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# Das lichtmikroskopische Bild der Zelle ## Zellen der Wasserpest - Pflanzliche Zellen haben eine regelmäßige Struktur. - Zellwände sind als Zellgrenzen deutlich sichtbar. - Chloroplasten sind zu erkennen. - Plasmaströmung ist zu beobachten. - Cytoplasma erscheint relativ strukturlos. - Zellkern i...

# Das lichtmikroskopische Bild der Zelle ## Zellen der Wasserpest - Pflanzliche Zellen haben eine regelmäßige Struktur. - Zellwände sind als Zellgrenzen deutlich sichtbar. - Chloroplasten sind zu erkennen. - Plasmaströmung ist zu beobachten. - Cytoplasma erscheint relativ strukturlos. - Zellkern ist als meist rundlicher, etwas dunklerer Körper nur schwer erkennbar. - Zellsaftvakuole ist vom Cytoplasma umgeben und kann durch Farbstoffe sichtbar gemacht werden. - Sie enthält eine wässrige Lösung aus organischen und anorganischen Stoffen. - Eine Membran, der Tonoplast, begrenzt sie gegen das Cytoplasma. ## Zellen der menschlichen Mundschleimhaut - Tierische Zellen haben einen Durchmesser von 10 bis 100 µm. - Tierische Zellen sind mit 10-30 µm deutlich kleiner. - Ausnahmen: Das Eigelb des Straußeneies (7,5 cm im Durchmesser), die extrem dünnen Fortsätze von Nervenzellen großer Tiere (mehrere Meter lang). ## Größenvergleich verschiedener Zelltypen und -bestandteile im lichtmikroskopischen bzw. elektronenmikroskopischen Bild | Zelltyp | Größe | | :-------- | :-------- | | Menschliche Eizelle | 100 µm | | Spermien | 5-10 µm | | Große Amöbe | 500 µm | | Hühnereidotter | 1250 µm | | Wasserpest | 250 µm | | Zwiebel-Epidermiszelle | 400 µm | | Mundschleimhautzelle | 70 µm | | Zellkern | 5-20 µm | | Blutzelle | 8 µm | | Bakterium | 0,5-5 µm | | Mitochondrium | 2-8 µm | | Mykoplasmen| 0,2-0,3 µm | ## Aufbau von Zellen ### Im Lichtmikroskop sichtbare Strukturen der Pflanzenzelle - **Chloroplasten:** Grüne Pflanzenteile enthalten Chloroplasten. Sie sind für die Fotosynthese zuständig. - **Vakuole:** Sie dienen der Stoffspeicherung, zum Beispiel für Stärke. - **Tüpfel:** Lichtmikroskopisch erkennbare Aussparungen. - **Zellwand:** Die Zellwand aus Cellulose umgibt den Zellleib oder Protoplast der Pflanzenzelle. Sie wird von der Zellmembran nach außen abgegeben und gehört nicht zu den Organellen der lebenden Zelle. - **Zellmembran:** Für die tierische Zelle stellt die Zellmembran die einzige Begrenzung dar. In der Pflanzenzelle liegt sie der Zellwand direkt an. In beiden Fällen begrenzt die Zellmembran den Protoplasten als physiologische Barriere. ### Im Lichtmikroskop sichtbare Strukturen der Tierzelle - **Zellkern:** In seinem Innern finden sich oft ein oder mehrere Kernkörperchen oder Nucleoli. - **Cytoplasma:** Der Zellkern ist von einer doppelten Membran, der Kernhülle, umschlossen. ### Dreidimensionalität des Zellkörpers - Im Mikroskop werden nur solche Strukturen scharf abgebildet, die in der Schärfeebene liegen. - Der entsteht ein zweidimensionaler Eindruck. - Um zu einer räumlichen Vorstellung von der Zelle zu kommen, müssen die Bilder der unterschiedlichen Schärfeebenen zu einem dreidimensionalen Gesamtbild zusammengefügt werden. ## Das Elektronenmikroskop - Das Auflösungsvermögen von Mikroskopen ist durch die Wellenlänge der verwendeten Strahlung begrenzt. - Geräte, die mit kurzwelligen Strahlen arbeiten, sind notwendig um die lichtmikroskopisch erreichbare Auflösungsgrenze zu unterschreiten. - Das Elektronenmikroskop wurde in den 1930er Jahren von Ernst Ruska entwickelt. ### Das