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

AchtungDiffusion als gezielte Bewegung

So nicht
Die Teilchen wandern in die Zelle, weil die Zelle sie braucht.
So richtig
Die Teilchen bewegen sich zufällig. Netto wandern mehr dorthin, wo weniger von ihnen sind.

Teilchen haben kein Ziel. Die Teilchen stoßen zufällig herum, und netto entsteht ein Ausgleich der Konzentrationen.

ÜbenJetzt du

  1. ○1
    Wodurch unterscheidet sich aktiver von passivem Transport? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Passiver Transport folgt dem Gefälle von selbst.
    Lösung zeigen
    1. Passiver Transport folgt dem Gefälle von selbst.
    2. Aktiver Transport führt gegen das Gefälle.
    3. Nur er braucht Energie, meist aus ATP.
    Ergebnis:
    Aktiver Transport geht gegen das Gefälle und braucht Energie, passiver nicht.
  2. ●2
    Bei Sauerstoffmangel wird ein Stoff nicht mehr aufgenommen, ein anderer schon. Welcher wird vermutlich aktiv transportiert? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Ohne Sauerstoff bildet die Zelle wenig ATP.
    2. Aktiver Transport hängt von ATP ab.
    3. Passiver Transport läuft weiter, solange ein Gefälle besteht.
    Ergebnis:
    Der Stoff, dessen Aufnahme ausfällt, weil ohne Sauerstoff kaum ATP entsteht.
  3. ★3
    Im Dünndarm nimmt ein Symporter Glucose zusammen mit Natrium-Ionen auf, auch gegen das Glucosegefälle. Warum hängt das trotzdem von ATP ab? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Natrium strömt mit seinem Gefälle in die Zelle und nimmt Glucose mit.
    2. Das Natriumgefälle baut die Pumpe unter ATP-Spaltung auf.
    3. Das ist sekundär aktiver Transport.
    Ergebnis:
    Die Natrium-Kalium-Pumpe hält mit ATP das Natriumgefälle aufrecht, das den Symport antreibt.

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

EntdeckenFrage

Warum enthält eine Kochsalzinfusion genau 0,9 Prozent Salz?

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

Auflösung

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

MerkenDiffusion und Osmose

Osmose ist Diffusion von Wasser durch eine selektiv permeable Membran.

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

BeispielOsmose und Plasmolyse

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

AchtungRichtung der Osmose verwechselt

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

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

ÜbenJetzt du

  1. ○4
    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
    Was füllt bei der Plasmolyse den Raum zwischen Zellwand und geschrumpftem Protoplasten? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Die Zellwand ist durchlässig.
    2. Die Außenlösung strömt in den frei werdenden Raum.
    3. Nur die Membran des Protoplasten ist selektiv permeabel.
    Ergebnis:
    Die Außenlösung, denn die Zellwand ist für sie durchlässig.
  3. ★6
    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.

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

EntdeckenFrage

Warum bekamen Menschen mit Methanolvergiftung früher Alkohol als Gegenmittel?

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

Auflösung

Methanol wird von der Alkoholdehydrogenase zu giftigen Stoffen umgebaut. Ethanol ist ein Konkurrent um dasselbe aktive Zentrum. Solange Ethanol das Enzym besetzt, wird Methanol kaum umgebaut und langsam ausgeschieden.

MerkenEnzyme und Enzymhemmung

Enzyme senken die Aktivierungsenergie und werden nicht verbraucht.

Kompetitive Hemmstoffe besetzen das aktive Zentrum, allosterische verändern die Form des Enzyms.

BeispielEnzyme und Enzymhemmung

Ein Hemmstoff ähnelt dem Substrat und besetzt das aktive Zentrum. Wie heißt diese Hemmung? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Hemmstoff und Substrat konkurrieren um dieselbe Stelle.
  2. Konkurrenz heißt auf Lateinisch competitio.
  3. Es ist eine kompetitive Hemmung.
  1. Hemmstoff und Substrat konkurrieren um dieselbe Stelle.
  2. Konkurrenz heißt auf Lateinisch competitio.
  3. Es ist eine kompetitive Hemmung.
Ergebnis:
Kompetitive Hemmung.

