Studienheft BOLO1A Zellbiologie

Einleitung

Liebe Kursteilnehmerin, lieber Kursteilnehmer, mit dem vorliegenden Studienheft werden Sie Ihre Lektüre des Kapitels 1 im Lehrbuch Natura-Oberstufe vertiefen und überprüfen, ob Sie die wesentlichen Inhalte erfasst haben und anwenden können. Dabei werden Sie auch die Möglichkeit haben, die zellbiologischen Erkenntnisse zu Alltagsbeobachtungen aus der Welt des Lebendigen in Beziehung zu setzen, die von uns vorgelegten Aufgabenstellungen zu bearbeiten und eigene Urteile zu entwickeln und zu überlegen, warum die Gliederung dieses Studienhefts von der Gliederung des Lehrbuchkapitels im Lehrbuch etwas abweicht.

Wenn man sich mit der Zellbiologie beschäftigt, erkennt man deutlich, in welchem Ausmaß eine erfolgreiche Forschungstätigkeit von einer Vielzahl besonderer Werkzeuge und Geräte abhängt. Das Studienheft ist so gegliedert, dass Sie verfolgen können, wie neu entwickelte Forschungsmethoden und -techniken die Erkenntnisgewinnung in der Biologie vorangetrieben haben. So war das neu erfundene Lichtmikroskop im 17. Jahrhundert nicht nur die Attraktion von Gesellschaftsabenden, sondern wurde Wegbereiter für die Entdeckung des bis dahin noch völlig unbekannten Reiches der Einzeller: Wer durchs Mikroskop schaut, sieht mehr vom Leben! Allerdings vergingen nahezu anderthalb Jahrhunderte, bis festgestellt wurde, dass auch größere Lebewesen durchgehend aus Zellen aufgebaut sind.

1. Das lichtmikroskopische Bild der Zelle

1.1 Lichtmikroskopie

Die Erfindung des Lichtmikroskops hängt eng mit der Erfindung des Teleskops zusammen. Beide lassen sich leicht ineinander umwandeln, indem man die Abstände zwischen den Linsen ändert und umgekehrt hindurchschaut. Schon Galilei hat diese Entdeckung genutzt und den Ausdruck „Mikroskop“ verwendet. Der erste Virtuose im Mikroskopbau war jedoch der Engländer Robert Hooke. Er erreichte bis zu 170-fache Vergrößerungen und entdeckte in Dünnschnitten von Flaschenkork kammerartige Strukturen, die er 1665 in seinem berühmten Werk „Micrographia“ als „cells“ beschrieb. Damit war der Begriff „Zelle“ geprägt und die Geburtsstunde der Zellbiologie eingeläutet! Das von Hooke erfundene Lichtmikroskop wurde durch zahlreiche Zusatzeinrichtungen weiterentwickelt, aber das Konstruktionsprinzip ist bis heute unverändert:
Die vom Objekt ausgehenden Strahlen werden vom Objektiv so gebrochen, dass ein vergrößertes Zwischenbild entsteht; dieses wird dann von einem zweiten Linsensystem, dem Okular, erneut vergrößert und dann betrachtet. Die Gesamtvergrößerung ergibt sich aus dem Produkt der Objektivvergrößerung und der Okularvergrößerung.

Aufgabe 1.1

Betrachten Sie die Abbildung „Vergrößerung des Sehwinkels durch Linsen“. Beschreiben Sie, an welcher Stelle das Beobachtungsobjekt liegt, wo sich Objektiv und Okular befinden und wo das Zwischenbild entsteht.

Die Betrachtung solcher Vergrößerungen offenbart etwas Erstaunliches: Die Objekte erscheinen nicht nur viel größer, sondern es werden Strukturen sichtbar, die vorher un sichtbar waren. Der Grund dafür: Die Auflösungsgrenze des menschlichen Auges wird um das Tausendfache verschoben. Das heißt, man kann Strukturen erkennen, deren Durchmesser bis knapp unter den Mikrometerbereich reicht!

1.2 Bakterien, pflanzliche und tierische Zellen im Lichtmikroskop

Eine der triumphalen Leistungen der Lichtmikroskopie war die Entdeckung gefährlicher Krankheitserreger, wie z.B. des Tuberkulose-Bazillus durch Robert Koch. Die Größe dieser Bakterien liegt meist knapp über der Auflösungsgrenze des Lichtmikroskops. Ihre Zellen haben keinen Zellkern und heißen daher Protocyten. Auch Blaualgen sind aus Protocyten aufgebaut und werden daher heute ebenfalls zu den Bakterien gezählt.

Im Vergleich zu Bakterien sind pflanzliche und tierische Zellen, die sog. Eucyten, um ein Vielfaches größer, komplexer und vielgestaltiger aufgebaut. Sie enthalten einen Zellkern und zahlreiche andere Kompartimente, also membranumschlossene Räume.

