Karl-Ernst Wohlfarth-Bottermann

Das Grundplasma und die Plasmafilamente der Ambe Chaos chaos nach enzymatischer Behandlung der Zellmembran

ZusammenfassungEine Vorbehandlung der Riesenamöbe Chaos chaos mit verschiedenen Enzymlösungen (Lysozym, Verdauungssaft von Helix, Hyaluronidase) ermöglicht ein schnelleres Eindringen des Fixierungsmittels und die Darstellung von Grund-plasma und Plasmafilamenten im Cytoplasma dieses Organismus, ohne daß vor der Fixation eine mechanische Zerstörung der Zellmembran vorgenommen werden muß.Das hyaline Ektoplasma besteht aus reinem Grundplasma und ist stellenweise gegenüber dem Endoplasma scharf abgegrenzt. In der Grenzschicht finden sich häufig parallelisierte Plasmafilamente, die auch sonst sowohl im Ektoplasma als auch im Endoplasma angetroffen werden. Diese Befunde sind im Lichte der modernen Kontraktionstheorien der amöboiden Bewegung von besonderer Bedeutung.SummaryThe treatment of the giant ameba Chaos chaos with solutions of enzymes (lysozyme, digestive juice of Helix, hyaluronidase) results in a higher permeability of the cell membrane for osmiumtetroxyde. After this improved fixation method it is possible to reveal the groundplasm and its plasmafilaments in giant amebas, without being forced to destroy the cell membrane before or at the moment of fixation.The hyaline ectoplasm consists of pure groundplasm and shows a clear demarcation to the area of the endoplasm. Plasmafilaments, the structural elements of the contractile gel-reticulum, are found in the ectoplasm as well as in the endoplasm. The demarcation area between these modifications of cytoplasm is especially rich in plasmafilaments which form conspicuous fibrillar aggregations by parallel arrangement.The results are discussed in respect to the modern contraction theories of ameboid movement.

Zur Funktionellen Morphologie der Speicheldrüsen Von Homopteren

Zusammenfassung1.Das sekretableitende System in den Speicheldrüsen von Myzus persicae (Sulz.) besteht aus einem derbwandigen, interzellulär liegenden Sekretkanal, der von besonderen Kanalzellen umgeben ist. Das Cytoplasma dieser Zellen ist locker strukturiert, ein zusammenhängendes endoplasmatisches Retikulum ist nicht ausgebildet, die lateralen Zellgrenzen sind vielfältig verzahnt.2.Die Zellmembran des apikalen Bereiches jeder Kanalzelle ist zum Sekretkanal hin in ausgedehnten Falten angeordnet. Hierdurch entsteht rings um das Kanalrohr — in den Drüsenlappen selbst ebenso wie in den Ausführgängen — ein Faltenkranz („Corona sinuosa“), der dem lichtmikroskopisch beschriebenen „Hof“ bzw. der „Streifenzone“ oder dem „Binnenbläschen“ des Sekretkanals in anderen Insektendrüsen entsprechen dürfte. Der Faltenkranz ist im Bereich der Hauptzellen der Hauptdrüse nur schwach, im Bereich der Deckzellen besonders stark ausgebildet.3.Durch die Einfaltungen der Zellmembran entstehen längs verlaufende, feine blattoder leistenartige Fortsätze der Zelle. Für diese charakteristischen morphologischen Einheiten des Faltenkranzes wird in Gegenüberstellung zu den Mikrovilli der Ausdruck Mikrosinus vorgeschlagen.4.Zwischen den Mikrosinus sind enge interzelluläre Fugenräume, die sich insbesondere in der Nebendrüse und ihrem Ausführgang zu größeren Interzellularräumen erweitern können. Diese Räume erscheinen bei der Nebendrüse mit unkontrastiertem Inhalt, im Bereich der Deckzellen und den Ausführgängen dagegen mit stark kontrastiertem Inhalt gefüllt.5.Der Inhalt des Sekretkanals ist im Bereich der Nebendrüse und ihrem Ausführgang unkontrastiert (vermutlich die wässerige Form des Speichels), im distalen Bereich der Hauptdrüse ist er ebenfalls unkontrastiert, im proximalen Bereich (Deckzellen) dagegen stark kontrastiert. In den Ausführgängen selbst wechselt das Bild.6.Der Sekretkanal ist an seinem distalen Ende in der Nebendrüse und vermutlich auch in der Hauptdrüse offen. In der Nebendrüse steht diese Öffnung in Verbindung mit den intrazellulären Sekretkanälchen („Schlauchkomplexen“) der Drüsenzellen, in der Hauptdrüse mittelbar mit Myofibrillen (Pumpmechanismus). Verzweigungen des Sekretkanals wurden nur im Bereich der Deckzellen beobachtet.7.Große Interzellularräume kommen auch zwischen den Zellmembranen von Kanal- und Drüsenzellen vor.8.Das Prosekret gelangt in der Nebendrüse sicherlich aus den intrazellulären Sekretkanälchen durch das offene Ende des Sekretkanals in diesen hinein. Das Entsprechende trifft vermutlich für das distale Ende des Sekretkanals in der Hauptdrüse zu. Im übrigen Teil der Hauptdrüse scheinen die Interzellularräume eine besondere Rolle zu spielen. Dabei dringt das Prosekret vermutlich unmittelbar aus den Drüsenzellen in den Interzellularraum ein (vgl. Punkt 7). Eine andere Möglichkeit, daß das Prosekret durch blasige Ausstülpungen zunächst in die Kanalzellen und von hier aus erst in die interzellulären Fugenräume des Faltenkranzes gelangt, wird diskutiert.9.Der Faltenkranz hat offenbar insbesondere im Bereich der Ausführgänge eine Funktion bei der Weiterverarbeitung des Prosekrets, wobei das Prinzip der Vergrößerung der Zelloberfläche gegenüber einem kleinen Raum (Kanalwand) in besonders interessanter Form verwirklicht ist. Die zahlreichen kleinen Mitochondrien in der Peripherie des Faltenkranzes werden die Energie für Stofftransporte liefern.10.Die Membraneinfaltungen der apikalen Zelloberfläche der Kanalzellen, ihre faltenkranzähnliche Anordnung um den Sekretkanal sowie transversal verlaufende Zellfortsätze werden in einer schematischen Zeichnung verdeutlicht, in der versucht wird, die gesamte räumliche Anordnung des Strukturkomplexes darzustellen.

