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EF · Biologie
Die Zellbiologie · Die Zelle und ihre Organisation

Die Beobachtung der Zelle

Die Entdeckung der Zelle hing immer von der Qualität des Instruments ab, mit dem man sie betrachtete. Je besser das Mikroskop, desto mehr innere Strukturen werden sichtbar; und je sorgfältiger die Probe präpariert ist, desto näher kommt das Bild der lebenden Zelle. Dabei gilt: Ein Mikroskop liefert immer nur ein Bild, und dieses Bild muss man interpretieren können. Wie weit man dabei in die Zelle hineinsehen kann, klären die folgenden Abschnitte.

Lichtmikroskop und Elektronenmikroskop

Du siehst in einem Tropfen Teichwasser Pantoffeltierchen schwimmen. Versuchst du aber, ihre Membran oder ihre Organellen scharf zu stellen, bleibt nur eine durchsichtige Masse ohne Details. Welche Unterschiede zwischen Licht und Elektronenstrahlen erklären, dass man zwei so verschiedene Mikroskoptypen braucht?

Vergleich im Schnitt: Im Lichtmikroskop durchstrahlt sichtbares Licht einer Lampe die lebende Probe und wird durch Glaslinsen zum Auge geführt. Im Transmissionselektronenmikroskop läuft ein Elektronenstrahl in einer Vakuumsäule, durchstrahlt eine tote, entwässerte Probe und wird durch elektromagnetische Linsen auf einen Leuchtschirm gelenkt. Lichtmikroskop (LM) Elektronenmikroskop (EM) Transmission (TEM) Auge Okular Objektiv lebende Probe (Objektträger) Kondensor Lampe (sichtbares Licht) Elektronen- quelle Kondensorlinse tote, entwässerte Probe Objektivlinse Projektivlinse Vakuumsäule Leuchtschirm sichtbares Licht · Glaslinsen lebende Zellen beobachtbar Elektronenstrahl · Vakuum elektromagn. Linsen (Spulen)
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Unterscheiden Sie zwischen Lichtmikroskopie und Elektronenmikroskopie: Womit „beleuchtet“ jede die Probe, welche Strukturen lassen sich mit der jeweiligen Technik…

Unterscheiden Sie zwischen Lichtmikroskopie und Elektronenmikroskopie: Womit „beleuchtet“ jede die Probe, welche Strukturen lassen sich mit der jeweiligen Technik beobachten und ist es möglich, damit lebende Zellen zu beobachten?

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Ihnen liegt eine wässrige Suspension vor, die eine unbekannte Mischung aus vier biologischen Komponenten enthält: Grippeviruspartikel (~100 nm), Zellen von Escherichia…

Ihnen liegt eine wässrige Suspension vor, die eine unbekannte Mischung aus vier biologischen Komponenten enthält: Grippeviruspartikel (~100 nm), Zellen von Escherichia coli (~2 µm), menschliche Erythrozyten (~7,5 µm) und gereinigte Ribosomen (~25 nm). Im Labor stehen Ihnen Membranfilter mit Poren von 0,22 µm und von 5 µm, ein Lichtmikroskop (Auflösungsgrenze: 0,2 µm) und ein Transmissionselektronenmikroskop zur Verfügung.

Entwerfen Sie ein zweistufiges analytisches Verfahren (Trennung durch aufeinanderfolgende Filtration und mikroskopische Untersuchung), das es erlaubt, jede der vier Komponenten eindeutig zu trennen und zu identifizieren. Begründen Sie, in welcher Fraktion (Rückstand oder Filtrat) jede Komponente bei jedem Schritt verbleibt, und begründen Sie, welches mikroskopische Instrument jeweils unerlässlich ist, um Vorhandensein und Morphologie jeder Komponente zu bestätigen; leiten Sie dabei ab, warum das Lichtmikroskop für zwei von ihnen unbrauchbar ist.

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Ein Forschungsteam möchte überprüfen, ob die Bakterien einer Probe mit Bakteriophagen infiziert sind. Entwerfen Sie die Untersuchung: Wählen Sie die geeignete…

Ein Forschungsteam möchte überprüfen, ob die Bakterien einer Probe mit Bakteriophagen infiziert sind. Entwerfen Sie die Untersuchung: Wählen Sie die geeignete Mikroskopietechnik, begründen Sie die Wahl gegenüber den Alternativen und beschreiben Sie, was das Team beobachten würde, wenn die Infektion stattfände.

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Das Lichtmikroskop und seine Vergrößerung

Betrachtest du ein Präparat der Zwiebelhaut mit verschiedenen Objektiven, ändert sich die Größe der Zellen im Bild stark. Wie bestimmen Objektiv und Okular gemeinsam, wie groß die Probe am Ende erscheint?

