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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
  • Merken kommt ins Heft
  • Beispiel vorgerechnet, Schritt für Schritt
  • Üben selbst rechnen
  • Achtung typischer Fehler
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○ mit Starthilfe, ● für alle, ★ zum Weiterdenken. Du wählst mindestens eine ★-Aufgabe. Du rechnest ins Heft.

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

EntdeckenFrage

Warum hilft Händewaschen mit Seife gegen Grippeviren?

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

Auflösung

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

MerkenBiomembran und Transport

Die Biomembran ist eine Lipiddoppelschicht mit beweglichen Proteinen.

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

BeispielTransport durch die Membran

Die Natrium-Kalium-Pumpe befördert Natrium-Ionen aus der Zelle, obwohl außen mehr Natrium ist. Welche Transportart ist das? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Die Ionen wandern gegen ihr Gefälle.
  2. Dafür ist Energie nötig.
  3. Die Pumpe spaltet selbst ATP: primär aktiver Transport.
  1. Die Ionen wandern gegen ihr Gefälle.
  2. Dafür ist Energie nötig.
  3. Die Pumpe spaltet selbst ATP: primär aktiver Transport.
Ergebnis:
Primär aktiver Transport unter Spaltung von ATP.

AchtungDiffusion als gezielte Bewegung

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

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

ÜbenJetzt du

  1. ○1
    Cholesterin gelangt mit LDL-Teilchen in die Zelle, nachdem diese an Rezeptoren gebunden haben. Wie heißt das? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Die Teilchen binden an Rezeptoren der Membran.
    Lösung zeigen
    1. Die Teilchen binden an Rezeptoren der Membran.
    2. Die Membran stülpt sich an dieser Stelle ein.
    3. Aufnahme im Bläschen nach Bindung: rezeptorvermittelte Endocytose.
    Ergebnis:
    Rezeptorvermittelte Endocytose.
  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 Gift hemmt die ATP-Bildung. Was geschieht mit den Konzentrationsgefällen von Natrium und Kalium? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Die Natrium-Kalium-Pumpe braucht ATP.
    2. Durch offene Kanäle sickern die Ionen weiter ihrem Gefälle nach.
    3. Ohne Pumpe gleichen sich die Konzentrationen langsam an.
    Ergebnis:
    Die Pumpe steht still, die Gefälle bauen sich durch Leckströme langsam ab.

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

Wo sitzt in der Zelle einer roten Zwiebel der Farbstoff, der die Plasmolyse sichtbar macht? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Der rote Farbstoff ist im Zellsaft gelöst.
  2. Der Zellsaft füllt die Vakuole.
  3. Schrumpft die Vakuole, wird die rote Fläche kleiner.
  1. Der rote Farbstoff ist im Zellsaft gelöst.
  2. Der Zellsaft füllt die Vakuole.
  3. Schrumpft die Vakuole, wird die rote Fläche kleiner.
Ergebnis:
Im Zellsaft der Vakuole.

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
    Ein Kartoffelstäbchen liegt eine Stunde in konzentrierter Salzlösung. Wie verändert sich seine Masse? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Die Salzlösung ist konzentrierter als der Zellsaft.
    Lösung zeigen
    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.
  2. ●5
    Was füllt bei der Plasmolyse den Raum zwischen Zellwand und geschrumpftem Protoplasten? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Die Zellwand ist durchlässig.
    2. Die Außenlösung strömt in den frei werdenden Raum.
    3. Nur die Membran des Protoplasten ist selektiv permeabel.
    Ergebnis:
    Die Außenlösung, denn die Zellwand ist für sie durchlässig.
  3. ★6
    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

Ein Hemmstoff bindet außerhalb des aktiven Zentrums und verändert die Form des Enzyms. Wie heißt diese Hemmung? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Der Hemmstoff bindet an einer anderen Stelle.
  2. Die Formänderung verändert auch das aktive Zentrum.
  3. Das ist eine allosterische Hemmung.
  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.

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
    Urease spaltet nur Harnstoff und keinen anderen Stoff. Welche Eigenschaft des Enzyms zeigt das? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Gefragt ist, welches Substrat das Enzym umsetzt.
    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.
  2. ●8
    Was ist das Substrat einer Enzymreaktion? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Das Substrat ist der Ausgangsstoff der Reaktion.
    2. Es bindet im aktiven Zentrum.
    3. Dort wird es zum Produkt umgesetzt.
    Ergebnis:
    Der Stoff, der im aktiven Zentrum gebunden und umgesetzt wird.
  3. ★9
    Amylase im Speichel spaltet Stärke, aber keine Cellulose, obwohl beide aus Glucose bestehen. Wie lässt sich das erklären? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Stärke und Cellulose unterscheiden sich in der Art der Bindung.
    2. Das aktive Zentrum erkennt nur die Bindung der Stärke.
    3. Das ist Substratspezifität.
    Ergebnis:
    Die Bindungen der Bausteine sind verschieden; nur die der Stärke passen ins aktive Zentrum.

