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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

Wasser gelangt schnell durch Aquaporine in Nierenzellen. Welche Transportart liegt vor? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Aquaporine sind Wasserkanäle.
  2. Das Wasser folgt dem osmotischen Gefälle.
  3. Ohne Energie und mit Kanal: passiver Transport.
  1. Aquaporine sind Wasserkanäle.
  2. Das Wasser folgt dem osmotischen Gefälle.
  3. Ohne Energie und mit Kanal: passiver Transport.
Ergebnis:
Passiver Transport durch Kanalproteine, angetrieben vom Gefälle.

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
    Eine Drüsenzelle gibt Verdauungsenzyme nach außen ab. Wie geschieht das? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Enzyme sind große Proteine.
    Lösung zeigen
    1. Enzyme sind große Proteine.
    2. Die Enzyme liegen in Vesikeln bereit.
    3. Die Vesikel verschmelzen mit der Membran und geben den Inhalt nach außen ab.
    Ergebnis:
    Durch Exocytose: Vesikel verschmelzen mit der Zellmembran.
  2. ●2
    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
    Die Natrium-Kalium-Pumpe befördert Natrium-Ionen aus der Zelle, obwohl außen mehr Natrium ist. Welche Transportart ist das? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Die Ionen wandern gegen ihr Gefälle.
    2. Dafür ist Energie nötig.
    3. Die Pumpe spaltet selbst ATP: primär aktiver Transport.
    Ergebnis:
    Primär aktiver Transport unter Spaltung von ATP.

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

Ein Kartoffelstäbchen liegt eine Stunde in konzentrierter Salzlösung. Wie verändert sich seine Masse? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Die Salzlösung ist konzentrierter als der Zellsaft.
  2. Wasser strömt netto aus den Zellen heraus.
  3. Das Stäbchen wird leichter und biegsam.
  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.

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
    Warum welkt Salat, der lange vor dem Essen mit Salz angemacht wird? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Das Salz löst sich im Wasser auf den Blättern.
    Lösung zeigen
    1. Das Salz löst sich im Wasser auf den Blättern.
    2. Diese Lösung ist konzentrierter als der Zellsaft.
    3. Wasser strömt aus den Zellen, die Blätter werden schlaff.
    Ergebnis:
    Das Salz entzieht den Blattzellen durch Osmose Wasser; sie verlieren ihre Spannung.
  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
    Warum geht eine Süßwasserpflanze im Meerwasser ein, obwohl sie dort von Wasser umgeben ist? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Meerwasser enthält viele gelöste Salze.
    2. Es ist konzentrierter als der Zellsaft der Pflanze.
    3. Wasser strömt aus den Zellen; sie plasmolysieren.
    Ergebnis:
    Das Meerwasser ist hypertonisch und entzieht den Zellen Wasser.

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

EntdeckenFrage

Warum bekamen Menschen mit Methanolvergiftung früher Alkohol als Gegenmittel?

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

Auflösung

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

MerkenEnzyme und Enzymhemmung

Enzyme senken die Aktivierungsenergie und werden nicht verbraucht.

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

BeispielEnzyme und Enzymhemmung

Was ist der Enzym-Substrat-Komplex? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Das Substrat bindet im aktiven Zentrum.
  2. Dieser kurzlebige Zustand heißt Enzym-Substrat-Komplex.
  3. Danach zerfällt er in Enzym und Produkt.
  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.

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 geschieht mit einem Enzym nach der Reaktion? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Enzyme sind Biokatalysatoren.
    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.
  2. ●8
    Urease spaltet nur Harnstoff und keinen anderen Stoff. Welche Eigenschaft des Enzyms zeigt das? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Gefragt ist, welches Substrat das Enzym umsetzt.
    2. Nur ein bestimmtes Substrat passt ins aktive Zentrum.
    3. Das heißt Substratspezifität.
    Ergebnis:
    Substratspezifität.
  3. ★9
    Bei einer Methanolvergiftung gab man früher Ethanol. Beide sind Substrate der Alkoholdehydrogenase. Warum hilft das? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Ethanol und Methanol konkurrieren um das aktive Zentrum.
    2. Bei viel Ethanol wird Methanol kaum umgesetzt.
    3. Es wird unverändert ausgeschieden, bevor giftige Stoffe entstehen.
    Ergebnis:
    Ethanol verdrängt Methanol kompetitiv, sodass kaum giftige Abbauprodukte entstehen.

