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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
    Sauerstoff gelangt aus dem Blut in eine Muskelzelle. Welche Transportart liegt vor? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Im Blut ist mehr Sauerstoff als in der arbeitenden Muskelzelle.
    Lösung zeigen
    1. Im Blut ist mehr Sauerstoff als in der arbeitenden Muskelzelle.
    2. Sauerstoff ist klein und unpolar.
    3. Er diffundiert ohne Protein und ohne Energie hinein.
    Ergebnis:
    Einfache Diffusion entlang des Konzentrationsgefälles.
  2. ●2
    Warum braucht Endocytose Energie? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Bei der Endocytose stülpt sich die Membran ein.
    2. Proteine des Zellskeletts formen und bewegen das Bläschen.
    3. Diese Arbeit kostet ATP.
    Ergebnis:
    Die Membran muss verformt, das Bläschen abgeschnürt und bewegt werden.
  3. ★3
    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

Warum platzen Pflanzenzellen in Wasser nicht? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. In reinem Wasser nehmen auch Pflanzenzellen Wasser auf.
  2. Der Protoplast drückt gegen die Zellwand.
  3. Die feste Wand hält dagegen; die Zelle wird prall.
  1. In reinem Wasser nehmen auch Pflanzenzellen Wasser auf.
  2. Der Protoplast drückt gegen die Zellwand.
  3. Die feste Wand hält dagegen; die Zelle wird prall.
Ergebnis:
Die feste Zellwand hält dem Innendruck stand.

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
    Zellen einer roten Zwiebel liegen in konzentrierter Salzlösung. Was beobachtet man? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Außen sind mehr gelöste Teilchen als im Zellsaft.
    Lösung zeigen
    1. Außen sind mehr gelöste Teilchen als im Zellsaft.
    2. Wasser strömt netto aus der Vakuole heraus.
    3. Die Zellwand bleibt stehen, der Protoplast löst sich ab.
    Ergebnis:
    Die Vakuole schrumpft, der Protoplast löst sich von der Zellwand: Plasmolyse.
  2. ●5
    Was ist Osmose? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Die Membran lässt Wasser durch, gelöste Teilchen kaum.
    2. Wasser diffundiert in beide Richtungen.
    3. Netto strömt mehr Wasser zur Seite mit mehr gelösten Teilchen.
    Ergebnis:
    Diffusion von Wasser durch eine selektiv permeable Membran zur konzentrierteren Lösung.
  3. ★6
    Bei einem Plasmolyse-Versuch bleiben einige Zellen in starker Salzlösung unverändert. Welche Erklärung ist am wahrscheinlichsten? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Plasmolyse setzt eine selektiv permeable Membran voraus.
    2. In toten Zellen ist die Membran durchlässig für Salz.
    3. Salz und Wasser gleichen sich aus, die Vakuole schrumpft nicht.
    Ergebnis:
    Diese Zellen sind tot; ihre Membran ist nicht mehr selektiv permeabel.

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

Was ist das Substrat einer Enzymreaktion? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Das Substrat ist der Ausgangsstoff der Reaktion.
  2. Es bindet im aktiven Zentrum.
  3. Dort wird es zum Produkt umgesetzt.
  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.

AchtungEnzym als verbrauchter Reaktionspartner

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

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

ÜbenJetzt du

  1. ○7
    Ein Enzym katalysiert an seinem Substrat nur eine bestimmte Reaktion, zum Beispiel nur die Abspaltung von Wasserstoff. Welche Eigenschaft ist das? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Gefragt ist, welche Reaktion abläuft.
    Lösung zeigen
    1. Gefragt ist, welche Reaktion abläuft.
    2. Ein Enzym führt am Substrat nur eine Reaktionsart durch.
    3. Das heißt Wirkspezifität.
    Ergebnis:
    Wirkspezifität.
  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 zweier Enzyme über dem pH-Wert: Trypsin mit Gipfel bei 8, Speichelamylase mit Gipfel bei 7. Was lässt sich ablesen? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Die Gipfel liegen an verschiedenen Stellen.
  2. Trypsin wirkt im leicht basischen Dünndarm, Amylase im Mund.
  3. Das Optimum passt zum Wirkort.
  1. Die Gipfel liegen an verschiedenen Stellen.
  2. Trypsin wirkt im leicht basischen Dünndarm, Amylase im Mund.
  3. Das Optimum passt zum Wirkort.
Ergebnis:
Jedes Enzym hat ein eigenes pH-Optimum, passend zu seinem Wirkort.