Gestattet das elektronenmikroskopische Bild Aussagen zur Dynamik in der Zelle

ZusammenfassungDas elektronenmikroskopische Bild fixierter und geschnittener Zellen gestattete bislang keine Aussagen über die unmittelbar vor der Fixation in Gang befindlichen cytoplasmatischen Bewegungsvorgänge, weil Feinstrukturunterschiede zwischen Cytoplasmen mit verschiedener Bewegungsintensität und verschiedener Viscosität noch unbekannt waren. Es wurden daher vergleichende lichtmikroskopische und elektronenmikroskopische Untersuchungen zu dieser Frage an folgenden Objekten durchgeführt:1.Ektoplasma („Hyaloplasma“) und Endoplasma („Körnchenplasma“) von Amöben (Limax-Typ).2.Verschiedene Cytoplasma-Modifikationen (Plasmasol-Plasmagel) in den Plasmodien des Myxomyceten Didymium nigripes und seiner Entwicklungsstadien: Sporenreifung, Sporen, Sporenkeimung und Amöben.3.Cytoplasma von Paramecium nach irreversibler Gelierung durch letale Wärme- bzw. Strahlungsschäden.4.Verschiedene Cytoplasmamodifikationen (Rheoplasma der Axopodien — perinucleäres Cytoplasma) des Heliozoons Actinophrys sol.5.Hühnerherzmyoblasten aus Gewebekulturen nach reversibler, experimenteller Beeinflussung der Cytoplasmaströmung mit Hilfe hypo- und hypertonischer Medien sowie das Cytoplasma dieser Zellen im Zustand der „mitotischen Gelation“. Cytoplasmaanteile innerhalb einer Zelle, die entweder autonom (Amöben, Myxomyceten, Heliozoen, Hühnerherzmyoblasten) oder nach reversibler bzw. irreversibler experimenteller Beeinflussung (Hühnerherzmyoblasten, Paramecien) im Phasenkontrastmikroskop eine unterschiedliche Bewegungsintensität aufweisen, unterscheiden sich auch in ihrer elektronenmikroskopischen Feinstruktur deutlich voneinander. Durch das Auffinden solcher Korrelationen zwischen Feinstruktur und cytoplasmatischer Dynamik kann 1. die funktionelle Charakterisierung einzelner Strukturkomplexe gefördert und 2. der Aussagewert elektronenmikroskopischer Aufnahmen von Dünnschnitten erhöht werden.

Oscillating contractions in protoplasmic strands of Physarum: effects of external Ca++-depletion and Ca++-antagonistic drugs on intrinsic contraction automaticity.

1. The minimal requirement of external Ca-concentration for continuance of contraction activity lies in the range of 10(-4) M. 2. As in mammalian smooth muscle, the Ca antagonistic drugs verapamil and D 600 (5.10(-4) M) suppress the minute-rhythms. The action of the drugs is inhibited by 5mM Ca, La or Mn. De novo generation of contraction automaticity is not inhibited by external Ca depletion or by Ca antagonists. 3. It is concluded that rhythmical Ca fluxes across the cortical plasmalemma are not a precondition for triggering continuance or de novo generation of contraction automaticity.

