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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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  • Beispiel vorgerechnet, Schritt für Schritt
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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

Glucose strömt über ein Trägerprotein in eine Leberzelle, weil außen mehr Glucose ist. Welche Transportart ist das? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Glucose folgt ihrem Gefälle nach innen.
  2. Ein Trägerprotein hilft nur beim Durchqueren.
  3. Ohne Energie und mit Protein: erleichterte Diffusion.
  1. Glucose folgt ihrem Gefälle nach innen.
  2. Ein Trägerprotein hilft nur beim Durchqueren.
  3. Ohne Energie und mit Protein: erleichterte Diffusion.
Ergebnis:
Erleichterte Diffusion, passiv mit Hilfe eines Carriers.

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.

ÜbenJetzt du

  1. ○1
    Eine Drüsenzelle gibt Verdauungsenzyme nach außen ab. Wie geschieht das? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Enzyme sind große Proteine.
    Lösung zeigen
    1. Enzyme sind große Proteine.
    2. Die Enzyme liegen in Vesikeln bereit.
    3. Die Vesikel verschmelzen mit der Membran und geben den Inhalt nach außen ab.
    Ergebnis:
    Durch Exocytose: Vesikel verschmelzen mit der Zellmembran.
  2. ●2
    Wodurch unterscheidet sich aktiver von passivem Transport? Begründe die Wahl.
    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.
  3. ★3
    Ein Gift hemmt die ATP-Bildung. Was geschieht mit den Konzentrationsgefällen von Natrium und Kalium? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Die Natrium-Kalium-Pumpe braucht ATP.
    2. Durch offene Kanäle sickern die Ionen weiter ihrem Gefälle nach.
    3. Ohne Pumpe gleichen sich die Konzentrationen langsam an.
    Ergebnis:
    Die Pumpe steht still, die Gefälle bauen sich durch Leckströme langsam ab.

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

EntdeckenFrage

Warum enthält eine Kochsalzinfusion genau 0,9 Prozent Salz?

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

Auflösung

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

MerkenDiffusion und Osmose

Osmose ist Diffusion von Wasser durch eine selektiv permeable Membran.

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

BeispielOsmose und Plasmolyse

Rote Blutzellen kommen in destilliertes Wasser. Was geschieht? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Im Zellinneren sind mehr gelöste Teilchen als im Wasser.
  2. Wasser strömt netto hinein.
  3. Ohne Zellwand platzen die Zellen.
  1. Im Zellinneren sind mehr gelöste Teilchen als im Wasser.
  2. Wasser strömt netto hinein.
  3. Ohne Zellwand platzen die Zellen.
Ergebnis:
Wasser strömt ein, die Zellen schwellen an und platzen.

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
    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.
    So fängst du an:
    Rechts sind mehr gelöste Teilchen.
    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.
  2. ●5
    Wie heißt eine Lösung mit geringerer Konzentration gelöster Teilchen als das Zellinnere? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Hypo heißt unter.
    2. Die Außenlösung hat weniger gelöste Teilchen als das Zellinnere.
    3. Wasser strömt deshalb netto in die Zelle.
    Ergebnis:
    Hypotonisch.
  3. ★6
    Erdbeeren werden mit Zucker bestreut. Nach einer Stunde stehen sie in rotem Saft. Wie entsteht der Saft? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Auf der Oberfläche entsteht eine konzentrierte Zuckerlösung.
    2. Diese Lösung ist hypertonisch zu den Fruchtzellen.
    3. Wasser mit gelöstem Farbstoff tritt aus.
    Ergebnis:
    Der Zucker löst sich im Saftfilm; diese Lösung entzieht den Zellen osmotisch 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

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.

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. ○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
    Warum passt nur ein bestimmtes Substrat in das aktive Zentrum eines Enzyms? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Das aktive Zentrum hat eine räumliche Form.
    2. Dazu kommen Ladungen, die nur zu bestimmten Gruppen passen.
    3. Nur ein passendes Substrat wird gebunden.
    Ergebnis:
    Form und Ladungen des aktiven Zentrums sind auf dieses Substrat abgestimmt.
  3. ★9
    In einer Stoffwechselkette A → B → C → D hemmt D das erste Enzym. Was bewirkt das? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. D hemmt das Enzym, das A zu B umsetzt.
    2. Bei viel D läuft die ganze Kette langsamer.
    3. Das ist negative Rückkopplung durch Endprodukthemmung.
    Ergebnis:
    Bei viel D wird weniger D gebildet; die Kette spart Stoff und Energie.

