Stoffwechsel und Informationsverarbeitung in der Zelle
Das lernst du
- Ich kann den Bau der Biomembran im Flüssig-Mosaik-Modell erläutern und passiven und aktiven Transport sowie Endo- und Exocytose unterscheiden.
- Ich kann Diffusion und Osmose erklären und Plasmolyse und Deplasmolyse deuten.
- Ich kann Substrat- und Wirkspezifität von Enzymen erklären und kompetitive und allosterische Hemmung unterscheiden.
- Ich kann die Abhängigkeit der Enzymaktivität von Temperatur, pH-Wert und Substratkonzentration aus Diagrammen ableiten.
- Ich kann Redoxreaktionen, Energieumwandlung und das ATP-ADP-System im Stoffwechsel erläutern.
- Ich kann Glykolyse, oxidative Decarboxylierung, Tricarbonsäurezyklus und Atmungskette mit Ort und Bilanz erläutern und den Feinbau des Mitochondriums nutzen.
- Ich kann Ruhepotenzial und Aktionspotenzial erklären und kontinuierliche und saltatorische Erregungsleitung vergleichen.
- Ich kann Bau und Funktion der erregenden chemischen Synapse und der neuromuskulären Synapse erläutern und Stoffeinwirkungen an Synapsen ableiten.
Merksätze
Die Biomembran ist eine Lipiddoppelschicht mit beweglichen Proteinen.
Passiver Transport folgt dem Gefälle, aktiver Transport führt mit ATP dagegen.
Osmose ist Diffusion von Wasser durch eine selektiv permeable Membran.
Wasser strömt zur Seite mit mehr gelösten Teilchen. In konzentrierter Lösung tritt Plasmolyse ein.
Enzyme senken die Aktivierungsenergie und werden nicht verbraucht.
Kompetitive Hemmstoffe besetzen das aktive Zentrum, allosterische verändern die Form des Enzyms.
Jedes Enzym hat ein Temperaturoptimum und ein pH-Optimum.
Unterhalb steigt die Geschwindigkeit nach der RGT-Regel, oberhalb denaturiert das Enzym.
Oxidation ist Elektronenabgabe, Reduktion Elektronenaufnahme.
Beim Glucoseabbau landet ein Teil der Energie in ATP, der Rest wird als Wärme entwertet.
Die Glykolyse läuft im Cytoplasma, alle weiteren Schritte im Mitochondrium.
Je Glucose entstehen etwa 30 bis 32 ATP, die meisten an der Atmungskette.
Das Ruhepotenzial liegt bei etwa −70 mV.
Ein Aktionspotenzial folgt dem Alles-oder-nichts-Gesetz. Markhaltige Fasern leiten saltatorisch und viel schneller als marklose.
Die Synapse übersetzt ein elektrisches Signal in ein chemisches.
Transmitter öffnen an der Postsynapse Ionenkanäle. Drogen und Medikamente greifen genau dort an.
Selbst abfragen
Tippen dreht um, Wischen blättert.Leertaste dreht um, Pfeiltasten blättern.
So geht es – ein Beispiel je Aufgabenart
Sauerstoff gelangt aus dem Blut in eine Muskelzelle. Welche Transportart liegt vor? Begründe die Wahl.
- Im Blut ist mehr Sauerstoff als in der arbeitenden Muskelzelle.
- Sauerstoff ist klein und unpolar.
- Er diffundiert ohne Protein und ohne Energie hinein.
Ergebnis: Einfache Diffusion entlang des Konzentrationsgefälles.
Wie liegen die Phospholipide in einer Biomembran? Begründe die Wahl.
- Die Phosphatköpfe sind hydrophil, die Fettsäureschwänze hydrophob.
- Auf beiden Seiten der Membran ist Wasser.
- Also zeigen die Köpfe nach außen, die Schwänze liegen innen zusammen.
Ergebnis: Als Doppelschicht, die wasserliebenden Köpfe außen, die Fettsäureschwänze innen.
Zellen einer roten Zwiebel liegen in konzentrierter Salzlösung. Was beobachtet man? Begründe die Wahl.
- Außen sind mehr gelöste Teilchen als im Zellsaft.
- Wasser strömt netto aus der Vakuole heraus.
- Die Zellwand bleibt stehen, der Protoplast löst sich ab.
