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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

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○ 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

Die Natrium-Kalium-Pumpe befördert Natrium-Ionen aus der Zelle, obwohl außen mehr Natrium ist. Welche Transportart ist das? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Die Ionen wandern gegen ihr Gefälle.
  2. Dafür ist Energie nötig.
  3. Die Pumpe spaltet selbst ATP: primär aktiver Transport.
  1. Die Ionen wandern gegen ihr Gefälle.
  2. Dafür ist Energie nötig.
  3. Die Pumpe spaltet selbst ATP: primär aktiver Transport.
Ergebnis:
Primär aktiver Transport unter Spaltung von ATP.

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
    Wasser gelangt schnell durch Aquaporine in Nierenzellen. Welche Transportart liegt vor? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Aquaporine sind Wasserkanäle.
    Lösung zeigen
    1. Aquaporine sind Wasserkanäle.
    2. Das Wasser folgt dem osmotischen Gefälle.
    3. Ohne Energie und mit Kanal: passiver Transport.
    Ergebnis:
    Passiver Transport durch Kanalproteine, angetrieben vom Gefälle.
  2. ●2
    Warum braucht Endocytose Energie? Begründe die Wahl.
    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.
  3. ★3
    Im Dünndarm nimmt ein Symporter Glucose zusammen mit Natrium-Ionen auf, auch gegen das Glucosegefälle. Warum hängt das trotzdem von ATP ab? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Natrium strömt mit seinem Gefälle in die Zelle und nimmt Glucose mit.
    2. Das Natriumgefälle baut die Pumpe unter ATP-Spaltung auf.
    3. Das ist sekundär aktiver Transport.
    Ergebnis:
    Die Natrium-Kalium-Pumpe hält mit ATP das Natriumgefälle aufrecht, das den Symport antreibt.

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

Plasmolysierte Zwiebelzellen werden in destilliertes Wasser gelegt. Was passiert? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Jetzt ist der Zellsaft konzentrierter als die Außenlösung.
  2. Wasser strömt netto hinein.
  3. Der Protoplast legt sich wieder an die Zellwand.
  1. Jetzt ist der Zellsaft konzentrierter als die Außenlösung.
  2. Wasser strömt netto hinein.
  3. Der Protoplast legt sich wieder an die Zellwand.
Ergebnis:
Wasser strömt in die Vakuole zurück: Deplasmolyse.

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
    Was ist Osmose? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Die Membran lässt Wasser durch, gelöste Teilchen kaum.
    Lösung zeigen
    1. Die Membran lässt Wasser durch, gelöste Teilchen kaum.
    2. Wasser diffundiert in beide Richtungen.
    3. Netto strömt mehr Wasser zur Seite mit mehr gelösten Teilchen.
    Ergebnis:
    Diffusion von Wasser durch eine selektiv permeable Membran zur konzentrierteren Lösung.
  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

Urease spaltet nur Harnstoff und keinen anderen Stoff. Welche Eigenschaft des Enzyms zeigt das? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Gefragt ist, welches Substrat das Enzym umsetzt.
  2. Nur ein bestimmtes Substrat passt ins aktive Zentrum.
  3. Das heißt Substratspezifität.
  1. Gefragt ist, welches Substrat das Enzym umsetzt.
  2. Nur ein bestimmtes Substrat passt ins aktive Zentrum.
  3. Das heißt Substratspezifität.
Ergebnis:
Substratspezifität.

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
    Warum passt nur ein bestimmtes Substrat in das aktive Zentrum eines Enzyms? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Das aktive Zentrum hat eine räumliche Form.
    Lösung zeigen
    1. Das aktive Zentrum hat eine räumliche Form.
    2. Dazu kommen Ladungen, die nur zu bestimmten Gruppen passen.
    3. Nur ein passendes Substrat wird gebunden.
    Ergebnis:
    Form und Ladungen des aktiven Zentrums sind auf dieses Substrat abgestimmt.
  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
    Die Phosphofructokinase der Glykolyse wird von ATP an einer eigenen Bindungsstelle gehemmt. Welchen Sinn hat das? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. ATP ist ein Endprodukt des Abbaus.
    2. Es bindet an einer eigenen Stelle und verändert die Form des Enzyms.
    3. Bei viel ATP läuft weniger Abbau: Regulation auf Enzymebene.
    Ergebnis:
    Bei viel ATP wird die Glykolyse gedrosselt: allosterische Endprodukthemmung.

