Wie man Zellstrukturen identifiziert

Lebende Zellen reichen von einzelligen Algen und Bakterien über vielzellige Organismen wie Moose und Würmer bis hin zu komplexen Pflanzen und Tieren einschließlich des Menschen. Bestimmte Strukturen finden sich in allen lebenden Zellen, aber auch einzellige Organismen und Zellen höherer Pflanzen und Tiere unterscheiden sich in vielerlei Hinsicht. Lichtmikroskope können Zellen vergrößern, sodass die größeren, definierteren Strukturen zu sehen sind, aber Transmissionselektronenmikroskope (TEMs) werden benötigt, um kleinste Zellstrukturen zu sehen.

Zellen und ihre Strukturen sind oft schwer zu identifizieren, da die Wände recht dünn sind und verschiedene Zellen ein völlig anderes Aussehen haben können. Zellen und ihre Organellen haben jeweils Eigenschaften, mit denen sie identifiziert werden können, und es hilft, eine ausreichende Vergrößerung zu verwenden, die diese Details zeigt.

Zum Beispiel zeigt ein Lichtmikroskop mit 300-facher Vergrößerung Zellen und einige Details, aber nicht die kleinen Organellen innerhalb der Zelle. Dazu wird ein TEM benötigt. TEMs verwenden Elektronen, um detaillierte Bilder von winzigen Strukturen zu erstellen, indem sie Elektronen durch die Gewebeprobe schießen und die Muster analysieren, wenn die Elektronen auf der anderen Seite austreten. Bilder von TEMs sind normalerweise mit dem Zelltyp und der Vergrößerung gekennzeichnet – ein Bild mit der Aufschrift „tem of human .“ Epithelzellen mit der Bezeichnung 7900X" werden 7.900-fach vergrößert und können Zelldetails, den Zellkern und andere anzeigen Strukturen. Die Verwendung von Lichtmikroskopen für ganze Zellen und TEMs für kleinere Merkmale ermöglicht die zuverlässige und genaue Identifizierung selbst der schwersten Zellstrukturen.

Mikroskopaufnahmen sind die vergrößerten Bilder, die von Lichtmikroskopen und TEMs erhalten wurden. Zellmikroskopische Aufnahmen werden oft gemacht aus Gewebeproben und zeigen eine kontinuierliche Masse an Zellen und inneren Strukturen, die schwer zu identifizieren sind individuell. Typischerweise zeigen solche mikroskopischen Aufnahmen viele Linien, Punkte, Flecken und Cluster, aus denen die Zelle und ihre Organellen bestehen. Um die verschiedenen Teile zu identifizieren, ist ein systematischer Ansatz erforderlich.

Es hilft zu wissen, was die verschiedenen Zellstrukturen auszeichnet. Die Zellen selbst sind der größte geschlossene Körper in der mikroskopischen Aufnahme, aber innerhalb der Zellen befinden sich viele verschiedene Strukturen, jede mit ihren eigenen Erkennungsmerkmalen. Ein Ansatz auf hoher Ebene, bei dem geschlossene Grenzen identifiziert und geschlossene Formen gefunden werden, hilft, die Komponenten auf dem Bild zu isolieren. Es ist dann möglich, jedes einzelne Teil zu identifizieren, indem nach einzigartigen Merkmalen gesucht wird.

Zu den am schwierigsten zu identifizierenden Zellstrukturen gehören die winzigen membrangebundenen Organellen innerhalb jeder Zelle. Diese Strukturen sind wichtig für die Zellfunktionen und die meisten sind kleine Säcke aus Zellmaterial wie Proteinen, Enzymen, Kohlenhydraten und Fetten. Sie alle haben ihre eigenen Rollen in der Zelle und stellen einen wichtigen Teil der Zelluntersuchung und Zellstrukturidentifizierung dar.

Nicht alle Zellen haben alle Arten von Organellen, und ihre Anzahl variiert stark. Die meisten Organellen sind so klein, dass sie nur auf TEM-Bildern von Organellen identifiziert werden können. Während Form und Größe bei der Unterscheidung einiger Organellen helfen, ist es normalerweise notwendig, die innere Struktur zu sehen, um sicher zu sein, welche Art von Organellen gezeigt wird. Wie bei den anderen Zellstrukturen und für die Zelle insgesamt erleichtern die besonderen Merkmale jeder Organelle die Identifizierung.

