0ber Plasmalemmabildung nach plasmolytischen Versuchen

Von

Karl Umrath

Aus dem Zoologischen Institut der Universit/tt, Graz

Mit 5 Textabbildungen

(Eingelangt am 31. Alai 1955)

H e i l b r u n n (1928, [952) hat gezeigt, da6 aus einer verletzten Zelle aus- flieBendes Protoplasma sich durch eine mikroskopisch sichtbare Membran yon der umgebenden L6sung abgrenzt, wenn diese Ca-Ionen in geniigender Konzentration enth/~lt. H e i l b r u n n h/~lt die Erscheinung. die er als ,,sur- face precipitation reaction" bezeiehnet, fiir eine Art von Koagulation. Er hat sie vor allem an tierisehen Zellen untersueht, doch liegen auch Beob- achtungen an Pflanzenzellen vor, unter anderem von L in s b a u e r an Proto- plasmatropfen aus Chara-Zellen. Die Protoplasmatropfen aus Chara-Zellen grenzen sich allerdings auch in Ca-freien LSsungen gegen diese ab und, wie U m r a t h (1935) gezeigt hat, auch in kaliumoxalathaltigen LSsungen, in denen Ca-Ionen gef/~llt wiirden; sie bilden in diesen L6sungen aber nicht die mikroskopisch erkennbaren Koagulationsmembranen.

W e b e r (1932, 1934) ist durch Plasmolyseversuche bei Vorbehandlung mit Kaliumoxalat oder mit Zusatz von diesem zu der Anffassung gekom- men, dab das Plasmalemma bei der Plasmolyse Schgden erleidet, die nur bei Vorhandensein yon Ca repariert werden kSnnen.

Ich ( U m r a t h 1932) habe gefunden, dab sich in Pflanzenzellen einge- stochene Mikroelektroden naeh einiger Zeit so verhalten, als ob sich in ihren bzw. um ihre Spitzen selektiv ionenpermeable Membranen bilden wtirden, die auch nach dem Herausziehen der Elektrodenspitzen aus den Zellen an dem elektrischen Verhalten der Elektroden i n Salzl6sungen zu erkennen sind. Es hat sich in Versuehen an Nitel la-Zellen bei der Fiillung der Elek- troden mit verschiedenen LSsungen gezeigt, daf~ die Bildung der selektiv permeablen Membran dureh Ca-Ionen, vor allem aber auch dureh Ca-f~tl- lende Anionen gefSrdert wird. Dies fiihrte reich zu der Vorstellung, dab in die Grenzschieht eingelagerte, kolloidale Niederschlgge yon Ca-Salzen deren Semipermeabilit/~t bedingen, ~thnlieh wie es der Ferrozyankupfernieder- schlag in der T r a u b e s c h e n Zelle rut. Der Ca-Niederschlag kann sieh dabei entweder aus von auBen kommenden Ca-Ionen und Ca-f/~llenden Anionen

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aus dem Protoplasma bilden oder aus Ca-Ionen aus dem Protoplasma und Ca-fgllenden Anionen yon aul~en.

Wenn bei der Plasmolyse das alte Plasmalemma Schaden leidet, so ist die Semipermeabilitgt der neu entstehenden Grenz- schichte yon gr613ter Be- deutung. Eine zusgtzliche ,,surface precipitation re- action" mag dutch eine Art yon Koagulation die neu entstehende Grenz- schicht verfestigen und so den grol3en Einfluf3 der Ca-Ionen im Aul]en- medium bei der Plasmo- lyse bedingen. Trotzdem in letzter Zeit die Plasmo- lysierbarkeit vieler Ob- jekte mit Ca-f~llenden Salzen festgestellt wurde, sind meine Ergebnisse Abb. 1. Spirowtra maju~eula. Plasmolyse in 1/3 tool bisher yon den Plasmo- Kaliumoxalat. Vergr. 150fach. lyseforschern wenig be- achtet worden, vielleicht well die Schltisse aus elektrischen Spannungs- messungen auf die Existenz semipermeabler Membranen und auf die Art

ihrer selektiven Permea- bilitgt dafiir zu kompli- ziert sind.

