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Von der Osmose zur Plasmolyse
Das der Plasmolyse zugrundeliegende Prinzip wird auch als Osmose bezeichnet. Osmose kann überall stattfinden, wo eine Flüssigkeit und eine semipermeable Membran vorhanden sind.
Eine semipermeable Membran ist eine Trennwand, die nur durch bestimmte Stoffe passiert werden kann. In Zellen werden sie oft an Grenzflächen zwischen verschiedenen Kompartimenten gebildet. Mehr Informationen dazu findest Du im StudySmarter Artikel zur semipermeablen Membran.
Damit Osmose stattfinden kann, müssen in der Flüssigkeit außerdem osmotisch aktive Stoffe gelöst sein. Dazu zählen zum Beispiel Zucker oder gelöste Salze. Sind auf der einen Seite der Membran mehr dieser osmotisch aktiven Teilchen vorhanden als auf der anderen, wird versucht, ein Gleichgewicht herzustellen. Das geschieht, indem Wasser durch die Membran auf die Seite strömt, auf der mehr dieser Teilchen vorhanden sind. Die höher konzentrierte Seite wird somit "verdünnt" und die Konzentrationen sind ausgeglichen.
Abbildung 1: Prinzip der Osmose
Die Bewegung der Wasserteilchen durch die Membran kann auch als Diffusion bezeichnet werden. Da die Membran semipermeabel ist, lässt sie die osmotisch aktiven Stoffe nicht auf die andere Seite diffundieren. Daher kann ihre Konzentration auch nur dadurch geändert werden, dass Wasser hin oder her strömt.
Ablauf der Plasmolyse und Deplasmolyse
Zellen, die eine Zellwand besitzen, können sich dieses Prinzip der Osmose für die Plasmolyse zunutze machen. Die Zelle, ohne die Zellwand, wird auch als Protoplast bezeichnet. Die Umgebung außerhalb der Membranen wird im pflanzlichen Gewebe Apoplast genannt.
Eine Auffrischung zum Aufbau von Zellen findest Du in den StudySmarter Artikeln zur Pflanzenzelle, der Zellwand und den Zellorganellen.
Je nachdem, in welcher Umgebung sich Zellen befinden, kann Wasser in ihren Protoplasten hinein oder aus der Membran hinausströmen. Strömt Wasser aus dem Zellinneren hinaus, schrumpft der Protoplast und bei genug Wasserverlust kann sich die Membran sogar von der Zellwand ablösen. Dieser Vorgang wird dann als Plasmolyse bezeichnet. Bei Pflanzen macht sich der Prozess der Plasmolyse oft dadurch bemerkbar, dass sie schlaff und welk erscheinen. Das Gegenteil der Plasmolyse, bei dem Wasser in die Zelle strömt und sich die Membran prall gegen die Zellwand drückt, heißt Deplasmolyse.
Die Zellwand ermöglicht es Zellen, Plasmolyse zu betreiben. Hätten Zellen, die zur Plasmolyse fähig sind, keine robuste Zellwand, würden sie im Falle der Deplasmolyse einfach so lange anschwellen bis sie platzen, da ihre Wasseraufnahme erst bei einem Konzentrationsausgleich gestoppt werden würde. Die Zellwand ist allerdings so stabil, dass sie dem Druck von innen standhalten kann. Die Protoplasten können daher ab einer bestimmten Größe einfach kein Wasser mehr aufnehmen und sind durch die Zellwand davor geschützt, zu zerplatzen.
Außerdem besitzen Pflanzenzellen ein Organell, das spezifisch für sie ist: die Vakuole. Die Vakuole ist ein Speichermedium für Zellsaft, in der sich Wasser, Proteine oder andere gelöste Teilchen sammeln. Wasser, das sich in einer Pflanzenzelle sammelt oder bei der Plasmolyse aus ihr hinausströmt, sammelt sich zu einem großen Teil in der Vakuole.
Wichtig ist es, zu bedenken, dass es immer von der Umgebung der Zelle abhängig ist, welcher dieser beiden Vorgänge – Plasmolyse oder Deplasmolyse – stattfindet. Genauer gesagt, ist es wichtig, wie das Verhältnis der Konzentrationen osmotisch aktiver Stoffe innen und außerhalb der Zellmembran zueinander ist. Um diese Lösungsverhältnisse zu beschreiben, gibt es drei verschiedene Begriffe.
Isotonische Lösung
Befindet sich die Zelle in einer isotonischen Lösung, sind die Konzentrationen gelöster Stoffe innerhalb und außerhalb der Zelle gleich. Es muss weder zusätzliches Wasser in die Zelle strömen, noch muss die Zelle Wasser verlieren. Es kommt also weder zur Plasmolyse noch zur Deplasmolyse.
Abbildung 2: Zelle in einem isotonischen Medium
Hypertonische Lösung
Befindet sich eine Zelle in einer hypertonischen Lösung, ist die Konzentration an osmotisch aktiven Stoffen außerhalb der Zelle höher als innerhalb der Zelle. Zum Ausgleich strömt Wasser hinaus und es kommt zur Plasmolyse.
