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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

Wasser gelangt schnell durch Aquaporine in Nierenzellen. Welche Transportart liegt vor? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Aquaporine sind Wasserkanäle.
  2. Das Wasser folgt dem osmotischen Gefälle.
  3. Ohne Energie und mit Kanal: passiver Transport.
  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.

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
    Sauerstoff gelangt aus dem Blut in eine Muskelzelle. Welche Transportart liegt vor? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Im Blut ist mehr Sauerstoff als in der arbeitenden Muskelzelle.
    Lösung zeigen
    1. Im Blut ist mehr Sauerstoff als in der arbeitenden Muskelzelle.
    2. Sauerstoff ist klein und unpolar.
    3. Er diffundiert ohne Protein und ohne Energie hinein.
    Ergebnis:
    Einfache Diffusion entlang des Konzentrationsgefälles.
  2. ●2
    Wie unterscheiden sich Endocytose und Exocytose? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Endo heißt innen, exo heißt außen.
    2. Bei beiden umschließt ein Stück Membran die Stoffe als Bläschen.
    3. Endocytose nimmt auf, Exocytose gibt ab.
    Ergebnis:
    Bei der Endocytose werden Stoffe in Bläschen aufgenommen, bei der Exocytose abgegeben.
  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
    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
    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
    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

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

AchtungEnzym als verbrauchter Reaktionspartner

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

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

ÜbenJetzt du

  1. ○7
    Ein Hemmstoff ähnelt dem Substrat und besetzt das aktive Zentrum. Wie heißt diese Hemmung? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Hemmstoff und Substrat konkurrieren um dieselbe Stelle.
    Lösung zeigen
    1. Hemmstoff und Substrat konkurrieren um dieselbe Stelle.
    2. Konkurrenz heißt auf Lateinisch competitio.
    3. Es ist eine kompetitive Hemmung.
    Ergebnis:
    Kompetitive Hemmung.
  2. ●8
    Urease spaltet nur Harnstoff und keinen anderen Stoff. Welche Eigenschaft des Enzyms zeigt das? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Gefragt ist, welches Substrat das Enzym umsetzt.
    2. Nur ein bestimmtes Substrat passt ins aktive Zentrum.
    3. Das heißt Substratspezifität.
    Ergebnis:
    Substratspezifität.
  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

Ein Enzym wird nach einer Stunde bei 0 °C auf 37 °C erwärmt. Was zeigt die Messung? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Kälte verlangsamt die Teilchenbewegung.
  2. Die Raumstruktur bleibt dabei erhalten.
  3. Beim Erwärmen arbeitet das Enzym wieder.
  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.

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.

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
    Eine kompetitive und eine allosterische Hemmung werden im Diagramm Geschwindigkeit gegen Substratkonzentration verglichen. Woran erkennt man die kompetitive? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Kompetitive Hemmstoffe werden von viel Substrat verdrängt.
    2. Bei hoher Konzentration verschwindet die Hemmung fast.
    3. Die Kurve erreicht dieselbe Höchstgeschwindigkeit, nur später.
    Ergebnis:
    Bei sehr viel Substrat erreicht sie wieder dieselbe Höchstgeschwindigkeit.

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 bei einer Oxidation? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Oxidation heißt Elektronenabgabe.
  2. Die Reaktion mit Sauerstoff ist nur ein Sonderfall.
  3. Der Partner nimmt die Elektronen auf und wird reduziert.
  1. Oxidation heißt Elektronenabgabe.
  2. Die Reaktion mit Sauerstoff ist nur ein Sonderfall.
  3. Der Partner nimmt die Elektronen auf und wird reduziert.
Ergebnis:
Ein Teilchen gibt Elektronen ab.

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
    Nur etwa 30 bis 40 Prozent der Energie aus Glucose landen in ATP. Wo bleibt der Rest? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Energie bleibt erhalten.
    2. Ein Teil wird bei jeder Umwandlung zu Wärme.
    3. Wärme ist für die Zelle kaum noch nutzbar: Energieentwertung.
    Ergebnis:
    Er wird als Wärme frei; das nennt man Energieentwertung.
  3. ★15
    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.

