Aufgaben: Zelltypen: Prokaryoten- und Eukaryotenzellen

Alle Zellen, gleich welchen Typs, haben drei grundlegende Bestandteile gemeinsam. Nenne sie und erkläre, welche Aufgabe jeder erfüllt.

In der Zeichnung einer tierischen Eukaryotenzelle zeigt die Nummer 1 auf eine große, kugelförmige Struktur im mittleren Bereich, während die Nummer 2 auf ein ovales Zellorganell mit Einfaltungen oder Cristae im Inneren zeigt. Gib an, welche Nummer den Zellkern und welche ein Mitochondrium kennzeichnet, und erkläre die Funktion beider Strukturen.

Erkläre den grundlegenden Unterschied zwischen einer Prokaryotenzelle und einer Eukaryotenzelle und nenne für jeden Zelltyp ein Beispiel für ein Lebewesen.

Erkläre, was der Zellkern ist, was er enthält und welche Zelltypen ihn besitzen.

Welche Aufgabe hat die Zellmembran? Erkläre, was passieren würde, wenn die Zelle sie verlöre, und vergleiche das damit, was es für dich bedeuten würde, deine Haut zu verlieren.

Wozu dienen die Mitochondrien? Überlege, in welchen Zellen deines Körpers sie vermutlich sehr zahlreich sind.

Beim Betrachten einer Probe von Zellen deiner Wangenschleimhaut und einer Probe aus einer Zwiebel unter dem Mikroskop erkennt man Unterschiede. Nenne zwei Unterschiede in Form und Aufbau zwischen beiden und erkläre, zu welchem Typ von Eukaryotenzelle jede gehört.

Welches Zellorganell sorgt dafür, dass die grünen Teile der Pflanzen grün sind? Erkläre, welcher Vorgang darin abläuft und warum er für das Leben auf der Erde so wichtig ist.

Gib für eine Pflanzenzelle die Funktion der Zellwand, eines Chloroplasten und der zentralen Vakuole an und erkläre, warum diese drei Strukturen in einer tierischen Zelle nicht vorkommen.

Erstelle eine Vergleichstabelle von Tierzelle und Pflanzenzelle mit diesen Zeilen: Zellwand, Chloroplasten, Vakuolen und übliche Zellform.

Wo befindet sich das Erbmaterial (DNA) in einer Eukaryotenzelle und wo in einer Prokaryotenzelle? Welche Folgen hat dieser Unterschied für den inneren Aufbau der beiden Zelltypen?

Pflanzenzellen haben eine starre Wand, die tierische Zellen nicht haben. Erkläre, welchen Vorteil die Zellwand einer Pflanze bringt, die kein Skelett hat, und wie Tiere das Fehlen einer Zellwand ausgleichen.

Die zentrale Vakuole einer Pflanzenzelle kann den größten Teil ihres Inneren einnehmen. Erkläre, was sie enthält, welche Funktionen sie erfüllt (Wasser und Stoffe speichern, die Zelle prall halten) und was mit einer Pflanze geschieht, wenn ihre Vakuolen Wasser verlieren.

Fertige zwei schematische Zeichnungen an, eine von einer Tierzelle und eine von einer Pflanzenzelle, mit mindestens vier Beschriftungen in jeder; erkläre danach in einem Satz den wichtigsten Unterschied zwischen beiden Zeichnungen.

Bakterien haben keine Mitochondrien und gewinnen trotzdem Energie aus der Nahrung. Überlege, wie es möglich ist, dass eine Zelle ohne von Membranen umgebene Zellorganellen dieselben Lebensfunktionen erfüllt wie eine Eukaryotenzelle, und sage, wo in ihrem Inneren diese Vorgänge deiner Meinung nach ablaufen.

Wenn der Zellkern das „Direktionsbüro“ einer Fabrik wäre und das Zytoplasma die „Werkhalle“, erkläre, was an dieser Analogie zutrifft (Anweisungen, Informationen, Arbeit) und nenne eine wichtige Grenze.

In einem Labor wurden drei unbeschriftete Zellproben (A, B und C) aus drei verschiedenen Geweben durcheinandergebracht: dem Flügelmuskel eines Sperlings, dem weißen Blütenblatt einer Margerite und einem grünen Spinatblatt.

Unter dem Mikroskop werden folgende Merkmale festgehalten:

• Probe A: lang gestreckte Zellen mit sehr hohem Energieverbrauch, ohne Zellwand und ohne Chloroplasten, voller Mitochondrien.

• Probe B: Zellen mit starrer Zellwand, großer zentraler Vakuole und Hunderten von Chloroplasten.

• Probe C: Pflanzenzellen mit Zellwand und gut ausgebildeten Vakuolen, aber ohne einen einzigen Chloroplasten und mit wenigen Mitochondrien.