Abbildung 3: Zelle in einem hypertonischen Medium
Besonders gut zu beobachten ist dieser Effekt der Plasmolyse unter dem Mikroskop bei der Zwiebelhaut einer roten Zwiebel. Da das Innere der Zellmembran rot gefärbt ist, wird genau sichtbar, wie weit die Zellmembran von der Zellwand entfernt ist. Wird die Zwiebelhaut in destilliertes Wasser – also Wasser ohne jegliche Salze oder andere Stoffe – gelegt, wird sichtbar, wie die rot eingefärbten Protoplasten zusammenschrumpfen. Der Prozess der Plasmolyse kann dabei genau mitverfolgt werden.
Hypotonische Lösung
Befindet sich die Zelle in einer hypotonischen Lösung, ist die Konzentration an osmotisch aktiven Stoffen in der Zelle höher als außerhalb. Zum Ausgleich strömt Wasser in die Zelle, deren Protoplast bis zur Zellwand anschwillt und somit der Deplasmolyse untergeht.
Abbildung 4: Zelle in einem hypotonischen Medium
Wird die Haut einer roten Zwiebel in stark salzhaltiges Wasser gelegt, kann unter dem Mikroskop beobachtet werden, wie die Protoplasten sehr stark anschwellen. Zwischen ihnen und der Zellwand ist dann meist kaum noch ein Zwischenraum zu erkennen.
Da Plasmolyse und Deplasmolyse umkehrbar sind, müssen betroffene Zellen nur in ein entsprechendes Medium gelegt werden, um nach einer Plasmolyse wieder Wasser aufzunehmen oder nach einer Deplasmolyse Wasser zu verlieren.
Der Turgordruck
Nimmt eine Zelle durch Deplasmolyse Wasser aus dem Apoplasten auf, schwillt der Protoplast an und drückt gegen die Zellwand. Für diesen Druck gibt es den Begriff Turgor oder auch Turgordruck. Nimmt der Protoplast so viel Wasser auf, dass er sich nicht mehr weiter ausdehnen kann, ist der Turgor so stark, dass die Zellwand gespannt werden kann (zu sehen in Abbildung 4. In einem solchen Zustand hat der Turgor seinen maximalen Wert und die Zelle wird als voll turgeszent bezeichnet.
Frische Blumen, die keinen welken Eindruck erwecken und auch sonst eher als knackig beschrieben werden können, sind meist in einem voll turgeszenten Zustand.
Plasmolyse – Arten
Die Zustände, die eine Zelle bei der Plasmolyse annehmen kann, wenn sie sich in unterschiedlichen Lösungsverhältnissen befindet, können in verschiedene Kategorien eingeteilt werden. Dabei wird betrachtet, wie sich der Protoplast im Verhältnis zur Zellwand verhält.
Grenzplasmolyse
Als Grenzplasmolyse wird der Zustand einer Zelle bezeichnet, die sich in einem isotonisch bis schwach hypertonischen Medium befindet. Dabei fängt der Protoplast gerade so an, sich durch Plasmolyse von der Zellwand zu lösen. Eine Zelle in diesem Zustand kannst Du in Abbildung 2 betrachten.
Mithilfe der Grenzplasmolyse kann berechnet werden, wie hoch die osmotische Konzentration der Flüssigkeit innerhalb des Protoplasten ist. Die osmotische Konzentration beschreibt, wie hoch die Konzentration osmotisch aktiver Teilchen in der Zelle ist. Ein Experiment zur Bestimmung der osmotischen Konzentration kann folgendermaßen ablaufen:
Stücke der Haut einer roten Zwiebel werden in Wasser mit jeweils verschiedenen Zucker-Konzentrationen eingelegt und unter dem Mikroskop betrachtet.
Es müssen zwei Arten von Zellzahlen erhoben werden: Zunächst werden alle Zellen gezählt, und anschließend wird die Zahl derjenigen Zellen ermittelt, die sich gerade im Stadium der Grenzplasmolyse befinden. Die Außen-Konzentration, bei der sich genau 50 % der Zellen in der Grenzplasmolyse befinden, bezeichnet die osmotische Konzentration. Während diesem Zustand haben also Innen- und Außenmedium dieselben Konzentrationen, weshalb letztlich kein Wasser in den Protoplasten fließt, der Protoplast aber auch kein Wasser verliert.
Konkavplasmolyse
Die Konkavplasmolyse beschreibt einen Zustand der Zelle, bei dem sich der Protoplast aufgrund des Wasserverlustes zunächst stark zusammenzieht. Aufgrund einer ausgeprägten Haftung zwischen Zellmembran und Zellwand, kann die Membran stellenweise noch an der Wand hängen bleiben. Liegt eine starke Konkavplasmolyse vor, können diese Haftungsstellen eine fadenartige Form annehmen und werden dann auch als Hecht'sche Fäden bezeichnet. Die Hecht'schen Fäden sind dann die einzigen Punkte, an denen der Protoplast noch mit der Zellwand verankert ist. Konkav (nach innen gewölbt) ist daher der Bereich zwischen zwei Hecht'schen Fäden, der nach innen gezogen wird.
