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Biologie · Klasse 12 · Kapitel

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Stoffwechsel und Informationsverarbeitung in der Zelle

EntdeckenDie Frage zum Kapitel

Warum hilft Händewaschen mit Seife gegen Grippeviren?

Schreib eine Vermutung auf, bevor du weiterliest.

Für die Lehrkraft: Grippeviren tragen eine Hülle aus einer Lipiddoppelschicht. Seife lagert sich mit ihren fettliebenden Enden in diese Hülle ein und reißt sie auf. Ohne Hülle kann das Virus keine Zelle mehr befallen. Quelle: Lehrbuchwissen: Bau behüllter Viren und Wirkung von Tensiden auf Lipidmembranen

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○ mit Starthilfe, ● für alle, ★ zum Weiterdenken. Du wählst mindestens eine ★-Aufgabe. Du rechnest ins Heft.

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

EntdeckenFrage

Warum hilft Händewaschen mit Seife gegen Grippeviren?

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

Auflösung

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

MerkenBiomembran und Transport

Die Biomembran ist eine Lipiddoppelschicht mit beweglichen Proteinen.

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

BeispielTransport durch die Membran

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

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.

ÜbenJetzt du

  1. ○1
    Eine Drüsenzelle gibt Verdauungsenzyme nach außen ab. Wie geschieht das? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Enzyme sind große Proteine.
    Lösung zeigen
    1. Enzyme sind große Proteine.
    2. Die Enzyme liegen in Vesikeln bereit.
    3. Die Vesikel verschmelzen mit der Membran und geben den Inhalt nach außen ab.
    Ergebnis:
    Durch Exocytose: Vesikel verschmelzen mit der Zellmembran.
  2. ●2
    Wodurch unterscheidet sich aktiver von passivem Transport? Begründe die Wahl.
    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.
  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

Was ist Osmose? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Die Membran lässt Wasser durch, gelöste Teilchen kaum.
  2. Wasser diffundiert in beide Richtungen.
  3. Netto strömt mehr Wasser zur Seite mit mehr gelösten Teilchen.
  1. Die Membran lässt Wasser durch, gelöste Teilchen kaum.
  2. Wasser diffundiert in beide Richtungen.
  3. Netto strömt mehr Wasser zur Seite mit mehr gelösten Teilchen.
Ergebnis:
Diffusion von Wasser durch eine selektiv permeable Membran zur konzentrierteren Lösung.

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
    Wie heißt eine Lösung mit geringerer Konzentration gelöster Teilchen als das Zellinnere? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Hypo heißt unter.
    Lösung zeigen
    1. Hypo heißt unter.
    2. Die Außenlösung hat weniger gelöste Teilchen als das Zellinnere.
    3. Wasser strömt deshalb netto in die Zelle.
    Ergebnis:
    Hypotonisch.
  2. ●5
    Zwei Zuckerlösungen sind durch eine Membran getrennt, die nur Wasser durchlässt. Links ist eine 1-prozentige, rechts eine 5-prozentige Lösung. Wohin strömt netto Wasser? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Rechts sind mehr gelöste Teilchen.
    2. Wasser strömt netto zur Seite mit mehr gelösten Teilchen.
    3. Gerade weil Zucker nicht durchkommt, gleicht Wasser aus.
    Ergebnis:
    Nach rechts, zur 5-prozentigen Lösung.
  3. ★6
    Warum geht eine Süßwasserpflanze im Meerwasser ein, obwohl sie dort von Wasser umgeben ist? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Meerwasser enthält viele gelöste Salze.
    2. Es ist konzentrierter als der Zellsaft der Pflanze.
    3. Wasser strömt aus den Zellen; sie plasmolysieren.
    Ergebnis:
    Das Meerwasser ist hypertonisch und entzieht den Zellen Wasser.

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

EntdeckenFrage

Warum bekamen Menschen mit Methanolvergiftung früher Alkohol als Gegenmittel?

