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Schule > Biologie > Grundlagen der Biologie > Facharbeit: Zellbiologie und Biomembranen

Facharbeit Zellbiologie: Zellteilung und Biomembranen

1) Zellbiologie

Aufbau und Funktion vom Lichtmikroskop:
Objekttisch: zur Befestigung des Präparats
Okular: zur Vergrößerung
Objektiv: - zur Vergrößerung (erste Zahl auf Okular ( wie vielfache Vergrößerung)
- meist 4x, 10x, 40x (Schulmikroskop)
- Objektiv und Okular ( je eigene Vergrößerung
Revolver: um Objektive wechseln zu können
Stativ und Fuß: Halterung der Teile
Lichtquelle/ Lampe
Kondensor: Lichtbündelung des Lichtes von der Lampe (im Objektivtisch)
Blende: Regulierung des Lichtes
Halterung: kann Filter eingebaut werden (Änderung der Farbe des Lichtes)
Großtrieb/ Feintrieb: - Heben und Senken des Objektivtisches (fokosieren)
- räumliches Sehen der Zelle
Tubus: - Verbindung von Objektiv zum Okular - Strahlengang

Leistungsfähigkeit:
Vergrößerung: Gesamtvergrößerung = Vobjektiv * Vokular
2004: größte Vergrößerung 2000x
- Auflösungsvermögen: Ist der kleinste Abstand zwischen zwei Punkten, bei dem man sie
noch getrennt wahrnehmen kann. (ist begrenzt durch das Licht)
z z = Quotient aus der Wellenlänge des Lichtes (400 – 750)
d= ((— d = Auflösungsvermögen
n * sina n * sina = numerische Apertur (Brechungsindex n)
(zweite Zahl auf Objektiv ( numerische Apertur)
d klein, wenn die Wellenlänge klein ist ( hohe Auflösung
d groß, wenn numerische Apertur hoch ist ( hohe Auflösung
( sinnvolle Vergrößerung erfordert die Beachtung des Auflösungsvermögens des Objektivs
( förderliche Vergrößerung im Rahmen: 500fache bis 1000fache numerische Apertur

Beispiel:
numerische Apertur: 0,1
förderliche Vergrößerung: 50-100fach

Prinzipieller Bau des Elektronenmikroskops:
Elektronenquelle: erhitzter Wolframdraht – Katode
Beschleunigung der Elektronen im elektrischen Feld (Katode/ Anode)
elektrischer Kondensor bündelt Elektronenstrahlen und richtet sie auf das Objekt
elektromagnetisches Objektiv und Okular ( Vergrößerung des Bildes
Bildschirm: Elektronenstrahlen werden sichtbar gemacht z.B. auf Fluoreszenzschirm
Tubus: Außenhülle ( innen Vakuum
Elektronenstrahlen verlaufen im Vakuum
( Objektive wasserfrei (verdampft im Vakuum ( lenkt Elektronen ab) / tot (würden sterben im Vakuum)

Präparationstechniken für die Lichtmikroskopie:
sehr dünne Objektive
Frischpräparate/ Dauerpräparate
Färbung mit unterschiedlichen Farbstoffen möglich
Frischpräparate: ultradünn (damit Licht durchdringt) ( Wasser darauftröpfelnd (Zelle bleibt am Leben) ( Deckfolie auf Präparat

Organisationsformen der Zelle:

Zelltypen:
Procyte: Zellen ohne Zellkern
Eucyte: mit Zellkern

Organismen:
Prokaryoten: Eubakterien, Archebakterien
Eukaryoten: Pilze, Tiere, Pflanzen

Bau einer Procyte:
Zellwand aus Murein (Stoff aus Zuckerketten und Aminosäuren,
Polysacharidketten mit Peptidketten vernetzt –> Makromolekül)
- Zellmembran
- Erbinfo: ringförmige DANN
- Zellplasma
- Plasmid (kleinere ringförmige DANN – wenig Gene)
- Ribosomen (Proteinbiosynthese)
- Einstülpung der Zellmembran mit Enzymen für die
Energiegewinnung
Zellkompartimente: vom Plasma abgegrenzte Reaktionsräume ( Procyte enthält keine Zellkompartimente
ursprünglichste Prokaryote: Archebakterien (daraus entwickelten sich Eubakterien und Eukaryoten)
salzhaltig
wärmehaltig
wahrscheinlich Basis des Stammbaums

