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Biologie · Klasse 12 · Kapitel

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Stoffwechsel und Informationsverarbeitung in der Zelle

EntdeckenDie Frage zum Kapitel

Warum hilft Händewaschen mit Seife gegen Grippeviren?

Schreib eine Vermutung auf, bevor du weiterliest.

Für die Lehrkraft: Grippeviren tragen eine Hülle aus einer Lipiddoppelschicht. Seife lagert sich mit ihren fettliebenden Enden in diese Hülle ein und reißt sie auf. Ohne Hülle kann das Virus keine Zelle mehr befallen. Quelle: Lehrbuchwissen: Bau behüllter Viren und Wirkung von Tensiden auf Lipidmembranen

  • Entdecken Frage, Vorstellung, Bild
  • Merken kommt ins Heft
  • Beispiel vorgerechnet, Schritt für Schritt
  • Üben selbst rechnen
  • Achtung typischer Fehler
  • Weiterdenken zum Knobeln und Vernetzen

○ mit Starthilfe, ● für alle, ★ zum Weiterdenken. Du wählst mindestens eine ★-Aufgabe. Du rechnest ins Heft.

1Ich kann den Bau der Biomembran im Flüssig-Mosaik-Modell erläutern und passiven und aktiven Transport sowie Endo- und Exocytose unterscheiden.

EntdeckenFrage

Warum hilft Händewaschen mit Seife gegen Grippeviren?

Was meinst du? Schreib deine Vermutung auf, bevor du weiterliest.

Auflösung

Grippeviren tragen eine Hülle aus einer Lipiddoppelschicht. Seife lagert sich mit ihren fettliebenden Enden in diese Hülle ein und reißt sie auf. Ohne Hülle kann das Virus keine Zelle mehr befallen.

MerkenBiomembran und Transport

Die Biomembran ist eine Lipiddoppelschicht mit beweglichen Proteinen.

Passiver Transport folgt dem Gefälle, aktiver Transport führt mit ATP dagegen.

BeispielTransport durch die Membran

Sauerstoff gelangt aus dem Blut in eine Muskelzelle. Welche Transportart liegt vor? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Im Blut ist mehr Sauerstoff als in der arbeitenden Muskelzelle.
  2. Sauerstoff ist klein und unpolar.
  3. Er diffundiert ohne Protein und ohne Energie hinein.
  1. Im Blut ist mehr Sauerstoff als in der arbeitenden Muskelzelle.
  2. Sauerstoff ist klein und unpolar.
  3. Er diffundiert ohne Protein und ohne Energie hinein.
Ergebnis:
Einfache Diffusion entlang des Konzentrationsgefälles.

AchtungDiffusion als gezielte Bewegung

So nicht
Die Teilchen wandern in die Zelle, weil die Zelle sie braucht.
So richtig
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.

ÜbenJetzt du

  1. ○1
    Warum braucht Endocytose Energie? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Bei der Endocytose stülpt sich die Membran ein.
    Lösung zeigen
    1. Bei der Endocytose stülpt sich die Membran ein.
    2. Proteine des Zellskeletts formen und bewegen das Bläschen.
    3. Diese Arbeit kostet ATP.
    Ergebnis:
    Die Membran muss verformt, das Bläschen abgeschnürt und bewegt werden.
  2. ●2
    Cholesterin gelangt mit LDL-Teilchen in die Zelle, nachdem diese an Rezeptoren gebunden haben. Wie heißt das? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Die Teilchen binden an Rezeptoren der Membran.
    2. Die Membran stülpt sich an dieser Stelle ein.
    3. Aufnahme im Bläschen nach Bindung: rezeptorvermittelte Endocytose.
    Ergebnis:
    Rezeptorvermittelte Endocytose.
  3. ★3
    Wodurch unterscheidet sich aktiver von passivem Transport? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Passiver Transport folgt dem Gefälle von selbst.
    2. Aktiver Transport führt gegen das Gefälle.
    3. Nur er braucht Energie, meist aus ATP.
    Ergebnis:
    Aktiver Transport geht gegen das Gefälle und braucht Energie, passiver nicht.

2Ich kann Diffusion und Osmose erklären und Plasmolyse und Deplasmolyse deuten.

EntdeckenFrage

Warum enthält eine Kochsalzinfusion genau 0,9 Prozent Salz?

Was meinst du? Schreib deine Vermutung auf, bevor du weiterliest.

Auflösung

Diese Lösung ist isotonisch zum Blutplasma. Rote Blutzellen nehmen darin weder Wasser auf noch geben sie welches ab. In reinem Wasser würden sie anschwellen und platzen.

MerkenDiffusion und Osmose

Osmose ist Diffusion von Wasser durch eine selektiv permeable Membran.

Wasser strömt zur Seite mit mehr gelösten Teilchen. In konzentrierter Lösung tritt Plasmolyse ein.

