DO01045451 Loesungen S001 020 - asset.klett.de · 3 Inhalt Inhalt Arbeitsmethoden in der Biologie 4 1 Zellforschung 6 1. 1 Zellen werden untersucht 6 1. 2 Die Funktion des Zellkerns

NATURAEinführungsphase

bearbeitet von

Horst BickelInga BokelmannMirko Schäfer

Ernst Klett Verlag Stuttgart · Leipzig

Lösungen

DO01045451_Loesungen_S001_020.indd 1 28.05.2014 09:16:27

1. Auflage 1 5 4 3 2 1

| 18 17 16 15 14Alle Drucke dieser Auflage sind unverändert und können im Unterricht nebeneinander verwendet werden. Die letzte Zahl bezeichnet das Jahr des Druckes.

Das Werk und seine Teile sind urheberrechtlich geschützt. Jede Nutzung in anderen als den gesetzlich zugelassenen Fällen bedarf der vorherigen schriftlichen Einwilligung des Verlages. Hinweis § 52 a UrhG: Weder das Werk noch seine Teile dürfen ohne eine solche Einwilligung eingescannt und in ein Netzwerk eingestellt werden. Dies gilt auch für Intranets von Schulen und sonstigen Bildungseinrichtungen. Fotomechanische oder andere Wiedergabeverfahren nur mit Genehmigung des Verlages.

© Ernst Klett Verlag GmbH, Stuttgart 2014. Alle Rechte vorbehalten. www.klett.de

Redaktion: Rolf StreckerMediengestaltung: Ingrid Walter

A15150-04545101


3 Inhalt

Inhalt

Arbeitsmethoden in der Biologie 4

1 Zellforschung 61. 1 Zellen werden untersucht 61. 2 Die Funktion des Zellkerns wird erforscht 91. 3 Die Zellmembran — ein Modell entwickelt sich 12

2 Energiestoffwechsel 212. 1 Bau und Funktion von Enzymen 212. 2 Energieumsatz 27

Basiskonzepte 42


4 Methoden

Methoden:WieforschenBiologen?(Seite5)

A1 Erklären Sie, weshalb eine naturwissenschaftliche Fragestellung nur über Experimente beantwortet werden kann.

– BeobachtetebiologischePhänomeneführenzuwissenschaftlichenFragestellungen,wenndieHintergründeundZusammenhängeaufgeklärtwerdensollen.ÜberlegungenausunserenErfahrungenundVorwissenführenjedochnichtzueinerLösungdieserFragestellung,sondernzuverschiedenenHypothesen.ErstexperimentelleUntersuchungenzudenbeobachtetenPhänomenenführenzuDatenmitdenendieHypothesengefestigtoderwiderlegtwerden.IndenExperimentedarf,umeindeutigzusein,daherjeweilsnureinenFaktorausdenHypothesengeändertwerden.

Methoden:WiewertetmanwissenschaftlicheDatenaus?(Seite6/7)

A1 Beschreiben Sie nach den aufgeführten Regeln den Kurvenverlauf in Abb. 1.– IndemDiagrammistdieIndividuenzahleinerregelmäßiggefüttertenWasserfloh-Populationin

AbhängigkeitvonderZeitinTagenbeieinerTemperaturvon18°Cdargestellt.DasDiagrammzeigteinbegrenztesWachstummiteinemsigmoidenKurvenverlaufderWasserfloh-Population.DieIndividuenanzahlderWasserflöhebeträgtam10.Tagca.5.BeileichtenSchwankungeninderPopulationsgrößesteigtdieAnzahlderWasserflöhebiszum45.Tagaufca.30Indivi-duen.Abdem45.Tagisteinnahezulinearer,steilerAnstieginderIndividuen-PopulationderWasserflöheaufca.200Individuenbiszum62.Tagzubeobachten.AnschließendschwanktdiePopulationleichtumeinenWertvonca.180IndividuenbiszumEndederUntersuchungam110.Tag.

A2 Erklären Sie die Schwierigkeiten, die auftreten, wenn man anstelle der zwei getrennten y-Achsen eine y-Achse verwendet.

– DieIndividuenanzahlderHasenistwesentlichgrößeralsdieAnzahlderLuchse.Würdemaneiney-Achseverwenden,würdeesProblemeinderAuswahlderAchsenskalierunggeben:Orien-tiertmansichanderPopulationderHasen,wärenVeränderungeninderPopulationderLuchsekaumindemDiagrammerkennbar,sodasseineDeutungdesDiagrammskaummöglichwäre.

A3 Deuten Sie das Diagramm in Abb. 3.– DieMaximaderLuchspopulationfolgenzeitversetztdenMaximaderHasenpopulation.Luchse

ernährensichvonSchneeschuhhasen.JegrößerdiePopulationderSchneeschuhhasenist,destogrößersinddieÜberlebenschancenderLuchsesowiederenGeburtenrate.DiePopulationderLuchsesteigtzeitverzögert.DurcheineerhöhteLuchspopulationsteigtdieSterberatederHasen,ihrePopulationwirdzunehmendkleiner.AufgrunddesNahrungsmangelssinktdieLuchspopulationwiederzeitversetztzurHasenpopulation.ImDiagrammistdiesz.B.indenJahren1922und1923zuerkennen:ImJahr1922wiesdieHasenpopulationeinMinimumauf,imJahr1923folgtdasMinimumderLuchspopulation.

A4 Wählen Sie den geeigneten Diagrammtyp für die folgenden Sachverhalte aus. Begründen Sie Ihre Entscheidung.a) Anzahl verstorbener Personen in Abhängigkeit vom Zigarettenkonsumb) Anteile verschiedener Nahrungsmittel an der Gesamternährung einer Personc) Biomasseproduktion in verschiedenen Ökosystemend) Abhängigkeit der Fotosyntheserate von der Temperatur

– a) PunktdiagrammoderBalkendiagramm:BeieinerkontinuierlichenDarstellungdesZigaret- tenkonsumswürdesicheinPunktdiagrammanbieten.WerdenGruppierungengewählt,wie z.B.5bis10ZigarettenproTag,istdasVerwendeneinesBalkendiagrammssinnvoll.b) KreisdiagrammoderStapeldiagramm:EssollenAnteileverschiedenerGruppenaneiner Gesamtheitdargestelltwerden.c) BalkendiagrammoderSäulendiagramm:EshandeltsichbeidenÖkosystemenumver- schiedeneBezugsgrößen,diegetrenntvoneinanderbetrachtetwerdenmüssen.Esgibtkeine stufenlosex-Achse.d) Kurvendiagramm:DieBeziehungzweierGrößenzueinanderist(zumindesttheoretisch)bei einerkontinuierlichenMessungmitjedervorstellbarenZwischengrößezugänglich.

Arbeitsmethoden in der Biologie


5 Methoden

Methoden:WelcheBedeutunghabenModelle?(Seite8/9)

A1 Erklären Sie anhand von Abb. 4a und 4b, wie sich ein Modell verändert und worauf dies zurückzuführen ist.

– ModelleentstehendurchErgebnissewissenschaftlicherUntersuchungen.DurchneueUntersu-chungsmethodenkönnenzusätzlicheErgebnissedieModelleverfeinern.AuchdurcheinegroßeAnzahlvonUntersuchungsergebnissenundderenZusammenführungwirdeineVerfeinerungderModellvorstellungerreicht.

A2 Erläutern Sie an konkreten Beispielen, wie man Modelle für den eigenen Lernvorgang oder zur Verbesserung von Referaten nutzen kann.

– ModelletragenzueinembesserenVerständniskomplexerVorgängeoderAbbildungenbei,dasiewesentlicheAspekteherausstellenundvereinfachen.MankannsiefüreinbesseresLernver-ständniseinsetzen,dasiegegenüberTextenoderGleichungenanschaulichersindunddurchdieVereinfachungdasVerständniserleichtern.

A3 Beschreiben Sie die Abb. 7.– InderGrafikistaufderx-AchsedieZeitinMinutenundaufdery-AchsediemaximaleEnzym-

aktivitätin%aufgetragen.BeieinerTemperaturvon38°CliegtdieAktivitätüberdengesamtenMesszeitraumbei100%.BeieinerTemperaturvonvon65°CsinktdieAktivitätinnerhalbvon10minsehrschnellauf0%ab.

A4 Erläutern Sie den Kurvenverlauf mithilfe des Modells in Abb. 8.– MithilfedesModellslässtsichderKurvenverlaufveranschaulichen,dadurchdiehöhereTem-

peraturdieFormdesEnzymsverändertwirdunddasaktiveZentrumdadurchverändertwird,sodassdasSubstratnichtmehrpasst.DerWertsinktdadurchinnerhalbvon10min,daabdannkeinfunktionsfähigesEnzymmehrvorliegt.

A5 Erläutern Sie alternative Modelle zu dem Kurvenverlauf.– AlternativeModellekönnenvonanderenFormendesEnzymsausgehenodervonderAnnahme,

dassdasSubstratsichändertundnichtmehrindasaktiveZentrumpasst.DieswäreaucheinezweiteHypothese,dieüberprüftwerdenmüsste.

A6 Beschreiben Sie das Bewegungsmuster eines Proteins und erläutern Sie, wie es zu einem Muster kommen kann.

– DasAuffälligeandenBewegungsmusternist,dasssieeineungerichteteBewegungeinesinte-gralenProteinsinalleRichtungendarstellen.GleichzeitiggehendieseMusterjeweilsnurüberkleineRäume,bevorsiesprunghaftineinenweiterenabgegrenztenRaumübergehen.

A7 Erläutern Sie anhand der Abb. 10, welche Änderungen in dem erweiterten Modell in Abb. 11 gegenüber dem ursprünglichen Fluid-Mosaikmembran-Modell vorgenommen wurden.

– InderursprünglichenModellvorstellungwareineoffeneungehinderteBewegungintegralerProteineinderMembranmöglich.DieseVorstellungwurdedurchdieneuenBewegungsmustereingeschränkt.DieslässtsichdurchdasunterhalbderMembranliegendeCytoskeletterklären.Membranproteine,welchediegesamteMembrandurchdringen,werdeninihrerBewegungdurchdieStrukturendesCytoskelettseingeschränkt.

A8 Erläutern Sie, welche Grenzen das Fluid-Mosaikmembran-Modell zur Erklärung von Phäno-menen hat und welche Vorteile das erweiterte Modell bietet.

– DasFluid-Mosaikmembran-ModellermöglichtdieVorstellungdersichständigveränderbarenZellmembran.DiesistjedochnichtbeiallenZellensinnvoll,daz.B.beiDarmzellenbestimmteMembrankanälenuraufderDarmzugewandtenSeiteeineBedeutunghaben.DurchBewe-gungseinschränkungenwirdeinVerbleibderKanäleineinembestimmtenBereichermöglicht.HierdurchkönnenunterschiedlichspezifischeBereicheinderMembranerklärtwerden.


6 Zellforschung

LebewesenbestehenundentstehenausZellen(Seite13)

A1 $ Vergleichen Sie die Vorstellungen zu den Animalcules mit denen zur Entstehung von Mäusen und erläutern Sie unter diesem Aspekt die Bedeutung der Experimente von Redi und Pasteur.

– DieVorstellungderEntstehungvonAnimalculessindmitderVorstellungzurEntstehungvonMäusenvergleichbar,auchwennSiewesentlichkleinersind.DiefehlendenExperimentezurUntersuchungderAussagenführteninbeidenFällenzudenFehlvorstellungen.DieExperimentevonRediundPasteuR,diezueinerverändertenErklärungderVorgängeführten,warenähnlich,dasienachwiesen,dassnurdort,wobereitsLebenvorhandenwar,Lebewesennachzuweisensind.

A2 $ Beschreiben Sie Abb. 3 und erläutern Sie unter dem Aspekt der Zelltheorie die Aussage der Abbildung.

– DermenschlicheKörperbestehtausOrganenundGeweben,diewiederumausZellenbestehen.AlleverschiedenenGewebebestehenausZellen.DiesistdieAussagederZelltheorie:AlleLebe-wesenbestehenausZellenundZellensinddieGrundbausteinedesLebens.Dadurchkannmanüberlegen,dassalleProzesseinunseremKörperinZellenablaufen.

A3 $ Erklären Sie anhand der Texte auf Seite 4, was eine naturwissenschaftliche Fragestellung ist, und beziehen Sie diese Aussage auf die Zelltheorie.

– EinenaturwissenschaftlicheFragestellungunterscheidetsichvonanderenFragestellungendadurch,dasssiedurchUntersuchungenoderExperimentebeantwortetwird.SiebeantwortetnaturwissenschaftlicheVorgänge.

Licht-undFluoreszenzmikroskopie(Seite15)

A1 $ Beschreiben Sie die Vorteile der Fluoreszenzmikroskopie im Vergleich zur herkömmlichen Lichtmikroskopie.

– SpezifischeStrukturenkönnengenaulokalisiertundvonanderenStrukturenabgegrenztwer-den.EssindmitdemSTED-VerfahrensehrhoheAuflösungenmöglich(Proteinebene).ZudemkönnendieUntersuchungeninlebendenZellendurchgeführtwerden.

A2 0 Das menschliche Haar hat einen Durchmesser von ca. 0,1 mm. Bei Roten Blutzellen des Menschen beträgt der Durchmesser ca. 8 µm. Berechnen Sie, wie viele Rote Blutzellen neben-einander gereiht den Durchmesser des Haares ergeben.

– 0,1mmentsprechen10000µm;10000µm:8µm=1250Erythrocyten;1250RoteBlutkörperchenaneinandergereihtergebendieDickeeinesmenschlichesHaaresvon0,1mm.

Praktikum:HerstellungvonmikroskopischenPräparaten(Seite16/17)

A8 Mikroskopieren Sie bei mittlerer Vergrößerung das Zwiebelhäutchen. Verschaffen Sie sich einen Überblick über die Gestalt und die Lage der Zellen. Fertigen Sie eine Umrissskizze von 4 bis 5 aneinanderliegenden Zellen an.

– DieSkizzesolltezeigen,wiedieZellwändebenachbarterZellenjeweilsaufeinanderstoßen.„Kreuzungen“solltenvermiedenwerden.

A9 Bringen Sie eine in Details gut erkennbare Zelle in die Gesichtsfeldmitte und untersuchen Sie diese mit dem nächstgrößeren Objektiv (40 x). Welche Einzelheiten sind zu erkennen? Ferti-gen Sie von dieser Zelle eine möglichst genaue Skizze an (Größe auf dem Papier mindestens 10 cm). Achten Sie auf die richtigen Größenverhältnisse von Zelle und Zellbestandteilen.

– Essollteunbedingtdaraufgeachtetwerden,dassdieskizzierteZellegroßgenugangelegtwird,umdieEinzelheitenmithinreichenderGenauigkeitdarstellenzukönnen.InderRegelsinddieMittellamellenundTüpfelrechtguterkennbar,währenddasCytoplasmahäufigSchwierig-keitenbereitet.DerHinweisdarauf,dieBlendeetwaszuschließenunddie„Zellenden“genauerzubetrachten,istofthilfreich,daderCytoplasmabelagdortdickerist.DerZellkernmitseinenNucleoliistmeistalsetwaskontrastreichereStrukturzuerkennen.Zell-undTonoplastenmem-bransindnichtdirektsichtbar.SiemüssenmithilfeandererMethodenerarbeitetwerden.

A10 Mikroskopieren Sie das ungefärbte und das gefärbte Präparat und vergleichen Sie. Fertigen Sie anschließend vom gefärbten Präparat eine Skizze an. Welche Details sind besonders gut angefärbt? Warum zeigen die Schleimhautzellen eine Art Faltenbildung? Welche Unter-schiede bestehen im Vergleich zur Zwiebelzelle?

– DurchAufnahmevonMethylenblauerscheinendieZelleninsgesamtdichterundkontrast-reicher.DieMundschleimhautzellensinddanngutzuerkennen,derZellkernistdeutlichzuidentifizieren.DadieZellenimUnterschiedzurZwiebelhauteinzelnaufdemObjektträgerliegenundkeineZellwandbesitzen,istihreFormunregelmäßigunddieOberflächeerscheint„zerknautscht“.

1 Zellforschung1. 1 Zellen werden untersucht


7 Zellforschung

Elektronenmikroskopie(Seite19)

A1 $ Beschreiben und vergleichen Sie die elektronenmikroskopischen Bilder eines Mitochon-driums in Abb. 1 und Abb. 2 unter dem Aspekt der TEM- und REM-Technik.

– DasEM-BildinAbb.1zeigtkeineräumlicheAnordnung,sondernnurdieAufteilungvonRäu-men,diedurchMembranengetrenntwerden.ManerkenntnurdieSchnittflächederMembra-nen.DasEM-BildinAbb.2zeigteineräumlicheStruktur.DieMembranensindauchalsFlächenzuerkennen.

A2 $ Erläutern Sie anhand von Abb. 3, wie man aus den Ultradünnschnitten zu einer räum-lichen Darstellung gelangt.

– DieeinzelnenSchnittederTEM-AbbildungenzeigenjeweilsnurdieSchnittflächederMembra-nen.DurchdasAnordnenderSchnittflächenübereinanderergibtsicheineräumlicheStruktur,dadieSchnittflächenunterschiedlichgroßoderräumlichandersangeordnetsind.

DerBautierischerundpflanzlicherZellen(Seite21)

A1 $ Ordnen Sie die verschiedenen Organellen nach gemeinsamen Kriterien. Legen Sie hierbei anhand der Informationen im Text Ordnungskriterien selbst fest.

– Ordnungskriterienkönnensein:DieGrößederOrganellen,dieMembranalsDoppelmembran,EinfachmembranoderkeineMembran,dieFunktionundBedeutunginderZelle,obdieOrga-nellensichteilenkönnenodernicht.

Zellbestandteilewerdenisoliert(Seite23)

A1 . Erklären Sie in einem Text, welche Bedeutung die Zentrifugation für Wissenschaftler bei der Erforschung der Zelle hat.

– UmdieFunktiondereinzelnenOrganellenuntersuchenzukönnen,müssensiegetrenntvorlie-gen.EineMöglichkeit,dieOrganellenvoneinanderzutrennen,istdieDichtegradientenzentrifu-gation.HierbeiwirddieunterschiedlicheDichtederOrganellengenutzt.

A2 . Vergleichen Sie in einem kurzen Text die Differentialzentrifugation mit der Dichtegradien-tenzentrifugation.

– DieDifferntialzentrifugationnutztdieunterschiedlicheSedimentationsgeschwindigkeitderverschiedenenOrganellen.DurchTestswirddieZeitermittelt,bisdiejeweiligenOrganellenamBodendesZentrifugenglasesangelangtsind.DerRestbleibtimÜberstand.BeiderDichtegra-dientenzentrifugationlassensichindenverschiedenenDichtezonendiederDichteentspre-chendenOrganellengleichzeitigauftrennenundabsaugen.

A3 $ In einem Modellversuch werden drei Tischtennisbälle mit verschieden konzentrierten Kochsalzlösungen gefüllt. Gibt man die Bälle in einen Standzylinder mit Wasser, sinken alle drei auf den Boden. Löst man Rohrzucker in dem Standzylinder auf, beginnen zwei zu schwe-ben, der dritte bleibt unten liegen. Erklären Sie dieses Modellexperiment unter dem Aspekt der Dichtegradientenzentrifugation.

