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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
    Eine Drüsenzelle gibt Verdauungsenzyme nach außen ab. Wie geschieht das? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Enzyme sind große Proteine.
    Lösung zeigen
    1. Enzyme sind große Proteine.
    2. Die Enzyme liegen in Vesikeln bereit.
    3. Die Vesikel verschmelzen mit der Membran und geben den Inhalt nach außen ab.
    Ergebnis:
    Durch Exocytose: Vesikel verschmelzen mit der Zellmembran.
  2. ●2
    Fresszellen nehmen ganze Bakterien auf. Wie heißt dieser Vorgang? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    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.
  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

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
    Ein Kartoffelstäbchen liegt eine Stunde in destilliertem Wasser. Wie verändert sich seine Masse? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Im Zellsaft sind mehr gelöste Teilchen als im destillierten Wasser.
    Lösung zeigen
    1. Im Zellsaft sind mehr gelöste Teilchen als im destillierten Wasser.
    2. Wasser strömt netto in die Zellen.
    3. Das Stäbchen wird schwerer und fester.
    Ergebnis:
    Die Masse nimmt zu, weil Wasser in die Zellen einströmt.
  2. ●5
    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. ★6
    Warum gibt man bei Infusionen kein reines Wasser in die Vene? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Blutplasma und Blutzellen haben viele gelöste Teilchen.
    2. Reines Wasser ist dagegen hypotonisch.
    3. Wasser strömt in die Blutzellen, sie platzen.
    Ergebnis:
    Die Blutzellen würden Wasser aufnehmen und platzen; man nimmt isotonische Lösung.

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

EntdeckenFrage

Warum bekamen Menschen mit Methanolvergiftung früher Alkohol als Gegenmittel?

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

Auflösung

Methanol wird von der Alkoholdehydrogenase zu giftigen Stoffen umgebaut. Ethanol ist ein Konkurrent um dasselbe aktive Zentrum. Solange Ethanol das Enzym besetzt, wird Methanol kaum umgebaut und langsam ausgeschieden.

MerkenEnzyme und Enzymhemmung

Enzyme senken die Aktivierungsenergie und werden nicht verbraucht.

Kompetitive Hemmstoffe besetzen das aktive Zentrum, allosterische verändern die Form des Enzyms.

BeispielEnzyme und Enzymhemmung

Urease spaltet nur Harnstoff und keinen anderen Stoff. Welche Eigenschaft des Enzyms zeigt das? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Gefragt ist, welches Substrat das Enzym umsetzt.
  2. Nur ein bestimmtes Substrat passt ins aktive Zentrum.
  3. Das heißt Substratspezifität.
  1. Gefragt ist, welches Substrat das Enzym umsetzt.
  2. Nur ein bestimmtes Substrat passt ins aktive Zentrum.
  3. Das heißt Substratspezifität.
Ergebnis:
Substratspezifität.

AchtungEnzym als verbrauchter Reaktionspartner

So nicht
Nach der Reaktion ist das Enzym aufgebraucht.
So richtig
Das Enzym geht unverändert aus der Reaktion hervor und setzt das nächste Substrat um.

Ein Enzym ist ein Katalysator. Es bindet das Substrat nur kurz, senkt die Aktivierungsenergie und liegt danach unverändert vor.

ÜbenJetzt du

  1. ○7
    Was ist das Substrat einer Enzymreaktion? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Das Substrat ist der Ausgangsstoff der Reaktion.
    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.
  2. ●8
    Woraus bestehen die meisten Enzyme? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Enzyme sind fast immer Proteine.
    2. Die Raumstruktur bildet das aktive Zentrum.
    3. Ändert sich die Raumstruktur, geht die Wirkung verloren.
    Ergebnis:
    Aus Proteinen mit einer bestimmten Raumstruktur.
  3. ★9
    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.

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

Pepsin aus dem Magen hat sein pH-Optimum bei etwa 2. Wie aktiv ist es im Dünndarm bei pH 8? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  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.
  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.

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
    Eine Kurve zeigt die Aktivität eines Enzyms über dem pH-Wert. Was bedeutet der Gipfel der Kurve? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Senkrecht steht die Aktivität.
    Lösung zeigen
    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.
  2. ●11
    Ein Diagramm zeigt die Aktivität eines menschlichen Enzyms über der Temperatur. Wo liegt das Maximum typischerweise? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Menschliche Enzyme arbeiten bei Körpertemperatur.
    2. Bis dahin steigt die Aktivität mit der Temperatur.
    3. Darüber denaturieren sie, die Kurve fällt.
    Ergebnis:
    Bei etwa 37 bis 40 °C; darüber fällt die Aktivität steil ab.
  3. ★12
    Taq-Polymerase stammt aus Bakterien heißer Quellen und arbeitet am besten bei etwa 72 °C. Warum eignet sie sich für Verfahren, bei denen die Probe immer wieder auf über 90 °C erhitzt wird? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Die Raumstruktur dieses Enzyms ist besonders hitzestabil.
    2. Sein Optimum liegt hoch, bei etwa 72 °C.
    3. Kurzes Erhitzen auf über 90 °C übersteht es.
    Ergebnis:
    Das Enzym denaturiert dabei kaum und übersteht viele Heizzyklen.

