Arbeitsblatt: Manuskript Cytologie

Cytologie Zelllehre Ein Unterrichtslehrgang als Ergänzung zum Lehrmittel: Linder – Biologie M. Stettler, C. Zumbrunn 2007 Schulzentrum Längenstein GU 9 NMM – Biologie Cytologie Zelllehre Inhaltsverzeichnis 1 Mikroskopie 4 1.1 Lichtmikroskop (LM).4 1.1.1 Aufbau eines Lichtmikroskops .4 1.1.2 Funktionsweise eines Lichtmikroskops 5 1.1.3 Herstellung von Mikropräparaten .6 1.2 Elektronenmikroskope (EM) 7 1.2.1 Raster-Elektronenmikroskop REM 7 1.2.2 Transmissions-Elektronenmikroskop TEM8 1.3 Auflösungsvermögen 8 1.4 Aufgaben 9 1.4.1 Vor- und Nachteile .9 1.4.2 Licht 9 1.4.3 Präparate .9 1.5 Versuche mit dem Mikroskop.10 1.5.1 Bedienung und Handhabung .10 1.5.2 Zeitung unter dem Mikroskop10 1.5.3 Objekte unter dem Mikroskop10 1.5.4 Zwiebelpräparat 11 1.5.5 Zusatzaufgabe.13 1.6 Die Entdeckung der Zelle 14 2 Zelltheorie 16 2.1 Zelle 16 2.2 Was können lebende Zellen? .17 2.3 Zwei grundlegende Zelltypen 18 2.3.1 Protocyten und Eucyten18 2.3.2 Grössenordnungen biologisch wichtiger Objekte 19 2.4 Unterschiede zwischen Eucyte und Protocyte.20 3 Die Eucyte. 21 3.1 Unterschied Pflanzenzelle Tierzelle .21 3.2 Übersicht der Eucyten 22 3.3 Bau und Funktion der Membranen23 3.4 Bau und Funktion der Organellen der Eucyten .24 3.4.1 Zellkern24 3.4.2 Mitochondrien .25 3.4.3 Plastiden 26 3.4.4 Endoplasmatisches Retikulum (ER) und Ribosomen27 3.4.5 Golgi-Apparat (Dictyosomen, Lysosomen, Microbodies, Vesikel) 28 3.4.6 Cytoskelett, Centriolen, Mikrotubuli, Mikrofilamente, .29 3.4.7 Geisseln und Cilien.30 3.4.8 Vakuolen 31 3.5 Zellatmung und ATP .32 3.5.1 Zellatmung .32 3.5.2 Adenosintriphosphat ATP 32 Zytologie Sch; cz, ste; 2007 Seite -2- Schulzentrum Längenstein GU 9 NMM – Biologie Cytologie Zelllehre 4 Stoffwechsel . 34 4.1.1 Überblick Stoffwechsel .34 4.1.2 Aufträge .35 4.1.3 Stoffaustausch 36 4.1.4 Passiver Stofftransport .36 4.1.5 passiver Stofftransport durch Membranen.38 4.1.6 Aktiver Stofftransport.39 4.1.7 Endocytose und Exocytose 39 4.1.8 Stoffwechsel von pflanzlichen Zellen (autotrophen Zellen) 40 4.1.9 Stoffwechsel von tierischen Zellen (heterotrophen Zellen) 41 5 Zellteilung. 42 5.1 Mitose 42 5.1.1 Die verschiedenen Phasen der Mitose .42 5.1.2 Ablauf der Mitose.44 5.1.3 Aufgaben zur Mitose.46 5.2 Meiose47 6 Zelldifferenzierung 48 6.1 Auftrag.48 6.2 Zusammenfassung.48 6.2.1 Einzeller .48 6.2.2 Vielzeller 48 6.2.3 Gewebe und Organe.49 Zytologie Sch; cz, ste; 2007 Seite -3- Schulzentrum Längenstein GU 9 NMM – Biologie Cytologie Zelllehre 1 Mikroskopie 1.1 Lichtmikroskop (LM) Das Lichtmikroskop wurde um 1600 herum erfunden und bis heute laufend verbessert. Immer noch stellen sie einen wichtigen Bestandteil der heutigen Forschung dar. Sie besitzen zwei Linsensysteme: das Objektiv und das Okular. Sie können durchsichtige Objekte bis etwa 2000fach vergrössern. 1.1.1 Aufbau eines Lichtmikroskops 1. Stativblende 2. Stativarm 3. Objekttisch 4. 5. 6. Kondensor 7. 8. Kondensorhalter 9. Grobtrieb 10. Feintrieb 11. 12. 13. Eingebaute Leuchte 14. 15. 16. Leuchtfeldblende 17. Objektive 18. Revolver 19. 20. Tubus 21. Okular Zytologie Sch; cz, ste; 2007 Seite -4- Schulzentrum Längenstein GU 9 NMM – Biologie Cytologie Zelllehre 1.1.2 Funktionsweise eines Lichtmikroskops Das Objekt wird auf einem Glasplättchen (Objektträger genannt) auf den Objekttisch gelegt und von unten durchleuchtet. Die Lichtstrahlen, die das Objekt durchdringen, werden vom Objektiv so gebündelt, dass ein vergrössertes Zwischenbild entsteht, das mit dem Okular, das wie eine Lupe wirkt, noch einmal vergrössert wird. Die Objekte müssen so dünn und durchsichtig sein, dass sie einen Teil der Lichtstrahlen durchlassen. Ein undurchsichtiges Objekt wie ein Käfer erscheint unter dem Mikroskop nur als schwarzer Klecks. Moderne Lichtmikroskope besitzen an einem drehbaren Objektivrevolver mehrere Objektive mit unterschiedlicher Vergrösserung, die wahlweise benutzt werden können. Die Gesamtvergrösserung ist das Produkt aus der Objektiv- und der Okularvergrösserung. Die Leistung eines Mikroskops ist umso besser, je kleiner der minimale Abstand zwischen zwei Punkten ist, die noch getrennt abgebildet werden können. Beim Mikroskop kann dieser Abstand – man nennt ihr Auflösungsvermögen – aus physikalischen Gründen nicht kleiner sein als die halbe Wellenlänge der verwendeten Strahlen. Er beträgt darum im Lichtmikroskop etwa 300 nm (0.0003 mm). Das entspricht dem Durchmesser sehr kleiner Bakterien und erlaubt detailreiche Vergrösserungen bis etwa 2000fach. Stärkere Vergrösserungen nützen nichts, denn sie zeigen keine weiteren Details. Um ein scharfes Bild des Objekts zu sehen, wird der Abstand zwischen Objektiv und Objekt verändert, indem der Objekttisch durch Drehen des Fokussierrades gehoben oder gesenkt wird. Bei starker Vergrösserung ist der Schärfebereich nur wenige hundertstel Millimeter dünn. Darum sind nur die Strukturen gleichzeitig deutlich sichtbar, die praktisch in der gleichen Ebene liegen. Zytologie Sch; cz, ste; 2007 Seite -5- Schulzentrum Längenstein GU 9 NMM – Biologie Cytologie Zelllehre 1.1.3 Herstellung von Mikropräparaten Dünne Objekte mit ausreichendem Kontrast können ohne Präparation, d.h. auch leben betrachtet und beobachtet werden. Man bringt sie mit einem Tropfen Wasser auf einen Objektträger und bedeckt sie mit einem Deckglas. So kann man z. B. die Bewegung eines Einzellers direkt beobachten. Frischpräparate erlauben die Untersuchung lebender Objekte, sind aber meist kontrastarm und nicht haltbar. 1. Man bringt das zu untersuchende Objekt auf den Objektträger auf und gibt in der Mitte einen Tropfen Wasser darauf. 