– DieverschiedenenKonzentrationenderKochsalzlösungindenTischtennisbällenführtdazu,dassdieTischtennisbällesichjenachDichteineinerZuckerlösunganordnen.DieTischtennisbälleent-sprechenindiesemModelldenverschiedenenOrganellen,dieZuckerlösungderLösungimZen-trifugenglas.AlleBällezusammenentsprechendemHomogenat,welchesaufgetrenntwurde.

DasCytoskelett(Seite25)

A1 0 Fassen Sie tabellarisch die verschiedenen Funktionen des Cytoskeletts zusammen.– DieBedeutungdesCytoskelettsliegtinderStützfunktion,derVerankerungvonOrganellenund

derBewegung.BeiderBewegunggehtesumdieBewegungderZelledurchVeränderungenderFilamenteanderMembraninnenseiteunddieBewegungvonOrganellen,VesikelnodergroßenMoleküleninnerhalbderZelle.

A2 . Erstellen Sie anhand der Abb. 5 ein Drehbuch zur Bewegung der Motorproteine auf den Mikrotubuli.

– IndemDrehbuchmussdiechemischgebundeneEnergie(ATP)zudermechanischenBewe-gungsenergieführen.DieEnergiegelangtzudenMolekülenderMotorproteine.DieEnergieermöglichteineBewegungderbeidenFüßchenderMotorproteine,welchedadurchihreLageaufdemCytoskelettfilamentsändert.HierdurchhebtsichwiebeimLaufvorgangeinFüßchen,währenddasandereunbewegtbleibt.DurchdasVorstreckenundnachvornKippendeserhobe-nenFüßchenskommteszueinerVorwärtsbewegung.


8 Zellforschung

Einzeller(Seite26)

A1 $ Stellen Sie mithilfe einer Skizze den Lichteinfall bei einer rotierenden Euglena dar und erklären Sie daran die Ausrichtung zum Licht.

– InderSkizzemusseineLichtquelleaneinemunverändertenOrtsein.EuglenahatimBereichderGeißeleinenFotorezeptor.IndenverschiedenenSkizzenwirddieRotationvonEuglenadadurchverdeutlicht,dassdieLagedesFotorezeptorsunddesAugenfleckssichzumLichthinändert.EinmalistderAugenfleckimLichtstrahl,dasanderemalderFotorezeptor.FälltdasLichtnichtaufdenFotorezeptor,wirddieBewegungderGeißelerhöht,bisdieAusrichtungzumLichtwiedererfolgtist.

VomEinzellerzumVielzeller—einDenkmodell(Seite27)

A1 $ Erklären Sie, warum es sich bei der im Text beschriebenen Reihung um eine Modellvor-stellung für die Entwicklung von Mehrzellern handelt.

– EinDenkmodellstelltdieRepräsentationeinesoriginalenAblaufsdar,wobeideroriginaleProzessunzähligeDetailsundZwischenschritteaufweist,währenddasDenkmodellsichaufdiewesentlichenAbläufeundZwischenschrittebzw.Zwischenformenkonzentriert.Diebeschrie-benen,heutevorkommendenArtenstellendenkbareZwischenschrittebeiderEntwicklungzuVielzellerndar.DieseArtenstammenabernichtvoneinanderab.

ZelldifferenzierungbeitierischenZellen(Seite29)

A1 $ Mehrere Gewebetypen, die sich untereinander ergänzen, werden als Organ bezeichnet. Informieren Sie sich, welche Organe bei Pflanzen unterschieden werden und welche Funkti-on sie erfüllen.

– PflanzenbesitzendiefolgendendreiGrundorgane:Blatt,WurzelundSpross(=Stamm)1. DieFunktiondesBlattes:OrtderFotosyntheseunddesGas-/Wasseraustauschessowie SchutzderKnospen2. DieFunktionderWurzel:Verankerung/BefestigungimBoden;Speicherortfürzahlreiche Stoffe;Wasser-undNährstoffaufnahmeüberfeinsteHaarwurzeln3. Spross:FestigungdergesamtenPflanze,oftauchzusätzlichdurchLignin-Einlagerung; StofftransportzwischenWurzelundBlatt.

Bakteriensindanders(Seite30)

A1 $ Vergleichen Sie anhand des Textes und der Abb. 2 eine prokaryotische Bakterienzelle mit einer eukaryotischen Pflanzenzelle.

– EinDenkmodellstelltdieRepräsentationeinesoriginalenAblaufsdar,wobeideroriginaleProzessunzähligeDetailsundZwischenschritteaufweist,währenddasDenkmodellsichaufdiewesentlichenAbläufeundZwischenschrittebzw.Zwischenformenkonzentriert.Diebeschrie-benen,heutevorkommendenArtenstellendenkbareZwischenschrittebeiderEntwicklungzuVielzellerndar.DieseArtenstammenabernichtvoneinanderab.

Endosymbiose(Seite31)

A1 $ Prüfen Sie die Übereinstimmung zwischen Aussagen der Endosymbiontentheorie und den Angaben in Abb. 1.

– ProkaryotenweisenstarkeÄhnlichkeitenmitChloroplastenundMitochondrienauf,u.a.imRibosomen-Sedimentationskoeffizienten(70S),inderErbsubstanz(ringförmig),inderVermeh-rung(Teilung),imMembranaufbau(dünn,speziellePhospholipide)undinderFähigkeit,auchisoliertbegrenztlebensfähigzusein.DieAbweichunginderHüllelässtsichdurchdieAufnahmedurchUreukaryoten(Verschmelzung)erklären.DieAussageninderTabelleundimTextstimmenüberein.


9 Zellforschung

DieBedeutungdesZellkerns(Seite32)

A1 $ Beschreiben Sie die Experimente in Abb. 1 und erläutern Sie die Ergebnisse unter Bezug zur Bedeutung des Zellkerns.

– AcetabulariabestehtauseinerZelle.SchneidetmandenHutab,wächstdieserwiedernach(Versuch1).HämmeRlingtrenntebeizweiverschiedenenAcetabulariaArtenmitverschiedenenHutformendenjeweiligenHutabundanschließenddenjeweiligenStiel.StückebeiderStielewurdenjeweilsaufdasnichtdazugehörendeRhizoidgesetzt.Anschließendwurdebeobach-tet,welcheHutformentsteht.EsentstandnichtdieHutformpassendzumStiel,sondernzumRhizoid.DaderZellkernimRhizoidist,könnteerdieBedeutungfürdieAusbildungdesHuteshaben.

Material:Acetabularia-Experimente(Seite33)

A1 0 Beschreiben Sie das Experiment.– ImExperiment1wurdenvonAcetabularia-ArtenmitverschiedenenHütendieRhizoidemitden

jeweiligenZellkernenabgetrenntundmiteinandervereinigt.DerdarausgewachseneHuthatteAnteilevondenbeidenAusgangshutformen.

A2 $ Erklären Sie das Versuchsergebnis. Berücksichtigen Sie hierbei die Fragestellung und Vermutung der Wissenschaftler.

– DieFragestellung,wasdieFormdesHutessteuert,führtezuzweiHypothesen:DerStieloderdasRhizoidistfürdieFormdesHutesverantwortlich.DaderStielbeidiesemExperimentnichtvorhandenwar,jedochbeideHutformenentstanden,müsstedieInformationimZellkernliegen.

A3 0 Beschreiben Sie die Experimente.– ImExperiment2wurdenvonzweiAcetabularia-ArtenmitverschiedenenHutformendieHüte

entferntunddergesamteStieljeweilsaufdieandereArtübertragen.NachkurzerZeitbildetensichdieHüte,diedemjeweiligenStielentsprachen.ImzweitenTeildesExperimentswurdenbeidiesenPflanzendieHüteerneutentfernt.DienunnachwachsendenHüteentsprachennundemHutdesjeweiligenRhizoids.

A4 $ Erklären Sie die Versuchsergebnisse hinsichtlich der Fragestellung und Vermutung.– DasEndergebnisderExperimentezeigt,dassdasRhizoidunddamitmöglicherweisederZell-

kerndieHutformsteuert.DadieFragestellungeineBedeutungfürdieSteuerungderHutformsowohldenStielalsauchdasRhizoidoffenlies,deutetdasEndergebnisaufdasRhizoidhin.

A5 . Erklären Sie den Unterschied zwischen dem 1. und 2. Ergebnis unter dem Aspekt, dass Substanzen vom Kern abgegeben werden.

– ImerstenTeildesExperiments2mussindemStieleineSubstanzgewesensein,welchedieInformationenbeinhaltete.DiesewarjedochimZeitverlaufnichtmehrvorhanden.Möglicher-weisegabdanndasjeweilsandereRhizoideineSubstanzindenStielab,diedanndieandereHutformsteuerte.

A6 0 Beschreiben Sie die Experimente.– ImExperiment3wurdenbeizweiAcetabularia-ArtenmitverschiedenenHutformendieHüte

entfernt.AnschließendtauschtemanausdenbeidenRhizoidendiejeweiligenZellkerneaus.EsentstandenHutformen,diedemjeweiligenZellkernentsprachen.

A7 $ Erklären Sie das Versuchsergebnis mit Blick auf die Fragestellung und Vermutung.– DieFragestellungunddieHypothesegingenvondemZellkernundderSteuerungderHutform

aus.HierbeiwareskeinZellteilderAcetabularia,derkonkrethinterfragtwurde,sondernderZellkernselbst.DieInformationenliegendemnachimZellkern,dadieHutformkonkretvondenjeweiligenZellkernengesteuertwurde.

DNA—eineNucleinsäure(Seite35)

A1 $ Beschreiben Sie das Modell in Abb. 2 und erklären Sie, welche Vorgänge bei der Replika- tion man hiermit erklären kann.

– InderAbbildung2siehtmandieDNAinihrerDoppelhelix-Formmitdenjeweiligenkomplemen-tärenBasen.DieDNAwirdentspiralisiertunddasEnzymHelicasetrenntdiejeweiligenkomple-mentärenBasenvoneinander,sodasszweiTeilsträngeentstehen.ImAnschlussdaranfolgtanjedemTeilstrangeinEnzymkomplex,diePolymerase.DieserbildetjeweilswiederdenzweitenkomplementärenTeilstrangausfreienNucleotiden.DieLeserichtungverläuftinRichtung3'→5'.DereineStrangläuftdaherkontinuierlichab,deranderebildetBruchstücke,dienachträglichverknüpftwerden.

1. 2 Die Funktion des Zellkerns wird erforscht


10 Zellforschung

Material:WieverdoppeltsichdieDNA?(Seite36)

A1 $ Beschreiben Sie das Experiment mit eigenen Worten und erläutern Sie, ob die Fragestel-lung eindeutig geklärt werden konnte.

– BakterienzellenwurdenzurUntersuchungderDNAbeiderVerdopplungverwendet.DiesewurdeninNährlösungenaufgezogen,welcheStickstoffverbindungenmit15Nund14NalsTracerenthielten.15Nistgegenüber14NdasschwereStickstoffisotop.DieStickstoffverbindungenwurdenausdenNährlösungenauchindieneugebildeteDNAeingebaut,sodasssichdiesedurchdieunterschiedlicheMassebeimZentrifugierenunterscheidenlassen.DieDNAmitdenschwerenIsotopenliegtindemZentrifugenröhrchenweiterunten.ImExperimentkonntege-zeigtwerden,dassamAnfangdesExperimentseineMischformausbeidenIsotopenentsteht.NacheinerweiterenDNA-VerdopplungkonntesowohldieMischformalsauchdieleichteDNAnachgewiesenwerden.Diesdeutetdaraufhin,dassbeiderMischformjeweilsein„schwerer”Strangmiteinemleichtenverbundenist.DiesunterstütztdiesemikonservativeHypothese.DerkonservativeMechanismusfielbereitsnachdem1.TeildesExperimentsheraus,derdispersenachdemzweitenTeil,weilhiernurMischformenvorhandengewesenwären.

A2 . Beschreiben Sie, wie die Dichteverteilung bei einer konservativen Verdopplung aussehen würde.

– BeiderkonservativenVerdopplunghättenachdererstenVerdopplungeineleichteundeineschwereDNA-Bandeauftretenmüssen.

A3 . Vergleichen Sie die Aussagen der Experimente von Meselson-Stahl und Taylor.– DieExperimentevontayloRwurdenmitradioaktivenTracerndurchgeführt,indemeinmar-

kiertesNucleotidhinzugegebenwurde.BeimeselsonundstaHl handelteessichumleichteundschwereStickstoffisotope.tayloR untersuchtewährendderVerdopplungdieChromosomen,meselson undstaHldieDNA.tayloRkommtjedochauchaufMischformenbeiderVerdopplung.HierliegendamitähnlicheAussagenvor.

Tracer—DetektiveinderZelle(Seite37)

A1 $ Erläutern Sie anhand von Abb. 1, welche Vorteile die markierten anti-Antikörper gegen-über markierten Antikörpern haben.

– EinfluoreszenzmarkierterAntikörperkanndirektaneinAntigengekoppeltwerden.BeiderindirektenFluoreszenzmitAntiantikörpernwirdeinprimärerAntikörper,deranderjeweilsgesuchtenStellespezifischbindet,voneinemmitFarbstoffmarkiertensekundärenAntikörperdetektiert.DerVorteilliegtdarin,dassinderRegelmehralseinsekundärerAntikörpergebun-denwerdenkannundsomiteineSignalverstärkungbzw.höhereSensitivitäterzieltwird.

MitoseundCytoskelett(Seite39)

A1 $ Zeichnen Sie die Vorgänge an den sich überlappenden Pol-Mikrotubuli während der Mitose in mehreren Bildern und erläutern Sie diese.

– DieZeichnungsolltedieGrafikS.38mitderGrafikS.39sinnvollverknüpfen:DieMikrotubuliwerdenanihrenEndendurchTubulinbausteineinderProphaseverlängert.InderAnaphasewerdensiedannwiederabgebaut.ZeitgleichbewegenMotorproteinediebeidenüberlap-pendenPol-Mikrotubuli-Strängeauseinander.DadurchschiebensichdiePoleimmerweiterauseinander.


11 Zellforschung

Totipotent—Pluripotent—Stammzellen(Seite41)

A1 $ Beschreiben Sie die Experimente in Abb. 1 unter dem Aspekt der Totipotenz.– EinemFroschwerdenDarmzellen(differenzierteZellen)entnommenundaufNährmedium

kultiviert.GleichzeitigwirdineinemunbefruchtetenFroscheiderZellkerndurchUV-Strahlungzerstört.WirdeinZellkernausdendifferenziertenDarmzellendesFroschesindasEiohneZellkernübertragen,entwickeltsichdarauseineKaulquappeundspätereinFrosch.AuchwennderZellkerneinerDarmzelleentstammt,entwickeltsichausderEizelleeinneuerFrosch,derZellkernmussdahertotipotentgeblieben(oderwiedergeworden)sein,auchwennerdemdiffe-renziertenDarmgewebeentnommenwurde.

A2 . Erläutern Sie, welche Bedeutung das Experiment von Gurdon für die Stammzellforschung hatte.

– EigeneKörperzellenhabendenVorteil,dasssieinderImmunreaktionnichtabgestoßenwerden.Siemüssennichttotipotentsein,dasichkeinneuerOrganismusentwickelnsoll.PluripotenteZellenkönnenjedochfürdieBildungvonspezifischemGewebegenutztwerden.DieExperi-mentezeigteneinenWegauf,ausgewählteZellenwiederfürneuesGewebenutzenzukönnen,ohnedasseszuAbstoßungsreaktionenkommt.

ZellkulturenrettenMenschenleben(Seite42)

A1 $ Beschreiben Sie den Vorgang zur Herstellung spezifischer Antikörper in Abb. 1 und erläu-tern Sie die Bedeutung der Verschmelzung der beiden Zellen.

– SpezifischeAntikörperwurdenfrüherinanderenTierenentwickelt,gereinigtundzurBehand-lunggenutzt.DadieszuallergischenReaktionenbeieinigenPatientenführenkonnte,wurdenneueVerfahrenentwickelt.TumorzellenausKrebsgewebeteilensichüberlangeZeiträume.ManlässtdiesedahermitspezifischenLymphocytenzellenverschmelzen,diespezifischeAntikörperbilden.DieseverschmolzenenZellenwerdeninZellkulturenweitergezüchtetunddieentstehen-denspezifischenAntikörperübereinenlangenZeitraumgenutzt.ManhatdadurchdenVorteil,dassderZeitraumzurAntikörpergewinnungwesentlichlängeristalseresindenLymphocytenderFallwäre.

Material:Zellkulturen—einErsatzfürTierversuche?(Seite43)

A1 $ Entnehmen Sie dem Text Vorteile und Nachteile von Zellkulturen in der Forschung und wägen Sie diese gegeneinander ab.

– VorteileZellkulturen:– TierversuchelassensichinvielenFällenersetzenbzw.wenigerTierversuche,dadieVorstudien anTierenentfallen.– StressfaktorenvonTierenkönnenErgebnisseverändern.– Zellkulturenkönnenzielgerichteteingesetztwerden.– Zellkulturenkönnenz.B.dieTierversuchevorentlasten,sodassbereitsFehleroderUnbrauch- barkeitinderEndphasederStudieentfallenkönnen.Nachteile:– „Menschliche”ZellkulturenbietenVorteile,daspezifischergeforschtwerdenkann.– SpezifischesAbbauverhaltenderSubstanzenteilweisenurimGesamtorganismusmöglich.DieVorteilederZellkulturenscheinenindenvorliegendenTexteninvielenFällendieNachteilezuüberwiegen.DiesistabernatürlichnureinGesamteindruck,derimEinzelfallüberprüftwerdenmuss.


12 Zellforschung

ChemischeEigenschaftenderZellinhaltsstoffe(Seite45)

A1 $ Wasserläufer (Abb. 4) sinken auf der Wasseroberfläche nicht ein. Erklären Sie, wie es zu diesem Phänomen kommt.

– WassermolekülesindDipole,diesichzuMolekülverbänden(Clustern)verbinden.ImWassergleichensichabstoßendeundanziehendeKräfteaus.AnderFlüssigkeitsoberflächeistdieSymmetriegestört,dasheißtdieMoleküledorthabeninvertikalerRichtungkeinebenachbar-tenMoleküle,sodassdieAnziehungskräftenach„innen“zunehmen;esentstehteineArt„Haut“.DadurchsinkendieWasserläufernichtein.

A2 $ Beschreiben Sie anhand von Abb. 1 den Lösungsvorgang eines Salzes im Wasser. – Salze,wieKochsalz,setzensichausgeladenenIonenzusammen.Wassermolekülehabeneine

Partialladung(Teilladung).DerSauerstoffimWassermolekülistetwasnegativer,diebeidenWasserstoffteilchenetwaspositiver.DieWassermolekülelagernsichumdiepositivenIonenmitihremSauerstoffanteil(negativeTeilladung),umdienegativgeladenenIonenmitdemWasserstoffanteil(positiveTeilladung.HierdurchwerdendieIonenvondenWassermoleküleneingeschlossen.DiesführtzumLösungsvorgang.

