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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

  • Entdecken Frage, Vorstellung, Bild
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  • Beispiel vorgerechnet, Schritt für Schritt
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○ mit Starthilfe, ● für alle, ★ zum Weiterdenken. Du wählst mindestens eine ★-Aufgabe. Du rechnest ins Heft.

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

EntdeckenFrage

Warum hilft Händewaschen mit Seife gegen Grippeviren?

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

Auflösung

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

MerkenBiomembran und Transport

Die Biomembran ist eine Lipiddoppelschicht mit beweglichen Proteinen.

Passiver Transport folgt dem Gefälle, aktiver Transport führt mit ATP dagegen.

BeispielTransport durch die Membran

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
    Wie unterscheiden sich Endocytose und Exocytose? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Endo heißt innen, exo heißt außen.
    2. Bei beiden umschließt ein Stück Membran die Stoffe als Bläschen.
    3. Endocytose nimmt auf, Exocytose gibt ab.
    Ergebnis:
    Bei der Endocytose werden Stoffe in Bläschen aufgenommen, bei der Exocytose abgegeben.
  3. ★3
    Warum können Zellen der Bauchspeicheldrüse große Mengen Insulin in Sekunden ausschütten? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Insulin ist ein großes Protein.
    2. Es wird vorab in Vesikeln gespeichert.
    3. Auf ein Signal hin verschmelzen viele Vesikel gleichzeitig mit der Membran.
    Ergebnis:
    Insulin liegt fertig in Vesikeln, die auf ein Signal hin per Exocytose verschmelzen.

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

Wie heißt eine Lösung mit höherer Konzentration gelöster Teilchen als das Zellinnere? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Hyper heißt über.
  2. Die Außenlösung hat mehr gelöste Teilchen als das Zellinnere.
  3. Die Außenlösung ist hypertonisch und entzieht der Zelle Wasser.
  1. Hyper heißt über.
  2. Die Außenlösung hat mehr gelöste Teilchen als das Zellinnere.
  3. Die Außenlösung ist hypertonisch und entzieht der Zelle Wasser.
Ergebnis:
Hypertonisch.

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 platzen Pflanzenzellen in Wasser nicht? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    In reinem Wasser nehmen auch Pflanzenzellen Wasser auf.
    Lösung zeigen
    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.
  2. ●5
    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. ★6
    Erdbeeren werden mit Zucker bestreut. Nach einer Stunde stehen sie in rotem Saft. Wie entsteht der Saft? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Auf der Oberfläche entsteht eine konzentrierte Zuckerlösung.
    2. Diese Lösung ist hypertonisch zu den Fruchtzellen.
    3. Wasser mit gelöstem Farbstoff tritt aus.
    Ergebnis:
    Der Zucker löst sich im Saftfilm; diese Lösung entzieht den Zellen osmotisch Wasser.

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

EntdeckenFrage

Warum bekamen Menschen mit Methanolvergiftung früher Alkohol als Gegenmittel?

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

Auflösung

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

MerkenEnzyme und Enzymhemmung

Enzyme senken die Aktivierungsenergie und werden nicht verbraucht.

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

BeispielEnzyme und Enzymhemmung

Ein Enzym katalysiert an seinem Substrat nur eine bestimmte Reaktion, zum Beispiel nur die Abspaltung von Wasserstoff. Welche Eigenschaft ist das? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Gefragt ist, welche Reaktion abläuft.
  2. Ein Enzym führt am Substrat nur eine Reaktionsart durch.
  3. Das heißt Wirkspezifität.
  1. Gefragt ist, welche Reaktion abläuft.
  2. Ein Enzym führt am Substrat nur eine Reaktionsart durch.
  3. Das heißt Wirkspezifität.
Ergebnis:
Wirkspezifität.