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

Auflösung

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

MerkenEnzyme und Enzymhemmung

Enzyme senken die Aktivierungsenergie und werden nicht verbraucht.

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

BeispielEnzyme und Enzymhemmung

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.

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. ○7
    Was geschieht mit einem Enzym nach der Reaktion? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Enzyme sind Biokatalysatoren.
    Lösung zeigen
    1. Enzyme sind Biokatalysatoren.
    2. Das Substrat bindet nur kurz im aktiven Zentrum.
    3. Danach liegt das Enzym unverändert vor.
    Ergebnis:
    Es liegt unverändert vor und kann das nächste Substrat umsetzen.
  2. ●8
    Ein Enzym katalysiert an seinem Substrat nur eine bestimmte Reaktion, zum Beispiel nur die Abspaltung von Wasserstoff. Welche Eigenschaft ist das? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Gefragt ist, welche Reaktion abläuft.
    2. Ein Enzym führt am Substrat nur eine Reaktionsart durch.
    3. Das heißt Wirkspezifität.
    Ergebnis:
    Wirkspezifität.
  3. ★9
    Warum passt nur ein bestimmtes Substrat in das aktive Zentrum eines Enzyms? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Das aktive Zentrum hat eine räumliche Form.
    2. Dazu kommen Ladungen, die nur zu bestimmten Gruppen passen.
    3. Nur ein passendes Substrat wird gebunden.
    Ergebnis:
    Form und Ladungen des aktiven Zentrums sind auf dieses Substrat abgestimmt.

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

Eine Kurve der Reaktionsgeschwindigkeit über der Substratkonzentration verläuft am Ende waagerecht. Was zeigt dieser Abschnitt? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Waagerecht heißt: gleiche Geschwindigkeit trotz mehr Substrat.
  2. Alle aktiven Zentren sind besetzt.
  3. Das ist die Höchstgeschwindigkeit des Enzyms.
  1. Waagerecht heißt: gleiche Geschwindigkeit trotz mehr Substrat.
  2. Alle aktiven Zentren sind besetzt.
  3. Das ist die Höchstgeschwindigkeit des Enzyms.
Ergebnis:
Die Sättigung: Mehr Substrat erhöht die Geschwindigkeit nicht mehr.

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. ○10
    Welche Achsen hat ein typisches Diagramm zur Abhängigkeit von der Substratkonzentration? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Die veränderte Größe steht auf der waagerechten Achse.
    Lösung zeigen
    1. Die veränderte Größe steht auf der waagerechten Achse.
    2. Verändert wird die Substratkonzentration.
    3. Die gemessene Wirkung, die Reaktionsgeschwindigkeit, steht senkrecht.
    Ergebnis:
    Waagerecht die Substratkonzentration, senkrecht die Reaktionsgeschwindigkeit.
  2. ●11
    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
    Wo liegt vermutlich das Temperaturoptimum der Verdauungsenzyme eines Fisches aus dem Polarmeer im Vergleich zum Menschen? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Fische haben etwa die Temperatur des Wassers.
    2. Die Enzyme des Fisches müssen bei Kälte arbeiten.
    3. Das Optimum liegt deshalb tiefer.
    Ergebnis:
    Deutlich tiefer, passend zur Wassertemperatur seines Lebensraums.

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

EntdeckenFrage

Wie viel ATP setzt ein Mensch an einem Tag um?

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

Auflösung

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

MerkenRedoxreaktionen und ATP

Oxidation ist Elektronenabgabe, Reduktion Elektronenaufnahme.

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

BeispielRedoxreaktionen und ATP

Bei der Zellatmung wird Glucose zu Kohlenstoffdioxid abgebaut. Wird Glucose dabei oxidiert oder reduziert? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Die Elektronen der Glucose gehen auf NAD⁺ und FAD über.
  2. Elektronenabgabe heißt Oxidation.
  3. Glucose wird oxidiert, Sauerstoff am Ende reduziert.
  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.

