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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

Cholesterin gelangt mit LDL-Teilchen in die Zelle, nachdem diese an Rezeptoren gebunden haben. Wie heißt das? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  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.
  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.

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
    Wie unterscheiden sich Endocytose und Exocytose? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Endo heißt innen, exo heißt außen.
    Lösung zeigen
    1. Endo heißt innen, exo heißt außen.
    2. Bei beiden umschließt ein Stück Membran die Stoffe als Bläschen.
    3. Endocytose nimmt auf, Exocytose gibt ab.
    Ergebnis:
    Bei der Endocytose werden Stoffe in Bläschen aufgenommen, bei der Exocytose abgegeben.
  2. ●2
    Warum diffundiert ein Duftstoff in einem warmen Raum schneller? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Temperatur ist ein Maß für die Teilchenbewegung.
    2. Schnellere Teilchen verteilen sich schneller.
    3. Eine Absicht oder Richtung haben sie nicht.
    Ergebnis:
    Die Teilchen bewegen sich bei höherer Temperatur schneller ungeordnet.
  3. ★3
    Im Dünndarm nimmt ein Symporter Glucose zusammen mit Natrium-Ionen auf, auch gegen das Glucosegefälle. Warum hängt das trotzdem von ATP ab? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Natrium strömt mit seinem Gefälle in die Zelle und nimmt Glucose mit.
    2. Das Natriumgefälle baut die Pumpe unter ATP-Spaltung auf.
    3. Das ist sekundär aktiver Transport.
    Ergebnis:
    Die Natrium-Kalium-Pumpe hält mit ATP das Natriumgefälle aufrecht, das den Symport antreibt.

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

Rote Blutzellen kommen in destilliertes Wasser. Was geschieht? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Im Zellinneren sind mehr gelöste Teilchen als im Wasser.
  2. Wasser strömt netto hinein.
  3. Ohne Zellwand platzen die Zellen.
  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.

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
    Wo sitzt in der Zelle einer roten Zwiebel der Farbstoff, der die Plasmolyse sichtbar macht? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Der rote Farbstoff ist im Zellsaft gelöst.
    Lösung zeigen
    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.
  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

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 geschieht mit einem Enzym nach der Reaktion? Begründe die Wahl.
    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.
  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.

AchtungWirkung von Temperatur und pH-Wert falsch vorgestellt

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

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

ÜbenJetzt du

  1. ○10
    Ein Diagramm zeigt die Aktivität eines menschlichen Enzyms über der Temperatur. Wo liegt das Maximum typischerweise? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Menschliche Enzyme arbeiten bei Körpertemperatur.
    Lösung zeigen
    1. Menschliche Enzyme arbeiten bei Körpertemperatur.
    2. Bis dahin steigt die Aktivität mit der Temperatur.
    3. Darüber denaturieren sie, die Kurve fällt.
    Ergebnis:
    Bei etwa 37 bis 40 °C; darüber fällt die Aktivität steil ab.
  2. ●11
    Die Aktivität eines Enzyms sinkt bei 60 °C innerhalb von 10 Minuten auf 0. Danach wird auf 37 °C abgekühlt. Was ist zu erwarten? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Bei 60 °C ist das Enzym denaturiert.
    2. Die Raumstruktur bildet sich beim Abkühlen meist nicht zurück.
    3. Die Aktivität bleibt verloren.
    Ergebnis:
    Die Aktivität bleibt nahe 0, denn die Denaturierung ist meist nicht umkehrbar.
  3. ★12
    Taq-Polymerase stammt aus Bakterien heißer Quellen und arbeitet am besten bei etwa 72 °C. Warum eignet sie sich für Verfahren, bei denen die Probe immer wieder auf über 90 °C erhitzt wird? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Die Raumstruktur dieses Enzyms ist besonders hitzestabil.
    2. Sein Optimum liegt hoch, bei etwa 72 °C.
    3. Kurzes Erhitzen auf über 90 °C übersteht es.
    Ergebnis:
    Das Enzym denaturiert dabei kaum und übersteht viele Heizzyklen.

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

EntdeckenFrage

Wie viel ATP setzt ein Mensch an einem Tag um?

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

Auflösung

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

MerkenRedoxreaktionen und ATP

Oxidation ist Elektronenabgabe, Reduktion Elektronenaufnahme.

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

BeispielRedoxreaktionen und ATP

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
    Was kennzeichnet eine Redoxreaktion? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Elektronen verschwinden nicht.
    2. Was ein Stoff abgibt, nimmt ein anderer auf.
    3. Oxidation und Reduktion gehören immer zusammen.
    Ergebnis:
    Oxidation und Reduktion sind gekoppelt: Elektronen wechseln den Partner.
  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

Welche Aufgabe hat der Sauerstoff in der Zellatmung? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Die Elektronen wandern durch die Atmungskette.
  2. Am Ende nimmt Sauerstoff sie auf.
  3. Mit Protonen entsteht Wasser.
  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.