AchtungEnzym als verbrauchter Reaktionspartner

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

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

ÜbenJetzt du

  1. ○7
    Eine Zelle enthält nur wenige Moleküle eines Enzyms, setzt aber große Mengen Substrat um. Wie ist das möglich? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Ein Enzym wird nicht verbraucht.
    Lösung zeigen
    1. Ein Enzym wird nicht verbraucht.
    2. Ein Molekül kann tausende Substrate je Sekunde umsetzen.
    3. Deshalb reichen wenige Enzymmoleküle.
    Ergebnis:
    Jedes Enzymmolekül bleibt erhalten und setzt viele Substratmoleküle nacheinander um.
  2. ●8
    Wie lässt sich eine kompetitive Hemmung abschwächen? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Substrat und Hemmstoff konkurrieren.
    2. Je mehr Substrat, desto öfter gewinnt das Substrat.
    3. Die Hemmung wird schwächer.
    Ergebnis:
    Durch mehr Substrat, das den Hemmstoff aus dem aktiven Zentrum verdrängt.
  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

Wie lässt sich die Höchstgeschwindigkeit einer gesättigten Enzymreaktion weiter steigern? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. In der Sättigung sind alle aktiven Zentren besetzt.
  2. Mehr aktive Zentren gibt es nur mit mehr Enzym.
  3. Die Höchstgeschwindigkeit steigt mit der Enzymmenge.
  1. In der Sättigung sind alle aktiven Zentren besetzt.
  2. Mehr aktive Zentren gibt es nur mit mehr Enzym.
  3. Die Höchstgeschwindigkeit steigt mit der Enzymmenge.
Ergebnis:
Durch mehr Enzym, denn mehr Substrat bringt nichts mehr.

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
    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.
    So fängst du an:
    30 °C sind 10 °C mehr als 20 °C.
    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.
  2. ●11
    Was besagt die Reaktionsgeschwindigkeit-Temperatur-Regel (RGT-Regel)? Begründe die Wahl.
    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.
  3. ★12
    Taq-Polymerase stammt aus Bakterien heißer Quellen und arbeitet am besten bei etwa 72 °C. Warum eignet sie sich für Verfahren, bei denen die Probe immer wieder auf über 90 °C erhitzt wird? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Die Raumstruktur dieses Enzyms ist besonders hitzestabil.
    2. Sein Optimum liegt hoch, bei etwa 72 °C.
    3. Kurzes Erhitzen auf über 90 °C übersteht es.
    Ergebnis:
    Das Enzym denaturiert dabei kaum und übersteht viele Heizzyklen.

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

EntdeckenFrage

Wie viel ATP setzt ein Mensch an einem Tag um?

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

Auflösung

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

MerkenRedoxreaktionen und ATP

Oxidation ist Elektronenabgabe, Reduktion Elektronenaufnahme.

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

BeispielRedoxreaktionen und ATP

Was geschieht bei einer Reduktion? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Reduktion heißt Elektronenaufnahme.
  2. Das Gegenstück ist die Oxidation eines Partners.
  3. Der Partner gibt dabei die Elektronen ab.
  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.

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
    Woher stammt die Energie, die bei der Spaltung von ATP zu ADP und Phosphat frei wird? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Das Spalten einer Bindung kostet Energie.
    Lösung zeigen
    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.
  2. ●14
    Warum kann ein Muskel Glucose nicht direkt für die Bewegung nutzen? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Die Proteine der Muskelbewegung spalten ATP.
    2. Glucose liefert die Energie, um ATP zu bilden.
    3. Dazwischen liegt die Zellatmung.
    Ergebnis:
    Die Motorproteine nutzen ATP; Glucose muss erst abgebaut werden.
  3. ★15
    Das Aufbrechen einer chemischen Bindung erfordert immer Energie. Warum wird bei der Hydrolyse von ATP trotzdem Energie frei? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Spalten kostet Energie, Bilden setzt Energie frei.
    2. Bei der Hydrolyse entstehen stabilere Produkte.
    3. Die Bilanz ist negativ: Energie wird frei.
    Ergebnis:
    Beim Bilden der neuen Bindungen der Produkte wird mehr Energie frei, als das Spalten kostet.

