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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

Wasser gelangt schnell durch Aquaporine in Nierenzellen. Welche Transportart liegt vor? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Aquaporine sind Wasserkanäle.
  2. Das Wasser folgt dem osmotischen Gefälle.
  3. Ohne Energie und mit Kanal: passiver Transport.
  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.

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
    Sauerstoff gelangt aus dem Blut in eine Muskelzelle. Welche Transportart liegt vor? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Im Blut ist mehr Sauerstoff als in der arbeitenden Muskelzelle.
    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.
  2. ●2
    Eine Drüsenzelle gibt Verdauungsenzyme nach außen ab. Wie geschieht das? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Enzyme sind große Proteine.
    2. Die Enzyme liegen in Vesikeln bereit.
    3. Die Vesikel verschmelzen mit der Membran und geben den Inhalt nach außen ab.
    Ergebnis:
    Durch Exocytose: Vesikel verschmelzen mit der Zellmembran.
  3. ★3
    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

Zellen einer roten Zwiebel liegen in konzentrierter Salzlösung. Was beobachtet man? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  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.
  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.

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
    Wie heißt eine Lösung mit geringerer Konzentration gelöster Teilchen als das Zellinnere? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Hypo heißt unter.
    Lösung zeigen
    1. Hypo heißt unter.
    2. Die Außenlösung hat weniger gelöste Teilchen als das Zellinnere.
    3. Wasser strömt deshalb netto in die Zelle.
    Ergebnis:
    Hypotonisch.
  2. ●5
    Warum platzen Pflanzenzellen in Wasser nicht? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. In reinem Wasser nehmen auch Pflanzenzellen Wasser auf.
    2. Der Protoplast drückt gegen die Zellwand.
    3. Die feste Wand hält dagegen; die Zelle wird prall.
    Ergebnis:
    Die feste Zellwand hält dem Innendruck stand.
  3. ★6
    Warum geht eine Süßwasserpflanze im Meerwasser ein, obwohl sie dort von Wasser umgeben ist? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Meerwasser enthält viele gelöste Salze.
    2. Es ist konzentrierter als der Zellsaft der Pflanze.
    3. Wasser strömt aus den Zellen; sie plasmolysieren.
    Ergebnis:
    Das Meerwasser ist hypertonisch und entzieht den Zellen Wasser.

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

EntdeckenFrage

Warum bekamen Menschen mit Methanolvergiftung früher Alkohol als Gegenmittel?

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

Auflösung

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

MerkenEnzyme und Enzymhemmung

Enzyme senken die Aktivierungsenergie und werden nicht verbraucht.

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

BeispielEnzyme und Enzymhemmung

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

AchtungEnzym als verbrauchter Reaktionspartner

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

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

ÜbenJetzt du

  1. ○7
    Welches Modell beschreibt, dass sich das aktive Zentrum beim Binden des Substrats leicht anpasst? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Das Schlüssel-Schloss-Modell nimmt eine starre Form an.
    Lösung zeigen
    1. Das Schlüssel-Schloss-Modell nimmt eine starre Form an.
    2. Tatsächlich passt sich das aktive Zentrum beim Binden an.
    3. Das beschreibt das Modell der induzierten Passform.
    Ergebnis:
    Das Modell der induzierten Passform.
  2. ●8
    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
    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

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

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
    Pepsin aus dem Magen hat sein pH-Optimum bei etwa 2. Wie aktiv ist es im Dünndarm bei pH 8? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Die pH-Kurve hat einen Gipfel beim Optimum.
    Lösung zeigen
    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.
  2. ●11
    Eine Kurve der Reaktionsgeschwindigkeit über der Substratkonzentration verläuft am Ende waagerecht. Was zeigt dieser Abschnitt? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Waagerecht heißt: gleiche Geschwindigkeit trotz mehr Substrat.
    2. Alle aktiven Zentren sind besetzt.
    3. Das ist die Höchstgeschwindigkeit des Enzyms.
    Ergebnis:
    Die Sättigung: Mehr Substrat erhöht die Geschwindigkeit nicht mehr.
  3. ★12
    Zwischen 20 °C und 30 °C verdoppelt sich in einem Versuch die Aktivität, zwischen 40 °C und 50 °C sinkt sie auf ein Viertel. Wie ist das zu deuten? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Unterhalb des Optimums beschleunigt Wärme die Reaktion.
    2. Oberhalb denaturieren immer mehr Enzymmoleküle.
    3. Beide Wirkungen überlagern sich zur Optimumkurve.
    Ergebnis:
    Bis zum Optimum gilt die RGT-Regel, darüber überwiegt die Denaturierung.

