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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
    Wasser gelangt schnell durch Aquaporine in Nierenzellen. Welche Transportart liegt vor? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Aquaporine sind Wasserkanäle.
    Lösung zeigen
    1. Aquaporine sind Wasserkanäle.
    2. Das Wasser folgt dem osmotischen Gefälle.
    3. Ohne Energie und mit Kanal: passiver Transport.
    Ergebnis:
    Passiver Transport durch Kanalproteine, angetrieben vom Gefälle.
  2. ●2
    Wie unterscheiden sich Endocytose und Exocytose? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Endo heißt innen, exo heißt außen.
    2. Bei beiden umschließt ein Stück Membran die Stoffe als Bläschen.
    3. Endocytose nimmt auf, Exocytose gibt ab.
    Ergebnis:
    Bei der Endocytose werden Stoffe in Bläschen aufgenommen, bei der Exocytose abgegeben.
  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

Eine Gurke liegt einige Tage in starker Salzlake. Warum wird sie schrumpelig? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Die Salzlake enthält mehr gelöste Teilchen als der Zellsaft.
  2. Wasser strömt netto aus den Zellen in die Lake.
  3. Die Zellen verlieren Spannung, die Gurke schrumpelt.
  1. Die Salzlake enthält mehr gelöste Teilchen als der Zellsaft.
  2. Wasser strömt netto aus den Zellen in die Lake.
  3. Die Zellen verlieren Spannung, die Gurke schrumpelt.
Ergebnis:
Die Lake ist hypertonisch und entzieht den Gurkenzellen Wasser.

AchtungRichtung der Osmose verwechselt

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

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

ÜbenJetzt du

  1. ○4
    Wo sitzt in der Zelle einer roten Zwiebel der Farbstoff, der die Plasmolyse sichtbar macht? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Der rote Farbstoff ist im Zellsaft gelöst.
    Lösung zeigen
    1. Der rote Farbstoff ist im Zellsaft gelöst.
    2. Der Zellsaft füllt die Vakuole.
    3. Schrumpft die Vakuole, wird die rote Fläche kleiner.
    Ergebnis:
    Im Zellsaft der Vakuole.
  2. ●5
    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.
  3. ★6
    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.

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

Wie lässt sich eine kompetitive Hemmung abschwächen? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Substrat und Hemmstoff konkurrieren.
  2. Je mehr Substrat, desto öfter gewinnt das Substrat.
  3. Die Hemmung wird schwächer.
  1. Substrat und Hemmstoff konkurrieren.
  2. Je mehr Substrat, desto öfter gewinnt das Substrat.
  3. Die Hemmung wird schwächer.
Ergebnis:
Durch mehr Substrat, das den Hemmstoff aus dem aktiven Zentrum verdrängt.

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
    Ein Hemmstoff bindet außerhalb des aktiven Zentrums und verändert die Form des Enzyms. Wie heißt diese Hemmung? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Der Hemmstoff bindet an einer anderen Stelle.
    Lösung zeigen
    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.
  2. ●8
    Welches Modell beschreibt, dass sich das aktive Zentrum beim Binden des Substrats leicht anpasst? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Das Schlüssel-Schloss-Modell nimmt eine starre Form an.
    2. Tatsächlich passt sich das aktive Zentrum beim Binden an.
    3. Das beschreibt das Modell der induzierten Passform.
    Ergebnis:
    Das Modell der induzierten Passform.
  3. ★9
    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.

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

EntdeckenFrage

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

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

Auflösung

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

MerkenEnzymaktivität im Diagramm

Jedes Enzym hat ein Temperaturoptimum und ein pH-Optimum.

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

BeispielEnzymaktivität im Diagramm

Was besagt die Reaktionsgeschwindigkeit-Temperatur-Regel (RGT-Regel)? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Wärmere Teilchen stoßen öfter und heftiger zusammen.
  2. Je 10 °C steigt die Geschwindigkeit auf das Zwei- bis Dreifache.
  3. Bei Enzymen gilt das nur bis zum Optimum.
  1. Wärmere Teilchen stoßen öfter und heftiger zusammen.
  2. Je 10 °C steigt die Geschwindigkeit auf das Zwei- bis Dreifache.
  3. Bei Enzymen gilt das nur bis zum Optimum.
Ergebnis:
10 °C mehr verdoppeln bis verdreifachen die Reaktionsgeschwindigkeit.

