

Pflanzendünger), kommt es zum umgekehrten Effekt. Die

Zellumgebung hat aufgrund des Düngers eine hohe Konzentration

Abbildung 2 Grafische Darstellung: Osmose a) Ausgangssituation, b) Osmose (Reitböck)

Abbildung 3 Osmose in der Pflanzenzelle (Quelle: Wikipedia, verändert)

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im Vergleich zur Lösung innerhalb der Vakuole. Als Konsequenz gelangen Wassermoleküle aus der Vakuole in

den Boden, die Pflanze welkt.

Gleiches kann auch beobachtet werden, wenn verschiedene Gemüsesorten aufgeschnitten und mit Salz

bestreut werden oder Salatblätter zulange in der Marinade schwimmen.

c) Passiver Transport durch die Zellmembran

Bei vielen Teilchen (Ionen, Moleküle) ist aufgrund ihrer Größe eine direkte Diffusion durch die Zellmembran

nicht möglich. Trägerproteine und Tunnelproteine ermöglichen dies, man spricht von erleichterter Diffusion.

Trägerproteine = Carrier: ermöglichen jeweils den Durchtritt eines bestimmten Molekültyps, zum Beispiel

Glucose. Sie nehmen die Glucose auf, schleußen diese durch die Zellmembran und geben sie an das Zellplasma

ab.

Tunnelproteine = Ionenkanäle: ermöglichen den Durchtritt bestimmter Ionen. Ionenkanäle öffnen sich

entweder durch

eine Spannungsänderung (Aktionspotential –

Nervenzelle)

oder sind chemisch gesteuert (ligandengesteuert) z.B.

über eine Rezeptorbindung: ein bestimmtes Molekül,

ein sogenannter LIGAND, bindet an den Ionenkanal,

der sich darauf hin öffnet

oder sind mechanisch gesteuert, z.B. bei

Tastsinneszellen. Die Ionenkanäle der Zellmembran

öffnen sich dabei durch eine mechanische Belastung

der Zellmembran.

Abbildung 7 Übersicht Transportmechanismen durch die Zellmembran (Quelle: Wikipedia, verändert)

Abbildung 6 spannungsgesteuerter Ionenkanal (Quelle: Wikipedia,

verändert)

Abbildung 5 mechanisch gesteuerter Ionenkanal (Quelle: Wikipedia,

verändert)

Abbildung 4 ligandengesteuerter Ionenkanal (Quelle: Wikipedia,

verändert)

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2. Aktiver Stofftransport

a) Primärer aktiver Transport

Beim aktiven Stofftransport werden Ionen gegen das Konzentrationsgefälle unter Energieaufwand in die Zelle

bzw. aus der Zelle hinaus transportiert.

Bekanntestes Beispiel hierfür ist die Natrium-Kalium-Pumpe.

Die Natrium-Kalium-Pumpe ist ein Membranprotein

(Carrier), welches unter ATP-Verbrauch drei Na+-Ionen aus

der Zelle und zwei K+-Ionen in die Zelle transportiert.

(Herstellung des Ruhepotentials in Nervenzellen!)

b) Sekundärer aktiver Transport

Durch die Wirkung von Ionenpumpen entstehen in Zellen

Konzentrationsgefälle, welche als Energiequelle zum Transport von Stoffen mittels Carriern verwendet werden

können. Man bezeichnet solche Transportmöglichkeiten als sekundär aktiven Transport, da sie an die primären

Transportmechanismen gebunden sind.

3. Membranverlagernde Transportmechanismen

Die bisher besprochenen transmembrane Transportmechanismen

gibt es auch membranverlagernde Transportmechanismen. Dabei

werden unter Membranabschnürungen (Vesikel) Stoffe

transportiert.

Endozytose: Aufnahme fester bzw. flüssiger Stoffe in das

Zellinnere durch bläschenartige Membranabschnürungen

(Vesikel).

Phagozytose: Aufnahme fester Stoffe in Vesikel

Pinozytose: Aufnahme flüssiger Stoffe in Vesikel

Exozytose: Abgabe von Stoffwechselendprodukten aus der Zelle

mittels Vesikel. Zum Beispiel bilden die Dictyosomen des Golgi-

Apparats sogenannte Golgi-Vesikel, die zur Zelloberfläche

wandern und dort mit der Zellmembran verschmelzen. Die

Vesikelinhalte werden dabei nach außen abgegeben.

