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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

Die Natrium-Kalium-Pumpe befördert Natrium-Ionen aus der Zelle, obwohl außen mehr Natrium ist. Welche Transportart ist das? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Die Ionen wandern gegen ihr Gefälle.
  2. Dafür ist Energie nötig.
  3. Die Pumpe spaltet selbst ATP: primär aktiver Transport.
  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.

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.

ÜbenJetzt du

  1. ○1
    Fresszellen nehmen ganze Bakterien auf. Wie heißt dieser Vorgang? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Die Membran umfließt das Bakterium.
    Lösung zeigen
    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.
  2. ●2
    Sauerstoff gelangt aus dem Blut in eine Muskelzelle. Welche Transportart liegt vor? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Im Blut ist mehr Sauerstoff als in der arbeitenden Muskelzelle.
    2. Sauerstoff ist klein und unpolar.
    3. Er diffundiert ohne Protein und ohne Energie hinein.
    Ergebnis:
    Einfache Diffusion entlang des Konzentrationsgefälles.
  3. ★3
    Im Dünndarm nimmt ein Symporter Glucose zusammen mit Natrium-Ionen auf, auch gegen das Glucosegefälle. Warum hängt das trotzdem von ATP ab? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Natrium strömt mit seinem Gefälle in die Zelle und nimmt Glucose mit.
    2. Das Natriumgefälle baut die Pumpe unter ATP-Spaltung auf.
    3. Das ist sekundär aktiver Transport.
    Ergebnis:
    Die Natrium-Kalium-Pumpe hält mit ATP das Natriumgefälle aufrecht, das den Symport antreibt.

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

EntdeckenFrage

Warum enthält eine Kochsalzinfusion genau 0,9 Prozent Salz?

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

Auflösung

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

MerkenDiffusion und Osmose

Osmose ist Diffusion von Wasser durch eine selektiv permeable Membran.

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

BeispielOsmose und Plasmolyse

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

AchtungRichtung der Osmose verwechselt

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

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

ÜbenJetzt du

  1. ○4
    Wo sitzt in der Zelle einer roten Zwiebel der Farbstoff, der die Plasmolyse sichtbar macht? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Der rote Farbstoff ist im Zellsaft gelöst.
    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.
  2. ●5
    Warum welkt Salat, der lange vor dem Essen mit Salz angemacht wird? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Das Salz löst sich im Wasser auf den Blättern.
    2. Diese Lösung ist konzentrierter als der Zellsaft.
    3. Wasser strömt aus den Zellen, die Blätter werden schlaff.
    Ergebnis:
    Das Salz entzieht den Blattzellen durch Osmose Wasser; sie verlieren ihre Spannung.
  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

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

AchtungEnzym als verbrauchter Reaktionspartner

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

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

ÜbenJetzt du

  1. ○7
    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
    Urease spaltet nur Harnstoff und keinen anderen Stoff. Welche Eigenschaft des Enzyms zeigt das? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Gefragt ist, welches Substrat das Enzym umsetzt.
    2. Nur ein bestimmtes Substrat passt ins aktive Zentrum.
    3. Das heißt Substratspezifität.
    Ergebnis:
    Substratspezifität.
  3. ★9
    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

Was besagt die Reaktionsgeschwindigkeit-Temperatur-Regel (RGT-Regel)? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  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.
  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.

AchtungEnzymdiagramm falsch gelesen

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

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

ÜbenJetzt du

  1. ○10
    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
    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
    1. 30 °C sind 10 °C mehr als 20 °C.
    2. Die Geschwindigkeit verdoppelt bis verdreifacht sich.
    3. 4 · 2 = 8 und 4 · 3 = 12.
    Ergebnis:
    Etwa 8 bis 12 µmol je Minute.
  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

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

AchtungEnergie als Stoff in der Bindung gedacht

So nicht
Im ATP steckt die Energie in der Phosphatbindung; beim Aufbrechen wird sie frei.
So richtig
Das Spalten einer Bindung kostet Energie. Frei wird Energie, weil die Produkte zusammen energieärmer sind als ATP und Wasser.