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
    Pepsin aus dem Magen hat sein pH-Optimum bei etwa 2. Wie aktiv ist es im Dünndarm bei pH 8? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Die pH-Kurve hat einen Gipfel beim Optimum.
    Lösung zeigen
    1. Die pH-Kurve hat einen Gipfel beim Optimum.
    2. Bei pH 8 verändern sich die Ladungen im Enzym.
    3. Das aktive Zentrum passt kaum noch.
    Ergebnis:
    Kaum aktiv, weil der pH-Wert weit vom Optimum entfernt ist.
  2. ●11
    Eine Kurve zeigt die Aktivität eines Enzyms über dem pH-Wert. Was bedeutet der Gipfel der Kurve? Begründe die Wahl.
    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.
  3. ★12
    Taq-Polymerase stammt aus Bakterien heißer Quellen und arbeitet am besten bei etwa 72 °C. Warum eignet sie sich für Verfahren, bei denen die Probe immer wieder auf über 90 °C erhitzt wird? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Die Raumstruktur dieses Enzyms ist besonders hitzestabil.
    2. Sein Optimum liegt hoch, bei etwa 72 °C.
    3. Kurzes Erhitzen auf über 90 °C übersteht es.
    Ergebnis:
    Das Enzym denaturiert dabei kaum und übersteht viele Heizzyklen.

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

EntdeckenFrage

Wie viel ATP setzt ein Mensch an einem Tag um?

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

Auflösung

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

MerkenRedoxreaktionen und ATP

Oxidation ist Elektronenabgabe, Reduktion Elektronenaufnahme.

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

BeispielRedoxreaktionen und ATP

Nur etwa 30 bis 40 Prozent der Energie aus Glucose landen in ATP. Wo bleibt der Rest? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Energie bleibt erhalten.
  2. Ein Teil wird bei jeder Umwandlung zu Wärme.
  3. Wärme ist für die Zelle kaum noch nutzbar: Energieentwertung.
  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.

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
    Bei der Zellatmung wird Glucose zu Kohlenstoffdioxid abgebaut. Wird Glucose dabei oxidiert oder reduziert? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Die Elektronen der Glucose gehen auf NAD⁺ und FAD über.
    Lösung zeigen
    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.
  2. ●14
    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.
  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

Welcher Teilschritt verbindet die Glykolyse mit dem Tricarbonsäurezyklus? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Die Glykolyse liefert Brenztraubensäure.
  2. Diese wird in der Matrix zu Acetyl-Coenzym A umgebaut.
  3. Acetyl-Coenzym A geht in den Tricarbonsäurezyklus.
  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.

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
    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
    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

Ein schwacher und ein starker überschwelliger Reiz treffen ein Axon. Wie unterscheiden sich die Aktionspotenziale? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Aktionspotenziale folgen dem Alles-oder-nichts-Gesetz.
  2. Die Höhe ist immer gleich.
  3. Die Reizstärke wird über die Frequenz verschlüsselt.
  1. Aktionspotenziale folgen dem Alles-oder-nichts-Gesetz.
  2. Die Höhe ist immer gleich.
  3. Die Reizstärke wird über die Frequenz verschlüsselt.
Ergebnis:
Nicht in der Höhe; der starke Reiz löst mehr Aktionspotenziale je Sekunde aus.

AchtungAktionspotenzial als abgestuftes Signal

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

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

ÜbenJetzt du

  1. ○19
    Wozu dient die Refraktärzeit nach einem Aktionspotenzial? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Die Natriumkanäle sind nach dem Öffnen kurz inaktiviert.
    Lösung zeigen
    1. Die Natriumkanäle sind nach dem Öffnen kurz inaktiviert.
    2. In dieser Zeit entsteht dort kein neues Aktionspotenzial.
    3. Die Erregung kann deshalb nicht zurücklaufen.
    Ergebnis:
    Kurz danach ist kein neues möglich; so läuft die Erregung nur in eine Richtung.
  2. ●20
    Was bedeutet Hyperpolarisation am Ende eines Aktionspotenzials? Begründe die Wahl.
    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.
  3. ★21
    Ein Gift hemmt die Natrium-Kalium-Pumpe. Warum bricht das Ruhepotenzial nicht sofort zusammen? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Das Ruhepotenzial hängt an den Konzentrationsgefällen.
    2. Ohne Pumpe gleichen sie sich langsam aus.
    3. Erst nach längerer Zeit sinkt das Ruhepotenzial deutlich.
    Ergebnis:
    Die Gefälle bauen sich nur langsam über Leckströme ab; jedes Aktionspotenzial verschiebt nur wenige Ionen.