BeispielOsmose und Plasmolyse

Wie heißt eine Lösung mit geringerer Konzentration gelöster Teilchen als das Zellinnere? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Hypo heißt unter.
  2. Die Außenlösung hat weniger gelöste Teilchen als das Zellinnere.
  3. Wasser strömt deshalb netto in die Zelle.
  1. Hypo heißt unter.
  2. Die Außenlösung hat weniger gelöste Teilchen als das Zellinnere.
  3. Wasser strömt deshalb netto in die Zelle.
Ergebnis:
Hypotonisch.

AchtungRichtung der Osmose verwechselt

So nicht
In Salzlösung strömt Salz in die Zelle, die Zelle schwillt an.
So richtig
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.

ÜbenJetzt du

  1. ○4
    Zellen einer roten Zwiebel liegen in konzentrierter Salzlösung. Was beobachtet man? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Außen sind mehr gelöste Teilchen als im Zellsaft.
    Lösung zeigen
    1. Außen sind mehr gelöste Teilchen als im Zellsaft.
    2. Wasser strömt netto aus der Vakuole heraus.
    3. Die Zellwand bleibt stehen, der Protoplast löst sich ab.
    Ergebnis:
    Die Vakuole schrumpft, der Protoplast löst sich von der Zellwand: Plasmolyse.
  2. ●5
    Wie heißt eine Lösung mit höherer Konzentration gelöster Teilchen als das Zellinnere? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Hyper heißt über.
    2. Die Außenlösung hat mehr gelöste Teilchen als das Zellinnere.
    3. Die Außenlösung ist hypertonisch und entzieht der Zelle Wasser.
    Ergebnis:
    Hypertonisch.
  3. ★6
    Warum gibt man bei Infusionen kein reines Wasser in die Vene? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Blutplasma und Blutzellen haben viele gelöste Teilchen.
    2. Reines Wasser ist dagegen hypotonisch.
    3. Wasser strömt in die Blutzellen, sie platzen.
    Ergebnis:
    Die Blutzellen würden Wasser aufnehmen und platzen; man nimmt isotonische Lösung.

3Ich kann Substrat- und Wirkspezifität von Enzymen erklären und kompetitive und allosterische Hemmung unterscheiden.

EntdeckenFrage

Warum bekamen Menschen mit Methanolvergiftung früher Alkohol als Gegenmittel?

Was meinst du? Schreib deine Vermutung auf, bevor du weiterliest.

Auflösung

Methanol wird von der Alkoholdehydrogenase zu giftigen Stoffen umgebaut. Ethanol ist ein Konkurrent um dasselbe aktive Zentrum. Solange Ethanol das Enzym besetzt, wird Methanol kaum umgebaut und langsam ausgeschieden.

MerkenEnzyme und Enzymhemmung

Enzyme senken die Aktivierungsenergie und werden nicht verbraucht.

Kompetitive Hemmstoffe besetzen das aktive Zentrum, allosterische verändern die Form des Enzyms.

BeispielEnzyme und Enzymhemmung

Woraus bestehen die meisten Enzyme? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Enzyme sind fast immer Proteine.
  2. Die Raumstruktur bildet das aktive Zentrum.
  3. Ändert sich die Raumstruktur, geht die Wirkung verloren.
  1. Enzyme sind fast immer Proteine.
  2. Die Raumstruktur bildet das aktive Zentrum.
  3. Ändert sich die Raumstruktur, geht die Wirkung verloren.
Ergebnis:
Aus Proteinen mit einer bestimmten Raumstruktur.

AchtungEnzym als verbrauchter Reaktionspartner

So nicht
Nach der Reaktion ist das Enzym aufgebraucht.
So richtig
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.

ÜbenJetzt du

  1. ○7
    Was geschieht mit einem Enzym nach der Reaktion? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Enzyme sind Biokatalysatoren.
    Lösung zeigen
    1. Enzyme sind Biokatalysatoren.
    2. Das Substrat bindet nur kurz im aktiven Zentrum.
    3. Danach liegt das Enzym unverändert vor.
    Ergebnis:
    Es liegt unverändert vor und kann das nächste Substrat umsetzen.
  2. ●8
    Blei-Ionen binden fest an ein Enzym und verändern dauerhaft seine Raumstruktur. Was folgt daraus? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Schwermetalle binden außerhalb des aktiven Zentrums fest.
    2. Die Raumstruktur bleibt verändert.
    3. Mehr Substrat ändert daran nichts.
    Ergebnis:
    Das Enzym bleibt gehemmt; auch mehr Substrat hilft nicht.
  3. ★9
    Amylase im Speichel spaltet Stärke, aber keine Cellulose, obwohl beide aus Glucose bestehen. Wie lässt sich das erklären? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Stärke und Cellulose unterscheiden sich in der Art der Bindung.
    2. Das aktive Zentrum erkennt nur die Bindung der Stärke.
    3. Das ist Substratspezifität.
    Ergebnis:
    Die Bindungen der Bausteine sind verschieden; nur die der Stärke passen ins aktive Zentrum.