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

Was besagt die Reaktionsgeschwindigkeit-Temperatur-Regel (RGT-Regel)? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Wärmere Teilchen stoßen öfter und heftiger zusammen.
  2. Je 10 °C steigt die Geschwindigkeit auf das Zwei- bis Dreifache.
  3. Bei Enzymen gilt das nur bis zum Optimum.
  1. Wärmere Teilchen stoßen öfter und heftiger zusammen.
  2. Je 10 °C steigt die Geschwindigkeit auf das Zwei- bis Dreifache.
  3. Bei Enzymen gilt das nur bis zum Optimum.
Ergebnis:
10 °C mehr verdoppeln bis verdreifachen die Reaktionsgeschwindigkeit.

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?

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
    Eine Kurve der Reaktionsgeschwindigkeit über der Substratkonzentration verläuft am Ende waagerecht. Was zeigt dieser Abschnitt? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Waagerecht heißt: gleiche Geschwindigkeit trotz mehr Substrat.
    2. Alle aktiven Zentren sind besetzt.
    3. Das ist die Höchstgeschwindigkeit des Enzyms.
    Ergebnis:
    Die Sättigung: Mehr Substrat erhöht die Geschwindigkeit nicht mehr.
  3. ★12
    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.

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

Was kennzeichnet eine Redoxreaktion? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Elektronen verschwinden nicht.
  2. Was ein Stoff abgibt, nimmt ein anderer auf.
  3. Oxidation und Reduktion gehören immer zusammen.
  1. Elektronen verschwinden nicht.
  2. Was ein Stoff abgibt, nimmt ein anderer auf.
  3. Oxidation und Reduktion gehören immer zusammen.
Ergebnis:
Oxidation und Reduktion sind gekoppelt: Elektronen wechseln den Partner.

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
    Warum kann ein Muskel Glucose nicht direkt für die Bewegung nutzen? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Die Proteine der Muskelbewegung spalten ATP.
    Lösung zeigen
    1. Die Proteine der Muskelbewegung spalten ATP.
    2. Glucose liefert die Energie, um ATP zu bilden.
    3. Dazwischen liegt die Zellatmung.
    Ergebnis:
    Die Motorproteine nutzen ATP; Glucose muss erst abgebaut werden.
  2. ●14
    NAD⁺ nimmt zwei Elektronen und zwei Protonen auf und wird zu NADH + H⁺. Wie heißt dieser Vorgang? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. NAD⁺ nimmt Elektronen auf.
    2. Elektronenaufnahme heißt Reduktion.
    3. NADH + H⁺ ist die reduzierte Form.
    Ergebnis:
    Reduktion: NAD⁺ wird reduziert.
  3. ★15
    Warum ist ein großes Protonengefälle an der inneren Mitochondrienmembran eine Form gespeicherter Energie? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Das Gefälle entsteht durch Pumpen unter Energieaufwand.
    2. Beim Rückstrom wird diese Energie wieder frei.
    3. Die ATP-Synthase wandelt sie in die Bildung von ATP um.
    Ergebnis:
    Die Protonen strömen ihrem Gefälle nach zurück und treiben dabei die ATP-Synthase an.

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 Aufgabe hat der Sauerstoff in der Zellatmung? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Die Elektronen wandern durch die Atmungskette.
  2. Am Ende nimmt Sauerstoff sie auf.
  3. Mit Protonen entsteht Wasser.
  1. Die Elektronen wandern durch die Atmungskette.
  2. Am Ende nimmt Sauerstoff sie auf.
  3. Mit Protonen entsteht Wasser.
Ergebnis:
Er ist der letzte Elektronenakzeptor der Atmungskette.