Bakterien:
Krankheitserreger (wichtigste Bedeutung für Menschen)
Nutzung für Herstellung von Lebensmitteln, Genussmittel
Kreislauf der Natur als Destruenten (Zersetzer)
( Abbau organischer Stoffe zu anorganischen Stoffen

Unterschiede zwischen Procyten:
Form und Größe ( stäbchenförmige Bakterien (Spirillen)
( kugelförmige Bakterien (Kokken)
Art und Weise der Energiegewinnung
Fähigkeit Schleimkapseln zu bilden oder nicht
aerob – anaerob / autotroph – heterotroph

Bau der Eucyte:

Unterscheidung von:
tierischen Zellen: Doppelmembran, Protoplast (Zellinhalt) ( besteht aus flüssigen Cytoplasma ( darin „schwimmen“ Zellorganellen, Zentriole (nur in Tierzelle)
pflanzliche Zellen: wie Tierzelle, nur noch 3 weitere Zellorganelle: Vakuole, Chloroplasten, Zellwand

Bau von Biomembranen:

Vorkommen:
Begrenzung aller Zellen (Plasmalemma)
Abgrenzung verschiedener Zellorganellen vom Plasma
Membransysteme innerhalb von Zellen

Funktion:
Abgrenzung (nach innen und außen)
Stofftransport (Austausch)

Hauptbestandteil:
Lipide ( Fette (Makromoleküle)

chemische Zusammensetzung:
doppelte Lipidschicht: Veresterung
Lipide: Glycerin + Fettsäuren —————> Fett + Wasser (Kondensationsreaktion)
zum Fett
Fette sind Ester des Glycerins und (langkettigen) Fettsäuren

Lecithin:
ist Lipid
Hauptbestandteil doppelter Lipidschicht
Glycerin verestert mit 2 Fettsäuren und einem Phosphorylcholinrest

Modell:
polares Molekül ( wasserfreundlich unpolar gegenüber Wasser ( wasserunfreundlich
hydrophil hydrophob
lipophob lipophil
gleiches weist voneinander ab Wasser Wasser
Wasser
Fettsäurereste
Phosphorylcholinrest
Micelle
im Lichtmikroskop keine Membran sichtbar
bilden Grundgerüst der Biomembran
Fette sind Baustoffe für die Biomembran

Proteine:
an der Außenseite der Membran aufgelagert
in die Lipidschicht hinein ragend
durch die Lipidschicht hindurch reichend

Zuckerreste:
verbunden mit Lipiden ( Glykolipide
verbunden mit Proteinen ( Glykoproteine
immer nur auf der Oberfläche des Plasmalemmas vorhanden
( durch Glykokalyx können z.B. Blutgruppen – Antigene ausgebildet werden

Flüssig – Mosaik – Modell:
moderne Vorstellung von Bau einer Biomembran

Flüssig:
ständiger Ab- und Umbau
Proteine teilweise in Lipidschicht beweglich
Wechsel flüssiger und kristalliner Phase
nicht starr

Mosaik:
mosaikartig sind Proteine ein- und aufgelagert
Glykokalyx = Gesamtheit der Glykolipide und Glykoproteine auf der Oberfläche einer Zelle
prinzipieller Aufbau von Biomembranen stimmt überein

Unterschiede bestehen z.B.:
in der prozentualen Zusammensetzung
in der Art der Proteine und Phosphorlipide

Zellfraktionierung – Auftrennung von Zellorganellen:

Homogenisierung:
Zerkleinerung des Gewebes in einer Pufferlösung bei einem pH-Wert um 7
im Homogenisator (Glasgefäß mit eingeschliffenem Kolben) werden die Zellen schonend aufgebrochen in den Kolben drehend auf und ab bewegt wird
Zellen platzen zwischen Kolben und Glaswand auf
dünnflüssiger Brei aus unzerstörten Zellen und Zellorganellen – Zellhomogenat wird weiterverarbeitet