DieKohlenhydrate(Seite46)

A1 $ Erklären Sie anhand der Wasser- und Zuckermoleküle den Lösungsvorgang von Zucker. – WassermolekülesindDipolemireinerpositivenundnegativenTeilladung(Partialladung).Auch

indenZuckermolekülenkommteszuTeilladungendurchdieSauerstoffgruppen,dadasSauer-stoffatomgegenüberdemKohlenstoffatomdieElektronenstärkeranzieht.AndieTeiledesWas-sersmitderpositivenTeilladunglagernsichdienegativenTeilladungendesZuckermolekülsundumgekehrt.

DieLipide(Seite47)

A1 $ Erklären Sie, weshalb Fette in Wasser durch Schütteln leicht Micellen bilden.– IneinemÖl-Wasser-GemischbildenLipideKügelchen.DiehydrophilenMolekülteilesinddem

Wasserzugewandt.

DieProteine(Seite49)

A1 $ In Lebewesen kommen regelmäßig 20 verschiedene Aminosäuren vor. Berechnen Sie, wie viele Möglichkeiten es gibt, wenn man aus diesen Aminosäuren ein Protein mit einer Kettenlänge von 3 (5, 10 oder 100) Aminosäuren herstellt.

– 203=8000;205=3200000;2010bzw.20100fastunendlichvieleMöglichkeiten

Material:Gelelektrophorese(Seite50)

A1 $ Kann man mithilfe der Gelelektrophorese ein Gemisch aus Stärkemolekülen unterschied-licher Größe auftrennen? Begründen Sie Ihre Vermutung.

– Stärkemolekülelassensichelektrophoretischnichttrennen,weildieseMolekülekeineÜber-schussladungtragenunddaherimelektrischenFeldnichtdriften.

Praktikum:OsmoseundPlasmolyse(Seite51)

A1 Führen Sie die Versuche durch.– individuelleLösung

A2 Beschreiben Sie die vier Versuchsergebnisse und vergleichen Sie diese. Erklären Sie die Bedeutung der leeren Kartoffelhälfte.

– InderMuldedermitSalzoderZuckergefülltenKartoffelhälftesammeltsichsehrvielZellwas-seran,inderMuldemitStärkejedochnicht.InderleerenKartoffelhälfteverändertsichnichts.Diesbeweist,dassWassernichtausdenZellendiffundiert,wennkeinegelöstenSubstanzenvorhandensind.DieseAussageistwichtig,umnachzuweisen,dassdasWassernichtohneGrundoderdurchVerletzungenwährenddesSchneidensausdenZellenderKartoffelhälfteherausfließt.

1. 3 Die Zellmembran — ein Modell entwickelt sich


13 Zellforschung

A3 Erläutern Sie die vier Ergebnisse unter dem Aspekt der Osmose und Plasmolyse (s. Seite 52 / 53) und formulieren Sie eine Gesamtaussage zu allen Versuchen.

– DieleereKartoffelhälftebleibtleer,dakeinWasserausdenZellenheraustritt.HierliegtauchkeineosmotischeWirkungvorundeinePlasmolysetrittnichtein.BeidemVersuchmitStärketrittauchkeinWasserausdemGewebeaus,dadieStärkemoleküleimWassernichtlöslichsindunddaherkeineosmotischeWirkungundfolglichauchkeinePlasmolysezeigen.Zuckermole-küleundSalzionensindosmotischwirksamundführenzueinerPlasmolysederZellen,dadieKonzentrationindenKartoffelzellengeringeristalsanderOberfläche.DieVersuchegelingennur,wenndieOberflächenichtganztrockenistunddasSalzoderderZuckergelöstvorliegen(osmotischeWirkung).

A4 Gehen Sie auf die Fragestellung ein und erläutern Sie, ob anhand der Versuche neue Frage-stellungen entstanden sind.

– DieFragestellung:WelcheWirkunghabenverschiedeneStoffeaufdenWasserhaushaltderZelleneinerKartoffel?NurgelösteStoffe,wieZuckeroderSalzhabeneineosmotischeWirkung.Stoffe,dienichtlöslichsindwiedieStärke,habenkeineosmotischeWirkung.OhneosmotischeStoffetrittindieleereMuldeebenfallskeinWasseraus.EineneueFragestellungkönntesein:VerändertsichdasGewebedurchosmotischwirksameSubstanzen?

A5 Führen Sie die Versuche durch.– individuelleLösung

A6 Beschreiben Sie die Versuchsergebnisse anhand der gemessenen Daten und vergleichen Sie diese.

– AngekochtenKartoffelnzeigensichkeineosmotischenVeränderungen.BeiallenExperimentenbleibtdieLängederKartoffelstückchengleich.DieungekochtenKartoffelstückchenzeigenUnterschiede.DieStückeindemineralisiertemWassersindlängergeworden,imLeitungswasserfastunverändertundinder30%igenZuckerlösungkürzergeworden.

A7 Erklären Sie die Ergebnisse für die ungekochten und die gekochten Kartoffeln. – DieZellmembranendergekochtenKartoffelnwurdendurchdasAufkochenzerstört.Eineosmo-

tischeWirkungistandenzerstörtenMembranennichtmehrvorhanden.BeidenungekochtenKartoffelnsindbeider30%igenZuckerlösungdieKartoffelstückchengeschrumpft(hypoto-nisch).Diesliegtdaran,dassdieKonzentrationinnerhalbderKartoffelzellengeringeristalsdieKonzentrationderUmgebung.BeidemLeitungswasserliegenkaumVeränderungenvor.HierscheintdieKonzentrationdergelöstenSubstanzenimWasserdenWertenindenZellenähnlichzusein.BeidemineralisiertemWassersinddieKartoffelstückchenlängergeworden,dadieKonzentrationinderZellegrößeristalsaußerhalbderZelle(hypertonisch).

A8 Erläutern Sie die Versuchsdurchführung in Bezug zur Fragestellung. – DieVersuchsdurchführunggehtaufdieFragestellungein:VerändertsichlebendesGewebe

durchZucker?ZuckerwirktosmotischaufZellenein.DieVersuchsdurchführungzeigt,dassnurlebendeZellenosmotischaktivsind.DieabgekochtenZellenhabenkeineWirkunggezeigt.DieZellmembranscheintdurchdasKochenzerstörtwordenzusein.

A10 Zeichnen und beschreiben Sie die Zellen vor der Zugabe der Zuckerlösung, nach Zugabe der Zuckerlösung und nach Zugabe des Wassers.

– DieRotkohlzellenzeigeneinegleichmäßigeVerteilungdesCytoplasmasunddesFarbstoffesinnerhalbderZelle.DieZellenverändernsichdurchdieZuckerzugabeinderUmgebungderZellen.DieZellwändebleibenzwarfastunveränderterhalten,dieVakuoleverändertsichjedoch.BeiZugabevonZuckeristderosmotischeWertaußerhalbderZellegrößer.DadurchentweichtWasserausderZelle,wasdurchdasSchrumpfenderVakuolebeobachtbarwird(Plasmolyse).BeiZugabevonWasserverändertsichdieKonzentrationaußerhalbderZelle,WasserströmtwiederindieZelleein.DieKonzentrationaußerhalbderZelleistgeringeralsdieinderZelle.

A11 Erläutern Sie die Beobachtungen unter dem Aspekt der Plasmolyse (s. Seite 53) und des Tonoplasten.

– BeiderPlasmolysewirdWasserausderZelleandieUmgebungabgegeben.DiesistderFall,wenndieZuckerkonzentrationaußerhalbderZellegrößeristalsinderZelle.AmTonoplastenisteineMembran,diesichdurchdasgeringereVolumenzusammenzieht.DasVolumenwirdgeringer,dadieZuckerkonzentrationaußerhalbderZellegrößerist(s.Abb.53.3).

A12 Begründen Sie, ob die Fragestellung mit dieser Untersuchung geklärt werden kann. – DieZellenverändernsichdurchZucker,daentwederWasserentweichtunddieZelledadurch

vielWasserverliert.BeieinergeringerenMengeZuckerinderUmgebungwirdWasseraufge-nommen.DieslässtsichdirektdurchdieExperimenteandenZellenbeobachten.DieFragestel-lungkonntedaherdurchdieBeobachtungderZellenunterdemMikroskopgeklärtwerden.


14 Zellforschung

DiffusionundOsmose(Seite53)

A1 $ Erläutern und begründen Sie, wie eine Flüssigkeitsinfusion für einen Patienten beschaf-fen sein muss, der größere Blutverluste erlitten hat (kein Spenderblut!).

– SiemussisotonischzurZellflüssigkeitsein,weilsonstdurchOsmosebedingteSchädenauftre-tenwürden.

A2 $ Drei etwa gleich schwere und gleich große Hühnereier werden zur Entfernung der harten Schale zunächst in Essig eingelegt. Dann wird das erste Ei in 300 ml destilliertes Wasser, das zweite in 300 ml 4%ige physiologische Kochsalzlösung und das dritte in eine konzentrierte Salzlösung gelegt. Nach 24 h werden die Eier erneut gewogen. Das erste hat an Masse zugelegt, das zweite hat seine alte Masse beibehalten und das dritte hat an Masse verloren. Deuten Sie die Versuchsergebnisse.

– DasEinimmtindestilliertemWasserdeutlichanVolumenundMassezu,daimEieinehöhereKonzentrationangelöstenStoffenvorliegtalsaußerhalb.EsschrumpftinkonzentrierterKochsalzlösung(umgekehrteKonzentrationsverhältnisse).DieEihautistselektivpermeabel(semipermeabel),d.h.WasserkannindenEi-Innenraumeindringenbzw.ausihmaustreten,nichtjedochKochsalz.

Material:Osmoregulation(Seite54/55)

A1 $ Für Landtiere hat der Schutz vor Austrocknung höchste Priorität. Neben der Niere, die den Harn deutlich konzentriert, gibt es auch äußere Strukturen. Benennen Sie diese.

– BeiReptilien,vielenAmphibien,SäugetierenundVögelnfindetmanvorallemfolgendevorAustrocknungschützendeStrukturen:Haut(zumTeilverhornt),Haare,FedernundSchuppen.

A2 . Aale laichen im Salzwasser, während Lachse im Süßwasser laichen. Beide leben ansonsten aber im Süßwasser (Aale) bzw. im Meerwasser (Lachse). Erklären Sie jeweils deren Überle-ben in beiden Gewässerarten.

– AaleundLachsesindzueinerbesonderenOsmoregulationbefähigt,weilsiejenachAufent-haltsort(Süß-oderSalzwasser)hyperosmotischundhypoosmotisch,d.h.inbeideRichtungenregulierenkönnen,währendSüßwasserfischebzw.Salzwasserfische,diesichimmerimselbenMediumaufhalten,nurineineRichtungregulierenkönnen.Aale,diedengrößtenTeilihresLebensimSüßwasserverbringen,sinddorthypertongegenüberihremumgebendemMedi-umundregulierenihrenSalzhaushaltwieSüßwasserfische.WennsiezurLaichzeitinsMeerschwimmen,müssensieihrenSalzhaushaltwieMeeresfischeregulieren,d.h.vieltrinkenunddabeiüberihreKiemenSalzausscheiden.UmgekehrtesgiltfürdieLachse.

A3 . Beschreiben Sie die Funktion der Blasenhaare und erläutern Sie, inwiefern es sich hierbei um Osmoregulation handelt.

– DieBlasenhaarebestehenausgestieltenkleinenkugeligenBehältern.IndieseaußerhalbderlebendenZellenliegendenBehälterwirddasüberschüssigeSalzabgesondert.HierdurchistesindenlebendenZellennichtmehrosmotischwirksam.

A4 0 Beschreiben Sie die Funktion der pulsierenden Vakuole (Abb. 3).– DiepulsierendeVakuolesammeltausdemumgebendenCytoplasmaderZelleFlüssigkeitund

gibtdieseindieUmgebungab.

A5 $ Übertragen Sie die Messwerte (s. o.) in ein Koordinatensystem.– sieheAbbildung

�

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

�

��

��


15 Zellforschung

A6 . Erläutern Sie das Ergebnis und begründen Sie, warum die pulsierende Vakuole eine osmoregulatorische Funktion hat.

– DadieTätigkeitderpulsierendenVakuolemitzunehmenderSalzkonzentrationimumgebendenMediumabnimmt,deutetdiesaufeinenZusammenhangmitdenosmotischenWertenhin.MitzunehmenderSalzkonzentrationwerdenimmerwenigerWassermoleküleindasParameciumdiffundieren,dieWahrscheinlichkeitderDiffusionausderZellesteigthingegenan.

A7 $ Ordnen Sie die Erythrocyten in Abb. 4 den verschiedenen Salzkonzentrationen zu und begründen Sie Ihre Entscheidung unter Verwendung der Fachbegriffe hypotonisch, hyperto-nisch und isotonisch.

– DieAbbildungobenzeigtdenNormalzustand(rundundinderMitteleichtabgeflacht).DieKonzentrationdergelöstenSalzeetc.istinnerhalbundaußerhalbderErythrocytenidentisch(isotonisch).DiemittlereAbbildungistdieStechapfelform.DieErythrocytensindgeschrumpft.EsdiffundierenmehrWassermoleküleausdenErythrocytenherausalsherein.DieKonzentrationdergelöstenSalzeindenBlutzellenisthypotonischgegenüberderumgebendenFlüssigkeit.DieuntereAbbildungzeigtgeplatzteErythrocyten.DieZellenwarengegenüberdemAußenmediumhypertonisch,Wassermolekülediffundiertenhinein.

A8 . Beschreiben Sie den Aufbau einer künstlichen Niere (vgl. Abb. 5 und Abb. 7). Begründen Sie, ob es sich bei dem Vorgang der Hämodialyse um eine Diffusion oder eine Osmose han-delt.

– ZweigetrennteSysteme:dasBlutsystemunddasDialysat.DieTrennungerfolgtübereinesemipermeableMembran.AufgrundderhöherenKonzentrationderSchadstoffeundSalzeimBlut(hypertonisch)diffundierendiesezumhypotonischenDialysat.EshandeltsichumeinenosmotischenVorgang,dadieSchadstoffedurcheinesemipermeableMembrandiffundieren.

AufbauundFunktioneinerBiomembran(Seite57)

A1 $ Waschaktive Substanzen in Spülmitteln haben den gleichen Grundaufbau wie Phospho- lipide, nämlich ein polares Ende und eine lange unpolare Kohlenwasserstoffkette.

Folgender Modellversuch kann Ihnen helfen, das Verhalten solcher Moleküle in wässriger Umgebung zu verstehen: Füllen Sie etwas Wasser in eine flache Schale oder einen Teller und bestreuen Sie es mit fein gemahlenem Pfeffer. Geben Sie dann einen Tropfen Spülmittel in die Mitte der Oberfläche.

Erklären Sie den auftretenden Effekt auf molekularer Ebene und stellen Sie einen Bezug zum Bau von Biomembranen her.

– DieOberflächenspannungdesWasserskommtdadurchzustande,dasssichdiepolarenWasser-moleküle(Dipole)untereinanderverbinden.DerPfefferbleibtaufderWasseroberflächeliegen,dadieOberflächenspannungaufdergesamtenWasseroberflächevorliegt.DasSpülmittelbeseitigtdieOberflächenspannunginderMittedesWassers.SpülmittelenthältMolekülemitpolarenundunpolarenEnden.DiepolarenAnteiletauchenindasWasserein,derunpolareRestzeigtzurLuft.DiesichsoanordnendenMoleküleschiebenWasserteilchenunddaraufbefindlichesPfefferpulverimmerweitervomUrsprungdesSpülmitteltropfensweg.EsbildetsicheineeinlagigeSchichtvonSpülmittelmolekülenaufdemWasser.

Material:EinModellentwickeltsich(Seite58/59)

A1 $ Informieren Sie sich auf Seite 19 über die Gefrierbruchtechnik. Fassen Sie das Verfahren mit wenigen Worten zusammen und erläutern Sie, welchen Vorteil es für die Klärung der wissenschaftlichen Fragestellung hatte.

– BeiderGefrierbruchtechnikwerdenZellenauf–150°CabgekühltundmiteinemMesseraufge-brochen.HäufigverläuftdieBruchflächebeidiesemVorgangimBereichderZellmembranen.DieBruchstellenbleibentiefgekühltoffenliegenunddasEissublimiert.HierbeientstehendreidimensionaleOberflächen,diemiteinemPlatin-Kohlenstoff-Gemischseitlichbedampftwerden.DieseSchichtwirdelektronenmikroskopischuntersucht.DasVerfahrenermöglichtdieDarstellungderMembranmitdenintegralenProteinen.

A2 $ Beschreiben Sie das elektronenmikroskopische Foto in Abb. 1. Achten Sie dabei auf die räumliche Ausrichtung der Proteine in der Membran (grünbrauner Bereich) und ordnen Sie die jeweiligen Beobachtungen dem Schema in Abb. 2 zu.

– InAbb.1siehtmaneineZellmembrandiemitderGefrierbruchtechnikaufgearbeitetwurde.DieMembranzeigtdieAusrichtungderProteine,dienachaußengerichtetsind.InAbb.2wirddeut-lich,dasssowohlerhabeneStellenvorhandensind,indenendasintegraleProteininderMem-bransteckt,undStellen,dieleersind,weildasProteinnichtvorhandenistunddieÖffnungeninderMembranfreisind.


16 Zellforschung

A3 0 Informieren Sie sich auf Seite 37 über molekulare Sonden und fassen Sie das Verfahren kurz zusammen.

– ZumgezieltenAuffindenvonMolekülendienenfluoreszierendeFarbstoffe,diebeiBestrahlungmitUV-LichtzumLeuchtengebrachtwerden.DieserEffektwirdbeiderFluoreszenszmikrosko-piemithilfevonLaserstrahlengenutzt.DiefluoreszierendenFarbstoffehaftengezieltandengesuchtenStrukturen,dadieFarbstoffemitAntikörpernverbundensind,diespezifischandiegesuchtenMolekülebinden.ProteineoderandereSubstanzen,dieaufoderinderZellmem-branangeordnetsind,wurdenhierdurchnachgewiesenundderenBewegunginderMembranerkannt.

A4 $ Beschreiben Sie das Versuchsergebnis und erläutern Sie, wie die Fragestellung der Wis-senschaftler zur Bewegung in der Membran hiermit geklärt werden konnte.

– DieFragestellung,obdieintegralenProteineaufdemMembranbeweglichoderstarrfixiertsind,konntemitdiesemExperimentgeklärtwerden.DieProteinekonntendurchdiefarbigeMarkierungmitTracernsichtbarundbeobachtbargemachtwerden.Hierbeizeigtsich,dassdieMembraninständigerBewegungist,waszurDurchmischungderbeidenTracerführt.DieBiomembranistinständigerBewegungundnichtstarr.

A5 . Erklären Sie das Experiment in Abb. 4 und vergleichen Sie die Messergebnisse mit denen aus dem Experiment in Abb. 3. Arbeiten Sie hierbei entscheidende Unterschiede zwischen den Experimenten heraus.

– IntegraleMembranproteinewurdenmithilfevonfluoreszierendenSondensichtbargemacht.UnterdemFluoreszenzmikroskopwurdeanschließenddurchBestrahlungmiteinemLasereinkleinerBereichdesfluoreszierendenFarbstoffsausgebleicht,sodassernichtmehrfluoresziert.DanachwurdedieZeitgemessen,inderdie„leuchtenden“ProteineindenausgebleichtenKreiszurückkehren.DieMessergebnissezeigendieFluiditätderBiomembranunddieGeschwindig-keit,mitderdieProteinesichbewegen.ImVergleichzuAbb.3werdenZellenverschmolzen,inAbb.4handeltessichumeineZelle.InbeidenFällenistdieBewegungderMembranersicht-lich.ImVersuchzuAbb.4kannauchdieDiffusionsbewegungderProteinebestimmtwerden.

