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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

Eine Drüsenzelle gibt Verdauungsenzyme nach außen ab. Wie geschieht das? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Enzyme sind große Proteine.
  2. Die Enzyme liegen in Vesikeln bereit.
  3. Die Vesikel verschmelzen mit der Membran und geben den Inhalt nach außen ab.
  1. Enzyme sind große Proteine.
  2. Die Enzyme liegen in Vesikeln bereit.
  3. Die Vesikel verschmelzen mit der Membran und geben den Inhalt nach außen ab.
Ergebnis:
Durch Exocytose: Vesikel verschmelzen mit der Zellmembran.

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
    Kohlenstoffdioxid verlässt eine arbeitende Muskelzelle in Richtung Blut. Welche Transportart liegt vor? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Die Zellatmung bildet in der Muskelzelle ständig Kohlenstoffdioxid.
    Lösung zeigen
    1. Die Zellatmung bildet in der Muskelzelle ständig Kohlenstoffdioxid.
    2. Es ist klein und unpolar und folgt seinem Gefälle ins Blut.
    3. Das ist einfache Diffusion ohne Energie.
    Ergebnis:
    Einfache Diffusion, denn in der Zelle ist mehr Kohlenstoffdioxid als im Blut.
  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
    Die Aufnahmerate eines Stoffes steigt mit der Außenkonzentration zuerst an und bleibt dann gleich. Was folgt daraus? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Freie Diffusion wächst gleichmäßig mit dem Gefälle.
    2. Eine Obergrenze zeigt eine begrenzte Zahl von Trägern.
    3. Sind alle besetzt, steigt die Rate nicht weiter.
    Ergebnis:
    Der Stoff wird über Trägerproteine aufgenommen, die gesättigt werden.

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

Zellen einer roten Zwiebel liegen in konzentrierter Salzlösung. Was beobachtet man? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  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.
  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.

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
    Wie heißt eine Lösung mit geringerer Konzentration gelöster Teilchen als das Zellinnere? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Hypo heißt unter.
    Lösung zeigen
    1. Hypo heißt unter.
    2. Die Außenlösung hat weniger gelöste Teilchen als das Zellinnere.
    3. Wasser strömt deshalb netto in die Zelle.
    Ergebnis:
    Hypotonisch.
  2. ●5
    Was ist Osmose? Begründe die Wahl.
    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.
  3. ★6
    Kartoffelstäbchen liegen in Salzlösungen von 0 bis 0,5 mol/l. Bei 0,2 mol/l ändert sich ihre Masse kaum. Was folgt daraus? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Ohne Massenänderung strömt netto kein Wasser.
    2. Dann ist die Konzentration gelöster Teilchen innen und außen gleich.
    3. Die Lösung ist isotonisch zum Zellsaft.
    Ergebnis:
    Diese Lösung ist etwa isotonisch zum Zellsaft der Kartoffel.

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
    Was ist der Enzym-Substrat-Komplex? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Das Substrat bindet im aktiven Zentrum.
    Lösung zeigen
    1. Das Substrat bindet im aktiven Zentrum.
    2. Dieser kurzlebige Zustand heißt Enzym-Substrat-Komplex.
    3. Danach zerfällt er in Enzym und Produkt.
    Ergebnis:
    Das Enzym mit dem Substrat, das kurzzeitig im aktiven Zentrum gebunden ist.
  2. ●8
    Wie beschleunigt ein Enzym eine Reaktion? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Jede Reaktion braucht eine Anstoßenergie, die Aktivierungsenergie.
    2. Im Enzym-Substrat-Komplex ist sie kleiner.
    3. Mehr Teilchen erreichen sie, die Reaktion läuft schneller.
    Ergebnis:
    Es senkt die Aktivierungsenergie der Reaktion.
  3. ★9
    Bei einer Methanolvergiftung gab man früher Ethanol. Beide sind Substrate der Alkoholdehydrogenase. Warum hilft das? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Ethanol und Methanol konkurrieren um das aktive Zentrum.
    2. Bei viel Ethanol wird Methanol kaum umgesetzt.
    3. Es wird unverändert ausgeschieden, bevor giftige Stoffe entstehen.
    Ergebnis:
    Ethanol verdrängt Methanol kompetitiv, sodass kaum giftige Abbauprodukte entstehen.