Ergebnis: Die Vakuole schrumpft, der Protoplast löst sich von der Zellwand: Plasmolyse.
Was geschieht mit einem Enzym nach der Reaktion? Begründe die Wahl.
- Enzyme sind Biokatalysatoren.
- Das Substrat bindet nur kurz im aktiven Zentrum.
- Danach liegt das Enzym unverändert vor.
Ergebnis: Es liegt unverändert vor und kann das nächste Substrat umsetzen.
Typische Fehler – so sieht es falsch aus, so richtig
Die Teilchen wandern in die Zelle, weil die Zelle sie braucht.
Die Teilchen bewegen sich zufällig. Netto wandern mehr dorthin, wo weniger von ihnen sind.
Teilchen haben kein Ziel. Die Teilchen stoßen zufällig herum, und netto entsteht ein Ausgleich der Konzentrationen.
In Salzlösung strömt Salz in die Zelle, die Zelle schwillt an.
In Salzlösung strömt Wasser aus der Zelle heraus, die Zelle schrumpft.
Bei der Osmose bewegt sich das Wasser, nicht der gelöste Stoff. Es strömt netto zur Seite mit mehr gelösten Teilchen.
Die Membran ist eine feste Wand mit Löchern; die Zellwand entscheidet, was hineinkommt.
Die Membran ist eine flüssige Lipiddoppelschicht mit beweglichen Proteinen; die Zellwand ist fest und durchlässig.
Denk an die Lipiddoppelschicht: wasserliebende Köpfe außen, wasserabweisende Schwänze innen, Proteine darin beweglich. Die Zellwand ist ein festes, durchlässiges Netz.
Ein Kanalprotein ist beteiligt, also ist es aktiver Transport.
Entscheidend ist das Gefälle: Mit dem Gefälle ist der Transport passiv, auch mit Protein; gegen das Gefälle ist er aktiv.
Frag zuerst: Geht der Stoff mit oder gegen sein Gefälle? Nur gegen das Gefälle braucht es Energie, ob mit oder ohne Protein.
Nach der Reaktion ist das Enzym aufgebraucht.
Das Enzym geht unverändert aus der Reaktion hervor und setzt das nächste Substrat um.
Ein Enzym ist ein Katalysator. Es bindet das Substrat nur kurz, senkt die Aktivierungsenergie und liegt danach unverändert vor.
Der Hemmstoff bindet außerhalb des aktiven Zentrums, also ist es eine kompetitive Hemmung.
Bindet er außerhalb und verändert die Form, ist es eine allosterische Hemmung. Kompetitiv heißt Konkurrenz um das aktive Zentrum.
Frag: Wo bindet der Hemmstoff, und hilft mehr Substrat? Konkurrenz um das aktive Zentrum ist kompetitiv, eine andere Bindestelle ist allosterisch.
Kälte zerstört Enzyme, Hitze macht sie immer schneller.
Kälte verlangsamt Enzyme umkehrbar. Hitze über dem Optimum zerstört die Raumstruktur meist dauerhaft.
Unterscheide: Kälte bremst nur die Teilchenbewegung. Hitze und ein falscher pH-Wert verändern die Raumstruktur, das aktive Zentrum passt nicht mehr.
Die Kurve steigt, also wird die Reaktion mit mehr Substrat immer schneller.
Die Kurve flacht ab: Ab einer bestimmten Substratkonzentration sind alle aktiven Zentren besetzt.
Lies zuerst die Achsen und dann den Verlauf in Abschnitten: Wo steigt die Kurve, wo flacht sie ab, wo fällt sie?
Im ATP steckt die Energie in der Phosphatbindung; beim Aufbrechen wird sie frei.
Das Spalten einer Bindung kostet Energie. Frei wird Energie, weil die Produkte zusammen energieärmer sind als ATP und Wasser.
Energie wird nicht erzeugt oder verbraucht, sondern umgewandelt. Beim ATP zählt der Unterschied zwischen Ausgangsstoffen und Produkten.
NAD⁺ nimmt Elektronen auf und wird oxidiert.
NAD⁺ nimmt Elektronen auf und wird reduziert. Der Stoff, der sie abgibt, wird oxidiert.