Im Vergleich zu den anderen Objekten, die in zellmikroskopischen Aufnahmen gefunden werden, sind Zellen bei weitem die größten, aber ihre Grenzen sind oft überraschend schwer zu finden. Bakterienzellen sind unabhängig und haben eine vergleichsweise dicke Zellwand, sodass sie in der Regel gut sichtbar sind. Alle anderen Zellen, insbesondere die im Gewebe höherer Tiere, haben nur eine dünne Zellmembran und keine Zellwand. Auf mikroskopischen Aufnahmen von Gewebe sind oft nur schwache Linien zu sehen, die die Zellmembranen und Grenzen jeder Zelle zeigen.

Zellen haben zwei Eigenschaften, die die Identifizierung erleichtern. Alle Zellen haben eine durchgehende Zellmembran, die sie umgibt, und die Zellmembran umschließt eine Reihe weiterer winziger Strukturen. Sobald eine solche kontinuierliche Membran gefunden ist und sie viele andere Körper umschließt, die jeweils ihre eigene innere Struktur haben, kann dieser umschlossene Bereich als Zelle identifiziert werden. Sobald die Identität einer Zelle klar ist, kann die Identifizierung der inneren Strukturen erfolgen.

Nicht alle Zellen haben einen Zellkern, aber die meisten in tierischen und pflanzlichen Geweben haben einen. Einzellige Organismen wie Bakterien haben keinen Zellkern, und einige tierische Zellen wie menschliche reife rote Blutkörperchen haben auch keinen. Andere übliche Zellen wie Leberzellen, Muskelzellen und Hautzellen haben alle einen klar definierten Kern innerhalb der Zellmembran.

Der Kern ist der größte Körper innerhalb der Zelle und hat normalerweise eine mehr oder weniger runde Form. Im Gegensatz zur Zelle enthält sie nicht viele Strukturen. Das größte Objekt im Kern ist der runde Nukleolus, der für die Bildung von Ribosomen verantwortlich ist. Bei ausreichender Vergrößerung sind die wurmartigen Strukturen der Chromosomen im Zellkern zu erkennen, insbesondere wenn sich die Zelle auf die Teilung vorbereitet.

Ribosomen sind winzige Klumpen aus Protein und ribosomaler RNA, dem Code, nach dem die Proteine ​​hergestellt werden. Sie sind an ihrer fehlenden Membran und an ihrer geringen Größe zu erkennen. Auf mikroskopischen Aufnahmen von Zellorganellen sehen sie aus wie kleine Feststoffkörner, und viele dieser Körner sind in der Zelle verstreut.

Einige Ribosomen sind mit dem endoplasmatischen Retikulum verbunden, einer Reihe von Falten und Tubuli in der Nähe des Zellkerns. Diese Ribosomen helfen der Zelle, spezialisierte Proteine ​​zu produzieren. Bei sehr starker Vergrößerung kann man erkennen, dass die Ribosomen aus zwei Abschnitten bestehen, wobei der größere Teil aus RNA besteht und ein kleinerer Cluster aus den hergestellten Proteinen besteht.

Das endoplasmatische Retikulum, das nur in Zellen mit einem Zellkern vorkommt, ist eine Struktur aus gefalteten Säcken und Röhren, die sich zwischen Zellkern und Zellmembran befinden. Es hilft der Zelle, den Austausch von Proteinen zwischen der Zelle und dem Zellkern zu verwalten, und es hat Ribosomen, die an einem Abschnitt befestigt sind, der als raues endoplasmatisches Retikulum bezeichnet wird.

Das raue endoplasmatische Retikulum und seine Ribosomen produzieren zellspezifische Enzyme wie Insulin in Pankreaszellen und Antikörper für weiße Blutkörperchen. Das glatte endoplasmatische Retikulum hat keine angelagerten Ribosomen und produziert Kohlenhydrate und Lipide, die dazu beitragen, die Zellmembranen intakt zu halten. Beide Teile des endoplasmatischen Retikulums können durch ihre Verbindung zum Zellkern identifiziert werden.

Mitochondrien sind die Kraftwerke der Zelle, die Glukose verdauen, um das Speichermolekül ATP zu produzieren, das die Zellen zur Energiegewinnung verwenden. Die Organelle besteht aus einer glatten Außenmembran und einer gefalteten Innenmembran. Die Energieerzeugung erfolgt durch einen Transfer von Molekülen durch die innere Membran. Die Anzahl der Mitochondrien in einer Zelle hängt von der Zellfunktion ab. Muskelzellen zum Beispiel haben viele Mitochondrien, weil sie viel Energie verbrauchen.

Mitochondrien können als glatte, längliche Körper identifiziert werden, die nach dem Zellkern die zweitgrößte Organelle sind. Ihr Erkennungsmerkmal ist die gefaltete innere Membran, die dem Inneren der Mitochondrien seine Struktur verleiht. Auf einer zellmikroskopischen Aufnahme sehen die Falten der inneren Membran aus wie Finger, die in das Innere der Mitochondrien ragen.

