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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

Kohlenstoffdioxid verlässt eine arbeitende Muskelzelle in Richtung Blut. Welche Transportart liegt vor? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Die Zellatmung bildet in der Muskelzelle ständig Kohlenstoffdioxid.
  2. Es ist klein und unpolar und folgt seinem Gefälle ins Blut.
  3. Das ist einfache Diffusion ohne Energie.
  1. Die Zellatmung bildet in der Muskelzelle ständig Kohlenstoffdioxid.
  2. Es ist klein und unpolar und folgt seinem Gefälle ins Blut.
  3. Das ist einfache Diffusion ohne Energie.
Ergebnis:
Einfache Diffusion, denn in der Zelle ist mehr Kohlenstoffdioxid als im Blut.

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
    Wie lange läuft die Netto-Diffusion eines Stoffes in eine Zelle? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Die Teilchen bewegen sich immer weiter zufällig.
    Lösung zeigen
    1. Die Teilchen bewegen sich immer weiter zufällig.
    2. Netto wandern sie, solange ein Konzentrationsunterschied besteht.
    3. Im Gleichgewicht gleichen sich Hin- und Rückweg aus.
    Ergebnis:
    Bis innen und außen gleich viel ist; dann wandern gleich viele Teilchen hin wie her.
  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
    Ein Kartoffelstäbchen liegt eine Stunde in konzentrierter Salzlösung. Wie verändert sich seine Masse? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Die Salzlösung ist konzentrierter als der Zellsaft.
    Lösung zeigen
    1. Die Salzlösung ist konzentrierter als der Zellsaft.
    2. Wasser strömt netto aus den Zellen heraus.
    3. Das Stäbchen wird leichter und biegsam.
    Ergebnis:
    Die Masse nimmt ab, weil Wasser aus den Zellen in die Lösung strömt.
  2. ●5
    Zwei Zuckerlösungen sind durch eine Membran getrennt, die nur Wasser durchlässt. Links ist eine 1-prozentige, rechts eine 5-prozentige Lösung. Wohin strömt netto Wasser? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Rechts sind mehr gelöste Teilchen.
    2. Wasser strömt netto zur Seite mit mehr gelösten Teilchen.
    3. Gerade weil Zucker nicht durchkommt, gleicht Wasser aus.
    Ergebnis:
    Nach rechts, zur 5-prozentigen Lösung.
  3. ★6
    Bei einem Plasmolyse-Versuch bleiben einige Zellen in starker Salzlösung unverändert. Welche Erklärung ist am wahrscheinlichsten? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Plasmolyse setzt eine selektiv permeable Membran voraus.
    2. In toten Zellen ist die Membran durchlässig für Salz.
    3. Salz und Wasser gleichen sich aus, die Vakuole schrumpft nicht.
    Ergebnis:
    Diese Zellen sind tot; ihre Membran ist nicht mehr selektiv permeabel.

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 ist das Substrat einer Enzymreaktion? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Das Substrat ist der Ausgangsstoff der Reaktion.
  2. Es bindet im aktiven Zentrum.
  3. Dort wird es zum Produkt umgesetzt.
  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.

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
    Woraus bestehen die meisten Enzyme? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Enzyme sind fast immer Proteine.
    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.
  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
    In einer Stoffwechselkette A → B → C → D hemmt D das erste Enzym. Was bewirkt das? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. D hemmt das Enzym, das A zu B umsetzt.
    2. Bei viel D läuft die ganze Kette langsamer.
    3. Das ist negative Rückkopplung durch Endprodukthemmung.
    Ergebnis:
    Bei viel D wird weniger D gebildet; die Kette spart Stoff und Energie.