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

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.
Schritt für Schritt
  1. Bei 60 °C ist das Enzym denaturiert.
  2. Die Raumstruktur bildet sich beim Abkühlen meist nicht zurück.
  3. Die Aktivität bleibt verloren.
  1. Bei 60 °C ist das Enzym denaturiert.
  2. Die Raumstruktur bildet sich beim Abkühlen meist nicht zurück.
  3. Die Aktivität bleibt verloren.
Ergebnis:
Die Aktivität bleibt nahe 0, denn die Denaturierung ist meist nicht umkehrbar.

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
    Welche Achsen hat ein typisches Diagramm zur Abhängigkeit von der Substratkonzentration? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Die veränderte Größe steht auf der waagerechten Achse.
    Lösung zeigen
    1. Die veränderte Größe steht auf der waagerechten Achse.
    2. Verändert wird die Substratkonzentration.
    3. Die gemessene Wirkung, die Reaktionsgeschwindigkeit, steht senkrecht.
    Ergebnis:
    Waagerecht die Substratkonzentration, senkrecht die Reaktionsgeschwindigkeit.
  2. ●11
    Mit steigender Substratkonzentration steigt die Reaktionsgeschwindigkeit erst stark, dann kaum noch. Warum? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    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.
  3. ★12
    Ein Enzym wird nach einer Stunde bei 0 °C auf 37 °C erwärmt. Was zeigt die Messung? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Kälte verlangsamt die Teilchenbewegung.
    2. Die Raumstruktur bleibt dabei erhalten.
    3. Beim Erwärmen arbeitet das Enzym wieder.
    Ergebnis:
    Die Aktivität steigt wieder, denn Kälte hatte das Enzym nur verlangsamt.

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 wird ATP in der Zelle wieder aufgebaut? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  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.
  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.

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 Oxidation? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Oxidation heißt Elektronenabgabe.
    Lösung zeigen
    1. Oxidation heißt Elektronenabgabe.
    2. Die Reaktion mit Sauerstoff ist nur ein Sonderfall.
    3. Der Partner nimmt die Elektronen auf und wird reduziert.
    Ergebnis:
    Ein Teilchen gibt Elektronen ab.
  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
    Das Aufbrechen einer chemischen Bindung erfordert immer Energie. Warum wird bei der Hydrolyse von ATP trotzdem Energie frei? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Spalten kostet Energie, Bilden setzt Energie frei.
    2. Bei der Hydrolyse entstehen stabilere Produkte.
    3. Die Bilanz ist negativ: Energie wird frei.
    Ergebnis:
    Beim Bilden der neuen Bindungen der Produkte wird mehr Energie frei, als das Spalten kostet.

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

EntdeckenFrage

Kommt Muskelkater von Milchsäure?

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

Auflösung

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

MerkenZellatmung mit Bilanz

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

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

BeispielTeilschritte der Zellatmung

Warum haben Muskelzellen von Ausdauersportlern besonders viele Mitochondrien? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Ausdauerleistung braucht dauerhaft viel ATP.
  2. Den größten Teil bilden die Mitochondrien mit Sauerstoff.
  3. Training erhöht ihre Zahl.
  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.

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
    Welche Aufgabe hat der Sauerstoff in der Zellatmung? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Die Elektronen wandern durch die Atmungskette.
    Lösung zeigen
    1. Die Elektronen wandern durch die Atmungskette.
    2. Am Ende nimmt Sauerstoff sie auf.
    3. Mit Protonen entsteht Wasser.
    Ergebnis:
    Er ist der letzte Elektronenakzeptor der Atmungskette.
  2. ●17
    Was entsteht in der Glykolyse aus einem Molekül Glucose? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Glucose hat sechs Kohlenstoffatome.
    2. Die Glucose wird in zwei Brenztraubensäuren mit je drei Kohlenstoffatomen gespalten.
    3. Netto entstehen 2 ATP und 2 NADH + H⁺.
    Ergebnis:
    Zwei Brenztraubensäuren, netto 2 ATP und 2 NADH + H⁺.
  3. ★18
    Wo läuft der Tricarbonsäurezyklus ab? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    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.

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 verläuft das Membranpotenzial bei einem Aktionspotenzial? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Natriumeinstrom macht das Innere positiv: Depolarisation.
  2. Kaliumausstrom macht es wieder negativ: Repolarisation.
  3. Ein kurzes Überschießen heißt Hyperpolarisation.
  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.

