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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

Die Natrium-Kalium-Pumpe befördert Natrium-Ionen aus der Zelle, obwohl außen mehr Natrium ist. Welche Transportart ist das? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Die Ionen wandern gegen ihr Gefälle.
  2. Dafür ist Energie nötig.
  3. Die Pumpe spaltet selbst ATP: primär aktiver Transport.
  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.

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
    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 Medikament ist wasserlöslich, groß und geladen. Welcher Weg in die Zelle ist am wahrscheinlichsten? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Große geladene Teilchen lösen sich nicht in der Lipidschicht.
    2. Solche Teilchen brauchen ein Protein oder ein Bläschen.
    3. Viele Medikamente nutzen so vorhandene Transportwege.
    Ergebnis:
    Über ein passendes Trägerprotein oder per Endocytose.

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
    Ein Kartoffelstäbchen liegt eine Stunde in konzentrierter Salzlösung. Wie verändert sich seine Masse? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Die Salzlösung ist konzentrierter als der Zellsaft.
    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.
  2. ●5
    Wo sitzt in der Zelle einer roten Zwiebel der Farbstoff, der die Plasmolyse sichtbar macht? Begründe die Wahl.
    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.
  3. ★6
    Einzeller im Süßwasser nehmen ständig Wasser auf. Wozu dient ihre pulsierende Vakuole? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Süßwasser ist hypotonisch zum Zellinneren.
    2. Wasser strömt ständig netto ein.
    3. Ohne Zellwand muss der Einzeller es aktiv wieder hinausbefördern.
    Ergebnis:
    Die Vakuole pumpt eingeströmtes Wasser unter Energieaufwand hinaus.

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

Welches Modell beschreibt, dass sich das aktive Zentrum beim Binden des Substrats leicht anpasst? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  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.
  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.

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
    Eine Zelle enthält nur wenige Moleküle eines Enzyms, setzt aber große Mengen Substrat um. Wie ist das möglich? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Ein Enzym wird nicht verbraucht.
    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.
  2. ●8
    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
    1. Gefragt ist, welche Reaktion abläuft.
    2. Ein Enzym führt am Substrat nur eine Reaktionsart durch.
    3. Das heißt Wirkspezifität.
    Ergebnis:
    Wirkspezifität.
  3. ★9
    Malonsäure ähnelt Bernsteinsäure, dem Substrat der Succinatdehydrogenase. Was geschieht, wenn man Malonsäure zugibt und dann viel Bernsteinsäure nachgibt? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Malonsäure ähnelt dem Substrat und besetzt das aktive Zentrum.
    2. Das ist kompetitive Hemmung.
    3. Mehr Substrat verdrängt den Hemmstoff.
    Ergebnis:
    Die Hemmung wird schwächer, weil das Substrat den Hemmstoff verdrängt.

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.

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?

ÜbenJetzt du

  1. ○10
    Was besagt die Reaktionsgeschwindigkeit-Temperatur-Regel (RGT-Regel)? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Wärmere Teilchen stoßen öfter und heftiger zusammen.
    Lösung zeigen
    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.
  2. ●11
    Bei 20 °C setzt ein Enzym 4 µmol Substrat je Minute um. Was erwartet man nach der RGT-Regel bei 30 °C? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. 30 °C sind 10 °C mehr als 20 °C.
    2. Die Geschwindigkeit verdoppelt bis verdreifacht sich.
    3. 4 · 2 = 8 und 4 · 3 = 12.
    Ergebnis:
    Etwa 8 bis 12 µmol je Minute.
  3. ★12
    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

Warum kann ein Muskel Glucose nicht direkt für die Bewegung nutzen? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Die Proteine der Muskelbewegung spalten ATP.
  2. Glucose liefert die Energie, um ATP zu bilden.
  3. Dazwischen liegt die Zellatmung.
  1. Die Proteine der Muskelbewegung spalten ATP.
  2. Glucose liefert die Energie, um ATP zu bilden.
  3. Dazwischen liegt die Zellatmung.
Ergebnis:
Die Motorproteine nutzen ATP; Glucose muss erst abgebaut werden.

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
    NAD⁺ nimmt zwei Elektronen und zwei Protonen auf und wird zu NADH + H⁺. Wie heißt dieser Vorgang? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. NAD⁺ nimmt Elektronen auf.
    2. Elektronenaufnahme heißt Reduktion.
    3. NADH + H⁺ ist die reduzierte Form.
    Ergebnis:
    Reduktion: NAD⁺ wird reduziert.
  3. ★15
    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.

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.

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.