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
    Welcher Teilschritt der Zellatmung liefert die meisten ATP? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Glykolyse und Tricarbonsäurezyklus liefern je Glucose zusammen nur 4 ATP.
    Lösung zeigen
    1. Glykolyse und Tricarbonsäurezyklus liefern je Glucose zusammen nur 4 ATP.
    2. Die übrigen ATP stammen aus der Atmungskette.
    3. Dort treibt der Protonenrückstrom die ATP-Synthase an.
    Ergebnis:
    Die Atmungskette mit der ATP-Synthase.
  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
    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

Wie groß ist das Ruhepotenzial einer Nervenzelle etwa? Begründe die Wahl.
Schritt für Schritt
  1. Gemessen wird innen gegen außen.
  2. In Ruhe ist das Innere negativ geladen.
  3. Der Wert liegt bei etwa −70 mV.
  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.

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
    Wie misst man das Ruhepotenzial einer Nervenzelle? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Das Ruhepotenzial ist eine Spannung über die Membran.
    Lösung zeigen
    1. Das Ruhepotenzial ist eine Spannung über die Membran.
    2. Deshalb muss eine Elektrode innen, eine außen liegen.
    3. Zwei Elektroden außen messen in Ruhe keinen Unterschied.
    Ergebnis:
    Eine Elektrode im Zellinneren, eine außen, dazwischen ein Spannungsmessgerät.
  2. ●20
    Was bedeutet Depolarisation an einer Nervenzelle? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. In Ruhe ist das Innere negativ, die Membran ist polarisiert.
    2. Strömen positive Ionen ein, sinkt dieser Unterschied.
    3. Das heißt Depolarisation.
    Ergebnis:
    Das Membranpotenzial wird weniger negativ, das Innere positiver.
  3. ★21
    Was besagt das Alles-oder-nichts-Gesetz? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Unter dem Schwellenwert entsteht kein Aktionspotenzial.
    2. Über dem Schwellenwert entsteht ein vollständiges.
    3. Seine Höhe hängt nicht von der Reizstärke ab.
    Ergebnis:
    Ein Aktionspotenzial entsteht ganz oder gar nicht und ist immer gleich hoch.

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.

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.

ÜbenJetzt du

  1. ○22
    Nervenkampfstoffe wie Sarin hemmen die Acetylcholinesterase. Was folgt an der motorischen Endplatte? Begründe die Wahl.
    So fängst du an:
    Ohne Esterase wird Acetylcholin nicht abgebaut.
    Lösung zeigen
    1. Ohne Esterase wird Acetylcholin nicht abgebaut.
    2. Die Rezeptoren bleiben offen.
    3. Der Muskel wird dauernd erregt und verkrampft.
    Ergebnis:
    Acetylcholin bleibt im Spalt; die Muskeln sind dauererregt und verkrampfen.
  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
    Antidepressiva vom Typ der Serotonin-Wiederaufnahmehemmer blockieren den Rücktransport von Serotonin in die Präsynapse. Was folgt im Spalt? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Normalerweise holt die Präsynapse Serotonin zurück.
    2. Ist das blockiert, bleibt mehr Serotonin im Spalt.
    3. Die Wirkung an der Postsynapse hält länger an.
    Ergebnis:
    Serotonin bleibt länger im Spalt und wirkt länger auf die Rezeptoren.

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
    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.
  3. ●27
    Was ist Osmose? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Die Membran lässt Wasser durch, gelöste Teilchen kaum.
    2. Wasser diffundiert in beide Richtungen.
    3. Netto strömt mehr Wasser zur Seite mit mehr gelösten Teilchen.
    Ergebnis:
    Diffusion von Wasser durch eine selektiv permeable Membran zur konzentrierteren Lösung.
  4. ●28
    Ein Hemmstoff ähnelt dem Substrat und besetzt das aktive Zentrum. Wie heißt diese Hemmung? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. Hemmstoff und Substrat konkurrieren um dieselbe Stelle.
    2. Konkurrenz heißt auf Lateinisch competitio.
    3. Es ist eine kompetitive Hemmung.
    Ergebnis:
    Kompetitive Hemmung.
  5. ●29
    Welche Achsen hat ein typisches Diagramm zur Abhängigkeit von der Substratkonzentration? Begründe die Wahl.
    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.
  6. ●30
    Wie wird ATP in der Zelle wieder aufgebaut? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    1. ATP wird ständig gespalten.
    2. Aus ADP und Phosphat wird es neu gebildet.
    3. Die Energie dafür liefert der Abbau von Glucose und Fetten.
    Ergebnis:
    Aus ADP und Phosphat, mit Energie aus dem Abbau von Nährstoffen.

Auf einen Blick

MerkenDas Wichtigste

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

AchtungBau von Membran und Zellwand falsch vorgestellt

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

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

AchtungTransportart verwechselt

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

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

AchtungSpezifität oder Hemmart verwechselt

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

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

AchtungEnzymdiagramm falsch gelesen

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

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

AchtungOxidation und Reduktion vertauscht

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

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

AchtungRolle des Sauerstoffs falsch vorgestellt

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

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

AchtungNur die Glykolyse bilanziert

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

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

AchtungBezug je Glucose und je Brenztraubensäure verwechselt

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

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

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.