2. Nun nimmt man vorsichtig ein Deckgläschen zwischen Daumen und Zeigefinger und legt es mit einer Kante an den Rand des Wassertropfens. Anschließend lässt man es fallen. Weil die meisten biologischen Objekte für die mikroskopische Untersuchung zu dick sind, müssen sie in dünne Scheibchen geschnitten werden. Zur Herstellung sehr dünner Schnitte (ca. 1/100 mm) wird das Objekt in warmes, flüssiges Paraffin eingelegt. Nach dem Abkühlen wird der erstarrte Paraffinblock, der das Objekt enthält, mit einer Maschine, die an die Aufschnittmaschine eines Metzgers erinnert, in hauchdünne Scheibchen geschnitten. Um einzelne Strukturen eines Objekts besser unterscheiden zu können, werden sie durch Einlegen des Objektes in Farbstofflösungen gefärbt. Dabei verwendet man Farbstoffe oder Farbstoff-Kombinationen, die mit bestimmten Stoffen in den verschiedenen Strukturen des Objekts so reagieren, dass diese unterschiedliche gefärbt werden. Zur Herstellung haltbarer Dauerpräparate werden die Objekte auf dem Objektträger in ein Harz, das mit der Zeit hart wird, eingelegt. Zytologie Sch; cz, ste; 2007 Seite -6- Schulzentrum Längenstein GU 9 NMM – Biologie Cytologie Zelllehre 1.2 Elektronenmikroskope (EM) Das Elektronenmikroskop (EM) wurde 1931 erfunden. Es arbeitet statt mit Licht mit Elektronenstrahlen, die durch magnetische Felder gelenkt und gesammelt werden. Weil Luft die Elektronenstrahlen bremst, muss die Luft nach dem Einbringen des Präparats aus dem EM abgesaugt werden. Um die für unser Auge unsichtbaren Elektronenstrahlen „sichtbar zu machen, lässt man sie auf einem Leuchtschirm fallen, der beim Auftreffen von Elektronen an der getroffenen Stelle aufleuchtet. 1.2.1 Raster-Elektronenmikroskop REM Im REM wird die Oberfläche des Objekts mit einem Elektronenstrahl zeilenweise abgetastet. Der Elektronenstrahl wird von der Oberfläche reflektiert und schlägt Elektronen aus der Oberfläche heraus. Die reflektierten und die herausgeschlagenen Elektronen werden gemessen und umgerechnet in Helligkeitswerte, die dann auf einem Bildschirm als Schwarzweissbild dargestellt werden. So entstehen die für das REM typischen plastischen Ansichten von Oberflächen. Die Vergrösserungen liegen im Bereich bis 20000fach. Zytologie Sch; cz, ste; 2007 Seite -7- Schulzentrum Längenstein GU 9 NMM – Biologie Cytologie Zelllehre 1.2.2 Transmissions-Elektronenmikroskop TEM Im TEM wird das Präparat wie im Lichtmikroskop durchleuchtet. Die Elektronenstrahlen, die das Objekt durchquert haben, werden gesammelt und auf einen Leuchtschirm geschickt, wo sie ein Schwarzweissbild erzeugen. Je durchlässiger ein Bereich des Objekts für Elektronen ist, umso heller erscheint er auf dem Bildschirm. Weil die Elektronenstrahlen etwa 1000-mal kürzere Wellenlängen haben als das sichtbare Licht, ist die Auflösung des EM etwa 1000-mal höher als die des LM. Ein EM kann Punkte mit einem Abstand von nur 0.3nm (0.000003 mm) noch getrennt abbilden und bis 1 millionenfach vergrössern. Ein Stecknadelkopf hätte bei dieser Vergrösserung einen Durchmesser von 3 km! Die Präparate für das TEM müssen extrem dünn sein (1000-mal dünner als ein Blatt Papier!) und sie dürfen auch kein Wasser enthalten, weil dieses beim Absaugen der Luft aus dem EM verdampfen würde. Lebende und wasserhaltige Objekte können also im EM nicht beobachtet werden. 1.3 Auflösungsvermögen Als Zusammenfassung die Auflösungsvermögen der unterschiedlichen optischen Instrumente: Zytologie Sch; cz, ste; 2007 Seite -8- Schulzentrum Längenstein GU 9 NMM – Biologie Cytologie Zelllehre optisches Instrument Auflösungsvermögen Beispiel menschliches Auge 0.2 mm 200 m Amöbe Lichtmikroskop 0.25 m 250 nm Bakterien Raster-Elektronenmikroskop REM 5 – 10 nm DNS Helix, Zellmembran TransmissionsElektronenmikroskop TEM 0.5 nm grosse Moleküle 1.4 Aufgaben 1.4.1 Vor- und Nachteile Welche Vor- und Nachteile hat das Transmissions-Elektronenmikroskop gegenüber dem Lichtmikroskop? Mache möglichst präzise Aussagen über die Leistungen der beiden Geräte. 1.4.2 Licht Licht hat je nach Farbe unterschiedliche Wellenlängen. Die Wellenlängen des für uns sichtbaren Lichts liegen zwischen etwa 400 nm (blau) und 800 nm (rot). Warum verwendet man bei Lichtmikroskopen mit hoher Leistung meist blaues Licht? 1.4.3 Präparate Warum können mit dem Lichtmikroskop kleinere Käfer nicht beobachtet werden? Zytologie Sch; cz, ste; 2007 Seite -9- Schulzentrum Längenstein GU 9 NMM – Biologie Cytologie Zelllehre 1.5 Versuche mit dem Mikroskop 1.5.1 Bedienung und Handhabung Folgende Schritte sind bei der Bedienung des Mikroskops zu beachten: • Das Mikroskop fasst du beim Herausnehmen und Transport stets am Stativ. • Verschmutzte Objektive reinigst du nur mit weichem Lappen und Benzin Lehrkraft. • Schraube nie ein Objektiv heraus, Okulare kannst du durch herausziehen wechseln. • Die Unterseite des Objektträgers hältst du stets trocken. • Den Kondensor stellst du so ein, dass die im Okular sichtbare Fläche ein Kreis ist und gleichmässig ausgeleuchtet ist. • Beginne beim Mikroskopieren stets mit der kleinsten Vergrösserung. • Regle dann die Bildhelligkeit und den Kontrast mit der Blende. • Nachdem du eine Grobeinstellung vorgenommen hast, kannst du mit dem Feintrieb eine Feineinstellung vornehmen. • Beim Wechseln des Objektivs musst du genau kontrollieren, dass das neue Objektiv nicht das Objekt berührt. • Nachdem du das Objektiv gewechselt hast, stellst du nur mit dem Feintrieb scharf. • Nachdem du die Arbeit beendet hast, stellst du die schwächste Vergrösserung ein, legst die Schutzhülle über das Mikroskop und reinigst den Arbeitsplatz. 1.5.2 Zeitung unter dem Mikroskop Nimm ein Stück Zeitung und lege es unter das Mikroskop. Betrachte die Zeitung mit verschiedenen Vergrösserungen. Halte deine Beobachtungen fest (z.B. Bei der schwächsten Vergrösserung kann ich der Zeitung sehen, bei der grössten Vergrösserung ) Was stellst du fest, wenn du bei einer Vergrösserung den Feintrieb betreibst, erkläre die Beobachtungen. 1.5.3 Objekte unter dem Mikroskop Lege ein Haar, eine Stecknadel, einen Wollfaden und die Spitze eines Bleistiftes unter das Mikroskop und gib mit Hilfe des Millimeterpapiers die genaue Dicke der Objekte an. Zeichne auch die Struktur der einzelnen Objekte. Zytologie Sch; cz, ste; 2007 Seite -10- Schulzentrum Längenstein GU 9 Objekt Grösse NMM – Biologie Cytologie Zelllehre Skizze dein Haar Stecknadel Wollfaden Bleistiftspitze 1.5.4 Zwiebelpräparat Am Beispiel des Zwiebelpräparates wird die Herstellung eines Frischpräparates gezeigt: Zytologie Sch; cz, ste; 2007 Seite -11- Schulzentrum Längenstein GU 9 1. 2. 3. 4. 5. 