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

Ein Enzym wird nach einer Stunde bei 0 °C auf 37 °C erwärmt. Was zeigt die Messung? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Kälte verlangsamt die Teilchenbewegung.
  2. Die Raumstruktur bleibt dabei erhalten.
  3. Beim Erwärmen arbeitet das Enzym wieder.
  1. Kälte verlangsamt die Teilchenbewegung.
  2. Die Raumstruktur bleibt dabei erhalten.
  3. Beim Erwärmen arbeitet das Enzym wieder.
Ergebnis:
Die Aktivität steigt wieder, denn Kälte hatte das Enzym nur verlangsamt.

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
    Bei 20 °C setzt ein Enzym 4 µmol Substrat je Minute um. Was erwartet man nach der RGT-Regel bei 30 °C? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    30 °C sind 10 °C mehr als 20 °C.
    Lösung zeigen
    1. 30 °C sind 10 °C mehr als 20 °C.
    2. Die Geschwindigkeit verdoppelt bis verdreifacht sich.
    3. 4 · 2 = 8 und 4 · 3 = 12.
    Ergebnis:
    Etwa 8 bis 12 µmol je Minute.
  2. ●11
    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.
    Lösung zeigen
    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.
  3. ★12
    Die Michaelis-Menten-Konstante ist die Substratkonzentration bei halber Höchstgeschwindigkeit. Ein Enzym hat eine kleine Konstante. Was bedeutet das? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Die Konstante liest man an der halben Höchstgeschwindigkeit ab.
    2. Ist sie klein, reicht wenig Substrat für die halbe Sättigung.
    3. Das Enzym hat eine hohe Affinität zum Substrat.
    Ergebnis:
    Es bindet sein Substrat fest und ist schon bei wenig Substrat halb gesättigt.

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 geschieht bei einer Oxidation? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Oxidation heißt Elektronenabgabe.
  2. Die Reaktion mit Sauerstoff ist nur ein Sonderfall.
  3. Der Partner nimmt die Elektronen auf und wird reduziert.
  1. Oxidation heißt Elektronenabgabe.
  2. Die Reaktion mit Sauerstoff ist nur ein Sonderfall.
  3. Der Partner nimmt die Elektronen auf und wird reduziert.
Ergebnis:
Ein Teilchen 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
    Wie heißt der Stoff, der in einer Redoxreaktion Elektronen aufnimmt? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Der Stoff nimmt Elektronen auf und wird reduziert.
    Lösung zeigen
    1. Der Stoff nimmt Elektronen auf und wird reduziert.
    2. Er oxidiert dabei seinen Partner.
    3. Deshalb heißt er Oxidationsmittel.
    Ergebnis:
    Oxidationsmittel; es wird dabei selbst reduziert.
  2. ●14
    Bei der Zellatmung wird Glucose zu Kohlenstoffdioxid abgebaut. Wird Glucose dabei oxidiert oder reduziert? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    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.
  3. ★15
    Das Aufbrechen einer chemischen Bindung erfordert immer Energie. Warum wird bei der Hydrolyse von ATP trotzdem Energie frei? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Spalten kostet Energie, Bilden setzt Energie frei.
    2. Bei der Hydrolyse entstehen stabilere Produkte.
    3. Die Bilanz ist negativ: Energie wird frei.
    Ergebnis:
    Beim Bilden der neuen Bindungen der Produkte wird mehr Energie frei, als das Spalten kostet.

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

Wie entsteht in der Atmungskette ATP? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  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.
  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.

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.

ÜbenJetzt du

  1. ○16
    Wie lautet die Summengleichung der Zellatmung in Worten? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Ausgangsstoffe sind Glucose und Sauerstoff.
    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.
  2. ●17
    Warum haben Muskelzellen von Ausdauersportlern besonders viele Mitochondrien? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Ausdauerleistung braucht dauerhaft viel ATP.
    2. Den größten Teil bilden die Mitochondrien mit Sauerstoff.
    3. Training erhöht ihre Zahl.
    Ergebnis:
    Mehr Mitochondrien bilden mit Sauerstoff mehr ATP für den hohen Bedarf.
  3. ★18
    Ein Stoff macht die innere Mitochondrienmembran für Protonen durchlässig. Was geschieht? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Die Protonen strömen an der ATP-Synthase vorbei zurück.
    2. Das Gefälle bleibt klein, die Atmungskette arbeitet weiter.
    3. Die Energie wird als Wärme frei, wie im braunen Fettgewebe.
    Ergebnis:
    Die Atmungskette läuft weiter, aber kaum ATP entsteht; die Energie wird Wärme.

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

Wozu dient die Refraktärzeit nach einem Aktionspotenzial? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  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.
  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.