Transmissionselektronenmikroskop (TEM) - Elektronenstrahlen werden beim Elektronenmikroskop anstatt Lichtstrahlen benutzt. - Wolfram-Glühkathode dient als Strahlenquelle. - Elektronen werden durch hohe Spannung beschleunigt. - Je höher die Spannung, desto kleiner ist die Wellenlänge; die Grenzauflösung liegt im Bereich von 0,1nm. - Moderne Elektronenmikroskope erreichen die 1000-fache Leistung eines Lichtmikroskops und vergrößern bis zu 2000000-fach. - Das TEM funktioniert wie ein Lichtmikroskop aber das Präparat muss extrem dünn geschnitten sein. - Elektronenstrahlen werden durch die Atome des Objektes abgelenkt. - Schwermetallsalzen werden verwendet um die Streuung biologischer Präparate zu verstärken. - Elektronenstrahlen sind für das Auge unsichtbar, das Bild kann nur indirekt auf einem Leuchtschirm betrachtet werden. - Elektromagnete dienen an Stelle von Glaslinsen zur Ablenkung und zur Bündelung der Strahlen. - Hochvakuum wird bei TEM Untersuchungen verwendet. ### Das Rasterelektronenmikroskop (REM) - REM eignet sich zur Analyse von Oberflächenstrukturen. - Untersuchungsobjekte werden nicht durchstrahlt, sondern mit einem gebündelten Primärelektronenstrahl zeilenförmig abgetastet. - Sekundärelektronen werden aus der dünnen Goldschicht, die das Präparat überzieht, freigesetzt. ## Elektronenmikroskopische Präparationsmethoden ### Ultradünnschnitttechnik - Die Schnitte sollten zwischen 20 und 80 nm dick sein. - Die Schnitte gelangen in eine kleine, wassergefüllte Wanne, die an dem Glasblock befestigt ist, und schwimmen auf der Wasseroberfläche. ### Gefrierbruch und Gefrierätzung - Das Gefrierbruchverfahren dient dazu, plastische Eindrücke von Oberflächenstrukturen zu gewinnen. - Das Objekt wird extrem schnell auf bis zu -196 °C abgekühlt. - Die Oberfläche wird mit einer feinkörnigen Kohle-Platin-Schicht bedampft. ## Zelle und Zellorganellen im elektronenmikroskopischen Bild ### Zellkern - Doppelte Membran, die Kernhülle, umschließt den Zellkern. - Durch Kernporen gehen äußere und innere Kernmembran ineinander über. ### Plastiden - Plastiden gibt es nur in pflanzlichen Zellen. - Sie enthalten Chlorophyll. - Chloroplasten haben eine besondere Funktion bei der Fotosynthese. ### Mitochondrien - Von zwei Membranen umgeben, die innere Membran zeigt zahlreiche Einfaltungen nach innen (Cristae). - Die Matrix im Innern des Mitochondriums enthält Ribosomen, mitochondriale DNA und zahlreiche Enzyme des Kohlenhydrat- und Lipidstoffwechsels. ### Ribosomen - Ribosomen sind die Orte der Proteinbildung. ### Endoplasmatisches Reticulum (ER) - Durchzieht als ausgedehntes Membransystem die gesamte Zelle. - Dient neben der Synthese und der Verarbeitung verschiedener Stoffe vor allem dem innerzellulären Stofftransport. ### Dictyosomen - Bestehen aus übereinandergestapelten, flachen Membranzisternen. - In den Dictyosomen werden die Syntheseprodukte des ER umgewandelt, gespeichert, in Golgi-Vesikel verpackt und weitertransportiert. ### Lysosomen - In der Zelle kommen weitere vom Golgi-Apparat abgeschnürte Vesikel vor. - Dienen dazu, zelleigenes und zellfremdes Material zu verdauen, um die Bausteine der Zelle für neue Synthesen zugänglich zu machen. ### Vakuolen - Große Vesikel, die der Verdauung von Makromolekülen dienen, aber auch Produkte des Zellstoffwechsels speichern. ### Peroxisomen - Kleine Vesikel, die in unterschiedlichen Zellen sehr verschiedene Funktionen haben. - Sie enthalten Katalase, die das im Stoffwechsel entstehende