ÜbenJetzt du

  1. ○16
    Warum haben Muskelzellen von Ausdauersportlern besonders viele Mitochondrien? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Ausdauerleistung braucht dauerhaft viel ATP.
    Lösung zeigen
    1. Ausdauerleistung braucht dauerhaft viel ATP.
    2. Den größten Teil bilden die Mitochondrien mit Sauerstoff.
    3. Training erhöht ihre Zahl.
    Ergebnis:
    Mehr Mitochondrien bilden mit Sauerstoff mehr ATP für den hohen Bedarf.
  2. ●17
    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.
  3. ★18
    Warum gilt der Tricarbonsäurezyklus als aerob, obwohl in ihm kein Sauerstoff reagiert? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Der Zyklus reduziert NAD⁺ und FAD.
    2. Ohne Atmungskette werden sie nicht wieder oxidiert.
    3. Ohne Sauerstoff steht der Zyklus deshalb still.
    Ergebnis:
    Er braucht NAD⁺ und FAD, die nur die Atmungskette mit Sauerstoff zurückgewinnt.

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

Welche Aufgabe hat die Natrium-Kalium-Pumpe für das Ruhepotenzial? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Die Pumpe befördert 3 Natrium-Ionen hinaus und 2 Kalium-Ionen hinein.
  2. So bleiben die Gefälle erhalten.
  3. Das Ruhepotenzial selbst entsteht vor allem durch den Kaliumausstrom.
  1. Die Pumpe befördert 3 Natrium-Ionen hinaus und 2 Kalium-Ionen hinein.
  2. So bleiben die Gefälle erhalten.
  3. Das Ruhepotenzial selbst entsteht vor allem durch den Kaliumausstrom.
Ergebnis:
Die Pumpe hält die Konzentrationsunterschiede von Natrium und Kalium aufrecht.

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
    Warum ist das Zellinnere einer Nervenzelle in Ruhe negativ? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    In Ruhe sind vor allem Kaliumkanäle offen.
    Lösung zeigen
    1. In Ruhe sind vor allem Kaliumkanäle offen.
    2. Kalium folgt seinem Gefälle nach außen und nimmt positive Ladung mit.
    3. Die großen Anionen bleiben innen, das Innere wird negativ.
    Ergebnis:
    Kalium-Ionen diffundieren durch offene Kanäle hinaus, die Anionen bleiben zurück.
  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
    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

Wie gelangt die Erregung über den synaptischen Spalt? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Am Spalt endet das elektrische Signal.
  2. Die Vesikel geben Transmitter in den Spalt ab.
  3. Die Transmitter diffundieren zur Postsynapse.
  1. Am Spalt endet das elektrische Signal.
  2. Die Vesikel geben Transmitter in den Spalt ab.
  3. Die Transmitter diffundieren zur Postsynapse.
Ergebnis:
Chemisch: Transmittermoleküle diffundieren zur Postsynapse.

AchtungAktionspotenzial als abgestuftes Signal

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

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

ÜbenJetzt du

  1. ○22
    Wozu dient die Acetylcholinesterase im synaptischen Spalt? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Acetylcholin bleibt sonst an den Rezeptoren.
    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.
  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
    Curare wirkt kompetitiv am Acetylcholin-Rezeptor. Wie lässt sich seine Wirkung nach einer Narkose aufheben? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Curare und Acetylcholin konkurrieren um den Rezeptor.
    2. Wird Acetylcholin nicht abgebaut, steigt seine Konzentration.
    3. Es verdrängt Curare, der Muskel arbeitet wieder.
    Ergebnis:
    Mit einem Hemmstoff der Acetylcholinesterase: Mehr Acetylcholin verdrängt Curare.

Vermischte Übungen

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

Üben

  1. ●25
    Was bedeutet „selektiv permeabel“ bei einer Biomembran? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Selektiv heißt auswählend, permeabel heißt durchlässig.
    2. Die Auswahl ergibt sich aus Größe, Ladung und Proteinen der Membran.
    3. Die Membran entscheidet nicht nach Bedarf.
    Ergebnis:
    Die Membran lässt manche Teilchen frei durch, andere nur mit Proteinen oder gar nicht.
  2. ●26
    Wie heißt eine Lösung mit höherer Konzentration gelöster Teilchen als das Zellinnere? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Hyper heißt über.
    2. Die Außenlösung hat mehr gelöste Teilchen als das Zellinnere.
    3. Die Außenlösung ist hypertonisch und entzieht der Zelle Wasser.
    Ergebnis:
    Hypertonisch.
  3. ●27
    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.
  4. ●28
    Wie lässt sich die Höchstgeschwindigkeit einer gesättigten Enzymreaktion weiter steigern? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. In der Sättigung sind alle aktiven Zentren besetzt.
    2. Mehr aktive Zentren gibt es nur mit mehr Enzym.
    3. Die Höchstgeschwindigkeit steigt mit der Enzymmenge.
    Ergebnis:
    Durch mehr Enzym, denn mehr Substrat bringt nichts mehr.
  5. ●29
    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.
  6. ●30
    In einer Muskelzelle werden 9 Glucosemoleküle vollständig über Glykolyse, oxidative Decarboxylierung, Tricarbonsäurezyklus und Atmungskette abgebaut. Es gilt die traditionelle Rechnung: 3 ATP je NADH + H⁺ und 2 ATP je FADH₂, zusammen 38 ATP je Glucose. Wie viele ATP entstehen insgesamt?
    Lösung zeigen
    1. Nach der traditionellen Rechnung liefert eine Glucose 38 ATP.
    2. Das umfasst alle vier Teilschritte, nicht nur die Glykolyse.
    3. 9 · 38 = 342.
    Ergebnis:
    342 ATP

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.

