Aufgaben: Die Zellorganellen

Ordnen Sie jedem Zellorganell seine grundlegende Funktion zu: Mitochondrium, Chloroplast, Ribosom, Golgi-Apparat, Lysosom, endoplasmatisches Retikulum, Vakuole und Zellkern.

Geben Sie an, welche Zellorganellen und Strukturen für die Pflanzenzelle charakteristisch sind und in der tierischen Zelle fehlen, und welche beide Zelltypen gemeinsam haben.

Ordnen Sie die Zellorganellen und Strukturen der Eukaryotenzelle zwei Gruppen zu: solche, die von einer Membran umgeben sind, und solche ohne Membran. Nennen Sie mindestens zwei Beispiele für jede Gruppe.

In einem Schnitt durch eine tierische Eukaryotenzelle sind sechs charakteristische Organellen oder Strukturen zu erkennen: 1) Mitochondrium, 2) raues endoplasmatisches Retikulum, 3) Golgi-Apparat, 4) Lysosom, 5) Zellkern und 6) Zentrosom. Beschreiben Sie in einem Satz die grundlegende Funktion jedes dieser Bestandteile.

Betrachten Sie das Bild einer pflanzlichen Eukaryotenzelle im Schnitt. Benennen Sie die mit den Nummern 1 bis 6 gekennzeichneten Strukturen und erklären Sie im Vergleich mit der tierischen Zelle, welche Rolle die Zellwand und die große Vakuole für die Form und die Festigkeit pflanzlicher Zellen spielen.

Geben Sie an, in welchem Zellorganell oder welcher Zellstruktur jeder dieser Prozesse abläuft, und begründen Sie Ihre Antwort kurz: die aerobe Atmung, die Fotosynthese, die Synthese von Proteinen, die sezerniert werden sollen, und der intrazelluläre Abbau gealterter Materialien.

In einem Pulse-Chase-Experiment mit tritiummarkiertem Leucin (³H-Leu) in insulinbildenden Beta-Zellen der Bauchspeicheldrüse wird die Lokalisation der Radioaktivität nach 5, 20 und 60 Minuten quantifiziert.

A) Sagen Sie voraus, in welchen Zellorganellen oder Kompartimenten sich das radioaktive Signal zu den drei Zeitpunkten jeweils überwiegend konzentrieren wird, und beschreiben Sie, welche Veränderungen das Protein in jedem Organell durchläuft.

B) Werden die Zellen vor der Zugabe des Leucin-Pulses mit Brefeldin A behandelt (ein Wirkstoff, der durch Hemmung der ARF-Aktivierung und der Bildung von COP-I-Vesikeln den Vesikeltransport vom rauen ER zum Golgi-Apparat blockiert), sagen Sie voraus, wo sich das radioaktive Insulin nach 60 Minuten anreichern wird und welche Auswirkung das auf den Blutzuckerspiegel des Organismus hat.

C) Wohin würde das Insulin gelangen, wenn eine Mutation seine hydrophobe N-terminale Signalsequenz deletieren würde? Begründen Sie Ihre Antwort.

Betrachten Sie zwei künstlich hervorgerufene Zellveränderungen:

1. Eine Mutation in den MICOS-Proteinen, die die Krümmung der inneren Mitochondrienmembran aufrechterhalten, führt zum vollständigen Verschwinden der Cristae; die innere Membran wird zu einem glatten, zur äußeren konzentrischen Bläschen.

2. Ein Toxin unterbricht gezielt die Kontinuität der Thylakoidmembranen des Chloroplasten, sodass sich deren Lipid- und Proteinbestandteile in offenen Lamellen verteilen, die das Thylakoidlumen direkt mit dem Stroma verbinden.

Sagen Sie die Auswirkung jeder Veränderung auf die ATP-Nettosynthese voraus und begründen Sie sie, und zwar jeweils für die Zellatmung im Mitochondrium und die Lichtreaktion der Fotosynthese. Stützen Sie Ihre Argumente auf die chemiosmotische Hypothese von Mitchell, die Kompartimentierung der Protonen und das Oberflächen-Volumen-Verhältnis der energieumwandelnden Membranen.

Die morphometrische Analyse von drei unbekannten menschlichen Zelllinien (A, B und C) mittels Elektronenmikroskopie liefert folgende Daten zum prozentualen Anteil jedes Organells am Zellvolumen:

• Typ A: Mitochondrien: 38 %; glattes endoplasmatisches Retikulum: 17 %; raues ER: 5 %; Golgi-Apparat: 2 %; Sekretgranula: < 1 %.

• Typ B: Mitochondrien: 6 %; glattes endoplasmatisches Retikulum: 2 %; raues ER: 34 %; Golgi-Apparat: 20 %; Sekretgranula: 15 %.

• Typ C: Mitochondrien: 5 %; glattes endoplasmatisches Retikulum: 2 %; raues ER: 4 %; Golgi-Apparat: 3 %; Lysosomen und Phagosomen: 26 %.

Ordnen Sie jedem Zelltyp begründet eine der folgenden physiologischen Funktionen zu: mechanische Kontraktion und Calcium-Homöostase (Skelettmuskelfaser), massive Proteinsekretion (Azinuszelle der Bauchspeicheldrüse) oder Zerstörung phagozytierter Krankheitserreger (Makrophage). Begründen Sie jede Zuordnung, indem Sie die zugeordnete Funktion mit der Häufigkeit der entsprechenden Organellen in Beziehung setzen.

Herausforderung zum Thema. Als angehende Biomedizinerin bzw. angehender Biomediziner sollen Sie reale Zellproben anhand elektronenmikroskopischer Aufnahmen analysieren. Ihr Ziel ist es, ein vergleichendes Datenblatt zu erstellen, das die Vielfalt der Zellen und die Funktion ihrer Organellen zeigt.

1. Datenbeschaffung: Rufen Sie das öffentliche wissenschaftliche Archiv Cell Image Library (cellimagelibrary.org) auf und wählen Sie zwei Aufnahmen mit sichtbarem Maßstabsbalken aus: ein Bakterium und eine Eukaryotenzelle (tierisch oder pflanzlich), bei der sich die Organellen gut unterscheiden lassen.

2. Messung und Kalibrierung: Messen Sie mit einem Lineal den Maßstabsbalken und die Zellabmessungen. Berechnen Sie mithilfe der Beziehung $\text{Vergrößerung} = \frac{\text{Gemessene Größe}}{\text{Tatsächliche Größe}}$ die tatsächliche Größe beider Zellen und zweier repräsentativer Organellen (wie Mitochondrium oder Chloroplast) und geben Sie die Werte in $\mu\text{m}$ an (z. B. $1,5\ \mu\text{m}$).

3. Begründeter Bericht: Erstellen Sie eine Vergleichstabelle, die Prokaryoten und Eukaryoten gegenüberstellt, begründen Sie die Funktion der gemessenen Organellen und erklären Sie, wie diese die modernen Postulate der Zelltheorie und die Endosymbiontenhypothese stützen.

Bewertet werden:

• Genauigkeit bei der Berechnung der tatsächlichen Zellgrößen und korrekte Verwendung der Maßstäbe in $\mu\text{m}$.

• morphologische Identifikation und angemessene funktionale Begründung der Organellen.

• begriffliche Genauigkeit bei der Verknüpfung der Beobachtungen mit der Zelltheorie und den Organisationsmodellen.