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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

Glucose strömt über ein Trägerprotein in eine Leberzelle, weil außen mehr Glucose ist. Welche Transportart ist das? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Glucose folgt ihrem Gefälle nach innen.
  2. Ein Trägerprotein hilft nur beim Durchqueren.
  3. Ohne Energie und mit Protein: erleichterte Diffusion.
  1. Glucose folgt ihrem Gefälle nach innen.
  2. Ein Trägerprotein hilft nur beim Durchqueren.
  3. Ohne Energie und mit Protein: erleichterte Diffusion.
Ergebnis:
Erleichterte Diffusion, passiv mit Hilfe eines Carriers.

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
    Warum diffundiert ein Duftstoff in einem warmen Raum schneller? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Temperatur ist ein Maß für die Teilchenbewegung.
    Lösung zeigen
    1. Temperatur ist ein Maß für die Teilchenbewegung.
    2. Schnellere Teilchen verteilen sich schneller.
    3. Eine Absicht oder Richtung haben sie nicht.
    Ergebnis:
    Die Teilchen bewegen sich bei höherer Temperatur schneller ungeordnet.
  2. ●2
    Eine Drüsenzelle gibt Verdauungsenzyme nach außen ab. Wie geschieht das? Begründe die Wahl.
    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.
  3. ★3
    Wasser gelangt schnell durch Aquaporine in Nierenzellen. Welche Transportart liegt vor? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Aquaporine sind Wasserkanäle.
    2. Das Wasser folgt dem osmotischen Gefälle.
    3. Ohne Energie und mit Kanal: passiver Transport.
    Ergebnis:
    Passiver Transport durch Kanalproteine, angetrieben vom Gefälle.

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

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.
Schritt für Schritt
  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.
  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.

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
    Was ist Osmose? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Die Membran lässt Wasser durch, gelöste Teilchen kaum.
    Lösung zeigen
    1. Die Membran lässt Wasser durch, gelöste Teilchen kaum.
    2. Wasser diffundiert in beide Richtungen.
    3. Netto strömt mehr Wasser zur Seite mit mehr gelösten Teilchen.
    Ergebnis:
    Diffusion von Wasser durch eine selektiv permeable Membran zur konzentrierteren Lösung.
  2. ●5
    Eine Gurke liegt einige Tage in starker Salzlake. Warum wird sie schrumpelig? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Die Salzlake enthält mehr gelöste Teilchen als der Zellsaft.
    2. Wasser strömt netto aus den Zellen in die Lake.
    3. Die Zellen verlieren Spannung, die Gurke schrumpelt.
    Ergebnis:
    Die Lake ist hypertonisch und entzieht den Gurkenzellen Wasser.
  3. ★6
    Zellen einer roten Zwiebel liegen in konzentrierter Salzlösung. Was beobachtet man? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Außen sind mehr gelöste Teilchen als im Zellsaft.
    2. Wasser strömt netto aus der Vakuole heraus.
    3. Die Zellwand bleibt stehen, der Protoplast löst sich ab.
    Ergebnis:
    Die Vakuole schrumpft, der Protoplast löst sich von der Zellwand: Plasmolyse.

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 bindet außerhalb des aktiven Zentrums und verändert die Form des Enzyms. Wie heißt diese Hemmung? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Der Hemmstoff bindet an einer anderen Stelle.
    Lösung zeigen
    1. Der Hemmstoff bindet an einer anderen Stelle.
    2. Die Formänderung verändert auch das aktive Zentrum.
    3. Das ist eine allosterische Hemmung.
    Ergebnis:
    Allosterische Hemmung.
  2. ●8
    Eine Zelle enthält nur wenige Moleküle eines Enzyms, setzt aber große Mengen Substrat um. Wie ist das möglich? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Ein Enzym wird nicht verbraucht.
    2. Ein Molekül kann tausende Substrate je Sekunde umsetzen.
    3. Deshalb reichen wenige Enzymmoleküle.
    Ergebnis:
    Jedes Enzymmolekül bleibt erhalten und setzt viele Substratmoleküle nacheinander um.
  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

Eine Kurve der Reaktionsgeschwindigkeit über der Substratkonzentration verläuft am Ende waagerecht. Was zeigt dieser Abschnitt? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Waagerecht heißt: gleiche Geschwindigkeit trotz mehr Substrat.
  2. Alle aktiven Zentren sind besetzt.
  3. Das ist die Höchstgeschwindigkeit des Enzyms.
  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.

