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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
    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
    Warum können Zellen der Bauchspeicheldrüse große Mengen Insulin in Sekunden ausschütten? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Insulin ist ein großes Protein.
    2. Es wird vorab in Vesikeln gespeichert.
    3. Auf ein Signal hin verschmelzen viele Vesikel gleichzeitig mit der Membran.
    Ergebnis:
    Insulin liegt fertig in Vesikeln, die auf ein Signal hin per Exocytose verschmelzen.

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

EntdeckenFrage

Warum enthält eine Kochsalzinfusion genau 0,9 Prozent Salz?

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

Auflösung

Diese Lösung ist isotonisch zum Blutplasma. Rote Blutzellen nehmen darin weder Wasser auf noch geben sie welches ab. In reinem Wasser würden sie anschwellen und platzen.

MerkenDiffusion und Osmose

Osmose ist Diffusion von Wasser durch eine selektiv permeable Membran.

Wasser strömt zur Seite mit mehr gelösten Teilchen. In konzentrierter Lösung tritt Plasmolyse ein.

BeispielOsmose und Plasmolyse

Wo sitzt in der Zelle einer roten Zwiebel der Farbstoff, der die Plasmolyse sichtbar macht? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Der rote Farbstoff ist im Zellsaft gelöst.
  2. Der Zellsaft füllt die Vakuole.
  3. Schrumpft die Vakuole, wird die rote Fläche kleiner.
  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.

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
    Zwei Zuckerlösungen sind durch eine Membran getrennt, die nur Wasser durchlässt. Links ist eine 1-prozentige, rechts eine 5-prozentige Lösung. Wohin strömt netto Wasser? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Rechts sind mehr gelöste Teilchen.
    2. Wasser strömt netto zur Seite mit mehr gelösten Teilchen.
    3. Gerade weil Zucker nicht durchkommt, gleicht Wasser aus.
    Ergebnis:
    Nach rechts, zur 5-prozentigen Lösung.
  3. ★6
    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.

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

Blei-Ionen binden fest an ein Enzym und verändern dauerhaft seine Raumstruktur. Was folgt daraus? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Schwermetalle binden außerhalb des aktiven Zentrums fest.
  2. Die Raumstruktur bleibt verändert.
  3. Mehr Substrat ändert daran nichts.
  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.

AchtungEnzym als verbrauchter Reaktionspartner

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

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

ÜbenJetzt du

  1. ○7
    Was ist das Substrat einer Enzymreaktion? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Das Substrat ist der Ausgangsstoff der Reaktion.
    Lösung zeigen
    1. Das Substrat ist der Ausgangsstoff der Reaktion.
    2. Es bindet im aktiven Zentrum.
    3. Dort wird es zum Produkt umgesetzt.
    Ergebnis:
    Der Stoff, der im aktiven Zentrum gebunden und umgesetzt wird.
  2. ●8
    Was geschieht mit einem Enzym nach der Reaktion? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    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.
  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

Die Aktivität eines Enzyms sinkt bei 60 °C innerhalb von 10 Minuten auf 0. Danach wird auf 37 °C abgekühlt. Was ist zu erwarten? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Bei 60 °C ist das Enzym denaturiert.
  2. Die Raumstruktur bildet sich beim Abkühlen meist nicht zurück.
  3. Die Aktivität bleibt verloren.
  1. Bei 60 °C ist das Enzym denaturiert.
  2. Die Raumstruktur bildet sich beim Abkühlen meist nicht zurück.
  3. Die Aktivität bleibt verloren.
Ergebnis:
Die Aktivität bleibt nahe 0, denn die Denaturierung ist meist nicht umkehrbar.

AchtungSpezifität oder Hemmart verwechselt

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

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

ÜbenJetzt du

  1. ○10
    Welche Achsen hat ein typisches Diagramm zur Abhängigkeit von der Substratkonzentration? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Die veränderte Größe steht auf der waagerechten Achse.
    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.
  2. ●11
    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.
  3. ★12
    Eine kompetitive und eine allosterische Hemmung werden im Diagramm Geschwindigkeit gegen Substratkonzentration verglichen. Woran erkennt man die kompetitive? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Kompetitive Hemmstoffe werden von viel Substrat verdrängt.
    2. Bei hoher Konzentration verschwindet die Hemmung fast.
    3. Die Kurve erreicht dieselbe Höchstgeschwindigkeit, nur später.
    Ergebnis:
    Bei sehr viel Substrat erreicht sie wieder dieselbe Höchstgeschwindigkeit.