AchtungEnzym als verbrauchter Reaktionspartner

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

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

ÜbenJetzt du

  1. ○7
    Was ist der Enzym-Substrat-Komplex? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Das Substrat bindet im aktiven Zentrum.
    Lösung zeigen
    1. Das Substrat bindet im aktiven Zentrum.
    2. Dieser kurzlebige Zustand heißt Enzym-Substrat-Komplex.
    3. Danach zerfällt er in Enzym und Produkt.
    Ergebnis:
    Das Enzym mit dem Substrat, das kurzzeitig im aktiven Zentrum gebunden ist.
  2. ●8
    Was ist das Substrat einer Enzymreaktion? Begründe die Wahl.
    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.
  3. ★9
    Woraus bestehen die meisten Enzyme? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Enzyme sind fast immer Proteine.
    2. Die Raumstruktur bildet das aktive Zentrum.
    3. Ändert sich die Raumstruktur, geht die Wirkung verloren.
    Ergebnis:
    Aus Proteinen mit einer bestimmten Raumstruktur.

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 Enzym wird nach einer Stunde bei 0 °C auf 37 °C erwärmt. Was zeigt die Messung? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Kälte verlangsamt die Teilchenbewegung.
  2. Die Raumstruktur bleibt dabei erhalten.
  3. Beim Erwärmen arbeitet das Enzym wieder.
  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.

AchtungWirkung von Temperatur und pH-Wert falsch vorgestellt

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

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

ÜbenJetzt du

  1. ○10
    Eine Kurve der Reaktionsgeschwindigkeit über der Substratkonzentration verläuft am Ende waagerecht. Was zeigt dieser Abschnitt? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Waagerecht heißt: gleiche Geschwindigkeit trotz mehr Substrat.
    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.
  2. ●11
    Bei 20 °C setzt ein Enzym 4 µmol Substrat je Minute um. Was erwartet man nach der RGT-Regel bei 30 °C? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. 30 °C sind 10 °C mehr als 20 °C.
    2. Die Geschwindigkeit verdoppelt bis verdreifacht sich.
    3. 4 · 2 = 8 und 4 · 3 = 12.
    Ergebnis:
    Etwa 8 bis 12 µmol je Minute.
  3. ★12
    Wo liegt vermutlich das Temperaturoptimum der Verdauungsenzyme eines Fisches aus dem Polarmeer im Vergleich zum Menschen? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Fische haben etwa die Temperatur des Wassers.
    2. Die Enzyme des Fisches müssen bei Kälte arbeiten.
    3. Das Optimum liegt deshalb tiefer.
    Ergebnis:
    Deutlich tiefer, passend zur Wassertemperatur seines Lebensraums.

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

EntdeckenFrage

Wie viel ATP setzt ein Mensch an einem Tag um?

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

Auflösung

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

MerkenRedoxreaktionen und ATP

Oxidation ist Elektronenabgabe, Reduktion Elektronenaufnahme.

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

BeispielRedoxreaktionen und ATP

Wie heißt der Stoff, der in einer Redoxreaktion Elektronen aufnimmt? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Der Stoff nimmt Elektronen auf und wird reduziert.
  2. Er oxidiert dabei seinen Partner.
  3. Deshalb heißt er Oxidationsmittel.
  1. Der Stoff nimmt Elektronen auf und wird reduziert.
  2. Er oxidiert dabei seinen Partner.
  3. Deshalb heißt er Oxidationsmittel.
Ergebnis:
Oxidationsmittel; es wird dabei selbst reduziert.

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
    NAD⁺ nimmt zwei Elektronen und zwei Protonen auf und wird zu NADH + H⁺. Wie heißt dieser Vorgang? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    NAD⁺ nimmt Elektronen auf.
    Lösung zeigen
    1. NAD⁺ nimmt Elektronen auf.
    2. Elektronenaufnahme heißt Reduktion.
    3. NADH + H⁺ ist die reduzierte Form.
    Ergebnis:
    Reduktion: NAD⁺ wird reduziert.
  2. ●14
    Was kennzeichnet eine Redoxreaktion? Begründe die Wahl.
    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.
  3. ★15
    In der Atmungskette werden Elektronen von NADH + H⁺ schrittweise auf Sauerstoff übertragen. Welchen Vorteil haben viele kleine Schritte? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Die Gesamtenergie ist bei einem oder vielen Schritten gleich.
    2. In kleinen Schritten geht weniger sofort als Wärme verloren.
    3. Jede Portion treibt Protonenpumpen an.
    Ergebnis:
    Die Energie wird portionsweise frei und kann zum Pumpen von Protonen genutzt werden.