Zellgift Wasserstoffperoxid in Sauerstoff und Wasser zerlegt. ### Cytoskelett - Ein Netzwerk feiner Proteinstrukturen im Cytoplasma, die für die mechanische Festigkeit der Zelle sorgen und die Zellorganellen an ihrem Platz halten. - Das Cytoskelett gewährleistet Zusammenhalt und Stabilität. - Das Cytoskelett ist für Bewegungsvorgänge verantwortlich. ## Verbindungen zwischen Zellen - Bei vielzelligen Organismen sind Zellen zu Geweben zusammengeschlossen, die dauerhaft eine strukturelle und funktionelle Einheit bilden. - Desmosomen dienen dem mechanischen Zusammenhalt und stabilisieren das Gewebe. - Verschlusskontakte wie die tight junctions verhindern, dass extrazelluläre Flüssigkeit in die Zellzwischenräume gelangt. - Kommunikationskontakte wie die gap junctions gewährleisten den Informationsaustausch zwischen benachbarten Zellen. ## Stofftransport: Diffusion und Osmose - Zellen sind von einer Vielzahl von Stoffen umgeben, die sie mit ihrer Umgebung austauschen. - Der Austausch von Molekülen zwischen der Zelle und ihrer Umgebung erfolgt über die Zellmembran. ### Diffusion - Die selbstständige Durchmischung aufgrund der Eigenbewegung von Teilchen nennt man Diffusion. ### Osmose - Die meisten biologischen Membranen sind selektiv permeabel. - Wasser kann ungehindert durch die Membran diffundieren. ## Stofftransport: Kanal- und Carriertransport - Für Makromoleküle, also Proteine, Polysaccharide und Nukleinsäuren, aber auch für Ionen und kleine hydrophile Moleküle ist das hydrophobe Innere der Lipiddoppelschicht nahezu unüberwindlich. ### Passiver Transport - Wandert der Stoff von sich aus ohne dass Energie aus dem Zellstoffwechsel aufgewendet wird - von der Membranseite mit der hohen Konzentration zu der mit niedriger Konzentration. - Die treibende Kraft ist das Konzentrationsgefälle. ### Aktiver Transport - Der Stoff wird von der Membranseite mit der niedrigeren Konzentration zu der Seite mit höherer Konzentration durch die Membran geschleust – also gegen das Konzentrationsgefälle. - Dieser Transport benötigt die Zufuhr von Energie aus dem Stoffwechsel. ### Einfache Diffusion - Sehr kleine oder fettlösliche Moleküle können ohne die Hilfe eines Transportproteins das hydrophobe Innere der Lipiddoppelschicht überwinden. ### Kanaltransport - Kanalproteine bilden eine Art Tunnel aus polaren Aminosäuren, die für den Transport von kleineren polaren oder geladenen Teilchen in die Zelle oder aus ihr heraus dienen. ### Carriertransport - Carrierproteine binden die zu transportierenden Moleküle kurzzeitig und transferieren sie – wobei sie ihre Konformation ändern - auf die andere Seite der Membran. ### Cotransport - Carrierproteine transportieren nur ein bestimmtes Molekül in einer Richtung im Uniport. - Bei Cotransport erfolgt der Transport nur bei gleichzeitigem Transfer einer anderen Molekülart. ## Stofftransport: Endocytose, Exocytose, Membranfluss - Durch Endozytose werden Stoffe mit Hilfe von Vesikeln oder Vakuolen in die Zelle gelangen. - Der entsprechende Prozess der Stoffausscheidung wird als Exocytose bezeichnet. ### Endocytose - Weiße Blutzellen können Krankheitserreger oder gealterte Blutzellen aufnehmen und verdauen. - Die Form der Endocytose, bei der feste Partikel aufgenommen werden, bezeichnet man als Phagocytose. - Gelangt Flüssigkeit mit darin gelösten Stoffen in die Zelle, spricht man von Pinocytose. ### Exocytose - Abfallstoffe der Zelle, aber auch Sekrete aus Drüsenzellen werden ausgeschieden. - Vesikel