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
    Warum fällt die Enzymaktivität oberhalb des Temperaturoptimums steil ab? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Enzyme sind Proteine mit einer empfindlichen Raumstruktur.
    2. Hitze löst die schwachen Bindungen, die sie halten.
    3. Das aktive Zentrum passt nicht mehr.
    Ergebnis:
    Das Enzym denaturiert: Raumstruktur und aktives Zentrum gehen verloren.
  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

Woher stammt die Energie, die bei der Spaltung von ATP zu ADP und Phosphat frei wird? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Das Spalten einer Bindung kostet Energie.
  2. Beim Bilden der Produkte wird mehr Energie frei.
  3. Netto wird die Differenz frei.
  1. Das Spalten einer Bindung kostet Energie.
  2. Beim Bilden der Produkte wird mehr Energie frei.
  3. Netto wird die Differenz frei.
Ergebnis:
Die Produkte sind energieärmer als die Ausgangsstoffe; die Differenz wird frei.

AchtungEnergie als Stoff in der Bindung gedacht

So nicht
Im ATP steckt die Energie in der Phosphatbindung; beim Aufbrechen wird sie frei.
So richtig
Das Spalten einer Bindung kostet Energie. Frei wird Energie, weil die Produkte zusammen energieärmer sind als ATP und Wasser.

Energie wird nicht erzeugt oder verbraucht, sondern umgewandelt. Beim ATP zählt der Unterschied zwischen Ausgangsstoffen und Produkten.

ÜbenJetzt du

  1. ○13
    Was geschieht bei einer Reduktion? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Reduktion heißt Elektronenaufnahme.
    Lösung zeigen
    1. Reduktion heißt Elektronenaufnahme.
    2. Das Gegenstück ist die Oxidation eines Partners.
    3. Der Partner gibt dabei die Elektronen ab.
    Ergebnis:
    Ein Teilchen nimmt Elektronen auf.
  2. ●14
    Was geschieht mit dem Sauerstoff, den wir einatmen, in der Zelle? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Sauerstoff ist der letzte Empfänger der Elektronen.
    2. Mit Protonen bildet er Wasser.
    3. Das Kohlenstoffdioxid stammt aus der Glucose.
    Ergebnis:
    Er nimmt am Ende der Atmungskette Elektronen auf und wird zu Wasser.
  3. ★15
    Wie heißt der Stoff, der in einer Redoxreaktion Elektronen aufnimmt? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    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.

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

Wie lautet die Summengleichung der Zellatmung in Worten? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Ausgangsstoffe sind Glucose und Sauerstoff.
  2. Produkte sind Kohlenstoffdioxid und Wasser.
  3. Ein Teil der frei werdenden Energie landet in ATP.
  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.

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
    Wo findet die Glykolyse statt? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Die Glykolyse ist der erste Schritt.
    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.
  2. ●17
    Wo sitzen die Proteine der Atmungskette? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Die Atmungskette braucht eine Membran, um ein Protonengefälle aufzubauen.
    2. Dafür dient die innere Membran.
    3. Die Falten heißen Cristae.
    Ergebnis:
    In der inneren Mitochondrienmembran.
  3. ★18
    Ein Stoff macht die innere Mitochondrienmembran für Protonen durchlässig. Was geschieht? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Die Protonen strömen an der ATP-Synthase vorbei zurück.
    2. Das Gefälle bleibt klein, die Atmungskette arbeitet weiter.
    3. Die Energie wird als Wärme frei, wie im braunen Fettgewebe.
    Ergebnis:
    Die Atmungskette läuft weiter, aber kaum ATP entsteht; die Energie wird Wärme.

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

EntdeckenFrage

Was geht bei Multipler Sklerose im Nervensystem kaputt?

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

Auflösung

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

MerkenPotenziale und Erregungsleitung

Das Ruhepotenzial liegt bei etwa −70 mV.

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

BeispielRuhe- und Aktionspotenzial

Welche Ionen sind im Inneren einer ruhenden Nervenzelle stark angereichert? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Die Natrium-Kalium-Pumpe befördert Kalium hinein und Natrium hinaus.
  2. Große Eiweiß-Anionen können die Zelle nicht verlassen.
  3. Innen überwiegen Kalium-Ionen und Anionen.
  1. Die Natrium-Kalium-Pumpe befördert Kalium hinein und Natrium hinaus.
  2. Große Eiweiß-Anionen können die Zelle nicht verlassen.
  3. Innen überwiegen Kalium-Ionen und Anionen.
Ergebnis:
Kalium-Ionen und große organische Anionen.

