Stru Fu Protokoll 1 osmotischer Wert PDF

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Protokoll zum Kurstag 2: Plasmolyse...

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02.11.2018

Bestimmung des osmotischen Potentials mittels der Grenzplasmolyse 1. Einleitung Bei dem Versuch am Freitag, dem 02.11.2018, soll mit Hilfe der Plasmolyse der osmotische Druck in verschiedenen Pflanzenzellen ermittelt werden. Die zu untersuchenden Pflanzenzellen: Allium cepa und Tradescantia spathacea. Um die Grenzplasmolyse zu ermitteln, werden die zu untersuchenden Pflanzenzellen in

verschiedene molare

Zuckerlösungen eingelegt und anschließend mikroskopiert.

Da der osmotische Wert nicht direkt bestimmt werden kann, wird er bei dem Versuch über die Plasmolyse ermittelt. Es werden verschiedene Lösungen verwendet. Im Fall einer isotonen Lösung kann das osmotische Potential berechnet werden.

Unter einer isotonischen Lösung versteht man eine Lösung die den selben osmotischen Druck wie das Vergleichsmedium besitzt1. Unter einer hypertonischen Lösung versteht man eine Lösung mit einem höheren osmotischen druck als das Vergleichsmedium und unter einer hypotonischen Lösung versteht man eine Lösung mit geringeren osmotischen Druck als im Vergleichsmedium1.

Legt man das Präparat Beispielsweise in eine hypertone Lösung/Medium, so verliert der Protoplast mittels Osmose Wasser durch die Membran und schrumpft2. Unter Osmose versteht man die einseitige Diffusion eines Stoffes durch eine semipermeable Membran, die semipermeable Membran ist nur für bestimmte Substanzen durchlässig weswegen sie auch selektiv permeable Membran genannt wird .

Bei diesem Vorgang löst sich die

Plasmamembran von der Zellwand, ist sie komplett abgelöst spricht man von einer Konvexplasmolyse,

ist

sie

nur

teilweise

abgelöst

so

spricht

man

von

einer

Konkavplasmolyse2. Bei manchen Zellen kann man beobachten, wie der Protoplast über die Hecht’sche Fäden mit den Plasmodesmen der Zellwand verbunden bleibt3.

1 StruFu Vorlesung am Donnerstag 18.10 2018, Zellbiologie, Thema: Begrenzung und Kompartimentierung von Zellen durch Biomembranen, gehalten von: Prof. Dr. Heinz D. Osiewacz 2 Wanner, Gerhard (2017), Mikroskopisch-botanisches Praktikum; 3. Auflage; Stuttgart, Georg Thieme Verlag, Kapitel 4: Allium cepa plasmolyse, Seite: 55 3 Wanner, Gerhard (2017), Mikroskopisch-botanisches Praktikum; 3. Auflage; Stuttgart, Georg Thieme Verlag, Kapitel 4:Die lebende Pflanzenzelle, Seite: 58

