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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

Fresszellen nehmen ganze Bakterien auf. Wie heißt dieser Vorgang? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Die Membran umfließt das Bakterium.
  2. Es wird in einem Bläschen nach innen abgeschnürt.
  3. Aufnahme in Bläschen heißt Endocytose, bei großen Teilchen Phagocytose.
  1. Die Membran umfließt das Bakterium.
  2. Es wird in einem Bläschen nach innen abgeschnürt.
  3. Aufnahme in Bläschen heißt Endocytose, bei großen Teilchen Phagocytose.
Ergebnis:
Phagocytose, eine Form der Endocytose.

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
    Kohlenstoffdioxid verlässt eine arbeitende Muskelzelle in Richtung Blut. Welche Transportart liegt vor? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Die Zellatmung bildet in der Muskelzelle ständig Kohlenstoffdioxid.
    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. ●2
    Glucose strömt über ein Trägerprotein in eine Leberzelle, weil außen mehr Glucose ist. Welche Transportart ist das? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    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.
  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

Eine Gurke liegt einige Tage in starker Salzlake. Warum wird sie schrumpelig? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  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.
  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.

AchtungRichtung der Osmose verwechselt

So nicht
In Salzlösung strömt Salz in die Zelle, die Zelle schwillt an.
So richtig
In Salzlösung strömt Wasser aus der Zelle heraus, die Zelle schrumpft.

Bei der Osmose bewegt sich das Wasser, nicht der gelöste Stoff. Es strömt netto zur Seite mit mehr gelösten Teilchen.

ÜbenJetzt du

  1. ○4
    Ein Kartoffelstäbchen liegt eine Stunde in destilliertem Wasser. Wie verändert sich seine Masse? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Im Zellsaft sind mehr gelöste Teilchen als im destillierten Wasser.
    Lösung zeigen
    1. Im Zellsaft sind mehr gelöste Teilchen als im destillierten Wasser.
    2. Wasser strömt netto in die Zellen.
    3. Das Stäbchen wird schwerer und fester.
    Ergebnis:
    Die Masse nimmt zu, weil Wasser in die Zellen einströmt.
  2. ●5
    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.
  3. ★6
    Warum gibt man bei Infusionen kein reines Wasser in die Vene? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Blutplasma und Blutzellen haben viele gelöste Teilchen.
    2. Reines Wasser ist dagegen hypotonisch.
    3. Wasser strömt in die Blutzellen, sie platzen.
    Ergebnis:
    Die Blutzellen würden Wasser aufnehmen und platzen; man nimmt isotonische Lösung.

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

EntdeckenFrage

Warum bekamen Menschen mit Methanolvergiftung früher Alkohol als Gegenmittel?

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

Auflösung

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

MerkenEnzyme und Enzymhemmung

Enzyme senken die Aktivierungsenergie und werden nicht verbraucht.

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

BeispielEnzyme und Enzymhemmung

Was ist das Substrat einer Enzymreaktion? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Das Substrat ist der Ausgangsstoff der Reaktion.
  2. Es bindet im aktiven Zentrum.
  3. Dort wird es zum Produkt umgesetzt.
  1. Das Substrat ist der Ausgangsstoff der Reaktion.
  2. Es bindet im aktiven Zentrum.
  3. Dort wird es zum Produkt umgesetzt.
Ergebnis:
Der Stoff, der im aktiven Zentrum gebunden und umgesetzt wird.

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. ○7
    Urease spaltet nur Harnstoff und keinen anderen Stoff. Welche Eigenschaft des Enzyms zeigt das? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Gefragt ist, welches Substrat das Enzym umsetzt.
    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.
  2. ●8
    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.
  3. ★9
    Bei einer Methanolvergiftung gab man früher Ethanol. Beide sind Substrate der Alkoholdehydrogenase. Warum hilft das? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Ethanol und Methanol konkurrieren um das aktive Zentrum.
    2. Bei viel Ethanol wird Methanol kaum umgesetzt.
    3. Es wird unverändert ausgeschieden, bevor giftige Stoffe entstehen.
    Ergebnis:
    Ethanol verdrängt Methanol kompetitiv, sodass kaum giftige Abbauprodukte entstehen.

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

EntdeckenFrage

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

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

Auflösung

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

MerkenEnzymaktivität im Diagramm

Jedes Enzym hat ein Temperaturoptimum und ein pH-Optimum.