6. NMM – Biologie Cytologie Zelllehre Nimm eine Schuppe einer Zwiebel und schneide mit der Rasierklinge ein Quadrat in die Innenseite der Schuppe. Ziehe das eng anliegende Zwiebelhäutchen mit einer Pinzette vorsichtig ab (nur das dünne Häutchen ohne Zwiebelgewebe!!) Nimm einen Objektträger und gib einen Tropfen Wasser mit einer Pipette auf den Objektträger. Lege nun das Zwiebelhäutchen auf den Wassertropfen. Lass das Deckglas langsam auf das Präparat sinken, ohne dass Luftblasen entstehen. Sauge das überflüssige Wasser mit Fliesspapier ab. Betrachte nun die Zwiebelhaut und beschreibe, was du siehst: Skizziere, was du siehst: Zytologie Sch; cz, ste; 2007 Seite -12- Schulzentrum Längenstein GU 9 NMM – Biologie Cytologie Zelllehre Man könnte annehmen, es handle sich um ein Netz von Flächen. Du siehst aber kleine Kammern, die auf allen Seiten umschlossen sind. Was also wie eine Fläche aussieht, ist eine Aufschichtung von kleinen Glaskästchen. Diese betrachten wir von oben – die Grund und Deckfläche scheinen durchsichtig. Diese Glaskästchen oder Kammern heissen: Zellen Beim Betrachten dieses Zwiebelhautausschnittes siehst du dunkle Umrandungslinien. Dies ist die Zellwand, eine steife Hülle, die der Zelle halt gibt. Die Zellwand gibt der Pflanze ihre Festigkeit. Die Zellen sind die kleinsten Bausteine des Lebens. 1.5.5 Zusatzaufgabe Du hast jetzt vielleicht noch eigene Gegenstände mitgebracht, die du unter dem Mikroskop betrachten möchtest. Lege sie einfach darunter und betrachte sie. Erstelle zu jedem doch eine Skizze auf ein neutrales Blatt. Zytologie Sch; cz, ste; 2007 Seite -13- Schulzentrum Längenstein GU 9 NMM – Biologie Cytologie Zelllehre 1.6 Die Entdeckung der Zelle 1665 entdeckte der englische Naturforscher Robert Hooke (1635 – 1702) mit Hilfe eines Lichtmikroskopes in der Korkrinde einer Eiche eine wabenförmige Struktur. Aus der neulateinischen Übersetzung „cytos wurde später der Begriff „Cytologie für die Zellbiologie abgeleitet. Es dauerte aber dann noch fast 200 Jahre bis man die Bedeutung der Zelle erkannte. Erst 1838 kamen die Biologen Schleiden und Schwann auf Grund von Untersuchungen verschiedener Forscher an Pflanzen, Tiere und Menschen zu Schluss: Alle Lebewesen bestehen aus Zellen Auftrag (Lehrmittel Linder – Biologie): 1. 2. 3. 4. Lies den Text auf den Seiten 16 und 17 aufmerksam durch. Bearbeite die untenstehenden Fragen möglichst ohne Buch. Ergänze die fehlenden Antworten mit Hilfe des Buches. Wenn du damit fertig bist, vertiefe dich bereits in das nächste Kapitel „Mikroskopie Fragen zum Text 1. Woher stammt das Wort „Zelle? Der englische Forscher Hooke nannte die kleinen Hohlräume seiner untersuchten Korken „cells (Räume). Davon leitete man den Begriff „Zelle ab, der heute noch Gültigkeit hat. 2. Wer hat wann, wie und womit die Zellen entdeckt? 1665, Hooke, bei der Erforschung von Flaschenkorken. Er benutzte ein Vergrösserungsgerät 3. Warum können wir Zellen mit blossem Auge nur als Punkte wahrnehmen? Das Auge kann nur Punkte unterscheiden, die mehr als 0.1 mm auseinander liegen. Das Auflösungsvermögen ist 0.1 mm 4. Was sind die zentralen Aussagen der Zelltheorie? Alle Lebewesen sind aus Zellen und ihren Produkten aufgebaut. • Die Zelle ist die kleinste Einheit des Lebens. Alle Organismen bestehen aus mindestens einer Zelle. Zytologie Sch; cz, ste; 2007 Seite -14- Schulzentrum Längenstein GU 9 • NMM – Biologie Cytologie Zelllehre Alle Zellen stimmen in wesentlichen Strukturen, Baustoffen und Funktionen überein. • Neue Zellen entstehen nur aus bereits vorhandenen Zellen • Die Leistungen der Lebewesen beruhen auf den Leistungen ihrer Zellen und ihrem Zusammenwirken. 5. Warum muss das Obrflächen Volumenverhältnis von Zellen möglichst gross sein? Aus physiologischen Gründen ist das so. Da ein Austausch der einzelnen Bestandteile der Zellen über ihre Abgrenzungen hinaus passieren, darf die Distanz zu den Zellwänden nicht allzu gross sein. Je kürzer die Distanzen desto besser. Deshalb bestehen Organismen stehts aus vielen kleinen und nicht aus wenigen grossen Zellen. 6. Was bedeutet die Aussage „Omnis cellula cellula von Rudolf Virchow Jede Zelle stammt von einer Zelle ab Zytologie Sch; cz, ste; 2007 Seite -15- Schulzentrum Längenstein GU 9 NMM – Biologie Cytologie Zelllehre 2 Zelltheorie 2.1 Zelle Heute wissen wir, dass Hooke im Kork eigentlich nur die toten Gehäuse der Zellen entdeckte, denn nur diese sind im Kork noch vorhanden. Lebende Zellen besitzen einen Inhalt mit verschiedenen Organellen, die bestimmte Aufgaben erfüllen. Weil die Organellen nur als Teil des Ganzen funktionsfähig sind, ist die Zelle die einfachste Struktur der Lebewesen, die selbstständig lebensfähig sein kann. „Sein kann bedeutet, dass es Zellen gibt, die ihre Selbstständigkeit verloren haben. So sind die Zellen der Vielzeller oft auf eine Aufgabe spezialisiert und nicht mehr selbstständig lebensfähig (die meisten Zellen des Menschen oder der Tiere) Die Zelle ist die einfachste Struktur, die selbstständig lebensfähig sein kann. Die Zellen verschiedener Lebewesen können sich in Grösse und Form zwar erheblich unterscheiden, weisen aber im Bau und in der Funktionsweise viele Übereinstimmungen auf. Die Organellen in den Zellen aller Lebewesen sind grundsätzlich gleich gebaut und funktionieren auch gleich, d.h. die chemischen Reaktionen in den Zellen und in den Organellen sind weitgehend identisch. Die Zellen unterscheiden sich aber in der „Möblierung. Keine Zelle enthält alle Organellensorten und die Anzahl der Organellen kann sehr unterschiedlich sein. So besitzen tierische Zellen im Unterschied zu pflanzlichen keine Chloroplasten und keine Zellwand. Wären wir dem Regenwurm so ähnlich wie unsere Zellen den seinen, müssten wir wohl auch unterirdisch durchs Leben kriechen. Die grosse Verschiedenheit ergibt sich aus den Unterschieden in Zahl, Anordnung und Zusammenarbeit der an sich sehr ähnlichen Zellen. Euglena (Augentierchen): ca. 60 m lang. ein einfacher Einzeller Zytologie Sch; cz, ste; 2007 Seite -16- Schulzentrum Längenstein GU 9 NMM – Biologie Cytologie Zelllehre 2.2 Was können lebende Zellen? Was macht denn eine Zelle zu einer lebenden Zelle? Lebende Zellen können Stoffe umsetzen auf Reize reagieren sich entwickeln und wachsen sich fortpflanzen Zytologie Sch; cz, ste; 2007 Zellen setzen Stoffe um (auch Stoffwechsel genannt): • Fotosynthese Zellatmung • Aufnahme und Verdauung von Nahrung • Aufbau von körpereigenen Stoffen • Abbau von Substanzen und Ausscheidungen Zellen