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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

Fresszellen nehmen ganze Bakterien auf. Wie heißt dieser Vorgang? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Die Membran umfließt das Bakterium.
  2. Es wird in einem Bläschen nach innen abgeschnürt.
  3. Aufnahme in Bläschen heißt Endocytose, bei großen Teilchen Phagocytose.
  1. Die Membran umfließt das Bakterium.
  2. Es wird in einem Bläschen nach innen abgeschnürt.
  3. Aufnahme in Bläschen heißt Endocytose, bei großen Teilchen Phagocytose.
Ergebnis:
Phagocytose, eine Form der Endocytose.

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
    Bei Sauerstoffmangel wird ein Stoff nicht mehr aufgenommen, ein anderer schon. Welcher wird vermutlich aktiv transportiert? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Ohne Sauerstoff bildet die Zelle wenig ATP.
    Lösung zeigen
    1. Ohne Sauerstoff bildet die Zelle wenig ATP.
    2. Aktiver Transport hängt von ATP ab.
    3. Passiver Transport läuft weiter, solange ein Gefälle besteht.
    Ergebnis:
    Der Stoff, dessen Aufnahme ausfällt, weil ohne Sauerstoff kaum ATP entsteht.
  2. ●2
    Glucose strömt über ein Trägerprotein in eine Leberzelle, weil außen mehr Glucose ist. Welche Transportart ist das? Begründe die Wahl.
    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.
  3. ★3
    Ein Gift hemmt die ATP-Bildung. Was geschieht mit den Konzentrationsgefällen von Natrium und Kalium? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Die Natrium-Kalium-Pumpe braucht ATP.
    2. Durch offene Kanäle sickern die Ionen weiter ihrem Gefälle nach.
    3. Ohne Pumpe gleichen sich die Konzentrationen langsam an.
    Ergebnis:
    Die Pumpe steht still, die Gefälle bauen sich durch Leckströme langsam ab.

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

Warum platzen Pflanzenzellen in Wasser nicht? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. In reinem Wasser nehmen auch Pflanzenzellen Wasser auf.
  2. Der Protoplast drückt gegen die Zellwand.
  3. Die feste Wand hält dagegen; die Zelle wird prall.
  1. In reinem Wasser nehmen auch Pflanzenzellen Wasser auf.
  2. Der Protoplast drückt gegen die Zellwand.
  3. Die feste Wand hält dagegen; die Zelle wird prall.
Ergebnis:
Die feste Zellwand hält dem Innendruck stand.

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
    Wo sitzt in der Zelle einer roten Zwiebel der Farbstoff, der die Plasmolyse sichtbar macht? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Der rote Farbstoff ist im Zellsaft gelöst.
    Lösung zeigen
    1. Der rote Farbstoff ist im Zellsaft gelöst.
    2. Der Zellsaft füllt die Vakuole.
    3. Schrumpft die Vakuole, wird die rote Fläche kleiner.
    Ergebnis:
    Im Zellsaft der Vakuole.
  2. ●5
    Rote Blutzellen kommen in destilliertes Wasser. Was geschieht? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Im Zellinneren sind mehr gelöste Teilchen als im Wasser.
    2. Wasser strömt netto hinein.
    3. Ohne Zellwand platzen die Zellen.
    Ergebnis:
    Wasser strömt ein, die Zellen schwellen an und platzen.
  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

Welches Modell beschreibt, dass sich das aktive Zentrum beim Binden des Substrats leicht anpasst? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Das Schlüssel-Schloss-Modell nimmt eine starre Form an.
  2. Tatsächlich passt sich das aktive Zentrum beim Binden an.
  3. Das beschreibt das Modell der induzierten Passform.
  1. Das Schlüssel-Schloss-Modell nimmt eine starre Form an.
  2. Tatsächlich passt sich das aktive Zentrum beim Binden an.
  3. Das beschreibt das Modell der induzierten Passform.
Ergebnis:
Das Modell der induzierten Passform.

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
    Wie beschleunigt ein Enzym eine Reaktion? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Jede Reaktion braucht eine Anstoßenergie, die Aktivierungsenergie.
    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.
  2. ●8
    Ein Hemmstoff bindet außerhalb des aktiven Zentrums und verändert die Form des Enzyms. Wie heißt diese Hemmung? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Der Hemmstoff bindet an einer anderen Stelle.
    2. Die Formänderung verändert auch das aktive Zentrum.
    3. Das ist eine allosterische Hemmung.
    Ergebnis:
    Allosterische Hemmung.
  3. ★9
    Was ist das Substrat einer Enzymreaktion? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Das Substrat ist der Ausgangsstoff der Reaktion.
    2. Es bindet im aktiven Zentrum.
    3. Dort wird es zum Produkt umgesetzt.
    Ergebnis:
    Der Stoff, der im aktiven Zentrum gebunden und umgesetzt wird.

