Zellbiologie 2 - Biomembran PDF

## Zellbiologie 2 ### Die Biomembran: Membran der Zellen und der Zellorganellen - Ein wesentliches Kennzeichen der Organismen ist die Abgrenzung ihrer Gestalt zur Umwelt hin. - Abgrenzung ist für Lebewesen unverzichtbar. - Nur so wird eine Vermischung mit ihrer Umgebung verhindert. - Nur so behalt...

## Zellbiologie 2 ### Die Biomembran: Membran der Zellen und der Zellorganellen - Ein wesentliches Kennzeichen der Organismen ist die Abgrenzung ihrer Gestalt zur Umwelt hin. - Abgrenzung ist für Lebewesen unverzichtbar. - Nur so wird eine Vermischung mit ihrer Umgebung verhindert. - Nur so behalten sie ihre charakteristische stoffliche Zusammensetzung. - Dennoch darf diese Grenze nicht unpassierbar sein. - Der "Stoffwechsel" gehört ebenfalls zu den immer wieder zitierten Kriterien des Lebens. - Die Biomembran hat gegensätzliche Aufgaben zu lösen: Abgrenzen und Öffnen, Sperren und Vermitteln. ### Bau der Biomembran - Die Membran besteht aus 2 Lagen von Phospholipiden (Phospholipiddoppelschicht). - Die ungeladenen, wasserabstossenden (hydrophob) Lipidteile ragen nach innen, sie wenden sich einander zu. - Die geladenen wasserliebenden (hydrophil) Phosphatteile ordnen sich aussen an und weisen zum wässrigen Zellplasma, resp. zur wässrigen Zwischenzellflüssigkeit hin. - Membranen sind keine starren "Häufchen": Die Phospholipidmoleküle verschieben sich fortlaufend aufgrund der Wärmebewegung der Teilchen. - Höhere Temperaturen führen zu rascheren Bewegungen. - Membranproteine sind in unregelmässigen Abständen in die Phospholipiddoppelschicht eingelagert. **Abbildung: Struktur eines Phospholipids** - Phosphatteil, geladen - Lipidteile (hydrophos) - Phospholipid - Phospholipid-Doppelschicht - Phosphatteil, hydrophob **Abbildung: Bau Biomembran** - Bau Teile der Biomembran ### Funktion der Biomembran - Die zentrale Funktion der Biomembran dient dem Abgrenzen verschiedener "Räume" (z. B. Zellen untereinander abgrenzen, Zellorganellen vom Zellplasma abgrenzen). - Die Lipid-Doppelschicht ist weitgehend undurchlässig für lonen und polare Moleküle. - Jedoch muss die Biomembran für Stoffe und Informationen passierbar sein. - Moleküle der Biomembran dienen der Erkennung von Zellen. - Bauteile der Biomembran haben bei diesen Aufgaben wichtige Funktionen: - **Membranprotein-Kanal ("integrales Kanalprotein")** - Membranprotein-Kanäle ermöglichen den spezifischen Transport von polaren (geladenen) lonen oder sehr grossen Molekülen. - Diese Kanäle können dauerhaft geöffnet sein oder mithilfe von chemischen oder elektrischen Signalen geöffnet werden. - Beispiel: Die Bindung des Hormons Insulin öffnet Membranprotein-Kanäle und ermöglicht die Glucose-Aufnahme aus dem Blut in die Körperzellen. - **Membranprotein mit Kohlenhydratkette** - Die Zellmembran enthält auf Ihrer Oberfläche Kohlenhydrate. - Diese Kohlenhydrate dienen als Erkennungsmerkmale der Zellen. - Diese können sich zwischen verschiedenen Arten oder zwischen verschiedenen Individuen einer Art und teils sogar zwischen den Zellen eines Organismus unterscheiden. - Bsp. Rote Blutkörperchen der Blutgruppe A enthalten andere Kohlenhydratketten als rote Blutkörperchen der Blutgruppe B. - **Verbindungen zwischen Zellen** - Bei vielzelligen Organismen ist durch Verbindungen zwischen den Zellen ein Informationsaustausch möglich. - Zellplasmastränge bei Pflanzenzellen. - Kommunikationskontakte ("gap junctions") bei tierischen Zellen. ### Stofftransport durch die Biomembran - Zellen sind von einer Vielzahl von Stoffen umgeben. - Einige davon werden in einer bestimmten Konzentration im Zellinneren benötigt. - Andere werden in der