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
    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
    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.
  3. ★12
    Die Michaelis-Menten-Konstante ist die Substratkonzentration bei halber Höchstgeschwindigkeit. Ein Enzym hat eine kleine Konstante. Was bedeutet das? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Die Konstante liest man an der halben Höchstgeschwindigkeit ab.
    2. Ist sie klein, reicht wenig Substrat für die halbe Sättigung.
    3. Das Enzym hat eine hohe Affinität zum Substrat.
    Ergebnis:
    Es bindet sein Substrat fest und ist schon bei wenig Substrat halb gesättigt.

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

EntdeckenFrage

Wie viel ATP setzt ein Mensch an einem Tag um?

Was meinst du? Schreib deine Vermutung auf, bevor du weiterliest.

Auflösung

Ungefähr so viel, wie er wiegt. Im Körper ist zu jedem Zeitpunkt aber nur ein kleiner Vorrat vorhanden. Jedes ATP-Molekül wird deshalb am Tag viele hundert Mal gespalten und neu gebildet.

MerkenRedoxreaktionen und ATP

Oxidation ist Elektronenabgabe, Reduktion Elektronenaufnahme.

Beim Glucoseabbau landet ein Teil der Energie in ATP, der Rest wird als Wärme entwertet.

BeispielRedoxreaktionen und ATP

Wie heißt der Stoff, der in einer Redoxreaktion Elektronen aufnimmt? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Der Stoff nimmt Elektronen auf und wird reduziert.
  2. Er oxidiert dabei seinen Partner.
  3. Deshalb heißt er Oxidationsmittel.
  1. Der Stoff nimmt Elektronen auf und wird reduziert.
  2. Er oxidiert dabei seinen Partner.
  3. Deshalb heißt er Oxidationsmittel.
Ergebnis:
Oxidationsmittel; es wird dabei selbst reduziert.

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
    Welche Rolle spielt ATP in der Zelle? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    ATP wird beim Abbau gebildet.
    Lösung zeigen
    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.
  2. ●14
    Was geschieht mit dem Sauerstoff, den wir einatmen, in der Zelle? Begründe die Wahl.
    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.
  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

Was geschieht bei der oxidativen Decarboxylierung? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Decarboxylierung heißt: Kohlenstoffdioxid wird abgespalten.
  2. Oxidativ heißt: Elektronen gehen auf NAD⁺ über.
  3. Es entsteht Acetyl-Coenzym A für den Tricarbonsäurezyklus.
  1. Decarboxylierung heißt: Kohlenstoffdioxid wird abgespalten.
  2. Oxidativ heißt: Elektronen gehen auf NAD⁺ über.
  3. Es entsteht Acetyl-Coenzym A für den Tricarbonsäurezyklus.
Ergebnis:
Brenztraubensäure gibt Kohlenstoffdioxid ab und wird zu Acetyl-Coenzym A; NAD⁺ wird reduziert.

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
    Wie entsteht in der Atmungskette ATP? Begründe die Wahl.
    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.
  3. ★18
    Beim Sprint fehlt den Muskelzellen Sauerstoff. Warum bilden sie dann Milchsäure aus Brenztraubensäure? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Die Glykolyse braucht NAD⁺.
    2. Ohne Atmungskette wird NADH + H⁺ nicht zurückoxidiert.
    3. Bei der Bildung von Milchsäure entsteht wieder NAD⁺.
    Ergebnis:
    So wird NAD⁺ zurückgewonnen, und die Glykolyse liefert weiter etwas ATP.

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
    Was bedeutet Depolarisation an einer Nervenzelle? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    In Ruhe ist das Innere negativ, die Membran ist polarisiert.
    Lösung zeigen
    1. In Ruhe ist das Innere negativ, die Membran ist polarisiert.
    2. Strömen positive Ionen ein, sinkt dieser Unterschied.
    3. Das heißt Depolarisation.
    Ergebnis:
    Das Membranpotenzial wird weniger negativ, das Innere positiver.
  2. ●20
    Ein schwacher und ein starker überschwelliger Reiz treffen ein Axon. Wie unterscheiden sich die Aktionspotenziale? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Aktionspotenziale folgen dem Alles-oder-nichts-Gesetz.
    2. Die Höhe ist immer gleich.
    3. Die Reizstärke wird über die Frequenz verschlüsselt.
    Ergebnis:
    Nicht in der Höhe; der starke Reiz löst mehr Aktionspotenziale je Sekunde aus.
  3. ★21
    Warum steigt ein Aktionspotenzial nicht beliebig hoch? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Der Natriumeinstrom treibt das Potenzial nach oben.
    2. Die Natriumkanäle inaktivieren sich von selbst.
    3. Gleichzeitig öffnen Kaliumkanäle; das Potenzial kehrt um.
    Ergebnis:
    Die Natriumkanäle schließen nach etwa einer Millisekunde, und Kalium strömt aus.

