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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

Eine Drüsenzelle gibt Verdauungsenzyme nach außen ab. Wie geschieht das? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  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.
  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.

AchtungDiffusion als gezielte Bewegung

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

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

ÜbenJetzt du

  1. ○1
    Kohlenstoffdioxid verlässt eine arbeitende Muskelzelle in Richtung Blut. Welche Transportart liegt vor? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Die Zellatmung bildet in der Muskelzelle ständig Kohlenstoffdioxid.
    Lösung zeigen
    1. Die Zellatmung bildet in der Muskelzelle ständig Kohlenstoffdioxid.
    2. Es ist klein und unpolar und folgt seinem Gefälle ins Blut.
    3. Das ist einfache Diffusion ohne Energie.
    Ergebnis:
    Einfache Diffusion, denn in der Zelle ist mehr Kohlenstoffdioxid als im Blut.
  2. ●2
    Glucose strömt über ein Trägerprotein in eine Leberzelle, weil außen mehr Glucose ist. Welche Transportart ist das? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Glucose folgt ihrem Gefälle nach innen.
    2. Ein Trägerprotein hilft nur beim Durchqueren.
    3. Ohne Energie und mit Protein: erleichterte Diffusion.
    Ergebnis:
    Erleichterte Diffusion, passiv mit Hilfe eines Carriers.
  3. ★3
    Ein Gift hemmt die ATP-Bildung. Was geschieht mit den Konzentrationsgefällen von Natrium und Kalium? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Die Natrium-Kalium-Pumpe braucht ATP.
    2. Durch offene Kanäle sickern die Ionen weiter ihrem Gefälle nach.
    3. Ohne Pumpe gleichen sich die Konzentrationen langsam an.
    Ergebnis:
    Die Pumpe steht still, die Gefälle bauen sich durch Leckströme langsam ab.

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

EntdeckenFrage

Warum enthält eine Kochsalzinfusion genau 0,9 Prozent Salz?

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

Auflösung

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

MerkenDiffusion und Osmose

Osmose ist Diffusion von Wasser durch eine selektiv permeable Membran.

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

BeispielOsmose und Plasmolyse

Wie heißt eine Lösung mit geringerer Konzentration gelöster Teilchen als das Zellinnere? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Hypo heißt unter.
  2. Die Außenlösung hat weniger gelöste Teilchen als das Zellinnere.
  3. Wasser strömt deshalb netto in die Zelle.
  1. Hypo heißt unter.
  2. Die Außenlösung hat weniger gelöste Teilchen als das Zellinnere.
  3. Wasser strömt deshalb netto in die Zelle.
Ergebnis:
Hypotonisch.

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 höherer Konzentration gelöster Teilchen als das Zellinnere? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Hyper heißt über.
    Lösung zeigen
    1. Hyper heißt über.
    2. Die Außenlösung hat mehr gelöste Teilchen als das Zellinnere.
    3. Die Außenlösung ist hypertonisch und entzieht der Zelle Wasser.
    Ergebnis:
    Hypertonisch.
  2. ●5
    Plasmolysierte Zwiebelzellen werden in destilliertes Wasser gelegt. Was passiert? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Jetzt ist der Zellsaft konzentrierter als die Außenlösung.
    2. Wasser strömt netto hinein.
    3. Der Protoplast legt sich wieder an die Zellwand.
    Ergebnis:
    Wasser strömt in die Vakuole zurück: Deplasmolyse.
  3. ★6
    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.

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
    Woraus bestehen die meisten Enzyme? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Enzyme sind fast immer Proteine.
    Lösung zeigen
    1. Enzyme sind fast immer Proteine.
    2. Die Raumstruktur bildet das aktive Zentrum.
    3. Ändert sich die Raumstruktur, geht die Wirkung verloren.
    Ergebnis:
    Aus Proteinen mit einer bestimmten Raumstruktur.
  2. ●8
    Was ist der Enzym-Substrat-Komplex? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Das Substrat bindet im aktiven Zentrum.
    2. Dieser kurzlebige Zustand heißt Enzym-Substrat-Komplex.
    3. Danach zerfällt er in Enzym und Produkt.
    Ergebnis:
    Das Enzym mit dem Substrat, das kurzzeitig im aktiven Zentrum gebunden ist.
  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

Ein Enzym wird nach einer Stunde bei 0 °C auf 37 °C erwärmt. Was zeigt die Messung? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Kälte verlangsamt die Teilchenbewegung.
  2. Die Raumstruktur bleibt dabei erhalten.
  3. Beim Erwärmen arbeitet das Enzym wieder.
  1. Kälte verlangsamt die Teilchenbewegung.
  2. Die Raumstruktur bleibt dabei erhalten.
  3. Beim Erwärmen arbeitet das Enzym wieder.
Ergebnis:
Die Aktivität steigt wieder, denn Kälte hatte das Enzym nur verlangsamt.