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

BeispielEnzymaktivität im Diagramm

Pepsin aus dem Magen hat sein pH-Optimum bei etwa 2. Wie aktiv ist es im Dünndarm bei pH 8? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Die pH-Kurve hat einen Gipfel beim Optimum.
  2. Bei pH 8 verändern sich die Ladungen im Enzym.
  3. Das aktive Zentrum passt kaum noch.
  1. Die pH-Kurve hat einen Gipfel beim Optimum.
  2. Bei pH 8 verändern sich die Ladungen im Enzym.
  3. Das aktive Zentrum passt kaum noch.
Ergebnis:
Kaum aktiv, weil der pH-Wert weit vom Optimum entfernt ist.

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. ○10
    Warum fällt die Enzymaktivität oberhalb des Temperaturoptimums steil ab? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Enzyme sind Proteine mit einer empfindlichen Raumstruktur.
    Lösung zeigen
    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.
  2. ●11
    Mit steigender Substratkonzentration steigt die Reaktionsgeschwindigkeit erst stark, dann kaum noch. Warum? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Bei wenig Substrat sind viele aktive Zentren frei.
    2. Mit mehr Substrat werden sie zunehmend besetzt.
    3. Sind alle besetzt, bringt mehr Substrat nichts mehr.
    Ergebnis:
    Fast alle aktiven Zentren sind besetzt; das Enzym ist gesättigt.
  3. ★12
    Wo liegt vermutlich das Temperaturoptimum der Verdauungsenzyme eines Fisches aus dem Polarmeer im Vergleich zum Menschen? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Fische haben etwa die Temperatur des Wassers.
    2. Die Enzyme des Fisches müssen bei Kälte arbeiten.
    3. Das Optimum liegt deshalb tiefer.
    Ergebnis:
    Deutlich tiefer, passend zur Wassertemperatur seines Lebensraums.

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

Warum kann ein Muskel Glucose nicht direkt für die Bewegung nutzen? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Die Proteine der Muskelbewegung spalten ATP.
  2. Glucose liefert die Energie, um ATP zu bilden.
  3. Dazwischen liegt die Zellatmung.
  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.

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 mit dem Sauerstoff, den wir einatmen, in der Zelle? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Sauerstoff ist der letzte Empfänger der Elektronen.
    2. Mit Protonen bildet er Wasser.
    3. Das Kohlenstoffdioxid stammt aus der Glucose.
    Ergebnis:
    Er nimmt am Ende der Atmungskette Elektronen auf und wird zu Wasser.
  3. ★15
    Warum ist ein großes Protonengefälle an der inneren Mitochondrienmembran eine Form gespeicherter Energie? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Das Gefälle entsteht durch Pumpen unter Energieaufwand.
    2. Beim Rückstrom wird diese Energie wieder frei.
    3. Die ATP-Synthase wandelt sie in die Bildung von ATP um.
    Ergebnis:
    Die Protonen strömen ihrem Gefälle nach zurück und treiben dabei die ATP-Synthase an.

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

Welcher Teilschritt verbindet die Glykolyse mit dem Tricarbonsäurezyklus? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Die Glykolyse liefert Brenztraubensäure.
  2. Diese wird in der Matrix zu Acetyl-Coenzym A umgebaut.
  3. Acetyl-Coenzym A geht in den Tricarbonsäurezyklus.
  1. Die Glykolyse liefert Brenztraubensäure.
  2. Diese wird in der Matrix zu Acetyl-Coenzym A umgebaut.
  3. Acetyl-Coenzym A geht in den Tricarbonsäurezyklus.
Ergebnis:
Die oxidative Decarboxylierung in der Matrix.

AchtungOrt oder Teilschritt der Zellatmung vertauscht

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

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

ÜbenJetzt du

  1. ○16
    Was geschieht bei der oxidativen Decarboxylierung? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Decarboxylierung heißt: Kohlenstoffdioxid wird abgespalten.
    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.
  2. ●17
    Wo läuft der Tricarbonsäurezyklus ab? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    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.
  3. ★18
    Woher stammt der Kohlenstoff im ausgeatmeten Kohlenstoffdioxid? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Kohlenstoffdioxid entsteht bei Decarboxylierungen.
    2. Abgespalten werden Kohlenstoffatome der Glucose.
    3. Luft liefert nur den Sauerstoff für die Atmungskette.
    Ergebnis:
    Aus den abgebauten Nährstoffen, zum Beispiel aus Glucose.

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

EntdeckenFrage

Was geht bei Multipler Sklerose im Nervensystem kaputt?

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

Auflösung

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

MerkenPotenziale und Erregungsleitung

Das Ruhepotenzial liegt bei etwa −70 mV.

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

BeispielRuhe- und Aktionspotenzial

Was besagt das Alles-oder-nichts-Gesetz? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Unter dem Schwellenwert entsteht kein Aktionspotenzial.
  2. Über dem Schwellenwert entsteht ein vollständiges.
  3. Seine Höhe hängt nicht von der Reizstärke ab.
  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.

