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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

Eine Drüsenzelle gibt Verdauungsenzyme nach außen ab. Wie geschieht das? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  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.
  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.

AchtungDiffusion als gezielte Bewegung

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

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

ÜbenJetzt du

  1. ○1
    Kohlenstoffdioxid verlässt eine arbeitende Muskelzelle in Richtung Blut. Welche Transportart liegt vor? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Die Zellatmung bildet in der Muskelzelle ständig Kohlenstoffdioxid.
    Lösung zeigen
    1. Die Zellatmung bildet in der Muskelzelle ständig Kohlenstoffdioxid.
    2. Es ist klein und unpolar und folgt seinem Gefälle ins Blut.
    3. Das ist einfache Diffusion ohne Energie.
    Ergebnis:
    Einfache Diffusion, denn in der Zelle ist mehr Kohlenstoffdioxid als im Blut.
  2. ●2
    Wie lange läuft die Netto-Diffusion eines Stoffes in eine Zelle? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Die Teilchen bewegen sich immer weiter zufällig.
    2. Netto wandern sie, solange ein Konzentrationsunterschied besteht.
    3. Im Gleichgewicht gleichen sich Hin- und Rückweg aus.
    Ergebnis:
    Bis innen und außen gleich viel ist; dann wandern gleich viele Teilchen hin wie her.
  3. ★3
    Ein Medikament ist wasserlöslich, groß und geladen. Welcher Weg in die Zelle ist am wahrscheinlichsten? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Große geladene Teilchen lösen sich nicht in der Lipidschicht.
    2. Solche Teilchen brauchen ein Protein oder ein Bläschen.
    3. Viele Medikamente nutzen so vorhandene Transportwege.
    Ergebnis:
    Über ein passendes Trägerprotein oder per Endocytose.

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

EntdeckenFrage

Warum enthält eine Kochsalzinfusion genau 0,9 Prozent Salz?

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

Auflösung

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

MerkenDiffusion und Osmose

Osmose ist Diffusion von Wasser durch eine selektiv permeable Membran.

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

BeispielOsmose und Plasmolyse

Wie heißt eine Lösung mit geringerer Konzentration gelöster Teilchen als das Zellinnere? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Hypo heißt unter.
  2. Die Außenlösung hat weniger gelöste Teilchen als das Zellinnere.
  3. Wasser strömt deshalb netto in die Zelle.
  1. Hypo heißt unter.
  2. Die Außenlösung hat weniger gelöste Teilchen als das Zellinnere.
  3. Wasser strömt deshalb netto in die Zelle.
Ergebnis:
Hypotonisch.

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
    Was füllt bei der Plasmolyse den Raum zwischen Zellwand und geschrumpftem Protoplasten? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Die Zellwand ist durchlässig.
    Lösung zeigen
    1. Die Zellwand ist durchlässig.
    2. Die Außenlösung strömt in den frei werdenden Raum.
    3. Nur die Membran des Protoplasten ist selektiv permeabel.
    Ergebnis:
    Die Außenlösung, denn die Zellwand ist für sie durchlässig.
  2. ●5
    Ein Kartoffelstäbchen liegt eine Stunde in destilliertem Wasser. Wie verändert sich seine Masse? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Im Zellsaft sind mehr gelöste Teilchen als im destillierten Wasser.
    2. Wasser strömt netto in die Zellen.
    3. Das Stäbchen wird schwerer und fester.
    Ergebnis:
    Die Masse nimmt zu, weil Wasser in die Zellen einströmt.
  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

Eine Zelle enthält nur wenige Moleküle eines Enzyms, setzt aber große Mengen Substrat um. Wie ist das möglich? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Ein Enzym wird nicht verbraucht.
  2. Ein Molekül kann tausende Substrate je Sekunde umsetzen.
  3. Deshalb reichen wenige Enzymmoleküle.
  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.

