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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

Warum diffundiert ein Duftstoff in einem warmen Raum schneller? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Temperatur ist ein Maß für die Teilchenbewegung.
  2. Schnellere Teilchen verteilen sich schneller.
  3. Eine Absicht oder Richtung haben sie nicht.
  1. Temperatur ist ein Maß für die Teilchenbewegung.
  2. Schnellere Teilchen verteilen sich schneller.
  3. Eine Absicht oder Richtung haben sie nicht.
Ergebnis:
Die Teilchen bewegen sich bei höherer Temperatur schneller ungeordnet.

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
    Wodurch unterscheidet sich aktiver von passivem Transport? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Passiver Transport folgt dem Gefälle von selbst.
    Lösung zeigen
    1. Passiver Transport folgt dem Gefälle von selbst.
    2. Aktiver Transport führt gegen das Gefälle.
    3. Nur er braucht Energie, meist aus ATP.
    Ergebnis:
    Aktiver Transport geht gegen das Gefälle und braucht Energie, passiver nicht.
  2. ●2
    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.
  3. ★3
    Kohlenstoffdioxid verlässt eine arbeitende Muskelzelle in Richtung Blut. Welche Transportart liegt vor? Begründe die Wahl.
    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.

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

Warum welkt Salat, der lange vor dem Essen mit Salz angemacht wird? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  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.
  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.

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
    Plasmolysierte Zwiebelzellen werden in destilliertes Wasser gelegt. Was passiert? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Jetzt ist der Zellsaft konzentrierter als die Außenlösung.
    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.
  2. ●5
    Was füllt bei der Plasmolyse den Raum zwischen Zellwand und geschrumpftem Protoplasten? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Die Zellwand ist durchlässig.
    2. Die Außenlösung strömt in den frei werdenden Raum.
    3. Nur die Membran des Protoplasten ist selektiv permeabel.
    Ergebnis:
    Die Außenlösung, denn die Zellwand ist für sie durchlässig.
  3. ★6
    Bei einem Plasmolyse-Versuch bleiben einige Zellen in starker Salzlösung unverändert. Welche Erklärung ist am wahrscheinlichsten? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Plasmolyse setzt eine selektiv permeable Membran voraus.
    2. In toten Zellen ist die Membran durchlässig für Salz.
    3. Salz und Wasser gleichen sich aus, die Vakuole schrumpft nicht.
    Ergebnis:
    Diese Zellen sind tot; ihre Membran ist nicht mehr selektiv permeabel.

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
    Wie beschleunigt ein Enzym eine Reaktion? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Jede Reaktion braucht eine Anstoßenergie, die Aktivierungsenergie.
    Lösung zeigen
    1. Jede Reaktion braucht eine Anstoßenergie, die Aktivierungsenergie.
    2. Im Enzym-Substrat-Komplex ist sie kleiner.
    3. Mehr Teilchen erreichen sie, die Reaktion läuft schneller.
    Ergebnis:
    Es senkt die Aktivierungsenergie der Reaktion.
  2. ●8
    Eine Zelle enthält nur wenige Moleküle eines Enzyms, setzt aber große Mengen Substrat um. Wie ist das möglich? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    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.
  3. ★9
    Bei einer Methanolvergiftung gab man früher Ethanol. Beide sind Substrate der Alkoholdehydrogenase. Warum hilft das? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Ethanol und Methanol konkurrieren um das aktive Zentrum.
    2. Bei viel Ethanol wird Methanol kaum umgesetzt.
    3. Es wird unverändert ausgeschieden, bevor giftige Stoffe entstehen.
    Ergebnis:
    Ethanol verdrängt Methanol kompetitiv, sodass kaum giftige Abbauprodukte entstehen.

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

EntdeckenFrage

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

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

Auflösung

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

MerkenEnzymaktivität im Diagramm

Jedes Enzym hat ein Temperaturoptimum und ein pH-Optimum.

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

BeispielEnzymaktivität im Diagramm

Ein Diagramm zeigt die Aktivität zweier Enzyme über dem pH-Wert: Trypsin mit Gipfel bei 8, Speichelamylase mit Gipfel bei 7. Was lässt sich ablesen? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Die Gipfel liegen an verschiedenen Stellen.
  2. Trypsin wirkt im leicht basischen Dünndarm, Amylase im Mund.
  3. Das Optimum passt zum Wirkort.
  1. Die Gipfel liegen an verschiedenen Stellen.
  2. Trypsin wirkt im leicht basischen Dünndarm, Amylase im Mund.
  3. Das Optimum passt zum Wirkort.
Ergebnis:
Jedes Enzym hat ein eigenes pH-Optimum, passend zu seinem Wirkort.