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
    Was passiert, wenn die Membran eines Axons den Schwellenwert erreicht? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Am Schwellenwert öffnen sich viele Natriumkanäle.
    2. Natrium strömt seinem Gefälle nach ein.
    3. Das Innere wird kurz positiv.
    Ergebnis:
    Spannungsgesteuerte Natriumkanäle öffnen sich, Natrium strömt ein: Depolarisation.
  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

Curare blockiert die Acetylcholin-Rezeptoren an der motorischen Endplatte. Was folgt? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Curare besetzt die Rezeptoren, ohne sie zu öffnen.
  2. Acetylcholin kann nicht mehr wirken.
  3. Der Muskel bekommt kein Signal und erschlafft.
  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.

AchtungSynapse als elektrische Brücke gedacht

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

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

ÜbenJetzt du

  1. ○22
    Botulinumtoxin verhindert die Ausschüttung von Acetylcholin. Wie wirkt es auf den Muskel? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Ohne Ausschüttung gelangt kein Acetylcholin in den Spalt.
    Lösung zeigen
    1. Ohne Ausschüttung gelangt kein Acetylcholin in den Spalt.
    2. Die Rezeptoren der Endplatte bleiben geschlossen.
    3. Der Muskel erschlafft.
    Ergebnis:
    Der Muskel bekommt kein Signal mehr und erschlafft.
  2. ●23
    Was geschieht mit dem Cholin, nachdem Acetylcholin gespalten wurde? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Cholin ist ein wertvoller Baustein.
    2. Die Präsynapse nimmt es wieder auf.
    3. Daraus bildet sie neues Acetylcholin für die Vesikel.
    Ergebnis:
    Es wird in die Präsynapse zurückgeholt und zu neuem Acetylcholin aufgebaut.
  3. ★24
    Ein Stoff verhindert den Calciumeinstrom in die Präsynapse. Welche Wirkung ist zu erwarten? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Calcium löst die Exocytose der Vesikel aus.
    2. Ohne Calcium bleiben die Vesikel geschlossen.
    3. Ohne Transmitter entsteht kein EPSP.
    Ergebnis:
    Kaum Transmitterausschüttung, die Postsynapse wird nicht erregt.

Vermischte Übungen

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

Üben

  1. ●25
    Warum diffundiert ein Duftstoff in einem warmen Raum schneller? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Temperatur ist ein Maß für die Teilchenbewegung.
    2. Schnellere Teilchen verteilen sich schneller.
    3. Eine Absicht oder Richtung haben sie nicht.
    Ergebnis:
    Die Teilchen bewegen sich bei höherer Temperatur schneller ungeordnet.
  2. ●26
    Was bedeutet „Mosaik“ im Flüssig-Mosaik-Modell? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Ein Mosaik besteht aus verschiedenen Teilen in einer Fläche.
    2. In der Membran sind das die Proteine in der Lipiddoppelschicht.
    3. Die Proteine sind nicht starr, sondern beweglich.
    Ergebnis:
    In die Lipiddoppelschicht sind verschiedene Proteine eingelagert wie Steine in ein Mosaik.
  3. ●27
    Ein Diagramm zeigt die Aktivität eines menschlichen Enzyms über der Temperatur. Wo liegt das Maximum typischerweise? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    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.
  4. ●28
    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.
  5. ●29
    In einer Muskelzelle werden 5 Glucosemoleküle vollständig über Glykolyse, oxidative Decarboxylierung, Tricarbonsäurezyklus und Atmungskette abgebaut. Wie viele Moleküle Kohlenstoffdioxid entstehen insgesamt?
    Lösung zeigen
    1. Je Brenztraubensäure: 1 Kohlenstoffdioxid in der oxidativen Decarboxylierung.
    2. Dazu 2 Kohlenstoffdioxid im Tricarbonsäurezyklus.
    3. Eine Glucose ergibt zwei Brenztraubensäuren, also 6 Kohlenstoffdioxid je Glucose.
    4. 5 · 6 = 30.
    Ergebnis:
    30 Moleküle Kohlenstoffdioxid
  6. ●30
    Warum ist das Zellinnere einer Nervenzelle in Ruhe negativ? Begründe die Wahl.
    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.

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.

