Cytologie

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Zellaufbau

Protoplast

In diesem Beitrag erklären wir dir, was du unter dem Protoplast verstehen kannst und was eine sogenannte Protoplastenfusion ist.

Du willst den Inhalt dieses Beitrags noch schneller verstehen? Dann schau dir gerne unser Video zu den Protoplasten an.

Inhaltsübersicht

Protoplast einfach erklärt

Du findest den Protoplasten nur in Zellen, die eine Zellwand haben. Er bezeichnet den gesamten Inhalt dieser Zellen ohne die Zellwand. Er liegt also nur in Pflanzenzellen , in Pilzzellen und in Prokaryoten wie zum Beispiel Bakterien oder Archaeen vor. Die tierischen Zellen haben keine Zellwand und daher auch keinen Protoplasten.

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Isolierter Protoplast

Wenn du die Zellwand mittels Enzymen auflöst, kannst du den Protoplasten isolieren (Protoplastenisolation). Ein solcher isolierter Protoplast kann DNA sehr gut aufnehmen. Deshalb kannst du ihn als Ausgangsmaterial für die Herstellung gentechnisch veränderter (= transgener) Pflanzen verwenden. Außerdem kannst du zwei oder mehrere Protoplasten miteinander fusionieren (= Protoplastenfusion). Dadurch vermischen sich ihre Genome und ein sogenannter Hybrid entsteht.

Definition

Ein Protoplast ist die kleinste, selbstständig lebensfähige morphologische Einheit in mit Zellwänden versehenen Zellen. Diese Einheit ist der plasmatische Inhalt der Zelle.

Protoplastenisolation

Ein Protoplast lässt sich von seiner Zellwand isolieren. Die Zellwand der Pflanzen besteht zu einem großen Teil aus den Polymeren Pektin und Cellulose. Deshalb sind zu deren Auflösung auch die passenden Enzyme namens Pektinase und Cellulase notwendig. Die Cellulase verdaut die einzelnen Zellwände (Primärwand, Sekundärwand und Tertiärwand) und die Pektinasen die Mittellamellen.

Es ist jedoch ebenfalls möglich, die einzelnen Wände und die Mittellamellen gleichzeitig aufzulösen. Dazu kannst du beide Enzyme in destilliertem Wasser lösen.

Zur Auflösung der Zellwände von Bakterien, die vor allem aus Murein bestehen, benötigst du sogenanntes Lysozym (= Muramidase). Dieses musst du mit der Säure EDTA (Ethylendiamintetraessigsäure) verbinden.
Wenn sich nach der Entfernung der Zellwand noch Mureinspuren in den Bakterien befinden, spricht man statt von einem Protoplasten von einem Sphäroplasten.

Bei Pilzzellen, deren Zellwände vor allem aus Chitin bestehen, lassen sich diese durch das entsprechende Enzym namens Chitinase auflösen.

Wenn die Zellwand entfernt wurde, nimmt der Protoplast eine runde Form an. Nach der Isolierung musst du ihn dann in einem sogenannten isotonischen%Verweis Medium halten. Darunter kannst du dir ein Mittel vorstellen, das die selbe Konzentration an gelösten Teilchen (Salze, …) hat wie der Protoplast.
Dies ist extrem wichtig, da der Protoplast in einem hypotonischen%Verweis Medium (Konzentration in Medium geringer als in Vakuole von Protoplast = geringerer osmotischer Druck) wegen der Wasseraufnahme durch Osmose platzen könnte. Im Gegensatz dazu kann er in einem hypertonischen%Verweis Medium (Konzentration in Medium höher als in Vakuole von Protoplast = höherer osmotischer Druck) durch eine Wasserabgabe zusammenschrumpfen.

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Protoplast in isotonischem, hypotonischem und hypertonischem Medium
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Protoplasten Verwendung

Nach der Protoplastenisolation kannst du ihn für weitere Schritte verwenden.

Transgene Pflanzen

Ein isolierter Protoplast kann sehr gut DNA aufnehmen. Deshalb wird er oft als Ausgangsmaterial für genetisch veränderte Pflanzen, sogenannte transgene Pflanzen, verwendet.

Die Voraussetzung für eine transgene Pflanze ist, dass sich in ihr mindestens ein fremdes Gen befindet. Um diese Gene zu transferieren, wird ein Protoplast mit einem sogenannten Agrobakterium (Agrobacterium tumefaciens) infiziert. Dieses ist ein Bodenbakterium, das in der Lage ist, an Pflanzenzellen ohne Zellwand zu binden.

Es überträgt einen Teil seiner Plasmidinformation in das Erbgut im Zellkern des Protoplasten. Die für die Pflanzenzelle nicht notwendigen Informationen bleiben im Agrobakterium. Das übertragene Erbgut des Bakteriums ermöglicht es jedoch der Pflanze, neue Fähigkeiten zu erlernen. So kann sich bei einer transgenen Pflanze beispielsweise die Resistenz gegen Antibiotika oder Herbizide oder gegen Kälte und Dürre erhöhen.

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Übertragung von Geninformationen vom Agrobakterium in den Protoplasten

Ein häufiges Beispiel für eine transgene Nutzpflanze ist die gentechnisch veränderte Maispflanze. Durch die Kombination mit dem Bakterium bildet sich in dieser Pflanze ein Toxin, das als Schutz gegen Insekten (= Insektizid) wirkt.

Protoplastenfusion

Nicht nur die Kombination von Protoplasten mit dem Agrobakterium, sondern auch die Fusionierung von zwei oder mehr Protoplasten ist möglich.

Diese sogenannte Protoplastenfusion kannst du durch einen elektrischen oder chemischen Impuls starten. Die Zellmembranen beider Zellen verschmelzen sich (= Zellfusion) und es entsteht ein sogenannter Hybrid. Wenn lediglich die beiden Zellmembranen fusionieren, besitzt dieser Hybrid zwei Zellkerne. Wenn jedoch bei der Hybridisierung ebenfalls die Kernmembranen verschmelzen, entsteht eine Zelle mit einem Kern, aber einem vierfachen Chromosomensatz.

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Protoplastenfusion anhand der Tomoffel

Grundsätzlich können bei der Protoplastenfusion sogar zwei Organismen miteinander verschmolzen werden, die mit einer Zellwand nicht miteinander kreuzbar waren. Das kann etwa auch bei verschiedenen Arten wie Tomaten oder Kartoffeln der Fall sein. Im Jahr 1978 wurde durch die Fusion derer Protoplasten die sogenannte „Tomoffel“ erzeugt. An dieser Pflanze finden sich neben Tomaten zusätzlich noch Kartoffeln in der Erde.

Plasmolyse und Deplasmolyse

Der Protoplast spielt auch eine wichtige Rolle bei der sogenannte Plasmolyse%Verweis. Darunter kannst du dir den Prozess vorstellen, bei dem einer Pflanzenzelle in hypertonischer Lösung durch eine Osmose Wasser entzogen wird. Dadurch schrumpft der gesamte Protoplast und die Zellmembran kann sich von der Zellwand ablösen.

Die Deplasmolyse ist der entsprechend entgegengesetzte Vorgang. Das Wasser diffundiert in die Zelle, der Protoplast vergrößert sich und legt sich wieder an die Zellwand und die Zellmembran an.

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