Differentielle Zentrifugation:
Zellbestandteile werden in der Zentrifuge getrennt
sie setzten sich während der Zentrifugation in der Reihenfolge abnehmender Größe und Dichte ab
zur Auftrennung wählt man verschiedene Umdrehungsgeschwindigkeiten, dabei auftretende Zentrifugalbeschleunigungen werden als Vielfaches der Erdbeschleunigung angegeben; Ultrazentrifugen erreichen z.B. 500000g
damit lassen sich sogar kleine Teilchen wie Proteine sedimentieren

Dichtegradientenzentrifugation:
die Probe wird auf einen Dichtegradienten gebracht; das ist eine Lösung von Rohzucker oder Caesiumchlorid, die mit von unten nach oben abnehmender Dichte in ein Zentrifugenglas eingebracht wird
auf die Oberfläche eines solchen Gradienten bringt man jetzt die Probe des Zellhomogenats und zentrifugiert in der Ultrazentrifuge
die Zellbestandteile sedimentieren jeweils nur so weit, bis sie in die Zone ihrer Dichte gelangen
mit dieser Methode kann man Teilchen gleicher Größe, aber geringerem Dichteunterschied, auftrennen

Zellorganelle:
Endoplasmatisches Retikulum: ER

Bau:
durchzieht die Zelle wie ein Netz
nicht starr, ständiger Abbau, Umbau, Aufbau
besteht aus Zysternen
Vesikel können abgeschnürt werden

Funktion:
enge Verbindung zum Kern
teilweise mir Ribosomen besetzt (- raues ER)
( Proteinbiosynthese
Transport von Proteinen in Vesikeln zu anderen Zellorganellen
Glykolisierung von Proteinen (Polysacharidketten werden gebunden)
Speicherung von Calzium – Ionen (Ca ²+)
Golgi – Apparat: ( Gesamtheit aller Dictyosomen einer Zelle)

Bau:
tellerförmige Membranstapel = Zysternen
können Vesikel abschnüren
enge Verbindung zum ER

Funktion:
Modifizierung von Proteinen z.B. Reaktion mit Polysacharidketten
Transport im Vesikel zum Bestimmungsort
Dictyosom (flache Membransäckchen)

Lysosomen:
membranumgrenzte Bläschen mit Verdauungsenzymen z.B. Abbau gealterter Zellorganellen (ca. 50 verschiedene Enzyme bisher bekannt)
Mikrobodies: (im Lichtmikroskop ohne Färbung nicht sichtbar)
membranumgrenzte Bläschen mit Enzymen für Sauerstoffhaushalt der Zelle
Vakuole: (von einer Membran umschlossen)
nur in pflanzlichen Zellen
Entstehung durch Zusammenfließen der Membranen verschiedener Vesikel
( können ganze Zellen ausfüllen (Zentralvakuolen)
sorgen für Innendruck der Zelle (Turgor) ( bestimmt durch Anzahl gelöster Teilchen in Vakuole
Zentralvakuolen in ausdifferenzierter (ausgewachsener) Pflanzenzelle
in jungen Zellen viele kleinere Vakuolen
Tonoplast: Membran um Vakuole
Inhalt: Zellsaft (wässrige Lösung zur Speicherung von Stoffen – auch die für Zelle schädlich sind)
Zellkern: (Nucleus)
Doppelmembran
kugelförmig
Kernhülle: flach, begrenzter Hohlraum
größtes Zellorganell
von zahlreichen Kernporen durchbrochen
( Makromoleküle können zwischen dem Cytoplasma und Zellkerninneren ausgetauscht werden

Zellkerninneres (Karyoplasma):
enthält Proteine, Kernsäuren: RNA, DNA
RNA: ausgetauscht werden RNA und bestimmte Enzyme
DNA: Steuerung der Lebensvorgänge innerhalb der Zelle

im Kern:
Kernkörperchen (Nucleonen) ( dienen zur Bildung von Ribosomen
RNA (Ribonucleinsäure)