AchtungRolle des Sauerstoffs falsch vorgestellt

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

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

AchtungNur die Glykolyse bilanziert

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

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

AchtungBezug je Glucose und je Brenztraubensäure verwechselt

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

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

AchtungAktionspotenzial als abgestuftes Signal

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

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

AchtungErregungsleitung falsch vorgestellt

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

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

AchtungLeitungszeit falsch berechnet

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

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

AchtungWirkung eines Stoffes an der Synapse falsch abgeleitet

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

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

Kannst du das?

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

ÜbenSelbsttest

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

    31
    Wasser gelangt schnell durch Aquaporine in Nierenzellen. Welche Transportart liegt vor? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Passiver Transport durch Kanalproteine, angetrieben vom Gefälle.

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

    32
    Was ist Osmose? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Diffusion von Wasser durch eine selektiv permeable Membran zur konzentrierteren Lösung.

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

    33
    Welches Modell beschreibt, dass sich das aktive Zentrum beim Binden des Substrats leicht anpasst? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Das Modell der induzierten Passform.

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

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

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

    35
    Was geschieht mit dem Sauerstoff, den wir einatmen, in der Zelle? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Er nimmt am Ende der Atmungskette Elektronen auf und wird zu Wasser.

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

    36
    Wo findet die Glykolyse statt? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Im Cytoplasma der Zelle.

  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
    Was bewirkt Acetylcholin an der postsynaptischen Membran einer erregenden Synapse? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Es öffnet ligandengesteuerte Kanäle, Natrium strömt ein: Ein EPSP entsteht.

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 entlang des Konzentrationsgefälles.
  2. Die Membran muss verformt, das Bläschen abgeschnürt und bewegt werden.
  3. Die Natrium-Kalium-Pumpe hält mit ATP das Natriumgefälle aufrecht, das den Symport antreibt.
  4. Die Vakuole schrumpft, der Protoplast löst sich von der Zellwand: Plasmolyse.
  5. Diffusion von Wasser durch eine selektiv permeable Membran zur konzentrierteren Lösung.
  6. Diese Zellen sind tot; ihre Membran ist nicht mehr selektiv permeabel.
  7. Wirkspezifität.
  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. 10 °C mehr verdoppeln bis verdreifachen die Reaktionsgeschwindigkeit.
  11. Das Enzym denaturiert: Raumstruktur und aktives Zentrum gehen verloren.
  12. Deutlich tiefer, passend zur Wassertemperatur seines Lebensraums.
  13. Ein Teilchen nimmt Elektronen auf.
  14. Er nimmt am Ende der Atmungskette Elektronen auf und wird zu Wasser.
  15. Oxidationsmittel; es wird dabei selbst reduziert.
  16. Im Cytoplasma der Zelle.
  17. In der inneren Mitochondrienmembran.
  18. Die Atmungskette läuft weiter, aber kaum ATP entsteht; die Energie wird Wärme.
  19. Von −70 auf etwa +30 mV, dann kurz unter −70 mV und zurück zum Ruhewert.
  20. Spannungsgesteuerte Natriumkanäle öffnen sich, Natrium strömt ein: Depolarisation.
  21. Das Ruhepotenzial bleibt, aber es entstehen keine Aktionspotenziale mehr.
  22. Der Muskel bekommt kein Signal mehr und erschlafft.
  23. Es wird in die Präsynapse zurückgeholt und zu neuem Acetylcholin aufgebaut.
  24. Kaum Transmitterausschüttung, die Postsynapse wird nicht erregt.
  25. Die Teilchen bewegen sich bei höherer Temperatur schneller ungeordnet.
  26. In die Lipiddoppelschicht sind verschiedene Proteine eingelagert wie Steine in ein Mosaik.
  27. Bei etwa 37 bis 40 °C; darüber fällt die Aktivität steil ab.
  28. Aus der Matrix in den Intermembranraum.
  29. 30 Moleküle Kohlenstoffdioxid
  30. Kalium-Ionen diffundieren durch offene Kanäle hinaus, die Anionen bleiben zurück.
  31. Passiver Transport durch Kanalproteine, angetrieben vom Gefälle.
  32. Diffusion von Wasser durch eine selektiv permeable Membran zur konzentrierteren Lösung.
  33. Das Modell der induzierten Passform.
  34. Waagerecht die Substratkonzentration, senkrecht die Reaktionsgeschwindigkeit.
  35. Er nimmt am Ende der Atmungskette Elektronen auf und wird zu Wasser.
  36. Im Cytoplasma der Zelle.
  37. Von −70 auf etwa +30 mV, dann kurz unter −70 mV und zurück zum Ruhewert.
  38. Es öffnet ligandengesteuerte Kanäle, Natrium strömt ein: Ein EPSP entsteht.