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
    Was bedeutet Depolarisation an einer Nervenzelle? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    In Ruhe ist das Innere negativ, die Membran ist polarisiert.
    Lösung zeigen
    1. In Ruhe ist das Innere negativ, die Membran ist polarisiert.
    2. Strömen positive Ionen ein, sinkt dieser Unterschied.
    3. Das heißt Depolarisation.
    Ergebnis:
    Das Membranpotenzial wird weniger negativ, das Innere positiver.
  2. ●20
    Wie misst man das Ruhepotenzial einer Nervenzelle? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Das Ruhepotenzial ist eine Spannung über die Membran.
    2. Deshalb muss eine Elektrode innen, eine außen liegen.
    3. Zwei Elektroden außen messen in Ruhe keinen Unterschied.
    Ergebnis:
    Eine Elektrode im Zellinneren, eine außen, dazwischen ein Spannungsmessgerät.
  3. ★21
    Ein Gift hemmt die Natrium-Kalium-Pumpe. Warum bricht das Ruhepotenzial nicht sofort zusammen? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Das Ruhepotenzial hängt an den Konzentrationsgefällen.
    2. Ohne Pumpe gleichen sie sich langsam aus.
    3. Erst nach längerer Zeit sinkt das Ruhepotenzial deutlich.
    Ergebnis:
    Die Gefälle bauen sich nur langsam über Leckströme ab; jedes Aktionspotenzial verschiebt nur wenige Ionen.

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

EntdeckenFrage

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

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

Auflösung

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

MerkenSynapse und Stoffeinwirkung

Die Synapse übersetzt ein elektrisches Signal in ein chemisches.

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

BeispielSynapse und Stoffeinwirkung

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

AchtungSynapse als elektrische Brücke gedacht

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

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

ÜbenJetzt du

  1. ○22
    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
    Wo wird Acetylcholin in der Präsynapse bis zur Ausschüttung aufbewahrt? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Acetylcholin wird im Endknöpfchen gebildet.
    2. Es wird in kleine Membranbläschen gefüllt.
    3. Bei Erregung werden diese Vesikel per Exocytose entleert.
    Ergebnis:
    In synaptischen Vesikeln im Endknöpfchen.
  3. ★24
    Wie heißt die Membran der Nervenzelle, die den Transmitter ausschüttet? Begründe die Wahl.
    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.

Vermischte Übungen

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

Üben

  1. ●25
    Wie unterscheidet sich die Zellwand einer Pflanzenzelle von der Zellmembran? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Die Zellwand besteht vor allem aus Cellulose und gibt Halt.
    2. Gelöste Teilchen und Wasser gelangen durch sie hindurch.
    3. Erst die Membran wählt aus, was in die Zelle gelangt.
    Ergebnis:
    Die Zellwand ist fest und durchlässig, die Membran flüssig und selektiv permeabel.
  2. ●26
    Zellen einer roten Zwiebel liegen in konzentrierter Salzlösung. Was beobachtet man? Begründe die Wahl.
    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.
  3. ●27
    Eine Zelle enthält nur wenige Moleküle eines Enzyms, setzt aber große Mengen Substrat um. Wie ist das möglich? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Ein Enzym wird nicht verbraucht.
    2. Ein Molekül kann tausende Substrate je Sekunde umsetzen.
    3. Deshalb reichen wenige Enzymmoleküle.
    Ergebnis:
    Jedes Enzymmolekül bleibt erhalten und setzt viele Substratmoleküle nacheinander um.
  4. ●28
    Eine Kurve der Reaktionsgeschwindigkeit über der Substratkonzentration verläuft am Ende waagerecht. Was zeigt dieser Abschnitt? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Waagerecht heißt: gleiche Geschwindigkeit trotz mehr Substrat.
    2. Alle aktiven Zentren sind besetzt.
    3. Das ist die Höchstgeschwindigkeit des Enzyms.
    Ergebnis:
    Die Sättigung: Mehr Substrat erhöht die Geschwindigkeit nicht mehr.
  5. ●29
    In welcher Form liegt ATP vor, nachdem es Energie übertragen hat? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Bei der Spaltung entstehen ADP und Phosphat.
    2. Beide bleiben in der Zelle.
    3. Mit Energie aus dem Abbau entsteht daraus wieder ATP.
    Ergebnis:
    Als ADP und Phosphat, die wieder zu ATP aufgebaut werden.
  6. ●30
    Welcher Teilschritt der Zellatmung liefert die meisten ATP? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Glykolyse und Tricarbonsäurezyklus liefern je Glucose zusammen nur 4 ATP.
    2. Die übrigen ATP stammen aus der Atmungskette.
    3. Dort treibt der Protonenrückstrom die ATP-Synthase an.
    Ergebnis:
    Die Atmungskette mit der ATP-Synthase.