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
    Wie verläuft das Membranpotenzial bei einem Aktionspotenzial? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Natriumeinstrom macht das Innere positiv: Depolarisation.
    Lösung zeigen
    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.
  2. ●20
    Wozu dient die Refraktärzeit nach einem Aktionspotenzial? Begründe die Wahl.
    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.
  3. ★21
    Die Kaliumkonzentration außerhalb einer Nervenzelle wird stark erhöht. Wie ändert sich das Ruhepotenzial? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Das Kaliumgefälle nach außen wird kleiner.
    2. Weniger Kalium strömt aus.
    3. Das Innere bleibt weniger negativ: Die Zelle ist depolarisiert.
    Ergebnis:
    Es wird weniger negativ, weil weniger Kalium nach außen diffundiert.

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

EntdeckenFrage

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

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

Auflösung

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

MerkenSynapse und Stoffeinwirkung

Die Synapse übersetzt ein elektrisches Signal in ein chemisches.

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

BeispielSynapse und Stoffeinwirkung

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

AchtungSynapse als elektrische Brücke gedacht

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

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

ÜbenJetzt du

  1. ○22
    Was löst an der Präsynapse die Ausschüttung des Transmitters aus? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Das Aktionspotenzial erreicht das Endknöpfchen.
    Lösung zeigen
    1. Das Aktionspotenzial erreicht das Endknöpfchen.
    2. Spannungsgesteuerte Calciumkanäle öffnen sich.
    3. Calcium löst die Exocytose der Vesikel aus.
    Ergebnis:
    Calcium-Ionen strömen ein und lassen Vesikel mit der Membran verschmelzen.
  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
    Antidepressiva vom Typ der Serotonin-Wiederaufnahmehemmer blockieren den Rücktransport von Serotonin in die Präsynapse. Was folgt im Spalt? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Normalerweise holt die Präsynapse Serotonin zurück.
    2. Ist das blockiert, bleibt mehr Serotonin im Spalt.
    3. Die Wirkung an der Postsynapse hält länger an.
    Ergebnis:
    Serotonin bleibt länger im Spalt und wirkt länger auf die Rezeptoren.

Vermischte Übungen

Alles durcheinander – wie in der Arbeit. Überleg bei jeder Aufgabe zuerst: Welches Ziel ist das?

Üben

  1. ●25
    Wie lange läuft die Netto-Diffusion eines Stoffes in eine Zelle? Begründe die Wahl.
    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. ●26
    Was bewirkt Cholesterin in tierischen Zellmembranen? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Cholesterin lagert sich zwischen die Phospholipide.
    2. Bei Wärme bremst es ihre Bewegung, bei Kälte verhindert es dichtes Packen.
    3. So bleibt die Membran gleichmäßig flüssig.
    Ergebnis:
    Es stabilisiert die Membran und hält ihre Fluidität bei Temperaturwechseln im Rahmen.
  3. ●27
    Woraus bestehen die meisten Enzyme? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Enzyme sind fast immer Proteine.
    2. Die Raumstruktur bildet das aktive Zentrum.
    3. Ändert sich die Raumstruktur, geht die Wirkung verloren.
    Ergebnis:
    Aus Proteinen mit einer bestimmten Raumstruktur.
  4. ●28
    Welche Achsen hat ein typisches Diagramm zur Abhängigkeit von der Substratkonzentration? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Die veränderte Größe steht auf der waagerechten Achse.
    2. Verändert wird die Substratkonzentration.
    3. Die gemessene Wirkung, die Reaktionsgeschwindigkeit, steht senkrecht.
    Ergebnis:
    Waagerecht die Substratkonzentration, senkrecht die Reaktionsgeschwindigkeit.
  5. ●29
    Wie heißt der Stoff, der in einer Redoxreaktion Elektronen aufnimmt? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Der Stoff nimmt Elektronen auf und wird reduziert.
    2. Er oxidiert dabei seinen Partner.
    3. Deshalb heißt er Oxidationsmittel.
    Ergebnis:
    Oxidationsmittel; es wird dabei selbst reduziert.
  6. ●30
    In einer Muskelzelle werden 8 Glucosemoleküle vollständig über Glykolyse, oxidative Decarboxylierung, Tricarbonsäurezyklus und Atmungskette abgebaut. Wie viele FADH₂ entstehen insgesamt?
    Lösung zeigen
    1. FADH₂ entsteht nur im Tricarbonsäurezyklus, 1 je Brenztraubensäure.
    2. Eine Glucose ergibt zwei Brenztraubensäuren, also 2 FADH₂.
    3. 8 · 2 = 16.
    Ergebnis:
    16 FADH₂

Auf einen Blick

MerkenDas Wichtigste

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

AchtungBau von Membran und Zellwand falsch vorgestellt

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

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

AchtungTransportart verwechselt

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

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

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

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

    32
    Was füllt bei der Plasmolyse den Raum zwischen Zellwand und geschrumpftem Protoplasten? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Die Außenlösung, denn die Zellwand ist für sie durchlässig.