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

EntdeckenFrage

Wie viel ATP setzt ein Mensch an einem Tag um?

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

Auflösung

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

MerkenRedoxreaktionen und ATP

Oxidation ist Elektronenabgabe, Reduktion Elektronenaufnahme.

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

BeispielRedoxreaktionen und ATP

Wie heißt der Stoff, der in einer Redoxreaktion Elektronen aufnimmt? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Der Stoff nimmt Elektronen auf und wird reduziert.
  2. Er oxidiert dabei seinen Partner.
  3. Deshalb heißt er Oxidationsmittel.
  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.

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
    Warum kann ein Muskel Glucose nicht direkt für die Bewegung nutzen? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Die Proteine der Muskelbewegung spalten ATP.
    Lösung zeigen
    1. Die Proteine der Muskelbewegung spalten ATP.
    2. Glucose liefert die Energie, um ATP zu bilden.
    3. Dazwischen liegt die Zellatmung.
    Ergebnis:
    Die Motorproteine nutzen ATP; Glucose muss erst abgebaut werden.
  2. ●14
    Was kennzeichnet eine Redoxreaktion? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Elektronen verschwinden nicht.
    2. Was ein Stoff abgibt, nimmt ein anderer auf.
    3. Oxidation und Reduktion gehören immer zusammen.
    Ergebnis:
    Oxidation und Reduktion sind gekoppelt: Elektronen wechseln den Partner.
  3. ★15
    In der Atmungskette werden Elektronen von NADH + H⁺ schrittweise auf Sauerstoff übertragen. Welchen Vorteil haben viele kleine Schritte? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Die Gesamtenergie ist bei einem oder vielen Schritten gleich.
    2. In kleinen Schritten geht weniger sofort als Wärme verloren.
    3. Jede Portion treibt Protonenpumpen an.
    Ergebnis:
    Die Energie wird portionsweise frei und kann zum Pumpen von Protonen genutzt werden.

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

EntdeckenFrage

Kommt Muskelkater von Milchsäure?

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

Auflösung

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

MerkenZellatmung mit Bilanz

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

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

BeispielTeilschritte der Zellatmung

Welche Aufgabe hat der Sauerstoff in der Zellatmung? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Die Elektronen wandern durch die Atmungskette.
  2. Am Ende nimmt Sauerstoff sie auf.
  3. Mit Protonen entsteht Wasser.
  1. Die Elektronen wandern durch die Atmungskette.
  2. Am Ende nimmt Sauerstoff sie auf.
  3. Mit Protonen entsteht Wasser.
Ergebnis:
Er ist der letzte Elektronenakzeptor der Atmungskette.

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 sitzen die Proteine der Atmungskette? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Die Atmungskette braucht eine Membran, um ein Protonengefälle aufzubauen.
    Lösung zeigen
    1. Die Atmungskette braucht eine Membran, um ein Protonengefälle aufzubauen.
    2. Dafür dient die innere Membran.
    3. Die Falten heißen Cristae.
    Ergebnis:
    In der inneren Mitochondrienmembran.
  2. ●17
    Was geschieht bei der oxidativen Decarboxylierung? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Decarboxylierung heißt: Kohlenstoffdioxid wird abgespalten.
    2. Oxidativ heißt: Elektronen gehen auf NAD⁺ über.
    3. Es entsteht Acetyl-Coenzym A für den Tricarbonsäurezyklus.
    Ergebnis:
    Brenztraubensäure gibt Kohlenstoffdioxid ab und wird zu Acetyl-Coenzym A; NAD⁺ wird reduziert.
  3. ★18
    Warum gilt der Tricarbonsäurezyklus als aerob, obwohl in ihm kein Sauerstoff reagiert? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Der Zyklus reduziert NAD⁺ und FAD.
    2. Ohne Atmungskette werden sie nicht wieder oxidiert.
    3. Ohne Sauerstoff steht der Zyklus deshalb still.
    Ergebnis:
    Er braucht NAD⁺ und FAD, die nur die Atmungskette mit Sauerstoff zurückgewinnt.