AchtungWirkung von Temperatur und pH-Wert falsch vorgestellt

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

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

ÜbenJetzt du

  1. ○10
    Wie lässt sich die Höchstgeschwindigkeit einer gesättigten Enzymreaktion weiter steigern? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    In der Sättigung sind alle aktiven Zentren besetzt.
    Lösung zeigen
    1. In der Sättigung sind alle aktiven Zentren besetzt.
    2. Mehr aktive Zentren gibt es nur mit mehr Enzym.
    3. Die Höchstgeschwindigkeit steigt mit der Enzymmenge.
    Ergebnis:
    Durch mehr Enzym, denn mehr Substrat bringt nichts mehr.
  2. ●11
    Katalase spaltet Wasserstoffperoxid in Wasser und Sauerstoff. Bei welcher Probe schäumt es am stärksten: gekochte Kartoffel, rohe Kartoffel bei 5 °C oder rohe Kartoffel bei 35 °C? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. In der gekochten Kartoffel ist die Katalase denaturiert.
    2. Bei 5 °C arbeitet sie langsam.
    3. Bei 35 °C liegt sie nahe ihrem Optimum.
    Ergebnis:
    Rohe Kartoffel bei 35 °C.
  3. ★12
    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

Bei der Zellatmung wird Glucose zu Kohlenstoffdioxid abgebaut. Wird Glucose dabei oxidiert oder reduziert? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Die Elektronen der Glucose gehen auf NAD⁺ und FAD über.
  2. Elektronenabgabe heißt Oxidation.
  3. Glucose wird oxidiert, Sauerstoff am Ende reduziert.
  1. Die Elektronen der Glucose gehen auf NAD⁺ und FAD über.
  2. Elektronenabgabe heißt Oxidation.
  3. Glucose wird oxidiert, Sauerstoff am Ende reduziert.
Ergebnis:
Oxidiert, denn Glucose 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
    Nur etwa 30 bis 40 Prozent der Energie aus Glucose landen in ATP. Wo bleibt der Rest? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Energie bleibt erhalten.
    Lösung zeigen
    1. Energie bleibt erhalten.
    2. Ein Teil wird bei jeder Umwandlung zu Wärme.
    3. Wärme ist für die Zelle kaum noch nutzbar: Energieentwertung.
    Ergebnis:
    Er wird als Wärme frei; das nennt man Energieentwertung.
  2. ●14
    In welcher Form liegt ATP vor, nachdem es Energie übertragen hat? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    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.
  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

Was geschieht bei der oxidativen Decarboxylierung? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Decarboxylierung heißt: Kohlenstoffdioxid wird abgespalten.
  2. Oxidativ heißt: Elektronen gehen auf NAD⁺ über.
  3. Es entsteht Acetyl-Coenzym A für den Tricarbonsäurezyklus.
  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.

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
    Welcher Teilschritt der Zellatmung liefert die meisten ATP? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Glykolyse und Tricarbonsäurezyklus liefern je Glucose zusammen nur 4 ATP.
    Lösung zeigen
    1. Glykolyse und Tricarbonsäurezyklus liefern je Glucose zusammen nur 4 ATP.
    2. Die übrigen ATP stammen aus der Atmungskette.
    3. Dort treibt der Protonenrückstrom die ATP-Synthase an.
    Ergebnis:
    Die Atmungskette mit der ATP-Synthase.
  2. ●17
    Was entsteht in der Glykolyse aus einem Molekül Glucose? Begründe die Wahl.
    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⁺.
  3. ★18
    Rote Blutzellen haben keine Mitochondrien. Wie bilden sie ihr ATP? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Ohne Mitochondrien fehlen Tricarbonsäurezyklus und Atmungskette.
    2. Die Glykolyse läuft im Cytoplasma.
    3. NAD⁺ wird durch Milchsäurebildung zurückgewonnen.
    Ergebnis:
    Nur über die Glykolyse mit anschließender Milchsäuregärung.

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.