Kern – Plasma – Relation:
bestimmte Kerngrößen müssen eine bestimmte Zellgröße nach sich ziehen
bei jüngeren Zellen: ganz großer Kern im Gegensatz zum Plasma
große Zellen haben intensiveren Stoffwechsel
Ribosomen: (nicht membranumgrenzt)
Ort der Probiosynthese
klein, kugelförmig
bestehen aus RNA und Proteinen
kleine und große Untereinheit
im Plasma
in Mitochondrien
im Plastiden
im ER
Mikrotubuli: (sehr kleine Gebilde, nicht im Lichtmikroskop sichtbar)
bestehen aus Tubulin (= Protein)
kleine, röhrenförmige Gebilde
bilden das Cytoskelett (verleihen Zelle gewissen halt)
bilden den Spindelapparat
bilden die Geißeln
können überall in der Zelle vorkommen
Mitochondrien: (heben sich nicht vom Plasma ab, wenn Färbung im Lichtmikroskop sichtbar)

Bau:
kugelförmige oder stäbchenförmig
Länge: 1-3 µm
äußere Mitochondrienmembran
innere Mitochondrienmembran mit Einstülpungen
Matrix
ringförmige DNA
RNA
Ribosomen

Lipide
innere und äußere Mitochondrienmembran unterschiedlicher Zusammensetzung von RNA und Proteinen (prozentual)

Funktion:
biologische Oxidation (Energiegewinnung)
Zellen können im Laufe ihres Lebens mehrere Mitochondrien besitzen
Zellen, die viel Energie benötigen haben umso mehr Mitochondrien z.B. Nervenzellen
Plastiden: (nur in Pflanzenzellen)
fotosynthetisch inaktiv Chromoplasten gelb – orange – rot mit Carotinoiden
mit Farbstoff
fotosynthetisch aktive Chloroplasten grün mit Chlorophyllen
Amyloplasten (Stärke)
ohne Farbstoff fotosynthetisch inaktiv Leukoplasten mit Speicherfunktion Elaioplasten (Öle)
Proteinoplasten (Eiweiße)
Die verschiedenen Formen von Plastiden sind unter bestimmten Bedingungen umwandelbar.
z.B.
Reife
grüne Tomate ——( rote Tomate
Chloroplasten Chromoplasten
Licht
Kartoffelknolle ——( grüne Kartoffel
Leukoplasten Chloroplasten
Licht
Karotte ——( grüner Ansatz von Karotte
Chromoplasten Chloroplasten
Proplastide (kleine, nicht ausdifferenzierte Plastide) keine ausgebildete Membran, Zellorganellen
Plastide entwickeln sich aus Proplastiden
wenn mit Licht werden diese zu Chloroplasten
wenn kein Licht werden diese erst zu Etioplasten, dann mit Licht werden diese zu Chloroplasten

Chloroplasten:
Chloroplastenhülle
Stromathylakoid
Matrix (=Stroma)
ringförmige DNA
Lipidtropfen
Assimilationsstärke
Granathylakoid
Ribosomen

Zellplasma:
wässrige Lösung
( Wasser und darin gelöste Salze (organische Stoffe (Zucker); anorganische Stoffe (Salze))
Ort, wo viele biochemische Reaktionen stattfinden
Transport
Verbindung zwischen allen Zellorganellen
je nach Wassergehalt
Gelzustand (( Solzustand
(Stoffwechsel ständiger (Stoffwechsel Sol – Gelzustand
inaktiv/minimal) Wechsel aktiv ( alle Lebensfunktionen) des Plasmas
zähflüssig (( flüssiger Zustand

Zellwand:
Mittellamelle Zellplasma
Primärwand Zellmembran
Tüpfel mit Plasmodesmos
Sekundärwand Vakuolenmembran

Entstehung:
Zellteilung ( Membran ( Mittellamelle wird angelagert (erstes Trennstück aus Pektine)
( Zwischen Mutterzelle und Tochterzelle

Mittellamelle/ Primärdialwand:
Zusammenhalt von Mutterzelle und Tochterzelle
aus langkettigen Kohlenhydraten (Pektine) über Ionen miteinander verbunden