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

EntdeckenFrage

Wie viel ATP setzt ein Mensch an einem Tag um?

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

Auflösung

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

MerkenRedoxreaktionen und ATP

Oxidation ist Elektronenabgabe, Reduktion Elektronenaufnahme.

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

BeispielRedoxreaktionen und ATP

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

AchtungEnergie als Stoff in der Bindung gedacht

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

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

ÜbenJetzt du

  1. ○13
    Was geschieht mit dem Sauerstoff, den wir einatmen, in der Zelle? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Sauerstoff ist der letzte Empfänger der Elektronen.
    Lösung zeigen
    1. Sauerstoff ist der letzte Empfänger der Elektronen.
    2. Mit Protonen bildet er Wasser.
    3. Das Kohlenstoffdioxid stammt aus der Glucose.
    Ergebnis:
    Er nimmt am Ende der Atmungskette Elektronen auf und wird zu Wasser.
  2. ●14
    NAD⁺ nimmt zwei Elektronen und zwei Protonen auf und wird zu NADH + H⁺. Wie heißt dieser Vorgang? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. NAD⁺ nimmt Elektronen auf.
    2. Elektronenaufnahme heißt Reduktion.
    3. NADH + H⁺ ist die reduzierte Form.
    Ergebnis:
    Reduktion: NAD⁺ wird reduziert.
  3. ★15
    Was geschieht bei einer Oxidation? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Oxidation heißt Elektronenabgabe.
    2. Die Reaktion mit Sauerstoff ist nur ein Sonderfall.
    3. Der Partner nimmt die Elektronen auf und wird reduziert.
    Ergebnis:
    Ein Teilchen gibt Elektronen ab.

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

EntdeckenFrage

Kommt Muskelkater von Milchsäure?

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

Auflösung

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

MerkenZellatmung mit Bilanz

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

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

BeispielTeilschritte der Zellatmung

Wo findet die Glykolyse statt? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Die Glykolyse ist der erste Schritt.
  2. Dafür braucht es keine Mitochondrien.
  3. Die Glykolyse läuft im Cytoplasma.
  1. Die Glykolyse ist der erste Schritt.
  2. Dafür braucht es keine Mitochondrien.
  3. Die Glykolyse läuft im Cytoplasma.
Ergebnis:
Im Cytoplasma der Zelle.

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 entsteht in der Glykolyse aus einem Molekül Glucose? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Glucose hat sechs Kohlenstoffatome.
    Lösung zeigen
    1. Glucose hat sechs Kohlenstoffatome.
    2. Die Glucose wird in zwei Brenztraubensäuren mit je drei Kohlenstoffatomen gespalten.
    3. Netto entstehen 2 ATP und 2 NADH + H⁺.
    Ergebnis:
    Zwei Brenztraubensäuren, netto 2 ATP und 2 NADH + H⁺.
  2. ●17
    Welche Stoffe liefert der Tricarbonsäurezyklus vor allem an die Atmungskette? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Im Tricarbonsäurezyklus werden Elektronen auf NAD⁺ und FAD übertragen.
    2. Es entstehen NADH + H⁺ und FADH₂.
    3. Diese Überträger geben die Elektronen an die Atmungskette ab.
    Ergebnis:
    Die reduzierten Überträger NADH + H⁺ und FADH₂.
  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

Wodurch kommt die Repolarisation beim Aktionspotenzial zustande? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Nach etwa einer Millisekunde schließen die Natriumkanäle.
  2. Spannungsgesteuerte Kaliumkanäle öffnen sich.
  3. Kalium strömt aus, das Innere wird wieder negativ.
  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.