Besonders ausgeprägte Formen der Konkavplasmolyse, bei denen die Hecht'schen Fäden kurz davor stehen, sich ebenfalls von der Zellwand zu lösen, werden auch als Krampfplasmolyse bezeichnet. Dabei geschieht rasch ein großer Wasserverlust, der auch als krampfartig beschrieben werden kann.
Konvexplasmolyse
Auch die Konvexplasmolyse beschreibt einen Zustand der Zelle, bei dem sich der Protoplast aufgrund des Wasserverlustes stark zusammenzieht. Im Unterschied zur Konkavplasmolyse haftet die Zellmembran allerdings nicht mehr an der Zellwand. Der Protoplast kann sich daher als Ganzes zusammenziehen und bildet eine Kugel. Konvex (nach außen gewölbt) beschreibt daher die nach außen gerichteten, sphärischen Rundungen des Protoplasten.
Plasmolyse - Das Wichtigste
- Plasmolyse tritt bei Zellen mit Zellwand auf (Pflanzenzellen, manche Bakterien, Algen und Pilze). Die Zelle ohne Zellwand heißt dabei auch Protoplast.
- Plasmolyse beschreibt das Ablösen einer Zellmembran von der Zellwand, wenn ein Protoplast durch Osmose Wasser verliert.
- Plasmolyse ist umkehrbar. Die Aufnahme von Wasser und das Anschwellen des Protoplasten wird als Deplasmolyse bezeichnet.
- Plasmolyse geschieht, wenn sich eine Zelle in einem hypertonischen Medium befindet.
- hypertonisches Medium: höhere Konzentration osmotisch aktiver Stoffe als in der Zelle
- hypotonisches Medium: niedrigere Konzentration osmotisch aktiver Stoffe als in der Zelle
- isotonisches Medium: gleiche Konzentration osmotisch aktiver Stoffe wie in der Zelle
- Je nachdem, wie gut die Zellmembran an der Zellwand haftet, wird zwischen zwei Arten der Plasmolyse unterschieden:
- Konkavplasmolyse: Membran bleibt stellenweise an Zellwand haften → konkave Einbuchtungen der Membran
- Konvexpalsmolyse: Membran haftet nicht an Zellwand und zieht sich komplett zusammen → runder Protoplast hat konvexe Form
Nachweise
- Lang et al. (2014). Plasmolysis: Loss of Turgor and Beyond. Plants.
- uni-ulm.de. (2011). Pflanzenphysiologisches Grundpraktikum: Wasserhaushalt.
- spektrum.de: Grenzplasmolyse. (19.05.2022)
- Abb. 2, 3 und 4: Plasmolyse Pflanzenzelle (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Plasmolyse_Pflanzenzelle.svg) von Drahkrub (https://commons.wikimedia.org/wiki/User:Drahkrub) ist gemeinfrei.
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Häufig gestellte Fragen zum Thema Plasmolyse
Warum gibt es Plasmolyse nur bei lebenden Zellen?
Die Plasmolyse setzt voraus, dass die Zelle eine intakte semipermeable Membran besitzt. Daher muss die Zelle lebendig sein.
Was ist die Plasmolyse? (leicht erklärt)
Plasmolyse ist ein Vorgang, bei dem sich die Zellmembran teilweise oder komplett von der Zellwand löst, da sie sich durch Wasserverlust zusammenzieht. Bei der Plasmolyse befindet sich die Zelle in einer hypertonischen Lösung und verliert das Wasser durch Osmose. Dabei passiert das Wasser die semipermeable Membran, um Konzentrationsunterschiede zum Außenmedium auszugleichen. Die Teilchen, durch die Konzentrationsunterschiede entstehen, werden durch die Membran zurückgehalten, weshalb nur das Wasser die Zellmembran passieren kann.
Ist Plasmolyse das gleiche wie Osmose?
Osmose ist der Grund für die Plasmolyse. Aufgrund eines Konzentrationsunterschiedes fließt Wasser durch die semipermeable Membran aus der Zelle. Dieser Prozess wird Osmose genannt. Aufgrund dessen schrumpft der wasserhaltige Protoplast und die umgebende Membran löst sich von der stabilen Zellwand ab, die ihre Form behält. Dieser Prozess infolge der Osmose ist die eigentliche Plasmolyse.
Wie kommt es zur Plasmolyse?
Die Ursache der Plasmolyse ist ein Konzentrationsunterschied zwischen dem Protoplasten und dem Außenmedium. Zum Ausgleich strömt Wasser durch die semipermeable Membran hinaus, weshalb der Protoplast schrumpft.
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