4Ich kann die Abhängigkeit der Enzymaktivität von Temperatur, pH-Wert und Substratkonzentration aus Diagrammen ableiten.

EntdeckenFrage

Wie kommt ein Enzym aus einer heißen Quelle in jedes Labor für Erbgutanalysen?

Was meinst du? Schreib deine Vermutung auf, bevor du weiterliest.

Auflösung

Aus heißen Quellen im Yellowstone-Nationalpark beschrieben Forscher 1969 das Bakterium Thermus aquaticus. Seine DNA-Polymerase arbeitet bei etwa 72 °C am besten und übersteht kurzes Erhitzen auf über 90 °C. Deshalb kopiert sie in der Polymerase-Kettenreaktion DNA, ohne zu denaturieren.

MerkenEnzymaktivität im Diagramm

Jedes Enzym hat ein Temperaturoptimum und ein pH-Optimum.

Unterhalb steigt die Geschwindigkeit nach der RGT-Regel, oberhalb denaturiert das Enzym.

BeispielEnzymaktivität im Diagramm

Katalase spaltet Wasserstoffperoxid in Wasser und Sauerstoff. Bei welcher Probe schäumt es am stärksten: gekochte Kartoffel, rohe Kartoffel bei 5 °C oder rohe Kartoffel bei 35 °C? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. In der gekochten Kartoffel ist die Katalase denaturiert.
  2. Bei 5 °C arbeitet sie langsam.
  3. Bei 35 °C liegt sie nahe ihrem Optimum.
  1. In der gekochten Kartoffel ist die Katalase denaturiert.
  2. Bei 5 °C arbeitet sie langsam.
  3. Bei 35 °C liegt sie nahe ihrem Optimum.
Ergebnis:
Rohe Kartoffel bei 35 °C.

AchtungWirkung von Temperatur und pH-Wert falsch vorgestellt

So nicht
Kälte zerstört Enzyme, Hitze macht sie immer schneller.
So richtig
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.

ÜbenJetzt du

  1. ○10
    Pepsin aus dem Magen hat sein pH-Optimum bei etwa 2. Wie aktiv ist es im Dünndarm bei pH 8? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Die pH-Kurve hat einen Gipfel beim Optimum.
    Lösung zeigen
    1. Die pH-Kurve hat einen Gipfel beim Optimum.
    2. Bei pH 8 verändern sich die Ladungen im Enzym.
    3. Das aktive Zentrum passt kaum noch.
    Ergebnis:
    Kaum aktiv, weil der pH-Wert weit vom Optimum entfernt ist.
  2. ●11
    Welche Achsen hat ein typisches Diagramm zur Abhängigkeit von der Substratkonzentration? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Die veränderte Größe steht auf der waagerechten Achse.
    2. Verändert wird die Substratkonzentration.
    3. Die gemessene Wirkung, die Reaktionsgeschwindigkeit, steht senkrecht.
    Ergebnis:
    Waagerecht die Substratkonzentration, senkrecht die Reaktionsgeschwindigkeit.
  3. ★12
    Taq-Polymerase stammt aus Bakterien heißer Quellen und arbeitet am besten bei etwa 72 °C. Warum eignet sie sich für Verfahren, bei denen die Probe immer wieder auf über 90 °C erhitzt wird? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Die Raumstruktur dieses Enzyms ist besonders hitzestabil.
    2. Sein Optimum liegt hoch, bei etwa 72 °C.
    3. Kurzes Erhitzen auf über 90 °C übersteht es.
    Ergebnis:
    Das Enzym denaturiert dabei kaum und übersteht viele Heizzyklen.

5Ich kann Redoxreaktionen, Energieumwandlung und das ATP-ADP-System im Stoffwechsel erläutern.

EntdeckenFrage

Wie viel ATP setzt ein Mensch an einem Tag um?

Was meinst du? Schreib deine Vermutung auf, bevor du weiterliest.

Auflösung

Ungefähr so viel, wie er wiegt. Im Körper ist zu jedem Zeitpunkt aber nur ein kleiner Vorrat vorhanden. Jedes ATP-Molekül wird deshalb am Tag viele hundert Mal gespalten und neu gebildet.

MerkenRedoxreaktionen und ATP

Oxidation ist Elektronenabgabe, Reduktion Elektronenaufnahme.

Beim Glucoseabbau landet ein Teil der Energie in ATP, der Rest wird als Wärme entwertet.

BeispielRedoxreaktionen und ATP

Bei der Zellatmung wird Glucose zu Kohlenstoffdioxid abgebaut. Wird Glucose dabei oxidiert oder reduziert? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Die Elektronen der Glucose gehen auf NAD⁺ und FAD über.
  2. Elektronenabgabe heißt Oxidation.
  3. Glucose wird oxidiert, Sauerstoff am Ende reduziert.
  1. Die Elektronen der Glucose gehen auf NAD⁺ und FAD über.
  2. Elektronenabgabe heißt Oxidation.
  3. Glucose wird oxidiert, Sauerstoff am Ende reduziert.
Ergebnis:
Oxidiert, denn Glucose gibt Elektronen ab.