mit der Zellmembran in Kontakt treten. - Der Inhalt des Vesikels wird nach außen abgegeben. ## Stofftransport innerhalb der Zelle - Zu den Stoffen, die innerhalb einer Zelle transportiert werden, gehören insbesondere Proteine. - Alle Proteine werden an den Ribosomen hergestellt. - Ihr weiterer Weg hängt dann davon ab, ob ihre Aminosäuresequenz ein Sortiersignal enthält. ### Transmembrantransport - Kanalproteine in der Membran müssen passiert werden. ### Transport durch die Kernporen - Die Kernporen funktionieren wie „Schleusen", die nur solche Proteine aktiv durch die Kernhülle transportieren, die das entsprechende Sortiersignal aufweisen. ### Vesikeltransport - Proteine und andere Makromoleküle werden in kleine, kugelförmige oder größere, unregelmäßig geformte Transportvesikel verpackt. - Der Transportvesikel werden mit der Molekülfracht aus einem Organell beladen, knospen dann durch Abschnürung von diesem Mutterorganell ab und entlassen ihre Fracht beim Verschmelzen mit der Membran des Zielorganells. ## Prokaryoten - Organismen, deren Zellen keinen Kern haben und die nicht in Kompartimente oder Organellen gegliedert sind. - Fast alle für uns sichtbaren Lebewesen in unserer Umgebung sind Eukaryoten. ### Bakterien - Die größte Gruppe unter den bekannten Prokaryoten. - Sie besiedeln in unvorstellbar großer Zahl fast alle Lebensräume der Erde. - Bakterien sind für das Leben auf der Erde unentbehrlich. - Als Destruenten sorgen sie für den Abbau organischer Stoffe. - Sie spielen eine wichtige Rolle als Symbionten beispielsweise im Magen von Wiederkäuern. - Die Zellen sind sehr unterschiedlich geformt. - Die Erbsubstanz liegt als einziges, ringförmiges Bakterienchromosom im Cytoplasma in der Zellmitte (Nucleoid). - Weitere kleine DNA-Ringe, die Plasmide, tragen meist nur wenige Gene. ### Cyanobakterien - Cyanobakterien sind meist 5- bis 10-mal größer als die übrigen Bakterien. - Sie betreiben Fotosynthese. ### Archaeen - Archaeen (griech. archeios: urtümlich) sind einzellige, von einer Zellwand umgebene Organismen, die vor allem extreme Lebensräume besiedeln. ## Eucyte, Procyte und Viren ### Eucyte - Eukaryotische Zellen haben charakteristische Merkmale. - Sie besitzen Organellen, die von Biomembranen umgeben sind. - Ihre Erbsubstanz ist in mehrere Chromosomen gegliedert. ### Procyte - Die Procyte, der Organisationstyp der Prokaryoten, ist deutlich einfacher strukturiert. - Die Zellen sind im Durchschnitt wesentlich kleiner. - Die Erbsubstanz ist in einem einzigen Bakterienchromosom konzentriert. - Membranen umgebene Organellen treten nicht auf. ### Viren - Viren sind keine Zellen. - Sie bestehen nur aus einem Nukleinsäurefaden, der von einer Eiweißhülle umgeben ist. - Viren können sich nicht selbst vermehren. - Indem sie ihre Erbinformation in eine Wirtszelle einschleusen, bringen sie diese dazu, infektiöse Viren herzustellen. ## Herkunft der Eucyte - Alle bekannten Lebensformen lassen sich auf die beiden Zelltypen Procyte und Eucyte zurückführen. - Man nimmt an, dass sich die eukaryotische Zelle aus der wesentlich älteren prokaryotischen Zelle entwickelt hat. ### Die Endosymbiontentheorie - Beobachtung: Mitochondrien und Plastiden vermehren sich unabhängig vom Zellzyklus durch Zweiteilung. - Die Endosymbiontentheorie besagt, dass die beiden Organellen von ursprünglich frei lebenden Einzellern abstammen. - Große, organellenfreie Prokaryoten nahmen kleinere, bakterienähnliche Organismen durch Phagocytose auf. ==End of OCR==