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

EntdeckenFrage

Kommt Muskelkater von Milchsäure?

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

Auflösung

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

MerkenZellatmung mit Bilanz

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

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

BeispielTeilschritte der Zellatmung

Wo läuft der Tricarbonsäurezyklus ab? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Der Tricarbonsäurezyklus folgt auf die oxidative Decarboxylierung.
  2. Seine Enzyme liegen gelöst im Inneren des Mitochondriums.
  3. Das ist die Matrix.
  1. Der Tricarbonsäurezyklus folgt auf die oxidative Decarboxylierung.
  2. Seine Enzyme liegen gelöst im Inneren des Mitochondriums.
  3. Das ist die Matrix.
Ergebnis:
In der Matrix der Mitochondrien.

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
    Wohin pumpen die Proteine der Atmungskette die Protonen? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Die Pumpen sitzen in der inneren Membran.
    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.
  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
    Wo findet die Glykolyse statt? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Die Glykolyse ist der erste Schritt.
    2. Dafür braucht es keine Mitochondrien.
    3. Die Glykolyse läuft im Cytoplasma.
    Ergebnis:
    Im Cytoplasma der Zelle.

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

EntdeckenFrage

Was geht bei Multipler Sklerose im Nervensystem kaputt?

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

Auflösung

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

MerkenPotenziale und Erregungsleitung

Das Ruhepotenzial liegt bei etwa −70 mV.

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

BeispielRuhe- und Aktionspotenzial

Wie groß ist das Ruhepotenzial einer Nervenzelle etwa? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Gemessen wird innen gegen außen.
  2. In Ruhe ist das Innere negativ geladen.
  3. Der Wert liegt bei etwa −70 mV.
  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.

AchtungIonen, Kanäle oder Messung verwechselt

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

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

ÜbenJetzt du

  1. ○19
    Wie verläuft das Membranpotenzial bei einem Aktionspotenzial? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Natriumeinstrom macht das Innere positiv: Depolarisation.
    Lösung zeigen
    1. Natriumeinstrom macht das Innere positiv: Depolarisation.
    2. Kaliumausstrom macht es wieder negativ: Repolarisation.
    3. Ein kurzes Überschießen heißt Hyperpolarisation.
    Ergebnis:
    Von −70 auf etwa +30 mV, dann kurz unter −70 mV und zurück zum Ruhewert.
  2. ●20
    Welche Aufgabe hat die Natrium-Kalium-Pumpe für das Ruhepotenzial? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    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.
  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

Was bewirkt Acetylcholin an der postsynaptischen Membran einer erregenden Synapse? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Acetylcholin bindet an Rezeptoren der Postsynapse.
  2. Die Rezeptoren sind Ionenkanäle und öffnen sich.
  3. Natriumeinstrom depolarisiert: erregendes postsynaptisches Potenzial.
  1. Acetylcholin bindet an Rezeptoren der Postsynapse.
  2. Die Rezeptoren sind Ionenkanäle und öffnen sich.
  3. Natriumeinstrom depolarisiert: erregendes postsynaptisches Potenzial.
Ergebnis:
Es öffnet ligandengesteuerte Kanäle, Natrium strömt ein: Ein EPSP entsteht.