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

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.
Schritt für Schritt
  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.
  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.

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.

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
    Wie lässt sich die Höchstgeschwindigkeit einer gesättigten Enzymreaktion weiter steigern? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    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.
  3. ★12
    Eine kompetitive und eine allosterische Hemmung werden im Diagramm Geschwindigkeit gegen Substratkonzentration verglichen. Woran erkennt man die kompetitive? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Kompetitive Hemmstoffe werden von viel Substrat verdrängt.
    2. Bei hoher Konzentration verschwindet die Hemmung fast.
    3. Die Kurve erreicht dieselbe Höchstgeschwindigkeit, nur später.
    Ergebnis:
    Bei sehr viel Substrat erreicht sie wieder dieselbe Höchstgeschwindigkeit.

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

Warum kann ein Muskel Glucose nicht direkt für die Bewegung nutzen? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Die Proteine der Muskelbewegung spalten ATP.
  2. Glucose liefert die Energie, um ATP zu bilden.
  3. Dazwischen liegt die Zellatmung.
  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.

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
    Wird bei der Muskelarbeit Energie verbraucht? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Energie bleibt immer erhalten.
    2. Im Muskel wird chemische Energie aus ATP umgewandelt.
    3. Es entstehen Bewegung und Wärme.
    Ergebnis:
    Nein, chemische Energie wird in Bewegungsenergie und Wärme umgewandelt.
  3. ★15
    Warum ist ein großes Protonengefälle an der inneren Mitochondrienmembran eine Form gespeicherter Energie? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Das Gefälle entsteht durch Pumpen unter Energieaufwand.
    2. Beim Rückstrom wird diese Energie wieder frei.
    3. Die ATP-Synthase wandelt sie in die Bildung von ATP um.
    Ergebnis:
    Die Protonen strömen ihrem Gefälle nach zurück und treiben dabei die ATP-Synthase an.

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

Welche Stoffe liefert der Tricarbonsäurezyklus vor allem an die Atmungskette? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  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.
  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.

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.

ÜbenJetzt du

  1. ○16
    Wie lautet die Summengleichung der Zellatmung in Worten? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Ausgangsstoffe sind Glucose und Sauerstoff.
    Lösung zeigen
    1. Ausgangsstoffe sind Glucose und Sauerstoff.
    2. Produkte sind Kohlenstoffdioxid und Wasser.
    3. Ein Teil der frei werdenden Energie landet in ATP.
    Ergebnis:
    Glucose und Sauerstoff reagieren zu Kohlenstoffdioxid und Wasser.
  2. ●17
    Was geschieht bei der oxidativen Decarboxylierung? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Decarboxylierung heißt: Kohlenstoffdioxid wird abgespalten.
    2. Oxidativ heißt: Elektronen gehen auf NAD⁺ über.
    3. Es entsteht Acetyl-Coenzym A für den Tricarbonsäurezyklus.
    Ergebnis:
    Brenztraubensäure gibt Kohlenstoffdioxid ab und wird zu Acetyl-Coenzym A; NAD⁺ wird reduziert.
  3. ★18
    Cyanid blockiert das letzte Enzym der Atmungskette. Warum stirbt eine Zelle, obwohl genug Glucose und Sauerstoff da sind? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Das letzte Enzym überträgt die Elektronen auf Sauerstoff.
    2. Ist es blockiert, staut sich die ganze Kette.
    3. Ohne Protonenpumpen fehlt der Antrieb der ATP-Synthase.
    Ergebnis:
    Die Elektronen erreichen den Sauerstoff nicht; ohne Protonengefälle entsteht kaum 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

Wodurch kommt die Repolarisation beim Aktionspotenzial zustande? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Nach etwa einer Millisekunde schließen die Natriumkanäle.
  2. Spannungsgesteuerte Kaliumkanäle öffnen sich.
  3. Kalium strömt aus, das Innere wird wieder negativ.
  1. Nach etwa einer Millisekunde schließen die Natriumkanäle.
  2. Spannungsgesteuerte Kaliumkanäle öffnen sich.
  3. Kalium strömt aus, das Innere wird wieder negativ.
Ergebnis:
Natriumkanäle schließen sich, Kaliumkanäle öffnen sich, Kalium strömt aus.