können auf Reize reagieren: • starke Lichteinstrahlung Iris • Druck auf die Haut Schmerz auch Regulationsfähigkeit genannt: • Zellen suchen Orte, die für ihre Entwicklung förderlich sind Wachstum • Zellen verhalten sich in ihrer natürlichen Umwelt normalerweise zweckmässig. Sie haben sich über Jahrmillionen entwickelt und an die Umgebung angepasst. Diese Entwicklung wird Evolution genannt. Jede Zelle kann nicht über eine bestimmte Grösse hinauswachsen. Ist diese erreicht, so teilt sich die Zelle in zwei Tochterzellen. Seite -17- Schulzentrum Längenstein GU 9 NMM – Biologie Cytologie Zelllehre 2.3 Zwei grundlegende Zelltypen 2.3.1 Protocyten und Eucyten Alle Lebewesen bestehen aus Zellen. Jede Zelle stellt einen winzigen Raum dar, der von einer Membran umschlossen ist. In der Natur kommen nur zwei unterschiedliche Zelltypen vor: die Procyten (Bakterien) und die beiden Eucyten (Pflanzenzelle und Tierzelle) Procyten ca. 1 m 1/10 mm Eucyten 1/100 mm „Vorzellen (pro aus lat.: vor) „gute Zellen (eu aus gr.: gut, schön) Bakterien Pflanzenzelle Tierzelle Pflanzenzellen sind im Allgemeinen grösser als Tierzellen, Die grösste Zelle ist aber das ca. 8cm grosse Eigelb des Strausseneis. Den Längenrekord hält eine Pflanzenfaser mit über 4 ! Protocyte (Bakterium) Zytologie Sch; cz, ste; 2007 Eucyte (Pflanzenzelle) Seite -18- Schulzentrum Längenstein GU 9 NMM – Biologie Cytologie Zelllehre 2.3.2 Grössenordnungen biologisch wichtiger Objekte Zytologie Sch; cz, ste; 2007 Seite -19- Schulzentrum Längenstein GU 9 NMM – Biologie Cytologie Zelllehre 2.4 Unterschiede zwischen Eucyte und Protocyte Auftrag: 1. Lies den Text im Lehrmittel (Linder: Biologie) auf Seite 22 2. Betrachte die beiden Zelltypen Eucyte und Protocyte 3. Skizziere einen Zelltyp der Eucyte und eine Pflanzenzelle 4. Notiere die Gemeinsamkeiten 5. Notiere die Unterschiede Protocyte Eucyte Skizze Gemeinsamkeiten • • • • Zellwand Plasmamembran Ribosomen Cytoplasma • • • • Zellwand (Pflanzen) Zellmembran Ribosomen Cytoplasma Unterschiede • • • • • keinen Zellkern kleine Zelle Geissel keinen Zellkern sehr wenige Organellen • • • • • Zellkern grössere Zelle keine Geissel Zellkern viele Organellen: Vakuole Lysosom Mitochondrien Chloroplasten Endoplasmatisches Retikulum ER Zytologie Sch; cz, ste; 2007 Seite -20- Schulzentrum Längenstein GU 9 NMM – Biologie Cytologie Zelllehre 3 Die Eucyte 3.1 Unterschied Pflanzenzelle Tierzelle Auftrag: Vergleiche die beiden Eucyten auf der Seite 23 im Lehrmittel (Linder: Biologie). Bezeichne die angegebenen Zellteile. Ergänze aus dem Buch die fehlenden Bestandteile der Pflanzen- und der Tierzelle. Zytologie Sch; cz, ste; 2007 Seite -21- Schulzentrum Längenstein GU 9 NMM – Biologie Cytologie Zelllehre 3.2 Übersicht der Eucyten In beiden Zelltypen (tierisch pflanzlich) finden wir folgende Organellen: Zellhaut Diese liegt unmittelbar an der Zellwand an und ist mit einem normalen Mikroskop nicht sichtbar. Sie grenzt den lebenden Zellinhalt von der Zellwand ab. Zellplasma Wässrige, schleimige Masse im innern der Zelle. In ihr laufen die lebensnotwendigen chemischen Prozesse ab, welche von dem Zellkern gesteuert werden. Zellkern Der Zellkern enthält alle Erbinformationen, die so genannten Chromosomen (DNS). Darin ist die Bestimmung jeder Zelle gespeichert wie z.B. ist sie eine Wurzelzelle, oder Laubblattzelle usw. Mitochondrien Die Mitochondrien sind die Kraftwerke der Zellen. Sie produzieren mit Sauerstoff die für den Organismus nötige Energie. Chloroplast Sie verleihen den Grünpflanzen die grüne Farbe. In den Blattgrünkörnern stellt die Pflanze mit Hilfe von Sonnenenergie Zucker her (Fotosynthese). (nur in pflanzlichen Zellen) Vakuole Mit Wasser prall gefüllter Raum, welcher die Zelle stützt. Verdunstet die diese Flüssigkeit, so wird die Pflanze (Zellsaftraum) „schlampig. Zytologie Sch; cz, ste; 2007 Seite -22- Schulzentrum Längenstein GU 9 NMM – Biologie Cytologie Zelllehre 3.3 Bau und Funktion der Membranen Situation in der Zelle: Aussehen (Skizze): Bau von Membranen: Funktion von Membranen: Zytologie Sch; cz, ste; 2007 Seite -23- Schulzentrum Längenstein GU 9 NMM – Biologie Cytologie Zelllehre 3.4 Bau und Funktion der Organellen der Eucyten 3.4.1 Zellkern Situation in der Zelle: Aussehen (Skizze): Bau: Funktion: Zytologie Sch; cz, ste; 2007 Seite -24- Schulzentrum Längenstein GU 9 NMM – Biologie Cytologie Zelllehre 3.4.2 Mitochondrien Situation in der Zelle: Aussehen (Skizze): Bau: Funktion: Zytologie Sch; cz, ste; 2007 Seite -25- Schulzentrum Längenstein GU 9 NMM – Biologie Cytologie Zelllehre 3.4.3 Plastiden Situation in der Zelle: Aussehen (Skizze): Bau: Funktion: Zytologie Sch; cz, ste; 2007 Seite -26- Schulzentrum Längenstein GU 9 NMM – Biologie Cytologie Zelllehre 3.4.4 Endoplasmatisches Retikulum (ER) und Ribosomen Situation in der Zelle: Aussehen (Skizze): Bau: Funktion: Zytologie Sch; cz, ste; 2007 Seite -27- Schulzentrum Längenstein GU 9 NMM – Biologie Cytologie Zelllehre 3.4.5 Golgi-Apparat (Dictyosomen, Lysosomen, Microbodies, Vesikel) Situation in der Zelle: Aussehen (Skizze): Bau: Funktion: Zytologie Sch; cz, ste; 2007 Seite -28- Schulzentrum Längenstein GU 9 NMM – Biologie Cytologie Zelllehre 3.4.6 Cytoskelett, Centriolen, Mikrotubuli, Mikrofilamente, Situation in der Zelle: Aussehen (Skizze): Bau: Funktion: Zytologie Sch; cz, ste; 2007 Seite -29- Schulzentrum Längenstein GU 9 NMM – Biologie Cytologie Zelllehre 3.4.7 Geisseln und Cilien Situation in der Zelle: Aussehen (Skizze): Bau: Funktion: Zytologie Sch; cz, ste; 2007 Seite -30- Schulzentrum Längenstein GU 9 NMM – Biologie Cytologie Zelllehre 3.4.8 Vakuolen Situation in der Zelle: Aussehen (Skizze): Bau: Funktion: Zytologie Sch; cz, ste; 2007 Seite -31- Schulzentrum Längenstein GU 9 NMM – Biologie Cytologie Zelllehre 3.5 Zellatmung und ATP 3.5.1 Zellatmung Die Veratmung des Taubenzuckers lässt sich durch die folgende Summengleichung zusammenfassen: Bei dieser Oxidation des Traubenzuckers wird Energie frei. Das zentrale Problem bei der Nutzung der frei werdenden Energie ist die Übertragung auf die energieverbrauchenden Vorgänge. Die Energie des Traubenzuckers soll ja nicht primär als Wärme frei werden, denn die Zelle braucht Energie für Bewegungen, Transporte und chemische