A6 $ Beschreiben Sie das Schema in Abb. 6 und erläutern Sie den Zusammenhang zur elektro-nenmikroskopischen Aufnahme.

– AufderInnenseitederBiomembranbefindetsichdasCytoskelett.DieVerbindungsproteineunddieVerbindungskomplexesindinderelektronenmikroskopischenAufnahmegutzuerkennen.DieStrukturdesCytoskelettsistinderEM-Aufnahmegutsichtbar.

A7 . Stellen Sie Zusammenhänge zwischen den Ergebnissen des Fotobleichverfahrens (Abb. 5) und den Befunden zum Cytoskelett dar. Erläutern sie anhand dieser Daten die Verände-rungen in der Modellvorstellung in Bezug auf die Fluidität.

– DieFluiditätderintegralenProteinekanndurchdasCytoskeletteingeschränktsein.NurdieHälftederProteineistbeweglich.DieskannandenFilamentendesinnenliegendenCytoske-lettsliegen.DieFluiditätistnachdiesenDatennichtuneingeschränkt,wiedieerstenVersuchevermutenließen.EinTeilderProteinbewegungistdurchdieFilamentedesCytoskelettsanderInnenseitederBiomembranfestgelegt.ManhatalsonichteinefreieFluidität,sondernfüreinigeProteineeinedeutlicheingeschränkte.

TransportvorgängedurchBiomembranen(Seite61)

A1 0 Vergleichen Sie in tabellarischer Form die folgenden Transportmechanismen hinsichtlich der Kriterien Richtung, Spezifität und Energiebedarf miteinander: 1) Diffusion, 2) erleichterte Diffusion, 3) aktiver Transport.

– sieheTabelle

Diffusion erleichterteDiffusion aktiverTransport

mit dem Konzentrationsgefälle mit dem Konzentrationsgefälle gegen das Konzentrationsge-fälle

Spezifität nein Spezifität ja Spezifität ja

Energiebedarf nein Energiebedarf nein Energiebedarf


17 Zellforschung

Material:Membrantransport—GlucosetransportinsBlut(Seite62)

A1 0 Beschreiben Sie mithilfe von Abb. 2 den Aufbau des Darms und erläutern Sie den Vorteil der Darmzotten und der Mikrovilli für die Aufnahme der Nährstoffe.

– DerDarmiststarkgefaltetunddieZellenderInnenseitebesitzenMikrovilli.IndenDarmzottenliegtdasBlutgefäßsystemunddieLymphgefäße.DieDarmzottenundMikrovillidienenderOberflächenvergrößerungbeiderAufnahmederNährstoffe.HierdurchkönnenimgleichenZeitraummehrNährstoffeaufgenommenwerden.

A2 $ Erläutern Sie anhand von Abb. 3, unter welchen Bedingungen die Glucose aus dem Darm-lumen in die Darmzellen aufgenommen wird.

– InAbb.3istaufderx-AchsedieVersuchsdauerinMinutenundaufdery-AchsedieZucker-aufnahmeindieZellein%angegeben.WerdendenDarmzellengleichzeitigmitderGlucoseKaliumionenangebotenwirdpraktischkeinZuckerindieZellenaufgenommen.Beigleichzei-tigerGabevonNatriumionensteigtdieZuckeraufnahmeindenersten50minstarkanundflachtdannlangsamab.ÜberdengesamtenZeitraumvon300minwirdZuckeraufgenommen.

A3 $ Stellen Sie mithilfe von Abb. 4 dar, welche Aussage für den Glucosetransport durch diesen Versuch geklärt werden konnte, und bringen Sie dieses Ergebnis in Verbindung zum Versuch in Abb. 3.

– InAbb.4wirddasErgebniseinesVersuchesdargestellt,beidemdieBindungswahrscheinlich-keitvonGlucoseandasProtein1inAbhängigkeitvonNatriumionenundohneNatriumionengemessenwurde.DieWahrscheinlichkeitderBindungliegtbeidenExperimentenmitNatrium-ionenbeica.9,beidenExperimentenohneNatriumionenbei1.DainAbb.3gezeigtwurde,dassdieGlucoseaufnahmeindieZellevonNatriumionenabhängigist,scheintdasProtein1fürdieAufnahmederGlucoseindieZelleverantwortlichzusein.FürdieGlucoseaufnahmescheinendaherProtein1undNatriumionennotwendigzusein.

A4 . Erläutern Sie, weshalb ein effektiver Glucosetransport aus dem Darmlumen in das Blut nur über unterschiedliche Transportmechanismen möglich ist, und stellen Sie diese Mecha-nismen anhand des Textes und der Abb. 5 vor.

– FüreineneffektivenGlucosetransportmüssenzweiverschiedenMechanismenvorliegen,ansonstenwäreeingerichteterTransportschwermöglich.DerAufnahmemechanismusmussunabhängigvomAbgabemechanismussein,umauchgeringereKonzentrationenanGlucoseimDarmaufnehmenzukönnen.DerAufnahmemechanismus(Symport)ausdemDarmlumenindieDünndarmzelleistgebundenandengleichzeitigenTransportvonNatriumionenamProtein1.DieEnergiestammtausdemTransportderNatriumionenausderZelleherausimGegenzugzurKaliumionenaufnahme.HierdurchbleibtdieNatriumionenkonzentrationinderDarmzelleimmergering.DurchdiesenTransportistdieKonzentrationderGlucoseinnerhalbderZellehöheralsimBlut.DaherdiffundiertdieGlucoseausdenZellenindieRichtungdesBlutes.

Material:Membrantransport—WasseraufnahmeinderWurzel(Seite63)

A1 $ Beschreiben Sie anhand der Abb. 2 und 3 und des Textes den Aufbau der Wurzel. Erläu-tern Sie die Bedeutung der Wurzelhaare und ihrer großen Anzahl pro Pflanze.

– DurchdieWurzelhaarewirddieOberflächederWurzelextremvergrößert,hierdurchisteineeffektiveWasser-undMineralsalzaufnahmegesichert.InAbb.2siehtmandievielenfeinenWurzelhaare,dieimBodenzurOberflächenvergrößerungbeitragen.SienehmendasWasserfürdieWurzelzellenauf.VonhierausgelangtdasWasserindasweitereGewebederWurzel.

A2 $ Beschreiben Sie Abb. 3 und 4 und erklären Sie die Wasseraufnahme vom Caspary‘schen Streifen in das Leitbündel. Erläutern Sie hierbei die Bedeutung der wasserundurchlässigen Substanz für die Wasserversorgung der Pflanze (Abb. 4).

– InAbb.3istderQuerschnittdurcheineWurzeldargestellt.DasWassergelangtüberdieWur-zelhaarzellenzudenZellenderRinde.EsgelangtdurchdieZellenundzwischendenZellenbiszumCaspary'schenStreifen.DieseristzwischendenZellendurcheineWasserundurchlässigeSubstanz(Abb.5)abgedichtet,sodassdasWassernurdurchdieZellenindiePflanzegelangtundauchnichtzwischendenZellenzurückfließenkann.DieWasseraufnahmeindieLeitbündelerfolgtsekundär.DurcheinenTransportmechanismus,derEnergiebenötigt,werdenIonenausdemCaspary'schenStreifenindieLeitbündelzellentransportiert(aktiverTransport).DasWasserfolgtsekundärzumKonzentrationsausgleich(Diffusion).

A3 . Wird der Stoffwechsel in den Endodermiszellen der Pflanze unterbunden, wird nach ei-niger Zeit kaum Wasser in die Leitzellen aufgenommen. Erklären Sie diesen Zusammenhang.

– DurchdenfehlendenStoffwechselkannkeinaktiverTransportvonChloridionenstattfinden.DaherdiffundiertnacheinigerZeitkeinWassermehrindieLeitbündelzellennach.


18 Zellforschung

Zellenwerdenerkannt(Seite65)

A1 $ Beschreiben Sie anhand der Unterpunkte in Abb. 3 und 4 und des Textes die Vorgänge der Zellerkennung.

– KrankheitserregerhabenspezifischeOberflächen.DendritischeZellenerkennendieseKrank-heitserregermitAntigenrezeptoren.SiesindstarkverzweigteWeißeBlutzellenimKörper-gewebe(1).ImGewebekontrollierensieständigdasVorhandenseinvonKrankheitserregern,diesiedurchdieWechselwirkungvonAntigenenundAntigenrezeptorenerkennen.DieKrankheits-erregerwerdenphagocytiertundmithilfederLysosomeninihreBausteinezerlegt(2).DiesewerdenanschließendinVesikelnzurOberflächederBiomembrantransportiertundmithilfevonProteinenpräsentiert.DieaktiviertendendritischenZellenverlassendasinfizierteGewebeundhabenimLymphsystemKontaktzuT-Helferzellen(3),welcheinverschiedenenImmunzellendieBildungderpassendenAntikörperauslösen(4).AntikörpersindProteinemitzweiBindungsstel-lenfürAntigene.DiezweiBindungsstellenermöglichendieVerklumpungderKrankheitserreger(5).

DerGolgi-Apparat—StoffverteilerderZelle(Seite67)

A1 $ Beschreiben Sie die beiden Vorgänge in Abb. 1 mithilfe eines kurzen Textes. Ergänzen Sie dabei die Informationen zum Cytoskelett aus dem Text.

– ImERwerdenProteinez.B.fürdieZellmembranoderdieAbgabeausderZellehergestellt.VonhiergelangendieseimmerzuerstzumGolgi-Apparat.DerGolgi-ApparatverändertdieProte-inespezifischfürdiejeweiligeFunktionundleitetsieanihrenBestimmungsort.DieProteinewerdenimrauenERvondenRibosomenanhandderInformationenausdemNucleuszusam-mengesetzt(3).DieProteinewerdeninkleinenMembranumhülltenBläschen(Vesikeln)zumGolgi-Apparattransportiertundverschmelzenmitihm(Endocytose,4).HierwerdendieProteinejenachdemBestimmungsortundderAufgabemodifiziert.AmGolgi-ApparatschnürensichkleineVesikelmitdenverändertenProteinenab.DiesewerdengezieltzumBestimmungsorttransportiert.ImGolgi-ApparatentstehengezieltabbauendeEnzyme,welcheüberflüssigeZellbestandteileoderKrankheitserregerabbauenkönnen.DieEnzymesindinVesikeln,denLysosomen,verpackt(2).DieinihreBausteinezerlegtenZellbestandteilewerdenfürdieSyn-theseneuerSubstanzenverwertet.DurchdasCytoskelettisteinschnellergerichteterTransportderjeweiligenVesikelmöglich.

Übungen:Zellforschung(Seite68/69)

A1 0 Stellen Sie in einer Übersicht Zellorganellen mit Doppelmembran und einfacher Mem-bran bzw. ohne Membran sowie deren Funktionen zusammen. Nennen Sie dabei auch die Funktionen einer Biomembran.

– sieheTabelle

Membrantyp Funktion

Zellorganellen mit doppelter Membran

Zellkern DNA-Replikation, Transkription (damit: Steuerung und Regelung der zentralen zellulären Prozesse)

Mitochondrien Zellatmung, Energiegewinnung („Kraftwerke der Zelle“)

Chloroplasten Ort der Fotosynthese

Zellorganellen mit einfacher Membran

ER Synthese von Eiweißen, Transport

Dictyosom, Golgi-Apparat Speicherung und Transport von Eiweißen, Fetten etc.

Peroxisomen Speicherung von Enzymen (u. a. von Peroxidasen, die der Zell-entgiftung dienen; der Name stammt daher)

(Zellsaft-) Vakuole Abbau, Ablagerung, Speicherung von Stoffen

Lysosomen Speicherung von Enzymen, die Zellmaterial abbauen (lysieren); (der Name stammt daher)

Zellorganell ohne Membran

Ribosomen Ort der Proteinsynthese

Biomembran

Aufgaben allgemein selektiver Durchlass von Stoffen, Kompartimentierung, Osmoregulation, Barrierefunktion


19 Zellforschung

A2 0 Beschreiben Sie den Bau des Zellkerns anhand der Strukturen, die auf dem EM-Bild der Abb. 1 zu erkennen sind.

– Erkennbarsind:1) Kernplasma/CytoplasmadesZellkerns2) Chromatin(imKernplasma)3) Doppelmembran4) Nucleolus(Kernkörperchen)5) KernporeMitochondrienerreichendurchihrezahlreichentiefenEinfaltungenderInnenmembran(Cristae)einesehrgroßeOberfläche.DieseFlächewäredeutlichkleiner,wennesdiesetiefenEinfaltungennichtgäbe.DieOberflächederInnenmembranhättedannannähernddieFlächederAußenmembran.IndiesemFallwäreauchderIntermembranraumentsprechendklein.

A3 $ Beschreiben Sie das Prinzip der Oberflächenvergrößerung am Beispiel des Zellorganells Mitochondrium.

– MitochondrienerreichendurchihrezahlreichentiefenEinfaltungenderInnenmembran(Cristae)einesehrgroßeOberfläche.DieseFlächewäredeutlichkleiner,wennesdiesetiefenEinfaltungennichtgäbe.DieOberflächederInnenmembranhättedannannähernddieFlächederAußenmembran.IndiesemFallwäreauchderIntermembranraumentsprechendklein.

A4 $ Erklären Sie anhand der Abb. 2, weshalb Phospholipide in der Biomembran zwei wässrige Bereiche voneinander trennen können.

– Diepolarenhydrophilen„Köpfe“derMolekülekönnenmitdemebenfallspolarenWasserbeider-seitsderLipiddoppelschichtinWechselwirkungtreten.Dieunpolarenhydrophoben„Schwänze“bildenimInnereneinewasserabweisendeSchicht.DamitwerdenzweiKomponentengetrennt.

A5 0 Beschreiben Sie die Abb. 3.– InderAbb.3sindzweiKrallenfröschezusehen,dieeineunterschiedlicheFärbunghaben.Auf

derzellulärenEbenemachendiePigmenteindenZellendeshellenFroschesnureinenkleinenProzentanteilaus,beidemdunklerenFroschdiegesamteZelle.ImdrittenTeilderAbbildungsiehtmanMikrotubuli,dieanderZellmembranansetzen.

A6 $ Erklären Sie die Vorgänge beim Farbwechsel mithilfe des Cytoskeletts auf zellulärer und molekularer Ebene.

– DieHautfarbehängtvonderVerteilungderPigmenteindenHautzellen,denMelanophoren,ab.LiegendiePigmentegehäuftaneinerStelle,siehtdieHauthellaus.DieMikrotubuliwerdenalsGleisefürdenTransportvonVesikelnvonderMittederZellebiszurZellmembraneingesetzt.DiePigmentewerdenaufdenMikrotubulidurchdieZelleverteilt.HierdurchwerdendieMela-nophorenunddieHautdunkler.

A7 0 Erläutern Sie den Begriff der Totipotenz.– Zellen,ausdeneneinvollständigesIndividuummitdenverschiedenendifferenziertenGeweben

entstehenkann,sindtotipotenteZellen.

A8 $ Beschreiben Sie das Experiment in Abb. 4 unter dem Aspekt der Totipotenz.– AusdemGewebeeinerMöhrewerdenStückeentnommen.DieZellenindiesenGewebestücken

sinddifferenziert.IneinergeeignetenNährlösungwuchernZellenaufdemdifferenziertenGewebe.DieZellenwerdengetrenntundlebenineinemNährmediumweiter.EinzelneZellenvermehrensichdurchZellteilungen,ausdenenMöhrenpflanzenmitverschiedenenGewebenentstehen.DieseGewebebestehenausunterschiedlichdifferenziertenZellen.DiesstimmtmitderDefinitionderTotipotenzüberein.

A9 . Vergleichen Sie dieses Experiment mit dem Experiment am Krallenfrosch auf Seite 41.– BeidemMöhrenexperimentwerdendifferenzierteZellenauseinemGewebestückentnommen

undvereinzelt.AusjederdieserZellenentstehendieverschiedenenGewebeeinerMöhre.BeimKrallenfroschexperimentwurdekeineZelle,sondernderZellkerneinerZelleverwendet.DerZell-kernwurdeineinekernloseEizelleeingepflanzt,diesichwieeinenormalebefruchteteEizellezueinemKrallenfroschentwickelte.BeiderMöhrehandeltessichumeineKörperzelle,beimKrallenfroschumdenZellkerneinerKörperzelle.InbeidenFällenlagjedocheineTotipotenzvor.

A10 $ Wie abgeschnürte Vesikel oder sich teilende Mitochondrien zeigen, ist in der aktiven Zelle das Membransystem in ständiger Bewegung. Begründen Sie, weshalb die Kompartimentie-rungsregel trotzdem nicht verletzt wird.

– DieGrundsubstanzderMitochondrien(oderChloroplasten)bleibtbeieinerTeilungimmervomCytoplasmagetrennt.DurchPhagocytoseentstehendeVesikelkönnenmitLysosomenver-schmelzen,wodurchunterschiedlicheKompartimenteverschmelzen.TrotzdembleibtinbeidenFällendieKompartimentierungsregelerhalten,d.h.stetsgrenzteineMembraneineplasma-tischePhasevoneinernichtplasmatischenPhaseab.


20 Zellforschung

A11 $ Deuten Sie das Datenmaterial. Gehen Sie dabei nur auf die zentral bedeutsamen Zell- bestandteile ein.

– DieMitochondrienderLeberzellenderRatteweiseneinenhohenAnteilamZellvolumenauf.AuchdasraueundglatteERistrelativstarkausgeprägt.DieLeberzellehatdemzufolgeeinenhohenEnergiestoffwechsel(Mitochondrien)undeinehohe(Protein-)Aktivität(ER-gebundeneRibosomen).

A12 $ Beschreiben Sie in Form eines Sachtextes den Vorgang der Phagocytose anhand von Abb. 6. Verwenden Sie hierbei die Begriffe: umschließen, verdauen, absorbieren und einfan-gen. Begründen Sie Ihre Zuordnung.

– WeißeBlutzellenkönnenihreFormständigverändern.SiebewegensichdurchdieseVerände-rungzuBakterien,diesiealskörperfremderkennen.InAbb.2und3umfließtdieWeißeBlut-zelledasBakterium,indemsiedurcheineFormveränderungarmartigeAusstülpungenentwi-ckelt,diedasBakteriumumschließen.InAbb.3undAbb.4wirddasBakteriumineinBläscheneingeschlossenundderVerdauungs-vorgangbeginnt.HierzulagernsichinAbb.5LysosomenandasBläschenan.InAbb.6istdasBakteriumbereitsverdautunddieBausteinewerdenvomBakteriumabsor-biert.

A13 $ Stellen Sie bei der Phagocytose und der Fortbewegung der Zellen die Bedeutung des Cytoskeletts und des Golgi-Apparats dar.