1. a) Bestimme begründet, zu welchem Gewebe und Lebewesen jede Probe gehört, und begründe deine Entscheidung anhand von Vorhandensein, Fehlen und Häufigkeit der einzelnen Zellorganellen.
2. b) Sage voraus, was mit den Zellen der Probe B geschehen würde, wenn die Pflanze drei Wochen lang in einem dunklen Raum gehalten würde: Könnten sie weiterhin Glucose herstellen? Würden ihre Mitochondrien sofort aufhören zu arbeiten? Begründe deine Antwort.

Ein Bakterium ist etwa $2\ \mu\text{m}$ lang und eine Tierzelle hat einen Durchmesser von etwa $20\ \mu\text{m}$. Berechne, wie viele Bakterien in einer Reihe den Durchmesser einer Tierzelle ausfüllen würden. Nimm an, beide seien kugelförmig, und berechne außerdem die Oberfläche der Membran jeder Zelle mit der Formel $S = 4\pi r^2$; finde heraus, wievielmal größer die der Tierzelle ist. Nutze beide Ergebnisse, um zu begründen, warum Eukaryotenzellen sehr viel größer sein können und welches Problem ihnen die Größe beim Stoffaustausch mit der Umgebung bereitet.

Anders als beim Menschen (dessen reife rote Blutkörperchen den Zellkern verlieren) behalten die roten Blutkörperchen von Amphibien und Vögeln ihren Zellkern ein Leben lang.

1. a) Vergleicht man zwei rote Blutkörperchen gleichen Volumens, ein menschliches und eines vom Frosch, so kann das menschliche deutlich mehr Hämoglobin (das sauerstofftransportierende Protein) aufnehmen. Begründe, worauf dieser funktionelle Vorteil auf Zellebene beruht.
2. b) In einem Laborexperiment werden beide Arten roter Blutkörperchen einer Substanz ausgesetzt, die die Proteine ihrer Zellmembran langsam schädigt. Die roten Blutkörperchen des Frosches können neue Proteine herstellen, um die Membran zu reparieren und weiterzuleben, während die menschlichen sich nicht reparieren können und nach wenigen Tagen absterben, ohne sich teilen zu können. Erkläre die biologische Ursache dafür, indem du die Funktion von Zellkern und DNA mit der Fähigkeit zur Selbstreparatur und zur Fortpflanzung der Zelle in Beziehung setzt.

Du betrachtest unter dem Lichtmikroskop einen Tropfen Wasser aus einer Pfütze. Das kreisförmige Sichtfeld, das du durch das Okular siehst, hat einen Durchmesser von $1\ \text{mm}$ ($1000\ \mu\text{m}$). Darin erkennst du eine einzellige Amöbe von etwa $200\ \mu\text{m}$ und mehrere stäbchenförmige Bakterien von etwa $2\ \mu\text{m}$.

1. a) Berechne, wie viele hintereinander aufgereihte Bakterien nötig wären, um das Sichtfeld des Mikroskops von einer Seite zur anderen zu durchqueren, und wie viele Amöben dafür nötig wären.
2. b) Das Auflösungsvermögen des menschlichen Auges (der kleinste Abstand zwischen zwei Punkten, um sie getrennt wahrzunehmen) beträgt etwa $0,1\ \text{mm}$ ($100\ \mu\text{m}$). Begründe mit Zahlenwerten, warum eine Person mit guten Augen die Amöbe mit bloßem Auge als winziges Pünktchen erahnen könnte, während man für das Sehen des Bakteriums unbedingt das Mikroskop braucht.
3. c) Wenn Amöbe und Bakterium beide einzellige Organismen sind, warum wäre es für ein typisches Prokaryoten-Bakterium sehr schwierig, bis zur Größe einer Amöbe von $200\ \mu\text{m}$ zu wachsen? Überlege, welches Problem ein Riesenbakterium ohne Zellorganellen und ohne inneres Transportsystem hätte, Nährstoffe auszutauschen und bis ins Zentrum zu verteilen.

Ein Landwirt führt ein Experiment mit zwei Gruppen von Bohnenpflanzen durch:

• Gruppe 1: gezogen in Töpfen mit herkömmlicher dunkler Erde. Ihre Wurzeln sind völlig weiß und ihre Blätter sind grün.

• Gruppe 2: gezogen in durchsichtigen Glasröhren mit Wasser und gelösten Mineralsalzen (Hydrokultur), sodass die Wurzeln dauerhaft Sonnenlicht erhalten. Nach zwei Wochen sind diese Wurzeln hellgrün geworden und enthalten funktionsfähige Chloroplasten.