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
    Was passiert, wenn die Membran eines Axons den Schwellenwert erreicht? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Am Schwellenwert öffnen sich viele Natriumkanäle.
    Lösung zeigen
    1. Am Schwellenwert öffnen sich viele Natriumkanäle.
    2. Natrium strömt seinem Gefälle nach ein.
    3. Das Innere wird kurz positiv.
    Ergebnis:
    Spannungsgesteuerte Natriumkanäle öffnen sich, Natrium strömt ein: Depolarisation.
  2. ●20
    Ein schwacher und ein starker überschwelliger Reiz treffen ein Axon. Wie unterscheiden sich die Aktionspotenziale? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Aktionspotenziale folgen dem Alles-oder-nichts-Gesetz.
    2. Die Höhe ist immer gleich.
    3. Die Reizstärke wird über die Frequenz verschlüsselt.
    Ergebnis:
    Nicht in der Höhe; der starke Reiz löst mehr Aktionspotenziale je Sekunde aus.
  3. ★21
    Tetrodotoxin aus dem Kugelfisch blockiert spannungsgesteuerte Natriumkanäle. Was folgt für das Axon? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Das Ruhepotenzial beruht vor allem auf Kaliumkanälen.
    2. Für das Aktionspotenzial braucht es die Natriumkanäle.
    3. Ohne sie gibt es keine Depolarisation über die Schwelle.
    Ergebnis:
    Das Ruhepotenzial bleibt, aber es entstehen keine Aktionspotenziale mehr.

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

Wovon hängt die Höhe eines EPSP an einer Synapse ab? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Alle Aktionspotenziale sind gleich hoch.
  2. Mehr Aktionspotenziale je Sekunde setzen mehr Transmitter frei.
  3. Mehr Transmitter öffnet mehr Kanäle; das EPSP wird größer.
  1. Alle Aktionspotenziale sind gleich hoch.
  2. Mehr Aktionspotenziale je Sekunde setzen mehr Transmitter frei.
  3. Mehr Transmitter öffnet mehr Kanäle; das EPSP wird größer.
Ergebnis:
Von der Menge des ausgeschütteten Transmitters, also von der Frequenz der Aktionspotenziale.

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
    Nikotin bindet an bestimmte Acetylcholin-Rezeptoren und öffnet sie. Wie nennt man einen solchen Stoff? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Nikotin öffnet den Rezeptor wie Acetylcholin.
    2. Ein Stoff mit gleicher Wirkung heißt Agonist.
    3. Ein Blocker wie Curare heißt Antagonist.
    Ergebnis:
    Agonist: Er wirkt wie der Transmitter.
  3. ★24
    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.

Vermischte Übungen

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

Üben

  1. ●25
    Was bewirkt Cholesterin in tierischen Zellmembranen? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Cholesterin lagert sich zwischen die Phospholipide.
    2. Bei Wärme bremst es ihre Bewegung, bei Kälte verhindert es dichtes Packen.
    3. So bleibt die Membran gleichmäßig flüssig.
    Ergebnis:
    Es stabilisiert die Membran und hält ihre Fluidität bei Temperaturwechseln im Rahmen.
  2. ●26
    Die Aktivität eines Enzyms sinkt bei 60 °C innerhalb von 10 Minuten auf 0. Danach wird auf 37 °C abgekühlt. Was ist zu erwarten? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Bei 60 °C ist das Enzym denaturiert.
    2. Die Raumstruktur bildet sich beim Abkühlen meist nicht zurück.
    3. Die Aktivität bleibt verloren.
    Ergebnis:
    Die Aktivität bleibt nahe 0, denn die Denaturierung ist meist nicht umkehrbar.
  3. ●27
    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.
  4. ●28
    In einer Muskelzelle werden 4 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. 4 · 32 = 128.
    Ergebnis:
    etwa 128 ATP
  5. ★29
    Eine Erregung läuft 1,5 m weit, einmal über eine marklose Faser mit etwa 1 m/s, einmal über eine markhaltige mit etwa 100 m/s. Wie viel später kommt sie über die marklose Faser an?
    Lösung zeigen
    1. Marklos: 1,5 m : 1 m/s = 1500 Millisekunden.
    2. Markhaltig: 1,5 m : 100 m/s = 15 Millisekunden.
    3. Unterschied: 1485 Millisekunden.
    Ergebnis:
    1485 Millisekunden
  6. ★30
    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.

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.

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.

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
    Sauerstoff gelangt aus dem Blut in eine Muskelzelle. Welche Transportart liegt vor? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Einfache Diffusion entlang des Konzentrationsgefälles.