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. ○19
    Wie verläuft das Membranpotenzial bei einem Aktionspotenzial? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Natriumeinstrom macht das Innere positiv: Depolarisation.
    Lösung zeigen
    1. Natriumeinstrom macht das Innere positiv: Depolarisation.
    2. Kaliumausstrom macht es wieder negativ: Repolarisation.
    3. Ein kurzes Überschießen heißt Hyperpolarisation.
    Ergebnis:
    Von −70 auf etwa +30 mV, dann kurz unter −70 mV und zurück zum Ruhewert.
  2. ●20
    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
    Die Kaliumkonzentration außerhalb einer Nervenzelle wird stark erhöht. Wie ändert sich das Ruhepotenzial? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Das Kaliumgefälle nach außen wird kleiner.
    2. Weniger Kalium strömt aus.
    3. Das Innere bleibt weniger negativ: Die Zelle ist depolarisiert.
    Ergebnis:
    Es wird weniger negativ, weil weniger Kalium nach außen diffundiert.

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

EntdeckenFrage

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

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

Auflösung

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

MerkenSynapse und Stoffeinwirkung

Die Synapse übersetzt ein elektrisches Signal in ein chemisches.

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

BeispielSynapse und Stoffeinwirkung

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

AchtungSynapse als elektrische Brücke gedacht

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

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

ÜbenJetzt du

  1. ○22
    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
    Wie gelangt die Erregung über den synaptischen Spalt? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Am Spalt endet das elektrische Signal.
    2. Die Vesikel geben Transmitter in den Spalt ab.
    3. Die Transmitter diffundieren zur Postsynapse.
    Ergebnis:
    Chemisch: Transmittermoleküle diffundieren zur Postsynapse.
  3. ★24
    Antidepressiva vom Typ der Serotonin-Wiederaufnahmehemmer blockieren den Rücktransport von Serotonin in die Präsynapse. Was folgt im Spalt? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Normalerweise holt die Präsynapse Serotonin zurück.
    2. Ist das blockiert, bleibt mehr Serotonin im Spalt.
    3. Die Wirkung an der Postsynapse hält länger an.
    Ergebnis:
    Serotonin bleibt länger im Spalt und wirkt länger auf die Rezeptoren.

Vermischte Übungen

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

Üben

  1. ●25
    Wo liegen in der Biomembran die integralen Proteine? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Integral heißt: in die Membran eingebaut.
    2. Diese Proteine durchspannen die Lipiddoppelschicht oder stecken tief darin.
    3. Lose aufliegende Proteine heißen peripher.
    Ergebnis:
    Quer durch die Lipiddoppelschicht oder tief in sie hineinragend.
  2. ●26
    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. ●27
    Ein Diagramm zeigt die Aktivität eines menschlichen Enzyms über der Temperatur. Wo liegt das Maximum typischerweise? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Menschliche Enzyme arbeiten bei Körpertemperatur.
    2. Bis dahin steigt die Aktivität mit der Temperatur.
    3. Darüber denaturieren sie, die Kurve fällt.
    Ergebnis:
    Bei etwa 37 bis 40 °C; darüber fällt die Aktivität steil ab.
  4. ●28
    Welche Rolle spielt ATP in der Zelle? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. ATP wird beim Abbau gebildet.
    2. Es wird dort gespalten, wo Arbeit nötig ist.
    3. Es ist ein kurzfristiger Energieüberträger, kein Langzeitspeicher.
    Ergebnis:
    Es überträgt Energie von abbauenden auf energieverbrauchende Vorgänge.
  5. ●29
    Wie lautet die Summengleichung der Zellatmung in Worten? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Ausgangsstoffe sind Glucose und Sauerstoff.
    2. Produkte sind Kohlenstoffdioxid und Wasser.
    3. Ein Teil der frei werdenden Energie landet in ATP.
    Ergebnis:
    Glucose und Sauerstoff reagieren zu Kohlenstoffdioxid und Wasser.
  6. ●30
    In einer Muskelzelle werden 3 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. 3 · 6 = 18.
    Ergebnis:
    18 Moleküle Kohlenstoffdioxid

Auf einen Blick

MerkenDas Wichtigste

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

AchtungBau von Membran und Zellwand falsch vorgestellt

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

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

AchtungTransportart verwechselt

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

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

AchtungSpezifität oder Hemmart verwechselt

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

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

AchtungEnzymdiagramm falsch gelesen

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

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

AchtungOxidation und Reduktion vertauscht

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

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

AchtungRolle des Sauerstoffs falsch vorgestellt

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

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

AchtungNur die Glykolyse bilanziert

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

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

AchtungBezug je Glucose und je Brenztraubensäure verwechselt

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

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

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.

