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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

Warum diffundiert ein Duftstoff in einem warmen Raum schneller? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Temperatur ist ein Maß für die Teilchenbewegung.
  2. Schnellere Teilchen verteilen sich schneller.
  3. Eine Absicht oder Richtung haben sie nicht.
  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.

AchtungDiffusion als gezielte Bewegung

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

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

ÜbenJetzt du

  1. ○1
    Wie lange läuft die Netto-Diffusion eines Stoffes in eine Zelle? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Die Teilchen bewegen sich immer weiter zufällig.
    Lösung zeigen
    1. Die Teilchen bewegen sich immer weiter zufällig.
    2. Netto wandern sie, solange ein Konzentrationsunterschied besteht.
    3. Im Gleichgewicht gleichen sich Hin- und Rückweg aus.
    Ergebnis:
    Bis innen und außen gleich viel ist; dann wandern gleich viele Teilchen hin wie her.
  2. ●2
    Die Natrium-Kalium-Pumpe befördert Natrium-Ionen aus der Zelle, obwohl außen mehr Natrium ist. Welche Transportart ist das? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Die Ionen wandern gegen ihr Gefälle.
    2. Dafür ist Energie nötig.
    3. Die Pumpe spaltet selbst ATP: primär aktiver Transport.
    Ergebnis:
    Primär aktiver Transport unter Spaltung von ATP.
  3. ★3
    Ein Gift hemmt die ATP-Bildung. Was geschieht mit den Konzentrationsgefällen von Natrium und Kalium? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Die Natrium-Kalium-Pumpe braucht ATP.
    2. Durch offene Kanäle sickern die Ionen weiter ihrem Gefälle nach.
    3. Ohne Pumpe gleichen sich die Konzentrationen langsam an.
    Ergebnis:
    Die Pumpe steht still, die Gefälle bauen sich durch Leckströme langsam ab.

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

Ein Kartoffelstäbchen liegt eine Stunde in destilliertem Wasser. Wie verändert sich seine Masse? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  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.
  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.

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
    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.
    So fängst du an:
    Rechts sind mehr gelöste Teilchen.
    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.
  2. ●5
    Wo sitzt in der Zelle einer roten Zwiebel der Farbstoff, der die Plasmolyse sichtbar macht? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Der rote Farbstoff ist im Zellsaft gelöst.
    2. Der Zellsaft füllt die Vakuole.
    3. Schrumpft die Vakuole, wird die rote Fläche kleiner.
    Ergebnis:
    Im Zellsaft der Vakuole.
  3. ★6
    Erdbeeren werden mit Zucker bestreut. Nach einer Stunde stehen sie in rotem Saft. Wie entsteht der Saft? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Auf der Oberfläche entsteht eine konzentrierte Zuckerlösung.
    2. Diese Lösung ist hypertonisch zu den Fruchtzellen.
    3. Wasser mit gelöstem Farbstoff tritt aus.
    Ergebnis:
    Der Zucker löst sich im Saftfilm; diese Lösung entzieht den Zellen osmotisch Wasser.

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

Eine Zelle enthält nur wenige Moleküle eines Enzyms, setzt aber große Mengen Substrat um. Wie ist das möglich? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Ein Enzym wird nicht verbraucht.
  2. Ein Molekül kann tausende Substrate je Sekunde umsetzen.
  3. Deshalb reichen wenige Enzymmoleküle.
  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.