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

EntdeckenFrage

Kommt Muskelkater von Milchsäure?

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

Auflösung

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

MerkenZellatmung mit Bilanz

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

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

BeispielTeilschritte der Zellatmung

Wo findet die Glykolyse statt? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Die Glykolyse ist der erste Schritt.
  2. Dafür braucht es keine Mitochondrien.
  3. Die Glykolyse läuft im Cytoplasma.
  1. Die Glykolyse ist der erste Schritt.
  2. Dafür braucht es keine Mitochondrien.
  3. Die Glykolyse läuft im Cytoplasma.
Ergebnis:
Im Cytoplasma der Zelle.

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
    Wohin pumpen die Proteine der Atmungskette die Protonen? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Die Pumpen sitzen in der inneren Membran.
    2. Die Pumpen befördern Protonen aus der Matrix nach außen.
    3. Im Intermembranraum entsteht ein Protonenüberschuss.
    Ergebnis:
    Aus der Matrix in den Intermembranraum.
  3. ★18
    Warum gilt der Tricarbonsäurezyklus als aerob, obwohl in ihm kein Sauerstoff reagiert? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Der Zyklus reduziert NAD⁺ und FAD.
    2. Ohne Atmungskette werden sie nicht wieder oxidiert.
    3. Ohne Sauerstoff steht der Zyklus deshalb still.
    Ergebnis:
    Er braucht NAD⁺ und FAD, die nur die Atmungskette mit Sauerstoff zurückgewinnt.

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

EntdeckenFrage

Was geht bei Multipler Sklerose im Nervensystem kaputt?

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

Auflösung

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

MerkenPotenziale und Erregungsleitung

Das Ruhepotenzial liegt bei etwa −70 mV.

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

BeispielRuhe- und Aktionspotenzial

Was bedeutet Hyperpolarisation am Ende eines Aktionspotenzials? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Nach der Repolarisation bleiben Kaliumkanäle noch kurz offen.
  2. Es strömt mehr Kalium aus als in Ruhe.
  3. Das Innere wird kurz negativer als −70 mV.
  1. Nach der Repolarisation bleiben Kaliumkanäle noch kurz offen.
  2. Es strömt mehr Kalium aus als in Ruhe.
  3. Das Innere wird kurz negativer als −70 mV.
Ergebnis:
Das Potenzial wird kurz negativer als das Ruhepotenzial.

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 misst man das Ruhepotenzial einer Nervenzelle? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Das Ruhepotenzial ist eine Spannung über die Membran.
    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.
  2. ●20
    Welche Ionen sind im Inneren einer ruhenden Nervenzelle stark angereichert? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    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.
  3. ★21
    Die Kaliumkonzentration außerhalb einer Nervenzelle wird stark erhöht. Wie ändert sich das Ruhepotenzial? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Das Kaliumgefälle nach außen wird kleiner.
    2. Weniger Kalium strömt aus.
    3. Das Innere bleibt weniger negativ: Die Zelle ist depolarisiert.
    Ergebnis:
    Es wird weniger negativ, weil weniger Kalium nach außen diffundiert.

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

EntdeckenFrage

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

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

Auflösung

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

MerkenSynapse und Stoffeinwirkung

Die Synapse übersetzt ein elektrisches Signal in ein chemisches.

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

BeispielSynapse und Stoffeinwirkung

Wie heißt die Membran der Nervenzelle, die den Transmitter ausschüttet? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Prä heißt vor, post heißt nach.
  2. Die Zelle vor dem Spalt schüttet den Transmitter aus.
  3. Deren Membran heißt präsynaptische Membran.
  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.

