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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

Wodurch unterscheidet sich aktiver von passivem Transport? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Passiver Transport folgt dem Gefälle von selbst.
  2. Aktiver Transport führt gegen das Gefälle.
  3. Nur er braucht Energie, meist aus ATP.
  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.

AchtungDiffusion als gezielte Bewegung

So nicht
Die Teilchen wandern in die Zelle, weil die Zelle sie braucht.
So richtig
Die Teilchen bewegen sich zufällig. Netto wandern mehr dorthin, wo weniger von ihnen sind.

Teilchen haben kein Ziel. Die Teilchen stoßen zufällig herum, und netto entsteht ein Ausgleich der Konzentrationen.

ÜbenJetzt du

  1. ○1
    Wasser gelangt schnell durch Aquaporine in Nierenzellen. Welche Transportart liegt vor? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Aquaporine sind Wasserkanäle.
    Lösung zeigen
    1. Aquaporine sind Wasserkanäle.
    2. Das Wasser folgt dem osmotischen Gefälle.
    3. Ohne Energie und mit Kanal: passiver Transport.
    Ergebnis:
    Passiver Transport durch Kanalproteine, angetrieben vom Gefälle.
  2. ●2
    Warum diffundiert ein Duftstoff in einem warmen Raum schneller? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    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.
  3. ★3
    Ein Medikament ist wasserlöslich, groß und geladen. Welcher Weg in die Zelle ist am wahrscheinlichsten? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Große geladene Teilchen lösen sich nicht in der Lipidschicht.
    2. Solche Teilchen brauchen ein Protein oder ein Bläschen.
    3. Viele Medikamente nutzen so vorhandene Transportwege.
    Ergebnis:
    Über ein passendes Trägerprotein oder per Endocytose.

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
    Warum platzen Pflanzenzellen in Wasser nicht? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    In reinem Wasser nehmen auch Pflanzenzellen Wasser auf.
    Lösung zeigen
    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.
  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

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
    Warum passt nur ein bestimmtes Substrat in das aktive Zentrum eines Enzyms? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Das aktive Zentrum hat eine räumliche Form.
    Lösung zeigen
    1. Das aktive Zentrum hat eine räumliche Form.
    2. Dazu kommen Ladungen, die nur zu bestimmten Gruppen passen.
    3. Nur ein passendes Substrat wird gebunden.
    Ergebnis:
    Form und Ladungen des aktiven Zentrums sind auf dieses Substrat abgestimmt.
  2. ●8
    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

Warum fällt die Enzymaktivität oberhalb des Temperaturoptimums steil ab? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Enzyme sind Proteine mit einer empfindlichen Raumstruktur.
  2. Hitze löst die schwachen Bindungen, die sie halten.
  3. Das aktive Zentrum passt nicht mehr.
  1. Enzyme sind Proteine mit einer empfindlichen Raumstruktur.
  2. Hitze löst die schwachen Bindungen, die sie halten.
  3. Das aktive Zentrum passt nicht mehr.
Ergebnis:
Das Enzym denaturiert: Raumstruktur und aktives Zentrum gehen verloren.

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
    Ein Enzym wird nach einer Stunde bei 0 °C auf 37 °C erwärmt. Was zeigt die Messung? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Kälte verlangsamt die Teilchenbewegung.
    Lösung zeigen
    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.
  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
    Zwischen 20 °C und 30 °C verdoppelt sich in einem Versuch die Aktivität, zwischen 40 °C und 50 °C sinkt sie auf ein Viertel. Wie ist das zu deuten? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Unterhalb des Optimums beschleunigt Wärme die Reaktion.
    2. Oberhalb denaturieren immer mehr Enzymmoleküle.
    3. Beide Wirkungen überlagern sich zur Optimumkurve.
    Ergebnis:
    Bis zum Optimum gilt die RGT-Regel, darüber überwiegt die Denaturierung.