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
    Welches Modell beschreibt, dass sich das aktive Zentrum beim Binden des Substrats leicht anpasst? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Das Schlüssel-Schloss-Modell nimmt eine starre Form an.
    Lösung zeigen
    1. Das Schlüssel-Schloss-Modell nimmt eine starre Form an.
    2. Tatsächlich passt sich das aktive Zentrum beim Binden an.
    3. Das beschreibt das Modell der induzierten Passform.
    Ergebnis:
    Das Modell der induzierten Passform.
  2. ●8
    Blei-Ionen binden fest an ein Enzym und verändern dauerhaft seine Raumstruktur. Was folgt daraus? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Schwermetalle binden außerhalb des aktiven Zentrums fest.
    2. Die Raumstruktur bleibt verändert.
    3. Mehr Substrat ändert daran nichts.
    Ergebnis:
    Das Enzym bleibt gehemmt; auch mehr Substrat hilft nicht.
  3. ★9
    Die Phosphofructokinase der Glykolyse wird von ATP an einer eigenen Bindungsstelle gehemmt. Welchen Sinn hat das? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. ATP ist ein Endprodukt des Abbaus.
    2. Es bindet an einer eigenen Stelle und verändert die Form des Enzyms.
    3. Bei viel ATP läuft weniger Abbau: Regulation auf Enzymebene.
    Ergebnis:
    Bei viel ATP wird die Glykolyse gedrosselt: allosterische Endprodukthemmung.

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

EntdeckenFrage

Wie kommt ein Enzym aus einer heißen Quelle in jedes Labor für Erbgutanalysen?

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

Auflösung

Aus heißen Quellen im Yellowstone-Nationalpark beschrieben Forscher 1969 das Bakterium Thermus aquaticus. Seine DNA-Polymerase arbeitet bei etwa 72 °C am besten und übersteht kurzes Erhitzen auf über 90 °C. Deshalb kopiert sie in der Polymerase-Kettenreaktion DNA, ohne zu denaturieren.

MerkenEnzymaktivität im Diagramm

Jedes Enzym hat ein Temperaturoptimum und ein pH-Optimum.

Unterhalb steigt die Geschwindigkeit nach der RGT-Regel, oberhalb denaturiert das Enzym.

BeispielEnzymaktivität im Diagramm

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

AchtungWirkung von Temperatur und pH-Wert falsch vorgestellt

So nicht
Kälte zerstört Enzyme, Hitze macht sie immer schneller.
So richtig
Kälte verlangsamt Enzyme umkehrbar. Hitze über dem Optimum zerstört die Raumstruktur meist dauerhaft.

Unterscheide: Kälte bremst nur die Teilchenbewegung. Hitze und ein falscher pH-Wert verändern die Raumstruktur, das aktive Zentrum passt nicht mehr.

ÜbenJetzt du

  1. ○10
    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
    Katalase spaltet Wasserstoffperoxid in Wasser und Sauerstoff. Bei welcher Probe schäumt es am stärksten: gekochte Kartoffel, rohe Kartoffel bei 5 °C oder rohe Kartoffel bei 35 °C? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. In der gekochten Kartoffel ist die Katalase denaturiert.
    2. Bei 5 °C arbeitet sie langsam.
    3. Bei 35 °C liegt sie nahe ihrem Optimum.
    Ergebnis:
    Rohe Kartoffel bei 35 °C.
  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

In welcher Form liegt ATP vor, nachdem es Energie übertragen hat? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Bei der Spaltung entstehen ADP und Phosphat.
  2. Beide bleiben in der Zelle.
  3. Mit Energie aus dem Abbau entsteht daraus wieder ATP.
  1. Bei der Spaltung entstehen ADP und Phosphat.
  2. Beide bleiben in der Zelle.
  3. Mit Energie aus dem Abbau entsteht daraus wieder ATP.
Ergebnis:
Als ADP und Phosphat, die wieder zu ATP aufgebaut werden.

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 mit dem Sauerstoff, den wir einatmen, in der Zelle? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Sauerstoff ist der letzte Empfänger der Elektronen.
    Lösung zeigen
    1. Sauerstoff ist der letzte Empfänger der Elektronen.
    2. Mit Protonen bildet er Wasser.
    3. Das Kohlenstoffdioxid stammt aus der Glucose.
    Ergebnis:
    Er nimmt am Ende der Atmungskette Elektronen auf und wird zu Wasser.
  2. ●14
    Was geschieht bei einer Reduktion? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Reduktion heißt Elektronenaufnahme.
    2. Das Gegenstück ist die Oxidation eines Partners.
    3. Der Partner gibt dabei die Elektronen ab.
    Ergebnis:
    Ein Teilchen nimmt Elektronen auf.
  3. ★15
    Das Aufbrechen einer chemischen Bindung erfordert immer Energie. Warum wird bei der Hydrolyse von ATP trotzdem Energie frei? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Spalten kostet Energie, Bilden setzt Energie frei.
    2. Bei der Hydrolyse entstehen stabilere Produkte.
    3. Die Bilanz ist negativ: Energie wird frei.
    Ergebnis:
    Beim Bilden der neuen Bindungen der Produkte wird mehr Energie frei, als das Spalten kostet.