AchtungEnergie als Stoff in der Bindung gedacht

So nicht
Im ATP steckt die Energie in der Phosphatbindung; beim Aufbrechen wird sie frei.
So richtig
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.

ÜbenJetzt du

  1. ○13
    Was geschieht mit dem Sauerstoff, den wir einatmen, in der Zelle? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Sauerstoff ist der letzte Empfänger der Elektronen.
    Lösung zeigen
    1. Sauerstoff ist der letzte Empfänger der Elektronen.
    2. Mit Protonen bildet er Wasser.
    3. Das Kohlenstoffdioxid stammt aus der Glucose.
    Ergebnis:
    Er nimmt am Ende der Atmungskette Elektronen auf und wird zu Wasser.
  2. ●14
    Wie wird ATP in der Zelle wieder aufgebaut? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. ATP wird ständig gespalten.
    2. Aus ADP und Phosphat wird es neu gebildet.
    3. Die Energie dafür liefert der Abbau von Glucose und Fetten.
    Ergebnis:
    Aus ADP und Phosphat, mit Energie aus dem Abbau von Nährstoffen.
  3. ★15
    Versuchstiere atmen Sauerstoff mit einem markierten Sauerstoffatom ein. Wo findet man die Markierung wieder? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Sauerstoff aus der Luft nimmt in der Atmungskette Elektronen auf.
    2. Er bildet mit Protonen Wasser.
    3. Der Sauerstoff im Kohlenstoffdioxid stammt aus Glucose und Wasser.
    Ergebnis:
    Im Wasser, das am Ende der Atmungskette entsteht.

6Ich kann Glykolyse, oxidative Decarboxylierung, Tricarbonsäurezyklus und Atmungskette mit Ort und Bilanz erläutern und den Feinbau des Mitochondriums nutzen.

EntdeckenFrage

Kommt Muskelkater von Milchsäure?

Was meinst du? Schreib deine Vermutung auf, bevor du weiterliest.

Auflösung

Nein. Milchsäure ist nach einer harten Belastung innerhalb etwa einer Stunde wieder abgebaut. Muskelkater entsteht erst ein bis zwei Tage später durch winzige Verletzungen in den Muskelfasern, vor allem nach bremsenden Bewegungen wie Bergablaufen.

MerkenZellatmung mit Bilanz

Die Glykolyse läuft im Cytoplasma, alle weiteren Schritte im Mitochondrium.

Je Glucose entstehen etwa 30 bis 32 ATP, die meisten an der Atmungskette.

BeispielTeilschritte der Zellatmung

Welche Stoffe liefert der Tricarbonsäurezyklus vor allem an die Atmungskette? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Im Tricarbonsäurezyklus werden Elektronen auf NAD⁺ und FAD übertragen.
  2. Es entstehen NADH + H⁺ und FADH₂.
  3. Diese Überträger geben die Elektronen an die Atmungskette ab.
  1. Im Tricarbonsäurezyklus werden Elektronen auf NAD⁺ und FAD übertragen.
  2. Es entstehen NADH + H⁺ und FADH₂.
  3. Diese Überträger geben die Elektronen an die Atmungskette ab.
Ergebnis:
Die reduzierten Überträger NADH + H⁺ und FADH₂.

AchtungOrt oder Teilschritt der Zellatmung vertauscht

So nicht
Die Glykolyse läuft im Mitochondrium.
So richtig
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.

ÜbenJetzt du

  1. ○16
    Woher stammt der Kohlenstoff im ausgeatmeten Kohlenstoffdioxid? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Kohlenstoffdioxid entsteht bei Decarboxylierungen.
    Lösung zeigen
    1. Kohlenstoffdioxid entsteht bei Decarboxylierungen.
    2. Abgespalten werden Kohlenstoffatome der Glucose.
    3. Luft liefert nur den Sauerstoff für die Atmungskette.
    Ergebnis:
    Aus den abgebauten Nährstoffen, zum Beispiel aus Glucose.
  2. ●17
    Wie lautet die Summengleichung der Zellatmung in Worten? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Ausgangsstoffe sind Glucose und Sauerstoff.
    2. Produkte sind Kohlenstoffdioxid und Wasser.
    3. Ein Teil der frei werdenden Energie landet in ATP.
    Ergebnis:
    Glucose und Sauerstoff reagieren zu Kohlenstoffdioxid und Wasser.
  3. ★18
    Was entsteht in der Glykolyse aus einem Molekül Glucose? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Glucose hat sechs Kohlenstoffatome.
    2. Die Glucose wird in zwei Brenztraubensäuren mit je drei Kohlenstoffatomen gespalten.
    3. Netto entstehen 2 ATP und 2 NADH + H⁺.
    Ergebnis:
    Zwei Brenztraubensäuren, netto 2 ATP und 2 NADH + H⁺.