AchtungAktionspotenzial als abgestuftes Signal

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

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

ÜbenJetzt du

  1. ○19
    Was bedeutet Depolarisation an einer Nervenzelle? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    In Ruhe ist das Innere negativ, die Membran ist polarisiert.
    Lösung zeigen
    1. In Ruhe ist das Innere negativ, die Membran ist polarisiert.
    2. Strömen positive Ionen ein, sinkt dieser Unterschied.
    3. Das heißt Depolarisation.
    Ergebnis:
    Das Membranpotenzial wird weniger negativ, das Innere positiver.
  2. ●20
    Welche Ionen sind im Inneren einer ruhenden Nervenzelle stark angereichert? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Die Natrium-Kalium-Pumpe befördert Kalium hinein und Natrium hinaus.
    2. Große Eiweiß-Anionen können die Zelle nicht verlassen.
    3. Innen überwiegen Kalium-Ionen und Anionen.
    Ergebnis:
    Kalium-Ionen und große organische Anionen.
  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.

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.

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
    Wozu dient die Acetylcholinesterase im synaptischen Spalt? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Acetylcholin bleibt sonst an den Rezeptoren.
    2. Das Enzym spaltet es in Acetat und Cholin.
    3. Die Kanäle schließen sich, die Erregung endet.
    Ergebnis:
    Das Enzym spaltet Acetylcholin und beendet so die Erregung.
  3. ★24
    Ein Stoff verhindert den Calciumeinstrom in die Präsynapse. Welche Wirkung ist zu erwarten? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Calcium löst die Exocytose der Vesikel aus.
    2. Ohne Calcium bleiben die Vesikel geschlossen.
    3. Ohne Transmitter entsteht kein EPSP.
    Ergebnis:
    Kaum Transmitterausschüttung, die Postsynapse wird nicht erregt.

Vermischte Übungen

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

Üben

  1. ●25
    Bei Sauerstoffmangel wird ein Stoff nicht mehr aufgenommen, ein anderer schon. Welcher wird vermutlich aktiv transportiert? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Ohne Sauerstoff bildet die Zelle wenig ATP.
    2. Aktiver Transport hängt von ATP ab.
    3. Passiver Transport läuft weiter, solange ein Gefälle besteht.
    Ergebnis:
    Der Stoff, dessen Aufnahme ausfällt, weil ohne Sauerstoff kaum ATP entsteht.
  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
    Wo sitzt in der Zelle einer roten Zwiebel der Farbstoff, der die Plasmolyse sichtbar macht? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Der rote Farbstoff ist im Zellsaft gelöst.
    2. Der Zellsaft füllt die Vakuole.
    3. Schrumpft die Vakuole, wird die rote Fläche kleiner.
    Ergebnis:
    Im Zellsaft der Vakuole.
  4. ●28
    Warum kann ein Muskel Glucose nicht direkt für die Bewegung nutzen? Begründe die Wahl.
    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.
  5. ●29
    Wo sitzen die Proteine der Atmungskette? Begründe die Wahl.
    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.
  6. ●30
    In einer Muskelzelle werden 5 Glucosemoleküle vollständig über Glykolyse, oxidative Decarboxylierung, Tricarbonsäurezyklus und Atmungskette abgebaut. Wie viele NADH + H⁺ entstehen insgesamt?
    Lösung zeigen
    1. Je Glucose: 2 aus der Glykolyse, 2 aus der oxidativen Decarboxylierung.
    2. Dazu 6 aus dem Tricarbonsäurezyklus, zusammen 10 NADH + H⁺.
    3. 5 · 10 = 50.
    Ergebnis:
    50 NADH + H⁺

Auf einen Blick

MerkenDas Wichtigste

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

AchtungBau von Membran und Zellwand falsch vorgestellt

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

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

AchtungTransportart verwechselt

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

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

AchtungSpezifität oder Hemmart verwechselt

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

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

AchtungWirkung von Temperatur und pH-Wert falsch vorgestellt

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

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

AchtungOxidation und Reduktion vertauscht

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

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

AchtungRolle des Sauerstoffs falsch vorgestellt

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

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

AchtungNur die Glykolyse bilanziert

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

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

AchtungBezug je Glucose und je Brenztraubensäure verwechselt

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

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

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.