Energie wird nicht erzeugt oder verbraucht, sondern umgewandelt. Beim ATP zählt der Unterschied zwischen Ausgangsstoffen und Produkten.

ÜbenJetzt du

  1. ○13
    Wie wird ATP in der Zelle wieder aufgebaut? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    ATP wird ständig gespalten.
    Lösung zeigen
    1. ATP wird ständig gespalten.
    2. Aus ADP und Phosphat wird es neu gebildet.
    3. Die Energie dafür liefert der Abbau von Glucose und Fetten.
    Ergebnis:
    Aus ADP und Phosphat, mit Energie aus dem Abbau von Nährstoffen.
  2. ●14
    Nur etwa 30 bis 40 Prozent der Energie aus Glucose landen in ATP. Wo bleibt der Rest? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Energie bleibt erhalten.
    2. Ein Teil wird bei jeder Umwandlung zu Wärme.
    3. Wärme ist für die Zelle kaum noch nutzbar: Energieentwertung.
    Ergebnis:
    Er wird als Wärme frei; das nennt man Energieentwertung.
  3. ★15
    Glucose und Sauerstoff reagieren auch beim Verbrennen zu Kohlenstoffdioxid und Wasser. Was unterscheidet die Zellatmung? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Ausgangsstoffe und Produkte sind gleich, also auch die Gesamtenergie.
    2. Die Zellatmung läuft in vielen enzymatischen Schritten.
    3. So wird ein Teil der Energie in ATP übertragen statt nur als Wärme frei.
    Ergebnis:
    Gleiche Gesamtbilanz, aber in Teilschritten mit Enzymen; ein Teil der Energie landet in ATP.

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

Woher stammt der Kohlenstoff im ausgeatmeten Kohlenstoffdioxid? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Kohlenstoffdioxid entsteht bei Decarboxylierungen.
  2. Abgespalten werden Kohlenstoffatome der Glucose.
  3. Luft liefert nur den Sauerstoff für die Atmungskette.
  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.

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 läuft der Tricarbonsäurezyklus ab? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Der Tricarbonsäurezyklus folgt auf die oxidative Decarboxylierung.
    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.
  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
    Ein Stoff macht die innere Mitochondrienmembran für Protonen durchlässig. Was geschieht? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Die Protonen strömen an der ATP-Synthase vorbei zurück.
    2. Das Gefälle bleibt klein, die Atmungskette arbeitet weiter.
    3. Die Energie wird als Wärme frei, wie im braunen Fettgewebe.
    Ergebnis:
    Die Atmungskette läuft weiter, aber kaum ATP entsteht; die Energie wird Wärme.

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 bedeutet Hyperpolarisation am Ende eines Aktionspotenzials? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  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.
  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.

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
    Warum ist das Zellinnere einer Nervenzelle in Ruhe negativ? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    In Ruhe sind vor allem Kaliumkanäle offen.
    Lösung zeigen
    1. In Ruhe sind vor allem Kaliumkanäle offen.
    2. Kalium folgt seinem Gefälle nach außen und nimmt positive Ladung mit.
    3. Die großen Anionen bleiben innen, das Innere wird negativ.
    Ergebnis:
    Kalium-Ionen diffundieren durch offene Kanäle hinaus, die Anionen bleiben zurück.
  2. ●20
    Wodurch kommt die Repolarisation beim Aktionspotenzial zustande? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Nach etwa einer Millisekunde schließen die Natriumkanäle.
    2. Spannungsgesteuerte Kaliumkanäle öffnen sich.
    3. Kalium strömt aus, das Innere wird wieder negativ.
    Ergebnis:
    Natriumkanäle schließen sich, Kaliumkanäle öffnen sich, Kalium strömt aus.
  3. ★21
    Warum steigt ein Aktionspotenzial nicht beliebig hoch? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Der Natriumeinstrom treibt das Potenzial nach oben.
    2. Die Natriumkanäle inaktivieren sich von selbst.
    3. Gleichzeitig öffnen Kaliumkanäle; das Potenzial kehrt um.
    Ergebnis:
    Die Natriumkanäle schließen nach etwa einer Millisekunde, und Kalium strömt aus.