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

Eine Kurve zeigt die Aktivität eines Enzyms über dem pH-Wert. Was bedeutet der Gipfel der Kurve? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Senkrecht steht die Aktivität.
  2. Der Gipfel ist der Punkt mit der höchsten Aktivität.
  3. Der pH-Wert an dieser Stelle heißt pH-Optimum.
  1. Senkrecht steht die Aktivität.
  2. Der Gipfel ist der Punkt mit der höchsten Aktivität.
  3. Der pH-Wert an dieser Stelle heißt pH-Optimum.
Ergebnis:
Dort liegt das pH-Optimum: Das Enzym arbeitet am schnellsten.

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
    Mit steigender Substratkonzentration steigt die Reaktionsgeschwindigkeit erst stark, dann kaum noch. Warum? Begründe die Wahl.
    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.
  3. ★12
    Wo liegt vermutlich das Temperaturoptimum der Verdauungsenzyme eines Fisches aus dem Polarmeer im Vergleich zum Menschen? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Fische haben etwa die Temperatur des Wassers.
    2. Die Enzyme des Fisches müssen bei Kälte arbeiten.
    3. Das Optimum liegt deshalb tiefer.
    Ergebnis:
    Deutlich tiefer, passend zur Wassertemperatur seines Lebensraums.

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 mit dem Sauerstoff, den wir einatmen, in der Zelle? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Sauerstoff ist der letzte Empfänger der Elektronen.
  2. Mit Protonen bildet er Wasser.
  3. Das Kohlenstoffdioxid stammt aus der Glucose.
  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.

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 bei einer Reduktion? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Reduktion heißt Elektronenaufnahme.
    Lösung zeigen
    1. Reduktion heißt Elektronenaufnahme.
    2. Das Gegenstück ist die Oxidation eines Partners.
    3. Der Partner gibt dabei die Elektronen ab.
    Ergebnis:
    Ein Teilchen nimmt Elektronen auf.
  2. ●14
    Wie wird ATP in der Zelle wieder aufgebaut? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. ATP wird ständig gespalten.
    2. Aus ADP und Phosphat wird es neu gebildet.
    3. Die Energie dafür liefert der Abbau von Glucose und Fetten.
    Ergebnis:
    Aus ADP und Phosphat, mit Energie aus dem Abbau von Nährstoffen.
  3. ★15
    In der Atmungskette werden Elektronen von NADH + H⁺ schrittweise auf Sauerstoff übertragen. Welchen Vorteil haben viele kleine Schritte? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Die Gesamtenergie ist bei einem oder vielen Schritten gleich.
    2. In kleinen Schritten geht weniger sofort als Wärme verloren.
    3. Jede Portion treibt Protonenpumpen an.
    Ergebnis:
    Die Energie wird portionsweise frei und kann zum Pumpen von Protonen genutzt werden.

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
    Welcher Teilschritt verbindet die Glykolyse mit dem Tricarbonsäurezyklus? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Die Glykolyse liefert Brenztraubensäure.
    2. Diese wird in der Matrix zu Acetyl-Coenzym A umgebaut.
    3. Acetyl-Coenzym A geht in den Tricarbonsäurezyklus.
    Ergebnis:
    Die oxidative Decarboxylierung in der Matrix.
  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

Wie groß ist das Ruhepotenzial einer Nervenzelle etwa? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Gemessen wird innen gegen außen.
  2. In Ruhe ist das Innere negativ geladen.
  3. Der Wert liegt bei etwa −70 mV.
  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.

AchtungIonen, Kanäle oder Messung verwechselt

So nicht
Beim Aktionspotenzial strömt Kalium ein und Natrium aus.
So richtig
Beim Aktionspotenzial strömt zuerst Natrium ein (Depolarisation), dann Kalium aus (Repolarisation).

Schreib zuerst auf, wo welches Ion in Ruhe überwiegt: Natrium außen, Kalium innen. Offene Kanäle lassen Ionen ihrem Gefälle folgen.