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

EntdeckenFrage

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

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

Auflösung

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

MerkenSynapse und Stoffeinwirkung

Die Synapse übersetzt ein elektrisches Signal in ein chemisches.

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

BeispielSynapse und Stoffeinwirkung

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

AchtungSynapse als elektrische Brücke gedacht

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

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

ÜbenJetzt du

  1. ○22
    Was geschieht mit dem Cholin, nachdem Acetylcholin gespalten wurde? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Cholin ist ein wertvoller Baustein.
    Lösung zeigen
    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.
  2. ●23
    Wozu dient die Acetylcholinesterase im synaptischen Spalt? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Acetylcholin bleibt sonst an den Rezeptoren.
    2. Das Enzym spaltet es in Acetat und Cholin.
    3. Die Kanäle schließen sich, die Erregung endet.
    Ergebnis:
    Das Enzym spaltet Acetylcholin und beendet so die Erregung.
  3. ★24
    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
    Die Natrium-Kalium-Pumpe befördert Natrium-Ionen aus der Zelle, obwohl außen mehr Natrium ist. Welche Transportart ist das? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Die Ionen wandern gegen ihr Gefälle.
    2. Dafür ist Energie nötig.
    3. Die Pumpe spaltet selbst ATP: primär aktiver Transport.
    Ergebnis:
    Primär aktiver Transport unter Spaltung von ATP.
  2. ●26
    Was bewirkt Cholesterin in tierischen Zellmembranen? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Cholesterin lagert sich zwischen die Phospholipide.
    2. Bei Wärme bremst es ihre Bewegung, bei Kälte verhindert es dichtes Packen.
    3. So bleibt die Membran gleichmäßig flüssig.
    Ergebnis:
    Es stabilisiert die Membran und hält ihre Fluidität bei Temperaturwechseln im Rahmen.
  3. ●27
    Ein Kartoffelstäbchen liegt eine Stunde in konzentrierter Salzlösung. Wie verändert sich seine Masse? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Die Salzlösung ist konzentrierter als der Zellsaft.
    2. Wasser strömt netto aus den Zellen heraus.
    3. Das Stäbchen wird leichter und biegsam.
    Ergebnis:
    Die Masse nimmt ab, weil Wasser aus den Zellen in die Lösung strömt.
  4. ●28
    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.
  5. ●29
    Eine Kurve der Reaktionsgeschwindigkeit über der Substratkonzentration verläuft am Ende waagerecht. Was zeigt dieser Abschnitt? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Waagerecht heißt: gleiche Geschwindigkeit trotz mehr Substrat.
    2. Alle aktiven Zentren sind besetzt.
    3. Das ist die Höchstgeschwindigkeit des Enzyms.
    Ergebnis:
    Die Sättigung: Mehr Substrat erhöht die Geschwindigkeit nicht mehr.
  6. ●30
    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.

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.

AchtungIonen, Kanäle oder Messung verwechselt

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

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

AchtungErregungsleitung falsch vorgestellt

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

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

AchtungLeitungszeit falsch berechnet

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

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

AchtungWirkung eines Stoffes an der Synapse falsch abgeleitet

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

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

Kannst du das?

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

ÜbenSelbsttest

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

    31
    Bei Sauerstoffmangel wird ein Stoff nicht mehr aufgenommen, ein anderer schon. Welcher wird vermutlich aktiv transportiert? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Der Stoff, dessen Aufnahme ausfällt, weil ohne Sauerstoff kaum ATP entsteht.

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

    32
    Warum platzen Pflanzenzellen in Wasser nicht? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Die feste Zellwand hält dem Innendruck stand.