– BeiderPhagocytosespieltdasCytoskeletteineRolle,dadieEinstülpungderZelloberflächedurchVerkürzungenundVerlängerungendesCytoskelettserfolgt.DurchdasVerlängernderCytoskelettfilamentewachsendiearmartigenAusstülpungen.DurchdieVerkürzungderFila-menteziehtsichdieOberflächederZelleein.ImGolgi-ApparatsindabbauendeEnzyme,dieKrankheitserregerabbauenkönnen.DieEnzymesindinVesikeln,denLysosomen,verpackt,diesichvomGolgi-Apparatabschnüren.BakterienwerdendurchEndocytoseindieZellealsVesikelaufgenommen.AndiesewerdendieLysosomengezieltangedocktundgebendieEnzymefrei.DurchdieEnzymewerdendieBakterieninihreBausteinezerlegt.


21 Energiestoffwechsel

EnzymesindBiokatalysatoren(Seite72)

A1 $ BeschreibenundvergleichenSiedieVorgängeinAbb.1inFormeinesTextes.– DargestelltistderEnergieverlaufkleinsterTeilchenwährendeinerchemischenReaktion.Es

handeltsichumeineexergonischeReaktion,daEnergiefreiwird.DieAusgangsstoffe(Edukte)habeneinenhöherenEnergiewertalsdieProdukteamEndederReaktion.DieReaktionläuftjedochnichtdirektab,esmussersteineAktivierungsenergieaufgebrachtwerden.DieseistbeieinerReaktionmiteinemKatalysatordeutlichniedrigeralsohneKatalysator.

Material:ModellezurBiokatalyse(Seite73)

A1 $ BeschreibenSieAbb.1undAbb.2.ErläuternSie,obdieseschematischenAbbildungenzurModellvorstellungfürdieBedeutungvonEnzymengenutztwerdenkönnen.

– InAbb.1isteinSeemiteinemDeichdargestellt.InderlinkenAbbildungbleibendieBälleaufderWasseroberflächeundwerdennichtüberdenDeichgespült.WirdderDeicherniedrigt,fließtWasserausdemSee.DieBällegelangenmitdemWasserüberdenDeich.InAbb.2isteinHügeldargestellt.EinePersonversuchteinenrundenSteinüberdenHügelzurollen,bevorerdenBergherunterläuft.DieModellekönnenfüreinVerständnisderBedeutungvonEnzymengenutztwerden,dadasSenkendesDeichesoderderHügelkuppemitdemSenkenderAktivierungsenergiegleichgesetztwerdenkann.

A2 $ VergleichenSieAbb.1mitAbb.2unterdemAspektderEnzymfunktion.StellenSiehierbeiheraus,welcheZusammenhängemitdenjeweiligenModellenerklärtwerdenkönnen.

– ImModellvonAbb.2wirdnureinTeilchenbetrachtet,welchesübereinenHügelgerolltwerdenmuss,bevoreshinterdemHügelhinabrollt.DiesstelltdieReaktionsenergieunddiefreiwer-dendeEnergiedar.DasModellinAbb.1verdeutlicht,dassesummehrereTeilchengeht.DerniedrigereDeichstelltdabeidiegeringereAktivierungsenergiedar.IndiesemModellwirddeutlich,dassdieAnzahlderTeilchen,welcheüberdenDeichgelangen,erhöhtwird.DiesstehtmodellartigfürdieAnzahlderTeilchenineinerchemischenReaktionmitundohneKatalysator.DieAnzahlderreagie-rendenTeilchenwirdimgleichenZeitraumerhöht.

A3 $ GebenSiedieGrenzenzumErklärenvonEnzymenfürbeideModellean.– DasModellinAbb.2gehtnuraufdieAktivierungsenergieeinundkannzurErklärunggenutzt

werden,dassdurchdiegeringereAktivierungsenergiedieReaktioneherabläuft.ÜberdieAnzahlderreagierendenTeilchensagtdasModellnichtsaus.DasModellinAbb.1kannzumVerständnisgenutztwerden,dassdurchdieEnzymeimgleichenZeitraummehrTeilchenreagie-renunddieReaktionhierdurcheffektiverablaufenkann.

A4 0 ErklärenSiemithilfevonBegriffenaufSeite72denbeschriebenenVorgangunderläuternSiediesenunterdemAspektderEnzyme.

– DieSelbstentzündungdesWasserstoffsanderPlatinoberflächestellteinekatalysierteReaktiondar.DieseReaktionläuftanderPlatinoberflächeab,dadieAktivierungsenergieherabgesetztwird.DieReaktiondesWasserstoffsmitdemLuftsauerstoffiststarkexergonisch,sodassesdurchdiegroßeAnzahlderreagierendenTeilchenzueinerFlammenbildungkommt.

A5 $ ErläuternSie,welcheAspektebeidiesemModellexperimentdeutlichwerdenundwoGrenzenundUnterschiedevorliegen.

– DiePlatinoberflächealsKatalysatorstelltindiesemModellexperimentdasEnzymdar.DieSelbstentzündungbeiRaumtemperaturkannauchverdeutlichen,dassdieEnzymebeiniedrigerTemperaturzueinereffektivenReaktionführen.Unterschiedeliegendarin,dassEnzymeProte-inemiträumlichenStrukturensind,währendiePlatinoberflächekeinebesonderenStrukturenaufweist.BeidiesemModellexperimentkanndieAktivierungsenergieguterklärtwerden,nichtjedochdieVorgänge.

EnzymebeiallenStoffwechselprozessen(Seite75)

A1 0 ErläuternSiedasSchlüssel-Schloss-PrinzipamBeispielEnzym–Substrat.– Enzymesindsubstratspezifisch.Diesliegtdaran,dassEnzymealsProteineeineräumliche

Strukturhaben.DasaktiveZentrumistindieserräumlichenStrukturintegriert.Substratekön-nenjenachihrereigenenStrukturindasaktiveZentrumdesEnzymsgelangenodernicht.MankanndahermodellartigvoneinemSchlüssel-Schloss-Prinzipsprechen.

2 Energiestoffwechsel2. 1 Bau und Funktion von Enzymen



Praktikum:Enzyme(Seite76)

A1 DeutenSiedieErgebnissederVersuche.– Versuch 1: BraunsteinentfaltetdiegleicheWirkungwiedasKatalasepräparatausKartoffel

oderLeber.DassdieGasentwicklungaufdieGegenwartdieserSubstanzenzurückzuführenist,zeigtdasKontrollexperimentmitSand.DamitderSauerstoffnachweismithilfederGlimm-spanprobegelingt,solltenichtgleichnachBeginnderGasentwicklungdieProbedurchgeführtwerden,sondernerstca.30Sekundenspäter.DannhatsichinderRegelüberderFlüssigkeitgenügendreinerSauerstoffangesammelt.Versuch 2: DieserVersuchzeigtdiepH-AbhängigkeitderEnzymaktivität.KatalasewirdsowohlbeisehrkleinenalsauchbeisehrhohenpH-Wertendenaturiert,sodassihreWirkungverlorengeht,d.h.keineGasentwicklungzubeobachtenist.Versuch 3: DieserVersuchzeigtdieDenaturierungvonEnzymendurchSchwermetalle,dieinderRegelirreversibelist.Sieberuhtdarauf,dassSchwermetallesehrschwerlöslicheSulfidebilden,dieinGegenwartvonEiweißdadurchentstehen,dassdenEiweißenderinihnenenthalteneSchwefelentzogenwird,sodassihreTertiärstrukturzerstörtwird.WichtigfürdasGelingendiesesVersuchsisteinehinreichendeEinwirkzeitderSchwermetalllösungaufdasKatalaseprä-parat.

A2 TragenSiedieEntfärbungszeit(t)gegendieTemperatur(T)auf.– individuelleLösung

A3 ErklärenSie,wiemanausderEntfärbungszeit(t)aufdieReaktionsgeschwindigkeit(v)schließenkönnte.

– FürdieUntersuchungenkannauchdaspreisgünstigePankreatinverwendetwerden,dasAmy-laseenthält.ZurAuswertungdesExperiments:DerKehrwertderZeit(1/t)biszurEntfärbungisteinMaßfürdieReaktionsgeschwindigkeitbzw.fürdenSubstratumsatz.DennbiszurEntfär-bungderStärkelösungwirdimmerdiegleicheMengeSubstratumgesetzt,vorausgesetzt,dieReagenzgläsersindsorgfältigmitdenrichtigenMengenbefülltworden.JekürzerdieZeitbiszurEntfärbung,destogrößerderSubstratumsatzproZeiteinheit,d.h.dieReaktionsgeschwin-digkeit.UmdenZeitpunktderEntfärbungbesserzuerkennen,legtmanweißesPapierunteroderhinterdenReagenzglasständer.DerVersuchbelegtdieRGT-Regel.

A4 ProtokollierenSiedieErgebnisseunddeutenSiesie.– Versuch2zeigtdieAbhängigkeitderReaktionsgeschwindigkeitvonderSubstratkonzentration,

Versuch3dieSubstratspezifität(UreasereagiertnurmitHarnstoff,nichtabermitThioharn-stoff).

Material:Enzyme(Seite77)

A1 $ ZiehenSieRückschlüsseaufdenAufbauunddieWirkungdeshiereineRollespielendenEnzyms.BegründenSieIhreSchlussfolgerungenkonkretanhanddereinzelnenExperimente.

– DasExperimentvonHardenundYoungzeigt:• dassdiekatalytischwirksamenMoleküleimCytoplasmagelöstsind(c),• dasszweiverschiedeneMolekülebzw.MoleküluntereinheitendieKohlenstoffdioxidentwick-

lungkatalysieren,fürsichalleinaberkeineWirkungzeigen(d)unddiesesnurinWechselwir-kungmiteinandervermögen(Versuchsreihe2,1.Versuch),

• dasseinederbeidenwirksamenKomponententemperaturempfindlichist(inLösung2ausdemInnerendesDialyseschlauchs),dieanderenicht(inLösung1ausdemGefäß,indasderDialyseschlaucheintaucht),

• dassdietemperaturunempfindlicheKomponenteniedermolekularist(dennsiediffundiertdurchdenDialyseschlauch),dietemperaturempfindlichehochmolekular(zugroßfürdiePorendesDialyseschlauches).DaswirksameEnzymwirdalsoauseinerProteinkomponenteundeinerabspaltbarenNichtproteinkomponente(Coenzym)bestehen.



A2 0 SetzenSiedieWertederTabelleineineGrafikum.AchtenSiedabeiaufeinesinnvolleAchsenwahlunddieBeschriftung.

– sieheAbbildung

A3 . ErläuternSiedasexperimentelleErgebnis.ZiehenSieallgemeineRückschlüsseaufdieWirkungsweisevonEnzymenunderläuternSiedieseauchhinsichtlichderVersuchsbedin-gungen.

– EshandeltsichumeinetypischeSättigungskurve.UmdasvorliegendeErgebniszuerhalten,wurdebeikonstanterTemperaturundkonstanterEnzymkonzentrationdieSubstratkonzentra-tionvariiert(Variable)undderSubstratumsatzgemessen.TemperaturundEnzymkonzentrationmüssenkonstantgehaltenwerden,weilauchdurchsiedieReaktionsgeschwindigkeitundsomitdieAussagekraftderErgebnissebeeinflusstwürde.BeiniedrigenSubstratkonzentrationenistdieZahlderSubstratmoleküleselbstderbegrenzendeFaktor.DieEnzymmengeistimVergleichsogroß,dasspraktischaugenblicklichalleSubstratmoleküleumgesetztwerden,d.h.dergrößteTeilderzurVerfügungstehendenBindungszentrenistunbesetzt.DeshalbkannzunächstauchdurchErhöhungderSubstratkonzentrationdieReaktionsgeschwindigkeiterhöhtwerden,bisdieZahlderSubstratmolekülesogroßgewordenist,dasssiedurchdiebegrenztvorhandenenEnzymmolekülenichtmehrsofortumgesetztwerdenkönnen.DieKapazitätsgrenzewirdnachundnacherreicht.DamitwirddieEnzymmengemitzunehmenderSubstratkonzentrationimmermehrzumbegrenzendenFaktor(abflachenderTeilderKurve),bissieschließlichalleinbegren-zendwird.DieKapazitätderEnzyme(bestimmtdurchihreWechselzahl)istausgeschöpft,d.h.alleBindungszentrensindmitSubstratmolekülenbesetzt.BeisehrhohenSubstratkonzentrati-onen(hiernichtdargestellt)trittwiedereineAbnahmedesSubstratumsatzesein(Substrathem-mung),dadieSubstratmoleküleumdasBindungszentrumderEnzymekonkurrierenundsichdabeigegenseitigbehindern.

A4 . BegründenSie,dassbeiallenVersuchenmitjeweilsderselbenMengeHarnstoff-undUreaselösunggearbeitetwerdenmuss.

– UmdasvorliegendeErgebniszuerhalten,wurdebeikonstanterEnzym-undSubstratkonzen-trationundvariablerTemperaturderSubstratumsatzgemessen.Substrat-undEnzymkonzen-trationmüssenkonstantgehaltenwerden,weilauchdurchsiedieReaktionsgeschwindigkeitbeeinflusstwird.

A5 $ ErläuternSieanhandderGrafikdieErgebnissederVersucheeinzelnundimVergleich.– DasErgebniszeigtdiestarkeTemperaturabhängigkeitenzymatischkatalysierterReaktionen,

beidenendieReaktionsgeschwindigkeitbeieinerTemperaturerhöhungumdasZwei-bisVier-fachezunimmt(RGT-Regel).DieserZusammenhangspiegeltsichindenMesswertergebnissenauchwider,allerdingsnurbeiTemperaturenbiszu40°C.DiegrafischeAuswertungderMess-ergebnissezeigtdeutlich,dassdieReaktionsgeschwindigkeitbeidengemessenenTempe-raturenbis40°CjeweilsummehralsdasDoppeltezunimmt.Bei50°CflachtdieKurvenacheinigerZeitstarkab,d.h.derSubstratumsatzkommtzumErliegen.Bei60°CistdiesesschonkurznachVersuchsbeginnderFall,sodassinsgesamtnurwenigSubstratumgesetztwird.UrsachedafüristdieDenaturierungdesEnzymsdurchhoheTemperaturen,diebei60°Cschnel-lereinsetztalsbei50°C.DieDenaturierungbewirkteineZerstörungderTertiärstruktur,waszumVerlustderFunktionführt.DiefürdieFunktionwichtigePassform(Schlüssel-Schloss-Prinzip)istnichtmehrvorhanden.

� � � � � � � � � �

��

�

�

�

�

�

�

�

�

�

�

��

��

��

��

��

��

��

��

��



DieReaktionsbedingungenbestimmendieEnzymaktivität(Seite79)

A1 0 ErklärenSieanhanddermodellhaftenTeilchendarstellunginAbb.1denKurvenverlaufimDiagramm.

– InAbb.1wirddieReaktionsgeschwindigkeiteinerenzymatischenReaktioninAbhängigkeitvonderSubstratkonzentrationdargestellt.Aufderx-AchseistdieSubstratkonzentration,aufdery-AchsedieGeschwindigkeitdesSubstratumsatzesaufgetragen.DieGeschwindigkeitdesSub-stratumsatzessteigtmitzunehmenderSubstratkonzentrationbiszueinembestimmtenPunktundnähertsichdannlangsamdermaximalenGeschwindigkeit,dienichtmehrerhöhtwird,sonderngleichmäßigbeidiesemWertbleibt.DieModelldarstellungdereinzelnenAbschnittedesKurvenverlaufskönnenzurErklärunggenutztwerden:ImerstenAbschnittsinddieaktivenZentrenderEnzymefrei,sodassmitderZugabevonSubstratdieUmsatzgeschwindigkeitsteigt(a).MitzunehmenderBelegungderaktivenZentrenunddadurchdergeringerenZahlvonfreienaktivenZentrensinktdieWahrscheinlichkeiteinesschnellenKontaktesvonSubstratundfreiemaktivenZentrum(b).SindalleZentrenbesetzt,könnenneueSubstrateerstwiederumgesetztwerden,wennZentrenfreiwerden.HierkanndieGeschwindigkeitnichtmehrerhöhtwerden(c).

A2 $ InformierenSiesichüberdieLebensweisedesinAbb.3dargestelltenTieresundstellenSiedenZusammenhangzurEnzymaktivitäther.

– DerEisfischbelebtdieGewässerinderAntarktis.EristeinwechselwarmesTier.Daherent-sprichtdieKörpertemperaturdesTieresinetwaderseinerUmgebung,vermutlichetwaumdie0°C.FürangemesseneReaktionendesTieresmussseinStoffwechselentsprechendzügigablau-fen,d.h.diezugrundeliegendenEnzymaktivitätensinddenniedrigenTemperaturenangepasst.

A3 $ NähertsichdieKörpertemperaturbeihohemFieberdemWertvon42°C,bestehtfürdenMenschenLebensgefahr.ErläuternSiemöglicheGründedafürmitBezugzudengenanntenEigenschaftenvonEnzymen.

– BeiTemperaturenüber42°CdenaturiertbereitseinTeilderlebenswichtigenEnzymeiweiße,diedadurchmehroderwenigerstarkihreFunktioneinbüßen.DashatbeiAnhaltendiesesZustandesdenZusammenbruchlebenswichtigerStoffwechselfunktionenzurFolge.

A4 $ DerEinflussdespH-WertesaufdieEnzymekannanderVerdauungdesMenschendeut-lichgemachtwerden.InformierenSiesichüberdiejeweiligenpH-WerteundEnzymedereinzelnenVerdauungsschritteunderläuternSie.

– pH-OptimumderAmylaseetwabeipH7,desPepsinsetwabeipH1,5—1,6unddesTrypsinsbeipH7,8—8,7.

DerEinflussdesBindungspartnersaufdieEnzymaktivität(Seite81)

A1 . ErläuternSiefolgendeAussage:KompetitivwirkendeHemmstoffeverlierenbeihoherSubstratkonzentrationihreWirkung,nichtkompetitivwirkendejedochnicht.

– DieAussageistkorrekt,dabeikompetitivenHemmstoffenein„Wettbewerb”mitdenanwe-sendenSubstratmolekülenumeinunddasselbeReaktionszentrumstattfindet.ErhöhtsichderenAnzahl,wirddieWahrscheinlichkeit,dasseinkompetitivwirkenderHemmstoffaufeinsolchesZentrumtrifft,immerunwahrscheinlicher.DamitlässtdieHemmwirkungmitsteigenderSubstratmengeundgleicherHemmstoffmengenach.AndersbeidernichtkompetitivenHemmung:HierblockierendieHemmstoffeentweder,indemsiediegesamteMolekülformdesEnzymsirreversibelverändernodersiehemmendieEnzym-moleküle,indemsiesichaneinallosterischesZentrumsetzenunddadurchdieMolekülformverändern.DaherhatdieanschließendeErhöhungderSubstratmengekeineAuswirkungenaufdieHemmstärke.

Material:RegulationvonEnzymreaktionen(Seite83)

A1 0 BenennenSiedieUnterschiedezwischenkompetitiverundallosterischerHemmung(Abb.1).

– BeiderkompetitivenHemmungstehenzweiähnlicheStoffe—dasSubstratundderHemm-stoff—imWettstreitumdasaktiveZentrum.DieBindungsstelleändertihreräumlicheStrukturdabeinicht.BeiderallosterischenHemmungbindetderHemmstoffaußerhalbdesaktivenZentrumsandasEnzymundändertdamitdessenräumlicheStruktur.InbeidenFällengilt:IstderHemmstoffgebunden,kanndasSubstratnichtumgesetztwerden.