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
    Wie lässt sich eine kompetitive Hemmung abschwächen? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Substrat und Hemmstoff konkurrieren.
    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.
  2. ●8
    Was ist der Enzym-Substrat-Komplex? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Das Substrat bindet im aktiven Zentrum.
    2. Dieser kurzlebige Zustand heißt Enzym-Substrat-Komplex.
    3. Danach zerfällt er in Enzym und Produkt.
    Ergebnis:
    Das Enzym mit dem Substrat, das kurzzeitig im aktiven Zentrum gebunden ist.
  3. ★9
    Die Phosphofructokinase der Glykolyse wird von ATP an einer eigenen Bindungsstelle gehemmt. Welchen Sinn hat das? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. ATP ist ein Endprodukt des Abbaus.
    2. Es bindet an einer eigenen Stelle und verändert die Form des Enzyms.
    3. Bei viel ATP läuft weniger Abbau: Regulation auf Enzymebene.
    Ergebnis:
    Bei viel ATP wird die Glykolyse gedrosselt: allosterische Endprodukthemmung.

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

EntdeckenFrage

Wie kommt ein Enzym aus einer heißen Quelle in jedes Labor für Erbgutanalysen?

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

Auflösung

Aus heißen Quellen im Yellowstone-Nationalpark beschrieben Forscher 1969 das Bakterium Thermus aquaticus. Seine DNA-Polymerase arbeitet bei etwa 72 °C am besten und übersteht kurzes Erhitzen auf über 90 °C. Deshalb kopiert sie in der Polymerase-Kettenreaktion DNA, ohne zu denaturieren.

MerkenEnzymaktivität im Diagramm

Jedes Enzym hat ein Temperaturoptimum und ein pH-Optimum.

Unterhalb steigt die Geschwindigkeit nach der RGT-Regel, oberhalb denaturiert das Enzym.

BeispielEnzymaktivität im Diagramm

Mit steigender Substratkonzentration steigt die Reaktionsgeschwindigkeit erst stark, dann kaum noch. Warum? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Bei wenig Substrat sind viele aktive Zentren frei.
  2. Mit mehr Substrat werden sie zunehmend besetzt.
  3. Sind alle besetzt, bringt mehr Substrat nichts mehr.
  1. Bei wenig Substrat sind viele aktive Zentren frei.
  2. Mit mehr Substrat werden sie zunehmend besetzt.
  3. Sind alle besetzt, bringt mehr Substrat nichts mehr.
Ergebnis:
Fast alle aktiven Zentren sind besetzt; das Enzym ist gesättigt.

AchtungEnzymdiagramm falsch gelesen

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

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

ÜbenJetzt du

  1. ○10
    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.
    So fängst du an:
    Die Gipfel liegen an verschiedenen Stellen.
    Lösung zeigen
    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.
  2. ●11
    Bei 20 °C setzt ein Enzym 4 µmol Substrat je Minute um. Was erwartet man nach der RGT-Regel bei 30 °C? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. 30 °C sind 10 °C mehr als 20 °C.
    2. Die Geschwindigkeit verdoppelt bis verdreifacht sich.
    3. 4 · 2 = 8 und 4 · 3 = 12.
    Ergebnis:
    Etwa 8 bis 12 µmol je Minute.
  3. ★12
    Zwischen 20 °C und 30 °C verdoppelt sich in einem Versuch die Aktivität, zwischen 40 °C und 50 °C sinkt sie auf ein Viertel. Wie ist das zu deuten? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Unterhalb des Optimums beschleunigt Wärme die Reaktion.
    2. Oberhalb denaturieren immer mehr Enzymmoleküle.
    3. Beide Wirkungen überlagern sich zur Optimumkurve.
    Ergebnis:
    Bis zum Optimum gilt die RGT-Regel, darüber überwiegt die Denaturierung.

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 Oxidation? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Oxidation heißt Elektronenabgabe.
  2. Die Reaktion mit Sauerstoff ist nur ein Sonderfall.
  3. Der Partner nimmt die Elektronen auf und wird reduziert.
  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.