AchtungAktionspotenzial als abgestuftes Signal

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

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

ÜbenJetzt du

  1. ○22
    Wie heißt die Membran der Nervenzelle, die den Transmitter ausschüttet? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Prä heißt vor, post heißt nach.
    Lösung zeigen
    1. Prä heißt vor, post heißt nach.
    2. Die Zelle vor dem Spalt schüttet den Transmitter aus.
    3. Deren Membran heißt präsynaptische Membran.
    Ergebnis:
    Präsynaptische Membran.
  2. ●23
    Wie gelangt die Erregung über den synaptischen Spalt? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Am Spalt endet das elektrische Signal.
    2. Die Vesikel geben Transmitter in den Spalt ab.
    3. Die Transmitter diffundieren zur Postsynapse.
    Ergebnis:
    Chemisch: Transmittermoleküle diffundieren zur Postsynapse.
  3. ★24
    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.

Vermischte Übungen

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

Üben

  1. ●25
    Warum durchqueren Ionen die Lipiddoppelschicht kaum? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Ionen tragen eine Ladung und sind von Wassermolekülen umhüllt.
    2. Im unpolaren Inneren der Membran fehlt diese Umgebung.
    3. Ionen brauchen deshalb Kanäle oder Pumpen.
    Ergebnis:
    Ionen sind geladen und von Wasser umhüllt; das unpolare Innere lässt sie kaum hinein.
  2. ●26
    Pepsin aus dem Magen hat sein pH-Optimum bei etwa 2. Wie aktiv ist es im Dünndarm bei pH 8? Begründe die Wahl.
    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.
  3. ●27
    Nur etwa 30 bis 40 Prozent der Energie aus Glucose landen in ATP. Wo bleibt der Rest? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Energie bleibt erhalten.
    2. Ein Teil wird bei jeder Umwandlung zu Wärme.
    3. Wärme ist für die Zelle kaum noch nutzbar: Energieentwertung.
    Ergebnis:
    Er wird als Wärme frei; das nennt man Energieentwertung.
  4. ●28
    In einer Muskelzelle werden 2 Glucosemoleküle vollständig über Glykolyse, oxidative Decarboxylierung, Tricarbonsäurezyklus und Atmungskette abgebaut. Es gilt die Schulbuchnäherung: 2,5 ATP je NADH + H⁺ und 1,5 ATP je FADH₂, zusammen etwa 32 ATP je Glucose. Wie viele ATP entstehen insgesamt?
    Lösung zeigen
    1. Nach der genannten Näherung liefert eine Glucose etwa 32 ATP.
    2. Das umfasst alle vier Teilschritte, nicht nur die Glykolyse.
    3. 2 · 32 = 64.
    Ergebnis:
    etwa 64 ATP
  5. ★29
    Bei Multipler Sklerose werden Beschwerden oft bei Wärme stärker, zum Beispiel nach einem heißen Bad. Welche Erklärung passt?
    Lösung zeigen
    1. In entmarkten Abschnitten reicht der Strom gerade noch zur Schwelle.
    2. Wärme lässt die Natriumkanäle schneller schließen.
    3. Der Sicherheitsabstand fehlt, die Leitung fällt aus.
    Ergebnis:
    Entmarkte Abschnitte leiten nur knapp; Wärme verkürzt die Aktionspotenziale, die Leitung bricht ab.
  6. ★30
    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.

Auf einen Blick

MerkenDas Wichtigste

Biomembran und Transport
Die Biomembran ist eine Lipiddoppelschicht mit beweglichen Proteinen.
Diffusion und Osmose
Osmose ist Diffusion von Wasser durch eine selektiv permeable Membran.
Enzyme und Enzymhemmung
Enzyme senken die Aktivierungsenergie und werden nicht verbraucht.
Enzymaktivität im Diagramm
Jedes Enzym hat ein Temperaturoptimum und ein pH-Optimum.
Redoxreaktionen und ATP
Oxidation ist Elektronenabgabe, Reduktion Elektronenaufnahme.
Zellatmung mit Bilanz
Die Glykolyse läuft im Cytoplasma, alle weiteren Schritte im Mitochondrium.
Potenziale und Erregungsleitung
Das Ruhepotenzial liegt bei etwa −70 mV.
Synapse und Stoffeinwirkung
Die Synapse übersetzt ein elektrisches Signal in ein chemisches.

