In der Natur findet man viele Zelltypen, die eine Zellwand besitzen. Die Zellwand schützt den lebenden Zellkörper vor Schädigungen aus der Umwelt. Isoliert man die Zellwand vom Zellkörper, kommt der Protoplast zum Vorschein. Er umgibt die inneren Bestandteile der Zelle und kann durch verschiedene Verfahren in der Biologie weiter genutzt werden.
Protoplasten einfach erklärt
Schaust Du Dir eine Pflanzenzelle unter dem Mikroskop an, siehst Du, dass die inneren Bestandteile von einer Zellwand umgeben sind. Das Innere der Zelle ohne die Zellwand bezeichnet man als Protoplast. Er umfasst die wichtigsten Zellbestandteile wie den Zellkern, das Cytoplasma oder die Zellmembran (Plasmalemma).
Der Protoplast bezeichnet die kleinste, selbstständig lebensfähige, morphologische Einheit in, mit Zellwänden versehenden, Zellen. Den Inhalt der Zelle nennt man auch plasmatischen Inhalt und bezeichnet den eigentlich lebenden Zellkörper.
Wie Du weißt, haben tierische Zellen keine Zellwände, also auch keine Protoplasten. Du findest sie also nur in den Pflanzenzellen, Pilzzellen und in Prokaryoten wie den Bakterien.
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Protoplasten Isolation
Die Trennung der Zellwand von dem Protoplast bezeichnet man als Protoplastenisolation. Dafür sind je nach Art unterschiedliche Enzyme notwendig.
Protoplastenisolation: Vorgehen
Mithilfe von Enzymen kann man einen Protoplasten von der Zellwand isolieren. Dafür ist es wichtig, die Hauptbestandteile der Zellwand zu kennen, um das passende Enzym zu wählen. Da diese bei den Zellen unterschiedlich sein können, werden je nach Zellart verschiedene Enzyme genutzt.
Protoplastenisolation bei Pflanzenzellen
Die Zellwände von Pflanzenzellen besteht größtenteils aus den Polymeren Pektin und Cellulose. Daher sind für die Trennung des Protoplasten von den Zellwänden besonders die Enzyme Pektinase und Cellulase wichtig.
Die Cellulase ist für die Verdauung der Primär-, Sekundär- und Tertiärwand notwendig, während die Pektinase für die Verdauung der Mittellamellen wichtig ist.
Protoplastenisolation bei Bakterienzellen
Die Zellwände von Bakterien bestehen hauptsächlich aus Murein. Damit die Zellwände sich auflösen, benötigst Du das Enzym Lysozym (Muramidase), was mit der Säure EDTA (Ethylendiamintetraessigsäure) verbunden sein muss.
Je nachdem, ob nach der Entfernung noch Mureinspuren vorhanden sind, spricht man von Protoplasten (keine Mureinspuren mehr vorhanden) oder Sphäroplasten (noch vorhandene Mureinspuren).
Sphäroplasten sind abgerundete Protoplasten, an denen noch Zellwandreste zu finden sind. Meist erhält man sie aus Bakterienzellen nach dem Einsatz von Antibiotika wie Penicillin oder Enzyme wie Lysozym. Sphäroplasten können in iso- oder hypotonischen Medien überleben und sind dort eingeschränkt vermehrungsfähig.
Protoplastenisolation bei Pilzzellen
Bei Pilzzellen bestehen die Zellwände hauptsächlich aus Chitin, weshalb Du für die Auflösung das Enzym Chitinase benötigst.
Das Ergebnis der Protoplastenisolation
Nachdem Du die Zellwand von dem Protoplasten mithilfe von Enzymen getrennt hast, nehmen sie eine runde Form an und der Vorgang der Protoplastenisolation ist abgeschlossen. Anschließend kannst Du die isolierten Protoplasten für die weitere Verarbeitung wie für die Züchtung transgener Pflanzen nutzen.
Die Vakuole von Protoplasten und der osmotische Druck
Wie Du bestimmt weißt, herrscht in Zellen ein sogenannter osmotischer Druck. Er sorgt dafür, dass Flüssigkeiten durch die semipermeable Membran fließen kann.
