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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
    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
    Warum braucht Endocytose Energie? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Bei der Endocytose stülpt sich die Membran ein.
    2. Proteine des Zellskeletts formen und bewegen das Bläschen.
    3. Diese Arbeit kostet ATP.
    Ergebnis:
    Die Membran muss verformt, das Bläschen abgeschnürt und bewegt werden.
  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

Plasmolysierte Zwiebelzellen werden in destilliertes Wasser gelegt. Was passiert? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Jetzt ist der Zellsaft konzentrierter als die Außenlösung.
  2. Wasser strömt netto hinein.
  3. Der Protoplast legt sich wieder an die Zellwand.
  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.

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
    Was füllt bei der Plasmolyse den Raum zwischen Zellwand und geschrumpftem Protoplasten? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Die Zellwand ist durchlässig.
    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.
  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

Ein Hemmstoff bindet außerhalb des aktiven Zentrums und verändert die Form des Enzyms. Wie heißt diese Hemmung? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Der Hemmstoff bindet an einer anderen Stelle.
  2. Die Formänderung verändert auch das aktive Zentrum.
  3. Das ist eine allosterische Hemmung.
  1. Der Hemmstoff bindet an einer anderen Stelle.
  2. Die Formänderung verändert auch das aktive Zentrum.
  3. Das ist eine allosterische Hemmung.
Ergebnis:
Allosterische Hemmung.

AchtungEnzym als verbrauchter Reaktionspartner

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

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

ÜbenJetzt du

  1. ○7
    Was ist das Substrat einer Enzymreaktion? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Das Substrat ist der Ausgangsstoff der Reaktion.
    Lösung zeigen
    1. Das Substrat ist der Ausgangsstoff der Reaktion.
    2. Es bindet im aktiven Zentrum.
    3. Dort wird es zum Produkt umgesetzt.
    Ergebnis:
    Der Stoff, der im aktiven Zentrum gebunden und umgesetzt wird.
  2. ●8
    Was geschieht mit einem Enzym nach der Reaktion? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Enzyme sind Biokatalysatoren.
    2. Das Substrat bindet nur kurz im aktiven Zentrum.
    3. Danach liegt das Enzym unverändert vor.
    Ergebnis:
    Es liegt unverändert vor und kann das nächste Substrat umsetzen.
  3. ★9
    Amylase im Speichel spaltet Stärke, aber keine Cellulose, obwohl beide aus Glucose bestehen. Wie lässt sich das erklären? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Stärke und Cellulose unterscheiden sich in der Art der Bindung.
    2. Das aktive Zentrum erkennt nur die Bindung der Stärke.
    3. Das ist Substratspezifität.
    Ergebnis:
    Die Bindungen der Bausteine sind verschieden; nur die der Stärke passen ins aktive Zentrum.

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

Mit steigender Substratkonzentration steigt die Reaktionsgeschwindigkeit erst stark, dann kaum noch. Warum? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Bei wenig Substrat sind viele aktive Zentren frei.
  2. Mit mehr Substrat werden sie zunehmend besetzt.
  3. Sind alle besetzt, bringt mehr Substrat nichts mehr.
  1. Bei wenig Substrat sind viele aktive Zentren frei.
  2. Mit mehr Substrat werden sie zunehmend besetzt.
  3. Sind alle besetzt, bringt mehr Substrat nichts mehr.
Ergebnis:
Fast alle aktiven Zentren sind besetzt; das Enzym ist gesättigt.