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

EntdeckenFrage

Was geht bei Multipler Sklerose im Nervensystem kaputt?

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

Auflösung

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

MerkenPotenziale und Erregungsleitung

Das Ruhepotenzial liegt bei etwa −70 mV.

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

BeispielRuhe- und Aktionspotenzial

Was 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
    Ein schwacher und ein starker überschwelliger Reiz treffen ein Axon. Wie unterscheiden sich die Aktionspotenziale? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Aktionspotenziale folgen dem Alles-oder-nichts-Gesetz.
    Lösung zeigen
    1. Aktionspotenziale folgen dem Alles-oder-nichts-Gesetz.
    2. Die Höhe ist immer gleich.
    3. Die Reizstärke wird über die Frequenz verschlüsselt.
    Ergebnis:
    Nicht in der Höhe; der starke Reiz löst mehr Aktionspotenziale je Sekunde aus.
  2. ●20
    Was bedeutet Hyperpolarisation am Ende eines Aktionspotenzials? Begründe die Wahl.
    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.
  3. ★21
    Bei einer Messung steigt die Spannung nach einem Reiz auf −60 mV und fällt dann ohne Aktionspotenzial zurück. Wie ist das zu deuten? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Eine kleine Depolarisation ohne Spitze ist kein Aktionspotenzial.
    2. Die Schwelle liegt bei etwa −50 mV.
    3. Unterschwellige Reize klingen ab.
    Ergebnis:
    Der Reiz war unterschwellig; die Schwelle bei etwa −50 mV wurde nicht erreicht.

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

EntdeckenFrage

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

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

Auflösung

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

MerkenSynapse und Stoffeinwirkung

Die Synapse übersetzt ein elektrisches Signal in ein chemisches.

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

BeispielSynapse und Stoffeinwirkung

Was geschieht mit dem Cholin, nachdem Acetylcholin gespalten wurde? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Cholin ist ein wertvoller Baustein.
  2. Die Präsynapse nimmt es wieder auf.
  3. Daraus bildet sie neues Acetylcholin für die Vesikel.
  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.

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
    Wovon hängt die Höhe eines EPSP an einer Synapse ab? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Alle Aktionspotenziale sind gleich hoch.
    2. Mehr Aktionspotenziale je Sekunde setzen mehr Transmitter frei.
    3. Mehr Transmitter öffnet mehr Kanäle; das EPSP wird größer.
    Ergebnis:
    Von der Menge des ausgeschütteten Transmitters, also von der Frequenz der Aktionspotenziale.
  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
    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.
  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
    Was füllt bei der Plasmolyse den Raum zwischen Zellwand und geschrumpftem Protoplasten? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Die Zellwand ist durchlässig.
    2. Die Außenlösung strömt in den frei werdenden Raum.
    3. Nur die Membran des Protoplasten ist selektiv permeabel.
    Ergebnis:
    Die Außenlösung, denn die Zellwand ist für sie durchlässig.
  4. ●28
    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.
  5. ●29
    In einer Muskelzelle werden 9 Glucosemoleküle vollständig über Glykolyse, oxidative Decarboxylierung, Tricarbonsäurezyklus und Atmungskette abgebaut. Wie viele Moleküle Kohlenstoffdioxid entstehen insgesamt?
    Lösung zeigen
    1. Je Brenztraubensäure: 1 Kohlenstoffdioxid in der oxidativen Decarboxylierung.
    2. Dazu 2 Kohlenstoffdioxid im Tricarbonsäurezyklus.
    3. Eine Glucose ergibt zwei Brenztraubensäuren, also 6 Kohlenstoffdioxid je Glucose.
    4. 9 · 6 = 54.
    Ergebnis:
    54 Moleküle Kohlenstoffdioxid
  6. ★30
    Eine Erregung läuft 0,4 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: 0,4 m : 1 m/s = 400 Millisekunden.
    2. Markhaltig: 0,4 m : 100 m/s = 4 Millisekunden.
    3. Unterschied: 396 Millisekunden.
    Ergebnis:
    396 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.

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
    Sauerstoff gelangt aus dem Blut in eine Muskelzelle. Welche Transportart liegt vor? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Einfache Diffusion entlang des Konzentrationsgefälles.