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
    Nur etwa 30 bis 40 Prozent der Energie aus Glucose landen in ATP. Wo bleibt der Rest? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Energie bleibt erhalten.
    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.
  2. ●14
    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.
  3. ★15
    Glucose und Sauerstoff reagieren auch beim Verbrennen zu Kohlenstoffdioxid und Wasser. Was unterscheidet die Zellatmung? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Ausgangsstoffe und Produkte sind gleich, also auch die Gesamtenergie.
    2. Die Zellatmung läuft in vielen enzymatischen Schritten.
    3. So wird ein Teil der Energie in ATP übertragen statt nur als Wärme frei.
    Ergebnis:
    Gleiche Gesamtbilanz, aber in Teilschritten mit Enzymen; ein Teil der Energie landet in ATP.

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 sitzen die Proteine der Atmungskette? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Die Atmungskette braucht eine Membran, um ein Protonengefälle aufzubauen.
  2. Dafür dient die innere Membran.
  3. Die Falten heißen Cristae.
  1. Die Atmungskette braucht eine Membran, um ein Protonengefälle aufzubauen.
  2. Dafür dient die innere Membran.
  3. Die Falten heißen Cristae.
Ergebnis:
In der inneren Mitochondrienmembran.

AchtungOrt oder Teilschritt der Zellatmung vertauscht

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

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

ÜbenJetzt du

  1. ○16
    Welche Aufgabe hat der Sauerstoff in der Zellatmung? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Die Elektronen wandern durch die Atmungskette.
    Lösung zeigen
    1. Die Elektronen wandern durch die Atmungskette.
    2. Am Ende nimmt Sauerstoff sie auf.
    3. Mit Protonen entsteht Wasser.
    Ergebnis:
    Er ist der letzte Elektronenakzeptor der Atmungskette.
  2. ●17
    Was entsteht in der Glykolyse aus einem Molekül Glucose? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Glucose hat sechs Kohlenstoffatome.
    2. Die Glucose wird in zwei Brenztraubensäuren mit je drei Kohlenstoffatomen gespalten.
    3. Netto entstehen 2 ATP und 2 NADH + H⁺.
    Ergebnis:
    Zwei Brenztraubensäuren, netto 2 ATP und 2 NADH + H⁺.
  3. ★18
    Wo findet die Glykolyse statt? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Die Glykolyse ist der erste Schritt.
    2. Dafür braucht es keine Mitochondrien.
    3. Die Glykolyse läuft im Cytoplasma.
    Ergebnis:
    Im Cytoplasma der Zelle.

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

EntdeckenFrage

Was geht bei Multipler Sklerose im Nervensystem kaputt?

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

Auflösung

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

MerkenPotenziale und Erregungsleitung

Das Ruhepotenzial liegt bei etwa −70 mV.

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

BeispielRuhe- und Aktionspotenzial

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

AchtungIonen, Kanäle oder Messung verwechselt

So nicht
Beim Aktionspotenzial strömt Kalium ein und Natrium aus.
So richtig
Beim Aktionspotenzial strömt zuerst Natrium ein (Depolarisation), dann Kalium aus (Repolarisation).

Schreib zuerst auf, wo welches Ion in Ruhe überwiegt: Natrium außen, Kalium innen. Offene Kanäle lassen Ionen ihrem Gefälle folgen.

ÜbenJetzt du

  1. ○19
    Warum ist das Zellinnere einer Nervenzelle in Ruhe negativ? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    In Ruhe sind vor allem Kaliumkanäle offen.
    Lösung zeigen
    1. In Ruhe sind vor allem Kaliumkanäle offen.
    2. Kalium folgt seinem Gefälle nach außen und nimmt positive Ladung mit.
    3. Die großen Anionen bleiben innen, das Innere wird negativ.
    Ergebnis:
    Kalium-Ionen diffundieren durch offene Kanäle hinaus, die Anionen bleiben zurück.
  2. ●20
    Wodurch kommt die Repolarisation beim Aktionspotenzial zustande? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    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.
  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