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
    Die Aktivität eines Enzyms sinkt bei 60 °C innerhalb von 10 Minuten auf 0. Danach wird auf 37 °C abgekühlt. Was ist zu erwarten? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Bei 60 °C ist das Enzym denaturiert.
    Lösung zeigen
    1. Bei 60 °C ist das Enzym denaturiert.
    2. Die Raumstruktur bildet sich beim Abkühlen meist nicht zurück.
    3. Die Aktivität bleibt verloren.
    Ergebnis:
    Die Aktivität bleibt nahe 0, denn die Denaturierung ist meist nicht umkehrbar.
  2. ●11
    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.
    Lösung zeigen
    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.
  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

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
    Was geschieht bei einer Reduktion? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Reduktion heißt Elektronenaufnahme.
    Lösung zeigen
    1. Reduktion heißt Elektronenaufnahme.
    2. Das Gegenstück ist die Oxidation eines Partners.
    3. Der Partner gibt dabei die Elektronen ab.
    Ergebnis:
    Ein Teilchen nimmt Elektronen auf.
  2. ●14
    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.
  3. ★15
    Was geschieht mit dem Sauerstoff, den wir einatmen, in der Zelle? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Sauerstoff ist der letzte Empfänger der Elektronen.
    2. Mit Protonen bildet er Wasser.
    3. Das Kohlenstoffdioxid stammt aus der Glucose.
    Ergebnis:
    Er nimmt am Ende der Atmungskette Elektronen auf und wird zu Wasser.

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

Welcher Teilschritt der Zellatmung liefert die meisten ATP? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  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.
  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.

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 verbindet die Glykolyse mit dem Tricarbonsäurezyklus? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Die Glykolyse liefert Brenztraubensäure.
    Lösung zeigen
    1. Die Glykolyse liefert Brenztraubensäure.
    2. Diese wird in der Matrix zu Acetyl-Coenzym A umgebaut.
    3. Acetyl-Coenzym A geht in den Tricarbonsäurezyklus.
    Ergebnis:
    Die oxidative Decarboxylierung in der Matrix.
  2. ●17
    Wie entsteht in der Atmungskette ATP? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Die Atmungskette pumpt Protonen in den Intermembranraum.
    2. Die Protonen strömen durch die ATP-Synthase zurück.
    3. Diese Bewegung treibt die Bildung von ATP aus ADP und Phosphat.
    Ergebnis:
    Rückströmende Protonen treiben die ATP-Synthase an.
  3. ★18
    Ein Stoff macht die innere Mitochondrienmembran für Protonen durchlässig. Was geschieht? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Die Protonen strömen an der ATP-Synthase vorbei zurück.
    2. Das Gefälle bleibt klein, die Atmungskette arbeitet weiter.
    3. Die Energie wird als Wärme frei, wie im braunen Fettgewebe.
    Ergebnis:
    Die Atmungskette läuft weiter, aber kaum ATP entsteht; die Energie wird Wärme.

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

EntdeckenFrage

Was geht bei Multipler Sklerose im Nervensystem kaputt?

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

Auflösung

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

MerkenPotenziale und Erregungsleitung

Das Ruhepotenzial liegt bei etwa −70 mV.

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

BeispielRuhe- und Aktionspotenzial

Was bedeutet Hyperpolarisation am Ende eines Aktionspotenzials? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Nach der Repolarisation bleiben Kaliumkanäle noch kurz offen.
  2. Es strömt mehr Kalium aus als in Ruhe.
  3. Das Innere wird kurz negativer als −70 mV.
  1. Nach der Repolarisation bleiben Kaliumkanäle noch kurz offen.
  2. Es strömt mehr Kalium aus als in Ruhe.
  3. Das Innere wird kurz negativer als −70 mV.
Ergebnis:
Das Potenzial wird kurz negativer als das Ruhepotenzial.