Reaktionen. Diese Vorgänge durch Erwärmung in Gang zu bringen, kommt für die Zellen nicht in Frage, da sie selber Hitzeempfindlich sind. (Proteinzerfall) 3.5.2 Adenosintriphosphat ATP Zur Übertragung der Energie ist die Oxidation des Zuckers in der Zellatmung gekoppelt mit dem Aufbau einer anderen energiereichen Verbindung. Diese Verbindung heisst Adenosintriphosphat oder kurz ATP. ATP ist der universell einsetzbare Energieträger der Zelle. ATP ist etwa doppelt so gross wie ein Traubenzuckermolekül. Das ATP wird in den Mitochondrien aus ADP (Adenosindiphosphat) hergestellt, indem eine dritte Phosphatgruppe an das ADP-Molekül gebunden wird. Dazu wird die Energie verwendet, die bei der Oxidation des Traubenzuckers frei wird. Die exotherme Oxidation des Zuckers ist direkt gekoppelt mit der endothermen Bildung von ATP. Wärme entsteht ähnlich wie in einem Motor meist nur als Abfall (Abwärme). Die Energie, die im ATP gespeichert ist, kann durch die Spaltung in ADPP wieder freigesetzt und für energieverbrauchende Vorgänge genutzt werden. Zytologie Sch; cz, ste; 2007 Seite -32- Schulzentrum Längenstein GU 9 NMM – Biologie Cytologie Zelllehre Wozu ATP? Warum kann der Traubenzucker seine gespeicherte Energie nicht direkt auf die energieverbrauchenden Vorgänge übertragen? Ein Grund liegt darin, dass der Abbau des Traubenzuckers und anderer energiereicher organischer Stoffe viele Reaktionsschritte erfordert und einige Zeit dauert. Demgegenüber kann die Energie des ATP durch eine einzige Reaktion blitzschnell freigesetzt werden. Ein zweiter Grund ist die universelle Verwendbarkeit von ATP. [Haushaltgeräte wie Mixer, Waschmaschine, Toaster und Backofen werden meist mit elektrischem Strom betrieben. Nur selten werden andere Energieträger wie Gas oder Benzin genutzt und es wäre nicht sinnvoll, Geräte zu bauen, die mit jeder Form von Energie betrieben werden können. Zur Nutzung von Benzin, Gas oder Kohle wird deren Energie in einem Kraftwerk in elektrische Energie umgewandelt.] Entsprechendes gilt für die „Geräte der Zelle. Sie laufen alle mit ATP. ATP ist die Einheitswährung der Energie. Die Mitochondrien haben die Aufgabe, die Energie verschiedener Energieträger wie Kohlenhydrate und Fette in ATP-Energie umzuwandeln. Sie werden darum eben auch Kraftwerke der Zelle genannt. Aber: Weder Kraftwerke noch Mitochondrien erzeugen Energie, sie wandeln Energie lediglich um. Mitochondrien wandeln die Energie von organischen Stoffen in ATP-Energie um. Ein dritter Grund für die Bildung von ATP ist die Aufteilung der Energie in handliche Portionen. Die Zelle braucht zwar gesamthaft viel Energie, aber die Portionen, die für die einzelnen Vorgänge benötigt werden, müssen kleiner sein als die Energie, die in einem Zuckermolekül steckt. Bei der Veratmung von einem Traubenzucker-Molekül werden 38 Moleküle ATP gebildet. Ein ATP-Molekül enthält also nur etwas 3% der Energie eines Traubenzucker-Moleküls. Warum bauen denn die Zellen nicht nur ATP auf sondern auch Fette und Kohlenhydrate? Die Antwort ist einfach: ATP eignet sich nicht als Energiespeicher für grosse Energiemengen, seil sein Energiegehalt mit 0.06 kJ/g viel geringer ist als der Energiegehalt von Fetten (39 kJ/g) oder von Kohlenhydraten (16 kJ/g). Um die Energie, die im Körperfett eines normalgewichtigen Menschen gebunden ist, zu speichern, wären etwa 1000 kg ( 10 !!!) ATP nötig. Zytologie Sch; cz, ste; 2007 Seite -33- heterotrophe Zellen (Tierzellen) Seite -34- NMM – Biologie Cytologie Zelllehre Autotrophe Zellen (Planzenzellen) Stoffaufnahme Dissimilation (Abbau organischer Stoffe zur Freisetzung von Energie) Stoffabgabe Energieversorgung Zytologie Sch; cz, ste; 2007 4.1.1 Überblick Stoffwechsel 4 Stoffwechsel Schulzentrum Längenstein GU 9 Assimilation (Aufbau körpereigener Stoffe) Schulzentrum Längenstein GU 9 NMM – Biologie Cytologie Zelllehre 4.1.2 Aufträge Ziele: Du informierst dich über Stoffwechselvorgänge selber Du kannst die wichtigen Information für dich herausfiltern und zusammenfassen Du kannst die Begriffe „Assimilation, „Dissimilation, „Diffusion, „Osmose, „Endocytose und „Exocytose definieren und erklären. Aufträge 1. Definiere und beschreibe die Begriffe „Assimilation und „Dissimilation (Beispiele) 2. Definiere und beschreibe die Begriffe „Diffusion und „Osmose (mit Hilfe von Skizzen und Zeichnungen) 3. Definiere und beschreibe die Begriffe „Endocytose und „Exocytose 4. Beschreibe, wie Stoffe durch die Membranen transportiert werden Grundlagen Linder Biologie: S. 34 – 37 Zusatzkopien, Zeichnungen evtl. eigene Recherchen im Internet (Wikipedia) Zeit: 2 Lektionen Abschluss: 9f: Auftrag bis Montag, 17. Dezember 07 gemeinsame Besprechung 9g: Auftrag bis Dienstag, 18. Dez. 07 gemeinsame Besprechung Zytologie Sch; cz, ste; 2007 Seite -35- Schulzentrum Längenstein GU 9 NMM – Biologie Cytologie Zelllehre 4.1.3 Stoffaustausch Der Austausch und Transport von Stoffen ist einer der wichtigsten Aufgaben innerhalb der Zellen. Die Zelle nimmt ständig Stoffe aus der Umgebung auf, setzt sie um und gibt Reaktionsprodukte wieder an die Umgebung ab. Wir unterscheiden primär zwei unterschiedliche Transportmechanismen: den passiven und den aktiven Stofftransport. Innerhalb der Zellen, bzw. Zellorganellen werden die Stoffe dann in Assimilations- und Dissimilationsvorgängen verarbeitet. 