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

EntdeckenFrage

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

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

Auflösung

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

MerkenSynapse und Stoffeinwirkung

Die Synapse übersetzt ein elektrisches Signal in ein chemisches.

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

BeispielSynapse und Stoffeinwirkung

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

AchtungSynapse als elektrische Brücke gedacht

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

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

ÜbenJetzt du

  1. ○22
    Botulinumtoxin verhindert die Ausschüttung von Acetylcholin. Wie wirkt es auf den Muskel? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Ohne Ausschüttung gelangt kein Acetylcholin in den Spalt.
    Lösung zeigen
    1. Ohne Ausschüttung gelangt kein Acetylcholin in den Spalt.
    2. Die Rezeptoren der Endplatte bleiben geschlossen.
    3. Der Muskel erschlafft.
    Ergebnis:
    Der Muskel bekommt kein Signal mehr und erschlafft.
  2. ●23
    Was bewirkt Acetylcholin an der postsynaptischen Membran einer erregenden Synapse? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Acetylcholin bindet an Rezeptoren der Postsynapse.
    2. Die Rezeptoren sind Ionenkanäle und öffnen sich.
    3. Natriumeinstrom depolarisiert: erregendes postsynaptisches Potenzial.
    Ergebnis:
    Es öffnet ligandengesteuerte Kanäle, Natrium strömt ein: Ein EPSP entsteht.
  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
    Warum schließt sich eine kleine Verletzung der Zellmembran oft von selbst? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Die hydrophoben Schwänze meiden das Wasser.
    2. An einem Riss lagern sie sich deshalb wieder zusammen.
    3. Die Membran schließt sich ohne Absicht der Zelle.
    Ergebnis:
    Die Lipide lagern sich wegen ihrer wasserabweisenden Schwänze von selbst wieder zusammen.
  3. ●27
    Ein Kartoffelstäbchen liegt eine Stunde in destilliertem Wasser. Wie verändert sich seine Masse? Begründe die Wahl.
    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.
  4. ●28
    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.
  5. ●29
    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.
    Lösung zeigen
    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.
  6. ●30
    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.

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.

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.

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.

AchtungSpezifität oder Hemmart verwechselt

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

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

AchtungWirkung von Temperatur und pH-Wert falsch vorgestellt

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

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

AchtungOxidation und Reduktion vertauscht

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

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

AchtungRolle des Sauerstoffs falsch vorgestellt

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

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

AchtungNur die Glykolyse bilanziert

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

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

AchtungBezug je Glucose und je Brenztraubensäure verwechselt

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

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

AchtungIonen, Kanäle oder Messung verwechselt

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

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

AchtungErregungsleitung falsch vorgestellt

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

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

AchtungLeitungszeit falsch berechnet

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

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

AchtungWirkung eines Stoffes an der Synapse falsch abgeleitet

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

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

Kannst du das?

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

ÜbenSelbsttest

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

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

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

    32
    Eine Gurke liegt einige Tage in starker Salzlake. Warum wird sie schrumpelig? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Die Lake ist hypertonisch und entzieht den Gurkenzellen Wasser.

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

    33
    Welches Modell beschreibt, dass sich das aktive Zentrum beim Binden des Substrats leicht anpasst? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Das Modell der induzierten Passform.

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

    34
    Mit steigender Substratkonzentration steigt die Reaktionsgeschwindigkeit erst stark, dann kaum noch. Warum? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Fast alle aktiven Zentren sind besetzt; das Enzym ist gesättigt.