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
    Bei der Zellatmung wird Glucose zu Kohlenstoffdioxid abgebaut. Wird Glucose dabei oxidiert oder reduziert? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Die Elektronen der Glucose gehen auf NAD⁺ und FAD über.
    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.
  2. ●14
    Was geschieht bei einer Reduktion? Begründe die Wahl.
    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.
  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

Welcher Teilschritt verbindet die Glykolyse mit dem Tricarbonsäurezyklus? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Die Glykolyse liefert Brenztraubensäure.
  2. Diese wird in der Matrix zu Acetyl-Coenzym A umgebaut.
  3. Acetyl-Coenzym A geht in den Tricarbonsäurezyklus.
  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.

AchtungOrt oder Teilschritt der Zellatmung vertauscht

So nicht
Die Glykolyse läuft im Mitochondrium.
So richtig
Die Glykolyse läuft im Cytoplasma; oxidative Decarboxylierung und Tricarbonsäurezyklus in der Matrix, die Atmungskette an der inneren Membran.

Ordne jeden Teilschritt einem Raum zu: Cytoplasma, Matrix oder innere Mitochondrienmembran. Jede Bilanzzahl gehört zu genau einem Schritt.

ÜbenJetzt du

  1. ○16
    Wie entsteht in der Atmungskette ATP? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Die Atmungskette pumpt Protonen in den Intermembranraum.
    Lösung zeigen
    1. Die Atmungskette pumpt Protonen in den Intermembranraum.
    2. Die Protonen strömen durch die ATP-Synthase zurück.
    3. Diese Bewegung treibt die Bildung von ATP aus ADP und Phosphat.
    Ergebnis:
    Rückströmende Protonen treiben die ATP-Synthase an.
  2. ●17
    Wo läuft der Tricarbonsäurezyklus ab? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Der Tricarbonsäurezyklus folgt auf die oxidative Decarboxylierung.
    2. Seine Enzyme liegen gelöst im Inneren des Mitochondriums.
    3. Das ist die Matrix.
    Ergebnis:
    In der Matrix der Mitochondrien.
  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

Welche Ionen sind im Inneren einer ruhenden Nervenzelle stark angereichert? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  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.
  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.

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
    Ein schwacher und ein starker überschwelliger Reiz treffen ein Axon. Wie unterscheiden sich die Aktionspotenziale? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Aktionspotenziale folgen dem Alles-oder-nichts-Gesetz.
    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.
  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
    Bei einer Messung steigt die Spannung nach einem Reiz auf −60 mV und fällt dann ohne Aktionspotenzial zurück. Wie ist das zu deuten? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Eine kleine Depolarisation ohne Spitze ist kein Aktionspotenzial.
    2. Die Schwelle liegt bei etwa −50 mV.
    3. Unterschwellige Reize klingen ab.
    Ergebnis:
    Der Reiz war unterschwellig; die Schwelle bei etwa −50 mV wurde nicht erreicht.

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

Nervenkampfstoffe wie Sarin hemmen die Acetylcholinesterase. Was folgt an der motorischen Endplatte? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Ohne Esterase wird Acetylcholin nicht abgebaut.
  2. Die Rezeptoren bleiben offen.
  3. Der Muskel wird dauernd erregt und verkrampft.
  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.

