Aufgaben: Die Beobachtung der Zelle

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?

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

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.