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

EntdeckenFrage

Wie glättet Botox Falten, wenn es doch eines der stärksten Gifte ist?

Was meinst du? Schreib deine Vermutung auf, bevor du weiterliest.

Auflösung

Botulinumtoxin verhindert an der motorischen Endplatte die Ausschüttung von Acetylcholin. Der Muskel bekommt kein Signal mehr und erschlafft. In winziger Dosis wirkt das nur örtlich und lässt nach einigen Monaten nach.

MerkenSynapse und Stoffeinwirkung

Die Synapse übersetzt ein elektrisches Signal in ein chemisches.

Transmitter öffnen an der Postsynapse Ionenkanäle. Drogen und Medikamente greifen genau dort an.

BeispielSynapse und Stoffeinwirkung

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

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
    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
    Was löst an der Präsynapse die Ausschüttung des Transmitters aus? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Das Aktionspotenzial erreicht das Endknöpfchen.
    2. Spannungsgesteuerte Calciumkanäle öffnen sich.
    3. Calcium löst die Exocytose der Vesikel aus.
    Ergebnis:
    Calcium-Ionen strömen ein und lassen Vesikel mit der Membran verschmelzen.
  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 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.
  2. ●26
    Warum welkt Salat, der lange vor dem Essen mit Salz angemacht wird? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Das Salz löst sich im Wasser auf den Blättern.
    2. Diese Lösung ist konzentrierter als der Zellsaft.
    3. Wasser strömt aus den Zellen, die Blätter werden schlaff.
    Ergebnis:
    Das Salz entzieht den Blattzellen durch Osmose Wasser; sie verlieren ihre Spannung.
  3. ●27
    Was ist der Enzym-Substrat-Komplex? Begründe die Wahl.
    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.
  4. ●28
    Eine Kurve der Reaktionsgeschwindigkeit über der Substratkonzentration verläuft am Ende waagerecht. Was zeigt dieser Abschnitt? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Waagerecht heißt: gleiche Geschwindigkeit trotz mehr Substrat.
    2. Alle aktiven Zentren sind besetzt.
    3. Das ist die Höchstgeschwindigkeit des Enzyms.
    Ergebnis:
    Die Sättigung: Mehr Substrat erhöht die Geschwindigkeit nicht mehr.
  5. ●29
    Warum kann ein Muskel Glucose nicht direkt für die Bewegung nutzen? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Die Proteine der Muskelbewegung spalten ATP.
    2. Glucose liefert die Energie, um ATP zu bilden.
    3. Dazwischen liegt die Zellatmung.
    Ergebnis:
    Die Motorproteine nutzen ATP; Glucose muss erst abgebaut werden.
  6. ●30
    In einer Muskelzelle werden 3 Glucosemoleküle vollständig über Glykolyse, oxidative Decarboxylierung, Tricarbonsäurezyklus und Atmungskette abgebaut. Wie viele FADH₂ entstehen insgesamt?
    Lösung zeigen
    1. FADH₂ entsteht nur im Tricarbonsäurezyklus, 1 je Brenztraubensäure.
    2. Eine Glucose ergibt zwei Brenztraubensäuren, also 2 FADH₂.
    3. 3 · 2 = 6.
    Ergebnis:
    6 FADH₂

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
    Wie unterscheiden sich Endocytose und Exocytose? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Bei der Endocytose werden Stoffe in Bläschen aufgenommen, bei der Exocytose abgegeben.