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.

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.

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.

AchtungNur die Glykolyse bilanziert

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

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

AchtungBezug je Glucose und je Brenztraubensäure verwechselt

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

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

AchtungErregungsleitung falsch vorgestellt

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

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

AchtungLeitungszeit falsch berechnet

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

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

AchtungSynapse als elektrische Brücke gedacht

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

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

AchtungWirkung eines Stoffes an der Synapse falsch abgeleitet

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

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

Kannst du das?

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

ÜbenSelbsttest

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

    31
    Warum diffundiert ein Duftstoff in einem warmen Raum schneller? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Die Teilchen bewegen sich bei höherer Temperatur schneller ungeordnet.

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

    32
    Ein Kartoffelstäbchen liegt eine Stunde in konzentrierter Salzlösung. Wie verändert sich seine Masse? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Die Masse nimmt ab, weil Wasser aus den Zellen in die Lösung strömt.

  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
    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.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Die Aktivität bleibt nahe 0, denn die Denaturierung ist meist nicht umkehrbar.

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

    35
    Wie heißt der Stoff, der in einer Redoxreaktion Elektronen aufnimmt? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Oxidationsmittel; es wird dabei selbst reduziert.

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

    36
    Wohin pumpen die Proteine der Atmungskette die Protonen? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Aus der Matrix in den Intermembranraum.

  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
    Botulinumtoxin verhindert die Ausschüttung von Acetylcholin. Wie wirkt es auf den Muskel? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Der Muskel bekommt kein Signal mehr und erschlafft.

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. Aktiver Transport geht gegen das Gefälle und braucht Energie, passiver nicht.
  3. Über ein passendes Trägerprotein oder per Endocytose.
  4. Die Masse nimmt ab, weil Wasser aus den Zellen in die Lösung strömt.
  5. Im Zellsaft der Vakuole.
  6. Die Vakuole pumpt eingeströmtes Wasser unter Energieaufwand hinaus.
  7. Jedes Enzymmolekül bleibt erhalten und setzt viele Substratmoleküle nacheinander um.
  8. Wirkspezifität.
  9. Die Hemmung wird schwächer, weil das Substrat den Hemmstoff verdrängt.
  10. 10 °C mehr verdoppeln bis verdreifachen die Reaktionsgeschwindigkeit.
  11. Etwa 8 bis 12 µmol je Minute.
  12. Das Enzym denaturiert dabei kaum und übersteht viele Heizzyklen.
  13. Oxidiert, denn Glucose gibt Elektronen ab.
  14. Reduktion: NAD⁺ wird reduziert.
  15. Aus ADP und Phosphat, mit Energie aus dem Abbau von Nährstoffen.
  16. Mehr Mitochondrien bilden mit Sauerstoff mehr ATP für den hohen Bedarf.
  17. Brenztraubensäure gibt Kohlenstoffdioxid ab und wird zu Acetyl-Coenzym A; NAD⁺ wird reduziert.
  18. Er braucht NAD⁺ und FAD, die nur die Atmungskette mit Sauerstoff zurückgewinnt.
  19. Kalium-Ionen diffundieren durch offene Kanäle hinaus, die Anionen bleiben zurück.
  20. Etwa −70 mV, das Zellinnere ist negativ.
  21. Das Ruhepotenzial bleibt, aber es entstehen keine Aktionspotenziale mehr.
  22. Das Enzym spaltet Acetylcholin und beendet so die Erregung.
  23. Von der Menge des ausgeschütteten Transmitters, also von der Frequenz der Aktionspotenziale.
  24. Mit einem Hemmstoff der Acetylcholinesterase: Mehr Acetylcholin verdrängt Curare.
  25. Die Membran lässt manche Teilchen frei durch, andere nur mit Proteinen oder gar nicht.
  26. Hypertonisch.
  27. Es liegt unverändert vor und kann das nächste Substrat umsetzen.
  28. Durch mehr Enzym, denn mehr Substrat bringt nichts mehr.
  29. Aus der Matrix in den Intermembranraum.
  30. 342 ATP
  31. Die Teilchen bewegen sich bei höherer Temperatur schneller ungeordnet.
  32. Die Masse nimmt ab, weil Wasser aus den Zellen in die Lösung strömt.
  33. Jedes Enzymmolekül bleibt erhalten und setzt viele Substratmoleküle nacheinander um.
  34. Die Aktivität bleibt nahe 0, denn die Denaturierung ist meist nicht umkehrbar.
  35. Oxidationsmittel; es wird dabei selbst reduziert.
  36. Aus der Matrix in den Intermembranraum.
  37. Von −70 auf etwa +30 mV, dann kurz unter −70 mV und zurück zum Ruhewert.
  38. Der Muskel bekommt kein Signal mehr und erschlafft.