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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

Warum diffundiert ein Duftstoff in einem warmen Raum schneller? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Temperatur ist ein Maß für die Teilchenbewegung.
  2. Schnellere Teilchen verteilen sich schneller.
  3. Eine Absicht oder Richtung haben sie nicht.
  1. Temperatur ist ein Maß für die Teilchenbewegung.
  2. Schnellere Teilchen verteilen sich schneller.
  3. Eine Absicht oder Richtung haben sie nicht.
Ergebnis:
Die Teilchen bewegen sich bei höherer Temperatur schneller ungeordnet.

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
    Glucose strömt über ein Trägerprotein in eine Leberzelle, weil außen mehr Glucose ist. Welche Transportart ist das? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Glucose folgt ihrem Gefälle nach innen.
    Lösung zeigen
    1. Glucose folgt ihrem Gefälle nach innen.
    2. Ein Trägerprotein hilft nur beim Durchqueren.
    3. Ohne Energie und mit Protein: erleichterte Diffusion.
    Ergebnis:
    Erleichterte Diffusion, passiv mit Hilfe eines Carriers.
  2. ●2
    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.
  3. ★3
    Warum können Zellen der Bauchspeicheldrüse große Mengen Insulin in Sekunden ausschütten? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Insulin ist ein großes Protein.
    2. Es wird vorab in Vesikeln gespeichert.
    3. Auf ein Signal hin verschmelzen viele Vesikel gleichzeitig mit der Membran.
    Ergebnis:
    Insulin liegt fertig in Vesikeln, die auf ein Signal hin per Exocytose verschmelzen.

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
    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. ★6
    Einzeller im Süßwasser nehmen ständig Wasser auf. Wozu dient ihre pulsierende Vakuole? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Süßwasser ist hypotonisch zum Zellinneren.
    2. Wasser strömt ständig netto ein.
    3. Ohne Zellwand muss der Einzeller es aktiv wieder hinausbefördern.
    Ergebnis:
    Die Vakuole pumpt eingeströmtes Wasser unter Energieaufwand hinaus.

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

Was geschieht mit einem Enzym nach der Reaktion? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Enzyme sind Biokatalysatoren.
  2. Das Substrat bindet nur kurz im aktiven Zentrum.
  3. Danach liegt das Enzym unverändert vor.
  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.

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
    Woraus bestehen die meisten Enzyme? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    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.
  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

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.
Schritt für Schritt
  1. Bei 60 °C ist das Enzym denaturiert.
  2. Die Raumstruktur bildet sich beim Abkühlen meist nicht zurück.
  3. Die Aktivität bleibt verloren.
  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.

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
    Mit steigender Substratkonzentration steigt die Reaktionsgeschwindigkeit erst stark, dann kaum noch. Warum? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Bei wenig Substrat sind viele aktive Zentren frei.
    Lösung zeigen
    1. Bei wenig Substrat sind viele aktive Zentren frei.
    2. Mit mehr Substrat werden sie zunehmend besetzt.
    3. Sind alle besetzt, bringt mehr Substrat nichts mehr.
    Ergebnis:
    Fast alle aktiven Zentren sind besetzt; das Enzym ist gesättigt.
  2. ●11
    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.
    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.
  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

Welche Rolle spielt ATP in der Zelle? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. ATP wird beim Abbau gebildet.
  2. Es wird dort gespalten, wo Arbeit nötig ist.
  3. Es ist ein kurzfristiger Energieüberträger, kein Langzeitspeicher.
  1. ATP wird beim Abbau gebildet.
  2. Es wird dort gespalten, wo Arbeit nötig ist.
  3. Es ist ein kurzfristiger Energieüberträger, kein Langzeitspeicher.
Ergebnis:
Es überträgt Energie von abbauenden auf energieverbrauchende Vorgänge.

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
    Was kennzeichnet eine Redoxreaktion? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    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.
  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

Warum haben Muskelzellen von Ausdauersportlern besonders viele Mitochondrien? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Ausdauerleistung braucht dauerhaft viel ATP.
  2. Den größten Teil bilden die Mitochondrien mit Sauerstoff.
  3. Training erhöht ihre Zahl.
  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.