Lysosomen sind kleiner als Mitochondrien, daher sind sie nur in stark vergrößerten TEM-Bildern zu sehen. Sie unterscheiden sich von Ribosomen durch die Membran, die ihre Verdauungsenzyme enthält. Sie können oft als abgerundete oder kugelförmige Formen gesehen werden, aber sie können auch unregelmäßige Formen haben, wenn sie ein Stück Zellabfall umgeben haben.

Die Funktion der Lysosomen besteht darin, nicht mehr benötigte Zellsubstanz zu verdauen. Zellfragmente werden abgebaut und aus der Zelle ausgestoßen. Lysosomen greifen auch in die Zelle eindringende Fremdstoffe an und sind als solche eine Abwehr gegen Bakterien und Viren.

Golgi-Körper oder Golgi-Strukturen sind Stapel von abgeflachten Säcken und Röhren, die aussehen, als wären sie in der Mitte zusammengequetscht. Jeder Sack ist von einer Membran umgeben, die bei ausreichender Vergrößerung zu sehen ist. Sie sehen manchmal wie eine kleinere Version des endoplasmatischen Retikulums aus, sind jedoch separate Körper, die regelmäßiger sind und nicht mit dem Kern verbunden sind. Golgi-Körper helfen, Lysosomen zu produzieren und Proteine ​​in Enzyme und Hormone umzuwandeln.

Zentriolen kommen paarweise vor und werden normalerweise in der Nähe des Kerns gefunden. Sie sind winzige zylindrische Proteinbündel und sind ein Schlüssel für die Zellteilung. Bei der Betrachtung vieler Zellen können sich einige gerade teilen, und die Zentriolen treten dann sehr hervor.

Während der Teilung löst sich der Zellkern auf und die in den Chromosomen enthaltene DNA wird verdoppelt. Die Zentriolen bilden dann eine Faserspindel, entlang derer die Chromosomen zu den gegenüberliegenden Enden der Zelle wandern. Die Zelle kann sich dann teilen, wobei jede Tochterzelle einen vollständigen Chromosomensatz erhält. Während dieses Vorgangs befinden sich die Zentriolen an beiden Enden der Faserspindel.

Alle Zellen müssen eine bestimmte Form beibehalten, aber einige müssen steif bleiben, während andere flexibler sein können. Die Zelle behält ihre Form mit einem Zytoskelett, das je nach Zellfunktion aus unterschiedlichen Strukturelementen besteht. Ist die Zelle Teil eines größeren Gebildes, etwa eines Organs, das seine Form behalten muss, besteht das Zytoskelett aus steifen Röhrchen. Lässt man die Zelle unter Druck nachgeben und muss ihre Form nicht vollständig beibehalten, ist das Zytoskelett leichter, flexibler und besteht aus Proteinfilamenten.

Bei der mikroskopischen Betrachtung der Zelle zeigt sich das Zytoskelett bei Tubuli als dicke Doppellinien und bei Filamenten als dünne Einzellinien. Einige Zellen haben möglicherweise kaum solche Linien, aber in anderen können offene Räume mit dem Zytoskelett gefüllt sein. Bei der Identifizierung von Zellstrukturen ist es wichtig, die Organellenmembranen getrennt zu halten, indem ihr geschlossener Kreislauf verfolgt wird, während die Linien des Zytoskeletts offen sind und die Zelle durchqueren.

Für eine vollständige Identifizierung aller Zellstrukturen werden mehrere mikroskopische Aufnahmen benötigt. Diejenigen, die die ganze Zelle oder mehrere Zellen zeigen, werden nicht genügend Details für die kleinsten Strukturen wie Chromosomen aufweisen. Mehrere mikroskopische Aufnahmen von Organellen mit zunehmender Vergrößerung zeigen die größeren Strukturen wie Mitochondrien und dann die kleinsten Körper wie die Zentriolen.

Bei der ersten Untersuchung einer vergrößerten Gewebeprobe kann es schwierig sein, die verschiedenen Zellstrukturen sofort zu erkennen, aber das Nachverfolgen der Zellmembranen ist ein guter Anfang. Die Identifizierung des Zellkerns und größerer Organellen wie der Mitochondrien ist oft der nächste Schritt. In den mikroskopischen Aufnahmen mit höherer Vergrößerung können die anderen Organellen oft durch einen Eliminationsprozess identifiziert werden, wobei nach wichtigen Unterscheidungsmerkmalen gesucht wird. Die Nummern der einzelnen Organellen und Strukturen geben dann einen Hinweis auf die Funktion der Zelle und ihres Gewebes.