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
    Curare blockiert die Acetylcholin-Rezeptoren an der motorischen Endplatte. Was folgt? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Curare besetzt die Rezeptoren, ohne sie zu öffnen.
    Lösung zeigen
    1. Curare besetzt die Rezeptoren, ohne sie zu öffnen.
    2. Acetylcholin kann nicht mehr wirken.
    3. Der Muskel bekommt kein Signal und erschlafft.
    Ergebnis:
    Die Muskeln erschlaffen: schlaffe Lähmung, auch der Atemmuskeln.
  2. ●23
    Warum leitet eine chemische Synapse nur in eine Richtung? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Transmitter werden nur aus der Präsynapse ausgeschüttet.
    2. Rezeptoren sitzen nur an der Postsynapse.
    3. Deshalb ist die Richtung festgelegt.
    Ergebnis:
    Nur die Präsynapse hat Vesikel, nur die Postsynapse die passenden Rezeptoren.
  3. ★24
    Kokain hemmt die Wiederaufnahme von Dopamin in die Präsynapse. Warum wirkt bei häufigem Konsum dieselbe Menge schwächer? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Dauerhaft viel Dopamin im Spalt reizt die Postsynapse ständig.
    2. Die Postsynapse passt sich an und verringert die Zahl der Rezeptoren.
    3. Für dieselbe Wirkung braucht es mehr: Toleranz.
    Ergebnis:
    Die Postsynapse baut Rezeptoren ab, sodass dieselbe Menge weniger bewirkt.

Vermischte Übungen

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

Üben

  1. ●25
    Wo liegen in der Biomembran die integralen Proteine? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Integral heißt: in die Membran eingebaut.
    2. Diese Proteine durchspannen die Lipiddoppelschicht oder stecken tief darin.
    3. Lose aufliegende Proteine heißen peripher.
    Ergebnis:
    Quer durch die Lipiddoppelschicht oder tief in sie hineinragend.
  2. ●26
    Plasmolysierte Zwiebelzellen werden in destilliertes Wasser gelegt. Was passiert? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    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.
  3. ●27
    Blei-Ionen binden fest an ein Enzym und verändern dauerhaft seine Raumstruktur. Was folgt daraus? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Schwermetalle binden außerhalb des aktiven Zentrums fest.
    2. Die Raumstruktur bleibt verändert.
    3. Mehr Substrat ändert daran nichts.
    Ergebnis:
    Das Enzym bleibt gehemmt; auch mehr Substrat hilft nicht.
  4. ●28
    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
    1. Die pH-Kurve hat einen Gipfel beim Optimum.
    2. Bei pH 8 verändern sich die Ladungen im Enzym.
    3. Das aktive Zentrum passt kaum noch.
    Ergebnis:
    Kaum aktiv, weil der pH-Wert weit vom Optimum entfernt ist.
  5. ●29
    Welcher Teilschritt der Zellatmung liefert die meisten ATP? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Glykolyse und Tricarbonsäurezyklus liefern je Glucose zusammen nur 4 ATP.
    2. Die übrigen ATP stammen aus der Atmungskette.
    3. Dort treibt der Protonenrückstrom die ATP-Synthase an.
    Ergebnis:
    Die Atmungskette mit der ATP-Synthase.
  6. ●30
    In einer Muskelzelle werden 8 Glucosemoleküle vollständig über Glykolyse, oxidative Decarboxylierung, Tricarbonsäurezyklus und Atmungskette abgebaut. Wie viele NADH + H⁺ entstehen insgesamt?
    Lösung zeigen
    1. Je Glucose: 2 aus der Glykolyse, 2 aus der oxidativen Decarboxylierung.
    2. Dazu 6 aus dem Tricarbonsäurezyklus, zusammen 10 NADH + H⁺.
    3. 8 · 10 = 80.
    Ergebnis:
    80 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.

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

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

    32
    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
    Blei-Ionen binden fest an ein Enzym und verändern dauerhaft seine Raumstruktur. Was folgt daraus? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Das Enzym bleibt gehemmt; auch mehr Substrat hilft nicht.

  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
    Was geschieht bei einer Reduktion? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Ein Teilchen nimmt Elektronen auf.

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

    36
    Woher stammt der Kohlenstoff im ausgeatmeten Kohlenstoffdioxid? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Aus den abgebauten Nährstoffen, zum Beispiel aus Glucose.

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

    37
    Wie verläuft das Membranpotenzial bei einem Aktionspotenzial? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Von −70 auf etwa +30 mV, dann kurz unter −70 mV und zurück zum Ruhewert.