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

    33
    Warum passt nur ein bestimmtes Substrat in das aktive Zentrum eines Enzyms? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Form und Ladungen des aktiven Zentrums sind auf dieses Substrat abgestimmt.

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

    34
    Welche Achsen hat ein typisches Diagramm zur Abhängigkeit von der Substratkonzentration? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Waagerecht die Substratkonzentration, senkrecht die Reaktionsgeschwindigkeit.

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

    35
    Was kennzeichnet eine Redoxreaktion? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Oxidation und Reduktion sind gekoppelt: Elektronen wechseln den Partner.

  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
    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
    Nervenkampfstoffe wie Sarin hemmen die Acetylcholinesterase. Was folgt an der motorischen Endplatte? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Acetylcholin bleibt im Spalt; die Muskeln sind dauererregt und verkrampfen.

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. Passiver Transport durch Kanalproteine, angetrieben vom Gefälle.
  2. Bei der Endocytose werden Stoffe in Bläschen aufgenommen, bei der Exocytose abgegeben.
  3. Insulin liegt fertig in Vesikeln, die auf ein Signal hin per Exocytose verschmelzen.
  4. Im Zellsaft der Vakuole.
  5. Nach rechts, zur 5-prozentigen Lösung.
  6. Wasser strömt in die Vakuole zurück: Deplasmolyse.
  7. Allosterische Hemmung.
  8. Das Modell der induzierten Passform.
  9. Es liegt unverändert vor und kann das nächste Substrat umsetzen.
  10. Kaum aktiv, weil der pH-Wert weit vom Optimum entfernt ist.
  11. Dort liegt das pH-Optimum: Das Enzym arbeitet am schnellsten.
  12. Das Enzym denaturiert dabei kaum und übersteht viele Heizzyklen.
  13. Oxidiert, denn Glucose gibt Elektronen ab.
  14. Aus ADP und Phosphat, mit Energie aus dem Abbau von Nährstoffen.
  15. Gleiche Gesamtbilanz, aber in Teilschritten mit Enzymen; ein Teil der Energie landet in ATP.
  16. Die Atmungskette mit der ATP-Synthase.
  17. In der inneren Mitochondrienmembran.
  18. Nur über die Glykolyse mit anschließender Milchsäuregärung.
  19. Kurz danach ist kein neues möglich; so läuft die Erregung nur in eine Richtung.
  20. Das Potenzial wird kurz negativer als das Ruhepotenzial.
  21. Die Gefälle bauen sich nur langsam über Leckströme ab; jedes Aktionspotenzial verschiebt nur wenige Ionen.
  22. Es wird in die Präsynapse zurückgeholt und zu neuem Acetylcholin aufgebaut.
  23. Das Enzym spaltet Acetylcholin und beendet so die Erregung.
  24. Serotonin bleibt länger im Spalt und wirkt länger auf die Rezeptoren.
  25. Primär aktiver Transport unter Spaltung von ATP.
  26. Es stabilisiert die Membran und hält ihre Fluidität bei Temperaturwechseln im Rahmen.
  27. Die Masse nimmt ab, weil Wasser aus den Zellen in die Lösung strömt.
  28. Jedes Enzymmolekül bleibt erhalten und setzt viele Substratmoleküle nacheinander um.
  29. Die Sättigung: Mehr Substrat erhöht die Geschwindigkeit nicht mehr.
  30. Ein Teilchen gibt Elektronen ab.
  31. Der Stoff, dessen Aufnahme ausfällt, weil ohne Sauerstoff kaum ATP entsteht.
  32. Die feste Zellwand hält dem Innendruck stand.
  33. Form und Ladungen des aktiven Zentrums sind auf dieses Substrat abgestimmt.
  34. Waagerecht die Substratkonzentration, senkrecht die Reaktionsgeschwindigkeit.
  35. Oxidation und Reduktion sind gekoppelt: Elektronen wechseln den Partner.
  36. Er ist der letzte Elektronenakzeptor der Atmungskette.
  37. Von −70 auf etwa +30 mV, dann kurz unter −70 mV und zurück zum Ruhewert.
  38. Acetylcholin bleibt im Spalt; die Muskeln sind dauererregt und verkrampfen.