Zusammenfassung
Der Gefriervorgang in den Zellen hängt in erster Linie ab von der Gefriergeschwindigkeit, der Frosthärte des Objektes und von der Konzentration eines Frostschutzmittels (Glyzerin) im Zytoplasma. Für die meisten Untersuchungen wurde Preßhefe als Testobjekt verwendet. Der Einfluß der Gefriergeschwindigkeit äußert sich auf drei verschiedene Weisen; das Zellwasser kristallisiert entweder extra oder intrazellulär oder es wird amorph verfestigt (Vitrifikation). Die Bestimmung von Gefrierpunkt, Unterkühlbarkeit und Rekristallisationspunkt ermöglicht eine Erklärung dieser drei Wirkungsweisen und führt zu einem physikalischen Verständnis des Phänomens der Frosthärte. Physikalische Untersuchungen zeigen, wie das Frostschutzmittel eine Erhöhung der Frosthärte bewirkt; physiologische Experimente veranschaulichen einige Nebenwirkungen des Glyzerins.
Die Verwirklichung des Gefrierens lebender Zellen hängt in erster Linie von der Wahl geeigneter Gefriergeschwindigkeiten und Frostschutzmitteln ab. Die Endtemperatur des Gefriervorganges muß, je nach der Frosthärte des Objektes, d. h. je nach dem tiefsten in den Zellen auftretenden Rekristallisationspunkt, unter −50 bis −70° C liegen.
Das Anwendungsgebiet des Gefrierens lebender Zellen ist sowohl auf biologischem wie auch auf medizinischem Gebiete sehr groß, sei es als reine Gefrierkonservierung oder in der Gefrier-Trocknung oder -Substitution. Mit Hilfe der Gefier-Ätzung können hochauflösende, elektronenmikroskopische Bilder der gefrorenen Objekte hergestellt werden, die vollkommen artefaktfrei sind, insbesondere frei von den durch die üblichen Präparationsmethoden eingeführten Veränderungen.
Einige Beispiele illustrieren die Anwendung des Gefrierens lebender Zellen in der Elektronenmikroskopie. Die Methode der Gefrier-Ätzung ist besonders geeignet für die Darstellung der auf den Zytomembranen lokalisierten Partikel; z. B. Fibrillen synthetisierende Partikel in der Plasmamembran, Ribosomen auf einer Vakuolenmembran, Elementarpartikel auf den Cristae mitochondriales und Quantasomen auf den Granalamellen eines Chloroplasten. Die vielfältige Anwendbarkeit der Gefrier-Ätzung wird aufgezeigt an Hand von Mikroorganismen (Hefe), pflanzlichen (Wurzelspitze) und tierischen Zellen (Dünndarmepithel).
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Literatur
Ashwood-Smith, M. J.: Preservation of mouse bone marrow at −79° C with dimethyl sulfoxide. Nature (Lond.) 190, 1204–1205 (1961).
Blackmnn, M., and N. D. Linsgarten: Electron diffraction investigations into the cubic and other structural forms of ice. Advanc. Physics 7, 189–198 (1958).
Branton, D., and H. Moor: The fine structure of freeze-etched allium cepa root tips. J. Ultrastruct. Res. (1964) (im Druck).
Calvin, M.: The path of carbon in photosynthesis. Science 135, 879–889 (1962).
Dowell, L. G., and A. P. Rinfret: Low temperature forms of ice studied by X-ray diffraction. Nature (Lond.) 188, 1144–1148 (1960).
Fernandez-Morán, H.: Low-temperature preparation techniques for electron microscopy of biological specimens based on rapid freezing with liquid helium II. Ann. N. Y. Acad. Sci. 85, 689–713 (1960).
—: The fine structure of vertebrate and invertebrate photoreceptors as revealed by low-temperature electron microscopy. In: The structure of the eye, herausgeg. von, G. K. Smelser, p. 521–556. New York: Academic Press 1961.
—: Cell-membrane ultrastructure: Low temperature electron microscopy and X-ray diffraction studies of lipoprotein components in lamellar systems. Circulation 26, 1039–1065 (1962).
Geneves, L.: Recherches sur les effets cytologiques du froid. Rev. Cytol. Biol. Végétales 16, 1–207 (1955).
Hofer, A.: Intrazelluläre Legalisation der Polyphenoloxydasen in Tabakblättern. Planta (Berl.) (1964) (im Druck).