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.

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
    Cholesterin gelangt mit LDL-Teilchen in die Zelle, nachdem diese an Rezeptoren gebunden haben. Wie heißt das? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Rezeptorvermittelte Endocytose.

  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
    Blei-Ionen binden fest an ein Enzym und verändern dauerhaft seine Raumstruktur. Was folgt daraus? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Das Enzym bleibt gehemmt; auch mehr Substrat hilft nicht.

  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.
    Lösung zeigen
    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
    Was geschieht bei einer Oxidation? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Ein Teilchen gibt Elektronen ab.

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

    36
    Was geschieht bei der oxidativen Decarboxylierung? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Brenztraubensäure gibt Kohlenstoffdioxid ab und wird zu Acetyl-Coenzym A; NAD⁺ wird reduziert.

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

    37
    Warum strömen in Ruhe nicht alle Kalium-Ionen aus der Nervenzelle? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Die wachsende negative Ladung innen zieht sie zurück; es entsteht ein Gleichgewicht.

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

    38
    Wo wird Acetylcholin in der Präsynapse bis zur Ausschüttung aufbewahrt? Begründe die Wahl.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    In synaptischen Vesikeln im Endknöpfchen.

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. Bei der Endocytose werden Stoffe in Bläschen aufgenommen, bei der Exocytose abgegeben.
  2. Die Teilchen bewegen sich bei höherer Temperatur schneller ungeordnet.
  3. Die Natrium-Kalium-Pumpe hält mit ATP das Natriumgefälle aufrecht, das den Symport antreibt.
  4. Im Zellsaft der Vakuole.
  5. Nach rechts, zur 5-prozentigen Lösung.
  6. Das Meerwasser ist hypertonisch und entzieht den Zellen Wasser.
  7. Durch mehr Substrat, das den Hemmstoff aus dem aktiven Zentrum verdrängt.
  8. Es liegt unverändert vor und kann das nächste Substrat umsetzen.
  9. Die Bindungen der Bausteine sind verschieden; nur die der Stärke passen ins aktive Zentrum.
  10. Bei etwa 37 bis 40 °C; darüber fällt die Aktivität steil ab.
  11. Die Aktivität bleibt nahe 0, denn die Denaturierung ist meist nicht umkehrbar.
  12. Das Enzym denaturiert dabei kaum und übersteht viele Heizzyklen.
  13. Oxidationsmittel; es wird dabei selbst reduziert.
  14. Oxidation und Reduktion sind gekoppelt: Elektronen wechseln den Partner.
  15. Gleiche Gesamtbilanz, aber in Teilschritten mit Enzymen; ein Teil der Energie landet in ATP.
  16. Die Atmungskette mit der ATP-Synthase.
  17. Zwei Brenztraubensäuren, netto 2 ATP und 2 NADH + H⁺.
  18. Die Elektronen erreichen den Sauerstoff nicht; ohne Protonengefälle entsteht kaum ATP.
  19. Eine Elektrode im Zellinneren, eine außen, dazwischen ein Spannungsmessgerät.
  20. Das Membranpotenzial wird weniger negativ, das Innere positiver.
  21. Ein Aktionspotenzial entsteht ganz oder gar nicht und ist immer gleich hoch.
  22. Acetylcholin bleibt im Spalt; die Muskeln sind dauererregt und verkrampfen.
  23. Von der Menge des ausgeschütteten Transmitters, also von der Frequenz der Aktionspotenziale.
  24. Serotonin bleibt länger im Spalt und wirkt länger auf die Rezeptoren.
  25. Einfache Diffusion, denn in der Zelle ist mehr Kohlenstoffdioxid als im Blut.
  26. Kanalproteine bilden wassergefüllte Poren, durch die Ionen ihrem Gefälle folgen.
  27. Diffusion von Wasser durch eine selektiv permeable Membran zur konzentrierteren Lösung.
  28. Kompetitive Hemmung.
  29. Waagerecht die Substratkonzentration, senkrecht die Reaktionsgeschwindigkeit.
  30. Aus ADP und Phosphat, mit Energie aus dem Abbau von Nährstoffen.
  31. Rezeptorvermittelte Endocytose.
  32. Nach rechts, zur 5-prozentigen Lösung.
  33. Das Enzym bleibt gehemmt; auch mehr Substrat hilft nicht.
  34. Dort liegt das pH-Optimum: Das Enzym arbeitet am schnellsten.
  35. Ein Teilchen gibt Elektronen ab.
  36. Brenztraubensäure gibt Kohlenstoffdioxid ab und wird zu Acetyl-Coenzym A; NAD⁺ wird reduziert.
  37. Die wachsende negative Ladung innen zieht sie zurück; es entsteht ein Gleichgewicht.
  38. In synaptischen Vesikeln im Endknöpfchen.