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Eine Grenzplasmolyse liegt vor, wenn die Hälfte aller Zellen einen plasmolytischen Zustand aufweisen, das Medium und die Zelle besitzen somit den gleichen osmotischen Wert4. Das Medium ist also Isoton. Die Grenzplasmolyse ist somit das Anfangsstadium der Plasmolyse, der Protolast beginnt sich von der Zellwand zu lösen. Legt man das Präparat anschließend in eine hypotone Lösung, so beginnt die Deplasmolyse einzusetzen, Wasser diffundiert in die Vakuole und der Protoplast beginnt sich wieder an die Zellwand zu legen 5. Der dabei entstehende Innendruck in der Zelle wird Turgor genannt. Sobald das osmotische Potential im Zellsaft höher ist als im Medium, das die Zelle umgibt, nimmt die Vakuole Wasser auf. Durch den Turgor wird der Protoplasmaschlauch gegen die Zellwand gedrückt und übt einen Druck auf sie aus. Dadurch trägt der Turgor zur Festigung der Pflanze bei. Dem Turgor wirkt der Wanddruck der Zellwand entgegen, wodurch die Vakuole nicht unbegrenzt Wasser aufnehmen kann6. 2. Material und Methoden Material: Für Allium cepa, jeweils 10 Blockschälchen mit jeweils 2 mL Saccharoselösung von 0,25M bis 0,7M (0,25; 0,30; 0,35; 0,40; 0,45; 0,50; 0,55; 0,60; 0,65; 0,70) und für Tradescantia spathacea, jeweils 10 Blockschälchen mit jeweils 2 mL Saccharoselösung von 0,05M bis 0,50M (0,05; 0,10; 0,15; 0,20; 0,25; 0,30; 0,35; 0,40; 0,45; 0,50). Ein Lichtmikroskop, Abdeckgläser für die Blockschälchen, Deckglas, Objektträger, Pinzette; Stücke der unteren Epidermis von Allium cepa (Asparagales, Amaryllidaceae, Allioideae) und Tradescantia spathacea (Commelinales, Commelinaceae, Tradescantia).

Versuchsaufbau und Durchführung: Es wurden 4-5 oberflächenparallele Schnitte der unteren Blattepidermis angefertigt und anschließend für 20-30 min in die in den Blockschälchen enthaltene Saccharoselösung eingelegt. Damit das Ergebnis nicht durch Verdunsten von Wasser der Saccharoselösung verfälscht

wird

(Erhöhung

der

Konzentration),

werden

die

Blockschälchen

mit

Abdeckgläschen abgedeckt. Nach dem Ablauf der Zeit werden mikroskopische Präparate angefertigt und anschließend unter einem Mikroskop betrachtet. Nun werden unter dem Mikroskop die plasmolysierten Zellen (von 50 Zellen gesamt) ausgezählt und in Prozent angegeben, um die Konzentration zu finden, bei der 50% der Zellen eine Plasmolyse zeigen.

4 Vorbesprechung des Praktikums am 02.11.2018 5 Wanner, Gerhard (2017), Mikroskopisch-botanisches Praktikum; 3. Auflage; Stuttgart, Georg Thieme Verlag, Kapitel 4:Allium cepa plasmolyse, Seite: 57 6 Weiler, Elmar / Nover, Lutz (2008), Allgemeine und Molekulare Botanik; Stuttgart, Georg Thieme Verlag, Seite 105

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Der Versuch wurde parallel auch von den anderen Tischgruppen durchgeführt. Deren Mittelwerte sind in Tabelle 2 und 4 abgebildet. 3. Ergebnisse Bei der Tradescantia spathacea lässt sich im Vergleich zur Allium Cepa bei niedrigerer Konzentration Anzeichen von Plasmolyse erkennen (siehe Tabelle 1). Bei einem Wert von 0,05 mol/L

Saccharoselösung kann man bei der Tradescantia spathacea Plasmolyse

beobachten, wogegen man bei einem Wert von 0,45 mol/L die ersten Anzeichen von Plasmolyse bei der Allium cepa beobachten kann (siehe Tabelle 3). Die Anzahl der Zellen, welche

plasmolysieren steigt bei Allium cepa kontinuierlich an, mit Ausnahme eines

Ausreißers (siehe Tabelle 3 0,5 mol/L). Zeichnet man nun diese Werte in ein Koordinatensystem (Abbildung 2), so kommt man auf den Wert 0,42 mol/L (siehe Abbildung 2), bei welchem die Hälfte der Zellen Anzeichen von Plasmolyse zeigen.