Zelle aufgebaut und an die Umgebung abgegeben. - Der Austausch von Molekülen zwischen der Zelle und ihrer Umgebung erfolgt durch die Zellmembran. - Folgende Transportmechanismen ermöglichen den Austausch: - **Passiver Transport (1)** - Passive Transportmechanismen benötigen keine Energie und erfolgen immer vom Ort höherer zum Ort kleinerer Konzentration bezüglich des betrachteten Stoffes. - **Diffusion (2)** - Hydrophile und sehr kleine ungeladene Moleküle wie Gase und - mit Einschränkungen - Wasser können Membranen direkt passieren. - **Mittels Membranprotein-Kanal (3)** - Kleine polare Teilchen wie lonen und Wasser und grössere Moleküle. - Beispiel: Glucose passiert die Zellmembran via Kanäle von Membranproteinen und gelangt so passiv vom Blut in die Körperzellen. - **Aktiver Transport (4)** - Aktive Transportmechanismen benötigen Energie und ermöglichen mittels Membranproteinen den Stofftransport vom Ort kleinerer zum Ort höherer Konzentration. **Abbildung: Stofftransport durch die Biomembran** - passiver Transport - aktiver Transport - hohe Teilchen Konzentration - niedrige Teilchen Konzentration - Diffusion - Transport mittels Membranprotein-Kanal inkl. einzeichnen Richtungspfeil - Aktiver Transport mittels Energie und Membranprotein-Kanal inkl. einzeichnen Richtungspfeil **Beispiele für aktiven Transport im menschlichen Körper:** - Benzol: krebserregendes Zellgift - Benzol kommt im Benzin, Autoabgasen, Zigarettenrauch vor und wurde bis vor wenigen Jahrzehnten häufig in Lösungsmittel verwendet. - Benzol ist ein kleines Molekül (C6H6), das leichtflüchtig ist. - Benzol gilt als krebserregend. **Warum ist Benzol für den Menschen gefährlich?** - Stellen Sie Hypothesen auf. - Betrachten Sie dazu auch das Benzol-Molekül. - Führen Sie anschiessend eine Kurzrecherche durch. - Machen Sie sich ein paar Notizen. - kleine Molekülgrösse - hydrophob, leicht flüssig - kann Lipid-Doppelschicht (Biomembran) u. Flaut passieren - Aufnahme v.a. über Atemwege (Doämpfe) - Krebserregend ### Diffusion **Experiment** - In eine mit Wasser zur Hälfte gefüllte Petrischale wird in die Mitte ein kleiner (! ca. 1 mm²) Kristall Kaliumpermanganat gegeben. - Dieser Versuch wird parallel mit kaltem und warmem Wasser durchgeführt. - Beobachten Sie die Vorgänge in den Petrischalen während ca. 5 Minuten. - Notieren Sie ihre Beobachtungen. **Aufgaben:** - Studieren Sie im Natura S. 106. - Definieren Sie den Begriff Diffusion und erklären Sie den in der Abbildung dargestellten Vorgang. - Wassermolekül - Zuckermolekül - Von welchen Faktoren hängt die Diffusiongeschwindigkeit ab? - Vergleichen Sie dazu das Experimemt mit Kaliumpermanganat. ### Osmose **Experiment: Salz auf Gurke** - Auf ein Gurkenstück wird etwas Salz gegeben. - Notieren Sie ihre Beobachtungen. - Erklärung? **Definition Osmose** - Osmose ist die Diffusion von Wasser durch eine selektiv permeable (semipermeable) Membran vom Ort tieferer Teilchenkonzentration (z. B. Salze, Zucker) zum Ort höherer Teilchenkonzentration. - (Achtung: Dies widerspricht nicht der Definition des passiven Transportes auf S. 2, denn hier ist mit Teilchen Zucker, NaCl gemeint und der diffundierende Stoff ist Wasser. - Da in einer höheren Teilchenkonzentration (Salz-, Zuckerteilchen ...) es weniger Wasserteilchen hat, könnte man auch sagen, dass Wasser zum Ort tieferer Wasserteilchenkonzentration diffundiert und dann entspricht es wieder der Definition des passiven Transportes) - Wird eine Salz- oder Zuckerlösung in ein Gefäss gebracht, das durch eine selektiv permeable Membran von reinem Wasser getrennt ist, wandern mehr Wassermoleküle in die Salz-/Zuckerlösung als umgekehrt, da