Abbildung 8 Endozytose (Quelle: Wikipedia, verändert)

Abbildung 9 Exozytose (Quelle:

Wikipedia, verändert)

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Biologie-Challenge Zytologie 5 – Stoffwechselvorgänge in der Zelle

Vorgänge in der Zelle - Zellzyklus:

Einzellige Organismen vermehren sich ungeschlechtlich durch Zellteilung. Mehrzellige Organismen benötigen

die Zellteilung für das Wachstum und zur Erneuerung von Körperzellen. Im Zellzyklus werden die Vorgänge der

Zellteilung gesteuert.

Der Zellzyklus wird unterteilt in die Mitose- und Interphase. In der

Mitosephase findet die Zellteilung statt, in der Interphase erfolgt die

Vorbereitung der Zelle auf die Mitose. Sie beschreibt die Zeitspanne

zwischen zwei Mitosen.

Die Interphase wird gegliedert in:

G1-Phase: (g = engl. Gap; Lücke) folgt direkt auf die Mitose. In dieser

Phase erhöht sich die Stoffwechselaktivität der Zelle für das

Zellwachstum und für die Ausbildung neuer Zellorganellen.

S-Phase: (=Synthesephase) Phase der Replikation. Replikation =

Verdoppelung der DNA/Erbinformation, dadurch besteht dann jedes

Chromosom aus zwei Längshälften, Chromatiden genannt.

G2-Phase: Vorbereitung der Zelle auf die

Mitose

In der G0-Phase erfolgt keine Zellteilung mehr,

die Zelle geht in das Stadium des Dauergewebes

über.

Die Replikation der DNA ist äußerst wichtig, nur

so kann gewährleistet werden, dass durch die

Zellteilungsvorgänge keine Erbinformation

verloren geht.

Im Anschluss an die G2-Phase erfolgt die Mitose, welche unterteilt wird in die

Prophase, Prometaphase, Metaphase, Anaphase, Telophase. Im Anschluss an die

Telophase erfolgt die Zytokinese, die Zellteilung durch Einschnürung der Zellmembran.

Prophase und Prometaphase: Chromatinfäden verkürzen und verdichten sich, Chromosomen werden

sichtbar, Spindelapparat bildet sich zwischen den Centriolen, Kernhülle löst sich auf.

Metaphase: Chromosomen lagern sich in der sogenannten Äquatorialplatte an, Spindelfasern verbinden

sich mit dem Centromer.

Anaphase: Spindelfasern verkürzen sich, jeweils eine Chromatide wird zu einem Zellpol gezogen.

Telophase: Rückbildung des Spindelapparats, Ausbildung neuer Kernhüllen um die neuen Zellkerne.

Zytokinese: Einschnürung der Zellmembran, Teilung der Zelle.

Abbildung 10Übersicht Zellzyklus (Quelle:

Wikipedia, verändert)

Abbildung 12 Zwei-Chromatid-

Chromosom (Quelle: Wikipedia)

Abbildung 11 Chromosom vor und nach

der Replikation (Quelle: Reitböck)

Replikation

Abbildung 13 Mitosephasen und Zytokinese (Quelle: Wikipedia)

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Praktischer Teil:

ACHTUNG:

Für die 1. Und 5. Aufgabe wird eine Wasserpest benötigt, für die 3.

Aufgabe muss die Zwiebel ca. drei Tage vorher vorbereitet werden:

Zwiebel seitlich mit Zahnstochern auf ein mit Wasser gefülltes

Becherglas setzen, damit die Wurzeln wachsen.

1. Vergleich pflanzliche/tierische Zelle:

Wasserpest/Mundschleimhautzellen

Fertige beschriftete Skizzen einer pflanzlichen und einer tierischen Zelle an!

Pflanzliche Zelle: Wasserpest

Material:

Objektträger, Deckglas, kleines Becherglas mit Wasser, Pipette, Pinzette, zum Größenvergleich kann in den

Wassertropfen ein kurzes Stück von einem Haar zugegeben werden oder Millimeterfolie aufgelegt werden.