  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
    Wie lässt sich die Höchstgeschwindigkeit einer gesättigten Enzymreaktion weiter steigern? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Durch mehr Enzym, denn mehr Substrat bringt nichts mehr.

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

    35
    Welche Rolle spielt ATP in der Zelle? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Es überträgt Energie von abbauenden auf energieverbrauchende Vorgänge.

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

    36
    Was entsteht in der Glykolyse aus einem Molekül Glucose? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Zwei Brenztraubensäuren, netto 2 ATP und 2 NADH + H⁺.

  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
    Botulinumtoxin verhindert die Ausschüttung von Acetylcholin. Wie wirkt es auf den Muskel? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Der Muskel bekommt kein Signal mehr und erschlafft.

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, denn in der Zelle ist mehr Kohlenstoffdioxid als im Blut.
  2. Erleichterte Diffusion, passiv mit Hilfe eines Carriers.
  3. Passiver Transport durch Kanalproteine, angetrieben vom Gefälle.
  4. Die Masse nimmt zu, weil Wasser in die Zellen einströmt.
  5. Die Vakuole schrumpft, der Protoplast löst sich von der Zellwand: Plasmolyse.
  6. Die Blutzellen würden Wasser aufnehmen und platzen; man nimmt isotonische Lösung.
  7. Substratspezifität.
  8. Form und Ladungen des aktiven Zentrums sind auf dieses Substrat abgestimmt.
  9. Ethanol verdrängt Methanol kompetitiv, sodass kaum giftige Abbauprodukte entstehen.
  10. Das Enzym denaturiert: Raumstruktur und aktives Zentrum gehen verloren.
  11. Fast alle aktiven Zentren sind besetzt; das Enzym ist gesättigt.
  12. Deutlich tiefer, passend zur Wassertemperatur seines Lebensraums.
  13. Er wird als Wärme frei; das nennt man Energieentwertung.
  14. Er nimmt am Ende der Atmungskette Elektronen auf und wird zu Wasser.
  15. Die Protonen strömen ihrem Gefälle nach zurück und treiben dabei die ATP-Synthase an.
  16. Brenztraubensäure gibt Kohlenstoffdioxid ab und wird zu Acetyl-Coenzym A; NAD⁺ wird reduziert.
  17. In der Matrix der Mitochondrien.
  18. Aus den abgebauten Nährstoffen, zum Beispiel aus Glucose.
  19. Von −70 auf etwa +30 mV, dann kurz unter −70 mV und zurück zum Ruhewert.
  20. Kurz danach ist kein neues möglich; so läuft die Erregung nur in eine Richtung.
  21. Es wird weniger negativ, weil weniger Kalium nach außen diffundiert.
  22. Calcium-Ionen strömen ein und lassen Vesikel mit der Membran verschmelzen.
  23. Es wird in die Präsynapse zurückgeholt und zu neuem Acetylcholin aufgebaut.
  24. Serotonin bleibt länger im Spalt und wirkt länger auf die Rezeptoren.
  25. Bis innen und außen gleich viel ist; dann wandern gleich viele Teilchen hin wie her.
  26. Es stabilisiert die Membran und hält ihre Fluidität bei Temperaturwechseln im Rahmen.
  27. Aus Proteinen mit einer bestimmten Raumstruktur.
  28. Waagerecht die Substratkonzentration, senkrecht die Reaktionsgeschwindigkeit.
  29. Oxidationsmittel; es wird dabei selbst reduziert.
  30. 16 FADH₂
  31. Einfache Diffusion, denn in der Zelle ist mehr Kohlenstoffdioxid als im Blut.
  32. Die Außenlösung, denn die Zellwand ist für sie durchlässig.
  33. Durch mehr Substrat, das den Hemmstoff aus dem aktiven Zentrum verdrängt.
  34. Durch mehr Enzym, denn mehr Substrat bringt nichts mehr.
  35. Es überträgt Energie von abbauenden auf energieverbrauchende Vorgänge.
  36. Zwei Brenztraubensäuren, netto 2 ATP und 2 NADH + H⁺.
  37. Das Membranpotenzial wird weniger negativ, das Innere positiver.
  38. Der Muskel bekommt kein Signal mehr und erschlafft.