AchtungBau von Membran und Zellwand falsch vorgestellt

So nicht
Die Membran ist eine feste Wand mit Löchern; die Zellwand entscheidet, was hineinkommt.
So richtig
Die Membran ist eine flüssige Lipiddoppelschicht mit beweglichen Proteinen; die Zellwand ist fest und durchlässig.

Denk an die Lipiddoppelschicht: wasserliebende Köpfe außen, wasserabweisende Schwänze innen, Proteine darin beweglich. Die Zellwand ist ein festes, durchlässiges Netz.

AchtungTransportart verwechselt

So nicht
Ein Kanalprotein ist beteiligt, also ist es aktiver Transport.
So richtig
Entscheidend ist das Gefälle: Mit dem Gefälle ist der Transport passiv, auch mit Protein; gegen das Gefälle ist er aktiv.

Frag zuerst: Geht der Stoff mit oder gegen sein Gefälle? Nur gegen das Gefälle braucht es Energie, ob mit oder ohne Protein.

AchtungSpezifität oder Hemmart verwechselt

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

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

AchtungEnzymdiagramm falsch gelesen

So nicht
Die Kurve steigt, also wird die Reaktion mit mehr Substrat immer schneller.
So richtig
Die Kurve flacht ab: Ab einer bestimmten Substratkonzentration sind alle aktiven Zentren besetzt.

Lies zuerst die Achsen und dann den Verlauf in Abschnitten: Wo steigt die Kurve, wo flacht sie ab, wo fällt sie?

AchtungOxidation und Reduktion vertauscht

So nicht
NAD⁺ nimmt Elektronen auf und wird oxidiert.
So richtig
NAD⁺ nimmt Elektronen auf und wird reduziert. Der Stoff, der sie abgibt, wird oxidiert.

Merk dir: Oxidation ist Elektronenabgabe, Reduktion ist Elektronenaufnahme. Beides geschieht immer zusammen.

AchtungRolle des Sauerstoffs falsch vorgestellt

So nicht
Der eingeatmete Sauerstoff wird zu Kohlenstoffdioxid.
So richtig
Der Sauerstoff nimmt am Ende der Atmungskette Elektronen auf und wird zu Wasser. Das Kohlenstoffdioxid stammt aus der Glucose.

Verfolge die Atome: Der Kohlenstoff im Kohlenstoffdioxid kommt aus der Nahrung. Der Sauerstoff aus der Luft landet im Wasser.

AchtungNur die Glykolyse bilanziert

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

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

AchtungBezug je Glucose und je Brenztraubensäure verwechselt

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

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

AchtungErregungsleitung falsch vorgestellt

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

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

AchtungLeitungszeit falsch berechnet

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

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

AchtungSynapse als elektrische Brücke gedacht

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

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

AchtungWirkung eines Stoffes an der Synapse falsch abgeleitet

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

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

Kannst du das?

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

ÜbenSelbsttest

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

    31
    Fresszellen nehmen ganze Bakterien auf. Wie heißt dieser Vorgang? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Phagocytose, eine Form der Endocytose.

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

    32
    Ein Kartoffelstäbchen liegt eine Stunde in destilliertem Wasser. Wie verändert sich seine Masse? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Die Masse nimmt zu, weil Wasser in die Zellen einströmt.

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

    33
    Was geschieht mit einem Enzym nach der Reaktion? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Es liegt unverändert vor und kann das nächste Substrat umsetzen.

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

    34
    Ein Diagramm zeigt die Aktivität eines menschlichen Enzyms über der Temperatur. Wo liegt das Maximum typischerweise? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Bei etwa 37 bis 40 °C; darüber fällt die Aktivität steil ab.

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

    35
    NAD⁺ nimmt zwei Elektronen und zwei Protonen auf und wird zu NADH + H⁺. Wie heißt dieser Vorgang? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Reduktion: NAD⁺ wird reduziert.

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

    36
    Warum haben Muskelzellen von Ausdauersportlern besonders viele Mitochondrien? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Mehr Mitochondrien bilden mit Sauerstoff mehr ATP für den hohen Bedarf.

  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
    Wo wird Acetylcholin in der Präsynapse bis zur Ausschüttung aufbewahrt? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    In synaptischen Vesikeln im Endknöpfchen.