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

EntdeckenFrage

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

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

Auflösung

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

MerkenEnzymaktivität im Diagramm

Jedes Enzym hat ein Temperaturoptimum und ein pH-Optimum.

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

BeispielEnzymaktivität im Diagramm

Ein Diagramm zeigt die Aktivität eines menschlichen Enzyms über der Temperatur. Wo liegt das Maximum typischerweise? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Menschliche Enzyme arbeiten bei Körpertemperatur.
  2. Bis dahin steigt die Aktivität mit der Temperatur.
  3. Darüber denaturieren sie, die Kurve fällt.
  1. Menschliche Enzyme arbeiten bei Körpertemperatur.
  2. Bis dahin steigt die Aktivität mit der Temperatur.
  3. Darüber denaturieren sie, die Kurve fällt.
Ergebnis:
Bei etwa 37 bis 40 °C; darüber fällt die Aktivität steil ab.

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. ○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 Enzym wird nach einer Stunde bei 0 °C auf 37 °C erwärmt. Was zeigt die Messung? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Kälte verlangsamt die Teilchenbewegung.
    2. Die Raumstruktur bleibt dabei erhalten.
    3. Beim Erwärmen arbeitet das Enzym wieder.
    Ergebnis:
    Die Aktivität steigt wieder, denn Kälte hatte das Enzym nur verlangsamt.
  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
    Was kennzeichnet eine Redoxreaktion? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Elektronen verschwinden nicht.
    Lösung zeigen
    1. Elektronen verschwinden nicht.
    2. Was ein Stoff abgibt, nimmt ein anderer auf.
    3. Oxidation und Reduktion gehören immer zusammen.
    Ergebnis:
    Oxidation und Reduktion sind gekoppelt: Elektronen wechseln den Partner.
  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
    Das Aufbrechen einer chemischen Bindung erfordert immer Energie. Warum wird bei der Hydrolyse von ATP trotzdem Energie frei? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Spalten kostet Energie, Bilden setzt Energie frei.
    2. Bei der Hydrolyse entstehen stabilere Produkte.
    3. Die Bilanz ist negativ: Energie wird frei.
    Ergebnis:
    Beim Bilden der neuen Bindungen der Produkte wird mehr Energie frei, als das Spalten kostet.

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

EntdeckenFrage

Kommt Muskelkater von Milchsäure?

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

Auflösung

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

MerkenZellatmung mit Bilanz

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

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

BeispielTeilschritte der Zellatmung

Wo sitzen die Proteine der Atmungskette? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Die Atmungskette braucht eine Membran, um ein Protonengefälle aufzubauen.
  2. Dafür dient die innere Membran.
  3. Die Falten heißen Cristae.
  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.

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
    Wie lautet die Summengleichung der Zellatmung in Worten? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Ausgangsstoffe sind Glucose und Sauerstoff.
    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.
  2. ●17
    Wohin pumpen die Proteine der Atmungskette die Protonen? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    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.
  3. ★18
    Cyanid blockiert das letzte Enzym der Atmungskette. Warum stirbt eine Zelle, obwohl genug Glucose und Sauerstoff da sind? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Das letzte Enzym überträgt die Elektronen auf Sauerstoff.
    2. Ist es blockiert, staut sich die ganze Kette.
    3. Ohne Protonenpumpen fehlt der Antrieb der ATP-Synthase.
    Ergebnis:
    Die Elektronen erreichen den Sauerstoff nicht; ohne Protonengefälle entsteht kaum ATP.

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

Wozu dient die Refraktärzeit nach einem Aktionspotenzial? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  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.
  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.