Primärwand:
auf Mittellamelle angelagert Mikrofibrillen aus Cellulose (Gerüstsubstanz)
regellos angeordnete, verstreute Pektine => Streuungstextur
Zelle wächst heran zur Mutterzelle
Dehnung der Primärwand
Anlagerung von Mikrofibrillen

Sekundärwand:
dicke Schicht aus Mikrofibrillen (Cellulose) (parallel angelagert => Parallelstruktur
besteht auch aus Holzstoff (Lignin) und Korkstoff (Suberin) muss nicht sein
( stabiler Druck- und Zugfest
wasserundurchlässig
nach außen hin: ( Stabilität nimmt zu und Durchlässigkeit wird geringer
Feststoff Kartoffel

Abschlusslamelle/ Tertiärwand:
aus Cellulose
Abgrenzung
wirkt dem Innendruck entgegen ( Stabilität
Endosymbiontenthese: (S. 427)
Endo = innen
Biosynthese: Zusammenleben artverschiedener Organismen zum beiderseitigen Vorteil
Erklärung der Entwicklung von Mitochondrien und Chloroplasten aus Prokaryoten und damit die Entstehung der Eucyte aus der Procyte

Zellorganellen Procyte Eucyte
Pflanzenzelle Tierzelle Zellwand vorhanden (aus Murein) vorhanden (Mittellamelle; Primär-, Sekundär-, Tertiärwand) Zellmembran vorhanden (mit Einstülpung ( einfach) vorhanden (Plasmalemma) vorhanden (Plasmalemma) Vakuole vorhanden Mitochondrium vorhanden (+Hülle, DNA, Lipidtropfen) vorhanden (Hülle, Lipidtropfen, DNA) Zellplasma vorhanden vorhanden vorhanden Zellkern vorhanden (Nucleonen, Chromatin, Kernporen, Kernhülle) vorhanden (Nucleonen, Chromatin, Kernporen, Kernhülle) Lysosomen vorhanden vorhanden Mikrotubuli vorhanden vorhanden Ribosomen vorhanden (Probiosynthese; im Plasma) vorhanden (Plasma, ER) vorhanden (Plasma, ER) Zentriol vorhanden (aus Mikrotubuli) Endoplasmatisches Retikulum vorhanden (rauhes, glattes ER) vorhanden (rauhes, glattes ER) Plastide vorhanden (DNA, Stärke, Lipidtropfen, Hülle, Thylakoid) Dictyosom vorhanden Golgi – Apparat vorhanden (Vesikel) vorhanden (Vesikel) Lipidtropfen vorhanden vorhanden Erbinformation: ringförmige DNA vorhanden Plasmid: kleinere ringförmige DNA vorhanden
Gemeinsamkeiten Procyte - Eucyte
Gemeinsamkeiten Tier- und Pflanzenzelle

einfache Membran:
Dictyosom
Mikrobodies
Lysosomen
Vakuole

ohne Membran:
Ribosomen
Mikrotubuli: Spindelfasern, Geißeln, Cytoskelett

Doppelmembran:
Mitochondrien
Zellkern

Bewertungskriterien beim Mikroskopieren:

Form/ Gesamteindruck:
Blatteinteilung
Größe der Zeichnung ( 2/3 – ¾ des Blattes)
nur mit Bleistift
weißes Zeichenpapier

Linienführung:
klare Striche, keine Strichellinien
Bleistifte mit verschiedenen Härtegraden
nicht schraffieren, nicht ausmalen

Angaben zur Zeichnung:
Anordnung
Objekt/ Organ
Schnittrichtung oder Totalpräparat
deutscher und lateinischer Name
Vergrößerung
Art der Präparation oder Färbung
Datum, Name

Wissenschaftlichkeit der Zeichnung:
Proportionen der Zellbestandteile
typische Zellformen
sinnvollen Ausschnitt zeichnen
Beschriftung entsprechend der Aufgabenstellung (parallele Beschriftungslinien)
Beschriftungslinien dürfen sich nicht überschneiden und haben gleiche Länge
Beschriftung rechts neben der Zeichnung, vertikal gleicher Schriftbeginn, ordentliche Druckschrift
( Zellmembran immer zeichnen, auch wenn nicht sichtbar
( angrenzende Zellen andeuten