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
    Wie entsteht in der Atmungskette ATP? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Die Atmungskette pumpt Protonen in den Intermembranraum.
    Lösung zeigen
    1. Die Atmungskette pumpt Protonen in den Intermembranraum.
    2. Die Protonen strömen durch die ATP-Synthase zurück.
    3. Diese Bewegung treibt die Bildung von ATP aus ADP und Phosphat.
    Ergebnis:
    Rückströmende Protonen treiben die ATP-Synthase an.
  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
    Wo läuft der Tricarbonsäurezyklus ab? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Der Tricarbonsäurezyklus folgt auf die oxidative Decarboxylierung.
    2. Seine Enzyme liegen gelöst im Inneren des Mitochondriums.
    3. Das ist die Matrix.
    Ergebnis:
    In der Matrix der Mitochondrien.

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

Wodurch kommt die Repolarisation beim Aktionspotenzial zustande? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Nach etwa einer Millisekunde schließen die Natriumkanäle.
  2. Spannungsgesteuerte Kaliumkanäle öffnen sich.
  3. Kalium strömt aus, das Innere wird wieder negativ.
  1. Nach etwa einer Millisekunde schließen die Natriumkanäle.
  2. Spannungsgesteuerte Kaliumkanäle öffnen sich.
  3. Kalium strömt aus, das Innere wird wieder negativ.
Ergebnis:
Natriumkanäle schließen sich, Kaliumkanäle öffnen sich, Kalium strömt aus.

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.

ÜbenJetzt du

  1. ○19
    Welche Ionen sind im Inneren einer ruhenden Nervenzelle stark angereichert? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Die Natrium-Kalium-Pumpe befördert Kalium hinein und Natrium hinaus.
    Lösung zeigen
    1. Die Natrium-Kalium-Pumpe befördert Kalium hinein und Natrium hinaus.
    2. Große Eiweiß-Anionen können die Zelle nicht verlassen.
    3. Innen überwiegen Kalium-Ionen und Anionen.
    Ergebnis:
    Kalium-Ionen und große organische Anionen.
  2. ●20
    Wozu dient die Refraktärzeit nach einem Aktionspotenzial? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Die Natriumkanäle sind nach dem Öffnen kurz inaktiviert.
    2. In dieser Zeit entsteht dort kein neues Aktionspotenzial.
    3. Die Erregung kann deshalb nicht zurücklaufen.
    Ergebnis:
    Kurz danach ist kein neues möglich; so läuft die Erregung nur in eine Richtung.
  3. ★21
    Was bedeutet Depolarisation an einer Nervenzelle? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    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.

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

Wie gelangt die Erregung über den synaptischen Spalt? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Am Spalt endet das elektrische Signal.
  2. Die Vesikel geben Transmitter in den Spalt ab.
  3. Die Transmitter diffundieren zur Postsynapse.
  1. Am Spalt endet das elektrische Signal.
  2. Die Vesikel geben Transmitter in den Spalt ab.
  3. Die Transmitter diffundieren zur Postsynapse.
Ergebnis:
Chemisch: Transmittermoleküle diffundieren zur Postsynapse.

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
    Warum leitet eine chemische Synapse nur in eine Richtung? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Transmitter werden nur aus der Präsynapse ausgeschüttet.
    Lösung zeigen
    1. Transmitter werden nur aus der Präsynapse ausgeschüttet.
    2. Rezeptoren sitzen nur an der Postsynapse.
    3. Deshalb ist die Richtung festgelegt.
    Ergebnis:
    Nur die Präsynapse hat Vesikel, nur die Postsynapse die passenden Rezeptoren.
  2. ●23
    Wie heißt die Membran der Nervenzelle, die den Transmitter ausschüttet? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Prä heißt vor, post heißt nach.
    2. Die Zelle vor dem Spalt schüttet den Transmitter aus.
    3. Deren Membran heißt präsynaptische Membran.
    Ergebnis:
    Präsynaptische Membran.
  3. ★24
    Bei Myasthenia gravis zerstören Antikörper Acetylcholin-Rezeptoren der motorischen Endplatte. Warum helfen Hemmstoffe der Acetylcholinesterase? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Weniger Rezeptoren bedeuten ein schwächeres Signal.
    2. Ohne Abbau bleibt Acetylcholin länger wirksam.
    3. Die verbliebenen Rezeptoren werden öfter geöffnet.
    Ergebnis:
    Acetylcholin bleibt länger im Spalt und erreicht die übrigen Rezeptoren öfter.