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
    Wie heißt der Stoff, der in einer Redoxreaktion Elektronen aufnimmt? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Der Stoff nimmt Elektronen auf und wird reduziert.
    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.
  2. ●14
    Bei der Zellatmung wird Glucose zu Kohlenstoffdioxid abgebaut. Wird Glucose dabei oxidiert oder reduziert? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Die Elektronen der Glucose gehen auf NAD⁺ und FAD über.
    2. Elektronenabgabe heißt Oxidation.
    3. Glucose wird oxidiert, Sauerstoff am Ende reduziert.
    Ergebnis:
    Oxidiert, denn Glucose gibt Elektronen ab.
  3. ★15
    Woher stammt die Energie, die bei der Spaltung von ATP zu ADP und Phosphat frei wird? Begründe die Wahl.
    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.

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

EntdeckenFrage

Kommt Muskelkater von Milchsäure?

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

Auflösung

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

MerkenZellatmung mit Bilanz

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

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

BeispielTeilschritte der Zellatmung

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

AchtungOrt oder Teilschritt der Zellatmung vertauscht

So nicht
Die Glykolyse läuft im Mitochondrium.
So richtig
Die Glykolyse läuft im Cytoplasma; oxidative Decarboxylierung und Tricarbonsäurezyklus in der Matrix, die Atmungskette an der inneren Membran.

Ordne jeden Teilschritt einem Raum zu: Cytoplasma, Matrix oder innere Mitochondrienmembran. Jede Bilanzzahl gehört zu genau einem Schritt.

ÜbenJetzt du

  1. ○16
    Was geschieht bei der oxidativen Decarboxylierung? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Decarboxylierung heißt: Kohlenstoffdioxid wird abgespalten.
    Lösung zeigen
    1. Decarboxylierung heißt: Kohlenstoffdioxid wird abgespalten.
    2. Oxidativ heißt: Elektronen gehen auf NAD⁺ über.
    3. Es entsteht Acetyl-Coenzym A für den Tricarbonsäurezyklus.
    Ergebnis:
    Brenztraubensäure gibt Kohlenstoffdioxid ab und wird zu Acetyl-Coenzym A; NAD⁺ wird reduziert.
  2. ●17
    Woher stammt der Kohlenstoff im ausgeatmeten Kohlenstoffdioxid? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Kohlenstoffdioxid entsteht bei Decarboxylierungen.
    2. Abgespalten werden Kohlenstoffatome der Glucose.
    3. Luft liefert nur den Sauerstoff für die Atmungskette.
    Ergebnis:
    Aus den abgebauten Nährstoffen, zum Beispiel aus Glucose.
  3. ★18
    Beim Sprint fehlt den Muskelzellen Sauerstoff. Warum bilden sie dann Milchsäure aus Brenztraubensäure? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Die Glykolyse braucht NAD⁺.
    2. Ohne Atmungskette wird NADH + H⁺ nicht zurückoxidiert.
    3. Bei der Bildung von Milchsäure entsteht wieder NAD⁺.
    Ergebnis:
    So wird NAD⁺ zurückgewonnen, und die Glykolyse liefert weiter etwas ATP.

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 passiert, wenn die Membran eines Axons den Schwellenwert erreicht? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Am Schwellenwert öffnen sich viele Natriumkanäle.
  2. Natrium strömt seinem Gefälle nach ein.
  3. Das Innere wird kurz positiv.
  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.

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
    Wie groß ist das Ruhepotenzial einer Nervenzelle etwa? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Gemessen wird innen gegen außen.
    2. In Ruhe ist das Innere negativ geladen.
    3. Der Wert liegt bei etwa −70 mV.
    Ergebnis:
    Etwa −70 mV, das Zellinnere ist negativ.
  3. ★21
    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

Nikotin bindet an bestimmte Acetylcholin-Rezeptoren und öffnet sie. Wie nennt man einen solchen Stoff? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Nikotin öffnet den Rezeptor wie Acetylcholin.
  2. Ein Stoff mit gleicher Wirkung heißt Agonist.
  3. Ein Blocker wie Curare heißt Antagonist.
  1. Nikotin öffnet den Rezeptor wie Acetylcholin.
  2. Ein Stoff mit gleicher Wirkung heißt Agonist.
  3. Ein Blocker wie Curare heißt Antagonist.
Ergebnis:
Agonist: Er wirkt wie der Transmitter.