ÜbenJetzt du

  1. ○19
    Warum ist das Zellinnere einer Nervenzelle in Ruhe negativ? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    In Ruhe sind vor allem Kaliumkanäle offen.
    Lösung zeigen
    1. In Ruhe sind vor allem Kaliumkanäle offen.
    2. Kalium folgt seinem Gefälle nach außen und nimmt positive Ladung mit.
    3. Die großen Anionen bleiben innen, das Innere wird negativ.
    Ergebnis:
    Kalium-Ionen diffundieren durch offene Kanäle hinaus, die Anionen bleiben zurück.
  2. ●20
    Was passiert, wenn die Membran eines Axons den Schwellenwert erreicht? Begründe die Wahl.
    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.
  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

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

AchtungSynapse als elektrische Brücke gedacht

So nicht
Das Aktionspotenzial springt über den synaptischen Spalt.
So richtig
Am Spalt endet das elektrische Signal. Transmitter diffundieren hinüber und lösen an der Postsynapse ein neues Signal aus.

Am synaptischen Spalt wird das Signal chemisch: Transmitter werden freigesetzt, binden an Rezeptoren und öffnen dort Kanäle.

ÜbenJetzt du

  1. ○22
    Botulinumtoxin verhindert die Ausschüttung von Acetylcholin. Wie wirkt es auf den Muskel? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Ohne Ausschüttung gelangt kein Acetylcholin in den Spalt.
    Lösung zeigen
    1. Ohne Ausschüttung gelangt kein Acetylcholin in den Spalt.
    2. Die Rezeptoren der Endplatte bleiben geschlossen.
    3. Der Muskel erschlafft.
    Ergebnis:
    Der Muskel bekommt kein Signal mehr und erschlafft.
  2. ●23
    Wo wird Acetylcholin in der Präsynapse bis zur Ausschüttung aufbewahrt? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Acetylcholin wird im Endknöpfchen gebildet.
    2. Es wird in kleine Membranbläschen gefüllt.
    3. Bei Erregung werden diese Vesikel per Exocytose entleert.
    Ergebnis:
    In synaptischen Vesikeln im Endknöpfchen.
  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
    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.
  2. ●26
    Warum durchqueren Ionen die Lipiddoppelschicht kaum? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Ionen tragen eine Ladung und sind von Wassermolekülen umhüllt.
    2. Im unpolaren Inneren der Membran fehlt diese Umgebung.
    3. Ionen brauchen deshalb Kanäle oder Pumpen.
    Ergebnis:
    Ionen sind geladen und von Wasser umhüllt; das unpolare Innere lässt sie kaum hinein.
  3. ●27
    In welcher Form liegt ATP vor, nachdem es Energie übertragen hat? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Bei der Spaltung entstehen ADP und Phosphat.
    2. Beide bleiben in der Zelle.
    3. Mit Energie aus dem Abbau entsteht daraus wieder ATP.
    Ergebnis:
    Als ADP und Phosphat, die wieder zu ATP aufgebaut werden.
  4. ●28
    Welche Stoffe liefert der Tricarbonsäurezyklus vor allem an die Atmungskette? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Im Tricarbonsäurezyklus werden Elektronen auf NAD⁺ und FAD übertragen.
    2. Es entstehen NADH + H⁺ und FADH₂.
    3. Diese Überträger geben die Elektronen an die Atmungskette ab.
    Ergebnis:
    Die reduzierten Überträger NADH + H⁺ und FADH₂.
  5. ●29
    In einer Muskelzelle werden 3 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. 3 · 32 = 96.
    Ergebnis:
    etwa 96 ATP
  6. ●30
    Welche Ionen sind im Inneren einer ruhenden Nervenzelle stark angereichert? Begründe die Wahl.
    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.

Auf einen Blick

MerkenDas Wichtigste

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

AchtungBau von Membran und Zellwand falsch vorgestellt

So nicht
Die Membran ist eine feste Wand mit Löchern; die Zellwand entscheidet, was hineinkommt.
So richtig
Die Membran ist eine flüssige Lipiddoppelschicht mit beweglichen Proteinen; die Zellwand ist fest und durchlässig.

Denk an die Lipiddoppelschicht: wasserliebende Köpfe außen, wasserabweisende Schwänze innen, Proteine darin beweglich. Die Zellwand ist ein festes, durchlässiges Netz.

AchtungTransportart verwechselt

So nicht
Ein Kanalprotein ist beteiligt, also ist es aktiver Transport.
So richtig
Entscheidend ist das Gefälle: Mit dem Gefälle ist der Transport passiv, auch mit Protein; gegen das Gefälle ist er aktiv.

Frag zuerst: Geht der Stoff mit oder gegen sein Gefälle? Nur gegen das Gefälle braucht es Energie, ob mit oder ohne Protein.

AchtungSpezifität oder Hemmart verwechselt

So nicht
Der Hemmstoff bindet außerhalb des aktiven Zentrums, also ist es eine kompetitive Hemmung.
So richtig
Bindet er außerhalb und verändert die Form, ist es eine allosterische Hemmung. Kompetitiv heißt Konkurrenz um das aktive Zentrum.