Nach der Isolation ist es daher wichtig, den Protoplasten in einem isotonischen Medium zu halten. Nur so behält der Protoplast seine runde Form und ist für weitere Verfahren bereit. Würdest Du den Protoplasten in einem hypotonischen Medium lagern, würde er aufgrund der Wasseraufnahme durch Osmose platzen. In einem hypertonischen Medium würde der Protoplast aufgrund von Wasserabgabe schrumpfen.
Die Begriffe isotonisch, hypertonisch und hypotonisch beschreiben den osmotischen Druck zwischen zwei Lösungen. Hier wird der Protoplast (genauer gesagt die Vakuole des Protoplasten) und die umliegende Lösung miteinander verglichen.
- Isotonisch: Die Konzentration der Lösung außerhalb des Protoplasten und in der Vakuole des Protoplasten sind gleich.
- Hypertonisch: Die Konzentration der Lösung außerhalb des Protoplasten ist geringer als die in der Vakuole des Protoplasten. Es herrscht also ein geringer osmotischer Druck.
- Hypotonisch: Die Konzentration der Lösung außerhalb des Protoplasten ist hier höher als die in der Vakuole des Protoplasten. Es herrscht also ein höherer osmotischer Druck.
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Die Verwendung von Protoplasten
Wenn die Isolation der Protoplasten erfolgreich war, können die Protoplasten für weitere Verfahren verwendet werden. Dazu zählen etwa die Plasmafusion oder auch das Züchten transgener Pflanzen.
Protoplasten: Transgene Pflanzen
Da isolierte Protoplasten besonders gut DNA aufnehmen können, werden sie oft innerhalb der Gentechnik als Ausgangsmaterial für genetisch veränderte Pflanzen genutzt. Du kannst sie auch transgene Pflanzen nennen.
Als transgene Pflanze bezeichnet man Pflanzen, denen mithilfe der Gentechnik fremde Gene (sog. Transgene) in das eigene Erbgut der Pflanze übertragen wurden. Das eingesetzte Gen bzw. die eingesetzten Gene steuern die Ausprägung einer gewünschten Eigenschaft. Daher wird es häufig in der Landwirtschaft für die Zucht von z.B. herbizidtoleranten oder schädlingsresistenten Pflanzen genutzt.
Der Transfer ermöglicht die gezielte Veränderung der Erbinformationen, die meist unter natürlichen Bedingungen und aufgrund biologischer Schranken nicht möglich wären.
Heute spielen im Anbau von Nutzpflanzen besonders die Herbizidtoleranz und die Schädlingsresistenz eine wichtige Rolle. Außerdem können mithilfe von Gentechnik auch die Anbaueigenschaften, die produktionstechnischen Eigenschaften oder die Produktqualität der Pflanzen verbessert und angepasst werden.
Protoplasten: Herbizidtoleranz
Um die Kulturpflanzen wie Mais, Reis oder Baumwolle vor Herbiziden mit dem Wirkstoff Glufosinat oder Glyphosat zu schützen, übertragt man bestimmte Gene aus den Bodenbakterien Agrobacterium tumefaciens und Streptomyces viridochromogenes. Diese Bodenbakterien können sich an Pflanzenzellen ohne Zellwände binden, was die Übertragung von speziellen Genen ermöglicht.
Als Herbizide bezeichnet man Unkrautbekämpfungsmittel.
Nach der Infizierung wird ein Teil der Plasmid Information des Agrobakteriums in das Erbgut des Zellkerns des Protoplasten übertragen. Das übertragene Gen steuert die Ausprägung einer Herbizidtolenranz der Pflanze und eine transgene Pflanze ist entstanden.
Protoplasten: Schädlingsresistente Pflanzen
Eine weitere Form der transgenen Pflanzen findest Du ebenfalls im landwirtschaftlichen Bereich. Die transgenen Pflanzen besitzen ebenfalls ein oder mehrere Gene des Bodenbakteriums Bacillus thuringiensis. Durch die Einpflanzung der Gene wird bei den Pflanzen die Produktion von Eiweißstoffen angeregt, die für die Larven der Schädlinge giftig sind.
