Zellen und Mikroskopie: EF Klausur - 1. Halbjahr

Tier- und Pflanzenzellen

Tier- und Pflanzenzellen gehören beide zu den Eukaryoten (Zellen mit Zellkern), unterscheiden sich aber in einigen wichtigen Merkmalen. Pflanzenzellen besitzen eine Zellwand aus Zellulose, die der Zelle Stabilität verleiht. Sie haben außerdem Chloroplasten für die Photosynthese und eine große Vakuole, die Wasser, Nährstoffe und Abfallstoffe speichert.

Tierzellen haben stattdessen Lysosomen, die für die Verdauung von Stoffen und die Zellerneuerung wichtig sind. Ihr Zytoskelett ist stärker ausgeprägt als bei Pflanzenzellen und übernimmt die Stützfunktion, da sie keine Zellwand haben. Tierzellen speichern Kohlenhydrate als Glykogen, während Pflanzenzellen Stärke einlagern.

Gemeinsame Zellorganellen sind der Zellkern (enthält die Erbinformation), die Zellmembran (kontrolliert den Stofftransport), Mitochondrien (Energiegewinnung), das Endoplasmatische Retikulum (Stoffproduktion und -transport), der Golgi-Apparat (Proteinverarbeitung) und Ribosomen (Proteinsynthese).

Gut zu wissen: Der Zellkern ist das "Gehirn" der Zelle und enthält den größten Teil der Erbinformation. Der Nucleolus im Zellkern ist wichtig für die Produktion von Ribosomen.

Zellorganellen und ihre Funktionen

Die Mitochondrien sind die Kraftwerke der Zelle. Sie haben eine äußere und innere Membran, wobei die innere stark gefaltet ist. In der Matrix im Inneren befinden sich eigene DNA und Ribosomen. Hier findet die Dissimilation statt – die energieliefernde Veratmung von Nährstoffen.

Chloroplasten kommen nur in Pflanzenzellen vor und sind für die Photosynthese zuständig. Sie haben ebenfalls eine Doppelmembran und enthalten Thylakoide mit dem grünen Farbstoff Chlorophyll. Im Stroma befinden sich eigene DNA, Ribosomen und Stärkekörner als Speicherform.

Der Zellkern ist von einer Doppelmembran (Kernhülle) umgeben, die von Kernporen durchbrochen ist. Im Inneren liegt das Chromatingerüst mit der Erbinformation. Der Nucleolus ist für die Bildung von Ribosomen wichtig. Der Zellkern steuert alle Vorgänge in der Zelle.

Spannend: Das Experiment mit der Grünalge Acetabularia zeigt, dass der Zellkern die Entwicklung der Zelle bestimmt. Wenn man den kernhaltigen Rhizoid abschneidet, kann sich trotzdem noch einmal ein Hut bilden, da "Reste" der Erbinformation im Stiel vorhanden sind.

Endosymbiontentheorie und Zellteilung

Die Endosymbiontentheorie erklärt, wie eukaryotische Zellen entstanden sind: Ursprüngliche Archaebakterien haben prokaryotische Bakterien aufgenommen, die sich zu Mitochondrien und Chloroplasten entwickelten. Beweise dafür sind die Doppelmembran dieser Organellen, ihre bakterienähnliche Größe, ihre ringförmige DNA und ihre Fähigkeit, sich unabhängig von der Zellteilung zu vermehren.

Bei der Mitose teilt sich der Zellkern, wobei identische Tochterzellen mit einem diploiden Chromosomensatz entstehen. Der Prozess läuft in mehreren Phasen ab:

• Interphase/Prophase: Die Zelle wächst, das Chromatin verdichtet sich, Spindelfasern bilden sich
• Metaphase: Die Chromosomen ordnen sich in der Äquatorialebene an
• Anaphase: Die Chromatiden werden zu den Zellpolen gezogen
• Telophase: An den Zellpolen bilden sich neue Kernhüllen

Die eigentliche Zellteilung erfolgt bei Tierzellen durch Einschnürung mit Hilfe des Zytoskeletts, bei Pflanzenzellen durch Bildung einer neuen Zellwand aus Golgi-Vesikeln in der Äquatorialebene.

Wichtig für die Klausur: Merke dir die Unterschiede zwischen Tier- und Pflanzenzellen bei der Zellteilung. Bei Tieren erfolgt die Einschnürung durch kontraktile Ringe, bei Pflanzen durch Bildung einer neuen Zellwand!