7Ich kann Ruhepotenzial und Aktionspotenzial erklären und kontinuierliche und saltatorische Erregungsleitung vergleichen.

EntdeckenFrage

Was geht bei Multipler Sklerose im Nervensystem kaputt?

Was meinst du? Schreib deine Vermutung auf, bevor du weiterliest.

Auflösung

Entzündungen zerstören Myelinscheiden in Gehirn und Rückenmark. An diesen Stellen wird die saltatorische Erregungsleitung langsamer oder bricht ab. Je nach Ort zeigen sich Sehstörungen, Taubheitsgefühle oder Lähmungen.

MerkenPotenziale und Erregungsleitung

Das Ruhepotenzial liegt bei etwa −70 mV.

Ein Aktionspotenzial folgt dem Alles-oder-nichts-Gesetz. Markhaltige Fasern leiten saltatorisch und viel schneller als marklose.

BeispielRuhe- und Aktionspotenzial

Was bedeutet Depolarisation an einer Nervenzelle? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. In Ruhe ist das Innere negativ, die Membran ist polarisiert.
  2. Strömen positive Ionen ein, sinkt dieser Unterschied.
  3. Das heißt Depolarisation.
  1. In Ruhe ist das Innere negativ, die Membran ist polarisiert.
  2. Strömen positive Ionen ein, sinkt dieser Unterschied.
  3. Das heißt Depolarisation.
Ergebnis:
Das Membranpotenzial wird weniger negativ, das Innere positiver.

AchtungIonen, Kanäle oder Messung verwechselt

So nicht
Beim Aktionspotenzial strömt Kalium ein und Natrium aus.
So richtig
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.

ÜbenJetzt du

  1. ○19
    Warum ist das Zellinnere einer Nervenzelle in Ruhe negativ? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    In Ruhe sind vor allem Kaliumkanäle offen.
    Lösung zeigen
    1. In Ruhe sind vor allem Kaliumkanäle offen.
    2. Kalium folgt seinem Gefälle nach außen und nimmt positive Ladung mit.
    3. Die großen Anionen bleiben innen, das Innere wird negativ.
    Ergebnis:
    Kalium-Ionen diffundieren durch offene Kanäle hinaus, die Anionen bleiben zurück.
  2. ●20
    Wie misst man das Ruhepotenzial einer Nervenzelle? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Das Ruhepotenzial ist eine Spannung über die Membran.
    2. Deshalb muss eine Elektrode innen, eine außen liegen.
    3. Zwei Elektroden außen messen in Ruhe keinen Unterschied.
    Ergebnis:
    Eine Elektrode im Zellinneren, eine außen, dazwischen ein Spannungsmessgerät.
  3. ★21
    Ein Gift hemmt die Natrium-Kalium-Pumpe. Warum bricht das Ruhepotenzial nicht sofort zusammen? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Das Ruhepotenzial hängt an den Konzentrationsgefällen.
    2. Ohne Pumpe gleichen sie sich langsam aus.
    3. Erst nach längerer Zeit sinkt das Ruhepotenzial deutlich.
    Ergebnis:
    Die Gefälle bauen sich nur langsam über Leckströme ab; jedes Aktionspotenzial verschiebt nur wenige Ionen.

8Ich kann Bau und Funktion der erregenden chemischen Synapse und der neuromuskulären Synapse erläutern und Stoffeinwirkungen an Synapsen ableiten.

EntdeckenFrage

Wie glättet Botox Falten, wenn es doch eines der stärksten Gifte ist?

Was meinst du? Schreib deine Vermutung auf, bevor du weiterliest.

Auflösung

Botulinumtoxin verhindert an der motorischen Endplatte die Ausschüttung von Acetylcholin. Der Muskel bekommt kein Signal mehr und erschlafft. In winziger Dosis wirkt das nur örtlich und lässt nach einigen Monaten nach.

MerkenSynapse und Stoffeinwirkung

Die Synapse übersetzt ein elektrisches Signal in ein chemisches.

Transmitter öffnen an der Postsynapse Ionenkanäle. Drogen und Medikamente greifen genau dort an.

BeispielSynapse und Stoffeinwirkung

Was bewirkt Acetylcholin an der postsynaptischen Membran einer erregenden Synapse? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Acetylcholin bindet an Rezeptoren der Postsynapse.
  2. Die Rezeptoren sind Ionenkanäle und öffnen sich.
  3. Natriumeinstrom depolarisiert: erregendes postsynaptisches Potenzial.
  1. Acetylcholin bindet an Rezeptoren der Postsynapse.
  2. Die Rezeptoren sind Ionenkanäle und öffnen sich.
  3. Natriumeinstrom depolarisiert: erregendes postsynaptisches Potenzial.
Ergebnis:
Es öffnet ligandengesteuerte Kanäle, Natrium strömt ein: Ein EPSP entsteht.