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
    Was entsteht in der Glykolyse aus einem Molekül Glucose? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Glucose hat sechs Kohlenstoffatome.
    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⁺.
  2. ●17
    Wo findet die Glykolyse statt? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Die Glykolyse ist der erste Schritt.
    2. Dafür braucht es keine Mitochondrien.
    3. Die Glykolyse läuft im Cytoplasma.
    Ergebnis:
    Im Cytoplasma der Zelle.
  3. ★18
    Rote Blutzellen haben keine Mitochondrien. Wie bilden sie ihr ATP? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Ohne Mitochondrien fehlen Tricarbonsäurezyklus und Atmungskette.
    2. Die Glykolyse läuft im Cytoplasma.
    3. NAD⁺ wird durch Milchsäurebildung zurückgewonnen.
    Ergebnis:
    Nur über die Glykolyse mit anschließender Milchsäuregärung.

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 passiert, wenn die Membran eines Axons den Schwellenwert erreicht? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Am Schwellenwert öffnen sich viele Natriumkanäle.
  2. Natrium strömt seinem Gefälle nach ein.
  3. Das Innere wird kurz positiv.
  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.

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
    Wie groß ist das Ruhepotenzial einer Nervenzelle etwa? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Gemessen wird innen gegen außen.
    Lösung zeigen
    1. Gemessen wird innen gegen außen.
    2. In Ruhe ist das Innere negativ geladen.
    3. Der Wert liegt bei etwa −70 mV.
    Ergebnis:
    Etwa −70 mV, das Zellinnere ist negativ.
  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
    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

Warum leitet eine chemische Synapse nur in eine Richtung? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Transmitter werden nur aus der Präsynapse ausgeschüttet.
  2. Rezeptoren sitzen nur an der Postsynapse.
  3. Deshalb ist die Richtung festgelegt.
  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.

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. ○22
    Was ist eine neuromuskuläre Synapse? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Neuro steht für Nerv, muskulär für Muskel.
    Lösung zeigen
    1. Neuro steht für Nerv, muskulär für Muskel.
    2. Dort überträgt Acetylcholin die Erregung auf die Muskelfaser.
    3. Die Stelle heißt motorische Endplatte.
    Ergebnis:
    Die Verbindung zwischen motorischer Nervenfaser und Muskelfaser, die motorische Endplatte.
  2. ●23
    Wozu dient die Acetylcholinesterase im synaptischen Spalt? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Acetylcholin bleibt sonst an den Rezeptoren.
    2. Das Enzym spaltet es in Acetat und Cholin.
    3. Die Kanäle schließen sich, die Erregung endet.
    Ergebnis:
    Das Enzym spaltet Acetylcholin und beendet so die Erregung.
  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
    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.
  2. ●26
    Welche Teile eines Phospholipids sind wasserliebend, welche wasserabweisend? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Der Kopf trägt eine geladene Phosphatgruppe.
    2. Die Fettsäureschwänze sind lange unpolare Ketten.
    3. Deshalb bilden Phospholipide in Wasser eine Doppelschicht.
    Ergebnis:
    Der Phosphatkopf ist hydrophil, die beiden Fettsäureschwänze sind hydrophob.
  3. ●27
    Urease spaltet nur Harnstoff und keinen anderen Stoff. Welche Eigenschaft des Enzyms zeigt das? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Gefragt ist, welches Substrat das Enzym umsetzt.
    2. Nur ein bestimmtes Substrat passt ins aktive Zentrum.
    3. Das heißt Substratspezifität.
    Ergebnis:
    Substratspezifität.
  4. ●28
    Woher stammt die Energie, die bei der Spaltung von ATP zu ADP und Phosphat frei wird? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Das Spalten einer Bindung kostet Energie.
    2. Beim Bilden der Produkte wird mehr Energie frei.
    3. Netto wird die Differenz frei.
    Ergebnis:
    Die Produkte sind energieärmer als die Ausgangsstoffe; die Differenz wird frei.
  5. ●29
    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.
  6. ●30
    In einer Muskelzelle werden 4 Glucosemoleküle vollständig über Glykolyse, oxidative Decarboxylierung, Tricarbonsäurezyklus und Atmungskette abgebaut. Wie viele NADH + H⁺ entstehen allein im Tricarbonsäurezyklus?
    Lösung zeigen
    1. Je Durchlauf des Tricarbonsäurezyklus entstehen 3 NADH + H⁺.
    2. Je Glucose läuft er zweimal, also 6 NADH + H⁺.
    3. 4 · 6 = 24.
    Ergebnis:
    24 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.

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.

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.