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

    38
    Curare blockiert die Acetylcholin-Rezeptoren an der motorischen Endplatte. Was folgt? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Die Muskeln erschlaffen: schlaffe Lähmung, auch der Atemmuskeln.

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

Die Frage vom Anfang

EntdeckenRückschau

Warum hilft Händewaschen mit Seife gegen Grippeviren?

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

Auflösung

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

Wörter

Funktion
eine Regel, die aus einer Zahl eine andere macht

Lösungen

  1. Passiver Transport durch Kanalproteine, angetrieben vom Gefälle.
  2. Die Teilchen bewegen sich bei höherer Temperatur schneller ungeordnet.
  3. Über ein passendes Trägerprotein oder per Endocytose.
  4. Die feste Zellwand hält dem Innendruck stand.
  5. Diffusion von Wasser durch eine selektiv permeable Membran zur konzentrierteren Lösung.
  6. Diese Lösung ist etwa isotonisch zum Zellsaft der Kartoffel.
  7. Form und Ladungen des aktiven Zentrums sind auf dieses Substrat abgestimmt.
  8. Es senkt die Aktivierungsenergie der Reaktion.
  9. Ethanol verdrängt Methanol kompetitiv, sodass kaum giftige Abbauprodukte entstehen.
  10. Die Aktivität steigt wieder, denn Kälte hatte das Enzym nur verlangsamt.
  11. Etwa 8 bis 12 µmol je Minute.
  12. Bis zum Optimum gilt die RGT-Regel, darüber überwiegt die Denaturierung.
  13. Oxidiert, denn Glucose gibt Elektronen ab.
  14. Ein Teilchen nimmt Elektronen auf.
  15. Die Energie wird portionsweise frei und kann zum Pumpen von Protonen genutzt werden.
  16. Rückströmende Protonen treiben die ATP-Synthase an.
  17. In der Matrix der Mitochondrien.
  18. Nur über die Glykolyse mit anschließender Milchsäuregärung.
  19. Nicht in der Höhe; der starke Reiz löst mehr Aktionspotenziale je Sekunde aus.
  20. Spannungsgesteuerte Natriumkanäle öffnen sich, Natrium strömt ein: Depolarisation.
  21. Der Reiz war unterschwellig; die Schwelle bei etwa −50 mV wurde nicht erreicht.
  22. Die Muskeln erschlaffen: schlaffe Lähmung, auch der Atemmuskeln.
  23. Nur die Präsynapse hat Vesikel, nur die Postsynapse die passenden Rezeptoren.
  24. Die Postsynapse baut Rezeptoren ab, sodass dieselbe Menge weniger bewirkt.
  25. Quer durch die Lipiddoppelschicht oder tief in sie hineinragend.
  26. Wasser strömt in die Vakuole zurück: Deplasmolyse.
  27. Das Enzym bleibt gehemmt; auch mehr Substrat hilft nicht.
  28. Kaum aktiv, weil der pH-Wert weit vom Optimum entfernt ist.
  29. Die Atmungskette mit der ATP-Synthase.
  30. 80 NADH + H⁺
  31. Die Membran muss verformt, das Bläschen abgeschnürt und bewegt werden.
  32. Die Masse nimmt zu, weil Wasser in die Zellen einströmt.
  33. Das Enzym bleibt gehemmt; auch mehr Substrat hilft nicht.
  34. Kaum aktiv, weil der pH-Wert weit vom Optimum entfernt ist.
  35. Ein Teilchen nimmt Elektronen auf.
  36. Aus den abgebauten Nährstoffen, zum Beispiel aus Glucose.
  37. Von −70 auf etwa +30 mV, dann kurz unter −70 mV und zurück zum Ruhewert.
  38. Die Muskeln erschlaffen: schlaffe Lähmung, auch der Atemmuskeln.