Ich habe reich deshalb entschlossen, die Frage dutch plasmolytischeVer- suche welter zu kl~ren. Die M6glichkeit der Plas- molyse mit Ca-fgllenden Salzen ist durch Versuche yon U m r a t h (1933) an Eierstockeiern yon Bu/o ftir tierische Zellen und durch H S f l e r (1951 und Abb. 2. ~pirogyra ma~uscula. ~Tach begonnener Plas-

molyse abgestorbene Zellen in einer Mischung yon 1953) f i i r v e r s c h i e d e n e 1 Teil ~/3 tool Kal iumoxala t und 9 Teilen �89 tool p f l a n z l i c h e Ze l l en bewie -

KMiumchlorid. Vergr. 150fach. sen. Wenn dabei eine Niederschlagsbildung mit

Ca-[onen aus dem Protoplasma wesentlich ist, etwa eine F~llung yon Kal- ziumoxalat bei Plasmolyse mit Kaliumoxalat, so sollte bei Zusatz einer kleinen Menge yon Kaliumoxalat zu einer groBen Menge yon osmotisch gleich wirksamem Kaliumchlorid die Plasmolyse mit dem Gemisch gegen-

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fiber der in jeder der beiden reinen L6sungen ersehwert sein. Es wird n~tm- lieh der geringe Oxalatzusatz das Ca aul3erhalb der Zelle f~llen, so dug es an der Plasm~lemmabildung nieht mehr mitwirken kann wie sonst bei Plasmolyse mit KMiumehlorid, und das Ca aus dem Protoplasma finder in der 3lisehung weniger Ca-fi*llende Oxalationen als in der reinen Kalium- oxalatl6sung.

Ieh habe zun~tehst die Oberepidermis von Zwiebelsehuppen yon Allium cepa untersueht. Sowohl in 2/a mol Kaliumehlorid als aueh in dem etwa gleieh hypertonisehen 1 mol Kaliumoxalat blieb die Konkavplasmolyse lunge erhalten, w~hrend eine Misehung yon 5 Teilen des Kaliumehlorids und 1 Teil des Kaliumoxalates nur anf~nglieh zu Konkavplasmolyse ffihrte, die, wenn die Zellen nieht vorher abst~rben, bald in Konvexplasmolyse fiber- ging. Die Untersehiede waren etwa 25 3/[inuten nach Zusatz der Plasmo-

Abb. 3. Spirogyra rrbajuseula. Naeh 8 Minuten Vorbehandlung in ~/~0 mol KMium- oxalat in ~/3 moI Kaliumoxalat 5bertragen; teils Plasmolysen, tells naeh mehr oder weniger weit fortgeschrittener Plasmolyse abgestorbene Zellen. Vergr. 100faeh.

lytika sehr deutlieh. Sie spreehen fiir eine erh6hte Permeabilitgt der Grenz- sehieht und fiir Kaliumaufnahme in der Misehung.

Ieh habe weiter im Mai 1955 Versuehe mit Spirogyra majuscula (Kfitzig) Czurda emend, ausgefiihrt. Die Alge stammte aus einem Freilandbeeken des Instituts mit Durehflul3. Sie verhielt sieh an versehiedenen Tagen etwas versehieden, vielleieht wegen versehiedener Temperatur und versehieden langem Aufenthalt im Zimmer. Immer ergab ~ tool Kaliumehloridl6sung Plasmolyse fast aller Zellen in gutem Zustand. Die ghnlieh hypertonisehe l/a mol Kaliumoxalatl6sung ergab mitnnter Plasmolysen mit nahezu allen Zellen in gutem Zustand, mitunter war bei den lgngeren Zellen der erreiehte Plasmolysegrad geringer, und diese Zellen starben dann naeh einiger Zeit ab. In Misehungen beider L6sungen, die nut 10 oder 20% der Kaliumoxalat- 16sung enthielten, war der Erfolg der Plasmolyse immer sehleehter. Der Anteil der Zellen, die nur einen geringen Plasmolysegrad erreiehten und dann abstarben, war gr6Ber als in der reinen Oxalatl/Ssung, und in der Misehung zeigten oft aueh kfirzere Zellen dieses Verhalten. Abb. 1 zeigt

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Plasmolysen in Ka l iumoxa la t aus zwei Versuchen, Abb. 2 abgestorbene Zellen nach anfgnglieher, geringgradiger Plasmolyse in einer Mischung yon 9 Teilen Kal iumchlor id und 1 Teil Kal iumoxala t .