Merk dir: Oxidation ist Elektronenabgabe, Reduktion ist Elektronenaufnahme. Beides geschieht immer zusammen.
Die Glykolyse läuft im Mitochondrium.
Die Glykolyse läuft im Cytoplasma; oxidative Decarboxylierung und Tricarbonsäurezyklus in der Matrix, die Atmungskette an der inneren Membran.
Ordne jeden Teilschritt einem Raum zu: Cytoplasma, Matrix oder innere Mitochondrienmembran. Jede Bilanzzahl gehört zu genau einem Schritt.
Der eingeatmete Sauerstoff wird zu Kohlenstoffdioxid.
Der Sauerstoff nimmt am Ende der Atmungskette Elektronen auf und wird zu Wasser. Das Kohlenstoffdioxid stammt aus der Glucose.
Verfolge die Atome: Der Kohlenstoff im Kohlenstoffdioxid kommt aus der Nahrung. Der Sauerstoff aus der Luft landet im Wasser.
Aus einer Glucose entstehen 2 ATP.
2 ATP sind nur die Nettobilanz der Glykolyse. Beim vollständigen Abbau entstehen etwa 30 bis 32 ATP.
Prüf, welcher Abschnitt gefragt ist. Vollständiger Abbau heißt: alle vier Teilschritte zusammenzählen.
Im Tricarbonsäurezyklus entstehen 2 Kohlenstoffdioxid je Glucose.
2 Kohlenstoffdioxid entstehen je Brenztraubensäure. Aus einer Glucose entstehen zwei Brenztraubensäuren, also 4.
Aus einer Glucose werden zwei Brenztraubensäuren. Alles nach der Glykolyse läuft je Glucose zweimal.
Ein stärkerer Reiz löst ein höheres Aktionspotenzial aus, das unterwegs schwächer wird.
Jedes Aktionspotenzial ist gleich hoch und wird an jeder Stelle neu gebildet. Ein stärkerer Reiz löst mehr Aktionspotenziale je Sekunde aus.
Aktionspotenziale folgen dem Alles-oder-nichts-Gesetz. Die Reizstärke steckt in der Frequenz, nicht in der Höhe.
Beim Aktionspotenzial strömt Kalium ein und Natrium aus.
Beim Aktionspotenzial strömt zuerst Natrium ein (Depolarisation), dann Kalium aus (Repolarisation).
Schreib zuerst auf, wo welches Ion in Ruhe überwiegt: Natrium außen, Kalium innen. Offene Kanäle lassen Ionen ihrem Gefälle folgen.
Das Myelin macht die Leitung langsamer; die Erregung springt von Zelle zu Zelle.
Das Myelin isoliert; die Erregung springt innerhalb eines Axons von Schnürring zu Schnürring und ist dadurch schneller.
Saltatorisch heißt: Aktionspotenziale entstehen nur an den Schnürringen. Dazwischen isoliert das Myelin, das spart Zeit und Energie.
50 cm bei 1 m/s: 50 Sekunden.
50 cm sind 0,5 m. 0,5 m : 1 m/s = 0,5 Sekunden, also 500 Millisekunden.
Rechne zuerst alles in Meter und Sekunden um. Die Zeit ist die Strecke geteilt durch die Geschwindigkeit.
Das Aktionspotenzial springt über den synaptischen Spalt.
Am Spalt endet das elektrische Signal. Transmitter diffundieren hinüber und lösen an der Postsynapse ein neues Signal aus.
Am synaptischen Spalt wird das Signal chemisch: Transmitter werden freigesetzt, binden an Rezeptoren und öffnen dort Kanäle.
Ein Hemmstoff der Acetylcholinesterase lähmt den Muskel sofort schlaff.
Ohne Abbau bleibt Acetylcholin im Spalt; der Muskel ist dauererregt und verkrampft.
Frag: Wo greift der Stoff an, bei Ausschüttung, Rezeptor, Abbau oder Wiederaufnahme? Daraus folgt mehr oder weniger Transmitterwirkung.
Weiter lesen und ausprobieren – auf fremden Seiten
- PhET-Simulation (University of Colorado Boulder): Natürliche Selektion (CC BY-NC 4.0 – nur verlinkt)
- PhET-Simulation (University of Colorado Boulder): Genexpression (CC BY-NC 4.0 – nur verlinkt)
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