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

Wo läuft der Tricarbonsäurezyklus ab? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Der Tricarbonsäurezyklus folgt auf die oxidative Decarboxylierung.
  2. Seine Enzyme liegen gelöst im Inneren des Mitochondriums.
  3. Das ist die Matrix.
  1. Der Tricarbonsäurezyklus folgt auf die oxidative Decarboxylierung.
  2. Seine Enzyme liegen gelöst im Inneren des Mitochondriums.
  3. Das ist die Matrix.
Ergebnis:
In der Matrix der Mitochondrien.

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
    Wo findet die Glykolyse statt? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Die Glykolyse ist der erste Schritt.
    Lösung zeigen
    1. Die Glykolyse ist der erste Schritt.
    2. Dafür braucht es keine Mitochondrien.
    3. Die Glykolyse läuft im Cytoplasma.
    Ergebnis:
    Im Cytoplasma der Zelle.
  2. ●17
    Warum haben Muskelzellen von Ausdauersportlern besonders viele Mitochondrien? Begründe die Wahl.
    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.
  3. ★18
    Welche Stoffe liefert der Tricarbonsäurezyklus vor allem an die Atmungskette? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Im Tricarbonsäurezyklus werden Elektronen auf NAD⁺ und FAD übertragen.
    2. Es entstehen NADH + H⁺ und FADH₂.
    3. Diese Überträger geben die Elektronen an die Atmungskette ab.
    Ergebnis:
    Die reduzierten Überträger NADH + H⁺ und FADH₂.

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

EntdeckenFrage

Was geht bei Multipler Sklerose im Nervensystem kaputt?

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

Auflösung

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

MerkenPotenziale und Erregungsleitung

Das Ruhepotenzial liegt bei etwa −70 mV.

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

BeispielRuhe- und Aktionspotenzial

Welche Ionen sind im Inneren einer ruhenden Nervenzelle stark angereichert? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Die Natrium-Kalium-Pumpe befördert Kalium hinein und Natrium hinaus.
  2. Große Eiweiß-Anionen können die Zelle nicht verlassen.
  3. Innen überwiegen Kalium-Ionen und Anionen.
  1. Die Natrium-Kalium-Pumpe befördert Kalium hinein und Natrium hinaus.
  2. Große Eiweiß-Anionen können die Zelle nicht verlassen.
  3. Innen überwiegen Kalium-Ionen und Anionen.
Ergebnis:
Kalium-Ionen und große organische Anionen.

AchtungAktionspotenzial als abgestuftes Signal

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

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

ÜbenJetzt du

  1. ○19
    Was bedeutet Hyperpolarisation am Ende eines Aktionspotenzials? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Nach der Repolarisation bleiben Kaliumkanäle noch kurz offen.
    Lösung zeigen
    1. Nach der Repolarisation bleiben Kaliumkanäle noch kurz offen.
    2. Es strömt mehr Kalium aus als in Ruhe.
    3. Das Innere wird kurz negativer als −70 mV.
    Ergebnis:
    Das Potenzial wird kurz negativer als das Ruhepotenzial.
  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

Nikotin bindet an bestimmte Acetylcholin-Rezeptoren und öffnet sie. Wie nennt man einen solchen Stoff? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Nikotin öffnet den Rezeptor wie Acetylcholin.
  2. Ein Stoff mit gleicher Wirkung heißt Agonist.
  3. Ein Blocker wie Curare heißt Antagonist.
  1. Nikotin öffnet den Rezeptor wie Acetylcholin.
  2. Ein Stoff mit gleicher Wirkung heißt Agonist.
  3. Ein Blocker wie Curare heißt Antagonist.
Ergebnis:
Agonist: Er wirkt wie der Transmitter.