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
    Was ist eine neuromuskuläre Synapse? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Neuro steht für Nerv, muskulär für Muskel.
    Lösung zeigen
    1. Neuro steht für Nerv, muskulär für Muskel.
    2. Dort überträgt Acetylcholin die Erregung auf die Muskelfaser.
    3. Die Stelle heißt motorische Endplatte.
    Ergebnis:
    Die Verbindung zwischen motorischer Nervenfaser und Muskelfaser, die motorische Endplatte.
  2. ●23
    Curare blockiert die Acetylcholin-Rezeptoren an der motorischen Endplatte. Was folgt? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Curare besetzt die Rezeptoren, ohne sie zu öffnen.
    2. Acetylcholin kann nicht mehr wirken.
    3. Der Muskel bekommt kein Signal und erschlafft.
    Ergebnis:
    Die Muskeln erschlaffen: schlaffe Lähmung, auch der Atemmuskeln.
  3. ★24
    Kokain hemmt die Wiederaufnahme von Dopamin in die Präsynapse. Warum wirkt bei häufigem Konsum dieselbe Menge schwächer? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Dauerhaft viel Dopamin im Spalt reizt die Postsynapse ständig.
    2. Die Postsynapse passt sich an und verringert die Zahl der Rezeptoren.
    3. Für dieselbe Wirkung braucht es mehr: Toleranz.
    Ergebnis:
    Die Postsynapse baut Rezeptoren ab, sodass dieselbe Menge weniger bewirkt.

Vermischte Übungen

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

Üben

  1. ●25
    Wasser gelangt schnell durch Aquaporine in Nierenzellen. Welche Transportart liegt vor? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    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.
  2. ●26
    Wo liegen in der Biomembran die integralen Proteine? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Integral heißt: in die Membran eingebaut.
    2. Diese Proteine durchspannen die Lipiddoppelschicht oder stecken tief darin.
    3. Lose aufliegende Proteine heißen peripher.
    Ergebnis:
    Quer durch die Lipiddoppelschicht oder tief in sie hineinragend.
  3. ●27
    Wie beschleunigt ein Enzym eine Reaktion? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Jede Reaktion braucht eine Anstoßenergie, die Aktivierungsenergie.
    2. Im Enzym-Substrat-Komplex ist sie kleiner.
    3. Mehr Teilchen erreichen sie, die Reaktion läuft schneller.
    Ergebnis:
    Es senkt die Aktivierungsenergie der Reaktion.
  4. ●28
    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.
  5. ●29
    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.
  6. ●30
    In einer Muskelzelle werden 7 Glucosemoleküle vollständig über Glykolyse, oxidative Decarboxylierung, Tricarbonsäurezyklus und Atmungskette abgebaut. Es gilt die traditionelle Rechnung: 3 ATP je NADH + H⁺ und 2 ATP je FADH₂, zusammen 38 ATP je Glucose. Wie viele ATP entstehen insgesamt?
    Lösung zeigen
    1. Nach der traditionellen Rechnung liefert eine Glucose 38 ATP.
    2. Das umfasst alle vier Teilschritte, nicht nur die Glykolyse.
    3. 7 · 38 = 266.
    Ergebnis:
    266 ATP

Auf einen Blick

MerkenDas Wichtigste

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

AchtungBau von Membran und Zellwand falsch vorgestellt

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

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

AchtungTransportart verwechselt

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

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

AchtungSpezifität oder Hemmart verwechselt

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

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

AchtungWirkung von Temperatur und pH-Wert falsch vorgestellt

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

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

AchtungOxidation und Reduktion vertauscht

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

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

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
    Sauerstoff gelangt aus dem Blut in eine Muskelzelle. Welche Transportart liegt vor? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Einfache Diffusion entlang des Konzentrationsgefälles.

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

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

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

    33
    Warum passt nur ein bestimmtes Substrat in das aktive Zentrum eines Enzyms? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Form und Ladungen des aktiven Zentrums sind auf dieses Substrat abgestimmt.