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

    32
    Was füllt bei der Plasmolyse den Raum zwischen Zellwand und geschrumpftem Protoplasten? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Die Außenlösung, denn die Zellwand ist für sie durchlässig.

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

    33
    Was geschieht mit einem Enzym nach der Reaktion? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Es liegt unverändert vor und kann das nächste Substrat umsetzen.

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

    34
    Ein Diagramm zeigt die Aktivität zweier Enzyme über dem pH-Wert: Trypsin mit Gipfel bei 8, Speichelamylase mit Gipfel bei 7. Was lässt sich ablesen? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Jedes Enzym hat ein eigenes pH-Optimum, passend zu seinem Wirkort.

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

    35
    Was geschieht mit dem Sauerstoff, den wir einatmen, in der Zelle? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Er nimmt am Ende der Atmungskette Elektronen auf und wird zu Wasser.

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

    36
    Wo findet die Glykolyse statt? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Im Cytoplasma der Zelle.

  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
    Wie gelangt die Erregung über den synaptischen Spalt? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Chemisch: Transmittermoleküle diffundieren zur Postsynapse.

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. Einfache Diffusion, denn in der Zelle ist mehr Kohlenstoffdioxid als im Blut.
  2. Die Membran muss verformt, das Bläschen abgeschnürt und bewegt werden.
  3. Der Stoff wird über Trägerproteine aufgenommen, die gesättigt werden.
  4. Hypotonisch.
  5. Diffusion von Wasser durch eine selektiv permeable Membran zur konzentrierteren Lösung.
  6. Diese Lösung ist etwa isotonisch zum Zellsaft der Kartoffel.
  7. Das Enzym mit dem Substrat, das kurzzeitig im aktiven Zentrum gebunden ist.
  8. Es senkt die Aktivierungsenergie der Reaktion.
  9. Ethanol verdrängt Methanol kompetitiv, sodass kaum giftige Abbauprodukte entstehen.
  10. Etwa 8 bis 12 µmol je Minute.
  11. Rohe Kartoffel bei 35 °C.
  12. Es bindet sein Substrat fest und ist schon bei wenig Substrat halb gesättigt.
  13. Oxidationsmittel; es wird dabei selbst reduziert.
  14. Oxidiert, denn Glucose gibt Elektronen ab.
  15. Beim Bilden der neuen Bindungen der Produkte wird mehr Energie frei, als das Spalten kostet.
  16. Glucose und Sauerstoff reagieren zu Kohlenstoffdioxid und Wasser.
  17. Mehr Mitochondrien bilden mit Sauerstoff mehr ATP für den hohen Bedarf.
  18. Die Atmungskette läuft weiter, aber kaum ATP entsteht; die Energie wird Wärme.
  19. Spannungsgesteuerte Natriumkanäle öffnen sich, Natrium strömt ein: Depolarisation.
  20. Nicht in der Höhe; der starke Reiz löst mehr Aktionspotenziale je Sekunde aus.
  21. Das Ruhepotenzial bleibt, aber es entstehen keine Aktionspotenziale mehr.
  22. Calcium-Ionen strömen ein und lassen Vesikel mit der Membran verschmelzen.
  23. Agonist: Er wirkt wie der Transmitter.
  24. Acetylcholin bleibt im Spalt; die Muskeln sind dauererregt und verkrampfen.
  25. Es stabilisiert die Membran und hält ihre Fluidität bei Temperaturwechseln im Rahmen.
  26. Die Aktivität bleibt nahe 0, denn die Denaturierung ist meist nicht umkehrbar.
  27. Er wird als Wärme frei; das nennt man Energieentwertung.
  28. etwa 128 ATP
  29. 1485 Millisekunden
  30. Kaum Transmitterausschüttung, die Postsynapse wird nicht erregt.
  31. Einfache Diffusion entlang des Konzentrationsgefälles.
  32. Die Außenlösung, denn die Zellwand ist für sie durchlässig.
  33. Es liegt unverändert vor und kann das nächste Substrat umsetzen.
  34. Jedes Enzym hat ein eigenes pH-Optimum, passend zu seinem Wirkort.
  35. Er nimmt am Ende der Atmungskette Elektronen auf und wird zu Wasser.
  36. Im Cytoplasma der Zelle.
  37. Kurz danach ist kein neues möglich; so läuft die Erregung nur in eine Richtung.
  38. Chemisch: Transmittermoleküle diffundieren zur Postsynapse.