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

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

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

    36
    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
    Wie groß ist das Ruhepotenzial einer Nervenzelle etwa? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Etwa −70 mV, das Zellinnere ist negativ.

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

    38
    Warum leitet eine chemische Synapse nur in eine Richtung? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Nur die Präsynapse hat Vesikel, nur die Postsynapse die passenden Rezeptoren.

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. Phagocytose, eine Form der Endocytose.
  2. Einfache Diffusion entlang des Konzentrationsgefälles.
  3. Die Natrium-Kalium-Pumpe hält mit ATP das Natriumgefälle aufrecht, das den Symport antreibt.
  4. Im Zellsaft der Vakuole.
  5. Das Salz entzieht den Blattzellen durch Osmose Wasser; sie verlieren ihre Spannung.
  6. Der Zucker löst sich im Saftfilm; diese Lösung entzieht den Zellen osmotisch Wasser.
  7. Der Stoff, der im aktiven Zentrum gebunden und umgesetzt wird.
  8. Substratspezifität.
  9. Bei viel ATP wird die Glykolyse gedrosselt: allosterische Endprodukthemmung.
  10. Das Enzym denaturiert: Raumstruktur und aktives Zentrum gehen verloren.
  11. Etwa 8 bis 12 µmol je Minute.
  12. Das Enzym denaturiert dabei kaum und übersteht viele Heizzyklen.
  13. Aus ADP und Phosphat, mit Energie aus dem Abbau von Nährstoffen.
  14. Er wird als Wärme frei; das nennt man Energieentwertung.
  15. Gleiche Gesamtbilanz, aber in Teilschritten mit Enzymen; ein Teil der Energie landet in ATP.
  16. In der Matrix der Mitochondrien.
  17. Mehr Mitochondrien bilden mit Sauerstoff mehr ATP für den hohen Bedarf.
  18. Die Atmungskette läuft weiter, aber kaum ATP entsteht; die Energie wird Wärme.
  19. Kalium-Ionen diffundieren durch offene Kanäle hinaus, die Anionen bleiben zurück.
  20. Natriumkanäle schließen sich, Kaliumkanäle öffnen sich, Kalium strömt aus.
  21. Die Natriumkanäle schließen nach etwa einer Millisekunde, und Kalium strömt aus.
  22. Der Muskel bekommt kein Signal mehr und erschlafft.
  23. Es öffnet ligandengesteuerte Kanäle, Natrium strömt ein: Ein EPSP entsteht.
  24. Die Postsynapse baut Rezeptoren ab, sodass dieselbe Menge weniger bewirkt.
  25. Passiver Transport durch Kanalproteine, angetrieben vom Gefälle.
  26. Die Lipide lagern sich wegen ihrer wasserabweisenden Schwänze von selbst wieder zusammen.
  27. Die Masse nimmt zu, weil Wasser in die Zellen einströmt.
  28. Das Enzym bleibt gehemmt; auch mehr Substrat hilft nicht.
  29. Die Aktivität bleibt nahe 0, denn die Denaturierung ist meist nicht umkehrbar.
  30. Er nimmt am Ende der Atmungskette Elektronen auf und wird zu Wasser.
  31. Die Membran muss verformt, das Bläschen abgeschnürt und bewegt werden.
  32. Die Lake ist hypertonisch und entzieht den Gurkenzellen Wasser.
  33. Das Modell der induzierten Passform.
  34. Fast alle aktiven Zentren sind besetzt; das Enzym ist gesättigt.
  35. Er wird als Wärme frei; das nennt man Energieentwertung.
  36. Zwei Brenztraubensäuren, netto 2 ATP und 2 NADH + H⁺.
  37. Etwa −70 mV, das Zellinnere ist negativ.
  38. Nur die Präsynapse hat Vesikel, nur die Postsynapse die passenden Rezeptoren.