A2 $ „NegativeRegulatorenstabilisierendieinaktiveFormeinesallosterischenEnzyms,posi-tiveRegulatorenstabilisierenseineaktiveForm.“ErklärenSiediesenSatzmithilfevonAbb.2.

– RegulatorenkönnennuraufallosterischeEnzymeeinwirken.DieseEnzymebestehenausmeh-rerenUntereinheiten.IstEnzymAinaktiv,kannderHemmstoffgebundenwerden.DamitwirddieinaktiveFormstabilisiert(negativeRegulation).WirdanEnzymBeineSubstanzgebunden,diedieaktiveFormstabilisiert,kanndieSubstratumsetzungerfolgen.

A3 . DieUmsetzungderAminosäureThreoninzuIsoleucinerfolgtimtierischenOrganismusübermehrereZwischenprodukte(Abb.3).DieReaktionenwerdenvonverschiedenenEnzy-menkatalysiert.NachausreichenderProduktionvonIsoleucinkommtdieReaktionzumStill-stand.WelcherMechanismusistdafürverantwortlich?ErklärenSieauchseinebiologischeBedeutung.

– DasEndproduktIsoleucinwirktalsHemmstoffdeserstenEnzymsinderProduktionsketteundstelltdamitseineeigeneProduktionab.DieseRegulationentsprichteinernegativenRückkopp-lungundverhinderteineÜberproduktion.ErstwenndasEndproduktwiederverbrauchtist,werdenauchnichtmehrgenügendMolekülezurBindungandasStartenzymvorhandenseinunddamitkanndieIsoleucin-Produktionwiederanlaufen.

A4 $ BeschreibenSiedieRolledesCofaktorsNAD+beimAlkoholabbaunachAbb.4.– DasEnzymADHkatalysiertimCytoplasmaderLeberzelledieAbspaltungvon2Wasserstoff-

atomenvonEthanol.DiesewerdenaufdenCofaktorNADübertragen.EsentstehenNADH2undEthanal.IneinerReaktionsketteerfolgteineweitereDehydrogenierungdurchdasEnzymALDH,wobeiwiederumNADH2entsteht.DerCofaktorNADH2gibtletztlichübereinTransportsystemdieWasserstoffatomeaneineindenMitochondrienablaufendeAtmungsketteinweiterenEnzymreaktionenab.SowirdderCofaktorregeneriert.DieRückreaktionzumEthanalwirdzumeinendurcheineReaktionskettevermieden,beiderdasProduktdurchdieFolgereaktionweiterumgewandeltwird.ZumanderenwirddasEndproduktCO2überdieAtmungentzogen.DarüberhinauswirdeinReaktionspartnerfürdieRückreaktion,dasNADH2,überStoffwechselwegeindenMitochondrienzuNADregeneriertundstehtdamitfürdieRückreaktionnichtmehrzurVerfügung.

Material:EnzymeimEinsatz(Seite85)

A1 0 StellenSiedieverschiedenenAnwendungenfürEnzymetabellarischdar.– sieheTabelle

Lebensmittel Milchverarbeitung—Käseproduktion,HerstellungvonKunstfleisch;VerzuckerungvonStärke;Citronensäureproduktion,haltbareFertigteig-massefürBrote

Waschvorgang WaschvorgangbeiniedrigenTemperaturenundmitgeringenMengenanWaschmitteln

Körperpflege antibakterielleWirkung,gezielteHautreinigung

Medizin neuegezielteBiosensorenzurDiagnose,VerhinderungderVerklumpungvonBlut,antibakterielleWirkungdurchAbbauderKrankheitserreger

Futtermittel bessereNutzungdesPhosphats,dahergeringererEinsatzundwenigerAusstoßinderGülle

synthetischeBiologie HerstellungkünstlicherZellen,diedieEnzymebilden.Diesekönnenche-mischeProzessesteuern.

A2 $ FassenSieVorteileundNachteiledesheutigenEnzymeinsatzesindenverschiedenenAnwendungsbereichenausIhrerSichtzusammen.

– DieEnzymespielteninvielenBereichenderLebensmittelherstellungeinegroßeRolle,ohnedassdieVorgängebekanntwaren.DurchdieKenntnissederVorgängeunddurchdenEinsatzsehrspezifischerEnzymekönneninvielenLebensbereichenbessereErgebnissebeiLebensmitteln,Körperpflege,etc.erzieltwerden.EnzymesindProteine,dieinderUmweltgutabgebautwerdenkönnenunddieimLebensmittelbereichmitverdautwerden.BeivielenVorgängenlässtsichdurchdenEinsatzEnergiesparenundKostenkönnengesenktwerden.NachteileliegenimBereichderLebensmittelineinergeschmacklichenVereinheitlichungdurchgenormteTechniken.DieHerkunftvonLebensmittelnistnichtmehrnachvollziehbar,wieKunst-fleisch.ImBereichdersynthetischenBiologiesinddieNachteilenochnichtabsehbar,dahierZellenentstehen,dieinderNaturbishernochnichtvorhandenwaren.



A3 . ErläuternSiekritisch,welcheBedeutungEnzymeinunseremLebenundderGesellschaftgewonnenhabenundwelcheBedeutungsienocherlangenkönnen.StellenSieIhreErgeb-nisseinFormeinesZeitungsartikelsdar.

– SammlungvonAspekten:DerEinsatzvonEnzymeninweitenTeilenunseresLebensschafftMöglichkeiten,neueWegezugehen,wieinderLebensmittelindustrieoderderMedizinbzw.intechnischenProzessen,wieWaschvorgängen.HierbeikönnenneueProdukteentwickeltwerden,diegezieltereingesetztwerdenkönnenoderdiewenigerEnergiebenötigen.EskönnenProduk-tionswegespezifischerentwickeltwerden,diefürdieErstellungvonMedikamentengenutztwerdenkönnen.HierdurchwerdenbestehendeProduktionenverändertoderüberflüssig.SiekönnendahergesellschaftlicheBedeutungerlangen,durchgezielteEinsätzeinderMedizintech-nik,durchVeränderungvonProduktionsprozessenundVeränderungenvonArbeitsplätzen.DiegezielteProduktionindersynthetischenBiologieistnochnichterfassbar,dahierdurchOrga-nismenentstehen,dienichteinschätzbarsindundderenLangzeitwirkungnochoffenist.EinweitererAspektsindgentechnischverändertenOrganismen,welchefürdieEnzymbereitstellungentwickeltwerden.



SäugetierehabenunterschiedlicheHerzschlagfrequenzen(Seite86)

A1 $ FledermäusesindhomoiothermeTiere.ImWinterfallensieineinenWinterschlaf,beidemsiedieKörpertemperaturstarkherabsenken.ErklärenSiedenbiologischenVorteildiesesVorgangs.

– HomoiothermeTierehabenimWintereinenhöherenEnergiebedarf,dadieTemperaturdifferenzzwischenKörperundUmgebungausgeglichenwerdenmuss.DurchdieSenkungderKörpertem-peraturistdiebenötigteEnergiezurErhaltungderKörpertemperaturgeringer.DaimWinterfürdieFledermäusekaumNahrungvorhandenistundsievonFettreservenihrenEnergiehaushaltaufrechterhalten,liegtdiebiologischeBedeutungimniedrigerenEnergiehaushalt.

Material:KörpergrößeundEnergiehaushalt(Seite87)

A1 $ StellenSiedieZusammenhängeKörpermasse—SauerstoffverbrauchundKörper-masse—HerzfrequenzinFormeinesTextesdar.FassenSiedieAussagendesDiagrammszusammen.

– MitsteigenderKörpermassederTierenimmtderSauerstoffverbrauchproStundezu,dieHerz-frequenzsinktjedoch(sieheTabelle).

Säugetierarten Masse(g) lg Sauerstoffver-brauch(mlO2/h)

lg Herzfre-quenz(1/min)

lg

Maus 22 1,3 36 1,6 600 2,8

Meerschweinchen 900 3,0 605 2,8 280 2,5

Zwergziege 7000 3,9 2710 3,4 158 2,2

Orang-Utan 54000 4,7 12105 4,1 106 2,0

Mensch 76000 4,9 15980 4,2 72 1,9

Löwe 155000 5,2 26490 4,4 50 1,7

Pferd 500000 5,7 65100 4,8 44 1,6

Elefant 3833000 6,6 268000 5,4 26 1,4

A2 $ ErläuternSieanhandvonAbb.2,dasseskaumhomoiothermeTieregebenkann,diekleineralseineMaussind.ErläuternSieindiesemZusammenhang,dassdiesbeipoikilother-menTieren,wieInsektenoderkleinenFröschen,nichtzutrifft.

– GroßeTierehabenabsolutgeseheneinenhohen,bezogenaufdieKörpermassejedocheinenniedrigenSauerstoffverbrauch.DieskorreliertmitdersinkendenHerzfrequenz.Dementspre-chendverhaltensichdieseStoffwechselgrößenbeikleinenTierenumgekehrt.PoikilothermeTiereverbrauchenkeineEnergiezurAufrechterhaltungihrerKörpertemperaturundstrahlenauchwenigWärmeab.DaheristfürsiedasOberflächen-Volumen-VerhältnisohneBedeutung.

A3 $ BerechnenSieanhandvonAbb.3dieOberfläche,dasVolumenunddierelativeOberflä-che(VerhältnisOberfläche:Volumen)fürverschiedengroßeWürfel.BeginnenSiebei80cmKantenlängeundhalbierenSiesieimmerweiterbiszueinerLängevon5cm.StellenSiedieErgebnisseineinerTabellezusammenundformulierenSiedieGrundaussage.

– JekleinerdieKantenlängeeinesWürfelsist,destogrößeristseinerelativeOberfläche:

Kantenlänge(cm) Oberfläche(cm2) Volumen(cm3) rel.Oberfläche(1/cm)

80 38400 512000 30,075

40 39600 64000 0,15

20 32400 8000 0,3

10 3600 1000 0,6

35 3150 3125 1,2

A4 $ WendenSiedieAussagenausAufgabe3aufdenWärmeverlust,dieWärmeproduktionunddieStoffwechselintensitätgleichwarmerTiereverschiedenerGrößean.

– DieGrößederOberflächegleichwarmerTierestehtindirekterBeziehungzumWärmeverlustdesKörpersundbestimmtdamitdieStoffwechselintensität.IngroßvolumigenKörpernkannrelativmehrWärmeproduziertwerden,alsüberdievergleichsweisekleinereOberflächeabgestrahltwird.KleinerehomoiothermeTieremüssenalsomehr„heizen“alsgroße.DazuistentsprechendmehrSauerstoffproZeiteinheitundeinehöhereHerzschlagfrequenzzurintensiverenVersor-gungderWärmeproduzierendenGewebenötig.

2. 2 Energieumsatz



A5 $ JegrößereinTier,destoproblematischerdieWärmeableitung.BegründenSiedieseAus-sage.

– sieheLösungzuAufgabe4.UmgekehrtverlierenvoluminöseTieremitkleinerOberflächeimVerhältniszuihrerWärmeproduktionnurrelativwenigWärmeandieUmgebung.SiesindalsoankältereUmgebungstemperaturenbesserangepasst(Bergmann‘scheRegel).

A6 $ ErklärenSiediebiologischeBedeutungdesVerhaltensvonPinguinen,diesichbeieisigenStürmeninengenGruppendichtgedrängtaufstellen(Abb.4).

– DierelativeOberflächederPinguineinderArktisistgeringeralsdiederPinguineinwärmerenRegionen.BeiextremenBedingungenkönnendiePinguinedurchdasengeSteheninGruppenihreWärmeabstrahlungverringern.NurdieaußenstehendenTierehabeneinehöhere,dieinne-renhabeneinewesentlichgeringereWärmeabstrahlung.

MessendesEnergieumsatzes(Seite89)

A1 . BerechnenSiedenEnergieumsatzeinesSportlersanhandderangegebenenDaten(s.RandspalteSeite88)beinormalerErnährungundineinerHungerphase.

– Sauerstoffverbrauch:0,48l/min→691,2LiterSauerstoffproTag.DieBerechnungdesEner-gieumsatzeserfolgtdurchdieMultiplikationdesSauerstoffverbrauchsmitdemjeweiligenkalorischenÄquivalent:a) normaleErnährung:RQ=0,9;diesentsprichtdemkalorischenÄquivalentvon20,61kJ/l→ 691,2l/Tagx20,61kJ/l=14246kJ/Tag.b) inderHungerphase:RQ=0,71entsprechendeinemkalorischenÄquivalentvon19,62kJ/l→ 691,2l/Tagx19,62kJ/l=13561kJ/Tag.

A2 . BerechnenSie,wievielGrammStärkedengleichenBrennwerthabenwie100gFett.– 100gFetthabendenBrennwertvon3890kJ(100g∙38,9kJ/g).TeiltmandiesenWertdurchden

BrennwertfürKohlenhydrate(17,2kJ/g),ergibtsich:3890:17,2=226.Darausfolgt:100gFettentsprechenenergetisch226gStärke.

SauerstofftransportimBlut(Seite90)

A1 $ ErläuternSieanhandderAbb.2dieTriebkräftefürdenSauerstoff-undKohlenstoffdioxid-AustauschinderLungeundimGewebe.

– DerSauerstoffpartialdruckinderEinatemluftistrelativhoch,bedeutendhöheralsimBlutderLungenvene.DiesesKonzentrationsgefällebewirktdieDiffusiondesSauerstoffsausdenLun-genbläscheninsBlut.DurchschnelleBindungundAbtransportbleibtdasKonzentrationsgefälledauerhafthoch.FürdasKohlenstoffdioxidergebensichdieumgekehrtenVerhältnisse.DarausfolgteineDiffusionausdemBlutindieLungenbläschen.AuchimKörpergewebeherrschenKonzentrationsunterschiede,dieeineDiffusiondesSauerstoffsausdemBlutindieZellenunddesKohlenstoffdioxidsinumgekehrterRichtungermöglichen.

A2 $ ErklärenSie,warumdieZahlderErythrocytenpromlBlutbeiBewohnernvonhohenGebirgenerheblichhöheristalsbeiBewohnernderMeeresküste.

– ImHochgebirgesindaufgrunddergroßenHöheGesamtluftdruckunddamitauchSauerstoff-partialdruckerheblichniedrigeralsaufMeereshöhe.DasBlutmussdaherdenSauerstoffinderLungeschnellerbinden,umdasKonzentrationsgefälleaufrechtzuerhalten.DaswirddurchdiegrößereZahlderErythrocytenmöglich.

A3 $ ErklärenSie,welchenSinndasHöhentrainingvonAusdauersportlernhat.– AlsAnpassungandasTrainingingroßerHöhesteigtdieZahlderErythrocytenpromm3Blutbei

denSportlerndeutlichan.DadurchwirdeinehöhereTransportkapazitätfürSauerstoffundeinebessereSauerstoffversorgungderMuskelnermöglicht.

A4 . BerechnenSiedieSauerstoffpartialwerteinderLungeundimGewebeamMountEverestunderläuternSie,weshalbdieBergsteigerAtemgerätebenötigen.

– DerSauerstoffpartialdruckbeträgtinMeereshöhe213hPa,amMountEverestjedochnur63hPa.IndenLungenalveolenliegtderSauerstoffpartialdruckinMeereshöhebeica.62%,also133hPa,dadieeingeatmeteLuftmitderindenAlveolenvorhandenenLuftvermischtwird.AmMountEverestsindes62%von63hPa,also39hPa.DaimGewebenur16%desSauerstoff-partialdrucksvorliegen,liegtderWertmit10hPadeutlichunterdemWertinMeereshöhemit53hPa.DieausreichendeSauerstoffversorgungistdaherkaumgewährleistet.



ErythrocytentransportierendenSauerstoff(Seite91)

A1 $ KohlenstoffmonooxidentstehtbeiunvollständigenVerbrennungsvorgängenwiebeimZigarettenrauchenundbindetca.200-malfesteranHämoglobinalsSauerstoff.BegründenSie,warumRaucherwenigerleistungsfähigsind.

– DievomKohlenstoffmonooxidbesetztenHämoglobin-MolekülefallenfürdenSauerstofftrans-portaus.Anmerkung:DaskannbeieinemRaucherdurchaus1/3desHämoglobinssein.Entspre-chendschlechtwerdendieMuskelnmitSauerstoffversorgtundentsprechendschlechtistihreLeistungsfähigkeit.

A2 $ Erythropoetin(EPO)isteinHormon,welcheshauptsächlichinderLeberunddenNierengebildetwird.EsregtdieBildungvonErythrocytenan.ErklärenSie,weshalbEPObeimDopingvonAusdauersportlerneinegroßeRollespielt.

– DurchEPOwirdfüreinehöhereZahlanErythrocytenpromm3BlutgesorgtunddadurchdieSauerstoffversorgungderMuskelnverbessert.Anmerkung:Allerdingskannesbeisolchem„Blutdoping“zusohohenErythrocyten-Wertenkommen,dassdieFließfähigkeitdesBlutesindenKapillarennichtmehrgewährleistetist.DerTodderSportlerkanndieFolgesein.

RegulationderSauerstoffkonzentrationimBlut(Seite92)

A1 0 FührenSiefolgendesExperimentdurchunddeutenSiees.MessenSie30slangIhrenPulsundIhreAtemfrequenzinRuhe.MachenSie30Kniebeugen.MessenSiePulsundAtem-frequenzerneutundvergleichenSie.MessenSie2minnachderAnstrengungerneut.

– individuelleLösung

A2 $ ErstellenSieeinPfeildiagrammmitdenanderAtemregulationbeteiligtenTeilenunderklärenSiedarandasErgebnisdesExperimentesausAufgabe1.

– individuelleLösung,Beispiel:

DererhöhteSauerstoffverbrauchführtzurAbsenkungdesSauerstoffpartialdrucksimBlut.DieswirdvomAtemkontrollzentrumwahrgenommen.EsregtdieAtemmuskulaturan(höhereAtemfrequenz)undführtzuerhöhtemPuls.DurchRegelungwerdendieWertenachEndederAnstrengungwiederzurückgeführt.

Material:Sauerstoffbindung(Seite93)

A1 $ BeschreibenSiedieWirkungvonSäureaufdieSauerstoffbindungdesHämoglobins(Bohr-Effekt).

– KohlenstoffdioxiderhöhtdieSäurekonzentrationimBlut.DerVergleichderdreiBindungskurveninAbbildung2zeigt:JehöherderKohlenstoffdioxidgehaltist,destoflacherverläuftdieBin-dungskurve.SäurevermindertalsodieBindungsfähigkeitdesHämoglobinsfürSauerstoff.DasistderBohr-Effekt.

A2 $ BeieinemerhöhtenKohlenstoffdioxidgehaltimBlutändertsichderSättigungsgraddesHämoglobinsmitSauerstoffinderLungenurwenig,indenMuskelnwirdaberdeutlichmehrSauerstofffreigesetzt.ErläuternSiedieseZusammenhängeanhandvonAbb.2.

