Der Experimentator Zellbiologie

205 Pages·2018·13.971 MB·German

by  Sabine Schmitz, Christine Desel

Experimentator
Die Bände der EXPERIMENTATOR-Reihe sind verfasst von erfahrenen Labor-Profis aus
der akademischen Lehre und der forschenden Industrie. In lockerem Laborjargon wenden
sie sich an Studierende, TAs und Laboranten, zeigen Auswege aus experimentellen Sack-
gassen und wecken ein Gepür für die richtige Methode zur rechten Zeit.
In Summa: Fachlich hervorragend. Gibt Denkanstöße, hat Spannung, reißt einen mit. Und
lachen kann man auch. Was will man mehr? (Buchjournal)
Weitere Bände in der Reihe http://www.springer.com/series/8443
Sabine Schmitz
Christine Desel
Der Experimentator
Zellbiologie
Sabine Schmitz Christine Desel
Jülich Kiel
Deutschland Deutschland
Experimentator
ISBN 978-3-662-56110-2 ISBN 978-3-662-56111-9 (eBook)
https://doi.org/10.1007/978-3-662-56111-9
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Verantwortlich im Verlag: Sarah Koch
Zeichnungen: Dr. Martin Lay
Titelbild: „Versuch“, Öl auf Leinwand, 60 x 80 cm, März 2001. © Prof. Dr. Diethard Gemsa, Im Köhlersgrund
10, 35041 Marburg, [email protected], www.gemsakunst.de
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V
„Ich möchte die Natur verstehen, ich möchte wissen, wie es dazu
gekommen ist, dass etwas so ist, und zwar genau und nachprüfbar und
nicht geglaubt oder kulturell eingeprägt“.
Christiane Nüsslein-Volhard (deutsche Biologin, Nobelpreisträgerin für
Physiologie oder Medizin 1995)
VII
Vorwort zur 1. Auflage
Bücher über Zellbiologie gibt es viele – al- tigsten Grundlagen in Theorie und Praxis
lerdings gab es bis jetzt noch keins aus der anzueignen. Der erfahrene Experimenta-
„Experimentator-Reihe“. Wer bereits Bü- tor-Leser wird an der einen oder anderen
cher aus dieser Reihe kennt weiß, dass alle Stelle ein Dejavu haben, denn einige Ma-
Autoren die jeweilige Materie aus eigener nuskriptpassagen sowie die dazu gehören-
Erfahrung genau kennen und daher auch den Abbildungen sind der 3. Auflage vom
wissen, wo gerade für den Einsteiger Infor- „Zellkulturexperimentator“ entnommen.
mationsbedarf besteht und wo im metho- Das erschien an den Stellen sinnvoll, wo
dischen Bereich der Teufel im Detail steckt. es Überschneidungen zwischen Zellkultur
Nach dem „Experimentator Zellkultur“ und Zellbiologie gibt.
wollte ich dieses Mal einen Koautor dabei Wie auch schon beim „Experimentator
haben, der zwei Kapitel über Mikroskopie Zellkultur“ war mir das Lesevergnügen wie-
übernimmt. Die Suche nach einer geeigne- der sehr wichtig, deshalb habe ich mich be-
ten Person gestaltete sich schwieriger und müht leicht verständlich zu schreiben und
langwieriger als gedacht. Durch die schnel- an der einen oder anderen Stelle ein biss-
le und unkomplizierte Unterstützung von chen Zahlenakrobatik zu betreiben. Diese
Christine Desel, die als Beitragsautorin Art dem Leser relevante Informationen auf
beim „Romeis Mikroskopische Technik“ unterhaltsame Art darzubieten ist vermut-
Expertisen im Bereich Mikroskopie und lich bisher in keinem anderen Zellbiologie-
Schreiberfahrung im Fachbuchbereich mit- buch zu finden.
brachte, konnten wir den „Experimentator Christine Desel und mir hat das Schrei-
Zellbiologie“ durch zwei spannende Kapitel ben des „Experimentators Zellbiologie“
erweitern. jedenfalls viel Spaß gemacht, und so hof-
Gemeinsam haben wir versucht ein mög- fen wir, dass auch die Leserin und der Leser
lichst anwenderfreundliches Werk zu schaf- viel Freude am Schmökern haben, neugierig
fen, mit dem auch der Einsteiger angesichts bleiben und erfolgreicher (er)forschen.