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.

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
    Welcher Teilschritt der Zellatmung liefert die meisten ATP? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Glykolyse und Tricarbonsäurezyklus liefern je Glucose zusammen nur 4 ATP.
    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.
  2. ●17
    Wohin pumpen die Proteine der Atmungskette die Protonen? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Die Pumpen sitzen in der inneren Membran.
    2. Die Pumpen befördern Protonen aus der Matrix nach außen.
    3. Im Intermembranraum entsteht ein Protonenüberschuss.
    Ergebnis:
    Aus der Matrix in den Intermembranraum.
  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

Wie verläuft das Membranpotenzial bei einem Aktionspotenzial? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Natriumeinstrom macht das Innere positiv: Depolarisation.
  2. Kaliumausstrom macht es wieder negativ: Repolarisation.
  3. Ein kurzes Überschießen heißt Hyperpolarisation.
  1. Natriumeinstrom macht das Innere positiv: Depolarisation.
  2. Kaliumausstrom macht es wieder negativ: Repolarisation.
  3. Ein kurzes Überschießen heißt Hyperpolarisation.
Ergebnis:
Von −70 auf etwa +30 mV, dann kurz unter −70 mV und zurück zum Ruhewert.

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 passiert, wenn die Membran eines Axons den Schwellenwert erreicht? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Am Schwellenwert öffnen sich viele Natriumkanäle.
    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.
  2. ●20
    Wie groß ist das Ruhepotenzial einer Nervenzelle etwa? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Gemessen wird innen gegen außen.
    2. In Ruhe ist das Innere negativ geladen.
    3. Der Wert liegt bei etwa −70 mV.
    Ergebnis:
    Etwa −70 mV, das Zellinnere ist negativ.
  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

Was löst an der Präsynapse die Ausschüttung des Transmitters aus? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Das Aktionspotenzial erreicht das Endknöpfchen.
  2. Spannungsgesteuerte Calciumkanäle öffnen sich.
  3. Calcium löst die Exocytose der Vesikel aus.
  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.

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
    Wo wird Acetylcholin in der Präsynapse bis zur Ausschüttung aufbewahrt? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Acetylcholin wird im Endknöpfchen gebildet.
    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.
  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
    Kohlenstoffdioxid verlässt eine arbeitende Muskelzelle in Richtung Blut. Welche Transportart liegt vor? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    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.
  2. ●26
    Welche Teilchen durchqueren die Lipiddoppelschicht ohne Hilfe von Proteinen? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Das Innere der Membran ist unpolar.
    2. Kleine unpolare Moleküle lösen sich darin und gelangen hindurch.
    3. Geladene oder große polare Teilchen brauchen Proteine.
    Ergebnis:
    Kleine, unpolare Moleküle wie Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid.
  3. ●27
    Was füllt bei der Plasmolyse den Raum zwischen Zellwand und geschrumpftem Protoplasten? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Die Zellwand ist durchlässig.
    2. Die Außenlösung strömt in den frei werdenden Raum.
    3. Nur die Membran des Protoplasten ist selektiv permeabel.
    Ergebnis:
    Die Außenlösung, denn die Zellwand ist für sie durchlässig.
  4. ●28
    Warum passt nur ein bestimmtes Substrat in das aktive Zentrum eines Enzyms? Begründe die Wahl.
    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.
  5. ●29
    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.
  6. ●30
    In einer Muskelzelle werden 4 Glucosemoleküle vollständig über Glykolyse, oxidative Decarboxylierung, Tricarbonsäurezyklus und Atmungskette abgebaut. Wie viele NADH + H⁺ entstehen allein im Tricarbonsäurezyklus?
    Lösung zeigen
    1. Je Durchlauf des Tricarbonsäurezyklus entstehen 3 NADH + H⁺.
    2. Je Glucose läuft er zweimal, also 6 NADH + H⁺.
    3. 4 · 6 = 24.
    Ergebnis:
    24 NADH + H⁺

Auf einen Blick

MerkenDas Wichtigste

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

AchtungBau von Membran und Zellwand falsch vorgestellt

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

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

AchtungTransportart verwechselt

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

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

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.