Frag: Wo bindet der Hemmstoff, und hilft mehr Substrat? Konkurrenz um das aktive Zentrum ist kompetitiv, eine andere Bindestelle ist allosterisch.

AchtungEnzymdiagramm falsch gelesen

So nicht
Die Kurve steigt, also wird die Reaktion mit mehr Substrat immer schneller.
So richtig
Die Kurve flacht ab: Ab einer bestimmten Substratkonzentration sind alle aktiven Zentren besetzt.

Lies zuerst die Achsen und dann den Verlauf in Abschnitten: Wo steigt die Kurve, wo flacht sie ab, wo fällt sie?

AchtungOxidation und Reduktion vertauscht

So nicht
NAD⁺ nimmt Elektronen auf und wird oxidiert.
So richtig
NAD⁺ nimmt Elektronen auf und wird reduziert. Der Stoff, der sie abgibt, wird oxidiert.

Merk dir: Oxidation ist Elektronenabgabe, Reduktion ist Elektronenaufnahme. Beides geschieht immer zusammen.

AchtungRolle des Sauerstoffs falsch vorgestellt

So nicht
Der eingeatmete Sauerstoff wird zu Kohlenstoffdioxid.
So richtig
Der Sauerstoff nimmt am Ende der Atmungskette Elektronen auf und wird zu Wasser. Das Kohlenstoffdioxid stammt aus der Glucose.

Verfolge die Atome: Der Kohlenstoff im Kohlenstoffdioxid kommt aus der Nahrung. Der Sauerstoff aus der Luft landet im Wasser.

AchtungNur die Glykolyse bilanziert

So nicht
Aus einer Glucose entstehen 2 ATP.
So richtig
2 ATP sind nur die Nettobilanz der Glykolyse. Beim vollständigen Abbau entstehen etwa 30 bis 32 ATP.

Prüf, welcher Abschnitt gefragt ist. Vollständiger Abbau heißt: alle vier Teilschritte zusammenzählen.

AchtungBezug je Glucose und je Brenztraubensäure verwechselt

So nicht
Im Tricarbonsäurezyklus entstehen 2 Kohlenstoffdioxid je Glucose.
So richtig
2 Kohlenstoffdioxid entstehen je Brenztraubensäure. Aus einer Glucose entstehen zwei Brenztraubensäuren, also 4.

Aus einer Glucose werden zwei Brenztraubensäuren. Alles nach der Glykolyse läuft je Glucose zweimal.

AchtungAktionspotenzial als abgestuftes Signal

So nicht
Ein stärkerer Reiz löst ein höheres Aktionspotenzial aus, das unterwegs schwächer wird.
So richtig
Jedes Aktionspotenzial ist gleich hoch und wird an jeder Stelle neu gebildet. Ein stärkerer Reiz löst mehr Aktionspotenziale je Sekunde aus.

Aktionspotenziale folgen dem Alles-oder-nichts-Gesetz. Die Reizstärke steckt in der Frequenz, nicht in der Höhe.

AchtungErregungsleitung falsch vorgestellt

So nicht
Das Myelin macht die Leitung langsamer; die Erregung springt von Zelle zu Zelle.
So richtig
Das Myelin isoliert; die Erregung springt innerhalb eines Axons von Schnürring zu Schnürring und ist dadurch schneller.

Saltatorisch heißt: Aktionspotenziale entstehen nur an den Schnürringen. Dazwischen isoliert das Myelin, das spart Zeit und Energie.

AchtungLeitungszeit falsch berechnet

So nicht
50 cm bei 1 m/s: 50 Sekunden.
So richtig
50 cm sind 0,5 m. 0,5 m : 1 m/s = 0,5 Sekunden, also 500 Millisekunden.

Rechne zuerst alles in Meter und Sekunden um. Die Zeit ist die Strecke geteilt durch die Geschwindigkeit.

AchtungWirkung eines Stoffes an der Synapse falsch abgeleitet

So nicht
Ein Hemmstoff der Acetylcholinesterase lähmt den Muskel sofort schlaff.
So richtig
Ohne Abbau bleibt Acetylcholin im Spalt; der Muskel ist dauererregt und verkrampft.

Frag: Wo greift der Stoff an, bei Ausschüttung, Rezeptor, Abbau oder Wiederaufnahme? Daraus folgt mehr oder weniger Transmitterwirkung.

Kannst du das?