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

    34
    Die Aktivität eines Enzyms sinkt bei 60 °C innerhalb von 10 Minuten auf 0. Danach wird auf 37 °C abgekühlt. Was ist zu erwarten? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Die Aktivität bleibt nahe 0, denn die Denaturierung ist meist nicht umkehrbar.

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

    35
    Welche Rolle spielt ATP in der Zelle? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Es überträgt Energie von abbauenden auf energieverbrauchende Vorgänge.

  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 Depolarisation an einer Nervenzelle? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Das Membranpotenzial wird weniger negativ, das Innere positiver.

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

    38
    Nervenkampfstoffe wie Sarin hemmen die Acetylcholinesterase. Was folgt an der motorischen Endplatte? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Acetylcholin bleibt im Spalt; die Muskeln sind dauererregt und verkrampfen.

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. Bei der Endocytose werden Stoffe in Bläschen aufgenommen, bei der Exocytose abgegeben.
  3. Insulin liegt fertig in Vesikeln, die auf ein Signal hin per Exocytose verschmelzen.
  4. Die feste Zellwand hält dem Innendruck stand.
  5. Die Vakuole schrumpft, der Protoplast löst sich von der Zellwand: Plasmolyse.
  6. Der Zucker löst sich im Saftfilm; diese Lösung entzieht den Zellen osmotisch Wasser.
  7. Jedes Enzymmolekül bleibt erhalten und setzt viele Substratmoleküle nacheinander um.
  8. Durch mehr Substrat, das den Hemmstoff aus dem aktiven Zentrum verdrängt.
  9. Bei viel D wird weniger D gebildet; die Kette spart Stoff und Energie.
  10. Etwa 8 bis 12 µmol je Minute.
  11. 10 °C mehr verdoppeln bis verdreifachen die Reaktionsgeschwindigkeit.
  12. Das Enzym denaturiert dabei kaum und übersteht viele Heizzyklen.
  13. Die Produkte sind energieärmer als die Ausgangsstoffe; die Differenz wird frei.
  14. Die Motorproteine nutzen ATP; Glucose muss erst abgebaut werden.
  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. Aus der Matrix in den Intermembranraum.
  18. Er braucht NAD⁺ und FAD, die nur die Atmungskette mit Sauerstoff zurückgewinnt.
  19. Eine Elektrode im Zellinneren, eine außen, dazwischen ein Spannungsmessgerät.
  20. Kalium-Ionen und große organische Anionen.
  21. Es wird weniger negativ, weil weniger Kalium nach außen diffundiert.
  22. Die Verbindung zwischen motorischer Nervenfaser und Muskelfaser, die motorische Endplatte.
  23. Die Muskeln erschlaffen: schlaffe Lähmung, auch der Atemmuskeln.
  24. Die Postsynapse baut Rezeptoren ab, sodass dieselbe Menge weniger bewirkt.
  25. Passiver Transport durch Kanalproteine, angetrieben vom Gefälle.
  26. Quer durch die Lipiddoppelschicht oder tief in sie hineinragend.
  27. Es senkt die Aktivierungsenergie der Reaktion.
  28. Bei etwa 37 bis 40 °C; darüber fällt die Aktivität steil ab.
  29. In der Matrix der Mitochondrien.
  30. 266 ATP
  31. Einfache Diffusion entlang des Konzentrationsgefälles.
  32. Die Masse nimmt ab, weil Wasser aus den Zellen in die Lösung strömt.
  33. Form und Ladungen des aktiven Zentrums sind auf dieses Substrat abgestimmt.
  34. Die Aktivität bleibt nahe 0, denn die Denaturierung ist meist nicht umkehrbar.
  35. Es überträgt Energie von abbauenden auf energieverbrauchende Vorgänge.
  36. Mehr Mitochondrien bilden mit Sauerstoff mehr ATP für den hohen Bedarf.
  37. Das Membranpotenzial wird weniger negativ, das Innere positiver.
  38. Acetylcholin bleibt im Spalt; die Muskeln sind dauererregt und verkrampfen.