Mithilfe dieses Wertes lässt sich nun der osmotische Wert berechnen (Zimmertemperatur: 20°C; Beispielrechnung für 0,42 mol/L (siehe Abbildung2)). Um das osmotische Potential zu ermitteln, wurden folgende Formeln verwendet:

ᴪ=p-π und π=c*R*T, wobei ᴪ das Wasserpotential ist; p ist der hydrostatische Druck im Tugor; π ist der osmotische Wert; - π ist das osmotische Potential; c ist die Konzentration der Lösung (in mol/L); T ist dabei die absolute Temperatur ((K)=273+x(°C) und R ist die universelle Gaskonstante (R=8,314 J/kmol*K).

π=c*R*T J=Nm =1.023.120,8

= 1.023.120,8



= Pa

=1.023.120,8Pa  10 Pa = MPa =1,02 MPa  Das entspricht einem Druck von ca. 10,2 Bar

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Die Ergebnisse bei der Allium cepa schwanken von Tisch zu Tisch etwas (siehe Tabelle 4), dadurch ergibt sich aus dem Mittelwert der Konzentration (siehe Tabelle 4) 0,49 mol/L ein osmotischer Wert von 1,19 MPa, was ca. 11,9 bar entspricht (siehe Tabelle 4).

Bei der Tradescantia spathacea sind bei der Konzentration von 0,35 mol/L ca. die Hälfte der Zellen plasmolysiert (siehe Tabelle 1). Auch hier steigt die Anzahl der plasmolysierten Zellen in Abhängigkeit von der Konzentration der Zuckerlösung kontinuierlich an (siehe Abbildung 1), mit Ausnahme der 0,05 mol/L Lösung (siehe Tabelle 1 und Abbildung 1). Dadurch ergibt sich für Tradescantia spathacea ein Wert von 0,34 mol/L (siehe Tabelle 1 und Abbildung 1), bei denen die Hälfte der Zellen Plasmolyse zeigen.

Die Ergebnisse von Tradescantia spathacea schwanken von Tisch zu Tisch stark (siehe Tabelle 2), dadurch ergibt sich aus dem Mittelwert der Konzentration (siehe Tabelle 2) 0,28 mol/L ein osmotischer Wert von 0,67 MPa, was ca. 6,7 bar entspricht (siehe Tabelle2).

Tabelle 1) Plasmolysegrad (in %) von Tradescantia spathacea in Abhängigkeit der Konzentration der Saccharoselösung Anzahl der plasmolysierten Zellen in Werte der Saccharoselösung in [M]

[%]

0,05

6%

0,1

0%

0,15

26%

0,2

24%

0,25

38%

0,3

38%

0,35

52%

0,4

82%

0,45

60%

0,5

96%

4

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Tradescantia spathacea Plasmolysierte Zellen in [%]

120% 100% 80% 60% 40% 20% 0% 0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0,45

0,5

0,55

Konzentration in [M]

Abbildung 1): Anzahl der plasmolysierten Zellen in Abhängigkeit der Saccharose Konzentration bei Tradescantia spathacea

Tabelle 2) Ermittlung des mittleren osmotischen Wertes (Tradescantia spathacea) Tischgruppe

Konzentration der Saccharoselösung [M], bei der Osmotischer Wert in [MPa] 50% aller Zellen Plasmolyse zeigen

1

0,26

0,63

2(Wert1)

0,30

0,73

2(Wert2)

0,23

0,56

3(Wert1)

0,31

0,76

3(Wert2)

0,35

0,85

4

0,21

0,51

Mittelwert

0,28

0,67

5

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Tabelle 3) Plasmolysegrad (in %) von Allium cepa in Abhängigkeit der Konzentration der Saccharoselösung Werte der Saccharoselösung in [M]

Plasmolysierte Zellen in [%]

0,25

0%

0,30

0%

0,35

0%

0,40

0%

0,45

54%

0,50

22%

0,55

60%

0,60

66%

0,65

100%

0,70

100%

Plasmolysierte Zellen in [%]

Allium cepa 120%

100% 80% 60% 40% 20% 0% 0

0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,65 0,7 0,75

Konzentration in [M]