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 geschieht mit dem Cholin, nachdem Acetylcholin gespalten wurde? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Cholin ist ein wertvoller Baustein.
    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.
  2. ●23
    Warum leitet eine chemische Synapse nur in eine Richtung? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    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.
  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
    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.
  2. ●26
    Eine Gurke liegt einige Tage in starker Salzlake. Warum wird sie schrumpelig? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Die Salzlake enthält mehr gelöste Teilchen als der Zellsaft.
    2. Wasser strömt netto aus den Zellen in die Lake.
    3. Die Zellen verlieren Spannung, die Gurke schrumpelt.
    Ergebnis:
    Die Lake ist hypertonisch und entzieht den Gurkenzellen Wasser.
  3. ●27
    Ein Hemmstoff bindet außerhalb des aktiven Zentrums und verändert die Form des Enzyms. Wie heißt diese Hemmung? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Der Hemmstoff bindet an einer anderen Stelle.
    2. Die Formänderung verändert auch das aktive Zentrum.
    3. Das ist eine allosterische Hemmung.
    Ergebnis:
    Allosterische Hemmung.
  4. ●28
    Welche Stoffe liefert der Tricarbonsäurezyklus vor allem an die Atmungskette? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Im Tricarbonsäurezyklus werden Elektronen auf NAD⁺ und FAD übertragen.
    2. Es entstehen NADH + H⁺ und FADH₂.
    3. Diese Überträger geben die Elektronen an die Atmungskette ab.
    Ergebnis:
    Die reduzierten Überträger NADH + H⁺ und FADH₂.
  5. ●29
    In einer Muskelzelle werden 7 Glucosemoleküle vollständig über Glykolyse, oxidative Decarboxylierung, Tricarbonsäurezyklus und Atmungskette abgebaut. Wie viele FADH₂ entstehen insgesamt?
    Lösung zeigen
    1. FADH₂ entsteht nur im Tricarbonsäurezyklus, 1 je Brenztraubensäure.
    2. Eine Glucose ergibt zwei Brenztraubensäuren, also 2 FADH₂.
    3. 7 · 2 = 14.
    Ergebnis:
    14 FADH₂
  6. ●30
    Wozu dient die Refraktärzeit nach einem Aktionspotenzial? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Die Natriumkanäle sind nach dem Öffnen kurz inaktiviert.
    2. In dieser Zeit entsteht dort kein neues Aktionspotenzial.
    3. Die Erregung kann deshalb nicht zurücklaufen.
    Ergebnis:
    Kurz danach ist kein neues möglich; so läuft die Erregung nur in eine Richtung.

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
    Wie unterscheiden sich Endocytose und Exocytose? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Bei der Endocytose werden Stoffe in Bläschen aufgenommen, bei der Exocytose abgegeben.

  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
    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
    Eine Kurve zeigt die Aktivität eines Enzyms über dem pH-Wert. Was bedeutet der Gipfel der Kurve? Begründe die Wahl.
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    Ergebnis:
    Dort liegt das pH-Optimum: Das Enzym arbeitet am schnellsten.

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

    35
    Warum kann ein Muskel Glucose nicht direkt für die Bewegung nutzen? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Die Motorproteine nutzen ATP; Glucose muss erst abgebaut werden.

  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
    Ein schwacher und ein starker überschwelliger Reiz treffen ein Axon. Wie unterscheiden sich die Aktionspotenziale? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Nicht in der Höhe; der starke Reiz löst mehr Aktionspotenziale je Sekunde aus.