1. a) Alle Zellen einer Pflanze haben genau dieselbe DNA. Begründe, warum die Wurzeln, die unter der Erde wachsen, keine Energie für die Bildung von Chloroplasten aufwenden, und welcher Reiz dafür gesorgt hat, dass sie in Gruppe 2 dennoch auftreten.
2. b) Ein Mitschüler behauptet: „Da die normalen Wurzeln der Gruppe 1 keine Chloroplasten haben, müssen sie nicht atmen und verbrauchen keinen Sauerstoff; die Zellatmung findet nur in den Blättern statt.“ Widerlege diese Behauptung, indem du erklärst, woher die Wurzel die Energie zur Aufnahme von Wasser und Salzen gewinnt, und sage voraus, was mit der Pflanze geschehen würde, wenn die Erde viele Tage lang vollständig mit Wasser überflutet wäre und keine Luft mehr eindringen könnte.

Im Labor hast du ein Lichtmikroskop mit einem Auflösungsvermögen von $0,2\ \mu\text{m}$ ($200\ \text{nm}$). Du betrachtest Zellen der Zwiebelhaut und hast folgende durchschnittliche Größenangaben:

• Zwiebelzelle: $150\ \mu\text{m}$

• Zellkern: $10\ \mu\text{m}$

• Mitochondrium: $2\ \mu\text{m}$

• Ribosom: $0,025\ \mu\text{m}$ ($25\ \text{nm}$)

• Dicke der Zellmembran: $0,008\ \mu\text{m}$ ($8\ \text{nm}$)

1. a) Werte die Daten aus und leite begründet ab, welche dieser Strukturen du mit deinem Lichtmikroskop deutlich beobachten kannst und welche du damit unmöglich sehen kannst, so stark du das Bild auch vergrößerst.
2. b) Ein Mitschüler gibt sein Protokollheft mit einer Zeichnung der unter dem Mikroskop betrachteten Zwiebelzelle ab, in der er sehr detailliert Dutzende Ribosomen im Zytoplasma und die Lipiddoppelschicht der Membran gezeichnet hat. Begründe, warum die Lehrkraft ihm sagt, dass diese Zeichnung nicht das Ergebnis einer echten Beobachtung ist.
3. c) Welche Art von Mikroskop musste erfunden werden, um Ribosomen zu entdecken und abzubilden? Erkläre, worin es sich vor allem vom Lichtmikroskop unterscheidet, um einen so hohen Detailgrad zu erreichen.

In einer Klassendiskussion vertritt ein Schüler folgende Idee: „Da alle Eukaryotenzellen unseres Körpers dieselben Arten von Zellorganellen besitzen, haben alle Zellen genau denselben Anteil davon und leisten einen ähnlichen Stoffwechselaufwand.“

Um seine Behauptung zu widerlegen, hast du Informationen zu drei spezialisierten menschlichen Zellen:

• Zelle A (Herzmuskelfaser): schlägt und pumpt das ganze Leben lang ohne Pause Blut.

• Zelle B (Zelle der Bauchspeicheldrüse): stellt Tausende Verdauungsproteine pro Minute her und gibt sie verpackt in Vesikeln in den Verdauungstrakt ab.

• Zelle C (Fresszelle, ein weißes Blutkörperchen): patrouilliert durch die Gewebe, nimmt Bakterien auf und zerstört sie durch zelluläre Verdauung im Inneren.

1. a) Leite ab und begründe, welches bestimmte Zellorganell (Mitochondrien, endoplasmatisches Retikulum/Golgi-Apparat oder Lysosomen) in jeder dieser drei Zellen besonders stark ausgebildet sein muss, damit sie ihre Aufgabe erfüllen können.
2. b) Sage voraus, was mit dem Herzen eines Patienten geschehen würde, wenn ein Gift gezielt die Funktion der Mitochondrien der Zellen vom Typ A blockieren würde.

Ein Team der regenerativen Medizin möchte das Herzmuskelgewebe eines Patienten reparieren, der einen Herzinfarkt erlitten hat und bei dem Tausende kontraktile Zellen abgestorben sind. Um das Gewebe wiederaufzubauen, werden drei mögliche Zelltypen des Patienten selbst untersucht:

1. Reife rote Blutkörperchen.

2. Reife Hautzellen (Epithelzellen).

3. Pluripotente Stammzellen.

1. a) Begründe, warum reife rote Blutkörperchen für diese Behandlung völlig ausscheiden, und berücksichtige dabei ihre strukturellen Einschränkungen und ihre Teilungsfähigkeit.
2. b) Hautzellen haben einen Zellkern und teilen sich leicht. Warum würde es trotzdem nichts nützen, sie direkt ins Herz zu spritzen, um den Herzschlag wiederherzustellen? Beziehe deine Antwort auf die Begriffe Differenzierung und Zellspezialisierung.
3. c) Erkläre, warum Stammzellen die einzige geeignete Alternative sind. Welche grundlegenden Veränderungen müssten in ihrem Zytoplasma stattfinden (welche Zellorganellen müssten sie in großer Zahl vermehren und welche Funktion müssten sie übernehmen), damit sie sich wie funktionsfähige Herzzellen verhalten?