Die Teile des Mikroskops und ihre Funktionen:

Teil Funktion
Okular Vergrößert das Zwischenbild für das Auge (meist $10\times$)
Objektive (Revolver) Erzeugen das vergrößerte Zwischenbild; durch Drehen wählst du die Vergrößerung
Objekttisch Trägt den Objektträger; Klammern halten ihn fest
Grobtrieb Grobes Einstellen der Schärfe (nur mit kleinem Objektiv)
Feintrieb Feines Scharfstellen
Lichtquelle (mit Kondensor) Beleuchtet und bündelt das Licht auf das Präparat
Lichtmikroskop von der Seite mit Okular, Revolver mit Objektiven, Objekttisch, Grob- und Feintrieb sowie Lichtquelle. Das Objektiv erzeugt ein reelles Zwischenbild im Tubus, das Okular vergrößert es weiter: Okular 10-fach mal Objektiv 100-fach ergibt 1000-fache Gesamtvergrößerung. Okular Zwischenbild Revolver Objektiv Objekttisch Lichtquelle Grob- und Feintrieb Okular 10× · Objektiv 100× = 1000× Gesamt- vergrößerung
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Benennen Sie die grundlegenden Teile eines Lichtmikroskops (Okular, Objektive, Objekttisch, Grob- und Feintrieb sowie Lichtquelle) und geben Sie die Funktion jedes Teils…

Benennen Sie die grundlegenden Teile eines Lichtmikroskops (Okular, Objektive, Objekttisch, Grob- und Feintrieb sowie Lichtquelle) und geben Sie die Funktion jedes Teils an.

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Erklären Sie den Unterschied zwischen Vergrößerung und Auflösungsvermögen eines Mikroskops und begründen Sie, warum eine starke Vergrößerung eines Bildes ohne…

Erklären Sie den Unterschied zwischen Vergrößerung und Auflösungsvermögen eines Mikroskops und begründen Sie, warum eine starke Vergrößerung eines Bildes ohne verbesserte Auflösung (die sogenannte „leere Vergrößerung“) nicht ermöglicht, mehr Details zu unterscheiden.

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Das Auflösungsvermögen

Vergrößerst du ein schlechtes Foto am Bildschirm, wird es riesig, aber nicht detailreicher. Warum nützt Vergrößerung nichts, wenn der kleinste noch getrennt erkennbare Abstand nicht besser wird?

Größenskala mit den Auflösungsgrenzen von Auge (0,1 mm), Lichtmikroskop (200 nm) und Transmissionselektronenmikroskop (0,2 nm) im Vergleich zur Größe von Atom, Protein, Ribosom, Virus, Bakterium, Eukaryotenzelle und Froschei. TEM · ab 0,2 nm LM · ab 200 nm Auge · ab 0,1 mm Atom (0,1 nm) Protein Ribosom Virus Bakterium Eukaryotenzelle Froschei 0,1 nm1 nm10 nm 100 nm1 µm10 µm 100 µm1 mm logarithmische Skala
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Das Schema zeigt eine Größenskala mit den Auflösungsgrenzen des menschlichen Auges, des Lichtmikroskops (LM) und des Transmissionselektronenmikroskops (TEM). Geben Sie…

Das Schema zeigt eine Größenskala mit den Auflösungsgrenzen des menschlichen Auges, des Lichtmikroskops (LM) und des Transmissionselektronenmikroskops (TEM). Geben Sie an, welches Instrument Sie benötigen würden, um im Detail zu beobachten: a) ein Grippevirus; b) ein Bakterium; c) ein Ribosom; d) eine Hautzelle. Begründen Sie jede Wahl anhand des Schemas.

TEM · ab 0,2 nm LM · ab 200 nm Auge · ab 0,1 mm Atom Protein Ribosom Virus Bakterium Eukaryotenzelle Froschei 0,1 nm 1 nm 10 nm 100 nm 1 µm 10 µm 100 µm 1 mm logarithmische Skala
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Das Elektronenmikroskop zeigt Organellen und Viren, die das Lichtmikroskop nicht darstellen kann. Erklären Sie, auf welche Eigenschaft des Elektronenstrahls sein höheres…

Das Elektronenmikroskop zeigt Organellen und Viren, die das Lichtmikroskop nicht darstellen kann. Erklären Sie, auf welche Eigenschaft des Elektronenstrahls sein höheres Auflösungsvermögen zurückzuführen ist, und nennen Sie zwei praktische Einschränkungen der Elektronenmikroskopie gegenüber der Lichtmikroskopie.

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Die Präparation der Probe

Selbst das beste Mikroskop zeigt nichts, wenn die Probe ungeeignet vorbereitet ist. Zellen sind meist durchsichtig und kontrastarm, und im Elektronenmikroskop müssen sie das Vakuum überstehen.