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

EntdeckenFrage

Wie viel ATP setzt ein Mensch an einem Tag um?

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

Auflösung

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

MerkenRedoxreaktionen und ATP

Oxidation ist Elektronenabgabe, Reduktion Elektronenaufnahme.

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

BeispielRedoxreaktionen und ATP

Woher stammt die Energie, die bei der Spaltung von ATP zu ADP und Phosphat frei wird? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Das Spalten einer Bindung kostet Energie.
  2. Beim Bilden der Produkte wird mehr Energie frei.
  3. Netto wird die Differenz frei.
  1. Das Spalten einer Bindung kostet Energie.
  2. Beim Bilden der Produkte wird mehr Energie frei.
  3. Netto wird die Differenz frei.
Ergebnis:
Die Produkte sind energieärmer als die Ausgangsstoffe; die Differenz wird frei.

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
    NAD⁺ nimmt zwei Elektronen und zwei Protonen auf und wird zu NADH + H⁺. Wie heißt dieser Vorgang? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. NAD⁺ nimmt Elektronen auf.
    2. Elektronenaufnahme heißt Reduktion.
    3. NADH + H⁺ ist die reduzierte Form.
    Ergebnis:
    Reduktion: NAD⁺ wird reduziert.
  3. ★15
    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.

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

EntdeckenFrage

Kommt Muskelkater von Milchsäure?

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

Auflösung

Nein. Milchsäure ist nach einer harten Belastung innerhalb etwa einer Stunde wieder abgebaut. Muskelkater entsteht erst ein bis zwei Tage später durch winzige Verletzungen in den Muskelfasern, vor allem nach bremsenden Bewegungen wie Bergablaufen.

MerkenZellatmung mit Bilanz

Die Glykolyse läuft im Cytoplasma, alle weiteren Schritte im Mitochondrium.

Je Glucose entstehen etwa 30 bis 32 ATP, die meisten an der Atmungskette.

BeispielTeilschritte der Zellatmung

Wie entsteht in der Atmungskette ATP? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Die Atmungskette pumpt Protonen in den Intermembranraum.
  2. Die Protonen strömen durch die ATP-Synthase zurück.
  3. Diese Bewegung treibt die Bildung von ATP aus ADP und Phosphat.
  1. Die Atmungskette pumpt Protonen in den Intermembranraum.
  2. Die Protonen strömen durch die ATP-Synthase zurück.
  3. Diese Bewegung treibt die Bildung von ATP aus ADP und Phosphat.
Ergebnis:
Rückströmende Protonen treiben die ATP-Synthase an.

AchtungRolle des Sauerstoffs falsch vorgestellt

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

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

ÜbenJetzt du

  1. ○16
    Warum haben Muskelzellen von Ausdauersportlern besonders viele Mitochondrien? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Ausdauerleistung braucht dauerhaft viel ATP.
    Lösung zeigen
    1. Ausdauerleistung braucht dauerhaft viel ATP.
    2. Den größten Teil bilden die Mitochondrien mit Sauerstoff.
    3. Training erhöht ihre Zahl.
    Ergebnis:
    Mehr Mitochondrien bilden mit Sauerstoff mehr ATP für den hohen Bedarf.
  2. ●17
    Was geschieht bei der oxidativen Decarboxylierung? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    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.
  3. ★18
    Warum gilt der Tricarbonsäurezyklus als aerob, obwohl in ihm kein Sauerstoff reagiert? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Der Zyklus reduziert NAD⁺ und FAD.
    2. Ohne Atmungskette werden sie nicht wieder oxidiert.
    3. Ohne Sauerstoff steht der Zyklus deshalb still.
    Ergebnis:
    Er braucht NAD⁺ und FAD, die nur die Atmungskette mit Sauerstoff zurückgewinnt.

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

EntdeckenFrage

Was geht bei Multipler Sklerose im Nervensystem kaputt?

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

Auflösung

Entzündungen zerstören Myelinscheiden in Gehirn und Rückenmark. An diesen Stellen wird die saltatorische Erregungsleitung langsamer oder bricht ab. Je nach Ort zeigen sich Sehstörungen, Taubheitsgefühle oder Lähmungen.

MerkenPotenziale und Erregungsleitung

Das Ruhepotenzial liegt bei etwa −70 mV.