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

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

    34
    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
    Ergebnis:
    Etwa 8 bis 12 µmol je Minute.

  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
    Wie lautet die Summengleichung der Zellatmung in Worten? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Glucose und Sauerstoff reagieren zu Kohlenstoffdioxid und Wasser.

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

    37
    Wie groß ist das Ruhepotenzial einer Nervenzelle etwa? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Etwa −70 mV, das Zellinnere ist negativ.

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

    38
    Nervenkampfstoffe wie Sarin hemmen die Acetylcholinesterase. Was folgt an der motorischen Endplatte? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Acetylcholin bleibt im Spalt; die Muskeln sind dauererregt und verkrampfen.

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. Bis innen und außen gleich viel ist; dann wandern gleich viele Teilchen hin wie her.
  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. Die Masse nimmt ab, weil Wasser aus den Zellen in die Lösung strömt.
  5. Nach rechts, zur 5-prozentigen Lösung.
  6. Diese Zellen sind tot; ihre Membran ist nicht mehr selektiv permeabel.
  7. Aus Proteinen mit einer bestimmten Raumstruktur.
  8. Es senkt die Aktivierungsenergie der Reaktion.
  9. Bei viel D wird weniger D gebildet; die Kette spart Stoff und Energie.
  10. Etwa 8 bis 12 µmol je Minute.
  11. Kaum aktiv, weil der pH-Wert weit vom Optimum entfernt ist.
  12. Es bindet sein Substrat fest und ist schon bei wenig Substrat halb gesättigt.
  13. Es überträgt Energie von abbauenden auf energieverbrauchende Vorgänge.
  14. Er nimmt am Ende der Atmungskette Elektronen auf und wird zu Wasser.
  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. Rückströmende Protonen treiben die ATP-Synthase an.
  18. So wird NAD⁺ zurückgewonnen, und die Glykolyse liefert weiter etwas ATP.
  19. Das Membranpotenzial wird weniger negativ, das Innere positiver.
  20. Nicht in der Höhe; der starke Reiz löst mehr Aktionspotenziale je Sekunde aus.
  21. Die Natriumkanäle schließen nach etwa einer Millisekunde, und Kalium strömt aus.
  22. Die Muskeln erschlaffen: schlaffe Lähmung, auch der Atemmuskeln.
  23. Calcium-Ionen strömen ein und lassen Vesikel mit der Membran verschmelzen.
  24. Kaum Transmitterausschüttung, die Postsynapse wird nicht erregt.
  25. Ionen sind geladen und von Wasser umhüllt; das unpolare Innere lässt sie kaum hinein.
  26. Das Salz entzieht den Blattzellen durch Osmose Wasser; sie verlieren ihre Spannung.
  27. Das Enzym mit dem Substrat, das kurzzeitig im aktiven Zentrum gebunden ist.
  28. Die Sättigung: Mehr Substrat erhöht die Geschwindigkeit nicht mehr.
  29. Die Motorproteine nutzen ATP; Glucose muss erst abgebaut werden.
  30. 6 FADH₂
  31. Bei der Endocytose werden Stoffe in Bläschen aufgenommen, bei der Exocytose abgegeben.
  32. Die Vakuole schrumpft, der Protoplast löst sich von der Zellwand: Plasmolyse.
  33. Es liegt unverändert vor und kann das nächste Substrat umsetzen.
  34. Etwa 8 bis 12 µmol je Minute.
  35. Ein Teilchen nimmt Elektronen auf.
  36. Glucose und Sauerstoff reagieren zu Kohlenstoffdioxid und Wasser.
  37. Etwa −70 mV, das Zellinnere ist negativ.
  38. Acetylcholin bleibt im Spalt; die Muskeln sind dauererregt und verkrampfen.