Bei „unsicher“ oder „noch nicht“: Lies den Abschnitt zum Ziel noch einmal und rechne seine drei Aufgaben.

Die Frage vom Anfang

EntdeckenRückschau

Warum hilft Händewaschen mit Seife gegen Grippeviren?

Lies deine Vermutung vom Anfang. Kannst du die Frage jetzt mit dem Kapitel beantworten?

Auflösung

Grippeviren tragen eine Hülle aus einer Lipiddoppelschicht. Seife lagert sich mit ihren fettliebenden Enden in diese Hülle ein und reißt sie auf. Ohne Hülle kann das Virus keine Zelle mehr befallen.

Wörter

Funktion
eine Regel, die aus einer Zahl eine andere macht

Lösungen

  1. Aktiver Transport geht gegen das Gefälle und braucht Energie, passiver nicht.
  2. Der Stoff, dessen Aufnahme ausfällt, weil ohne Sauerstoff kaum ATP entsteht.
  3. Die Natrium-Kalium-Pumpe hält mit ATP das Natriumgefälle aufrecht, das den Symport antreibt.
  4. Nach rechts, zur 5-prozentigen Lösung.
  5. Die Außenlösung, denn die Zellwand ist für sie durchlässig.
  6. Hypotonisch.
  7. Das Enzym mit dem Substrat, das kurzzeitig im aktiven Zentrum gebunden ist.
  8. Der Stoff, der im aktiven Zentrum gebunden und umgesetzt wird.
  9. Aus Proteinen mit einer bestimmten Raumstruktur.
  10. Die Sättigung: Mehr Substrat erhöht die Geschwindigkeit nicht mehr.
  11. Etwa 8 bis 12 µmol je Minute.
  12. Deutlich tiefer, passend zur Wassertemperatur seines Lebensraums.
  13. Reduktion: NAD⁺ wird reduziert.
  14. Oxidation und Reduktion sind gekoppelt: Elektronen wechseln den Partner.
  15. Die Energie wird portionsweise frei und kann zum Pumpen von Protonen genutzt werden.
  16. Aus der Matrix in den Intermembranraum.
  17. Brenztraubensäure gibt Kohlenstoffdioxid ab und wird zu Acetyl-Coenzym A; NAD⁺ wird reduziert.
  18. Im Cytoplasma der Zelle.
  19. Von −70 auf etwa +30 mV, dann kurz unter −70 mV und zurück zum Ruhewert.
  20. Die Pumpe hält die Konzentrationsunterschiede von Natrium und Kalium aufrecht.
  21. Die Gefälle bauen sich nur langsam über Leckströme ab; jedes Aktionspotenzial verschiebt nur wenige Ionen.
  22. Präsynaptische Membran.
  23. Chemisch: Transmittermoleküle diffundieren zur Postsynapse.
  24. Von der Menge des ausgeschütteten Transmitters, also von der Frequenz der Aktionspotenziale.
  25. Ionen sind geladen und von Wasser umhüllt; das unpolare Innere lässt sie kaum hinein.
  26. Kaum aktiv, weil der pH-Wert weit vom Optimum entfernt ist.
  27. Er wird als Wärme frei; das nennt man Energieentwertung.
  28. etwa 64 ATP
  29. Entmarkte Abschnitte leiten nur knapp; Wärme verkürzt die Aktionspotenziale, die Leitung bricht ab.
  30. Mit einem Hemmstoff der Acetylcholinesterase: Mehr Acetylcholin verdrängt Curare.
  31. Phagocytose, eine Form der Endocytose.
  32. Die Masse nimmt zu, weil Wasser in die Zellen einströmt.
  33. Es liegt unverändert vor und kann das nächste Substrat umsetzen.
  34. Bei etwa 37 bis 40 °C; darüber fällt die Aktivität steil ab.
  35. Reduktion: NAD⁺ wird reduziert.
  36. Mehr Mitochondrien bilden mit Sauerstoff mehr ATP für den hohen Bedarf.
  37. Das Potenzial wird kurz negativer als das Ruhepotenzial.
  38. In synaptischen Vesikeln im Endknöpfchen.