4.1.4 Passiver Stofftransport Der passive Stofftransport erfordert keinerlei Energiezufuhr seitens der Zelle. Diese Transportvorgänge basieren auf der Diffusion. Ein Gefäss mit einer porösen Zwischenwand wird mit zwei unterschiedlichen Lösungen gefüllt. Rechts mit Wasser, links mit einer wässrigen Lösung eines Farbstoffes. Die Poren der Zwischenwand sind durchlässig für sämtliche Teilchen beider Lösungen. Die Teilchen des Farbstoffes dringen zuerst durch die Zwischenwand und „wandern nach rechts in das Wasser. Der rechte Raum füllt sich zunehmen mit Teilchen des Farbstoffes. Mit der Zeit werden die Teilchen auch wieder in die linke Hälfte zurückwandern. Solange aber auf der rechten Seite weniger Farbstoffteilchen sind, gibt es eine „Nettodiffusion nach rechts. Sind auf der rechten wie auf der linken Seite gleich viele Farbteilchen vorhanden, so endet dir Netto-Diffusion. Das gesamte Gefäss besitzt nun die gleiche Konzentration an Farbstoffteilchen. Die Geschwindigkeit der Diffusion ist abhängig vom Unterschied der Konzentration und der Temperatur. Je höher die Temperatur und je grösser das Konzentrationsgefälle, desto höher ist die Diffusionsgeschwindigkeit. Zytologie Sch; cz, ste; 2007 Seite -36- Schulzentrum Längenstein GU 9 NMM – Biologie Cytologie Zelllehre Die Diffusion spielt beim Stoffaustausch der Zellen eine zentrale Rolle. Die Zellmembran ist aber im Unterschied zur Trennwand nicht für alle Teilchen durchlässig. Sie ist selektiv permeabel, kurz semipermeabel oder halbdurchlässig. Diese sind nur durchlässig gegenüber Wasser, nicht aber für Teilchen, die im Wasser gelöst sind. Die Diffusion durch eine semipermeable Membran heisst Osmose. Ein Gefäss wird unterteilt durch eine semipermeable Membran (Zellmembran). Im rechten Teil haben wir wiederum nur Wasser, links einen gelösten Farbstoff. Die Pegelstände sind beide gleich hoch, der Druck an der Membran gleich gross. Die Poren der Membran lassen die WasserMoleküle durchtreten, nicht aber nicht Farbstoffmoleküle. Weil rechts keine Farbstoffmoleküle vorhanden sind, ist dort die Konzentration der Wassermoleküle grösser. Also werden Wasserteilchen von rechts nach links diffundieren, um den Konzentrationsgehalt auszugleichen. Diese einseitige Diffusion heisst Osmose. Da keine Farbmoleküle von links nach rechts wandern können, nimmt das Volumen auf der linken Seite zu. Der Wasserpegel links steigt, während er rechts sinkt. Dies hat zur Folge, dass der Druck von links auf die Membran steigt. Dieser Druck behindert die Diffusion der Wassermoleküle von rechts nach links. Dieser Druck steigt bis die Diffusion von rechts nach links gleich gross wird, wie von links nach rechts. Die Nettodiffusion von Wasser ist gleich null. Den Überdruck der linken Kammer nennt man den osmotischen Druck. Er ist umso höher, je grösser die Konzentration der gelösten Stoffe zu Beginn gewesen ist. Zwischen zwei Lösungen mit der gleichen Gesamtkonzentration an gelösten Teilchen diffundieren Wassermoleküle in beide Richtungen gleich schnell. Es findet also kein Nettotransport von Wasser statt und der Druck bleibt in beiden Lösungen gleich. Man nennt solche Lösungen mit gleicher Gesamtkonzentration isotonisch. Der osmotische Druck einer Lösung ist der Druck, den sie in einem Osmometer durch die Wasseraufnahme erreicht. Er ist ein Mass für die Tendenz Wasser aufzunehme. Der osmotische Druck ist abhängig von der Konzentration der gelösten Teilchen. Die Art der Teilchen spielt keine Rolle. Zytologie Sch; cz, ste; 2007 Seite -37- Schulzentrum Längenstein GU 9 NMM – Biologie Cytologie Zelllehre 4.1.5 passiver Stofftransport durch Membranen Beim passiven Transport durch eine Membran unterscheiden wir zwischen der einfachen Diffusion und der erleichterten Diffusion. Kleine und einfache Moleküle diffundieren einfach durch die Zellmembran. Dies ist aber für viele Moleküle und Stoffe nicht möglich. Daher erleichtern spezifische Membranproteine den Einlass in die Zelle. Diese Membranproteine werden auch Carrier genannt. Sie nehmen den Stoff auf der einen Seite auf und geben ihn auf der Innenseite der Membran an die Zelle ab. Diese Transportform heisst erleichterte Diffusion. Jeder Carrier kann dabei nur ganz spezielle Moleküle und Stoffe durchlassen. durch Lipidschicht Kleine Moleküle wie Wasser oder Sauerstoff durchqueren die Lipid-Doppelschicht, indem sie zwischen den Lipidmolekülen hindurchschlüpfen. durch Eiweisstunnel Ionen und grössere hydrophile Meloküle passieren die Membran durch Eiweisstunnel mit hydrophilen Wänden. durch Carrier Grosse und kleine Teilchen können von spezifischen Transporteiweissen, so genannten Carriern, durch die Membran bewegt werden. Carrier können Stoffe auch gegen das Konzentrationsgefälle transportieren. Zytologie Sch; cz, ste; 2007 Seite -38- Schulzentrum Längenstein GU 9 NMM – Biologie Cytologie Zelllehre 4.1.6 Aktiver Stofftransport Im Gegensatz zu passiven Stofftransport muss beim aktiven Stofftransport Energie von der Zelle bereitgestellt werden, um Stoffe zu transportieren. Diese Energie steht in Form von ATP zu Verfügung. Dies wird beispielsweise notwendig, wenn Stoffe entgegen einem Konzentrationsgefälle transportiert werden müssen. Sind mehrer Stofftransporte an einen einzigen gekoppelt, so spricht man auch von einem sekundären aktiven Stofftransport. 4.1.7 Endocytose und Exocytose Zellen ohne Zellwand können Nahrungsteilchen mit körperfremden Stoffen durch Endocytose aufnehmen. Dabei werden die Teilchen von einer Membran umschlossen. Das entstandene Bläschen (Vesikel) trennt sich von der Membran und wandert ins Zellinnere, meist zu Golgi-Apparat. Die Aufnahme flüssiger Stoffe nennt man Pinocytose, die Aufnahme fester Stoffe Phagocytose. Bei der Exocytose geschieht gerade das Umgekehrte. Makromoleküle oder andere Partikel werden in Vesikel verpackt und dann aus der Zelle hinaustransportiert. Die Vesikel verschmelzen dann mit der Zellmembran und öffnen sich gegen aussen. Zytologie Sch; cz, ste; 2007 Seite -39- Schulzentrum Längenstein GU 9 NMM – Biologie Cytologie Zelllehre 4.1.8 Stoffwechsel von pflanzlichen Zellen (autotrophen Zellen) Weil pflanzliche Zellen seine organischen Stoffe selber aufbauen kann, muss er nur anorganische Stoffe wie Kohlendioxid, Wasser und Mineralstoffe aufnehmen. Der Vorgang, bei dem die Zelle aus körperfremden Stoffen körpereigene Stoffe herstellt, nennt man Assimilation. Jede Zelle muss für ihr Wachstum und für die bei der Entwicklung nötigen Umbauten sowie für die permanente Erneuerung ihrer Teile laufend Stoffe assimilieren. Autotrophe Zellen stellen bei der Assimilation aus anorganischen Stoffen organische her. Der zentrale Vorgang ist dabei der Aufbau von Traubenzucker und Sauerstoff aus Kohlendioxid und Wasser. Die dafür erforderliche Energie bezieht die Zelle bei der Fotosynthese mit den Chloroplasten aus dem Licht. Einen Teil der aufgebauten energiereichen organischen Stoffe nutzt die Zelle als Betriebsstoffe. Beim Abbau von Traubenzucker in Kohlendioxid und Wasser, also bei der Zellatmung, spricht man auch von Dissimilation. Zytologie Sch; cz, ste; 2007 Seite -40- Schulzentrum Längenstein GU 9 NMM – Biologie Cytologie