– InderLungeherrschtwegendesLuftaustauscheseinrelativhoherSauerstoffpartialdruck.Hierzeigendie3BindungskurvenausAbbildung2nurgeringeUnterschiedeinderSauerstoffsät-tigung,sieunterscheidetsichnurumca.5%.AndersimBereichniedrigenSauerstoffpartial-druckes:Dortverlaufendie3Kurvensehrsteil,derUnterschiedinderSauerstoffsättigungbeigleichemPartialdruckisterheblichgrößerunderreichtDifferenzenvonüber20%.(Tipp:MitdemparallelzurOrdinateangelegtenLinealausmessenlassen!)

+

+

—Atemkontrollzentrum

Chemorezeptoren

SauerstoffpartialdruckimBlutKohlenstoffdioxidpartialdruckimBlut

AtemkontrollzentrumChemorezeptoren

Atemmuskulatur



A3 $ TintenfischetropischerRegionenwerdenimkaltenWasseroftmalstotaufgefunden.BeschreibenSiedieGrafikinAbb.3underklärenSiedasPhänomenanhandderDaten.

– DieniedrigeWassertemperaturbewirkt,dassSauerstoffzwargutindenKiemenvomHämo-cyaningebundenwird.ErwirdaberindenMuskelnnichtwiederfreigesetztundstehtdaherfürdenStoffwechselunddieEnergiegewinnungnichtzurVerfügung.DieTiereerstickenwegenderzufestenBindungdesSauerstoffsansHämocyanin.

SauerstoffundNährstoffe(Seite94)

A1 0 BeschreibenSieAbb.1underklärenSiedieVeränderungenderBlutbestandteilemithilfedesTextes.

– DieAtemgaseundNährstoffewerdenimBlutinnerhalbdesKörpersverteilt.DargestelltsindSauerstoffundKohlenstoffdioxid,sowiedieGlucosealseinBeispielfürNährstoffe.DieGlucosegelangtimDünndarmindasBlutundwirdimKörperverteilt.HierbeiwirddieKonzentrationdurchdenVerbrauchimKörpergeringerunddurchdieBewegungdesBlutesimmerwiederergänzt.DerSauerstoffgelangtüberdieLungeindenKörper,dasKohlenstoffdioxidwirdinderLungeabgegeben.DieMuskulaturistalsBeispielfürdieEnergieumwandlungeingezeichnet.HierwirdSauerstoffundGlucoseverbrauchtundKohlenstoffdioxidfrei.

Praktikum:AuchPflanzenatmen(Seite95)

A1 BeschreibenSiedieVeränderungenwährenddesVersuchs.– KalkwasserindernachgeschaltetenWaschflaschewirddurchdieBildungvonCalciumcarbonat

getrübt.Diesbeweist,dassdieKeimlingeKohlenstoffdioxidabgeben.

A2 ErläuternSiedieFunktionderverschiedenenWaschflaschen.– DieKalilaugeindererstenWaschflaschebindetinderLuftenthaltenesCO2.Daszeigtdie

nächsteWaschflaschean:DasKalkwasserwirddurchdiehindurchströmendeLuftnichtgetrübt.DieKeimlingeinderdrittenWaschflaschewerdenaufihreAtmungsaktivitätgeprüft.Zeichendafür:TrübungdesKalkwassersindernächstenWaschflasche.

A3 FormulierenSiediechemischenReaktionsgleichungenfürdieWaschflaschen1,3und4.– InderWaschflasche1wirdinderLuftenthaltenesKohlenstoffdioxiddurchKalilaugegebunden:

2KOH+CO2→K2CO3+H2OInderWaschflasche3bildendieKeimlingeausGlucoseundSauerstoffderLuftKohlenstoffdio-xidundWasser:C6H12O6+6O2→6CO2+6H2OInderWaschflasche4bildetdiesesKohlenstoffdioxidmitdemKalkwassereinenNiederschlagvonCalciumcarbonat:Ca(OH)2+CO2→CaCO3+H2O

A4 FormulierenSiedasVersuchsergebnis.– PflanzenkeimlingeveratmenGlucose,diesieausihremReservestoffStärkebilden.Dabeient-

stehtKohlenstoffdioxid.

A5 VergleichenunderklärenSiedieTemperaturverläufeindenVersuchsansätzen.– DienochnichtvorgekeimtenSamenmüssenerstquellenunddieStärkeabbauendenEnzyme

bilden,umdenStärkeabbauzuaktivieren.DahersteigtbeiihnendieTemperaturzunächstnichtan.BeidenvorgekeimtenSamensindStärkeabbauundKeimungbereitsinvollemGang.DieausderStärkegebildeteGlucosewirdveratmet,einTeilderEnergiedieserReaktionwirdalsWärmefreigesetzt.

A6 BerechnenSieausdengemessenenWasserständenundderQuerschnittsflächederMano-meterröhrchendieVolumenänderunginjedemderbeidenKolben.

– BerechnungjenachVersuchsgerätennachderFormelV=r2πh

A7 VergleichenSiedieVolumenänderungenundbegründenSiediese.– ImKolbenmitderKalilaugeistdieVolumenveränderunggrößer.HierwirdfreigesetztesKohlen-

stoffdioxidalsKaliumcarbonatgebundenundnurderSauerstoffverbrauchderSamengemes-sen.

A8 EinerderbeidenVersuchsansätzeliefertdasVolumendesverbrauchtenSauerstoffs,deranderedasdesproduziertenKohlenstoffdioxids.OrdnenSiebegründetzu.

– OhneKalilaugemisstmandieDifferenzausSauerstoffverbrauchundKohlenstoffdioxidproduk-tion.Eswird,wennüberhaupt,nureinegeringereVolumenänderungeintreten.

A9 BerechnenSieausdenVolumenveränderungendieVoluminadesverbrauchtenSauerstoffsunddesproduziertenKohlenstoffdioxids.

– DenSauerstoffverbrauchkannmandirektausderVolumenabnahmedesKolbensohneKali-laugemessen.DasVolumendeserzeugtenKohlenstoffdioxidsergibtsichausderDifferenzderbeidenVersuchsansätze.



A10BerechnenSiedenRQ-Wert(s.Seite89)derSamenbeimKeimen.– DarausergibtsichRQ=VolumenerzeugtesCO2:VolumenverbrauchtesO2

A11DeutenSiedieErgebnissehinsichtlichderindenSamenveratmetenReservestoffe.– DasVolumenimKolbenohneKOHverändertsichpraktischnicht.Darausfolgt,dassindiesem

FallderRQpraktischbei1,0liegt,d.h.dassdieSamenvorallemKohlenhydrateveratmen.

A12DeutenSiedieimfolgendenVersuchgemessenenErgebnisse.– DieVolumenänderunginSpalte3zeigt,dassdieKOHetwasKohlenstoffdioxidausderLuft

absorbiert.DieserWertkanninderBerechnungabervernachlässigtwerden.DasVolumendeserzeugtenCO2ergibtsichalsoausderDifferenzderVolumenänderungvonAnsatz1undderVolumenänderungausAnsatz2,d.h.V(CO2)=1,2ml–0,1ml=1,1ml.DarauserrechnetsichderRQ-Wert:RQ=1,1ml:1,2ml=0,92.

Mitochondrien:Energiekraftwerke(Seite96)

A1 0 InformierenSiesichüberdieFunktionderinderRandspalteangegebenenOrganeunderklärenSieindiesemZusammenhangdieunterschiedlichenMitochondrienvolumina.

– IstderStoffwechseleinerZellehoch,benötigtdiesevieleMitochondrien.SospieltdieLebereinegroßeRolleimStoffwechselundbeiderEntgiftungdesKörpers.DahersindinihrenZellenvieleMitochondrienvorhanden.DieHypophyseisteinTeildesGehirns,welcheseinengleich-mäßigen,abergeringenStoffwechselhat.DieHerzmuskelsindinderKammerstärkerindenmechanischenPumpmechanismusdesHerzenseingebundenalsimVorhof,daherliegenauchindenZellenderKammer-HerzmuskelnmehrMitochondrienvor.DieWeißenBlutzellensindeinTeildesunspezifischenImmunsystems.SiesindnichtinbesondershohekörperlicheLeistungeneingebundenundhabendahernureinerelativgesehengeringeAnzahlanMitochondrien.

Material:BefundezumOrtderZellatmung(Seite97)

A1 . DeutenSiedieErgebnisseundformulierenSiemöglichstverschiedeneHypothesenzumAblaufderZellatmung.

– MitochondrienalleinbetreibenkeineZellatmung,denntrotzAnwesenheitvonGlucoseundSauerstoffwirdkeinSauerstoffverbraucht.MitochondrienundCytoplasmasindgemeinsaminderLage,Zellatmungzubetreiben:SauerstoffwirdbeiderGlucosezugabeverbraucht.DerAnstiegderSauerstoffkonzentrationnachca.5Minutenerklärtsichdaraus,dassdiezugesetzteGlucoseverbrauchtist.BeschleunigtdurchdenMagnetrührerlöstsichderLuftsauerstoffbiszurSättigunginderSuspension.Hypothesen:• DasCytoplasmaalleinistderOrtderZellatmung,enthältalsodiegesamtendafürnotwen-

digenEnzyme.• DieZellatmungfindetinmehrerenSchrittenstatt,teilsimCytoplasma,teilsindenMitochon-

drien.DieHypothesensinddurcheinenweiterenVersuchzuüberprüfen,beidemdieProbelö-sungnurCytoplasmaenthält.

A2 $ DeutenSiedieErgebnisse.– individuelleLösung

A3 $ ErläuternSieanhandderErgebnisse,woderGlucoseabbaudurchdieZellatmungerfolgt.– DaGlucosesichnichtinSilikonöllöst,kannsienichtindieunterstewässrigePhasegelangen.

Beib)undc)istdortdennochRadioaktivitätnachweisbar.RadioaktiveStoffemüssensichindenZellen(b)bzw.indenMitochondrien(c)befinden.Mitochondrienallein(a)führennichtzurAnreicherungvonRadioaktivitätinderunterstenPhase.IsolierteMitochondriennehmenalsokeineGlucoseauf.Glucosewirderstinandere,radioaktiveStoffeumgewandelt,diewiederuminnerhalbderMitochondrienindieunterstePhasegelangen.DieseUmwandlungvonGlucosefindetwohlimCytoplasmastatt.

A4 . ErmittelnSie,wodieerstensowiediespäterenAbbauschritteerfolgen.– DieerstenSchrittederZellatmungfindennichtindenMitochondrienstatt.

Anmerkung:DiegeringeRadioaktivitätinderSilikonphasehängtmitderRadioaktivitätnatür-licherStoffezusammen,waseinKontrollversuchnurmitSilikonbestätigt.



LebenbrauchtEnergie(Seite99)

A1 $ StellenSieeinenBezugzwischendenInformationenaufdieserSeiteundAbb.2aufSeite98her.

– CoenzymenehmenbeiderReaktionverschiedenerSubstrateanEnzymeneinewichtigeRolleein.NAD+isteinCoenzym,welchesElektronenundProtonenbeichemischenReaktionenüber-trägt.ATPhatdieseBedeutungbeiderEnergieübertragung.

Glucosewirdzerlegt:Glykolyse(Seite100)

A1 $ StellenSieeineBilanzderGlykolyseinFormeinesReaktionsschemasauf.GebenSiedabeiverbrauchteundneuentstandeneStoffean.

– Glucose+2NAD++2ADP+2Phosphat→2Brenztraubensäure+2NADH+2H++2ATP

A2 . ErklärenSie,welcheTeilreaktionenderGlykolyseexergonischundwelcheendergonischsind.StellenSiedabeiheraus,welcherTeilschrittfürdieATP-Bildungverantwortlichist.

– sieheTabelle;dieexergonischenReaktionensindfürdieBildungvonATPverantwortlich.

exergonisch endergonisch

PhosphoglycerinaldehydzuPhospho-glycerinsäure

GlucosezuGlucose-6-Phosphat

PhosphoenolbrenztraubensäurezuBrenztrau-bensäure

Glucose-6-PhosphatzuFructose-1,6-bisphosphat

DerCitronensäurezyklus(Seite101)

A1 $ FormulierenSiedieBilanzgleichungfürdenGlucoseabbaudurchGlykolyse,Decarboxylie-rungundCitronensäurezyklus.

– 1Glucose+6H2O+10NAD++2FAD+4ADP+4Phosphat→6CO2+10NADH+H++2FADH2+4ATP

ATP-Synthese(Seite103)

A1 $ FassenSiedieErkenntnisseausderErforschungdesProtonengradientenzusammen.– DieATP-ProduktionkanninVerbindungmiteinempH-GradientenzwischendemInnenraum

desMitochondriumsundderumgebendenLösunggebrachtwerden.DieäußereMitochon-drienmembranistfürProtonendurchlässig.DerProtonengradientimIntermembranraumändertsichdadurch,aberderProtonengradientalleinspieltkeineRolle,wennnichteinspezi-fischesEnzym,dieATP-Synthase,vorhandenist.

A2 . ErläuternSiedieexperimentellgewonnenenErkenntnisseundübertragenSiedieseaufdasModellinAbb.2

– MitochondrienwerdenineineLösungmitpH8(basisch)gebracht.Diesbedeutet,dassver-hältnismäßigwenigProtonenvorhandensind.AnschließendwerdendieMitochondrienineineLösungmitpH4(sauer)überführt.HierliegenvieleProtonenvor.DieProtonenkönnenüberdieMembranindenIntermembranraumeindringen.InAbb.2wirddiesdeutlichdurchdiehoheAnzahlderProtonenimoberenBereichderAbbildung.InderMatrixsindwenigerProtonen,diesistderuntereTeilderAbb.2.HierdurchentstehteinGradient.InkünstlichenMembransyte-menmitProtonengradiententstehtkeinATP.DurchdenEinbaudesEnzymsATP-SynthaseindieMembransystemebautsichderGradientabundesentstehtATP.DiesistinderAbb.2modell-artigdurchdiewassermühlenartigeStrukturdesEnzymsunddenSynthasekopfangedeutet.DieExperimentezeigenauch,dassderElektronentransportbeiderATP-SynthesenurüberdenAufbaudesProtonengradienteneineindirekteRollespielt.



Gärung—esgehtauchohneSauerstoff(Seite104)

A1 . EntwickelnSiewieinAbb.1mithilfederTextinformationeinReaktionsschemazuralko-holischenGärungunterBerücksichtigungallerZwischenprodukte.

– sieheAbbildung

Praktikum:VersuchezurGärung(Seite105)

A1 NachAblaufderZeitwirdinbeidenProbenwiebeiProbe1derpH-Wertermittelt.DeutenSiedasErgebnis.

– Untersuchung von Sauerteig: Probe1und2zeigenannäherndneutralepH-Werte(ca.6–7),Probe3ca.pH-Wert4.Deutung:InProbe3wirdeineSäureproduziert,wobeiEnzymebzw.lebendeOrganismenbeteiligtsind.DiesewurdeninProbe2durchErhitzenzerstört.DieGasentwicklung(„DerTeiggehtauf“)lässtvermuten,dassweitereProzessebeteiligtsind:KohlenstoffdioxidentstehtdurchAtmungund/oderGärungvonHefezellen.Backen eines Sauerteigbrotes: DasangegebeneeinfacheRezeptkannverfeinertwerden:DerTeigwirdlockerer,wennHefezu-gesetztwird.DasBrotwirdsaftiger,wennmandemTeigetwasSpeiseöloderMargarinezugibt.DerBackvorgangsolltemithoherTemperaturbeginnen(Vorheizenauf180–200°C)undnach20minauf160°Cabgesenktwerden.DieKrustewirddannnichtsohartundtrocken.VordemAbsenkenderTemperaturkannmandasBrotmitgequirltemEibestreichen.DasergibteineglänzendeKruste.DasselbstgebackeneBrotsiehtdemüblichenVollkornbrottrotzdemwenigähnlich.WennmandemTeigaberHonig,ZuckercouleuroderPuderzuckerzusetzt,ent-stehtdashandelsüblich„dunkleVollkornbrot“,dessenFarbenichtsmitdem„vollenKorn“zutunhat,sondernnurdurchdenZuckerzusatzerreichtwird.

A2 BeobachtenSiedieLösungenindenWaschflaschenunddeutenSieIhreBeobachtungen.– DieCaliumhydroxidlösungindererstenWaschflaschebindetKohlenstoffdioxid,dasinderLuft

enthaltenist.EineTrübunginderzweitenWaschflascheistalsoaufdieKohlenstoffdioxid-ProduktionderHefezurückzuführen.ImbelüftetenVersuchsansatzfälltsieetwasgeringerausalsimunbelüfteten,dahierAtmungmöglichist.DabeiderGärungbedeutendwenigerATPproGlucose-EinheitentstehtalsbeiderAtmung,mussdieHefeimbelüftetenAnsatzzurProduktiondesnötigenATPwenigerGlucoseumsetzenalsimunbelüfteten,wosienurdurchGärungATPbildenkann.

A3 LassenSiedieAnsätze(ohneweitereHeizung)einenweiterenTagstehen.DestillierenSiedann(getrennt)denInhaltderbeidenReagenzgläser.VergleichenSiedabeidieSiedetempe-raturen.BegründenSiedenUnterschied.

– ImReagenzglasausdemunbelüftetenAnsatzlässtsichEthanoldurchDestillationnachweisen,dasdurchalkoholischeGärungentstandenist.ImbelüftetenAnsatzentstehtpraktischkeines,dahierdieHefeihrenEnergiebedarfausderAtmungdeckenkann.

A4 VersuchenSie,dieersten10TropfendesDestillatszuentzünden.BegründenSieUnter-schiedezwischendenbeidenAnsätzen.

– DerbelüftetenAnsatzzeigtbeiderDestillationeinenhöherenAnfangs-Siedepunkt,dahierkaumEthanolentstandenist.DieerstenTropfendesDestillatsenthaltenpraktischnurWasserundbrennennicht.AusdemunbelüftetenAnsatzkannEthanoldestilliertwerden(derAnfangs-Siedepunktdürfteum80°Cliegen),dasindenerstenTropfensohochkonzentriertist,dassesentzündetwerdenkann.

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��



A5 ErhitzenSieundvergleichenSiedieSiedetemperaturen.– DerAnfangs-SiedepunktliegtimReagenzglasausdembelüftetenAnsatzum100°C(Siedepunkt

desWassers),imunbelüftetenAnsatzbeica.80°C(SiedepunktdesEthanols:78°C).

A6 WennDampfausdemSteigrohrströmt,versuchenSie(mehrmals),ihnzuentzünden.Wel-chenStoffweisenSiedamitnach?

– AusdemunbelüftetenAnsatzwirdeinWasser-Ethanol-GemischinsSteigrohrdestilliert.ImSteigrohrkondensiertes,wirdaberdurchdieHitzevonuntenerneutverdampft.DaEthanolniedrigersiedetalsWasser,wirdesdurchdieKondensations-undVerdampfungsschritteimSteigrohrimmerhöherkonzentriert(PrinzipderfraktioniertenDestillation)undreichertsichimDampfsohochan,dasserentzündetwerdenkann.

A7 VergleichenSiebeideAnsätzeinBezugaufSiedetemperaturundBrennbarkeit.BegründenSie.

– DiesistimbelüftetenAnsatznichtmöglich,dahierkaumEthanolentstandenist.

Material:DrehscheibeCitronensäurezyklus(Seite107)

A1 $ BerechnenSiedieATP-Produktionfür1gFett.– DieMolmasseerrechnetsichausderSummenformelC57H113O6einesFettmoleküles.EinMolsind

daher893g.Promolwerden460molATPgebildet.893gentsprechen460mol,1gentspricht0,515molATP(460/893).