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?

ÜbenJetzt du

  1. ○10
    Ein Diagramm zeigt die Aktivität eines menschlichen Enzyms über der Temperatur. Wo liegt das Maximum typischerweise? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Menschliche Enzyme arbeiten bei Körpertemperatur.
    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.
  2. ●11
    Ein Diagramm zeigt die Aktivität zweier Enzyme über dem pH-Wert: Trypsin mit Gipfel bei 8, Speichelamylase mit Gipfel bei 7. Was lässt sich ablesen? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Die Gipfel liegen an verschiedenen Stellen.
    2. Trypsin wirkt im leicht basischen Dünndarm, Amylase im Mund.
    3. Das Optimum passt zum Wirkort.
    Ergebnis:
    Jedes Enzym hat ein eigenes pH-Optimum, passend zu seinem Wirkort.
  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

Wird bei der Muskelarbeit Energie verbraucht? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Energie bleibt immer erhalten.
  2. Im Muskel wird chemische Energie aus ATP umgewandelt.
  3. Es entstehen Bewegung und Wärme.
  1. Energie bleibt immer erhalten.
  2. Im Muskel wird chemische Energie aus ATP umgewandelt.
  3. Es entstehen Bewegung und Wärme.
Ergebnis:
Nein, chemische Energie wird in Bewegungsenergie und Wärme umgewandelt.

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
    Nur etwa 30 bis 40 Prozent der Energie aus Glucose landen in ATP. Wo bleibt der Rest? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Energie bleibt erhalten.
    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.
  2. ●14
    Was geschieht bei einer Oxidation? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    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.
  3. ★15
    Versuchstiere atmen Sauerstoff mit einem markierten Sauerstoffatom ein. Wo findet man die Markierung wieder? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Sauerstoff aus der Luft nimmt in der Atmungskette Elektronen auf.
    2. Er bildet mit Protonen Wasser.
    3. Der Sauerstoff im Kohlenstoffdioxid stammt aus Glucose und Wasser.
    Ergebnis:
    Im Wasser, das am Ende der Atmungskette entsteht.

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 lautet die Summengleichung der Zellatmung in Worten? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Ausgangsstoffe sind Glucose und Sauerstoff.
  2. Produkte sind Kohlenstoffdioxid und Wasser.
  3. Ein Teil der frei werdenden Energie landet in ATP.
  1. Ausgangsstoffe sind Glucose und Sauerstoff.
  2. Produkte sind Kohlenstoffdioxid und Wasser.
  3. Ein Teil der frei werdenden Energie landet in ATP.
Ergebnis:
Glucose und Sauerstoff reagieren zu Kohlenstoffdioxid und Wasser.

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
    Wohin pumpen die Proteine der Atmungskette die Protonen? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Die Pumpen sitzen in der inneren Membran.
    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.
  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
    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

Welche Aufgabe hat die Natrium-Kalium-Pumpe für das Ruhepotenzial? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Die Pumpe befördert 3 Natrium-Ionen hinaus und 2 Kalium-Ionen hinein.
  2. So bleiben die Gefälle erhalten.
  3. Das Ruhepotenzial selbst entsteht vor allem durch den Kaliumausstrom.
  1. Die Pumpe befördert 3 Natrium-Ionen hinaus und 2 Kalium-Ionen hinein.
  2. So bleiben die Gefälle erhalten.
  3. Das Ruhepotenzial selbst entsteht vor allem durch den Kaliumausstrom.
Ergebnis:
Die Pumpe hält die Konzentrationsunterschiede von Natrium und Kalium aufrecht.