Zelllehre 4.1.9 Stoffwechsel von tierischen Zellen (heterotrophen Zellen) Auch eine tierische Zelle nimmt anorganische Stoffe auf. Er kann diese aber nicht in körpereigene, organische Stoffe umwandeln und muss darum hauptsächlich organische Moleküle wie Zucker, Aminosäuren und Fettsäuren aufnehmen. Diese kommen in der freien Natur kaum alleine vor und müssen daher aus der Nahrung herausgezogen werden. Die Zelle nimmt die Nahrungsteilchen durch Endocytose in eine Nahrungsvakuole auf. Durch Enzyme werden sie in die nutzbaren Stoffe zerlegt. Heterotrophe Zelle assimilieren also auch, indem sie körperfremde Stoffe in körpereigene verwandeln. Ihre Assimilation geht aber von organischen Stoffen aus. Da heterotrophe Zellen den für die Zellatmung notwendigen Sauerstoffe nicht selber produzieren können, müssen sie ihn aus der Umgebung aufnehmen (äussere Atmung). Heterotrophe Zellen dissimilieren genau gleich wie autotrophe Zellen ihren Traubenzucker zu Kohlendioxid und Wasser. Der Zellstoffwechsel produziert Bau- und Reservestoffe, die das Wachstum, die Erneuerung und dir Fortpflanzung der Zelle ermöglichen. Er liefert auch die Energie für alle Aktivitäten der Zelle. Der Zellstoffwechsel umfasst neben den chemischen Umsetzungen in der Zelle auch den Stoffaustausch mit der Umgebung und den Stofftransport. Bei den chemischen Umsetzungen in der Zelle kann zwischen Assimilations- und Dissimilationsvorgängen unterschieden werden. Zytologie Sch; cz, ste; 2007 Seite -41- Schulzentrum Längenstein GU 9 NMM – Biologie Cytologie Zelllehre 5 Zellteilung Da alle Lebewesen wachsen, müssen sich also Zellen vermehren können. Sie tun dies mit Hilfe der Zellteilung. Wir unterscheiden grundsätzlich zwei Arten von Fortpflanzung: Name: Mitose Name: Meiose ungeschlechtliche Fortpflanzung geschlechtliche Fortpflanzung Eigenschaften Eigenschaften 5.1 Mitose 5.1.1 Die verschiedenen Phasen der Mitose Wenn du z.B. eine Verletzung der Haut erleidest, erneuern sich dort die Zellen sofort und schliessen die Wunde mit neuen Zellen. Es ist sinnvoll, wenn sich die Zellen dort ungeschlechtlich fortpflanzen, da sie alle genau gleich aussehen müssen und auch die gleichen Aufgaben übernehmen müssen, wie ihre Mutterzellen. Dazu vermehren sich die Zellen nicht sexuell – sie brauchen also keinen Partner – sie teilen sich einfach. Bei der Teilung einer bereits vorhandenen Zelle wird auch die Erbsubstanz – die Chromosomen – gleichmässig auf beide Tochterzellen verteilt. Die nachfolgenden Bilder verschaffen dir einen mikroskopischen Einblick in dieses Wunder der Natur. Unsere Mikroskope sind dafür leider viel zu schwach. Auftrag: Schreibe zu jedem Bild einen passenden Text. Hilfe dazu findest du in deinem Biologiebuch (S. 38) Bezeichnung: Interphase Beschreibung: Das Stadium zwischen zwei Zellteilungen heisst Interphase. Dort wächst die Zelle heran. Die Mutterzelle bereitet sich zur Teilung vor. Zytologie Sch; cz, ste; 2007 Seite -42- Schulzentrum Längenstein GU 9 NMM – Biologie Cytologie Zelllehre Bezeichnung: Prophase Beschreibung: Die Chromosomen im Zellkern winden sich schraubenförmig auf und werden sichtbar. Die Anzahl der Chromosomen ist artspezifisch. Bezeichnung: Metaphase Beschreibung: Die Chromosomen spalten sich der Länge nach auf in zwei gleiche Hälften. Sie ordnen sich in der Mitte der Zelle an und sind mit feinen Faser zu beiden Polen der Zelle verbunden. Bezeichnung: Anaphase Beschreibung: Die Chromosomenhälften trennen sich und werden gleichmässig auf die beiden Pole gezogen. Auf diese Weise hat jede Tochterzelle wieder den gleichen Chromosomensatz. Bezeichnung: Telophase Beschreibung: Nach dieser Chromosomenteilung ziehen sich die Chromosomen zu zwei Knäuel zusammen und bilden die neuen Kerne. Dazwischen entsteht jetzt vor der endgültigen Teilung der Zellen eine neue Zellwand. Bezeichnung: Interphase Beschreibung: Die neuen Zellen müssen jetzt Nährstoffe und Wasser aufnehmen, bevor sie sich erneut teilen können. Eine Zellteilung dauert 30 min bis mehrere Stunden. Spezialisierte Zellen können sich auch strecken, bevor sie sich teilen (z.B. Wurzel) Zytologie Sch; cz, ste; 2007 Seite -43- Schulzentrum Längenstein GU 9 NMM – Biologie Cytologie Zelllehre 5.1.2 Ablauf der Mitose Die ganze Zellteilung beginnt mit der Kernteilung, der eigentlichen Mitose, und endet mit der Teilung des Cytoplasmas. Je nach Lebewesen dauert sie 30 Minuten bis 24 Stunden. In der Interphase werden die Chromatinfasern so verteilt, dass jeder Tochterkern je ein Exemplar erhält. Bei der Aufteilung der verdoppelten Chromatinfasern muss dafür gesorgt sein, dass nie zwei identische Fäden in einen Tochterkern gelangen. Weil die Chromatinfasern extrem lang und ineinander verknäuelt sind, ist ihre Verteilung nicht ganz einfach. Sie werden darum in eine besser transportierbare Form gebracht. Die langen Fäden werden kürzer und dicker, indem sie sich mehrfach aufspiralisieren. Dadurch entstehen die im LM sichtbaren Chromosomen, nach denen die Mitose (mitos, gr.: Faden) benannt ist. Die Chromosomen bestehen in dieser Phase aus je zwei Chromatiden. Man bezeichnet sie darum als Zweichormatiden-Chromosom. In jedem Chromatid ist einer von den zuvor verdoppelten Chromatinfasern spiralisiert. Die beiden Chromatiden eines Chromosoms, die auch Schwesterchromatiden genannt werden, sind am Centromer verbunden. Sie werden im Verlauf der Mitose voneinander gelöst und auf zwei Tochterkerne verteilt. Dazu wird die Kernhülle aufgelöst und ein spezieller Teilungsapparat gebildet. der die Schwesterchromatiden auseinander zieht. Danach entspiralisieren sich die Chromatinfasern wieder und die Tochterkerne erhalten eine neue Kernhüle. Modelle eines Zweichromatiden-Chromosoms Warum bleiben die Chromatinfasern in der Interphase nicht einfach spiralisiert? Weil die Chromatinfaser im Chromosom mehrfach spiralisiert ist, kann die DNA nicht benutzt werden. Der Kern kann die Information der DNA nicht benutzen (vgl. Du kannst ein Buch auch nur lesen, wenn es aufgeschlagen ist). Die Chromatinfasern müssen also nach der Mitose entspiralisiert werden, damit ihre Information zur Steuerung der Zelle benutzt werden kann. Auch verdoppeln können sich die Chromatinfasern nur im entspiralisierten Zustand. Nach der