Pflanzenzellen

Die Zellen der Pflanzen


Wohl kaum einem Menschen wird die Vielfalt von Pflanzenzellen so vor Augen geführt wie einem Mikroskopiker, der sich mit der Herstellung von Pflanzenschnitten beschäftigt.
Schneidet man den Stängel einer Pflanze in hauchdünne Scheiben, so kann man direkt die Außenwände der Zellen sehen. Spontan denkt man dabei an Häkeldeckchen oder an ein indisches Mandala. Hier sehen wir aber nur noch die Zellwände, weil das Innenleben durch die Präparation mit allerlei Chemikalien ausgewaschen wurde, um das Zellgerüst zu festigen und haltbar zu machen.

Die für die Pflanze lebenswichtigen Organe, die Organellen, sind darin aber nicht mehr enthalten. Die Organellen haben innerhalb einer Zelle die unterschiedlichsten Aufgaben, um die Pflanze zu ernähren.

Die Biologen haben diesen Organellen Namen gegeben, mit denen sich jeder schwer tut, der diese Namen zum ersten Mal hört.
Tatsächlich erfüllen diese Organellen aber Funktionen die, einfach erklärt, auch für einen Laien verständlich sind.

In den folgenden Bildern sehen wir, wie die Zellwände eines präparierten Schnittes unter dem Mikroskop aussehen.






Man sieht nur noch die Zellwände und die kleinen Löcher (Plasmodesmen), mit denen sie untereinander lebenswichtige Stoffe austauschen. Die alten Biologen nannten die Plasmodesmen auch „Tüpfel“. Vermutlich weil man sie in den frühen Zeiten der Mikroskopie nur als Tüpfel erkennen konnte, da die Abbildungsqualität der Mikroskope noch nicht sehr ausgereift war.

Eine Pflanzenzelle mit ihren lebenden Organellen ist in etwa so aufgebaut, wie im unteren Bild 1 zu sehen ist. Im Bild 2 sieht man die Bestandteile eines Cytoskeletts. Hier ist es in eine Leere Zelle eingezeichnet. Die weiteren Grafiken zeigen Zeichnungen aus einem Biologiebuch, das um die Jahrhundertwende zum Studium der Pflanzen an höheren Schulen verwendet wurde.






Die Zeichnungen aus dem historischen Biologie Buch lassen erkennen, dass man zwar die Details im Inneren einer Zelle sehen, sich deren Funktion aber zur damaligen Zeit noch nicht so richtig erklären konnte.

Im Inneren einer Zelle schwimmen die Organellen nämlich nicht frei herum. In der Zelle befindet sich eine Art Maschengewebe, das das Zellinnere noch zusätzlich stützt. Es ermöglicht den Organellen außerdem sich anzuheften, wenn dies durch äußere Umstände erforderlich sein sollte. Dieses maschenartige Spinnennetz nennt man Cytoskelett. Es stützt die äußere Zellwand und steuert die Bewegungsvorgänge innerhalb einer Zelle.


Man unterscheidet bei den Zellen zwei Arten: Die tierischen Zellen (Eukaryoten) und die pflanzlichen Zellen (Prokaryoten)


Die eukaryotischen Zellen:

Bei den eukaryotischen Zellen befindet sich die DNA zum größten Teil im Zellkern, dem DNA-Reaktor der Zelle.    Der Zellkern ist von einer Doppelmembran umgeben. Die eukariotischen Zellen haben keine Vakuolen und keine Zellwände.



Die prokaryotischen Zellen:

Bei den prokaryotischen Zellen befindet sich die DNA im sogenannten Nucleoid, einem konzentrierten Bereich innerhalb der Zelle, der aber  nicht  von einer Membran umgeben ist. Diese Zellen haben Zellwände, Vakuolen und Chloroplasten.
Im Inneren dieser Zelle befindet sich das Cytoplasma.

In der Zellbiologie gilt: Ein Zellinhalt, der keinen Zellkern hat, wird als Cytoplasma bezeichnet.




Eine Pflanzenzelle arbeitet in etwa wie folgt:

Wasser und Mineralien werden von der Wurzel in Kapillaren nach oben gezogen und sammeln sich in den Vakuolen der Zelle. Im Reticulum werden die Nährstoffe durch ein Membransystem gefiltert und dem Golgi Apparat zugeführt, dann sortiert und zwischengelagert. Die übrig gebliebenen Saftreste werden von den Lysomen verdaut und zu Eiweiß zerlegt.