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
    Eine Kurve zeigt die Aktivität eines Enzyms über dem pH-Wert. Was bedeutet der Gipfel der Kurve? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Senkrecht steht die Aktivität.
    Lösung zeigen
    1. Senkrecht steht die Aktivität.
    2. Der Gipfel ist der Punkt mit der höchsten Aktivität.
    3. Der pH-Wert an dieser Stelle heißt pH-Optimum.
    Ergebnis:
    Dort liegt das pH-Optimum: Das Enzym arbeitet am schnellsten.
  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
    Wo liegt vermutlich das Temperaturoptimum der Verdauungsenzyme eines Fisches aus dem Polarmeer im Vergleich zum Menschen? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Fische haben etwa die Temperatur des Wassers.
    2. Die Enzyme des Fisches müssen bei Kälte arbeiten.
    3. Das Optimum liegt deshalb tiefer.
    Ergebnis:
    Deutlich tiefer, passend zur Wassertemperatur seines Lebensraums.

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

EntdeckenFrage

Wie viel ATP setzt ein Mensch an einem Tag um?

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

Auflösung

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

MerkenRedoxreaktionen und ATP

Oxidation ist Elektronenabgabe, Reduktion Elektronenaufnahme.

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

BeispielRedoxreaktionen und ATP

Woher stammt die Energie, die bei der Spaltung von ATP zu ADP und Phosphat frei wird? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Das Spalten einer Bindung kostet Energie.
  2. Beim Bilden der Produkte wird mehr Energie frei.
  3. Netto wird die Differenz frei.
  1. Das Spalten einer Bindung kostet Energie.
  2. Beim Bilden der Produkte wird mehr Energie frei.
  3. Netto wird die Differenz frei.
Ergebnis:
Die Produkte sind energieärmer als die Ausgangsstoffe; die Differenz wird frei.

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
    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.
  3. ★15
    In der Atmungskette werden Elektronen von NADH + H⁺ schrittweise auf Sauerstoff übertragen. Welchen Vorteil haben viele kleine Schritte? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Die Gesamtenergie ist bei einem oder vielen Schritten gleich.
    2. In kleinen Schritten geht weniger sofort als Wärme verloren.
    3. Jede Portion treibt Protonenpumpen an.
    Ergebnis:
    Die Energie wird portionsweise frei und kann zum Pumpen von Protonen genutzt werden.

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

EntdeckenFrage

Kommt Muskelkater von Milchsäure?

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

Auflösung

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

MerkenZellatmung mit Bilanz

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

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

BeispielTeilschritte der Zellatmung

Wohin pumpen die Proteine der Atmungskette die Protonen? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Die Pumpen sitzen in der inneren Membran.
  2. Die Pumpen befördern Protonen aus der Matrix nach außen.
  3. Im Intermembranraum entsteht ein Protonenüberschuss.
  1. Die Pumpen sitzen in der inneren Membran.
  2. Die Pumpen befördern Protonen aus der Matrix nach außen.
  3. Im Intermembranraum entsteht ein Protonenüberschuss.
Ergebnis:
Aus der Matrix in den Intermembranraum.

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
    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.
  3. ★18
    Wo findet die Glykolyse statt? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Die Glykolyse ist der erste Schritt.
    2. Dafür braucht es keine Mitochondrien.
    3. Die Glykolyse läuft im Cytoplasma.
    Ergebnis:
    Im Cytoplasma der Zelle.

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 Depolarisation an einer Nervenzelle? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. In Ruhe ist das Innere negativ, die Membran ist polarisiert.
  2. Strömen positive Ionen ein, sinkt dieser Unterschied.
  3. Das heißt Depolarisation.
  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.

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
    Was bedeutet Hyperpolarisation am Ende eines Aktionspotenzials? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Nach der Repolarisation bleiben Kaliumkanäle noch kurz offen.
    Lösung zeigen
    1. Nach der Repolarisation bleiben Kaliumkanäle noch kurz offen.
    2. Es strömt mehr Kalium aus als in Ruhe.
    3. Das Innere wird kurz negativer als −70 mV.
    Ergebnis:
    Das Potenzial wird kurz negativer als das Ruhepotenzial.
  2. ●20
    Wie groß ist das Ruhepotenzial einer Nervenzelle etwa? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Gemessen wird innen gegen außen.
    2. In Ruhe ist das Innere negativ geladen.
    3. Der Wert liegt bei etwa −70 mV.
    Ergebnis:
    Etwa −70 mV, das Zellinnere ist negativ.
  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

Was bewirkt Acetylcholin an der postsynaptischen Membran einer erregenden Synapse? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Acetylcholin bindet an Rezeptoren der Postsynapse.
  2. Die Rezeptoren sind Ionenkanäle und öffnen sich.
  3. Natriumeinstrom depolarisiert: erregendes postsynaptisches Potenzial.
  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.