Abbildung 2): Anzahl der plasmolysierten Zellen in Abhängigkeit der Saccharose Konzentration bei Allium cepa

6

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Tabelle 4) Ermittlung des mittleren osmotischen Wertes (Allium cepa) Tischgruppe

Konzentration der Saccharoselösung [M], bei der Osmotischer 50% aller Zellen Plasmolyse zeigen [MPa]

1

0,51

1,24

2

0,5

1,22

2

0,38

0,93

3

0,5

1,22

3

0,56

1,36

4

0,48

1,17

Mittewert

0,49

1,19

7

Wert

i n

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4. Diskussion: Die Ergebnisse für den osmotischen Wert von Allium cepa (11,9 bar, siehe Tabelle 4) und Tradescantia spathacea (6,7 bar, siehe Tabelle 2) liegen auseinander, Allium cepa zeigt erst bei höherer Konzentration Anzeichen von Plasmolyse, wo hingegen bei Tradescantia spathacea schon bei geringerer Konzentration Anzeichen von Plasmolyse zu beobachten sind7. Dies hat vor allem etwas mit der Lage der Epidermis zu tun, woraus die Zellen stammen. Die zu untersuchenden Zellen von Allium cepa stammen aus der Haut der Zwiebel, welche normalerweise unter der Erde liegt und zur Stärkespeicherung der Pflanze dient und zur vegetative Fortpflanzungsmöglichkeit. Bei Tradescantia spathacea stammen die zu untersuchenden Zellen aus dem Blatt, welches der Photosynthese dient7. Dadurch, dass die Zwiebel als Speicherorgan dient, ist die Konzentration der energiereichen Stoffe dort viel höher als im Blatt. Das heißt, der osmotische Druck der Allium Cepa ist von Natur aus in der Epidermis viel höher als der Druck in der Epidermis von Tradescantia spathacea, was die später einsetzende Plasmolyse bei höherer Konzentration (0,42 mol/L) erklärt. Die Plasmolyse bei geringerer Konzentration (0,28 mol/L) von Tradescantia spathacea lässt sich im Umkehrschluss mit der geringeren Stoffkonzentration im Blatt erklären7.

Allium Cepa hat von Natur aus eine höhere Solutkonzentration in der Epidermis, da sie trockene und sonnige Standorte bevorzugt und somit für einen stetigen Wassereinfluss sorgen muss. Tradescantia spathacea braucht dagegen keine hohe Solutkonzentration in der Epidermis, da sie tropische Gebiete bevorzugt in denen es genügend Wasser gibt, welches in die Zelle diffundiert7.

Abschließend lässt sich sagen, dass die Werte sich von den einzelnen Tischen teilweise stark unterschieden haben und man durch den Mittelwert das wahrscheinlich genauste Ergebnis des osmotischen Werts erzielen konnte, Tradescantia spathacea (6,7 bar) und Allium Cepa (11,9 bar). Die starken Schwankungen könne folgende Gründe haben: auf Grund von Verdampfung des Wassers der Saccharoselösung oder auch durch unsauberes präparieren und vorbereiten der Präparate. Ebenfalls wäre es möglich, dass bei dem Auszählen Fehler gemacht wurden. 7 Weiler, Elmar / Nover, Lutz (2008), Allgemeine und Molekulare Botanik; Stuttgart, Georg Thieme Verlag, Kapitel 7 Mineralstoff und Wasserhaushalt, Seite 240 -242

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5. Literaturverzeichnis: (1) Weiler, Elmar / Nover, Lutz (2008), Allgemeine und Molekulare Botanik; Stuttgart, Georg Thieme Verlag (2) Wanner, Gerhard (2017), Mikroskopisch-botanisches Praktikum; 3. Auflage; Stuttgart, Georg Thieme Verlag (3) Praktikumsskript: Struktur und Funktion der Organismen, Praktikum WS 2018/2019; Fachbereich Biowissenschaften, Goethe-Universität Frankfurt

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