Warum färbt man überhaupt? Zwei Gründe:

  • Der Kontrast steigt: Strukturen, die ungefärbt kaum zu unterscheiden sind, heben sich ab.

  • Man kann Zellbestandteile gezielt nachweisen. Lugolsche Lösung färbt zum Beispiel Stärke blauviolett, Methylenblau den Zellkern.

Für die Elektronenmikroskopie sind weitere Schritte nötig:

Vergleich der Präparation: In der Lichtmikroskopie dünner Schnitt und Färbung; in der Elektronenmikroskopie Fixierung, Entwässerung, Einbettung in Harz, Ultradünnschnitt und Kontrastierung mit Schwermetallen. Lichtmikroskopie dünner Schnitt + Färbung Elektronenmikroskopie Fixierung Entwässerung Einbettung in Harz Ultradünnschnitt Kontrastierung (Schwermetalle)

Bei der Fixierung (zum Beispiel mit Formaldehyd oder Glutaraldehyd) werden Zellstrukturen möglichst naturgetreu festgehalten. Bei der Kontrastierung lagern sich Schwermetallsalze (zum Beispiel Uran- oder Bleisalze) an bestimmte Strukturen an. Diese streuen die Elektronen stark, sodass Membranen und Ribosomen im TEM dunkel erscheinen.

Beim Gefrierbruch wird die Probe blitzschnell tiefgefroren und dann mit einer Klinge gebrochen. Die Bruchlinie verläuft bevorzugt durch die Mitte der Lipiddoppelschicht, weil dort nur schwache hydrophobe Wechselwirkungen wirken. Von der Bruchfläche fertigt man einen dünnen Metallabdruck an, der im EM untersucht wird. So werden in der Membran eingelagerte Proteine als Körnchen sichtbar – ein wichtiger Beleg für das Flüssig-Mosaik-Modell. Da keine chemische Fixierung nötig ist, entstehen weniger Artefakte.

Frischpräparat oder Dauerpräparat? Ein Frischpräparat (zum Beispiel Zwiebelhaut in Wasser) zeigt lebende oder gerade entnommene Zellen, hält aber nur kurz. Ein Dauerpräparat wird fixiert, gefärbt, entwässert und unter dem Deckglas eingeschlossen; es bleibt jahrelang haltbar, zeigt aber nur tote Zellen.

Differenzierte Zelltypen analysierst du, indem du Präparate vergleichst: Zwiebelhaut (Zellwand, große Vakuole, keine Chloroplasten), Mundschleimhaut (Zellkern mit Methylenblau, keine Zellwand) und Blutausstrich (Erythrozyten ohne Zellkern, Leukozyten mit Zellkern). Beschreibe Form, Größe (mit Maßstab) und sichtbare Bestandteile und leite daraus die Funktion der Zellen ab.

Zurück zum Anfang: Das Lichtmikroskop zeigt lebende Zellen, scheitert aber an Strukturen unter etwa $0{,}2\,\mu\text{m}$; dafür braucht man Elektronen mit viel kleinerer Wellenlänge.

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Die meisten biologischen Proben werden vor der Beobachtung im Lichtmikroskop gefärbt. Erklären Sie zwei Gründe für das Färben einer Probe und nennen Sie einen im…

Die meisten biologischen Proben werden vor der Beobachtung im Lichtmikroskop gefärbt. Erklären Sie zwei Gründe für das Färben einer Probe und nennen Sie einen im Schullabor häufig verwendeten Farbstoff.

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Ein biomedizinisches Labor muss die ultrastrukturellen Veränderungen der Mitochondrien-Cristae und der am rauen ER gebundenen Ribosomen in Biopsien von Patienten mit…

Ein biomedizinisches Labor muss die ultrastrukturellen Veränderungen der Mitochondrien-Cristae und der am rauen ER gebundenen Ribosomen in Biopsien von Patienten mit einer Myopathie im Detail untersuchen. Ein Techniker schlägt vor, das Gewebe mit Formaldehyd zu fixieren, mit Methylenblau zu färben und in einem Lichtmikroskop mit einem 100×-Immersionsobjektiv und sichtbarem Licht (mittlere Wellenlänge 550 nm) zu beobachten.

Begründen Sie quantitativ unter Verwendung des Begriffs der Auflösungsgrenze und der abbeschen Gleichung, warum dieser Vorschlag ungeeignet ist, um Cristae und Ribosomen (20–30 nm) aufzulösen. Entwerfen Sie anschließend das richtige technische Protokoll: Geben Sie genau an, welche Mikroskopiemethode verwendet werden muss, und begründen Sie, warum es unerlässlich ist, die Probe in Ultradünnschnitte (dünner als 100 nm) zu schneiden und statt mit organischen Farbstoffen mit Schwermetallsalzen (wie Osmium oder Uran) zu kontrastieren.

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Auf einen Blick

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