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

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. ○22
    Botulinumtoxin verhindert die Ausschüttung von Acetylcholin. Wie wirkt es auf den Muskel? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Ohne Ausschüttung gelangt kein Acetylcholin in den Spalt.
    Lösung zeigen
    1. Ohne Ausschüttung gelangt kein Acetylcholin in den Spalt.
    2. Die Rezeptoren der Endplatte bleiben geschlossen.
    3. Der Muskel erschlafft.
    Ergebnis:
    Der Muskel bekommt kein Signal mehr und erschlafft.
  2. ●23
    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
    Welche Aufgabe haben Kanalproteine in der Membran? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Kanalproteine bilden einen Durchgang durch die Membran.
    2. Ionen strömen hindurch, wenn der Kanal offen ist.
    3. Die Ionen folgen dabei ihrem Gefälle, ohne ATP.
    Ergebnis:
    Kanalproteine bilden wassergefüllte Poren, durch die Ionen ihrem Gefälle folgen.
  2. ●26
    Ein Kartoffelstäbchen liegt eine Stunde in konzentrierter Salzlösung. Wie verändert sich seine Masse? Begründe die Wahl.
    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.
  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
    Wohin pumpen die Proteine der Atmungskette die Protonen? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Die Pumpen sitzen in der inneren Membran.
    2. Die Pumpen befördern Protonen aus der Matrix nach außen.
    3. Im Intermembranraum entsteht ein Protonenüberschuss.
    Ergebnis:
    Aus der Matrix in den Intermembranraum.
  5. ●29
    In einer Muskelzelle werden 6 Glucosemoleküle vollständig über Glykolyse, oxidative Decarboxylierung, Tricarbonsäurezyklus und Atmungskette abgebaut. Es gilt die Schulbuchnäherung: 2,5 ATP je NADH + H⁺ und 1,5 ATP je FADH₂, zusammen etwa 32 ATP je Glucose. Wie viele ATP entstehen insgesamt?
    Lösung zeigen
    1. Nach der genannten Näherung liefert eine Glucose etwa 32 ATP.
    2. Das umfasst alle vier Teilschritte, nicht nur die Glykolyse.
    3. 6 · 32 = 192.
    Ergebnis:
    etwa 192 ATP
  6. ●30
    Warum strömen in Ruhe nicht alle Kalium-Ionen aus der Nervenzelle? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Das Konzentrationsgefälle treibt Kalium nach außen.
    2. Die negative Ladung innen zieht Kalium zurück.
    3. Beide Kräfte gleichen sich beim Ruhepotenzial aus.
    Ergebnis:
    Die wachsende negative Ladung innen zieht sie zurück; es entsteht ein Gleichgewicht.

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.

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.

AchtungEnzymdiagramm falsch gelesen

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

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

AchtungOxidation und Reduktion vertauscht

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

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

AchtungRolle des Sauerstoffs falsch vorgestellt

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

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

AchtungNur die Glykolyse bilanziert

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

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

AchtungBezug je Glucose und je Brenztraubensäure verwechselt

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

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

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.

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.

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
    Zwei Zuckerlösungen sind durch eine Membran getrennt, die nur Wasser durchlässt. Links ist eine 1-prozentige, rechts eine 5-prozentige Lösung. Wohin strömt netto Wasser? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Nach rechts, zur 5-prozentigen Lösung.

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

    33
    Ein Enzym katalysiert an seinem Substrat nur eine bestimmte Reaktion, zum Beispiel nur die Abspaltung von Wasserstoff. Welche Eigenschaft ist das? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Wirkspezifität.

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

    34
    Was besagt die Reaktionsgeschwindigkeit-Temperatur-Regel (RGT-Regel)? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    10 °C mehr verdoppeln bis verdreifachen die Reaktionsgeschwindigkeit.