AchtungSynapse als elektrische Brücke gedacht

So nicht
Das Aktionspotenzial springt über den synaptischen Spalt.
So richtig
Am Spalt endet das elektrische Signal. Transmitter diffundieren hinüber und lösen an der Postsynapse ein neues Signal aus.

Am synaptischen Spalt wird das Signal chemisch: Transmitter werden freigesetzt, binden an Rezeptoren und öffnen dort Kanäle.

ÜbenJetzt du

  1. ○22
    Curare blockiert die Acetylcholin-Rezeptoren an der motorischen Endplatte. Was folgt? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Curare besetzt die Rezeptoren, ohne sie zu öffnen.
    Lösung zeigen
    1. Curare besetzt die Rezeptoren, ohne sie zu öffnen.
    2. Acetylcholin kann nicht mehr wirken.
    3. Der Muskel bekommt kein Signal und erschlafft.
    Ergebnis:
    Die Muskeln erschlaffen: schlaffe Lähmung, auch der Atemmuskeln.
  2. ●23
    Was geschieht mit dem Cholin, nachdem Acetylcholin gespalten wurde? Begründe die Wahl.
    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.
  3. ★24
    Bei Myasthenia gravis zerstören Antikörper Acetylcholin-Rezeptoren der motorischen Endplatte. Warum helfen Hemmstoffe der Acetylcholinesterase? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Weniger Rezeptoren bedeuten ein schwächeres Signal.
    2. Ohne Abbau bleibt Acetylcholin länger wirksam.
    3. Die verbliebenen Rezeptoren werden öfter geöffnet.
    Ergebnis:
    Acetylcholin bleibt länger im Spalt und erreicht die übrigen Rezeptoren öfter.

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
    Was ist Osmose? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Die Membran lässt Wasser durch, gelöste Teilchen kaum.
    2. Wasser diffundiert in beide Richtungen.
    3. Netto strömt mehr Wasser zur Seite mit mehr gelösten Teilchen.
    Ergebnis:
    Diffusion von Wasser durch eine selektiv permeable Membran zur konzentrierteren Lösung.
  3. ●27
    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.
  4. ●28
    Was besagt die Reaktionsgeschwindigkeit-Temperatur-Regel (RGT-Regel)? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Wärmere Teilchen stoßen öfter und heftiger zusammen.
    2. Je 10 °C steigt die Geschwindigkeit auf das Zwei- bis Dreifache.
    3. Bei Enzymen gilt das nur bis zum Optimum.
    Ergebnis:
    10 °C mehr verdoppeln bis verdreifachen die Reaktionsgeschwindigkeit.
  5. ●29
    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.
  6. ●30
    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.

Auf einen Blick

MerkenDas Wichtigste

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

AchtungBau von Membran und Zellwand falsch vorgestellt

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

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

AchtungTransportart verwechselt

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

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

AchtungSpezifität oder Hemmart verwechselt

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

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

AchtungEnzymdiagramm falsch gelesen

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

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

AchtungOxidation und Reduktion vertauscht

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

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

AchtungRolle des Sauerstoffs falsch vorgestellt

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

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

AchtungNur die Glykolyse bilanziert

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

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

AchtungBezug je Glucose und je Brenztraubensäure verwechselt

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

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

AchtungIonen, Kanäle oder Messung verwechselt

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

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

AchtungErregungsleitung falsch vorgestellt

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

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

AchtungLeitungszeit falsch berechnet

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

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

AchtungWirkung eines Stoffes an der Synapse falsch abgeleitet

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

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

Kannst du das?

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

ÜbenSelbsttest

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

    31
    Wie lange läuft die Netto-Diffusion eines Stoffes in eine Zelle? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Bis innen und außen gleich viel ist; dann wandern gleich viele Teilchen hin wie her.

  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
    Warum passt nur ein bestimmtes Substrat in das aktive Zentrum eines Enzyms? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Form und Ladungen des aktiven Zentrums sind auf dieses Substrat abgestimmt.