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
    Wozu dient die Refraktärzeit nach einem Aktionspotenzial? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Die Natriumkanäle sind nach dem Öffnen kurz inaktiviert.
    Lösung zeigen
    1. Die Natriumkanäle sind nach dem Öffnen kurz inaktiviert.
    2. In dieser Zeit entsteht dort kein neues Aktionspotenzial.
    3. Die Erregung kann deshalb nicht zurücklaufen.
    Ergebnis:
    Kurz danach ist kein neues möglich; so läuft die Erregung nur in eine Richtung.
  2. ●20
    Warum strömen in Ruhe nicht alle Kalium-Ionen aus der Nervenzelle? Begründe die Wahl.
    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.
  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

Warum leitet eine chemische Synapse nur in eine Richtung? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Transmitter werden nur aus der Präsynapse ausgeschüttet.
  2. Rezeptoren sitzen nur an der Postsynapse.
  3. Deshalb ist die Richtung festgelegt.
  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.

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
    Was geschieht mit dem Cholin, nachdem Acetylcholin gespalten wurde? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Cholin ist ein wertvoller Baustein.
    Lösung zeigen
    1. Cholin ist ein wertvoller Baustein.
    2. Die Präsynapse nimmt es wieder auf.
    3. Daraus bildet sie neues Acetylcholin für die Vesikel.
    Ergebnis:
    Es wird in die Präsynapse zurückgeholt und zu neuem Acetylcholin aufgebaut.
  2. ●23
    Nervenkampfstoffe wie Sarin hemmen die Acetylcholinesterase. Was folgt an der motorischen Endplatte? Begründe die Wahl.
    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.
  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
    Ein Kartoffelstäbchen liegt eine Stunde in konzentrierter Salzlösung. Wie verändert sich seine Masse? Begründe die Wahl.
    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.
  3. ●27
    Welcher Teilschritt der Zellatmung liefert die meisten ATP? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Glykolyse und Tricarbonsäurezyklus liefern je Glucose zusammen nur 4 ATP.
    2. Die übrigen ATP stammen aus der Atmungskette.
    3. Dort treibt der Protonenrückstrom die ATP-Synthase an.
    Ergebnis:
    Die Atmungskette mit der ATP-Synthase.
  4. ●28
    In einer Muskelzelle werden 5 Glucosemoleküle vollständig über Glykolyse, oxidative Decarboxylierung, Tricarbonsäurezyklus und Atmungskette abgebaut. Es gilt die traditionelle Rechnung: 3 ATP je NADH + H⁺ und 2 ATP je FADH₂, zusammen 38 ATP je Glucose. Wie viele ATP entstehen insgesamt?
    Lösung zeigen
    1. Nach der traditionellen Rechnung liefert eine Glucose 38 ATP.
    2. Das umfasst alle vier Teilschritte, nicht nur die Glykolyse.
    3. 5 · 38 = 190.
    Ergebnis:
    190 ATP
  5. ●29
    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.
  6. ★30
    Eine Erregung läuft 1,5 m weit, einmal über eine marklose Faser mit etwa 1 m/s, einmal über eine markhaltige mit etwa 100 m/s. Wie viel später kommt sie über die marklose Faser an?
    Lösung zeigen
    1. Marklos: 1,5 m : 1 m/s = 1500 Millisekunden.
    2. Markhaltig: 1,5 m : 100 m/s = 15 Millisekunden.
    3. Unterschied: 1485 Millisekunden.
    Ergebnis:
    1485 Millisekunden

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.

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.

AchtungOxidation und Reduktion vertauscht

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

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

AchtungRolle des Sauerstoffs falsch vorgestellt

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

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

AchtungNur die Glykolyse bilanziert

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

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

AchtungBezug je Glucose und je Brenztraubensäure verwechselt

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

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

AchtungIonen, Kanäle oder Messung verwechselt

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

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

AchtungErregungsleitung falsch vorgestellt

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

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

AchtungLeitungszeit falsch berechnet

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

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

AchtungWirkung eines Stoffes an der Synapse falsch abgeleitet

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

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

Kannst du das?