Blue light as a medium to influence oscillatory contraction frequency in physarum

Blue light (496 nm; threshold intensity approximately 1500 Lux) induces a transient frequency decrease of oscillatory contraction automaticity in Physarum. Many, but not all specimens react by an increase in the force amplitude of longitudinal contraction. The spectral region of 496 nm provokes a photophobic response of the plasmodia. The blue light reaction of radial and longitudinal contraction activities decreases with increasing distance from the irradiated area. The light-induced decrease in frequency can be used for experimental phase shifting, e.g., when studying the nature and the pathway of signal transmission for the spatial phase synchronization of contractile activities.

The pathway of photosensory transduction in Physarum polycephalum

Irradiation of the plasmodia of Physarum with blue and white light results in a transient change of theie oscillatory contraction frequency. This reaction to light decreases with increasing distance from the illuminated area (Block and Wohlfarth-Bottermann, 1981). The first local appearance of light response in non-illuminated parts of the plasmodia was used to analyse the sensory pathway of the light stimulus modulating the contractile apparatus. Different experimental assays revealed that the direction of photosensory transduction is determined by the momentary direction of protoplasmic shuttle streaming. The endoplasmic flow carriers the signal responsible for photosensory transduction and light reaction to the force generating ectoplasmic tube.

Oscillating contractions in protoplasmic strands of Physarum: Infrared reflexion as a non-invasive registration technique

An inexpensive electronic device employing a miniaturised infrared reflection detector is described which enables the automatic registration of intrinsic radial contraction activities of protoplasmic strands of Physarum growing on their original substrate. Advantages and shortcoming of the new registration technique are discussed in relation to recent tensiometric techniques applied to protoplasmic strands for analysing the contraction physiology of cytoplasmic actomyosins, the force generating substrate of the contraction automaticity in the Physarum system.

Cytoplasmic actomyosin fibrils after preservation with high pressure freezing.

SummaryThe fine structure of the actomyosin system of Physarum polycephalum was investigated in vitrified specimens after applying a pressure of >2.1 kbar and freezing rates of 500 to 5,000° C/s. The frozen specimens were either freeze-substituted or freeze-fractured and compared with material processed according to conventional methods of freeze-etching preparation.Artifactual alterations, as seen in the form of destroyed areas of the cytoplasm after chemical fixation, were not observed after freeze-substitution. However, small ice crystals formed by recrystallization within most of the cytoplasmic actomyosin fibrils prevented a fine structural analysis.Such a destruction of the fibrillar fine structure was not found after freezeetching. In replicas of deep-etched objects 10 nm-thick filaments were localized, which could be conclusively identified as F-actin. The actin filaments are located randomly in the peripheral cytoplasm forming the cell cortex. By the process of parallel aggregation, the filaments can be differentiated to fibrils. Thick myosin filaments were not observed. However, structures resembling cross bridges between single actin filaments suggest the existence of oligomeric myosin.The present investigation shows that, in addition to biomembranes, other cytoplasmic differentiations such as components of the groundplasm can be successfully demonstrated employing the deep-etching technique when the freezing methods are improved by avoiding freeze-protection pretreatments.

The blue-light reaction in plasmodia of Physarum polycephalum is coupled to respiration

The influence of inhibitors of energy metabolism (2-deoxy-D-glucose, monoiodoacetate, KCN) as well as various substrates for respiration (sodium acetate, glycine, glutamine, α-ketoglutarate, pyruvate) were investigated with respect to the effect of blue light (450 nm) on contractile behaviour of plasmodial strands of Physarum polycephalum. When the energy metabolism is not experimentally modified, blue light induces a prolongation of the period of the contraction-relaxation cycle. This effect appears within 2–3 min and seems to represent the primary reaction of this organism to blue light. Inhibition of respiration by KCN completely abolished this response to blue-light irradiation. In contrast, an impediment of glycolysis enhanced the effect. This indicates that the reaction to blue light is related to respiration, i.e., to the function of mitochondria. Among different substrates for respiration only α-ketoglutarate combined with pyruvate and applied in the presence of inhibitors of glycolysis showed an enhancement of the photoresponse, i.e., a prolongation of the period and an increase of the amplitude of the force oscillations. This indicates that the pyruvate and α-ketoglutarate-dehydrogenase complexes functioning in mitochondrial respiration are involved in the primary blue-light reaction of plasmodia of Physarum polycephalum.

Reactivation of NBD-phallacidin-labelled actomyosin fibrils in cryosections of Physarum polycephalum: a new cell-free model

Application of ATP to cryosections of plasmodial strands from Physarum polycephalum leads to an isotonic contraction of the cytoplasmic actomyosin fibrils: when the fibrils are labelled with NBD-phallacidin, their contraction can be observed in the fluorescence microscope. While performing contraction, the fibrils separate into many small units and the formerly continuous fibrils exhibit the appearance of beaded chains. The possibility of visualizing directly the contraction of cytoplasmic actomyosin fibrils in the fluorescence microscope represents a favourable condition for the study of their physiological contraction mechanism, because this new and convenient cell-free model offers in situ contractile structures that are non-denatured and non-extracted.