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
    Eine Drüsenzelle gibt Verdauungsenzyme nach außen ab. Wie geschieht das? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Durch Exocytose: Vesikel verschmelzen mit der Zellmembran.

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

    32
    Rote Blutzellen kommen in destilliertes Wasser. Was geschieht? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Wasser strömt ein, die Zellen schwellen an und platzen.

  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
    Warum fällt die Enzymaktivität oberhalb des Temperaturoptimums steil ab? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Das Enzym denaturiert: Raumstruktur und aktives Zentrum gehen verloren.

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

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

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

    36
    Wo sitzen die Proteine der Atmungskette? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    In der inneren Mitochondrienmembran.

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

    37
    Ein schwacher und ein starker überschwelliger Reiz treffen ein Axon. Wie unterscheiden sich die Aktionspotenziale? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Nicht in der Höhe; der starke Reiz löst mehr Aktionspotenziale je Sekunde aus.

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

    38
    Nikotin bindet an bestimmte Acetylcholin-Rezeptoren und öffnet sie. Wie nennt man einen solchen Stoff? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Agonist: Er wirkt wie der Transmitter.

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

Die Frage vom Anfang

EntdeckenRückschau

Warum hilft Händewaschen mit Seife gegen Grippeviren?

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

Auflösung

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

Wörter

Funktion
eine Regel, die aus einer Zahl eine andere macht

Lösungen

  1. Einfache Diffusion, denn in der Zelle ist mehr Kohlenstoffdioxid als im Blut.
  2. Erleichterte Diffusion, passiv mit Hilfe eines Carriers.
  3. Die Pumpe steht still, die Gefälle bauen sich durch Leckströme langsam ab.
  4. Hypertonisch.
  5. Wasser strömt in die Vakuole zurück: Deplasmolyse.
  6. Nach rechts, zur 5-prozentigen Lösung.
  7. Aus Proteinen mit einer bestimmten Raumstruktur.
  8. Das Enzym mit dem Substrat, das kurzzeitig im aktiven Zentrum gebunden ist.
  9. Bei viel ATP wird die Glykolyse gedrosselt: allosterische Endprodukthemmung.
  10. Durch mehr Enzym, denn mehr Substrat bringt nichts mehr.
  11. Rohe Kartoffel bei 35 °C.
  12. Bis zum Optimum gilt die RGT-Regel, darüber überwiegt die Denaturierung.
  13. Er wird als Wärme frei; das nennt man Energieentwertung.
  14. Als ADP und Phosphat, die wieder zu ATP aufgebaut werden.
  15. Gleiche Gesamtbilanz, aber in Teilschritten mit Enzymen; ein Teil der Energie landet in ATP.
  16. Die Atmungskette mit der ATP-Synthase.
  17. Zwei Brenztraubensäuren, netto 2 ATP und 2 NADH + H⁺.
  18. Nur über die Glykolyse mit anschließender Milchsäuregärung.
  19. Von −70 auf etwa +30 mV, dann kurz unter −70 mV und zurück zum Ruhewert.
  20. Kalium-Ionen und große organische Anionen.
  21. Es wird weniger negativ, weil weniger Kalium nach außen diffundiert.
  22. Der Muskel bekommt kein Signal mehr und erschlafft.
  23. Chemisch: Transmittermoleküle diffundieren zur Postsynapse.
  24. Serotonin bleibt länger im Spalt und wirkt länger auf die Rezeptoren.
  25. Quer durch die Lipiddoppelschicht oder tief in sie hineinragend.
  26. Form und Ladungen des aktiven Zentrums sind auf dieses Substrat abgestimmt.
  27. Bei etwa 37 bis 40 °C; darüber fällt die Aktivität steil ab.
  28. Es überträgt Energie von abbauenden auf energieverbrauchende Vorgänge.
  29. Glucose und Sauerstoff reagieren zu Kohlenstoffdioxid und Wasser.
  30. 18 Moleküle Kohlenstoffdioxid
  31. Durch Exocytose: Vesikel verschmelzen mit der Zellmembran.
  32. Wasser strömt ein, die Zellen schwellen an und platzen.
  33. Das Modell der induzierten Passform.
  34. Das Enzym denaturiert: Raumstruktur und aktives Zentrum gehen verloren.
  35. Es überträgt Energie von abbauenden auf energieverbrauchende Vorgänge.
  36. In der inneren Mitochondrienmembran.
  37. Nicht in der Höhe; der starke Reiz löst mehr Aktionspotenziale je Sekunde aus.
  38. Agonist: Er wirkt wie der Transmitter.