Teilung des Kerns teilt sich das Cytoplasma. Anschliessend folgt die nächste Interphase: Die Zellen wachsen und verdoppeln das Erbgut. Zytologie Sch; cz, ste; 2007 Seite -44- Schulzentrum Längenstein GU 9 NMM – Biologie Cytologie Zelllehre Zusammenfassung: Im Zellzyklus folgt auf jede Zellteilung eine Interphase, in der die Zelle wächst und das Erbgut verdoppelt. Im Interphasenkern liegt das Erbgut in Form von langen Chromatinfasern vor und kann zur Steuerung der Zelle abgelesen werden. Die Chromatinfasern werden in der Interphase verdoppelt und zu Beginn der Kernteilung zu Chromosomen spiralisiert. Die Zellteilung beginnt mit der Kernteilung oder Mitose und endet mit der Teilung des Cytoplasmas. Zytologie Sch; cz, ste; 2007 Seite -45- Schulzentrum Längenstein GU 9 NMM – Biologie Cytologie Zelllehre 5.1.3 Aufgaben zur Mitose 1. Warum liegt wohl das Erbgut während der Interphase nicht in Form von Chromosomen vor? Die Chromosomen sind lediglich die Transportform des Erbgutes während der Mitose. In den Chromosomen sind die Chromatinfasern mehrfach spiralisiert. Die eingepackte DNS ist zwar kleiner, kann aber nicht verdoppelt werden oder kopiert werden. Beides muss aber in der Interphase passieren. Die Erbinformationen werden gebraucht, um die Zelle zu steuern und das Erbgut muss verdoppelt werden. 2. Woraus bestehen Chromatinfasern? Aus DNS und Eiweissen 3. Wann findet die Verdoppelung des Erbgutes statt? Währen der Interphase (genauer in der S-Phase) 4. Überlege dir, wie die Teilung des Cytoplasmas einer tierischen Zelle, bzw. einer pflanzlichen Zelle vor sich geht. Nach der Mitose teilt sich das Cytoplasma in der Regel in zwei etwa gleich grosse Hälften. Zellen ohne Zellwand teilen sich durch Einschnürung. Zellen mit einer Zellwand teilen sich durch die Bildung einer Trennwand aus der membranumhüllten Zellwandplatte, die durch Verschmelzen von GolgiVersikeln entsteht. Zytologie Sch; cz, ste; 2007 Seite -46- Schulzentrum Längenstein GU 9 NMM – Biologie Cytologie Zelllehre 5.2 Meiose Die geschlechtliche Fortpflanzung war eine der grössten Erfindungen der Evolution. Im Gegensatz zur Mitose sind die Tochterzellen völlig verschieden von den Mutterzellen. Meiose findet bei den höheren Lebewesen immer dann statt, wenn neue Individuen erzeugt werden sollen. Dies bedeutet einen Evolutionsvorteil, da sich durch dieses Prinzip auch neue Anlagen herausbilden können. Wären alle Individuen einer Art gleich, dann würde die Art vielleicht bei der nächsten Grippeepidemie aussterben, weil es keine Individuen gäbe, die genetisch widerstandsfähiger wären als andere. Die Ausbildung der Keimzellen findet bei der Meiose in zwei Schritten, den zwei Reifeteilungen, statt. Bei der ersten Reifeteilung verteilen sich die Chromosomenpaare jeweils in eine neue Zelle, bei der zweiten Reifeteilung trennen sich die Chromosomen, so dass sich in den entstehenden vier Keimzellen jeweils nur noch eine Chromosomenhälfte befindet. Bei der Befruchtung verschmilzt eine männliche Keimzelle mit einer weiblichen, und es entsteht die befruchtete Eizelle, die Zygote. Die beiden „halben Zellkerne verschmelzen zu einem neuen ganzen. Ein neues Lebewesen mit je der Hälfte Gene der Mutter und des Vaters ist entstanden. Zytologie Sch; cz, ste; 2007 Seite -47- Schulzentrum Längenstein GU 9 NMM – Biologie Cytologie Zelllehre 6 Zelldifferenzierung 6.1 Auftrag Auftrag: Lies die Seiten 40 – 45 durch und fasse den Text in deinen eigenen Worten zusammen. Umfang: max 4 A4-Seiten (2 Blätter), handgeschrieben Termin: Dienstag, 17. Juni 2008 Beurteilung: Dein Text wird nach Inhalt und Gesamtdarstellung beurteilt 6.2 Zusammenfassung 6.2.1 Einzeller Bei den Einzellern erbringt eine Zelle alle Leistungen. Einzeller können sich durch Teilung fortpflanzen und kenne darum keinen Alterstod. Die beiden Tochterzellen sind meist gleich und haben dasselbe Erbgut wie die Mutterzelle, die nicht erhalten bleibt. Die verschiedenen Einzeller sind im Bau auf bestimmte Umweltbedingungen und auf eine bestimmte Lebensweise spezialisiert. 6.2.2 Vielzeller Die Zellen eines Vielzellers spezialisieren sich bei ihrer Entwicklung durch eine entsprechende Differenzierung im Bau auf bestimmte Aufgaben. Die Differenzierung verbessert bestimmte Leistungen, führt aber auch zum Verlust gewisser Fähigkeiten: Differenzierte Zellen sind nicht mehr totipotent. Die Kerne in den Körperzellen eines Vielzellers besitzen alle das ganze Erbgut, können aber nach der Differenzierung nicht mehr auf alle Informationen zugreifen. Bei vielen Pflanzen bleiben einzelne Körperzellen totipotent. Sie können Pflanzenteile ersetzen und ermöglichen so das hohe Regenerationsvermögen der Pflanzen. Totipotente Zellen können sich auch zu Nachkommen entwickeln und ermöglichen so die ungeschlechtliche Fortpflanzung. Alle durch ungeschlechtliche Fortpflanzung entstandenen Nachkommen eines Lebewesens sind erbgleich, sie bilden einen Klon. Beim Klonen werden Klone (erbliche Nachkommen) künstlich erzeugt. Zytologie Sch; cz, ste; 2007 Seite -48- Schulzentrum Längenstein GU 9 NMM – Biologie Cytologie Zelllehre 6.2.3 Gewebe und Organe Der Körper eines Vielzellers besteht in der Regel aus verschiedenen Organen. Ein Organ ist ein Funktionszentrum aus verschiedenartigen Geweben, die zusammenarbeiten. Ein Gewebe ist ein Verband von meist gleichartigen Zellen, die einander respektieren und zusammenarbeiten. Die Zellen tauschen durch ihre Zellmembranen oder über Plasmafäden Stoffe und Informationen aus. Bei Pflanzen gibt es Dauergewebe mit mehr oder weniger differenzierten, nicht teilungsfähigen Zellen sowie Bildungsgewebe (Meristeme) aus Zellen, die sich teilen und zu verschiedenen Zelltypen differenzieren können. Tiere besitzen in der Regel keine Meristeme, aber teilungsfähige Stammzellen, aus denen sich mehrere Zellsorten entwickeln können. Am flexibelsten sind die Stammzellen der Embryonen: sie können sich noch zu (fast) jedem Zelltyp differenzieren. Die Gewebe von Tieren können teilungsfähig sein wie z.B. die Haut oder das Knochenmark oder sie können ihre Teilungsfähigkeit verlieren wie die Nervenzellen. Teilungsfähige Gewebe erneuern sich ständig. Sie können auch wachsen und Verletzungen reparieren. Zytologie Sch; cz, ste; 2007 Seite -49-