AchtungAktionspotenzial als abgestuftes Signal

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

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

ÜbenJetzt du

  1. ○19
    Welche Aufgabe hat die Natrium-Kalium-Pumpe für das Ruhepotenzial? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Die Pumpe befördert 3 Natrium-Ionen hinaus und 2 Kalium-Ionen hinein.
    Lösung zeigen
    1. Die Pumpe befördert 3 Natrium-Ionen hinaus und 2 Kalium-Ionen hinein.
    2. So bleiben die Gefälle erhalten.
    3. Das Ruhepotenzial selbst entsteht vor allem durch den Kaliumausstrom.
    Ergebnis:
    Die Pumpe hält die Konzentrationsunterschiede von Natrium und Kalium aufrecht.
  2. ●20
    Wie verläuft das Membranpotenzial bei einem Aktionspotenzial? Begründe die Wahl.
    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.
  3. ★21
    Bei einer Messung steigt die Spannung nach einem Reiz auf −60 mV und fällt dann ohne Aktionspotenzial zurück. Wie ist das zu deuten? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Eine kleine Depolarisation ohne Spitze ist kein Aktionspotenzial.
    2. Die Schwelle liegt bei etwa −50 mV.
    3. Unterschwellige Reize klingen ab.
    Ergebnis:
    Der Reiz war unterschwellig; die Schwelle bei etwa −50 mV wurde nicht erreicht.

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

Botulinumtoxin verhindert die Ausschüttung von Acetylcholin. Wie wirkt es auf den Muskel? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Ohne Ausschüttung gelangt kein Acetylcholin in den Spalt.
  2. Die Rezeptoren der Endplatte bleiben geschlossen.
  3. Der Muskel erschlafft.
  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.

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
    Wie gelangt die Erregung über den synaptischen Spalt? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Am Spalt endet das elektrische Signal.
    Lösung zeigen
    1. Am Spalt endet das elektrische Signal.
    2. Die Vesikel geben Transmitter in den Spalt ab.
    3. Die Transmitter diffundieren zur Postsynapse.
    Ergebnis:
    Chemisch: Transmittermoleküle diffundieren zur Postsynapse.
  2. ●23
    Wovon hängt die Höhe eines EPSP an einer Synapse ab? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Alle Aktionspotenziale sind gleich hoch.
    2. Mehr Aktionspotenziale je Sekunde setzen mehr Transmitter frei.
    3. Mehr Transmitter öffnet mehr Kanäle; das EPSP wird größer.
    Ergebnis:
    Von der Menge des ausgeschütteten Transmitters, also von der Frequenz der Aktionspotenziale.
  3. ★24
    Bei Myasthenia gravis zerstören Antikörper Acetylcholin-Rezeptoren der motorischen Endplatte. Warum helfen Hemmstoffe der Acetylcholinesterase? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Weniger Rezeptoren bedeuten ein schwächeres Signal.
    2. Ohne Abbau bleibt Acetylcholin länger wirksam.
    3. Die verbliebenen Rezeptoren werden öfter geöffnet.
    Ergebnis:
    Acetylcholin bleibt länger im Spalt und erreicht die übrigen Rezeptoren öfter.

Vermischte Übungen

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

Üben

  1. ●25
    Kohlenstoffdioxid verlässt eine arbeitende Muskelzelle in Richtung Blut. Welche Transportart liegt vor? Begründe die Wahl.
    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. ●26
    Was bedeutet „selektiv permeabel“ bei einer Biomembran? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Selektiv heißt auswählend, permeabel heißt durchlässig.
    2. Die Auswahl ergibt sich aus Größe, Ladung und Proteinen der Membran.
    3. Die Membran entscheidet nicht nach Bedarf.
    Ergebnis:
    Die Membran lässt manche Teilchen frei durch, andere nur mit Proteinen oder gar nicht.
  3. ●27
    Rote Blutzellen kommen in destilliertes Wasser. Was geschieht? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Im Zellinneren sind mehr gelöste Teilchen als im Wasser.
    2. Wasser strömt netto hinein.
    3. Ohne Zellwand platzen die Zellen.
    Ergebnis:
    Wasser strömt ein, die Zellen schwellen an und platzen.
  4. ●28
    Woraus bestehen die meisten Enzyme? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Enzyme sind fast immer Proteine.
    2. Die Raumstruktur bildet das aktive Zentrum.
    3. Ändert sich die Raumstruktur, geht die Wirkung verloren.
    Ergebnis:
    Aus Proteinen mit einer bestimmten Raumstruktur.
  5. ●29
    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.
  6. ●30
    Nur etwa 30 bis 40 Prozent der Energie aus Glucose landen in ATP. Wo bleibt der Rest? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Energie bleibt erhalten.
    2. Ein Teil wird bei jeder Umwandlung zu Wärme.
    3. Wärme ist für die Zelle kaum noch nutzbar: Energieentwertung.
    Ergebnis:
    Er wird als Wärme frei; das nennt man Energieentwertung.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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
    Kohlenstoffdioxid verlässt eine arbeitende Muskelzelle in Richtung Blut. Welche Transportart liegt vor? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Einfache Diffusion, denn in der Zelle ist mehr Kohlenstoffdioxid als im Blut.