die Teilchenkonzentration der Wassermoleküle in der Salz-/Zuckerlösung geringer ist, als in reinem Wasser und nur Wassermoleküle, nicht aber Salz-/Zuckermoleküle durch die Membran hindurch diffundieren können. **Aufgaben:** - Studieren Sie im Natura S. 106. - Definieren Sie: selektiv permeabel (semipermeabel) - Von was ist der osmotische Druck (vgl. Definitionen) einer Lösung abhängig? **Definitionen** - **Osmotischer Druck:** Druck, den eine Lösung auf Grund einer osmotisch bedingten Wasseraufnahme auf die Umgebung auswirkt. - **Turgor:** Druck, den der Zellinhalt auf die Zellwand ausübt, wenn eine Pflanzenzelle Wasser osmotisch aufgenommen hat. - **Plasmolyse:** Schrumpfen der Vakuole und lösen des Protoplasten von der Zellwand, als Folge eines osmotisch bedingten Wasserausstromes aus der Vakuole. (Protoplast: Zellmembran mit Zellplasma, Zellorganellen u. Vakuole) **Experiment** - Stellen Sie auf einem Objektträger zwei Präparate der roten Zwiebelschuppenepidermis her. - Links auf dem Objektträger nehmen Sie zur Anfertigung des Präparates einen Tropfen destilliertes Wasser. - Rechts auf dem Objektträger nehmen Sie einen Tropfen konzentrierte Salzlösung (Kaliumnitrat oder NaCI). - Vergleichen Sie die beiden Präparate, indem Sie bei mittlerer Vergrösserung (ca. 100x) je eine Stelle suchen (links und rechts), bei der Sie einige Zellen gut beobachten können. **Auftrag** - Fertigen Sie von beiden Präparaten eine Skizze an und kommentieren Sie kurz ihre Beobachtungen. - Lassen Sie unterhalb der Skizze etwas Platz. - Wasserlosung - Zellwand - Zellmembran - In salz-Wasser Lösung - permeabel - H₂O - Semi-permeabel - Vakuole - Zellplasma - intrazelluläre TK - intrazelluläre Teilchenkonzentration - extrazelluläre TK - H₂O strömt in Zelle, in Vakuole - extrazelluläre TK - H₂O aus Vakuole mit Zellmembran löst sich von Zellwand - Vakuole teilt sich aus Zelle **Aufgaben** - Erläutern Sie, weshalb Diffusion und Osmose nur für den Transport von Stoffen über kurze Distanzen als Transportmechanismen geeignet sind, nicht aber für den Ferntransport. - Welche Auswirkung hat dies für grosse Tiere? - Ein Gartenbesitzer meint es mit seinem Rasen besonders gut und düngt ihn mit der doppelten Menge Mineralsalzdünger. - Er muss sich in den nächsten Tagen allerdings darüber wundern, dass der Rasen an mehreren Stellen braune Flecken bekommen hat. - Erläutern Sie die Gründe dafür. ### Experiment: Welche Stoffe sind osmotisch wirksam? - Im folgenden Experiment wird Glucose (Traubenzucker) und Stärke (z. B. Mehl) verwendet. - **Glucose:** C6H12O6, kleines Einzelmolekül, wasserlöslich - **Stärke:** (C6H12O6)n, sehr grosses Molekül aus vielen Glucose-Einzelmolekülen zusammen gesetzt, nicht wasserlöslich - Auf verschiedene Kartoffelscheiben wurde Glucose (Traubenzucker) oder Stärke (Mehl) gegeben. - Betrachten Sie die vorbereiteten Experimente. - Welcher der beiden Stoffe ist osmotisch wirksam, welcher nicht? - Woran erkennen Sie dies? - **Glucose:** H₂O "perlt auf Oberfläche, osmotisch wirksam. - **Stärke:** Oberfläche trocken, osmotisch nicht wirksam. - Was zeichnet einen osmotisch wirksamen Stoff aus? - Löslich in H₂O, keine Diffusion durch semiperable Membran. **Osmoregulation bei Salzwasserfischen** - **Folge:** dauernder Wasserverlust - **Strategie:** dauerndes Trinken von Meerwasser, Ausscheidung von Salzionen via Chloridzellen über Kiemen und Darm. **Osmoregulation bei Süsswasserfischen** - **Folge:** dauernder Wassereinstrom - **Strategie:** Abgabe grosser Mengen von stark verdünntem Harn, Aufnahme von Natrium- und Chloridionen via Chloridzellen (z. T. im Salzwasser umkehrbar, z. B. Lachs). **Auftrag** - ...