Ein bekanntes Beispiel für eine transgene Nutzpflanze ist die genetisch veränderte Maispflanze. Durch den Transfer einzelner Gene des Bodenbakteriums, wird die Bildung eines eigenen Toxins angeregt. Ein sogenanntes Insektizid entsteht und die transgene Pflanze bildet einen eigenen Schutz gegen Schädlinge.
Protoplastenfusion
Neben der Kombination mit dem Agrobakterium ist auch eine Fusionierung von zwei oder mehreren Protoplasten möglich. Das Ganze nennt man Protoplastenfusion.
Protoplastenfusion: Vorgehen
Bei der Protoplastenfusion handelt es sich um eine in-vitro Verschmelzung mehrerer Protoplasten. Die Protoplastenfusion wird durch elektrischen Strom oder chemische Impulse (z.B. mit Polyethylenglykol) gestartet. Woraufhin es zu einer Verschmelzung der Zellmembranen beider Zellen (Zellfusion) kommt.
Oft kommt es dabei auch zu einer Verschmelzung der Zellkerne, der sogenannten Karyogamie. Es entstehen somatische Hybride. Durch die Karyogamie in den somatischen Hybriden kommt es zu einer Polyploidisierung in den Zellen.
Die Polyploidie bezeichnet das Vorhandensein von mindestens drei Chromosomensätzen innerhalb einer Zelle.
Außerdem kann man mithilfe der Protoplastenfusion zwei Organismen miteinander verschmelzen lassen, die sonst aufgrund der Zellwand nicht miteinander gekreuzt werden konnten.
Eine solche Kreuzung gab es bereits im Jahr 1978, als verschiedene Arten von Tomaten und Kartoffeln gekreuzt wurden. Der entstandene Hybrid war die sogenannte Tomoffel. Während man an dem sichtbaren Teil der Pflanze Tomaten findet, wachsen unter der Erde ebenfalls Kartoffeln.
Protoplasten: Plasmolyse und Deplasmolyse
Auch bei der Plasmolyse und der Deplasmolyse spielen Protoplasten eine wichtige Rolle. Dabei basieren sowohl die Plasmolyse als auch die Deplasmolyse auf Grundlage der Diffusion.
Diffusion bezeichnet die frei beweglichen Teilchen gasförmiger oder gelöster Stoffe, die sich aufgrund ihrer Eigenbewegung gleichmäßig im Raum ausbreiten.
Die Plasmolyse beschreibt einen Prozess, bei der Pflanzenzellen in einer hypertonischen Lösung Wasser entzogen wird. Dabei tritt das Wasser aus der Zelle bzw. der Zellsaftvakuole aus. Der gesamte Protoplast schrumpft und das Plasma löst sich von der Zellwand ab.
Bei der Deplasmolyse hingegen, dringt Wasser in die Zelle bzw. das Plasma und den Zellsaftraum ein, wodurch der Protoplast wieder an die Zellwand gedrückt wird und die Zelle prall wird (turgeszent).
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Protoplast - Das Wichtigste
- Protoplasten sind die kleinste, morphologische Einheit in mit Zellwänden ausgestatteten Zellen.
- Protoplasten umfassen den kompletten Inhalt einer Zelle ohne die Zellwand. Du findest sie in allen Zellen außer den Eukaryoten.
- Bei der Protoplastenisolation werden Protoplasten mithilfe von Enzymen von der Zellwand getrennt.
- Bei der Protoplastenfusion hingegen kommt es zu einer Verschmelzung mehrerer Protoplasten.
- Protoplasten werden für die Züchtung transgener Pflanzen verwendet (besonders im landwirtschaftlichen Bereich)
- Sie spielen auch bei der Plasmolyse oder Deplasmolyse eine wichtige Rolle.
Nachweise
- https://www.transgen.de/lexikon/1661.protoplasten.html
- http://www.pflanzenforschung.de/biosicherheit/lexikon/746.protoplasten.html
- https://dewiki.de/Lexikon/Protoplast
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