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

    32
    Warum platzen Pflanzenzellen in Wasser nicht? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Die feste Zellwand hält dem Innendruck stand.

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

    33
    Was ist das Substrat einer Enzymreaktion? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Der Stoff, der im aktiven Zentrum gebunden und umgesetzt wird.

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

    34
    Ein Enzym wird nach einer Stunde bei 0 °C auf 37 °C erwärmt. Was zeigt die Messung? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Die Aktivität steigt wieder, denn Kälte hatte das Enzym nur verlangsamt.

  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
    Woher stammt der Kohlenstoff im ausgeatmeten Kohlenstoffdioxid? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Aus den abgebauten Nährstoffen, zum Beispiel aus Glucose.

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

    37
    Was besagt das Alles-oder-nichts-Gesetz? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Ein Aktionspotenzial entsteht ganz oder gar nicht und ist immer gleich hoch.

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

    38
    Wozu dient die Acetylcholinesterase im synaptischen Spalt? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Das Enzym spaltet Acetylcholin und beendet so die Erregung.

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. Rezeptorvermittelte Endocytose.
  2. Bis innen und außen gleich viel ist; dann wandern gleich viele Teilchen hin wie her.
  3. Die Pumpe steht still, die Gefälle bauen sich durch Leckströme langsam ab.
  4. Die Masse nimmt ab, weil Wasser aus den Zellen in die Lösung strömt.
  5. Die Außenlösung, denn die Zellwand ist für sie durchlässig.
  6. Das Meerwasser ist hypertonisch und entzieht den Zellen Wasser.
  7. Substratspezifität.
  8. Der Stoff, der im aktiven Zentrum gebunden und umgesetzt wird.
  9. Die Bindungen der Bausteine sind verschieden; nur die der Stärke passen ins aktive Zentrum.
  10. Jedes Enzym hat ein eigenes pH-Optimum, passend zu seinem Wirkort.
  11. Durch mehr Enzym, denn mehr Substrat bringt nichts mehr.
  12. Bei sehr viel Substrat erreicht sie wieder dieselbe Höchstgeschwindigkeit.
  13. Oxidationsmittel; es wird dabei selbst reduziert.
  14. Nein, chemische Energie wird in Bewegungsenergie und Wärme umgewandelt.
  15. Die Protonen strömen ihrem Gefälle nach zurück und treiben dabei die ATP-Synthase an.
  16. Glucose und Sauerstoff reagieren zu Kohlenstoffdioxid und Wasser.
  17. Brenztraubensäure gibt Kohlenstoffdioxid ab und wird zu Acetyl-Coenzym A; NAD⁺ wird reduziert.
  18. Die Elektronen erreichen den Sauerstoff nicht; ohne Protonengefälle entsteht kaum ATP.
  19. Die Pumpe hält die Konzentrationsunterschiede von Natrium und Kalium aufrecht.
  20. Von −70 auf etwa +30 mV, dann kurz unter −70 mV und zurück zum Ruhewert.
  21. Der Reiz war unterschwellig; die Schwelle bei etwa −50 mV wurde nicht erreicht.
  22. Chemisch: Transmittermoleküle diffundieren zur Postsynapse.
  23. Von der Menge des ausgeschütteten Transmitters, also von der Frequenz der Aktionspotenziale.
  24. Acetylcholin bleibt länger im Spalt und erreicht die übrigen Rezeptoren öfter.
  25. Einfache Diffusion, denn in der Zelle ist mehr Kohlenstoffdioxid als im Blut.
  26. Die Membran lässt manche Teilchen frei durch, andere nur mit Proteinen oder gar nicht.
  27. Wasser strömt ein, die Zellen schwellen an und platzen.
  28. Aus Proteinen mit einer bestimmten Raumstruktur.
  29. Fast alle aktiven Zentren sind besetzt; das Enzym ist gesättigt.
  30. Er wird als Wärme frei; das nennt man Energieentwertung.
  31. Einfache Diffusion, denn in der Zelle ist mehr Kohlenstoffdioxid als im Blut.
  32. Die feste Zellwand hält dem Innendruck stand.
  33. Der Stoff, der im aktiven Zentrum gebunden und umgesetzt wird.
  34. Die Aktivität steigt wieder, denn Kälte hatte das Enzym nur verlangsamt.
  35. Die Motorproteine nutzen ATP; Glucose muss erst abgebaut werden.
  36. Aus den abgebauten Nährstoffen, zum Beispiel aus Glucose.
  37. Ein Aktionspotenzial entsteht ganz oder gar nicht und ist immer gleich hoch.
  38. Das Enzym spaltet Acetylcholin und beendet so die Erregung.