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.

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
    Eine Drüsenzelle gibt Verdauungsenzyme nach außen ab. Wie geschieht das? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Durch Exocytose: Vesikel verschmelzen mit der Zellmembran.

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

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

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

    33
    Was ist der Enzym-Substrat-Komplex? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Das Enzym mit dem Substrat, das kurzzeitig im aktiven Zentrum gebunden ist.

  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
    Was geschieht bei einer Reduktion? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Ein Teilchen nimmt Elektronen auf.

  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
    Was passiert, wenn die Membran eines Axons den Schwellenwert erreicht? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Spannungsgesteuerte Natriumkanäle öffnen sich, Natrium strömt ein: Depolarisation.

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

    38
    Was löst an der Präsynapse die Ausschüttung des Transmitters aus? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Calcium-Ionen strömen ein und lassen Vesikel mit der Membran verschmelzen.

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

Die Frage vom Anfang

EntdeckenRückschau

Warum hilft Händewaschen mit Seife gegen Grippeviren?

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

Auflösung

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

Wörter

Funktion
eine Regel, die aus einer Zahl eine andere macht

Lösungen

  1. Durch Exocytose: Vesikel verschmelzen mit der Zellmembran.
  2. Der Stoff, dessen Aufnahme ausfällt, weil ohne Sauerstoff kaum ATP entsteht.
  3. Primär aktiver Transport unter Spaltung von ATP.
  4. Das Salz entzieht den Blattzellen durch Osmose Wasser; sie verlieren ihre Spannung.
  5. Diffusion von Wasser durch eine selektiv permeable Membran zur konzentrierteren Lösung.
  6. Das Meerwasser ist hypertonisch und entzieht den Zellen Wasser.
  7. Es liegt unverändert vor und kann das nächste Substrat umsetzen.
  8. Substratspezifität.
  9. Ethanol verdrängt Methanol kompetitiv, sodass kaum giftige Abbauprodukte entstehen.
  10. Waagerecht die Substratkonzentration, senkrecht die Reaktionsgeschwindigkeit.
  11. Fast alle aktiven Zentren sind besetzt; das Enzym ist gesättigt.
  12. Die Aktivität steigt wieder, denn Kälte hatte das Enzym nur verlangsamt.
  13. Ein Teilchen gibt Elektronen ab.
  14. Er nimmt am Ende der Atmungskette Elektronen auf und wird zu Wasser.
  15. Beim Bilden der neuen Bindungen der Produkte wird mehr Energie frei, als das Spalten kostet.
  16. Er ist der letzte Elektronenakzeptor der Atmungskette.
  17. Zwei Brenztraubensäuren, netto 2 ATP und 2 NADH + H⁺.
  18. In der Matrix der Mitochondrien.
  19. Das Membranpotenzial wird weniger negativ, das Innere positiver.
  20. Eine Elektrode im Zellinneren, eine außen, dazwischen ein Spannungsmessgerät.
  21. Die Gefälle bauen sich nur langsam über Leckströme ab; jedes Aktionspotenzial verschiebt nur wenige Ionen.
  22. Der Muskel bekommt kein Signal mehr und erschlafft.
  23. In synaptischen Vesikeln im Endknöpfchen.
  24. Präsynaptische Membran.
  25. Die Zellwand ist fest und durchlässig, die Membran flüssig und selektiv permeabel.
  26. Die Vakuole schrumpft, der Protoplast löst sich von der Zellwand: Plasmolyse.
  27. Jedes Enzymmolekül bleibt erhalten und setzt viele Substratmoleküle nacheinander um.
  28. Die Sättigung: Mehr Substrat erhöht die Geschwindigkeit nicht mehr.
  29. Als ADP und Phosphat, die wieder zu ATP aufgebaut werden.
  30. Die Atmungskette mit der ATP-Synthase.
  31. Durch Exocytose: Vesikel verschmelzen mit der Zellmembran.
  32. Im Zellsaft der Vakuole.
  33. Das Enzym mit dem Substrat, das kurzzeitig im aktiven Zentrum gebunden ist.
  34. Bei etwa 37 bis 40 °C; darüber fällt die Aktivität steil ab.
  35. Ein Teilchen nimmt Elektronen auf.
  36. Aus der Matrix in den Intermembranraum.
  37. Spannungsgesteuerte Natriumkanäle öffnen sich, Natrium strömt ein: Depolarisation.
  38. Calcium-Ionen strömen ein und lassen Vesikel mit der Membran verschmelzen.