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

ÜbenSelbsttest

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

    31
    Wie lange läuft die Netto-Diffusion eines Stoffes in eine Zelle? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Bis innen und außen gleich viel ist; dann wandern gleich viele Teilchen hin wie her.

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

    32
    Ein Kartoffelstäbchen liegt eine Stunde in destilliertem Wasser. Wie verändert sich seine Masse? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Die Masse nimmt zu, weil Wasser in die Zellen einströmt.

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

    33
    Ein Hemmstoff bindet außerhalb des aktiven Zentrums und verändert die Form des Enzyms. Wie heißt diese Hemmung? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Allosterische Hemmung.

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

    34
    Pepsin aus dem Magen hat sein pH-Optimum bei etwa 2. Wie aktiv ist es im Dünndarm bei pH 8? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Kaum aktiv, weil der pH-Wert weit vom Optimum entfernt ist.

  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
    Wohin pumpen die Proteine der Atmungskette die Protonen? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Aus der Matrix in den Intermembranraum.

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

    37
    Wodurch kommt die Repolarisation beim Aktionspotenzial zustande? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Natriumkanäle schließen sich, Kaliumkanäle öffnen sich, Kalium strömt aus.

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

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

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

Die Frage vom Anfang

EntdeckenRückschau

Warum hilft Händewaschen mit Seife gegen Grippeviren?

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

Auflösung

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

Wörter

Funktion
eine Regel, die aus einer Zahl eine andere macht

Lösungen

  1. Der Stoff, dessen Aufnahme ausfällt, weil ohne Sauerstoff kaum ATP entsteht.
  2. Erleichterte Diffusion, passiv mit Hilfe eines Carriers.
  3. Die Pumpe steht still, die Gefälle bauen sich durch Leckströme langsam ab.
  4. Im Zellsaft der Vakuole.
  5. Wasser strömt ein, die Zellen schwellen an und platzen.
  6. Die Vakuole pumpt eingeströmtes Wasser unter Energieaufwand hinaus.
  7. Es senkt die Aktivierungsenergie der Reaktion.
  8. Allosterische Hemmung.
  9. Der Stoff, der im aktiven Zentrum gebunden und umgesetzt wird.
  10. Etwa 8 bis 12 µmol je Minute.
  11. Fast alle aktiven Zentren sind besetzt; das Enzym ist gesättigt.
  12. Deutlich tiefer, passend zur Wassertemperatur seines Lebensraums.
  13. Ein Teilchen nimmt Elektronen auf.
  14. Aus ADP und Phosphat, mit Energie aus dem Abbau von Nährstoffen.
  15. Die Energie wird portionsweise frei und kann zum Pumpen von Protonen genutzt werden.
  16. Zwei Brenztraubensäuren, netto 2 ATP und 2 NADH + H⁺.
  17. Die oxidative Decarboxylierung in der Matrix.
  18. Die Atmungskette läuft weiter, aber kaum ATP entsteht; die Energie wird Wärme.
  19. Kalium-Ionen diffundieren durch offene Kanäle hinaus, die Anionen bleiben zurück.
  20. Spannungsgesteuerte Natriumkanäle öffnen sich, Natrium strömt ein: Depolarisation.
  21. Das Ruhepotenzial bleibt, aber es entstehen keine Aktionspotenziale mehr.
  22. Der Muskel bekommt kein Signal mehr und erschlafft.
  23. In synaptischen Vesikeln im Endknöpfchen.
  24. Acetylcholin bleibt länger im Spalt und erreicht die übrigen Rezeptoren öfter.
  25. Aktiver Transport geht gegen das Gefälle und braucht Energie, passiver nicht.
  26. Ionen sind geladen und von Wasser umhüllt; das unpolare Innere lässt sie kaum hinein.
  27. Als ADP und Phosphat, die wieder zu ATP aufgebaut werden.
  28. Die reduzierten Überträger NADH + H⁺ und FADH₂.
  29. etwa 96 ATP
  30. Kalium-Ionen und große organische Anionen.
  31. Bis innen und außen gleich viel ist; dann wandern gleich viele Teilchen hin wie her.
  32. Die Masse nimmt zu, weil Wasser in die Zellen einströmt.
  33. Allosterische Hemmung.
  34. Kaum aktiv, weil der pH-Wert weit vom Optimum entfernt ist.
  35. Die Produkte sind energieärmer als die Ausgangsstoffe; die Differenz wird frei.
  36. Aus der Matrix in den Intermembranraum.
  37. Natriumkanäle schließen sich, Kaliumkanäle öffnen sich, Kalium strömt aus.
  38. Calcium-Ionen strömen ein und lassen Vesikel mit der Membran verschmelzen.