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.

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
    Warum platzen Pflanzenzellen in Wasser nicht? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Die feste Zellwand hält dem Innendruck stand.

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

    33
    Ein Hemmstoff ähnelt dem Substrat und besetzt das aktive Zentrum. Wie heißt diese Hemmung? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Kompetitive Hemmung.

  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
    Bei der Zellatmung wird Glucose zu Kohlenstoffdioxid abgebaut. Wird Glucose dabei oxidiert oder reduziert? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Oxidiert, denn Glucose gibt Elektronen ab.

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

    36
    Welche Stoffe liefert der Tricarbonsäurezyklus vor allem an die Atmungskette? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Die reduzierten Überträger NADH + H⁺ und FADH₂.

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

    37
    Welche Ionen sind im Inneren einer ruhenden Nervenzelle stark angereichert? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Kalium-Ionen und große organische Anionen.

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

    38
    Was geschieht mit dem Cholin, nachdem Acetylcholin gespalten wurde? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Es wird in die Präsynapse zurückgeholt und zu neuem Acetylcholin aufgebaut.

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 entlang des Konzentrationsgefälles.
  2. Durch Exocytose: Vesikel verschmelzen mit der Zellmembran.
  3. Insulin liegt fertig in Vesikeln, die auf ein Signal hin per Exocytose verschmelzen.
  4. Hypotonisch.
  5. Die feste Zellwand hält dem Innendruck stand.
  6. Das Meerwasser ist hypertonisch und entzieht den Zellen Wasser.
  7. Das Modell der induzierten Passform.
  8. Form und Ladungen des aktiven Zentrums sind auf dieses Substrat abgestimmt.
  9. Bei viel D wird weniger D gebildet; die Kette spart Stoff und Energie.
  10. Kaum aktiv, weil der pH-Wert weit vom Optimum entfernt ist.
  11. Die Sättigung: Mehr Substrat erhöht die Geschwindigkeit nicht mehr.
  12. Bis zum Optimum gilt die RGT-Regel, darüber überwiegt die Denaturierung.
  13. Er nimmt am Ende der Atmungskette Elektronen auf und wird zu Wasser.
  14. Reduktion: NAD⁺ wird reduziert.
  15. Ein Teilchen gibt Elektronen ab.
  16. Zwei Brenztraubensäuren, netto 2 ATP und 2 NADH + H⁺.
  17. Die reduzierten Überträger NADH + H⁺ und FADH₂.
  18. Aus den abgebauten Nährstoffen, zum Beispiel aus Glucose.
  19. Das Membranpotenzial wird weniger negativ, das Innere positiver.
  20. Kalium-Ionen und große organische Anionen.
  21. Die Natriumkanäle schließen nach etwa einer Millisekunde, und Kalium strömt aus.
  22. Calcium-Ionen strömen ein und lassen Vesikel mit der Membran verschmelzen.
  23. Das Enzym spaltet Acetylcholin und beendet so die Erregung.
  24. Kaum Transmitterausschüttung, die Postsynapse wird nicht erregt.
  25. Der Stoff, dessen Aufnahme ausfällt, weil ohne Sauerstoff kaum ATP entsteht.
  26. Die Lipide lagern sich wegen ihrer wasserabweisenden Schwänze von selbst wieder zusammen.
  27. Im Zellsaft der Vakuole.
  28. Die Motorproteine nutzen ATP; Glucose muss erst abgebaut werden.
  29. In der inneren Mitochondrienmembran.
  30. 50 NADH + H⁺
  31. Einfache Diffusion entlang des Konzentrationsgefälles.
  32. Die feste Zellwand hält dem Innendruck stand.
  33. Kompetitive Hemmung.
  34. Fast alle aktiven Zentren sind besetzt; das Enzym ist gesättigt.
  35. Oxidiert, denn Glucose gibt Elektronen ab.
  36. Die reduzierten Überträger NADH + H⁺ und FADH₂.
  37. Kalium-Ionen und große organische Anionen.
  38. Es wird in die Präsynapse zurückgeholt und zu neuem Acetylcholin aufgebaut.