der Informationsfülle in der Zellbiologie es
schafft, sich einen Überblick über die wich- Sabine Schmitz
Linnich,im Februar 2018
IX
Danksagungen zur 1. Auflage
»
Will das Glück nach seinem Sinn biologie“ enorm profitiert. Danke auch an
Dir was Gutes schenken, Susann Frank und Ulf Geisen, die kritisch
sage Dank und nimm es hin gelesen und hilfreiche Tipps gegeben haben,
ohne viel Bedenken. sowie allen, die mit ihren tollen Bildbeiträ-
Jede Gabe sei begrüßt, gen das Buch lebendig gemacht haben.
doch vor allen Dingen Außerdem danke ich Sarah Koch, der
das, worum Du Dich bemühst Nachfolgerin von Ulrich Moltmann, da-
möge Dir gelingen. für, dass sie mich (uns) bis zum Ende des
Wilhelm Busch Weges begleitet hat, auch wenn es an der
ein oder anderen Stelle nicht so einfach
Am Herstellungsprozess des „Experimenta- war. Besonderer Dank gebührt dem Lek-
tors Zellbiologie“ waren direkt oder indirekt torat des Verlags, speziell Bettina Saglio,
viele engagierte Kolleginnen und Kollegen die mich auch bei diesem Buchprojekt so
beteiligt. So ist es in erster Linie der Hart- hervorragend unterstützt hat. Ihre inzwi-
näckigkeit von Programmplaner Ulrich schen jahrzehntelange Geduld mit mir ist
Moltmann vom Springer Spektrum Verlag wirklich bewundernswert. Im Endspurt
geschuldet, dass ich das Projekt „Experi- hat uns auch der Grafiker Martin Lay
mentator Zellbiologie“ überhaupt begonnen unterstützt, damit Christines und meine
habe. Er war es, der mich dazu ermutigt und Abbildungen „wie aus einem Guss“ ausse-
auch zu Beginn des Buchprojektes begleitet hen. Bei derart vielen Abbildungen keine
hat. leichte Aufgabe.
Einen ganz entscheidenden Beitrag zur Zum Schluss danken wir beide auch
fachlichen Qualität dieses Buches haben unseren Familien, denn wenn man schreibt
meine Kolleginnen Carola Müller und kann man gerade nichts anderes machen
Simone Mörtl geleistet. Carola hat auch und das bedeutet entweder Verzicht auf
diesmal, wie schon beim „Experimentator Aufmerksamkeit oder aber Beteiligung am
Zellkultur“, die undankbare Aufgabe der Projekt. Aus dem Grund geht Christines be-
fachlichen Redaktion übernommen und sonderer Dank an ihre Tochter Jule, die ihr
mit großem Interesse und Engagement re- bei der Erstellung der Grafiken sehr viel ge-
digiert, korrigiert und kommentiert. Auch holfen hat. Ohne die Unterstützung unserer
Simone mit ihrer Expertise über DNA-Re- Familien und ohne die Gewissheit, dass sie
paratur war mir eine geduldige und wirk- hinter uns stehen, hätten wir dieses Projekt
lich wertvolle Hilfe bei der Erstellung von nicht verwirklichen können.