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 misst man das Ruhepotenzial einer Nervenzelle? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Das Ruhepotenzial ist eine Spannung über die Membran.
    Lösung zeigen
    1. Das Ruhepotenzial ist eine Spannung über die Membran.
    2. Deshalb muss eine Elektrode innen, eine außen liegen.
    3. Zwei Elektroden außen messen in Ruhe keinen Unterschied.
    Ergebnis:
    Eine Elektrode im Zellinneren, eine außen, dazwischen ein Spannungsmessgerät.
  2. ●20
    Was bedeutet Depolarisation an einer Nervenzelle? Begründe die Wahl.
    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.
  3. ★21
    Tetrodotoxin aus dem Kugelfisch blockiert spannungsgesteuerte Natriumkanäle. Was folgt für das Axon? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Das Ruhepotenzial beruht vor allem auf Kaliumkanälen.
    2. Für das Aktionspotenzial braucht es die Natriumkanäle.
    3. Ohne sie gibt es keine Depolarisation über die Schwelle.
    Ergebnis:
    Das Ruhepotenzial bleibt, aber es entstehen keine Aktionspotenziale mehr.

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

EntdeckenFrage

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

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

Auflösung

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

MerkenSynapse und Stoffeinwirkung

Die Synapse übersetzt ein elektrisches Signal in ein chemisches.

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

BeispielSynapse und Stoffeinwirkung

Was geschieht mit dem Cholin, nachdem Acetylcholin gespalten wurde? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Cholin ist ein wertvoller Baustein.
  2. Die Präsynapse nimmt es wieder auf.
  3. Daraus bildet sie neues Acetylcholin für die Vesikel.
  1. Cholin ist ein wertvoller Baustein.
  2. Die Präsynapse nimmt es wieder auf.
  3. Daraus bildet sie neues Acetylcholin für die Vesikel.
Ergebnis:
Es wird in die Präsynapse zurückgeholt und zu neuem Acetylcholin aufgebaut.

AchtungSynapse als elektrische Brücke gedacht

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

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

ÜbenJetzt du

  1. ○22
    Wo wird Acetylcholin in der Präsynapse bis zur Ausschüttung aufbewahrt? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Acetylcholin wird im Endknöpfchen gebildet.
    Lösung zeigen
    1. Acetylcholin wird im Endknöpfchen gebildet.
    2. Es wird in kleine Membranbläschen gefüllt.
    3. Bei Erregung werden diese Vesikel per Exocytose entleert.
    Ergebnis:
    In synaptischen Vesikeln im Endknöpfchen.
  2. ●23
    Was bewirkt Acetylcholin an der postsynaptischen Membran einer erregenden Synapse? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Acetylcholin bindet an Rezeptoren der Postsynapse.
    2. Die Rezeptoren sind Ionenkanäle und öffnen sich.
    3. Natriumeinstrom depolarisiert: erregendes postsynaptisches Potenzial.
    Ergebnis:
    Es öffnet ligandengesteuerte Kanäle, Natrium strömt ein: Ein EPSP entsteht.
  3. ★24
    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
    Wozu dienen die Kohlenhydratketten (Glykokalyx) auf der Außenseite der Membran? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Die Kohlenhydratketten sitzen an Proteinen und Lipiden außen.
    2. Das Muster der Ketten ist für jeden Zelltyp kennzeichnend.
    3. Die Ketten dienen der Erkennung, nicht der Speicherung.
    Ergebnis:
    Zur Erkennung: Zellen erkennen einander, zum Beispiel bei der Immunabwehr.
  2. ●26
    Wie beschleunigt ein Enzym eine Reaktion? Begründe die Wahl.
    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.
  3. ●27
    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.
  4. ●28
    Wie wird ATP in der Zelle wieder aufgebaut? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. ATP wird ständig gespalten.
    2. Aus ADP und Phosphat wird es neu gebildet.
    3. Die Energie dafür liefert der Abbau von Glucose und Fetten.
    Ergebnis:
    Aus ADP und Phosphat, mit Energie aus dem Abbau von Nährstoffen.
  5. ●29
    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.
  6. ●30
    In einer Muskelzelle werden 9 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. 9 · 6 = 54.
    Ergebnis:
    54 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.

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
    Wodurch unterscheidet sich aktiver von passivem Transport? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Aktiver Transport geht gegen das Gefälle und braucht Energie, passiver nicht.