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. ○22
    Wovon hängt die Höhe eines EPSP an einer Synapse ab? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Alle Aktionspotenziale sind gleich hoch.
    Lösung zeigen
    1. Alle Aktionspotenziale sind gleich hoch.
    2. Mehr Aktionspotenziale je Sekunde setzen mehr Transmitter frei.
    3. Mehr Transmitter öffnet mehr Kanäle; das EPSP wird größer.
    Ergebnis:
    Von der Menge des ausgeschütteten Transmitters, also von der Frequenz der Aktionspotenziale.
  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
    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
    Welche Aufgabe haben Kanalproteine in der Membran? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Kanalproteine bilden einen Durchgang durch die Membran.
    2. Ionen strömen hindurch, wenn der Kanal offen ist.
    3. Die Ionen folgen dabei ihrem Gefälle, ohne ATP.
    Ergebnis:
    Kanalproteine bilden wassergefüllte Poren, durch die Ionen ihrem Gefälle folgen.
  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
    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.
  4. ●28
    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.
  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 5 Glucosemoleküle vollständig über Glykolyse, oxidative Decarboxylierung, Tricarbonsäurezyklus und Atmungskette abgebaut. Wie viele NADH + H⁺ entstehen allein im Tricarbonsäurezyklus?
    Lösung zeigen
    1. Je Durchlauf des Tricarbonsäurezyklus entstehen 3 NADH + H⁺.
    2. Je Glucose läuft er zweimal, also 6 NADH + H⁺.
    3. 5 · 6 = 30.
    Ergebnis:
    30 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.

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.

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
    Die Natrium-Kalium-Pumpe befördert Natrium-Ionen aus der Zelle, obwohl außen mehr Natrium ist. Welche Transportart ist das? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Primär aktiver Transport unter Spaltung von ATP.

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

    32
    Wie heißt eine Lösung mit höherer Konzentration gelöster Teilchen als das Zellinnere? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Hypertonisch.

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

    33
    Was ist das Substrat einer Enzymreaktion? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Der Stoff, der im aktiven Zentrum gebunden und umgesetzt wird.

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

    34
    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
    Ergebnis:
    Rohe Kartoffel bei 35 °C.

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

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

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

    36
    Wo läuft der Tricarbonsäurezyklus ab? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    In der Matrix der Mitochondrien.

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

    37
    Wie verläuft das Membranpotenzial bei einem Aktionspotenzial? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Von −70 auf etwa +30 mV, dann kurz unter −70 mV und zurück zum Ruhewert.

  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. Aktiver Transport geht gegen das Gefälle und braucht Energie, passiver nicht.
  2. Der Stoff, dessen Aufnahme ausfällt, weil ohne Sauerstoff kaum ATP entsteht.
  3. Einfache Diffusion, denn in der Zelle ist mehr Kohlenstoffdioxid als im Blut.
  4. Wasser strömt in die Vakuole zurück: Deplasmolyse.
  5. Die Außenlösung, denn die Zellwand ist für sie durchlässig.
  6. Diese Zellen sind tot; ihre Membran ist nicht mehr selektiv permeabel.
  7. Es senkt die Aktivierungsenergie der Reaktion.
  8. Jedes Enzymmolekül bleibt erhalten und setzt viele Substratmoleküle nacheinander um.
  9. Ethanol verdrängt Methanol kompetitiv, sodass kaum giftige Abbauprodukte entstehen.
  10. Dort liegt das pH-Optimum: Das Enzym arbeitet am schnellsten.
  11. Etwa 8 bis 12 µmol je Minute.
  12. Deutlich tiefer, passend zur Wassertemperatur seines Lebensraums.
  13. Er wird als Wärme frei; das nennt man Energieentwertung.
  14. Die Motorproteine nutzen ATP; Glucose muss erst abgebaut werden.
  15. Die Energie wird portionsweise frei und kann zum Pumpen von Protonen genutzt werden.
  16. In der Matrix der Mitochondrien.
  17. In der inneren Mitochondrienmembran.
  18. Im Cytoplasma der Zelle.
  19. Das Potenzial wird kurz negativer als das Ruhepotenzial.
  20. Etwa −70 mV, das Zellinnere ist negativ.
  21. Es wird weniger negativ, weil weniger Kalium nach außen diffundiert.
  22. Von der Menge des ausgeschütteten Transmitters, also von der Frequenz der Aktionspotenziale.
  23. Chemisch: Transmittermoleküle diffundieren zur Postsynapse.
  24. Kaum Transmitterausschüttung, die Postsynapse wird nicht erregt.
  25. Kanalproteine bilden wassergefüllte Poren, durch die Ionen ihrem Gefälle folgen.
  26. Form und Ladungen des aktiven Zentrums sind auf dieses Substrat abgestimmt.
  27. Rohe Kartoffel bei 35 °C.
  28. Reduktion: NAD⁺ wird reduziert.
  29. Glucose und Sauerstoff reagieren zu Kohlenstoffdioxid und Wasser.
  30. 30 NADH + H⁺
  31. Primär aktiver Transport unter Spaltung von ATP.
  32. Hypertonisch.
  33. Der Stoff, der im aktiven Zentrum gebunden und umgesetzt wird.
  34. Rohe Kartoffel bei 35 °C.
  35. Aus ADP und Phosphat, mit Energie aus dem Abbau von Nährstoffen.
  36. In der Matrix der Mitochondrien.
  37. Von −70 auf etwa +30 mV, dann kurz unter −70 mV und zurück zum Ruhewert.
  38. Es wird in die Präsynapse zurückgeholt und zu neuem Acetylcholin aufgebaut.