Vermischte Übungen

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

Üben

  1. ●25
    Was bedeutet „selektiv permeabel“ bei einer Biomembran? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Selektiv heißt auswählend, permeabel heißt durchlässig.
    2. Die Auswahl ergibt sich aus Größe, Ladung und Proteinen der Membran.
    3. Die Membran entscheidet nicht nach Bedarf.
    Ergebnis:
    Die Membran lässt manche Teilchen frei durch, andere nur mit Proteinen oder gar nicht.
  2. ●26
    Warum welkt Salat, der lange vor dem Essen mit Salz angemacht wird? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Das Salz löst sich im Wasser auf den Blättern.
    2. Diese Lösung ist konzentrierter als der Zellsaft.
    3. Wasser strömt aus den Zellen, die Blätter werden schlaff.
    Ergebnis:
    Das Salz entzieht den Blattzellen durch Osmose Wasser; sie verlieren ihre Spannung.
  3. ●27
    Woher stammt der Kohlenstoff im ausgeatmeten Kohlenstoffdioxid? Begründe die Wahl.
    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.
  4. ●28
    In einer Muskelzelle werden 7 Glucosemoleküle vollständig über Glykolyse, oxidative Decarboxylierung, Tricarbonsäurezyklus und Atmungskette abgebaut. Es gilt die Schulbuchnäherung: 2,5 ATP je NADH + H⁺ und 1,5 ATP je FADH₂, zusammen etwa 32 ATP je Glucose. Wie viele ATP entstehen insgesamt?
    Lösung zeigen
    1. Nach der genannten Näherung liefert eine Glucose etwa 32 ATP.
    2. Das umfasst alle vier Teilschritte, nicht nur die Glykolyse.
    3. 7 · 32 = 224.
    Ergebnis:
    etwa 224 ATP
  5. ●29
    Welche Aufgabe hat die Natrium-Kalium-Pumpe für das Ruhepotenzial? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Die Pumpe befördert 3 Natrium-Ionen hinaus und 2 Kalium-Ionen hinein.
    2. So bleiben die Gefälle erhalten.
    3. Das Ruhepotenzial selbst entsteht vor allem durch den Kaliumausstrom.
    Ergebnis:
    Die Pumpe hält die Konzentrationsunterschiede von Natrium und Kalium aufrecht.
  6. ★30
    Ein Axon wird im Versuch in der Mitte gereizt. In welche Richtung läuft die Erregung?
    Lösung zeigen
    1. Die Richtung entsteht durch die Refraktärzeit hinter der Erregung.
    2. In der Mitte ist zu beiden Seiten nichts refraktär.
    3. Die Erregung läuft in beide Richtungen.
    Ergebnis:
    In beide Richtungen, denn an der Reizstelle ist noch kein Abschnitt refraktär.

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.

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.

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.

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.

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
    Die Natrium-Kalium-Pumpe befördert Natrium-Ionen aus der Zelle, obwohl außen mehr Natrium ist. Welche Transportart ist das? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Primär aktiver Transport unter Spaltung von ATP.

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

    32
    Ein Kartoffelstäbchen liegt eine Stunde in konzentrierter Salzlösung. Wie verändert sich seine Masse? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Die Masse nimmt ab, weil Wasser aus den Zellen in die Lösung strömt.

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

    33
    Warum passt nur ein bestimmtes Substrat in das aktive Zentrum eines Enzyms? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Form und Ladungen des aktiven Zentrums sind auf dieses Substrat abgestimmt.

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

    34
    Welche Achsen hat ein typisches Diagramm zur Abhängigkeit von der Substratkonzentration? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Waagerecht die Substratkonzentration, senkrecht die Reaktionsgeschwindigkeit.

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

    35
    Was geschieht bei einer Oxidation? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Ein Teilchen gibt Elektronen ab.