James, W. O., and V. S. R. Das: The organisation of respiration in chlorophyllous cells. New Phytol. 56, 325–343 (1957).
Kreutz, W.: Strukturuntersuchungen an Plastiden: IV. Über das zweidimensionale Gitter in der Proteinlamelle. Z. Naturforsch. 18b, 567–571 (1963).
—, u. W. Menke: Strukturuntersuchungen an Plastiden: III. Röntgenographische Untersuchungen an isolierten Chloroplasten und Chloroplasten lebender Zellen. Z. Naturforsch. 17b, 675–683 (1962).
Luyet, B. J.: The devitrification temperatures of solutions of a carbohydrate series. J. Phys. Chem. 43, 881–885 (1939).
Mason, B.: The supercooling and nucleation of water. Advanc. Physics 7, 221–234 (1958).
Moor, H.: Platin-Kohle-Abdruck-Technik angewandt auf den Feinbau der Milchröhren. J. Ultrastruct. Res. 2, 393–422 (1959).
—: Reaktionsweisen der Pflanzen auf Kälteeinflüsse. Z. schweiz. Forstv. 30, Beiheft „Festschrift Prof. Frey-Wyssling“, 211–222 (1960).
—: Gefriertrocknung. In: Moderne Methoden der Pflanzenanalyse, herausgeg. von, H. F. Linskens und M. V. Tracey, Bd. 5, S. 73–96. Berlin-Göttingen-Heidelberg: Springer 1962.
Moor, H., and K. Muehlethaler: Fine structure in frozen-etched yeast cells. J. Cell Biol. 17, 609–628 (1963).
— H. Waldner, and A. Frey-Wyssling: A new freezing ultramicrotome. J. biophys. bioohem. Cytol. 10, 1–13 (1961).
- C. Ruska u. H. Ruska: Elektronenmikroskopische Darstellung tierischer Zellen mit der Gefrierätztechnik. Z. Zellforsoh. (1964) (im Druck).
Nash, T.: Prevention of freezing damage to living cells by pyridine n-Oxide. Nature (Lond.) 192, 360–361 (1961).
Park, R. B., and N. G. Pon: Chemical composition and substructure of lamellae isolated from Spinacea oleracea chloroplasts. J. molec. Biol. 6, 105–114 (1963).
Sakai, A.: Survival of plant tissue at super-low temperature. II. Low Temp. Sci., Ser. B 16, 41–53 (1958).
—: Relation of sugar content to frosthardiness in plants. Nature (Lond.) 185, 698–699 (1960).
Smith, A. U.: The action of glycerol and related substances. In: Biological applications of freezing an drying, herausgeg. von, R. J. C. Harris, S. 31–42. New York: Academic Press 1954.
Steere, R. L.: Electron microscopy of structural detail in frozen biological specimens. J. biophys. biochem. Cytol. 3, 45–60 (1957).
Stoeckenius, W.: Some observations on negatively stained mitochondria. J. Cell Biol. 17, 443–454 (1963).
Terumoto, J.: The relation between the cell sap concentration and the frosthardiness of the table beet. Low Temp. Sci., Ser. B 16, 7–21 (1958).
Wilding, D. M., M. A. Stahmann, and D. Smith: Free amino acids in alfalfa as releated to cold hardiness. Plant Physiol. 35, 726–732 (1960).
Zelitch, J., and G. A. Barber: Oxydative enzymes of spinach chloroplasts. Plant Physiol. 35, 626–631 (1960).
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Diese Arbeit wurde durch einen Kredit des Schweizerischen Nationalfonds unterstützt. Den Vorstehern des Institutes für Allgemeine Botanik der Eidgenössischen Technischen Hochschule, Herrn Prof. Dr. A. Frey-Wyssling und des Laboratoriums für Elektronenmikroskopie, Herrn Prof. Dr. K. Mühlethaler, sei für die großzügige Förderung dieser Arbeit bestens gedankt. Herrn Dr. D. Branton und Herrn und Frau Prof. Dr. H. Ruska (Medizinische Akademie, Düsseldorf) danke ich für ihre Mitarbeit und für die Überlassung der Abb. 17, 20 und 21.
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Moor, H. Die Gefrier-Fixation lebender Zellen und ihre Anwendung in der Elektronenmikroskopie. Zeitschrift für Zellforschung 62, 546–580 (1964). https://doi.org/10.1007/BF00338850
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