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
    Zellen einer roten Zwiebel liegen in konzentrierter Salzlösung. Was beobachtet man? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Die Vakuole schrumpft, der Protoplast löst sich von der Zellwand: Plasmolyse.

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

    33
    Was ist der Enzym-Substrat-Komplex? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Das Enzym mit dem Substrat, das kurzzeitig im aktiven Zentrum gebunden ist.

  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
    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
    Warum haben Muskelzellen von Ausdauersportlern besonders viele Mitochondrien? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Mehr Mitochondrien bilden mit Sauerstoff mehr ATP für den hohen Bedarf.

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

    37
    Was passiert, wenn die Membran eines Axons den Schwellenwert erreicht? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Spannungsgesteuerte Natriumkanäle öffnen sich, Natrium strömt ein: Depolarisation.

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

    38
    Was bewirkt Acetylcholin an der postsynaptischen Membran einer erregenden Synapse? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Es öffnet ligandengesteuerte Kanäle, Natrium strömt ein: Ein EPSP entsteht.

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. Erleichterte Diffusion, passiv mit Hilfe eines Carriers.
  2. Aktiver Transport geht gegen das Gefälle und braucht Energie, passiver nicht.
  3. Insulin liegt fertig in Vesikeln, die auf ein Signal hin per Exocytose verschmelzen.
  4. Diffusion von Wasser durch eine selektiv permeable Membran zur konzentrierteren Lösung.
  5. Die Außenlösung, denn die Zellwand ist für sie durchlässig.
  6. Die Vakuole pumpt eingeströmtes Wasser unter Energieaufwand hinaus.
  7. Das Enzym mit dem Substrat, das kurzzeitig im aktiven Zentrum gebunden ist.
  8. Aus Proteinen mit einer bestimmten Raumstruktur.
  9. Die Bindungen der Bausteine sind verschieden; nur die der Stärke passen ins aktive Zentrum.
  10. Fast alle aktiven Zentren sind besetzt; das Enzym ist gesättigt.
  11. Etwa 8 bis 12 µmol je Minute.
  12. Das Enzym denaturiert dabei kaum und übersteht viele Heizzyklen.
  13. Er nimmt am Ende der Atmungskette Elektronen auf und wird zu Wasser.
  14. Oxidation und Reduktion sind gekoppelt: Elektronen wechseln den Partner.
  15. Die Protonen strömen ihrem Gefälle nach zurück und treiben dabei die ATP-Synthase an.
  16. Zwei Brenztraubensäuren, netto 2 ATP und 2 NADH + H⁺.
  17. Im Cytoplasma der Zelle.
  18. Nur über die Glykolyse mit anschließender Milchsäuregärung.
  19. Etwa −70 mV, das Zellinnere ist negativ.
  20. Kurz danach ist kein neues möglich; so läuft die Erregung nur in eine Richtung.
  21. Das Ruhepotenzial bleibt, aber es entstehen keine Aktionspotenziale mehr.
  22. Die Verbindung zwischen motorischer Nervenfaser und Muskelfaser, die motorische Endplatte.
  23. Das Enzym spaltet Acetylcholin und beendet so die Erregung.
  24. Kaum Transmitterausschüttung, die Postsynapse wird nicht erregt.
  25. Die Membran muss verformt, das Bläschen abgeschnürt und bewegt werden.
  26. Der Phosphatkopf ist hydrophil, die beiden Fettsäureschwänze sind hydrophob.
  27. Substratspezifität.
  28. Die Produkte sind energieärmer als die Ausgangsstoffe; die Differenz wird frei.
  29. Aus den abgebauten Nährstoffen, zum Beispiel aus Glucose.
  30. 24 NADH + H⁺
  31. Primär aktiver Transport unter Spaltung von ATP.
  32. Die Vakuole schrumpft, der Protoplast löst sich von der Zellwand: Plasmolyse.
  33. Das Enzym mit dem Substrat, das kurzzeitig im aktiven Zentrum gebunden ist.
  34. Jedes Enzym hat ein eigenes pH-Optimum, passend zu seinem Wirkort.
  35. Die Produkte sind energieärmer als die Ausgangsstoffe; die Differenz wird frei.
  36. Mehr Mitochondrien bilden mit Sauerstoff mehr ATP für den hohen Bedarf.
  37. Spannungsgesteuerte Natriumkanäle öffnen sich, Natrium strömt ein: Depolarisation.
  38. Es öffnet ligandengesteuerte Kanäle, Natrium strömt ein: Ein EPSP entsteht.