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

    38
    Curare blockiert die Acetylcholin-Rezeptoren an der motorischen Endplatte. Was folgt? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Die Muskeln erschlaffen: schlaffe Lähmung, auch der Atemmuskeln.

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

Die Frage vom Anfang

EntdeckenRückschau

Warum hilft Händewaschen mit Seife gegen Grippeviren?

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

Auflösung

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

Wörter

Funktion
eine Regel, die aus einer Zahl eine andere macht

Lösungen

  1. Einfache Diffusion, denn in der Zelle ist mehr Kohlenstoffdioxid als im Blut.
  2. Bis innen und außen gleich viel ist; dann wandern gleich viele Teilchen hin wie her.
  3. Über ein passendes Trägerprotein oder per Endocytose.
  4. Die Außenlösung, denn die Zellwand ist für sie durchlässig.
  5. Die Masse nimmt zu, weil Wasser in die Zellen einströmt.
  6. Diese Zellen sind tot; ihre Membran ist nicht mehr selektiv permeabel.
  7. Durch mehr Substrat, das den Hemmstoff aus dem aktiven Zentrum verdrängt.
  8. Das Enzym mit dem Substrat, das kurzzeitig im aktiven Zentrum gebunden ist.
  9. Bei viel ATP wird die Glykolyse gedrosselt: allosterische Endprodukthemmung.
  10. Jedes Enzym hat ein eigenes pH-Optimum, passend zu seinem Wirkort.
  11. Etwa 8 bis 12 µmol je Minute.
  12. Bis zum Optimum gilt die RGT-Regel, darüber überwiegt die Denaturierung.
  13. Oxidationsmittel; es wird dabei selbst reduziert.
  14. Oxidiert, denn Glucose gibt Elektronen ab.
  15. Die Produkte sind energieärmer als die Ausgangsstoffe; die Differenz wird frei.
  16. Brenztraubensäure gibt Kohlenstoffdioxid ab und wird zu Acetyl-Coenzym A; NAD⁺ wird reduziert.
  17. Aus den abgebauten Nährstoffen, zum Beispiel aus Glucose.
  18. So wird NAD⁺ zurückgewonnen, und die Glykolyse liefert weiter etwas ATP.
  19. Von −70 auf etwa +30 mV, dann kurz unter −70 mV und zurück zum Ruhewert.
  20. Etwa −70 mV, das Zellinnere ist negativ.
  21. Die Gefälle bauen sich nur langsam über Leckströme ab; jedes Aktionspotenzial verschiebt nur wenige Ionen.
  22. Es wird in die Präsynapse zurückgeholt und zu neuem Acetylcholin aufgebaut.
  23. Nur die Präsynapse hat Vesikel, nur die Postsynapse die passenden Rezeptoren.
  24. Kaum Transmitterausschüttung, die Postsynapse wird nicht erregt.
  25. Quer durch die Lipiddoppelschicht oder tief in sie hineinragend.
  26. Die Lake ist hypertonisch und entzieht den Gurkenzellen Wasser.
  27. Allosterische Hemmung.
  28. Die reduzierten Überträger NADH + H⁺ und FADH₂.
  29. 14 FADH₂
  30. Kurz danach ist kein neues möglich; so läuft die Erregung nur in eine Richtung.
  31. Bei der Endocytose werden Stoffe in Bläschen aufgenommen, bei der Exocytose abgegeben.
  32. Im Zellsaft der Vakuole.
  33. Das Modell der induzierten Passform.
  34. Dort liegt das pH-Optimum: Das Enzym arbeitet am schnellsten.
  35. Die Motorproteine nutzen ATP; Glucose muss erst abgebaut werden.
  36. Aus der Matrix in den Intermembranraum.
  37. Nicht in der Höhe; der starke Reiz löst mehr Aktionspotenziale je Sekunde aus.
  38. Die Muskeln erschlaffen: schlaffe Lähmung, auch der Atemmuskeln.