Durchführung:

1 Blättchen der Wasserpest mit der Pinzette abzupfen, mit einem Tropfen Wasser auf einen Objektträger

geben, mit Deckglas abschließen.

Tierische Zelle: Mundschleimhautzelle

Material:

Objektträger, Deckglas, kleines Becherglas mit Wasser, 2 Pipetten, Methylenblau, Holzspachtel, zum

Größenvergleich kann in den Wassertropfen ein kurzes Stück von einem Haar zugegeben werden oder

Millimeterfolie aufgelegt werden.

Durchführung:

Bereite einen Objektträger mit einem Tropfen Wasser vor.

Schabe mit dem Holzspachtel etwas Mundschleimhaut von der Innenseite deiner Wange.

Vermische die Probe mit dem Wassertropfen auf dem Objektträger.

Gib einen kleinen Tropfen Methylenblau mit der Pipette hinzu und lege das Deckglas darauf. (Vorsicht:

Methylenblau färbt auch Tische, Kleidungsstücke und ist schwer zu entfernen!)

2. Diffusion

Material:

Becherglas, Wasser, Tinte

Durchführung:

Gib einen Tropfen Tinte in ein mit Wasser gefülltes Becherglas. Fotografiere das Becherglas von der Seite alle

10 Minuten und notiere die Veränderungen.

3. Plasmolyse/Deplasmolyse roter Zwiebelzellen

Fertige je eine beschriftete Skizze einer roten Zwiebelzelle in der Plasmolyse bzw. Deplasmolyse an!

Material:

Objektträger, Deckglas, kleines Becherglas mit Wasser, Pipette, Pinzette, Skalpell/Rasierklinge/scharfes

Messer, Salz, Papiertaschentuch (in Streifen), rote Zwiebel

Abbildung 14 Vorbereitung Zwiebel - kann auch

als Ganzes verwendet werden. (Quelle: wikihow)

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Durchführung:

Bereite einen Objektträger mit einem Tropfen Wasser vor. Ritze die Oberfläche eines kleinen Stücks der

roten Zwiebel rautenförmig ein. Ziehe mit der Pinzette vom eingeritzten Bereich ein möglichst dünnes

Häutchen ab. Gib das Häutchen in den Wassertropfen des Objektträgers. Lege ein Deckglas darauf. Stelle

das Präparat in der 100fachen Vergrößerung scharf.

Gib einige Salzkörnchen vorsichtig auf die rechte Seite des Deckglases und füge dort einen Tropfen

Wasser mit der Pipette hinzu. Lege einen Streifen des Papiertaschentuchs an die linke Seite des

Deckglases. Achte darauf, dass das Taschentuch Kontakt mit dem Wasserfilm unterhalb des Deckglases

hat. Auf diese Weise saugst du die Salzlösung von der echten Seite des Deckglases auf die linke Seite,

sodass die Zwiebelzellen in Kontakt mit der Salzlösung kommen.

Beobachte und skizziere die stattfindende Plasmolyse.

Wiederhole den Vorgang in umgekehrter Reihenfolge: Gib Wassertropfen auf die linke Seite des

Deckglases (OHNE Salz!!!) und ziehe das reine Wasser mithilfe von Taschentuchstreifen auf die rechte

Seite des Deckglases. Damit kommen die Zwiebelzellen wieder in Kontakt mit reinem Wasser und die

Deplasmolyse setzt ein. Skizziere dies ebenfalls!

4. Mitosestadien in der Zwiebelwurzel

Finde und skizziere verschiedene Mitosestadien in den Zwiebelzellen der Wurzelspitzen!

Material:

Objektträger, Deckglas, Schere oder Messer, kleines Becherglas mit Wasser, Pipette, Pinzette,

Karminessigsäure, kurzes Reagenzglas, Gasbrenner und Becherglas für Wasserbad oder Alternativen.

Durchführung:

Schneide die Wurzelspitzen vorsichtig ab (ca. ½ cm) und gib diese in ein kurzes Reagenzglas. Füge soviel

Karminessigsäure dazu, dass die Wurzelspitzen darin schwimmen.

Erhitze das Ganze in einem Wasserbad für 15 Minuten.

Gib nach 15 Minuten eine Wurzelspitze auf einen Objektträger und füge einen Tropfen Wasser hinzu.