Die Ribosomen sind aber die eigentlichen Eiweißerzeuger einer Zelle. Sie schwimmen entweder frei in der Zelle oder heften sich an diverse Membranen des Reticulums an. Währenddessen versorgen die Mitochondrien die Zelle mit Sauerstoff und regen den Stoffwechsel der Pflanze an.

In den Chloroplasten werden mit der Energie des Lichts Traubenzucker-Moleküle in Stärke umgewandelt. Hier wird auch die grüne Farbe der Pflanze, sowie diverse Duftstoffe erzeugt. Dieser, hier vereinfacht geschilderte Vorgang, ist zusätzlich ein wichtiger Bestandteil der gesamten Fotosynthese.

Die Zellwände bestehen aus Zellulose und haben feine Löcher, durch die sie mit den benachbarten Zellen verbunden sind. Diese „Ventile“ nennt man Plasmodesmen. Sie dienen neben der Kommunikation auch dem Mineralien Austausch der Zellen untereinander.

Im Inneren dieser ganzen Maschinerie befindet sich der Zellkern, der wiederum in seinem Inneren einen Reaktor beherbergt, den Nukleolus. Hier sitzt der Genpool der Pflanze. Hier werden die RNA Moleküle erzeugt, die letztendlich zur Herstellung von neuen Ribosomen und der Bildung der DNA führen.

Die unter jedem Mikroskop sichtbare Außenhülle einer Zelle bezeichnet man als Cytoskelett. Es ist die sehr stabil aufgebaute Zellwand, die die ganze Zellfabrik schützend umgibt. Das Cytoskelett ist aber nicht nur die eckige Außenwand. Innerhalb der Wandung befindet sich noch ein Spinnennetz von Fäden, das für eine hohe Stabilität der gesamten Zelle sorgt. An diesen Fäden heften sich auch die Organellen an.

Der hier beschriebene Funktionsablauf ist auf die wesentlichen Funktionen der Pflanzenzelle beschränkt. Die Kommunikation der Organellen untereinander ist erheblich komplizierter. So hat man bei tierischen Zellen erst vor kurzer Zeit entdeckt dass der Nucleolus im Zellkern einen wesentlichen Anteil an der Zellteilung hat.

Was passiert zuerst, wenn sich eine Zelle von Anfang an neu bildet.  

Man kennt bei der Entstehung einer Zelle bisher folgenden Ablauf:

Nehmen wir an, wir haben zwei verschiedene Bakterien Arten, nennen sie wir das blaue Bakterium und das gelbe Bakterium.

Das blaue Bakterium frisst organische Teilchen, die im Wasser schwimmen und scheidet Wasserstoff aus.
Das gelbe Bakterium ernährt sich vom Wasserstoff und nähert sich dadurch dem blauen Bakterium, dessen ausgeschiedener Wasserstoff sofort vertilgt wird.

Das gelbe Bakterium dringt in das blaue Bakterium ein und wird von diesem umschlossen. Es entsteht eine Symbiose in deren Verlauf beide Bakterien ihre DNA in den umschlossenen Bereich abgeben.
Aus der DNA des blauen Bakteriums bildet sich eine Zellmembran, aus der sich eine feste Kernmembran entwickelt.

So entsteht der Zellkern, der Nukleus.

Aus den Resten der blauen DNA entsteht das Mitochondrium, das die Zelle mit Energie versorgt. Die Entstehungsweise der restlichen Organellen ist bis heute noch nicht restlos geklärt. Insbesondere wie die DNA des gelben Bakteriums weiterverwendet wird.

Bei der Entwicklung der tierischen Zellen (Eukarioten) haben sich vermutlich vor mehr als 3 Mrd.Jahren aus mehreren Pflanzenzellen, durch Verschmelzung miteinander, die ersten tierischen Zellen gebildet. Vermutlich haben Bakterien laufend neue Gene an die miteinander verschmolzenen Zellen abgegeben.
Man hat das in den 60er und 70er Jahren intensiv erforscht, weiß aber bis heute nicht, wie es genau funktioniert.

Es gibt also in der Zellforschung noch viel zu tun.  




Hier sind noch einmal die wesentlichen Bestandteile einer Pflanzenzelle in Kurzform aufgeführt.

Die Bilder stammen von einem zerlegbaren Zellmodell, wie es am Schülerforschungszentrum in Kassel, in Bio Workshops verwendet wird.