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

ÜbenSelbsttest

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

    31
    Warum braucht Endocytose Energie? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Die Membran muss verformt, das Bläschen abgeschnürt und bewegt werden.

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

    32
    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
    Wie lässt sich eine kompetitive Hemmung abschwächen? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Durch mehr Substrat, das den Hemmstoff aus dem aktiven Zentrum verdrängt.

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

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

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

    35
    Nur etwa 30 bis 40 Prozent der Energie aus Glucose landen in ATP. Wo bleibt der Rest? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Er wird als Wärme frei; das nennt man Energieentwertung.

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

    36
    Welcher Teilschritt der Zellatmung liefert die meisten ATP? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Die Atmungskette mit der ATP-Synthase.

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

    37
    Wie misst man das Ruhepotenzial einer Nervenzelle? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Eine Elektrode im Zellinneren, eine außen, dazwischen ein Spannungsmessgerät.

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

    38
    Wie heißt die Membran der Nervenzelle, die den Transmitter ausschüttet? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Präsynaptische Membran.

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. Die Teilchen bewegen sich bei höherer Temperatur schneller ungeordnet.
  2. Durch Exocytose: Vesikel verschmelzen mit der Zellmembran.
  3. Passiver Transport durch Kanalproteine, angetrieben vom Gefälle.
  4. Diffusion von Wasser durch eine selektiv permeable Membran zur konzentrierteren Lösung.
  5. Die Lake ist hypertonisch und entzieht den Gurkenzellen Wasser.
  6. Die Vakuole schrumpft, der Protoplast löst sich von der Zellwand: Plasmolyse.
  7. Allosterische Hemmung.
  8. Jedes Enzymmolekül bleibt erhalten und setzt viele Substratmoleküle nacheinander um.
  9. Bei viel D wird weniger D gebildet; die Kette spart Stoff und Energie.
  10. Bei etwa 37 bis 40 °C; darüber fällt die Aktivität steil ab.
  11. Jedes Enzym hat ein eigenes pH-Optimum, passend zu seinem Wirkort.
  12. Das Enzym denaturiert dabei kaum und übersteht viele Heizzyklen.
  13. Er wird als Wärme frei; das nennt man Energieentwertung.
  14. Ein Teilchen gibt Elektronen ab.
  15. Im Wasser, das am Ende der Atmungskette entsteht.
  16. Aus der Matrix in den Intermembranraum.
  17. Rückströmende Protonen treiben die ATP-Synthase an.
  18. Er braucht NAD⁺ und FAD, die nur die Atmungskette mit Sauerstoff zurückgewinnt.
  19. Kurz danach ist kein neues möglich; so läuft die Erregung nur in eine Richtung.
  20. Die wachsende negative Ladung innen zieht sie zurück; es entsteht ein Gleichgewicht.
  21. Der Reiz war unterschwellig; die Schwelle bei etwa −50 mV wurde nicht erreicht.
  22. Es wird in die Präsynapse zurückgeholt und zu neuem Acetylcholin aufgebaut.
  23. Acetylcholin bleibt im Spalt; die Muskeln sind dauererregt und verkrampfen.
  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. Die Masse nimmt ab, weil Wasser aus den Zellen in die Lösung strömt.
  27. Die Atmungskette mit der ATP-Synthase.
  28. 190 ATP
  29. Ein Aktionspotenzial entsteht ganz oder gar nicht und ist immer gleich hoch.
  30. 1485 Millisekunden
  31. Die Membran muss verformt, das Bläschen abgeschnürt und bewegt werden.
  32. Diffusion von Wasser durch eine selektiv permeable Membran zur konzentrierteren Lösung.
  33. Durch mehr Substrat, das den Hemmstoff aus dem aktiven Zentrum verdrängt.
  34. Kaum aktiv, weil der pH-Wert weit vom Optimum entfernt ist.
  35. Er wird als Wärme frei; das nennt man Energieentwertung.
  36. Die Atmungskette mit der ATP-Synthase.
  37. Eine Elektrode im Zellinneren, eine außen, dazwischen ein Spannungsmessgerät.
  38. Präsynaptische Membran.