Ein Aktionspotenzial folgt dem Alles-oder-nichts-Gesetz. Markhaltige Fasern leiten saltatorisch und viel schneller als marklose.

BeispielRuhe- und Aktionspotenzial

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

AchtungAktionspotenzial als abgestuftes Signal

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

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

ÜbenJetzt du

  1. ○19
    Warum strömen in Ruhe nicht alle Kalium-Ionen aus der Nervenzelle? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Das Konzentrationsgefälle treibt Kalium nach außen.
    Lösung zeigen
    1. Das Konzentrationsgefälle treibt Kalium nach außen.
    2. Die negative Ladung innen zieht Kalium zurück.
    3. Beide Kräfte gleichen sich beim Ruhepotenzial aus.
    Ergebnis:
    Die wachsende negative Ladung innen zieht sie zurück; es entsteht ein Gleichgewicht.
  2. ●20
    Was besagt das Alles-oder-nichts-Gesetz? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Unter dem Schwellenwert entsteht kein Aktionspotenzial.
    2. Über dem Schwellenwert entsteht ein vollständiges.
    3. Seine Höhe hängt nicht von der Reizstärke ab.
    Ergebnis:
    Ein Aktionspotenzial entsteht ganz oder gar nicht und ist immer gleich hoch.
  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

Curare blockiert die Acetylcholin-Rezeptoren an der motorischen Endplatte. Was folgt? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Curare besetzt die Rezeptoren, ohne sie zu öffnen.
  2. Acetylcholin kann nicht mehr wirken.
  3. Der Muskel bekommt kein Signal und erschlafft.
  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.

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
    Nervenkampfstoffe wie Sarin hemmen die Acetylcholinesterase. Was folgt an der motorischen Endplatte? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Ohne Esterase wird Acetylcholin nicht abgebaut.
    Lösung zeigen
    1. Ohne Esterase wird Acetylcholin nicht abgebaut.
    2. Die Rezeptoren bleiben offen.
    3. Der Muskel wird dauernd erregt und verkrampft.
    Ergebnis:
    Acetylcholin bleibt im Spalt; die Muskeln sind dauererregt und verkrampfen.
  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
    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
    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
    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. ●27
    Welche Rolle spielt ATP in der Zelle? Begründe die Wahl.
    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.
  4. ●28
    In einer Muskelzelle werden 6 Glucosemoleküle vollständig über Glykolyse, oxidative Decarboxylierung, Tricarbonsäurezyklus und Atmungskette abgebaut. Wie viele Moleküle Kohlenstoffdioxid entstehen insgesamt?
    Lösung zeigen
    1. Je Brenztraubensäure: 1 Kohlenstoffdioxid in der oxidativen Decarboxylierung.
    2. Dazu 2 Kohlenstoffdioxid im Tricarbonsäurezyklus.
    3. Eine Glucose ergibt zwei Brenztraubensäuren, also 6 Kohlenstoffdioxid je Glucose.
    4. 6 · 6 = 36.
    Ergebnis:
    36 Moleküle Kohlenstoffdioxid
  5. ●29
    Wodurch kommt die Repolarisation beim Aktionspotenzial zustande? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Nach etwa einer Millisekunde schließen die Natriumkanäle.
    2. Spannungsgesteuerte Kaliumkanäle öffnen sich.
    3. Kalium strömt aus, das Innere wird wieder negativ.
    Ergebnis:
    Natriumkanäle schließen sich, Kaliumkanäle öffnen sich, Kalium strömt aus.
  6. ★30
    In einem marklosen Axon nimmt der Strom von einer erregten Stelle mit der Entfernung ab. Warum wird das Signal trotzdem nicht schwächer?
    Lösung zeigen
    1. Der Strom selbst wird schwächer.
    2. Er muss nur die Nachbarstelle bis zur Schwelle bringen.
    3. Dort entsteht ein neues Aktionspotenzial in voller Höhe.
    Ergebnis:
    Er reicht zur Schwelle der Nachbarstelle, die ein volles Aktionspotenzial bildet.

Auf einen Blick

MerkenDas Wichtigste

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

AchtungBau von Membran und Zellwand falsch vorgestellt

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

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

AchtungTransportart verwechselt

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

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

AchtungSpezifität oder Hemmart verwechselt

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

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

AchtungEnzymdiagramm falsch gelesen

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

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

AchtungOxidation und Reduktion vertauscht

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

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

AchtungOrt oder Teilschritt der Zellatmung vertauscht

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

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

AchtungNur die Glykolyse bilanziert

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

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

AchtungBezug je Glucose und je Brenztraubensäure verwechselt

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

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

AchtungIonen, Kanäle oder Messung verwechselt

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

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

AchtungErregungsleitung falsch vorgestellt

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

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

AchtungLeitungszeit falsch berechnet

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

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

AchtungWirkung eines Stoffes an der Synapse falsch abgeleitet

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

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

Kannst du das?