2. Das elektronenmikroskopische Bild der Zelle

2.1 Elektronenmikroskopische Methoden

Das Auflösungsvermögen in der Mikroskopie ist umso größer, je kleiner die Wellenlänge des Lichts ist. Um die Auflösungsgrenze des Lichtmikroskops zu unterbieten, versuchte man also, UV-Strahlen oder noch kürzwelligere Röntgenstrahlen zu verwenden. Ein Durchbruch gelang in den 30er-Jahren des vergangenen Jahrhunderts, als Ernst Ruska das erste Elektronenmikroskop baute. Mit ihm wurde es möglich, die Auflösungsgrenze noch einmal um das Tausendfache zu verkleinern.

Allerdings dringen Elektronen nicht tief in Materie ein, weshalb ultradünne Präparate benötigt werden. Diese müssen zusätzlich mit Kontrastmitteln behandelt sein, um die Feinstrukturen sichtbar zu machen.

2.2 Struktur und Funktion wichtiger Zellorganellen

Zellkern

Der Zellkern ist ein besonders großes Organell mit Doppelmembran und enthält im Chromatin das genetische Material.

Mitochondrien

Mitochondrien haben etwa die Größe eines Bakteriums und sind von einer doppelten Membran umgeben.

Sie erfüllen Funktionen wie die Zellatmung und sind daher als Kraftwerke der Zelle bekannt. Unterschiede in der Anzahl der Mitochondrien in verschiedenen Zelltypen bieten Erklärungen für unterschiedliche Energiebedarfe.

3. Cytochemische Methoden und Inhaltsstoffe der Zelle

3.1 Cytochemische Methoden

Zur Untersuchung der Funktion einzelner Zellorganellen muss man diese zunächst isolieren. Der Prozess der Zellfraktionierung ermöglicht es, Zellbestandteile durch Zentrifugation voneinander zu trennen und weiterhin zu untersuchen. Die Zellbestandteile sind unterschiedlich groß und schwer, was die Trennung durch Zentrifugation erleichtert.

3.2 Wasser als Medium des Lebendigen

Wasser hat besondere Eigenschaften, die es für das Leben unverzichtbar machen. Es tritt als Lösungsmittel auf, hat hohe Wärmekapazität und ermöglicht aufgrund seiner chemischen Struktur einen starken Wasserstoffbrückenbindungen. Diese sorgen unter anderem für die Anomalie des Wassers.

3.3 Lipide

Lipide sind energiereiche Stoffe, die eine umfassende Rolle im Organismus spielen, unter anderem im Aufbau von Zellmembranen.

4. Biomembranen

4.1 Aufbau der Biomembranen

Die Biomembran besteht aus Lipiddoppelschichten und enthält Proteine, die spezifische Funktionen erfüllen, z.B. als Transportproteine. Die Stabilität und Fluidität der Membranen ist abhängig von ihrer Zusammensetzung.

4.2 Diffusion und Osmose

Diese Prozesse sind entscheidend für den Stofftransport in und zwischen Zellen. Osmose beschreibt die Diffusion von Wasser über semipermeable Membranen.

5. Kompartimente als Funktionsräume

5.1 Enzyme an ihrem Arbeitsplatz

Enzyme sind Biokatalysatoren, die biochemische Reaktionen beschleunigen, indem sie die Aktivierungsenergie senken und Substrate in Produkte umwandeln. Die Regulation der Enzymaktivität ist entscheidend für den Stoffwechsel.

5.2 Beispiel Erythrocyt

Die Erythrozyten sind sehr an ihre Funktion angepasst: Sie transportieren Sauerstoff und Kohlendioxid im Blut, wobei Hemoglobin eine zentrale Rolle spielt.

6. Zellzyklus und Zelldifferenzierung

6.1 Zellwachstum und Zellteilung

Der Zellzyklus besteht aus mehreren Phasen, darunter G1, S, G2 und Mitose, wobei in jeder Phase wichtige Vorgänge für das Zellwachstum und die Teilung stattfinden.

6.2 Stammzellen

Diese Zellen können sich sowohl selbst erneuern als auch in verschiedene spezialisierte Zellen differenzieren, was für die Regeneration von Geweben von Alltag bis Medizin bedeutend ist.

6.3 Vom Einzeller zum Vielzeller

Ein wichtiger Aspekt in der Zellbiologie ist die Differenzierung von Zellen zur Bildung von Geweben und Organen in vielzelligen Organismen.

Lösungen zu den Aufgaben

Detaillierte Lösungen zu verwandten Aufgaben und Erklärungen für verschiedene Konzepte sind angefügt. Es werden verschiedene Ansätze zur Lösung bestimmter biologischer Probleme vorgestellt.

Beispielaufgaben umfassen:

1. Die strukturellen Aspekte von Zelltypen und deren Funktion
2. Biochemische Grundlagen für den Stoffwechsel und die Enzymwirkung
3. Unterschiedliche Methoden zur Zelluntersuchung und deren Anwendung
4. Zellen in ihrer Umgebung und deren Interaktion.

Beispiele zu den Studienheften und deren Beachtung werden im Kontext jeweiliger Schwerpunkte weiter erläutert, um ein umfassendes Lernen zu ermöglichen.