AchtungSynapse als elektrische Brücke gedacht

So nicht
Das Aktionspotenzial springt über den synaptischen Spalt.
So richtig
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.

ÜbenJetzt du

  1. ○22
    Was löst an der Präsynapse die Ausschüttung des Transmitters aus? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Das Aktionspotenzial erreicht das Endknöpfchen.
    Lösung zeigen
    1. Das Aktionspotenzial erreicht das Endknöpfchen.
    2. Spannungsgesteuerte Calciumkanäle öffnen sich.
    3. Calcium löst die Exocytose der Vesikel aus.
    Ergebnis:
    Calcium-Ionen strömen ein und lassen Vesikel mit der Membran verschmelzen.
  2. ●23
    Nervenkampfstoffe wie Sarin hemmen die Acetylcholinesterase. Was folgt an der motorischen Endplatte? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Ohne Esterase wird Acetylcholin nicht abgebaut.
    2. Die Rezeptoren bleiben offen.
    3. Der Muskel wird dauernd erregt und verkrampft.
    Ergebnis:
    Acetylcholin bleibt im Spalt; die Muskeln sind dauererregt und verkrampfen.
  3. ★24
    Ein Stoff verhindert den Calciumeinstrom in die Präsynapse. Welche Wirkung ist zu erwarten? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Calcium löst die Exocytose der Vesikel aus.
    2. Ohne Calcium bleiben die Vesikel geschlossen.
    3. Ohne Transmitter entsteht kein EPSP.
    Ergebnis:
    Kaum Transmitterausschüttung, die Postsynapse wird nicht erregt.

Vermischte Übungen

Alles durcheinander – wie in der Arbeit. Überleg bei jeder Aufgabe zuerst: Welches Ziel ist das?

Üben

  1. ●25
    Welche Aufgabe haben Kanalproteine in der Membran? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Kanalproteine bilden einen Durchgang durch die Membran.
    2. Ionen strömen hindurch, wenn der Kanal offen ist.
    3. Die Ionen folgen dabei ihrem Gefälle, ohne ATP.
    Ergebnis:
    Kanalproteine bilden wassergefüllte Poren, durch die Ionen ihrem Gefälle folgen.
  2. ●26
    Was füllt bei der Plasmolyse den Raum zwischen Zellwand und geschrumpftem Protoplasten? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Die Zellwand ist durchlässig.
    2. Die Außenlösung strömt in den frei werdenden Raum.
    3. Nur die Membran des Protoplasten ist selektiv permeabel.
    Ergebnis:
    Die Außenlösung, denn die Zellwand ist für sie durchlässig.
  3. ●27
    Wie lässt sich eine kompetitive Hemmung abschwächen? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Substrat und Hemmstoff konkurrieren.
    2. Je mehr Substrat, desto öfter gewinnt das Substrat.
    3. Die Hemmung wird schwächer.
    Ergebnis:
    Durch mehr Substrat, das den Hemmstoff aus dem aktiven Zentrum verdrängt.
  4. ●28
    Ein Diagramm zeigt die Aktivität eines menschlichen Enzyms über der Temperatur. Wo liegt das Maximum typischerweise? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Menschliche Enzyme arbeiten bei Körpertemperatur.
    2. Bis dahin steigt die Aktivität mit der Temperatur.
    3. Darüber denaturieren sie, die Kurve fällt.
    Ergebnis:
    Bei etwa 37 bis 40 °C; darüber fällt die Aktivität steil ab.
  5. ●29
    Nur etwa 30 bis 40 Prozent der Energie aus Glucose landen in ATP. Wo bleibt der Rest? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Energie bleibt erhalten.
    2. Ein Teil wird bei jeder Umwandlung zu Wärme.
    3. Wärme ist für die Zelle kaum noch nutzbar: Energieentwertung.
    Ergebnis:
    Er wird als Wärme frei; das nennt man Energieentwertung.
  6. ●30
    In einer Muskelzelle werden 3 Glucosemoleküle vollständig über Glykolyse, oxidative Decarboxylierung, Tricarbonsäurezyklus und Atmungskette abgebaut. Wie viele NADH + H⁺ entstehen insgesamt?
    Lösung zeigen
    1. Je Glucose: 2 aus der Glykolyse, 2 aus der oxidativen Decarboxylierung.
    2. Dazu 6 aus dem Tricarbonsäurezyklus, zusammen 10 NADH + H⁺.
    3. 3 · 10 = 30.
    Ergebnis:
    30 NADH + H⁺

Auf einen Blick

MerkenDas Wichtigste

Biomembran und Transport
Die Biomembran ist eine Lipiddoppelschicht mit beweglichen Proteinen.
Diffusion und Osmose
Osmose ist Diffusion von Wasser durch eine selektiv permeable Membran.
Enzyme und Enzymhemmung
Enzyme senken die Aktivierungsenergie und werden nicht verbraucht.
Enzymaktivität im Diagramm
Jedes Enzym hat ein Temperaturoptimum und ein pH-Optimum.
Redoxreaktionen und ATP
Oxidation ist Elektronenabgabe, Reduktion Elektronenaufnahme.
Zellatmung mit Bilanz
Die Glykolyse läuft im Cytoplasma, alle weiteren Schritte im Mitochondrium.
Potenziale und Erregungsleitung
Das Ruhepotenzial liegt bei etwa −70 mV.
Synapse und Stoffeinwirkung
Die Synapse übersetzt ein elektrisches Signal in ein chemisches.