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
    Wodurch kommt die Repolarisation beim Aktionspotenzial zustande? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Nach etwa einer Millisekunde schließen die Natriumkanäle.
    Lösung zeigen
    1. Nach etwa einer Millisekunde schließen die Natriumkanäle.
    2. Spannungsgesteuerte Kaliumkanäle öffnen sich.
    3. Kalium strömt aus, das Innere wird wieder negativ.
    Ergebnis:
    Natriumkanäle schließen sich, Kaliumkanäle öffnen sich, Kalium strömt aus.
  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
    Bei einer Messung steigt die Spannung nach einem Reiz auf −60 mV und fällt dann ohne Aktionspotenzial zurück. Wie ist das zu deuten? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Eine kleine Depolarisation ohne Spitze ist kein Aktionspotenzial.
    2. Die Schwelle liegt bei etwa −50 mV.
    3. Unterschwellige Reize klingen ab.
    Ergebnis:
    Der Reiz war unterschwellig; die Schwelle bei etwa −50 mV wurde nicht erreicht.

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

Nervenkampfstoffe wie Sarin hemmen die Acetylcholinesterase. Was folgt an der motorischen Endplatte? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Ohne Esterase wird Acetylcholin nicht abgebaut.
  2. Die Rezeptoren bleiben offen.
  3. Der Muskel wird dauernd erregt und verkrampft.
  1. Ohne Esterase wird Acetylcholin nicht abgebaut.
  2. Die Rezeptoren bleiben offen.
  3. Der Muskel wird dauernd erregt und verkrampft.
Ergebnis:
Acetylcholin bleibt im Spalt; die Muskeln sind dauererregt und verkrampfen.

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.

ÜbenJetzt du

  1. ○22
    Curare blockiert die Acetylcholin-Rezeptoren an der motorischen Endplatte. Was folgt? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Curare besetzt die Rezeptoren, ohne sie zu öffnen.
    Lösung zeigen
    1. Curare besetzt die Rezeptoren, ohne sie zu öffnen.
    2. Acetylcholin kann nicht mehr wirken.
    3. Der Muskel bekommt kein Signal und erschlafft.
    Ergebnis:
    Die Muskeln erschlaffen: schlaffe Lähmung, auch der Atemmuskeln.
  2. ●23
    Wovon hängt die Höhe eines EPSP an einer Synapse ab? Begründe die Wahl.
    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.
  3. ★24
    Kokain hemmt die Wiederaufnahme von Dopamin in die Präsynapse. Warum wirkt bei häufigem Konsum dieselbe Menge schwächer? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Dauerhaft viel Dopamin im Spalt reizt die Postsynapse ständig.
    2. Die Postsynapse passt sich an und verringert die Zahl der Rezeptoren.
    3. Für dieselbe Wirkung braucht es mehr: Toleranz.
    Ergebnis:
    Die Postsynapse baut Rezeptoren ab, sodass dieselbe Menge weniger bewirkt.

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
    Wie liegen die Phospholipide in einer Biomembran? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Die Phosphatköpfe sind hydrophil, die Fettsäureschwänze hydrophob.
    2. Auf beiden Seiten der Membran ist Wasser.
    3. Also zeigen die Köpfe nach außen, die Schwänze liegen innen zusammen.
    Ergebnis:
    Als Doppelschicht, die wasserliebenden Köpfe außen, die Fettsäureschwänze innen.
  3. ●27
    Eine Gurke liegt einige Tage in starker Salzlake. Warum wird sie schrumpelig? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    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.
  4. ●28
    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.
  5. ●29
    Wird bei der Muskelarbeit Energie verbraucht? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Energie bleibt immer erhalten.
    2. Im Muskel wird chemische Energie aus ATP umgewandelt.
    3. Es entstehen Bewegung und Wärme.
    Ergebnis:
    Nein, chemische Energie wird in Bewegungsenergie und Wärme umgewandelt.
  6. ●30
    Was geschieht bei der oxidativen Decarboxylierung? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Decarboxylierung heißt: Kohlenstoffdioxid wird abgespalten.
    2. Oxidativ heißt: Elektronen gehen auf NAD⁺ über.
    3. Es entsteht Acetyl-Coenzym A für den Tricarbonsäurezyklus.
    Ergebnis:
    Brenztraubensäure gibt Kohlenstoffdioxid ab und wird zu Acetyl-Coenzym A; NAD⁺ wird reduziert.

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.

AchtungSpezifität oder Hemmart verwechselt

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

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

AchtungWirkung von Temperatur und pH-Wert falsch vorgestellt

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

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

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.

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.

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
    Cholesterin gelangt mit LDL-Teilchen in die Zelle, nachdem diese an Rezeptoren gebunden haben. Wie heißt das? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Rezeptorvermittelte Endocytose.