Nachweisreaktionen von Stoffen:
Stoffe Vorkommen bzw. in Nachweismittel/ Reaktion Ergebnis Stärke Speichergewebe von Pflanzen (Kartoffelknolle)
in Chloroplasten Jodkaliumiodidlösung Blaufärbung (sehr intensiv fast schwarz) Celluslose Zellwand in Pflanzenzellen
Baumwolle Chlorzinkiodlösung Blaufärbung Lignin (Holzstoff) Zellwände im Festigungsgewebe
Tracheen im Leitbündel Phloroglucin in Salzsäure Rotfärbung reduzierte Zucker (Mono- und Disaccharide) Früchte
Pflanzeteile
Tierzellen Fehlingscher Lösung I und II ( erhitzen
spezieller Glucosenachweis mit Glycoseteststreifen

Gelborganfärbung
Grünfärbung Proteine Tier- und Pflanzenzellen (Hühnerei, Bohnensamen, Nüsse) konzentrierte Salpetersäure
( Xanthoproteinreaktion Gelbfärbung (hell) Fett Samen von Pflanzen
bestimmte Früchte Fettfleckprobe oder Sudan(III)- lösung ( Farbstoff hält sich nur in Fettlösung Rotfärbung

ausführliches Protokoll:

Name: Datum:
Protokoll

Aufgabe:
Vorbetrachtung: Vorüberlegung der Aufgabe; Erklärung was ist was; für was ist dies verantwortlich z.B.
Katalase ist Enzym; evtl. Aufgaben beantworten

Durchführung:

Geräte: Chemikalien:

Beobachtung:
Auswertung: Erklärung der Beobachtung; Zusammenfassender Satz bezüglich der Aufgabe

Chemische Zusammensetzung von Zellen:
prinzipielle Übereinstimmung
Unterschiede im Anteil von verschiedenen Stoffklassen und der Art bestimmter Stoffe
Zellen bestehen aus: Wasser, Mineralstoffen, Proteinen, Lipiden, Kohlenhydraten und Nucleinsäuren

Proteine:

Funktion:
Baustoff von verschiedenen Zellorganellen (z.B. Biomembran)
Enzym zur Biokatalyse

Baustein:
Aminosäuren – etwa 20 – 25 davon sind proteinogen (z.B. an der Proteinbiosynthese beteiligt; Aufbau der Zellen)
Aminogruppe gehört zur Gruppe der Carboxylgruppe

Aminogruppe am 2. C-Atom, auch genannt:
a – Aminosäure am 2. C-Atom bzw. 2. Aminosäure oder a – C – Atom

Bestimmung der Eigenschaften:
Aminogruppe
Rest: kettenförmig/ ringförmig, polar/unpolar, sauer/basisch

z.B. Glycin:
H O
I II
H – C – C – OH
NH2

Alanin:
H O
I II
CH3 – C – C – OH
NH2

Base:
nimmt Protonen auf (Protonenempfänger)
Vorrausetzung: mindestens ein freien Elektronenpaar

Säure:
Protonenlieferant /-spender
gibt Protonen ab
Vorrausetzung: mindestens ein Proton vorhanden
kationische Form (Base)
R – C - COOH
NH3+
zwitterionische Form (Base)
R – CH – COO¯
NH3+

Bsp.:
Base: H2O + H2 ( H3O
Säure: H3O ( H2O + H2
Bindung zwischen den Aminosäuren (AS) => Peptidbindung
AS1 + AS2 ( H2O + Dipeptid (Abspaltung von Wasser)
H O O H O H O H
I II II I II I II I
H – C – C + C – C – H ( C – C – N – C – C – H + H – O Aminogruppe und
I I I I I I I I I Carboxylgruppe bilden Wasser
H – N OH OH N – H OH H H NH2 O
I I
H H Peptidbindung
Verbindung zu Wasser
Dipeptide sind Verbindungen von 2 Aminosäuren
Oligopeptide sind Verbindungen von 9 Aminosäuren
Polypeptide sind Verbindungen von 10 Aminosäuren bis 100 Aminosäuren

Raumstruktur der Proteine:

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