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

ÜbenSelbsttest

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

    31
    Kohlenstoffdioxid verlässt eine arbeitende Muskelzelle in Richtung Blut. Welche Transportart liegt vor? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Einfache Diffusion, denn in der Zelle ist mehr Kohlenstoffdioxid als im Blut.

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

    32
    Was ist Osmose? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Diffusion von Wasser durch eine selektiv permeable Membran zur konzentrierteren Lösung.

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

    33
    Welches Modell beschreibt, dass sich das aktive Zentrum beim Binden des Substrats leicht anpasst? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Das Modell der induzierten Passform.

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

    34
    Eine Kurve der Reaktionsgeschwindigkeit über der Substratkonzentration verläuft am Ende waagerecht. Was zeigt dieser Abschnitt? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Die Sättigung: Mehr Substrat erhöht die Geschwindigkeit nicht mehr.

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

    35
    Warum kann ein Muskel Glucose nicht direkt für die Bewegung nutzen? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Die Motorproteine nutzen ATP; Glucose muss erst abgebaut werden.

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

    36
    Wo läuft der Tricarbonsäurezyklus ab? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    In der Matrix der Mitochondrien.

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

    37
    Welche Ionen sind im Inneren einer ruhenden Nervenzelle stark angereichert? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Kalium-Ionen und große organische Anionen.

  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. Durch Exocytose: Vesikel verschmelzen mit der Zellmembran.
  2. Phagocytose, eine Form der Endocytose.
  3. Über ein passendes Trägerprotein oder per Endocytose.
  4. Die Masse nimmt zu, weil Wasser in die Zellen einströmt.
  5. Wasser strömt in die Vakuole zurück: Deplasmolyse.
  6. Die Blutzellen würden Wasser aufnehmen und platzen; man nimmt isotonische Lösung.
  7. Der Stoff, der im aktiven Zentrum gebunden und umgesetzt wird.
  8. Aus Proteinen mit einer bestimmten Raumstruktur.
  9. Es senkt die Aktivierungsenergie der Reaktion.
  10. Dort liegt das pH-Optimum: Das Enzym arbeitet am schnellsten.
  11. Bei etwa 37 bis 40 °C; darüber fällt die Aktivität steil ab.
  12. Das Enzym denaturiert dabei kaum und übersteht viele Heizzyklen.
  13. Ein Teilchen nimmt Elektronen auf.
  14. Reduktion: NAD⁺ wird reduziert.
  15. Aus ADP und Phosphat, mit Energie aus dem Abbau von Nährstoffen.
  16. Mehr Mitochondrien bilden mit Sauerstoff mehr ATP für den hohen Bedarf.
  17. Brenztraubensäure gibt Kohlenstoffdioxid ab und wird zu Acetyl-Coenzym A; NAD⁺ wird reduziert.
  18. Er braucht NAD⁺ und FAD, die nur die Atmungskette mit Sauerstoff zurückgewinnt.
  19. Die wachsende negative Ladung innen zieht sie zurück; es entsteht ein Gleichgewicht.
  20. Ein Aktionspotenzial entsteht ganz oder gar nicht und ist immer gleich hoch.
  21. Die Natriumkanäle schließen nach etwa einer Millisekunde, und Kalium strömt aus.
  22. Acetylcholin bleibt im Spalt; die Muskeln sind dauererregt und verkrampfen.
  23. In synaptischen Vesikeln im Endknöpfchen.
  24. Die Postsynapse baut Rezeptoren ab, sodass dieselbe Menge weniger bewirkt.
  25. Ionen sind geladen und von Wasser umhüllt; das unpolare Innere lässt sie kaum hinein.
  26. Etwa 8 bis 12 µmol je Minute.
  27. Es überträgt Energie von abbauenden auf energieverbrauchende Vorgänge.
  28. 36 Moleküle Kohlenstoffdioxid
  29. Natriumkanäle schließen sich, Kaliumkanäle öffnen sich, Kalium strömt aus.
  30. Er reicht zur Schwelle der Nachbarstelle, die ein volles Aktionspotenzial bildet.
  31. Einfache Diffusion, denn in der Zelle ist mehr Kohlenstoffdioxid als im Blut.
  32. Diffusion von Wasser durch eine selektiv permeable Membran zur konzentrierteren Lösung.
  33. Das Modell der induzierten Passform.
  34. Die Sättigung: Mehr Substrat erhöht die Geschwindigkeit nicht mehr.
  35. Die Motorproteine nutzen ATP; Glucose muss erst abgebaut werden.
  36. In der Matrix der Mitochondrien.
  37. Kalium-Ionen und große organische Anionen.
  38. Acetylcholin bleibt im Spalt; die Muskeln sind dauererregt und verkrampfen.