(Vorher die Wurzelspitze ev. noch etwas kürzen). Lege ein Deckglas darauf und quetsche das Präparat

vorsichtig.

Im Mikroskop kann anschließend nach verschiedenen Mitosestadien gesucht werden.

5. Zellen im Vergleich:

Mikroskopiere verschiedene Zelltypen:

Material:

Dauerpräparate verschiedener Zelltypen, beispielsweise Muskelzelle, Pflanzenzelle, Erythrozyten, Keimzellen,

Epithelzellen, Hefezellen, Bakterien (Kokken z.B.)

Durchführung:

Mikroskopiere verschiedene Dauerpräparate und skizziere die verschiedenen Zellen!

Alternativ können bei verbleibender Zeit noch Versuche zur Fotosyntheseaktivität der Wasserpest gemacht

werden.

Mag. Nisveta Decker


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Fragen:

1. Erkläre den Aufbau von Prokaryoten

2. Welche Unterschiede weisen Bakterien gegenüber den Archaeen auf?

3. Beide Prokaryotengruppen können unter extrem Umweltbedingungen leben.

Erläutere mindestens 3 Möglichkeiten/Gruppe.

4. Erkläre den Aufbau von Eukaryoten.

5. Was sind Kosmopoliten? Welches tierische und welches pflanzliche Merkmal besitzen Pilze?

6. Wenn wir Pilze sammeln gehen, sammeln wir bloß den ______________. Der eigentliche Pilz ist das

___________?

7. Vergleiche die Pflanzenzelle mit der Tierzelle bezügliche ihres Aufbaus, dem Stoffaustausch und ihrer

Energiegewinnung.

8. Nenne die Zellorganellen ohne Membran, mit einer Membran und

mit zwei Membranen.

9. Die Zelle wird oft als chemische Fabrik bezeichnet. Stelle einen

Vergleich zwischen der chemischen Fabrik und den Organellen auf.

Welche Organellen können in der Grafik nicht zugeordnet werden

und welche Funktion haben sie?

10. Eigne dir den Aufbau des Mikroskops so an, dass du mit ihm arbeiten kannst und du weißt welche

Funktionen die wichtigsten Elemente erfüllen.

11. Erkläre die wesentlichen Unterschiede zwischen

a) Aktiven und passiven Stofftransport

b) Osmose und Diffusion

c) Hypertoner, isotoner und hypotoner Lösung

d) Trägerproteinen und Tunnelproteinen

e) Endozytose und Exozytose

f) Phagozytose und Pinozytose

12. Fertige eine beschriftete Skizze zur Darstellung der Osmose an!

13. Gib die Verteilung von hypertonen und hypotonen Lösungen an, damit eine Pflanze Wasser aufnehmen

kann!

14. Erkläre verschiedene Möglichkeiten zur Steuerung von Ionenkanälen!

15. Beschreibe die Funktionsweise der Natrium-Kalium-Pumpe!

16. Deine Mutter bekommt einen Blumenstrauß zum Geburtstag geschenkt. Damit der Strauß möglichst lange

schön aussieht, gibt sie die doppelte Menge eines Blumendüngers unverdünnt in die Vase. Mit welchen

Folgen wird zu rechnen sein?

17. Salzstreuung in Winter ist manchmal aufgrund der Witterungsbedingungen unerlässlich. Nenne mögliche

Folgen für die Flora am Straßenrand!

18. Der kleine Ludwig hat Mitleid mit den fünf Zierfischen aus dem Salzwasser-Aquarium seines Großvaters. Er

fängt sie und lässt sie im großen Gartenteich frei. Mit welchen Folgen für die fünf Fische wird zu rechnen

sein? Was würde umgekehrt mit Süßwasserfischen im Salzwasser passieren?

19. Skizziere die einzelnen Mitosephasen und erkläre die Abläufe in jeder Phase!

20. Nenne die verschiedenen Phasen im Zellzyklus!

21. Nenne die verschiedenen Phasen der Interphase!

22. Erkläre die Bedeutung der S-Phase?

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Ganzes Skript Zytologie Ende · 2020. 2. 24. · Zytologie 3 – Mikroskop Aufbau und Funktion des Mikroskops Das optische Auflösungsvermögen eines Mikroskops ist bis zu 500-mal