  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
    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
    Welche Stoffe liefert der Tricarbonsäurezyklus vor allem an die Atmungskette? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Die reduzierten Überträger NADH + H⁺ und FADH₂.

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

    37
    Warum strömen in Ruhe nicht alle Kalium-Ionen aus der Nervenzelle? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Die wachsende negative Ladung innen zieht sie zurück; es entsteht ein Gleichgewicht.

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

    38
    Wovon hängt die Höhe eines EPSP an einer Synapse ab? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Von der Menge des ausgeschütteten Transmitters, also von der Frequenz der Aktionspotenziale.

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

Die Frage vom Anfang

EntdeckenRückschau

Warum hilft Händewaschen mit Seife gegen Grippeviren?

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

Auflösung

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

Wörter

Funktion
eine Regel, die aus einer Zahl eine andere macht

Lösungen

  1. Bis innen und außen gleich viel ist; dann wandern gleich viele Teilchen hin wie her.
  2. Primär aktiver Transport unter Spaltung von ATP.
  3. Die Pumpe steht still, die Gefälle bauen sich durch Leckströme langsam ab.
  4. Nach rechts, zur 5-prozentigen Lösung.
  5. Im Zellsaft der Vakuole.
  6. Der Zucker löst sich im Saftfilm; diese Lösung entzieht den Zellen osmotisch Wasser.
  7. Das Modell der induzierten Passform.
  8. Das Enzym bleibt gehemmt; auch mehr Substrat hilft nicht.
  9. Bei viel ATP wird die Glykolyse gedrosselt: allosterische Endprodukthemmung.
  10. Dort liegt das pH-Optimum: Das Enzym arbeitet am schnellsten.
  11. Rohe Kartoffel bei 35 °C.
  12. Das Enzym denaturiert dabei kaum und übersteht viele Heizzyklen.
  13. Er nimmt am Ende der Atmungskette Elektronen auf und wird zu Wasser.
  14. Ein Teilchen nimmt Elektronen auf.
  15. Beim Bilden der neuen Bindungen der Produkte wird mehr Energie frei, als das Spalten kostet.
  16. Im Cytoplasma der Zelle.
  17. Mehr Mitochondrien bilden mit Sauerstoff mehr ATP für den hohen Bedarf.
  18. Die reduzierten Überträger NADH + H⁺ und FADH₂.
  19. Das Potenzial wird kurz negativer als das Ruhepotenzial.
  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. Die Muskeln erschlaffen: schlaffe Lähmung, auch der Atemmuskeln.
  23. Es wird in die Präsynapse zurückgeholt und zu neuem Acetylcholin aufgebaut.
  24. Acetylcholin bleibt länger im Spalt und erreicht die übrigen Rezeptoren öfter.
  25. Ionen sind geladen und von Wasser umhüllt; das unpolare Innere lässt sie kaum hinein.
  26. Diffusion von Wasser durch eine selektiv permeable Membran zur konzentrierteren Lösung.
  27. Substratspezifität.
  28. 10 °C mehr verdoppeln bis verdreifachen die Reaktionsgeschwindigkeit.
  29. Reduktion: NAD⁺ wird reduziert.
  30. Brenztraubensäure gibt Kohlenstoffdioxid ab und wird zu Acetyl-Coenzym A; NAD⁺ wird reduziert.
  31. Bis innen und außen gleich viel ist; dann wandern gleich viele Teilchen hin wie her.
  32. Im Zellsaft der Vakuole.
  33. Form und Ladungen des aktiven Zentrums sind auf dieses Substrat abgestimmt.
  34. Kaum aktiv, weil der pH-Wert weit vom Optimum entfernt ist.
  35. Als ADP und Phosphat, die wieder zu ATP aufgebaut werden.
  36. Die reduzierten Überträger NADH + H⁺ und FADH₂.
  37. Die wachsende negative Ladung innen zieht sie zurück; es entsteht ein Gleichgewicht.
  38. Von der Menge des ausgeschütteten Transmitters, also von der Frequenz der Aktionspotenziale.