7 Kap. 7. Von der stets konstruktiven Kritik, Euch allen vielen Dank!
die in den vielen Anregungen und Vorschlä-
gen steckte, hat der „Experimentator Zell- Sabine Schmitz und Christine Desel
XI
Inhaltsverzeichnis
1 Theoretische Grundlagen der Zellbiologie .................................. 1
1.1 Systematik der Lebewesen ........................................................ 2
1.2 Theoretische Grundlagen und historische Fakten .................................. 4
1.3 Von der Zelle zum Organismus .................................................... 11
1.4 Ein bisschen Zahlenakrobatik und Bemerkenswertes … ........................... 15
Literatur ........................................................................... 17
2 Praktische Grundlagen der Zellbiologie ..................................... 19
2.1 Aufschlussverfahren (Homogenisierung) .......................................... 20
2.2 Grundlagen der Zentrifugation .................................................... 25
2.3 Zentrifugationsverfahren ......................................................... 28
2.4 Grundlagen der Zellseparation .................................................... 33
2.5 Bead it! – Isolierung von Zellen aus einem Zellgemisch mittels Dynabeads. . . . . . . . . 38
2.6 Grundlagen der Cytometrie ....................................................... 39
2.7 Durchflusscytometrie ............................................................. 44
Literatur ........................................................................... 48
3 Lichtmikroskopie ............................................................... 51
3.1 Die Natur des Lichtes .............................................................. 53
3.2 Prinzip des Mikroskops ............................................................ 54
3.3 Mikroskopische Auflösung ........................................................ 55
3.4 Optimale Arbeitsweise ............................................................ 56
3.5 Inverses Mikroskop ................................................................ 58
3.6 Objektive .......................................................................... 59
3.7 Kontrastierung .................................................................... 62
3.8 Bildaufnahme ..................................................................... 66
3.9 Dokumentation ................................................................... 68
3.10 Mikroskopie von Zellkulturzellen .................................................. 70
3.11 Zählkammer ...................................................................... 71
3.12 Vitalitätstest ....................................................................... 71
3.13 Ausstrichpräparate ................................................................ 71
3.14 Scratch-Test – Zellmigration und Zellwachstum .................................... 71
3.15 Visueller Nachweis von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) ......................... 72
3.16 Optischer Nachweis der Genexpression durch GUS-Färbung ....................... 73
3.17 Mikroskopische Analyse von pflanzlichen Zellen .................................. 73
3.18 Fixierung .......................................................................... 74
3.19 Gewebeschnitte ................................................................... 75
3.20 Histologische Färbungen .......................................................... 75
3.21 Immunfärbung .................................................................... 77
Literatur ........................................................................... 79
4 Fluoreszenzmikroskopie ...................................................... 81
4.1 Das Phänomen der Fluoreszenz ................................................... 83
XII Inhaltsverzeichnis
4.2 Fluoreszierende Moleküle und Fluoreszenzmarker ................................ 84
4.3 Autofluoreszenz und unspezifischer Hintergrund ................................. 85
4.4 Welches Fluorochrom wofür? ...................................................... 87
4.5 Fluoreszenzmikroskop ............................................................ 88
4.6 Verlust von Fluoreszenz: Quenching – Bleaching – Fading ......................... 91
4.7 Konfokale Mikroskopie ............................................................ 91
4.8 Direkte Fluoreszenzmarker und Fluoreszenzindikatoren ........................... 94
4.9 Immunfärbung und Immunfluoreszenz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
4.10 Fluoreszenz-in-situ Hybridisierung ................................................ 100
4.11 Mehrfachmarkierung und Kolokalisierung ........................................ 101
4.12 Fluoreszierende Reporterproteine ................................................. 102
4.13 Zelluläre dynamische Prozesse: Live Cell Imaging .................................. 104
4.14 Besondere fluoreszenzmikroskopische Verfahren ................................. 107
Literatur ........................................................................... 109
5 Zellzyklus und Proliferation, Differenzierung und Seneszenz ............. 113
5.1 Zellzyklus und Proliferation ....................................................... 114
5.2 Differenzierung ................................................................... 123
5.3 Seneszenz ......................................................................... 126
Literatur ........................................................................... 128
6 Zellvitalität, Apoptose und Nekrose, Autophagie .......................... 131
6.1 Zellvitalität ........................................................................ 132
6.2 Apoptose und Nekrose ............................................................ 134
6.3 Autophagie (Autophagocytose) ................................................... 143
Literatur ........................................................................... 148
7 DNA-Schäden: Erkennung, Reparatur und Nachweisverfahren ........... 149
7.1 Die Struktur der DNA .............................................................. 152
7.2 DNA-Schadensarten ............................................................... 153
7.3 DNA-Reparaturmechanismen ..................................................... 158
7.4 NHEJ oder HR – which way to repair? .............................................. 164
7.5 Methoden zur Analyse von DNA-Schäden ......................................... 165
Literatur ........................................................................... 172
8 Signalwege und zellbasierte Assays .......................................... 173
8.1 Das Ubiquitin-Proteasom-System ................................................. 174
8.2 Der MAP-Kinase-Signalweg ....................................................... 180
8.3 Der PI3-Kinase/Akt-Signalweg ..................................................... 183
8.4 Zellbasierte Assays ................................................................ 184
Literatur ........................................................................... 192
Serviceteil
Stichwortverzeichnis ............................................................... 196