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

    32
    Wo sitzt in der Zelle einer roten Zwiebel der Farbstoff, der die Plasmolyse sichtbar macht? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Im Zellsaft der Vakuole.

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

    33
    Ein Enzym katalysiert an seinem Substrat nur eine bestimmte Reaktion, zum Beispiel nur die Abspaltung von Wasserstoff. Welche Eigenschaft ist das? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Wirkspezifität.

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

    34
    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
    Ergebnis:
    Etwa 8 bis 12 µmol je Minute.

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

    35
    Was geschieht bei einer Oxidation? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Ein Teilchen gibt Elektronen ab.

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

    36
    Was entsteht in der Glykolyse aus einem Molekül Glucose? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Zwei Brenztraubensäuren, netto 2 ATP und 2 NADH + H⁺.

  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
    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. Durch Exocytose: Vesikel verschmelzen mit der Zellmembran.
  2. Aktiver Transport geht gegen das Gefälle und braucht Energie, passiver nicht.
  3. Die Pumpe steht still, die Gefälle bauen sich durch Leckströme langsam ab.
  4. Nach rechts, zur 5-prozentigen Lösung.
  5. Hypotonisch.
  6. Der Zucker löst sich im Saftfilm; diese Lösung entzieht den Zellen osmotisch Wasser.
  7. Der Stoff, der im aktiven Zentrum gebunden und umgesetzt wird.
  8. Form und Ladungen des aktiven Zentrums sind auf dieses Substrat abgestimmt.
  9. Bei viel D wird weniger D gebildet; die Kette spart Stoff und Energie.
  10. Die Aktivität bleibt nahe 0, denn die Denaturierung ist meist nicht umkehrbar.
  11. Die Aktivität steigt wieder, denn Kälte hatte das Enzym nur verlangsamt.
  12. Das Enzym denaturiert dabei kaum und übersteht viele Heizzyklen.
  13. Oxidation und Reduktion sind gekoppelt: Elektronen wechseln den Partner.
  14. Aus ADP und Phosphat, mit Energie aus dem Abbau von Nährstoffen.
  15. Beim Bilden der neuen Bindungen der Produkte wird mehr Energie frei, als das Spalten kostet.
  16. Glucose und Sauerstoff reagieren zu Kohlenstoffdioxid und Wasser.
  17. Aus der Matrix in den Intermembranraum.
  18. Die Elektronen erreichen den Sauerstoff nicht; ohne Protonengefälle entsteht kaum ATP.
  19. Natriumkanäle schließen sich, Kaliumkanäle öffnen sich, Kalium strömt aus.
  20. Etwa −70 mV, das Zellinnere ist negativ.
  21. Der Reiz war unterschwellig; die Schwelle bei etwa −50 mV wurde nicht erreicht.
  22. Die Muskeln erschlaffen: schlaffe Lähmung, auch der Atemmuskeln.
  23. Von der Menge des ausgeschütteten Transmitters, also von der Frequenz der Aktionspotenziale.
  24. Die Postsynapse baut Rezeptoren ab, sodass dieselbe Menge weniger bewirkt.
  25. Primär aktiver Transport unter Spaltung von ATP.
  26. Als Doppelschicht, die wasserliebenden Köpfe außen, die Fettsäureschwänze innen.
  27. Die Lake ist hypertonisch und entzieht den Gurkenzellen Wasser.
  28. Dort liegt das pH-Optimum: Das Enzym arbeitet am schnellsten.
  29. Nein, chemische Energie wird in Bewegungsenergie und Wärme umgewandelt.
  30. Brenztraubensäure gibt Kohlenstoffdioxid ab und wird zu Acetyl-Coenzym A; NAD⁺ wird reduziert.
  31. Rezeptorvermittelte Endocytose.
  32. Im Zellsaft der Vakuole.
  33. Wirkspezifität.
  34. Etwa 8 bis 12 µmol je Minute.
  35. Ein Teilchen gibt Elektronen ab.
  36. Zwei Brenztraubensäuren, netto 2 ATP und 2 NADH + H⁺.
  37. Das Potenzial wird kurz negativer als das Ruhepotenzial.
  38. Es wird in die Präsynapse zurückgeholt und zu neuem Acetylcholin aufgebaut.