Die VAKUOLE:

In ihr sammeln sich Wasser und Mineralien, die die Pflanze von der Wurzel nach oben befördert.



Das TONOPLAST

Das Tonoplast ist die Außenhülle der Vakuole. Es ist eine atmungsaktive Doppelmembran welche die Vakuole vom Zellplasma abgrenzt.



Das RETICULUM:

Ein System aus Membranen und Filtern.  Es sind die rosa Bögen um den Zellkern.  Das Reticulum umgibt neben dem Zellkern auch alle Organellen, die eine feste Außenhülle haben. Am Reticulum haften die rauhen Ribosomen als winzige Teilchen. (In der Grafik als gelbe Pünktchen gekennzeichnet).



Der GOLGI APPARAT:

Das ist das Fracht und Lagerzentrum einer Zelle. Hier werden Eiweiß Bestandteile umgewandelt und an andere Organellen weiter gegeben.



Die LYSOSOMEN:

Sie sorgen für die Verdauung der Säfte und Nährstoffe innerhalb der Zelle.In der Grafik die gelblichen Pünktchen zwischen Chloroplast und Mitochondrien. Sie sind nicht beschriftet.



Die MITOCHONDRIEN:

Sie sind für den Stoffwechsel und die Atmung der Zelle zuständig.



Die CHLOROPLASTEN:

Die Chloroplasten enthalten den grünen Farbstoff der Pflanze, das Chlorophyll. In den Chloroplasten findet die Fotosynthese und die Umwndlung von Zuckermolekülen in Stärke statt.



Die PLASMODESMEN:

Kontaktstelle zwischen zwei Pflanzenzellen. Sie bewirken den Stoffaustausch der Zellen untereinander. Die alten Biologen bezeichneten sie als Tüpfel. Sie befinden sich in den Zellwänden und sind im Modell nicht zu sehen.



Der ZELLKERN – ein Kern mit Kern

Das Herzstück einer Pflanzenzelle ist der Zellkern, der von einer feinen Doppelmembran umgeben ist. Sie besteht aus Zellulose und ist für bestimmte Stoffe durchlässig wie ein Nanosieb. Im Inneren dieses Zellkerns befindet sich noch ein Kern, der Nukleolus.

Der Zwischenraum wird von den Chromatiden ausgefüllt, dem Genpool der Zelle, der in etwa so funktioniert:

Der Zellkern erzeugt mit seinem Nucleolus die RNA der Pflanze. In diesem Genpool werden RNA Moleküle mit den Eiweißen des Cytoplasmas zusammengefügt. Dadurch entstehen neue Ribosom-Moleküle, die auch zur Bildung der DNA benötigt werden.



Die RIBOSOMEN – die Protein-Produktion

Sie sind die Eiweißfabrik der Zelle. Sie schwimmen frei in der Zelle, können sich aber auch an die Filtermembranen des Reticulums oder an das Cytoskelett heften.



Das PEROXISOM - der Sauerstoffkiller

Als vor Urzeiten der Sauerstoffgehalt in der Erdatmosphäre anstieg, entwickelten sich in den Pflanzenzellen die Peroxisomen.  Ihre Aufgabe besteht darin, den für die Pflanzenzelle schädlichen Sauerstoff abzubauen. Das geschieht mit Hilfe von Enzymen, die den Sauerstoff in Wasserstoffperoxid umwandeln. Diese Enzyme nannte man Peroxidasen. Daher stammt der Name dieses sehr wichtigen Zellorgans. Die Anzahl der in einer Zelle vorkommenden Peroxisome ist vom Zelltyp abhängig.



Die Zellforschung ist heutzutage intensiv damit beschäftigt, die Vorgänge im Inneren von Zellen zu erforschen. Gerade bei menschlichen Zellen will man herausbekommen wie die Organellen miteinander kommunizieren, warum sie geschädigt werden und wie sie sich wieder regenerieren.

Ziel ist, medizinische Möglichkeiten zur Heilung schwerer Krankheiten zu schaffen.



Die Zellforschung ist ein sehr komplexes Forschungsgebiet. Ich danke dem Leser, der es bis hier durchgehalten hat  



Hier noch einmal die Zelle ohne Zellwand zum kopieren und downloaden. Die Bilder sind Eigentum vom Verfasser und können zu Unterrichtszwecken downgeloadet werden.






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