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
    Cholesterin gelangt mit LDL-Teilchen in die Zelle, nachdem diese an Rezeptoren gebunden haben. Wie heißt das? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Rezeptorvermittelte Endocytose.

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

    32
    Wo sitzt in der Zelle einer roten Zwiebel der Farbstoff, der die Plasmolyse sichtbar macht? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Im Zellsaft der Vakuole.

  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
    Warum fällt die Enzymaktivität oberhalb des Temperaturoptimums steil ab? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Das Enzym denaturiert: Raumstruktur und aktives Zentrum gehen verloren.

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

    35
    In welcher Form liegt ATP vor, nachdem es Energie übertragen hat? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Als ADP und Phosphat, die wieder zu ATP aufgebaut werden.

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

    36
    Was geschieht bei der oxidativen Decarboxylierung? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Brenztraubensäure gibt Kohlenstoffdioxid ab und wird zu Acetyl-Coenzym A; NAD⁺ wird reduziert.

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

    37
    Was bedeutet Depolarisation an einer Nervenzelle? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Das Membranpotenzial wird weniger negativ, das Innere positiver.

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

    38
    Wo wird Acetylcholin in der Präsynapse bis zur Ausschüttung aufbewahrt? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    In synaptischen Vesikeln im Endknöpfchen.

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. Einfache Diffusion entlang des Konzentrationsgefälles.
  2. Bei der Endocytose werden Stoffe in Bläschen aufgenommen, bei der Exocytose abgegeben.
  3. Insulin liegt fertig in Vesikeln, die auf ein Signal hin per Exocytose verschmelzen.
  4. Die feste Zellwand hält dem Innendruck stand.
  5. Nach rechts, zur 5-prozentigen Lösung.
  6. Diese Lösung ist etwa isotonisch zum Zellsaft der Kartoffel.
  7. Kompetitive Hemmung.
  8. Substratspezifität.
  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. Bei sehr viel Substrat erreicht sie wieder dieselbe Höchstgeschwindigkeit.
  13. Ein Teilchen nimmt Elektronen auf.
  14. Er wird als Wärme frei; das nennt man Energieentwertung.
  15. Die Motorproteine nutzen ATP; Glucose muss erst abgebaut werden.
  16. Die Atmungskette mit der ATP-Synthase.
  17. Aus der Matrix in den Intermembranraum.
  18. So wird NAD⁺ zurückgewonnen, und die Glykolyse liefert weiter etwas ATP.
  19. Spannungsgesteuerte Natriumkanäle öffnen sich, Natrium strömt ein: Depolarisation.
  20. Etwa −70 mV, das Zellinnere ist negativ.
  21. Der Reiz war unterschwellig; die Schwelle bei etwa −50 mV wurde nicht erreicht.
  22. In synaptischen Vesikeln im Endknöpfchen.
  23. Nur die Präsynapse hat Vesikel, nur die Postsynapse die passenden Rezeptoren.
  24. Die Postsynapse baut Rezeptoren ab, sodass dieselbe Menge weniger bewirkt.
  25. Einfache Diffusion, denn in der Zelle ist mehr Kohlenstoffdioxid als im Blut.
  26. Kleine, unpolare Moleküle wie Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid.
  27. Die Außenlösung, denn die Zellwand ist für sie durchlässig.
  28. Form und Ladungen des aktiven Zentrums sind auf dieses Substrat abgestimmt.
  29. Es überträgt Energie von abbauenden auf energieverbrauchende Vorgänge.
  30. 24 NADH + H⁺
  31. Rezeptorvermittelte Endocytose.
  32. Im Zellsaft der Vakuole.
  33. Das Modell der induzierten Passform.
  34. Das Enzym denaturiert: Raumstruktur und aktives Zentrum gehen verloren.
  35. Als ADP und Phosphat, die wieder zu ATP aufgebaut werden.
  36. Brenztraubensäure gibt Kohlenstoffdioxid ab und wird zu Acetyl-Coenzym A; NAD⁺ wird reduziert.
  37. Das Membranpotenzial wird weniger negativ, das Innere positiver.
  38. In synaptischen Vesikeln im Endknöpfchen.