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

    36
    Was geschieht bei der oxidativen Decarboxylierung? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Brenztraubensäure gibt Kohlenstoffdioxid ab und wird zu Acetyl-Coenzym A; NAD⁺ wird reduziert.

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

    37
    Warum ist das Zellinnere einer Nervenzelle in Ruhe negativ? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Kalium-Ionen diffundieren durch offene Kanäle hinaus, die Anionen bleiben zurück.

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

    38
    Wovon hängt die Höhe eines EPSP an einer Synapse ab? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Von der Menge des ausgeschütteten Transmitters, also von der Frequenz der Aktionspotenziale.

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. Passiver Transport durch Kanalproteine, angetrieben vom Gefälle.
  2. Die Membran muss verformt, das Bläschen abgeschnürt und bewegt werden.
  3. Die Natrium-Kalium-Pumpe hält mit ATP das Natriumgefälle aufrecht, das den Symport antreibt.
  4. Diffusion von Wasser durch eine selektiv permeable Membran zur konzentrierteren Lösung.
  5. Hypertonisch.
  6. Die Blutzellen würden Wasser aufnehmen und platzen; man nimmt isotonische Lösung.
  7. Form und Ladungen des aktiven Zentrums sind auf dieses Substrat abgestimmt.
  8. Das Enzym bleibt gehemmt; auch mehr Substrat hilft nicht.
  9. Bei viel ATP wird die Glykolyse gedrosselt: allosterische Endprodukthemmung.
  10. Kaum aktiv, weil der pH-Wert weit vom Optimum entfernt ist.
  11. Die Sättigung: Mehr Substrat erhöht die Geschwindigkeit nicht mehr.
  12. Waagerecht die Substratkonzentration, senkrecht die Reaktionsgeschwindigkeit.
  13. Die Motorproteine nutzen ATP; Glucose muss erst abgebaut werden.
  14. Reduktion: NAD⁺ wird reduziert.
  15. Die Protonen strömen ihrem Gefälle nach zurück und treiben dabei die ATP-Synthase an.
  16. Rückströmende Protonen treiben die ATP-Synthase an.
  17. Glucose und Sauerstoff reagieren zu Kohlenstoffdioxid und Wasser.
  18. In der Matrix der Mitochondrien.
  19. Kalium-Ionen und große organische Anionen.
  20. Kurz danach ist kein neues möglich; so läuft die Erregung nur in eine Richtung.
  21. Das Membranpotenzial wird weniger negativ, das Innere positiver.
  22. Nur die Präsynapse hat Vesikel, nur die Postsynapse die passenden Rezeptoren.
  23. Präsynaptische Membran.
  24. Acetylcholin bleibt länger im Spalt und erreicht die übrigen Rezeptoren öfter.
  25. Die Membran lässt manche Teilchen frei durch, andere nur mit Proteinen oder gar nicht.
  26. Das Salz entzieht den Blattzellen durch Osmose Wasser; sie verlieren ihre Spannung.
  27. Aus den abgebauten Nährstoffen, zum Beispiel aus Glucose.
  28. etwa 224 ATP
  29. Die Pumpe hält die Konzentrationsunterschiede von Natrium und Kalium aufrecht.
  30. In beide Richtungen, denn an der Reizstelle ist noch kein Abschnitt refraktär.
  31. Primär aktiver Transport unter Spaltung von ATP.
  32. Die Masse nimmt ab, weil Wasser aus den Zellen in die Lösung strömt.
  33. Form und Ladungen des aktiven Zentrums sind auf dieses Substrat abgestimmt.
  34. Waagerecht die Substratkonzentration, senkrecht die Reaktionsgeschwindigkeit.
  35. Ein Teilchen gibt Elektronen ab.
  36. Brenztraubensäure gibt Kohlenstoffdioxid ab und wird zu Acetyl-Coenzym A; NAD⁺ wird reduziert.
  37. Kalium-Ionen diffundieren durch offene Kanäle hinaus, die Anionen bleiben zurück.
  38. Von der Menge des ausgeschütteten Transmitters, also von der Frequenz der Aktionspotenziale.