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

    35
    Bei der Zellatmung wird Glucose zu Kohlenstoffdioxid abgebaut. Wird Glucose dabei oxidiert oder reduziert? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Oxidiert, denn Glucose gibt Elektronen ab.

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

    36
    Welcher Teilschritt der Zellatmung liefert die meisten ATP? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Die Atmungskette mit der ATP-Synthase.

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

    37
    Warum ist das Zellinnere einer Nervenzelle in Ruhe negativ? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Kalium-Ionen diffundieren durch offene Kanäle hinaus, die Anionen bleiben zurück.

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

    38
    Wie gelangt die Erregung über den synaptischen Spalt? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Chemisch: Transmittermoleküle diffundieren zur Postsynapse.

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

Die Frage vom Anfang

EntdeckenRückschau

Warum hilft Händewaschen mit Seife gegen Grippeviren?

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

Auflösung

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

Wörter

Funktion
eine Regel, die aus einer Zahl eine andere macht

Lösungen

  1. Durch Exocytose: Vesikel verschmelzen mit der Zellmembran.
  2. Aktiver Transport geht gegen das Gefälle und braucht Energie, passiver nicht.
  3. Die Pumpe steht still, die Gefälle bauen sich durch Leckströme langsam ab.
  4. Hypotonisch.
  5. Nach rechts, zur 5-prozentigen Lösung.
  6. Das Meerwasser ist hypertonisch und entzieht den Zellen Wasser.
  7. Es liegt unverändert vor und kann das nächste Substrat umsetzen.
  8. Wirkspezifität.
  9. Form und Ladungen des aktiven Zentrums sind auf dieses Substrat abgestimmt.
  10. Waagerecht die Substratkonzentration, senkrecht die Reaktionsgeschwindigkeit.
  11. Durch mehr Enzym, denn mehr Substrat bringt nichts mehr.
  12. Deutlich tiefer, passend zur Wassertemperatur seines Lebensraums.
  13. Er wird als Wärme frei; das nennt man Energieentwertung.
  14. Die Produkte sind energieärmer als die Ausgangsstoffe; die Differenz wird frei.
  15. Gleiche Gesamtbilanz, aber in Teilschritten mit Enzymen; ein Teil der Energie landet in ATP.
  16. Er ist der letzte Elektronenakzeptor der Atmungskette.
  17. Zwei Brenztraubensäuren, netto 2 ATP und 2 NADH + H⁺.
  18. Im Cytoplasma der Zelle.
  19. Kalium-Ionen diffundieren durch offene Kanäle hinaus, die Anionen bleiben zurück.
  20. Natriumkanäle schließen sich, Kaliumkanäle öffnen sich, Kalium strömt aus.
  21. Die Gefälle bauen sich nur langsam über Leckströme ab; jedes Aktionspotenzial verschiebt nur wenige Ionen.
  22. Der Muskel bekommt kein Signal mehr und erschlafft.
  23. 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. Kanalproteine bilden wassergefüllte Poren, durch die Ionen ihrem Gefälle folgen.
  26. Die Masse nimmt ab, weil Wasser aus den Zellen in die Lösung strömt.
  27. Es senkt die Aktivierungsenergie der Reaktion.
  28. Aus der Matrix in den Intermembranraum.
  29. etwa 192 ATP
  30. Die wachsende negative Ladung innen zieht sie zurück; es entsteht ein Gleichgewicht.
  31. Bei der Endocytose werden Stoffe in Bläschen aufgenommen, bei der Exocytose abgegeben.
  32. Nach rechts, zur 5-prozentigen Lösung.
  33. Wirkspezifität.
  34. 10 °C mehr verdoppeln bis verdreifachen die Reaktionsgeschwindigkeit.
  35. Oxidiert, denn Glucose gibt Elektronen ab.
  36. Die Atmungskette mit der ATP-Synthase.
  37. Kalium-Ionen diffundieren durch offene Kanäle hinaus, die Anionen bleiben zurück.
  38. Chemisch: Transmittermoleküle diffundieren zur Postsynapse.