AchtungBau von Membran und Zellwand falsch vorgestellt

So nicht
Die Membran ist eine feste Wand mit Löchern; die Zellwand entscheidet, was hineinkommt.
So richtig
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.

AchtungTransportart verwechselt

So nicht
Ein Kanalprotein ist beteiligt, also ist es aktiver Transport.
So richtig
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.

AchtungSpezifität oder Hemmart verwechselt

So nicht
Der Hemmstoff bindet außerhalb des aktiven Zentrums, also ist es eine kompetitive Hemmung.
So richtig
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.

AchtungEnzymdiagramm falsch gelesen

So nicht
Die Kurve steigt, also wird die Reaktion mit mehr Substrat immer schneller.
So richtig
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?

AchtungOxidation und Reduktion vertauscht

So nicht
NAD⁺ nimmt Elektronen auf und wird oxidiert.
So richtig
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.

AchtungRolle des Sauerstoffs falsch vorgestellt

So nicht
Der eingeatmete Sauerstoff wird zu Kohlenstoffdioxid.
So richtig
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.

AchtungNur die Glykolyse bilanziert

So nicht
Aus einer Glucose entstehen 2 ATP.
So richtig
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.

AchtungBezug je Glucose und je Brenztraubensäure verwechselt

So nicht
Im Tricarbonsäurezyklus entstehen 2 Kohlenstoffdioxid je Glucose.
So richtig
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.

AchtungAktionspotenzial als abgestuftes Signal

So nicht
Ein stärkerer Reiz löst ein höheres Aktionspotenzial aus, das unterwegs schwächer wird.
So richtig
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.

AchtungErregungsleitung falsch vorgestellt

So nicht
Das Myelin macht die Leitung langsamer; die Erregung springt von Zelle zu Zelle.
So richtig
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.

AchtungLeitungszeit falsch berechnet

So nicht
50 cm bei 1 m/s: 50 Sekunden.
So richtig
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.

AchtungWirkung eines Stoffes an der Synapse falsch abgeleitet

So nicht
Ein Hemmstoff der Acetylcholinesterase lähmt den Muskel sofort schlaff.
So richtig
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.

Kannst du das?

Je Ziel eine Aufgabe. Rechne sie ins Heft, dann kreuz ehrlich an. Keine Punkte, keine Note – der Test ist für dich.

ÜbenSelbsttest

  1. Ich kann den Bau der Biomembran im Flüssig-Mosaik-Modell erläutern und passiven und aktiven Transport sowie Endo- und Exocytose unterscheiden.

    31
    Warum braucht Endocytose Energie? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Die Membran muss verformt, das Bläschen abgeschnürt und bewegt werden.

  2. Ich kann Diffusion und Osmose erklären und Plasmolyse und Deplasmolyse deuten.

    32
    Plasmolysierte Zwiebelzellen werden in destilliertes Wasser gelegt. Was passiert? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Wasser strömt in die Vakuole zurück: Deplasmolyse.

  3. Ich kann Substrat- und Wirkspezifität von Enzymen erklären und kompetitive und allosterische Hemmung unterscheiden.

    33
    Wie lässt sich eine kompetitive Hemmung abschwächen? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Durch mehr Substrat, das den Hemmstoff aus dem aktiven Zentrum verdrängt.

  4. Ich kann die Abhängigkeit der Enzymaktivität von Temperatur, pH-Wert und Substratkonzentration aus Diagrammen ableiten.

    34
    Wie lässt sich die Höchstgeschwindigkeit einer gesättigten Enzymreaktion weiter steigern? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Durch mehr Enzym, denn mehr Substrat bringt nichts mehr.

  5. Ich kann Redoxreaktionen, Energieumwandlung und das ATP-ADP-System im Stoffwechsel erläutern.

    35
    Woher stammt die Energie, die bei der Spaltung von ATP zu ADP und Phosphat frei wird? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Die Produkte sind energieärmer als die Ausgangsstoffe; die Differenz wird frei.

  6. Ich kann Glykolyse, oxidative Decarboxylierung, Tricarbonsäurezyklus und Atmungskette mit Ort und Bilanz erläutern und den Feinbau des Mitochondriums nutzen.

    36
    Was entsteht in der Glykolyse aus einem Molekül Glucose? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Zwei Brenztraubensäuren, netto 2 ATP und 2 NADH + H⁺.