Abb. 4. Spirogyra ma]uscula. Nach 8 Minuten Vorbehandlung in ~/~0 tool Kaliumoxa- lat in 1/2 tool Kaliumchlorid iibertragen; nach Beginn der Plasmolyse abgestorbene

Zellen. Vergr. 100fach.

Abb. 5. Spirogyra ma]uscula. Plasmolysen in �89 mo] Kaliumehlorid ohne Vorbe- handhmg. Vergr. 100fach.

Ich habe schliel~lich Spirogyra majuscula mit einer hypoton ischen L6sung yon 1/10 tool Kal iumoxal~ t einige Minuten lang vorbehandel t und dann in verschiedenen L6sungen plasmolysiert . I m m e r h~ben die vorbeh~ndel ten Zellen die Plasmolyse schlechter ver t ragen als nieht vorbehandel te . Die

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Versehleehterung war aber bei 1/2 mol Kaliumchlorid und bei 1 mol Gtukose als Plasmolytikum sehr viel gr6ger als bei 1/a tool Kaliumoxalat, so daft naeh der Vorbehandlung mit Oxalat die Plasmolyse mit Oxalat meist deutlieh besser war als die mit den beiden anderen Plasmolytika. Dies war naeh meiner VorsteHung zu erwarten, weft die Vorbehandlung mit Oxalat vor Mlem die C~-Ionen augerhalb der Zellen fgllt, die bei Plasmolyse mit Kalium- ehlorid oder mit Glukose einen Niedersehlag mit Anionen aus dem Zelt- inneren ergeben wt~rden, wghrend die Ca-Ionen im Protoplasma, die bei der Plasmolyse i~fit Kaliumoxalat einen Kalziumoxalatniedersehlag bilden, viel weniger vermindert werden. Abb. 3 zeigt Plasmolysen in 1/a mol Kalium- oxalat nach 8 Minuten Vorbehandlung mit 1/1 o mol Kaliumoxalat, Abb. 4 Zellen, die nae h derselben Vorbehandlung in �89 mol Kaliumehlorid abge- storben sind, und Abb. 5 zeigt zum Vergleieh ohne Vorbehandhmg Plas- molysen in �89 mol Kaliumchlorid; Plasmolysen in 1/a mol Kaliumoxalat, allerdings yon einem anderen Versuehstag, sind in Abb. 1 wiedergegeben.

Man kann sieh fragen, wieso kurze Zellen, die naeh der Zellteilung noeh kein Streekungswaehstum erfahren haben, mitunter naeh Oxalatvorbehand- lung Plasmolyse in Kaliumehlorid vertragen. Ieh neige zu der Annahme, dab diese Zellen im Prot0plasma Ca-Ionen und Anionen, die mit jenen einen Niedersehlag bilden k6nnen, in solehen Konzentrationen enthalten, dab im Inneren des Protoplasmas noeh kein Niedersehlag entsteht, wohl abet an sehadhaften Stellen des Plasmalemmas, wo Protoplasma an w~tsserige Aul3en- 16sung grenzt.

Naeh dem hier Mitgeteilten ist wohl anzunehmen, dab bei den yon H 6 f l e r (1953) mit Na2CO 3 ausgeffihrten Plasmolysen an Spirogyra CaCOa- Niedersehlgge bei der Wiederherstellung des plasmolytiseh gesehgdigten Plasmalemmas ghnlieh wirken wie Kalziumoxalatniederschlgge bei Plasmo- lysen mit KMiumoxalat. Bei Desmidiaeeen fand H 6 f le r (1951) neben einer hohen Sodaresistenz eine noeh bessere Plasmolysierbarkeit dureh Kalium- oxalat. H 6 f le r glaubt, dal3 diese Algen ein besonders dichtes Plasmalemma haben, bei dem Ca keine entseheidende l~olle spielt. Ieh neige eher zu der Annahme, dab diese Zellen ein Ca-reiches Protoplasma haben, so dab bei der P!asmolyse leieht CaCO 3- und Kalziumoxalatniedersehlgge entstehen. Von den Gipskristgllehen in den Endvakuolen m~neher Desmidiaeeen m6ehte ieh eher annehmen, dab sie Kalkreserven dieser in meist kalkarmem Moorwasser waehsenden Pflanzen sind, als daft sie dort ausgesehieden und dem Stoffweehsel entrtiekt sind, wie H 6 f l e r (1951) meint.