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

    32
    Zwei Zuckerlösungen sind durch eine Membran getrennt, die nur Wasser durchlässt. Links ist eine 1-prozentige, rechts eine 5-prozentige Lösung. Wohin strömt netto Wasser? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Nach rechts, zur 5-prozentigen Lösung.

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

    33
    Was geschieht mit einem Enzym nach der Reaktion? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Es liegt unverändert vor und kann das nächste Substrat umsetzen.

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

    34
    Bei 20 °C setzt ein Enzym 4 µmol Substrat je Minute um. Was erwartet man nach der RGT-Regel bei 30 °C? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Etwa 8 bis 12 µmol je Minute.

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

    35
    Wie wird ATP in der Zelle wieder aufgebaut? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Aus ADP und Phosphat, mit Energie aus dem Abbau von Nährstoffen.

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

    36
    Wohin pumpen die Proteine der Atmungskette die Protonen? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Aus der Matrix in den Intermembranraum.

  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
    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. Einfache Diffusion, denn in der Zelle ist mehr Kohlenstoffdioxid als im Blut.
  2. Primär aktiver Transport unter Spaltung von ATP.
  3. Insulin liegt fertig in Vesikeln, die auf ein Signal hin per Exocytose verschmelzen.
  4. Die Masse nimmt zu, weil Wasser in die Zellen einströmt.
  5. Nach rechts, zur 5-prozentigen Lösung.
  6. Diffusion von Wasser durch eine selektiv permeable Membran zur konzentrierteren Lösung.
  7. Der Stoff, der im aktiven Zentrum gebunden und umgesetzt wird.
  8. Es liegt unverändert vor und kann das nächste Substrat umsetzen.
  9. Bei viel D wird weniger D gebildet; die Kette spart Stoff und Energie.
  10. Waagerecht die Substratkonzentration, senkrecht die Reaktionsgeschwindigkeit.
  11. 10 °C mehr verdoppeln bis verdreifachen die Reaktionsgeschwindigkeit.
  12. Bei sehr viel Substrat erreicht sie wieder dieselbe Höchstgeschwindigkeit.
  13. Die Motorproteine nutzen ATP; Glucose muss erst abgebaut werden.
  14. Oxidation und Reduktion sind gekoppelt: Elektronen wechseln den Partner.
  15. Die Energie wird portionsweise frei und kann zum Pumpen von Protonen genutzt werden.
  16. In der inneren Mitochondrienmembran.
  17. Brenztraubensäure gibt Kohlenstoffdioxid ab und wird zu Acetyl-Coenzym A; NAD⁺ wird reduziert.
  18. Er braucht NAD⁺ und FAD, die nur die Atmungskette mit Sauerstoff zurückgewinnt.
  19. Nicht in der Höhe; der starke Reiz löst mehr Aktionspotenziale je Sekunde aus.
  20. Das Potenzial wird kurz negativer als das Ruhepotenzial.
  21. Der Reiz war unterschwellig; die Schwelle bei etwa −50 mV wurde nicht erreicht.
  22. Calcium-Ionen strömen ein und lassen Vesikel mit der Membran verschmelzen.
  23. Von der Menge des ausgeschütteten Transmitters, also von der Frequenz der Aktionspotenziale.
  24. Die Postsynapse baut Rezeptoren ab, sodass dieselbe Menge weniger bewirkt.
  25. Passiver Transport durch Kanalproteine, angetrieben vom Gefälle.
  26. Es stabilisiert die Membran und hält ihre Fluidität bei Temperaturwechseln im Rahmen.
  27. Die Außenlösung, denn die Zellwand ist für sie durchlässig.
  28. Substratspezifität.
  29. 54 Moleküle Kohlenstoffdioxid
  30. 396 Millisekunden
  31. Einfache Diffusion entlang des Konzentrationsgefälles.
  32. Nach rechts, zur 5-prozentigen Lösung.
  33. Es liegt unverändert vor und kann das nächste Substrat umsetzen.
  34. Etwa 8 bis 12 µmol je Minute.
  35. Aus ADP und Phosphat, mit Energie aus dem Abbau von Nährstoffen.
  36. Aus der Matrix in den Intermembranraum.
  37. Die wachsende negative Ladung innen zieht sie zurück; es entsteht ein Gleichgewicht.
  38. Präsynaptische Membran.