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Mikroskopie von Zellen

Die Zelle: Baustein des Lebens
Prokaryont - Eukaryont: Ein Vergleich

Mit bloßem Auge sind Bakterien oder auch eukaryotische Zellen kaum zu erkennen. Ein Blick in das Innere der Zelle gelingt nur durch Einsatz ausgereifter Mikroskope wie Lichtmikroskop (LM) und Elektronenmikroskop (EM) oder durch die STED-Mikroskopie (STED = Stimulated Emission Depletion, eine spezielle Form der Fluoreszenzmikroskopie) .

Sicherlich haben Sie im Unterricht schon einmal ein Präparat Ihrer Mundschleimhautzellen im Lichtmikroskop betrachtet. Die Zellen werden mit einem Spatel von der Mundschleimhaut abgelöst, auf einem Objektträger verteilt und dann mit einem Tropfen Methylenblau angefärbt. Im LM können Sie den Methylenblau-gefärbten Zellkern durchaus gut erkennen, ebenso die abgesetzte Zellmembran.

Grenzen der Mikroskopie

Ist bei Betrachtung der Zelle im Lichtmikroskop nur der Zellkern einer eukaryotischen Zelle erkennbar, so zeigt das elektronenmikroskopische Bild (EM-Bild) die Zelle in all ihren Details. Während das LM einen scheinbar leeren Zellraum zeigt, stellt das EM-Bild alle Organellen und Strukturen dar, wie Ribosomen oder auch große Proteinkomplexe. Deutlich wird in jedem Fall, dass die Zelle ein komplett angefüllter Raum ist.

Mit einem Lichtmikroskop können Objekte, die 0,2 bis 0,3 µm voneinander entfernt sind, noch wahrgenommen werden. Das Elektronenmikroskop ermöglicht erheblich bessere Auflösungen (0,1 nm).

Der große Nachteil einer EM-Aufnahme: Die Zelle ist nicht mehr funktionell. Das EM-Bild ist hochauflösend, aber nur eine Momentaufnahme, denn die Elektronenmikroskopie auf dem heutigen Stand kann keine Bilder einer aktiven, lebenden Zelle zeigen.

Elektronenmikroskopie und Lichtmikroskopie in der Anwendung

Beide Mikroskopietechniken haben ihre Vor- und Nachteile. Die Elektronenmikroskopie hat den entscheidenden Vorteil, dass die Auflösung durch den Einsatz von Elektronen in einem Bereich von 0,1 nm liegt und damit prinzipiell auch die feinsten Details in der Zelle abbilden kann.

In der Anwendung sieht man sich allerdings mit zwei schwerwiegenden Limitationen konfrontiert:

  1. Die Untersuchung von lebendem Material ist ausgeschlossen, da man die Zellen zuvor einfrieren und unter Vakuum setzen muss.
  2. Verschiedene Strukturen (z.B. unterschiedliche Proteine) werden nur mit geringem Kontrast dargestellt, weil die Elektronen beim Durchtritt durch verschiedene Proteine sehr ähnlich abgelenkt werden. Abhilfe schafft ein Kontrastmittel von außen. Im Falle der Elektronenmikroskopie sind das winzige Metallkügelchen, die an die zu untersuchende Struktur geheftet werden müssen.

Die Lichtmikroskopie hat den großen Vorteil, dass lebende Zellen nichtinvasiv, also ohne sie zu beeinflussen, untersucht werden können. Der Einsatz von Licht unterschiedlicher Farbe ermöglicht es zudem, gleichzeitig mehrere Strukturen sichtbar zu machen.

Diese Colokalisationsmikroskopie spielt eine große Rolle in der Aufklärung von Funktionalität verschiedener Proteine. Der Nachteil ist hier die geringe Auflösung von ca. 200 nm, begrenzt durch das Phänomen der Beugung. Diese Grenze wurde schon von dem bekannten deutschen Physiker Ernste Abbe vor ca. 150 Jahren beschrieben. Seither hatten Wissenschaftler diese Grenze akzeptiert.

Überwindung der Beugungsgrenze in der Lichtmikroskopie

Erst in den vergangenen Jahren hat es durch einen Göttinger Wissenschaftler, Prof. Stefan Hell, einen Durchbruch in der Lichtmikroskopie gegeben. Er entwickelte ein Konzept  – die STED-Mikroskopie –, das die Beugungsgrenze zum ersten Mal aushebelt und es ermöglicht, mit einem Lichtmikroskop theoretisch eine unbegrenzte Auflösung zu erreichen. Mit den aktuellen STED-Mikroskopen kann man in lebenden Zellen Auflösungen von <30 nm erreichen und damit auch die feinsten Details der Zellen studieren.

STED-Aufnahme einer Zelle.
STED-Aufnahme einer Zelle.
Abbildung mit freundlicher Genehmigung von Dr. Gerald Donnert, MPI für Biophysikalische Chemie, Göttingen.

Merke

Auflösungsgrenzen der Mikroskopie:

  • Lichtmikroskop: 200 nm                  (-> lebende Zellen)
  • Elektronenmikroskop: 0,1 nm          (-> tote Zellen)
  • STED: <30 nm                                (-> lebende Zellen)
Multiple-Choice
Wie groß ist die maximale Auflösungsgrenze bei der ganz aktuell entwickelten STED-Mikroskopie?
0/0
Lösen

Hinweis:

Bitte kreuzen Sie die richtigen Aussagen an. Es können auch mehrere Aussagen richtig oder alle falsch sein. Nur wenn alle richtigen Aussagen angekreuzt und alle falschen Aussagen nicht angekreuzt wurden, ist die Aufgabe erfolgreich gelöst.

Bild von Autor Dr. Martina Henn-Sax

Autor: Dr. Martina Henn-Sax

Dieses Dokument Mikroskopie von Zellen ist Teil eines interaktiven Online-Kurses zum Thema Zytologie.

Dr. Martina Henn-Sax verfügt über langjährige Erfahrung auf diesem Themengebiet.
Vorstellung des Online-Kurses ZytologieZytologie
Dieser Inhalt ist Bestandteil des Online-Kurses

Zytologie

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  • Zytologie als Thema im Abitur
    • Einleitung zu Zytologie als Thema im Abitur
  • Die Zelle: Baustein des Lebens
    • Einleitung zu Die Zelle: Baustein des Lebens
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      • Einleitung zu Aufbau und Funktion der Zelle
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        • Einleitung zu Organisationsmuster der Zelle
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          • Einleitung zu Prokaryontenzelle
          • Unterteilung der Bakterien
            • Einleitung zu Unterteilung der Bakterien
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        • Eukaryontenzelle
          • Einleitung zu Eukaryontenzelle
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            • Einleitung zu Organellen eukaryotischer Zellen
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    • Prokaryont - Eukaryont: Ein Vergleich
      • Einleitung zu Prokaryont - Eukaryont: Ein Vergleich
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  • Gute Bewertung für Zytologie

    Ein Kursnutzer am 29.06.2014:
    "Super :)"

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