Zusammenfassung Ich habe schon seinerzeit aus der Membranbildung an in Nitdla-

Zellen eingestochenen Elektroden, die mit versehiedenen Salzl6sungen ge- ftillt waren, geschlossen, d~ft bei der PlasmMemmabildung die Entstehung sines Niederschlages wesentlich ist, die sowohl dureh Ca-Ionen aus dem Auftenmedium und Ca-fgllende Anionen aus dem Protoplasma als auch durch Ca-Ionen aus dem Protoplasm~ und Ca-fgllende Anionen (OxMat, Karbonat) aus dem Auftenmedium bedingt sein kann. Folgende pl~smo- lytisehe Versuehe stfitzen diese Anffassung.

/~ber Plasmalemmabildung na& plasmolytis&en Versudmn 767

1. Von vielen Zellen wird die P lasmolyse in K a l i u m o x a l a t er t ragen, so auch yon denen der 0be rep ide rmi s der Zwiebelschuppen yon Allium und yon denen yon Spirogyra majuscula. Von den beiden genann ten Zellen wird die P lasmolyse in e inem Gemisch yon Ka l iumehlo r id und Wenig Ka l i um- oxa la t schlechter e r t ragen als in den beiden reinen L6sungen. Das wenige Oxa la t in der Mischung fi~llt einerseits die Ca- Ionen in der AullenlSsung und ist andererse i ts weniger konzen t r i e r t als das in der reinen Oxalat l6sung, so dall es zur Bi ldung eines Niederschlages mi t den Ca- Ionen aus dem Pro~o- p l a sma weniger geeignet i s t .

2. Bei Spirogyra majuscuIa versch lech te r t eine Vorbehand lung mi t hypo- tonischer Ka l iumoxa la t lSsung eine nachfolgende P lasmolyse in Ka l i um- ehlorid- oder in Glukosel6sung weir mehr als eine in Ka l iumoxa la t lSsung , well die Ca- Ionen im Auf tenmedium dureh die Vorbeband lung weir mehr v e r m i n d e r t werden als die im P ro top l a sma .

H e r r n Dozen ten Wi lhe lm 1% 6 s s l e r danke ich ftir die Freundl ichke i t der B e s t i m m u n g der Spirogyra majuscula (Kiitzing) Czurda emend.

Literatur

H e ilb r unn, L. V., 1928 : The colloid chemistry of protoplasm. Protoplasrna-)g[ono- graphien 1, Gebrtider Borntraeger, Berlin.

- - 1952: An outline of gei~eral physiology, 3. Aufl. W. B. Saunders Comp., Phil- adelphia and London.

HSf le r , K., 1951: Plasmolyse mit Natriumkarbonat. Zur Frage des Plasmalemmas bei Stil~wasseralgen und bei Gewebezellen von Landpflanzen. Progoplasma 40, 426--460.

- - 1953: Zur Frage des Plasmalemmas bei Spirogyra. Protoplasma 42, 334--342. L i n s b a u e r , K., 1933: Untersuchungen fiber Plasma und PlasmastrSmung an Chara-

Zellen. V. Untersuchungen des Protoplasmas mittels der AusfluBmethode. Proto- plasma 18, 554--595.

U m r a t h , K., 1932: Die Bildung yon Plasmalemma (Plasmahaut) bei Nitella mucro- nata. Protoplasma 16, 173--188.

- - 1933: Plasmolytische Versuehe an Eicrstockeiern von BuJo vulgaris. Arch. exper. Path. u. Pharmakol. (D.) 172, 459--462.

- - 1935: iFber Protoplasma-Tropfen aus Chara-Zellen. Protoplasma 24, 92--100. Weber , F., 1932: Plasmolyse und ,,surface precipitation reaction". Protoplasma 15,

522 531. - - 1934: Plasmalemma-ZerstSrung und Tonoplasten-Bildung. Protoplasma 21,424

bis 426.