  7. Ich kann Ruhepotenzial und Aktionspotenzial erklären und kontinuierliche und saltatorische Erregungsleitung vergleichen.

    37
    Wozu dient die Refraktärzeit nach einem Aktionspotenzial? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Kurz danach ist kein neues möglich; so läuft die Erregung nur in eine Richtung.

  8. Ich kann Bau und Funktion der erregenden chemischen Synapse und der neuromuskulären Synapse erläutern und Stoffeinwirkungen an Synapsen ableiten.

    38
    Was löst an der Präsynapse die Ausschüttung des Transmitters aus? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Calcium-Ionen strömen ein und lassen Vesikel mit der Membran verschmelzen.

Bei „unsicher“ oder „noch nicht“: Lies den Abschnitt zum Ziel noch einmal und rechne seine drei Aufgaben.

Die Frage vom Anfang

EntdeckenRückschau

Warum hilft Händewaschen mit Seife gegen Grippeviren?

Lies deine Vermutung vom Anfang. Kannst du die Frage jetzt mit dem Kapitel beantworten?

Auflösung

Grippeviren tragen eine Hülle aus einer Lipiddoppelschicht. Seife lagert sich mit ihren fettliebenden Enden in diese Hülle ein und reißt sie auf. Ohne Hülle kann das Virus keine Zelle mehr befallen.

Wörter

Funktion
eine Regel, die aus einer Zahl eine andere macht

Lösungen

  1. Die Membran muss verformt, das Bläschen abgeschnürt und bewegt werden.
  2. Rezeptorvermittelte Endocytose.
  3. Aktiver Transport geht gegen das Gefälle und braucht Energie, passiver nicht.
  4. Die Vakuole schrumpft, der Protoplast löst sich von der Zellwand: Plasmolyse.
  5. Hypertonisch.
  6. Die Blutzellen würden Wasser aufnehmen und platzen; man nimmt isotonische Lösung.
  7. Es liegt unverändert vor und kann das nächste Substrat umsetzen.
  8. Das Enzym bleibt gehemmt; auch mehr Substrat hilft nicht.
  9. Die Bindungen der Bausteine sind verschieden; nur die der Stärke passen ins aktive Zentrum.
  10. Kaum aktiv, weil der pH-Wert weit vom Optimum entfernt ist.
  11. Waagerecht die Substratkonzentration, senkrecht die Reaktionsgeschwindigkeit.
  12. Das Enzym denaturiert dabei kaum und übersteht viele Heizzyklen.
  13. Er nimmt am Ende der Atmungskette Elektronen auf und wird zu Wasser.
  14. Aus ADP und Phosphat, mit Energie aus dem Abbau von Nährstoffen.
  15. Im Wasser, das am Ende der Atmungskette entsteht.
  16. Aus den abgebauten Nährstoffen, zum Beispiel aus Glucose.
  17. Glucose und Sauerstoff reagieren zu Kohlenstoffdioxid und Wasser.
  18. Zwei Brenztraubensäuren, netto 2 ATP und 2 NADH + H⁺.
  19. Kalium-Ionen diffundieren durch offene Kanäle hinaus, die Anionen bleiben zurück.
  20. Eine Elektrode im Zellinneren, eine außen, dazwischen ein Spannungsmessgerät.
  21. Die Gefälle bauen sich nur langsam über Leckströme ab; jedes Aktionspotenzial verschiebt nur wenige Ionen.
  22. Calcium-Ionen strömen ein und lassen Vesikel mit der Membran verschmelzen.
  23. Acetylcholin bleibt im Spalt; die Muskeln sind dauererregt und verkrampfen.
  24. Kaum Transmitterausschüttung, die Postsynapse wird nicht erregt.
  25. Kanalproteine bilden wassergefüllte Poren, durch die Ionen ihrem Gefälle folgen.
  26. Die Außenlösung, denn die Zellwand ist für sie durchlässig.
  27. Durch mehr Substrat, das den Hemmstoff aus dem aktiven Zentrum verdrängt.
  28. Bei etwa 37 bis 40 °C; darüber fällt die Aktivität steil ab.
  29. Er wird als Wärme frei; das nennt man Energieentwertung.
  30. 30 NADH + H⁺
  31. Die Membran muss verformt, das Bläschen abgeschnürt und bewegt werden.
  32. Wasser strömt in die Vakuole zurück: Deplasmolyse.
  33. Durch mehr Substrat, das den Hemmstoff aus dem aktiven Zentrum verdrängt.
  34. Durch mehr Enzym, denn mehr Substrat bringt nichts mehr.
  35. Die Produkte sind energieärmer als die Ausgangsstoffe; die Differenz wird frei.
  36. Zwei Brenztraubensäuren, netto 2 ATP und 2 NADH + H⁺.
  37. Kurz danach ist kein neues möglich; so läuft die Erregung nur in eine Richtung.
  38. Calcium-Ionen strömen ein und lassen Vesikel mit der Membran verschmelzen.