Meiose - Die Reifeteilung

Die Meiose ist die Grundlage der geschlechtlichen Fortpflanzung. Aus einer diploiden Zelle entstehen vier haploide Tochterzellen. Der Prozess besteht aus zwei Teilungen:

Meiose I - Trennung der homologen Chromosomen:

• Prophase I: Chromosomen werden sichtbar und paaren sich. Beim Crossing-over tauschen mütterliche und väterliche Chromosomen Abschnitte aus, was zur Rekombination führt
• Metaphase I: Die Chromosomenpaare ordnen sich in der Äquatorialebene an
• Anaphase I: Die homologen Chromosomen werden zu entgegengesetzten Polen gezogen
• Telophase I: Zwei Tochterzellen mit unterschiedlichem Erbgut entstehen

Meiose II - Äquationsteilung:

• Ähnelt einer Mitose
• Die Chromatiden werden getrennt
• Am Ende entstehen vier haploide Tochterzellen

Die Meiose sorgt für genetische Vielfalt durch die zufällige Verteilung der Chromosomen und das Crossing-over. Ohne Crossing-over gibt es 2²³ Kombinationsmöglichkeiten (beim Menschen mit 23 Chromosomenpaaren).

Das musst du verstehen: Der wichtigste Unterschied zwischen Mitose und Meiose ist, dass bei der Meiose haploide Zellen entstehen, während bei der Mitose diploide Tochterzellen gebildet werden. Die Meiose sorgt für genetische Vielfalt!

Wichtige Begriffe und Zelluntersuchung

Wichtige Fachbegriffe für die Klausur:

• Lipide: Fette, die hydrophob (wasserabweisend) sind
• Mikrotubuli: Röhrenförmige Proteinkomplexe in eukaryotischen Zellen
• Mikrofilamente: Fadenförmige Proteinstrukturen im Zytoskelett
• Proteinsynthese: Neubildung von Proteinen aus Aminosäuren
• Eukaryoten: Lebewesen mit Zellkern (Tiere, Pflanzen, Pilze)
• Prokaryoten: Zellen ohne Zellkern (Bakterien, Archaeen)
• Synthese: Aufbau chemischer Verbindungen

Die Zentrifugation ist eine wichtige Methode, um Zellbestandteile zu untersuchen. Es gibt zwei Verfahren:

1. Differentialzentrifugation: Hier werden Zellbestandteile nach ihrer Sedimentationsgeschwindigkeit getrennt. Teilchen mit höherer Dichte setzen sich zuerst am Boden ab. Der Überstand wird dann mit höherer Drehzahl weiterzentrifugiert.

2. Dichtegradientenzentrifugation: Bei diesem Verfahren wird eine Lösung verwendet, deren Dichte von oben nach unten zunimmt. Die Zellbestandteile setzen sich in der Zone ab, die ihrer eigenen Dichte entspricht.

Praxistipp: Wenn du die Zentrifugation verstehen willst, denke an ein Karussell: Je schneller es sich dreht, desto stärker werden leichte Teile nach außen gedrückt. Schwere Teile bleiben eher in der Mitte.

Mikroskopische Untersuchungsmethoden

Es gibt verschiedene Mikroskopiearten mit unterschiedlichen Vor- und Nachteilen:

Das Lichtmikroskop erreicht etwa 2.000-fache Vergrößerung mit einer Auflösung von 0,2 µm. Es besteht aus mindestens zwei Linsen (Objektiv und Okular). Der Vorteil ist, dass lebendige Zellen untersucht werden können, allerdings müssen sie lichtdurchlässig sein. Biologische Strukturen erscheinen oft kontrastarm.

Die Fluoreszenzmikroskopie nutzt UV-Licht, um bestimmte Strukturen zum Leuchten zu bringen. So können gezielt Zellstrukturen sichtbar gemacht werden.

Die Elektronenmikroskopie erreicht Vergrößerungen bis zu 1 Million:

• Das Transmissionselektronenmikroskop (TEM) durchleuchtet sehr dünne Proben mit Elektronenstrahlen. Zellen müssen fixiert und mit Schwermetallsalzen kontrastiert werden.
• Das Rasterelektronenmikroskop (REM) tastet Oberflächen ab und vermittelt einen räumlichen Eindruck.

Beim Lichtmikroskop strahlt die Lichtquelle Licht durch das dünne Präparat. Die Lichtstrahlen passieren das Linsensystem und erzeugen ein vergrößertes Bild im Okular.

Klausurtipp: Lerne die Unterschiede zwischen Licht- und Elektronenmikroskopie genau! Das Elektronenmikroskop bietet zwar höhere Vergrößerungen, aber lebende Zellen können nur im Lichtmikroskop beobachtet werden.