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

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

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

    33
    Eine Zelle enthält nur wenige Moleküle eines Enzyms, setzt aber große Mengen Substrat um. Wie ist das möglich? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Jedes Enzymmolekül bleibt erhalten und setzt viele Substratmoleküle nacheinander um.

  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
    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
    Welche Aufgabe hat der Sauerstoff in der Zellatmung? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Er ist der letzte Elektronenakzeptor der Atmungskette.

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

    37
    Was bedeutet Hyperpolarisation am Ende eines Aktionspotenzials? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Das Potenzial wird kurz negativer als das Ruhepotenzial.

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

    38
    Wovon hängt die Höhe eines EPSP an einer Synapse ab? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Von der Menge des ausgeschütteten Transmitters, also von der Frequenz der Aktionspotenziale.

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. Die Membran muss verformt, das Bläschen abgeschnürt und bewegt werden.
  3. Insulin liegt fertig in Vesikeln, die auf ein Signal hin per Exocytose verschmelzen.
  4. Die Außenlösung, denn die Zellwand ist für sie durchlässig.
  5. Die feste Zellwand hält dem Innendruck stand.
  6. Das Meerwasser ist hypertonisch und entzieht den Zellen Wasser.
  7. Der Stoff, der im aktiven Zentrum gebunden und umgesetzt wird.
  8. Es liegt unverändert vor und kann das nächste Substrat umsetzen.
  9. Die Bindungen der Bausteine sind verschieden; nur die der Stärke passen ins aktive Zentrum.
  10. Die Aktivität bleibt nahe 0, denn die Denaturierung ist meist nicht umkehrbar.
  11. Jedes Enzym hat ein eigenes pH-Optimum, passend zu seinem Wirkort.
  12. Bis zum Optimum gilt die RGT-Regel, darüber überwiegt die Denaturierung.
  13. Ein Teilchen nimmt Elektronen auf.
  14. Ein Teilchen gibt Elektronen ab.
  15. Er nimmt am Ende der Atmungskette Elektronen auf und wird zu Wasser.
  16. Die oxidative Decarboxylierung in der Matrix.
  17. Rückströmende Protonen treiben die ATP-Synthase an.
  18. Die Atmungskette läuft weiter, aber kaum ATP entsteht; die Energie wird Wärme.
  19. Eine Elektrode im Zellinneren, eine außen, dazwischen ein Spannungsmessgerät.
  20. Das Membranpotenzial wird weniger negativ, das Innere positiver.
  21. Das Ruhepotenzial bleibt, aber es entstehen keine Aktionspotenziale mehr.
  22. In synaptischen Vesikeln im Endknöpfchen.
  23. Es öffnet ligandengesteuerte Kanäle, Natrium strömt ein: Ein EPSP entsteht.
  24. Kaum Transmitterausschüttung, die Postsynapse wird nicht erregt.
  25. Zur Erkennung: Zellen erkennen einander, zum Beispiel bei der Immunabwehr.
  26. Es senkt die Aktivierungsenergie der Reaktion.
  27. Etwa 8 bis 12 µmol je Minute.
  28. Aus ADP und Phosphat, mit Energie aus dem Abbau von Nährstoffen.
  29. Im Cytoplasma der Zelle.
  30. 54 NADH + H⁺
  31. Aktiver Transport geht gegen das Gefälle und braucht Energie, passiver nicht.
  32. Die Lake ist hypertonisch und entzieht den Gurkenzellen Wasser.
  33. Jedes Enzymmolekül bleibt erhalten und setzt viele Substratmoleküle nacheinander um.
  34. Rohe Kartoffel bei 35 °C.
  35. Es überträgt Energie von abbauenden auf energieverbrauchende Vorgänge.
  36. Er ist der letzte Elektronenakzeptor der Atmungskette.
  37. Das Potenzial wird kurz negativer als das Ruhepotenzial.
  38. Von der Menge des ausgeschütteten Transmitters, also von der Frequenz der Aktionspotenziale.