A2 $ BerechnenSiedieATP-Produktionfür1gGlucose.– DieMolmassederGlucoseberechnetsichausderSummenformelC6H12O6.EinMolsind180g.

PromolGlucosewerden38molATPgebildet.1gGlucosebildetdaher0,211molATP(38/180).

A3 $ ErläuternSieanhanddesMaterialsdenbiologischenVorteilderFettspeicherungfürdieKolibris.

– ProGrammFettwirdgegenüberderGlucosedie2,4-facheMengeanATPgebildet.DiesehatdenbiologischenVorteil,dasbeinurgeringemGewichtderKolibris,dasFettwesentlichmehrATPfürdenlangenFlugzurVerfügungstellt.

A4 $ BeschreibenSieAbb.3underläuternSiedieverschiedenenMesswerte.– DieAbbildungzeigtdieLachswanderungvomPazifischenOzeanindenQuellbereicheines

kanadischenFlusses.EingetragensinddieMesswertederLachseinBezugaufdieEnergieaus-gabenderLachse.ImAnfangsbereichliegtderHauptanteilbeidenFetten.DiesenehmenimVerhältniswährendderWanderungimmermehrab.DerAnteilderProteinenimmtimVerhält-nisimmermehrzu.InderEndphaseliegtderHauptanteilimBereichdesGlykogens.

A5 $ ErläuternSiemithilfedesCitronensäurezyklus,weshalbimmereinekleineMengeGlyko-generhaltenbleibt.

– Glykogen(tierischeStärke)istderEnergieträgerderimMuskelundderLebergespeichertwird.GlykogenwirdschnellinGlucoseaufgespalten,diefürdieMuskelfunktionunddieTätigkeitdesGehirnsbenötigtwird.DahermussimmereinegewisseMengeGlykogenvorhandensein,dieüberdenCitronensäurezyklusausdenFettenundProteinengebildetwird.VonbesondererBe-deutungistes,dassdieFortpflanzungmitderGametenbildungamEndederWanderungnocheineausreichendeMengeanGlykogenbenötigt.

A6 . ErklärenSie,wieeszudemhohenGlykogenanteilvordemLaichenkommt,obwohlkeineNahrungmehraufgenommenwird.

– ÜberdenCitronensäurezykluswirdderletzteTeilderKörperproteineinGlucoseundGlykogenumgewandelt.

A7 $ NehmenSieStellungzuderAussage:„DerLachshatsichaufseinerWanderungselbstverdaut".

– DieAussageistrichtig,daprimärdieFettreservenundimVerlaufderWanderungdieMus-kel-undDarmproteineinGlucoseumgewandeltundfürdenEnergiehaushaltgenutztwerden.HierdurchsinddieLachsefastohneMuskulaturundVerdauungsorgane,wennsieimseichtenLaichgewässerankommen.



Material:Glucoseabbau(Seite109)

A1 0 BeschreibenSiediebeidenSchematainAbb.1undAbb.2.– DiebeidenSchematastellenmodellartigdenGlucoseabbauunddieEnergieumwandlungdar.

DasSchemainAbb.1gehtsehrreduziertaufdieVorgängeeinundstelltdieTeilvorgängeimCytoplasmaundimMitochondriumdar.HierbeiwirddieATPBildungdenTeilprozessenzuge-ordnet.DasSchemainAbb.2gehtetwasgenaueraufdieTeilprozesseimMitochondriumein.

A2 . ErläuternSie,welchederbeidenModellvorstellungendieZusammenhängederEner-gieumwandlungbesserverdeutlichenkann.StellenSiehierbeidiejeweiligenGrenzenderbeidenModelledar.

– DieAbb.1machtdeutlichwelcheTeilprozessebeimgesamtenGlucoseabbauauftreten.Hierbeiwirddeutlich,dassdergrößteTeildesATPsinderAtmungskettegebildetwird.DieAbb.2hingegenmachtdieVorgängedeutlich,gehtjedocherstvonderBrenztraubensäureaus.HierbeiwerdendieVorgängepräziseraufgeschlüsselt.DieunterschiedlichenATP-Mengenwerdenje-dochnichtherausgestellt.Abb.1verschaffteinenÜberblickinBezugaufdasATP,vernachlässigtaberdieMechanismen.Abb.2gehtschematischaufdieMechanismenein,vernachlässigtaberdieverschiedenenATP-BildungsstellenundstelltdieAtmungsketteindenVordergrund.

A3 $ ErläuternSieanhandderAbb.3dendargestelltenVorgangunterdenfolgendenAspekten:„InderOrdnungstecktEnergie"und„EnergieträgerElektron".

– InAbb.3sindmodellartigdieinnereMitochondrienmembran,derProtonengradient,diePro-tonenpumpeunddieATP-Synthasedargestellt.DerAspekt„InderOrdnungstecktEnergie”wirddeutlich,daimlinkenTeilderAbbildungdieProtonenaufderAußenseiteinhöhererAnzahl„geordnet”vorliegenundesdurchdenAusgleich(rechterTeilderAbbildung)zurgleichmäßigenVerteilung(ungeordnetererZustand)kommtundsomitdieATP-Bildungermöglicht.DerAspekt„EnergieträgerElektron”wirdimlinkenAbbildungsteildeutlich,dadieenergiereichenElektro-nendieProtonenpumpenantreibenunddenGradientenaufbauen.

A4 $ BeschreibenSie,woherdieenergiereichenElektronenimMitochondriumstammen.– DieElektronenstammenausdemCitronensäurezyklusausdemAbbauderBrenztraubensäure.

A5 $ ErklärenSiemithilfederStoffwechselvorgänge,wiedieErythrocytenihrenATP-Haushaltaufrechterhalten.

– ErythrocytenbesitzenkeineMitochondrien.SiebindenzwardenSauerstoff,könnendurchdasFehlenderMitochondrienjedochkeinenAbbauderBrenztraubensäuredurchführen.DieAtmungskettefehltebenfalls,sodassderSauerstoffkeineVerwendungfindenkann.DieEner-gieumwandlungfürdenEnergiehaushaltderErythrocytenerfolgtdahernurüberdieMilchsäu-regärungimCytoplasma.

A6 . ErstellenSieeineSkizze,inderSiedieZusammenhängederVorgängeinderLeberundindenErythrocytendarstellen.–

Material:WinterschläfernutzenMitochondrien(Seite110)

A1 0 BeschreibenSieanhandderThermografiendieErwärmungderFledermäusebeimAufwachen.ErklärenSie,welcheRolledieserVorgangbeiderTemperaturregulationspielenkann.

– DieWärmewirdzuerstimBereichdesSchultergürtelsgebildet.HierbefindetsichdasbrauneFettgewebe.ImLaufederZeitbreitetsichdieWärmeweiternachuntenaus.InderletztenAufnahmeistdanndasganzeTiererwärmt.BeiderTemperaturregulationderWinterschläferistdieserWärmeverlaufvorteilhaft,weilnacheinerAuskühlungkurzfristig(angeregtüberdasNervensystem)undenergiesparendWärmevomBewegungsapparatüberdenganzenKörperverteiltwerdenkann.

Glucose

Erythrocyt Leberzelle

Glucoseaufbau

Glucose

Milchsäuregärung

2ATP

Milchsäure



A2 $ OrdnenSiedendargestelltenSauerstoffverbrauch(Abb.untenlinks)denThermografienzuundbegründenSieIhreEntscheidungen.

– DerSauerstoffverbrauchsteigtmitsteigenderKörpertemperatur.ErsinktmitdemEinschlafen(Ruhe)derTiereundistaufdemniedrigstenNiveauwährenddesWinterschlafs,indemdieKörpertemperaturebenfallsaufdemniedrigstenNiveauist.KleineSchwankungenimSauer-stoffverbrauchwerdenwährenddesWinterschlafsüberdasbrauneFettgewebeausgeglichen.

A3 $ BeschreibenSieanhanddernebenstehendenAbbildungendenUnterschiedzwischendenZellendesweißenunddesbraunenFettgewebes.WelcheVermutungenlassensichunterdemAspektdesEnergiestoffwechselsaufstellen?BegründenSiediese.

– braunesFettgewebe:vielekleineFetttropfen,vielCytoplasma,vieleMitochondrien,SteuerungdesEnergiestoffwechselsüberNerven,hauptsächlichWärmeproduktionzumschnellenTempe-raturausgleich.weißesFettgewebe:eingroßerFetttropfen,wenigCytoplasma,wenigMitochondrien,SteuerungüberHormone,ATP-ProduktionindenMitochondrien.DasweißeFettgewebedientalsFettspei-cherzurEnergiereserve.

A4 $ VergleichenSieanhandderAbbildunguntenrechtsdieVorgängeanderinnerenMito-chondrienmembranindenMitochondriendesbraunenFettgewebesmitdenenimweißenFettgewebe.

– DieVorgängeindenMitochondrienderweißenFettzellenentsprechendenVorgängeninallenZellenzurATP-ProduktionüberdenProtonengradienten.DieVorgängeindenMitochondriendesbraunenFettgewebessindvonderATP-Produktionentkoppelt.DerProtonengradientwirdfürdieBildungvonWärmegenutzt.

A5 $ FledermäusehabeneineungünstigerelativeOberfläche(s.Seite87).MuskelzitternerzeugtWärme,dievondenanderOberflächeliegendenMuskelnschnellabgegebenwird.ErläuternSiedenbiologischenVorteildesbraunenFettgewebes.

– MuskelzitternhatdenNachteil,dasseinTeilderEnergieumwandlungfürdiemechanischeEnergiedesZitternsgebrauchtwirdundnureinTeilfürdieErwärmunggenutztwerdenkann.DurchdieLagederMuskulaturanderOberflächestrahltdieseWärmeschnellab.DasbrauneFettgewebeliegtimKörper,sodassdieWärmeausderKörpermitteandieOberflächegelangt.FastdergesamteAnteildesProtonengradientenwirdinWärmeumgesetzt.Dieshatdenbiolo-gischenVorteil,dassnichtsovieleEnergiereservenbenötigtwerdenwiebeimMuskelzitternunddasTierlängerdenFettvorratnutzenkann.

Material:DerStoffwechseltauchenderSäugetiere(Seite111)

A1 $ VergleichenSiedieSauerstoffspeicherdesMenschenunddesWalesbeimTauchen.ErklärenSieindiesemZusammenhangdieBedeutungunddieFunktiondesMyoglobinsbeilangenTauchgängen.GehenSievonder10-fachenMyoglobinmengebeidenWalenaus.

– DieGrafikzeigt:DerMenschhataugenscheinlichseinemeistenSauerstoffreserveninderRestluftderLungeundgebundenimHämoglobindesBlutes.WalenutzenähnlichstarkwiederMenschdenSauerstoffspeicherdesBlut-Hämoglobins,dagegenabernurwenigdenderLunge.ImMuskelistbeiWalendeutlichmehrSauerstoffgespeichertalsbeimMenschen,derMyoglo-bingehaltihrerMuskelnistungleichgrößer.

A2 . MenschenkönnennachlängerenTauchgängennurlangsammitmehrerenPausenauf-tauchen,umdieTaucherkrankheitzuumgehen:BeidemhohenDruckinderTiefelöstsicheinegroßeMengederLuftinderBlutflüssigkeit.BeizuschnellemDruckabfallkönnenLuft-bläschenausperlenunddurchVerstopfungundZerreißenderKapillarenzuBewusstlosigkeitoderzumTodeführen.LeitenSieausderAbbildungobenunddenInformationenGründeab,warumdieTaucherkrankheitbeiWalennichtauftritt.

– WalenehmennureinengeringenLuftvorratindieTiefe,sodassauchnurwenigSauerstoffimBlutplasmagelöstwerdenkann.DerHauptanteilderSauerstoffswirdchemischamHämo-globingebundenundMyoglobinmitgeführt.AußerdemistdieTauchzeitderWalebedeutendkürzeralsdievonMenschenmitLuftvorratinGasflaschen.DaherhabendieGaseinderLungeweitwenigerZeit,umsichunterhohemDruckinderBlutflüssigkeitzulösen.

A3 $ BeschreibenSiedieVeränderungenderKonzentrationenvonSauerstoff,Kohlenstoffdi-oxidundMilchsäureimBlutderWeddell-RobbewährendeinesTauchganges(s.Abb.unten).ErklärenSiedieseimZusammenhangmitdenStoffwechselvorgängenindenZellen.

– DerSauerstoffvorratderRobbennimmtkontinuierlichab,imgleichenMaßsteigtderCO2-Ge-haltimBlutan.DerAnstiegderMilchsäureamEndedesTauchgangeslässtdaraufschließen,dassdannaufgrunddesSauerstoffmangelsEnergiedurchMilchsäuregärunggewonnenwird.DasCO2wirdnachdemAuftauchenschnellabgeatmet,derSauerstoffvorratimBlutebensoschnellergänzt.DieMilchsäurewirdebenfallsschnellabgebaut.



A4 $ ErklärenSiediestarkenUnterschiedederAtmungvorundnachdemTauchen.Berück-sichtigenSiehierbeidieVeränderungderPulsfrequenzwährenddesTauchvorganges.

– VordemTauchenatmetdieRobbenormal.DieSauerstoffvorrätesindaufgefüllt,dieBlutkon-zentrationenvonO2undCO2normal.NachdemTauchensinddieO2-Speicherleer,siewerdendurchstärkeresAtmenwiederaufgefüllt.DeraufgenommeneSauerstoffwirddanebenauchzurOxidationderangehäuftenMilchsäureverbraucht.DerhoheCO2-GehaltdesBlutesnimmtdurchdieverstärkteAtmungnachdemTauchenschnellwiederab.DieSauerstoffvorrätefürdasTauchenliegenimWesentlichenimMyoglobinderMuskeln,siemüssennichtmitdemBlutzuihnenbefördertwerden.EinestärkereHerztätigkeitmachtdaherkeinenbiologischenSinn.

A5 $ ErläuternSie,dassdieMuskelntrotzdieserSenkungderPulsfrequenznichtunterVersor-gungsproblemenleiden.

– DasMyoglobinderMuskelnistderSauerstoffspeicher.DasgespeicherteGlykogenistdieNähr-stoffreservezurEnergiegewinnung.EineVersorgungdurchdasBlutistdahersokurzfristignichtnötig.

A6 . ZumBeginndesTauchgangesatmetdieRobbevollständigaus.ErläuternSiedieVorteile,diediesesVerhaltenbietet.

– LuftbedeutetzumeinenAuftriebunderschwertdasAbtauchen.ZumanderenherrschtindenTauchtiefenderRobbeeinhoherWasserdruck,deralleluftgefülltenOrganezusammenpressenwürde.DurchdiesenDruckwürdeauchSauerstoffundStickstoffderAtemluftindasBlutplasmagedrückt.DieGefahrderTaucherkrankheitbestünde.

DieMuskelkontraktion(Seite112)

A1 $ Beizustarker,ungewohnterDauerbelastungeinesMuskelsverkrampfter:Erwirdsteifundhart.ErläuternSiemöglicheUrsachen.

– DieZufuhrvonATPistunzureichendunddieMyosinköpfchenkönnensichnichtvomAktinlösen,d.h.die„Weichmacher-Wirkung“vonATPfehlt.

Material:DieRolledesATPbeiderMuskelkontraktion(Seite113)

A1 $ ErmittelnSiemithilfederobigenVersuchsergebnissedierichtigeReihenfolgederSche-mataindernebenstehendenAbbildung.

– BezügezudenTextteilensindinKlammernangegeben;durchdierichtigeReihenfolgeergibtsichdasLösungswortAKTIN:Bild„A“:DurchdenEinflussderNervenimpulseerhöhtsichdieCa2+-KonzentrationimCyto-plasma(2).DadurchverändertMyosinseineräumlicheStrukturso,dassesmitAktininKontakttritt(6a).DieanAktingebundenenProteineverändernihreLage.SowirddieBindungvonAktinundMyosinmöglich.Bild„K“:DieATPase-WirkungdesMyosins(5)kommtzumTragen,ATPwirdzuADPundPgespalten.Bild„T“:NachderPhosphatabspaltunglöstsichADPvomMyosinkopf(4).DasMyosinändertdadurchseineräumlicheStruktur(6b).Bild„I“:EinneuesATP-Molekülkannangelagertwerden.Bild„N“:DieATP-Anlagerungführtzur90°-StellungdesMyosinkopfes,MyosinlöstsichvonAktin(6b).

A2 $ StirbteinWirbeltier,sotrittnacheinigenStundenTotenstarreein:AlleMuskelnwerdenstarrundhart.GehetztesWildzeigtnachdemTodeeineextremkurzeZeitbiszumEinsetzenderTotenstarre.ErklärenSiediesePhänomene;überlegenSie,inwelcherPhasederneben-stehenderAbbildungsicheinMuskelinTotenstarrebefindet.ErläuternSie.

– NachdemTodwirdkeinATPmehrproduziert.DashatzweiKonsequenzen:DielonenpumpenkommenzumErliegen(d.h.esliegteinerelativhoheCa2+-KonzentrationimCytoplasmavor)undATPalsinstabilerStoffnimmtallmählichab(kannalsodieATP-Bindungsstellenichtmehrbesetzen).Stellung„K“bleibterhalten.BeidemgehetztenWildistderATP-Vorratminimal,alsodieZeitbiszurTotenstarrebesonderskurz.

A3 $ DieZugabevonATPaufeinenfrischisoliertenMuskelführtnicht,wiemanzuerstvermu-tenkönnte,zueinerKontraktion.ÜberlegenSieMöglichkeiten,eineKontraktionauszulösen.

– EinfrischisolierterMuskelkannalleindurchATPnichtkontrahieren,dennzusätzlichisteinehoheCa2+-Konzentrationnotwendig(6c).ErbleibtunterATP-Einfluss„weich“(„N“).UmKontrak-tionenauszulösen,müssenCa2+-lonenzugeführtwerden.



StoffwechselvorgängebeimSport(Seite115)

A1 $ Untersuchungenzeigen,dasseinSportlerherzbiszu200ml,dasHerzeinesUntrainierten100bis120mlBlutproHerzschlagindieAortapumpt.DieAnzahlderKapillarenindenMuskelnnimmtbeiSportlernebenfallszu.ErklärenSiedieBedeutungdesTrainingsfürdieStoffwechselvorgänge.

– DieZunahmedesHerzvolumensführtzueinerSteigerungderPumpleistungbeinormalerHerzfrequenz.DieZunahmederKapillarisierunginderMuskulaturführtzueinereffizienterenDurchblutung,damehrStoffeproZeiteinheitzwischenMuskelundBlutausgetauschtwerdenkönnen.BeideEffekteerhöhendieSauerstoffversorgungderMuskulaturbeihoherLeistung.

A2 . ÜberfordernsichLäuferinderanaerobenPhase,wirdsehrvielMilchsäuregebildet,diedasBlutstarkansäuert.DurchdenBohr-EffektkommteszueinerverändertenBindefähig-keitdesSauerstoffsandasHämoglobin(s.Seite93).ErklärenSieanhandderBindungs-kurven,zuwelchenVeränderungeneskommtundwiesichdieseaufdenLäuferauswirkenkönnen.

– AusderSauerstoffbindungskurvedesHämoglobinsinAbbildung3wirddeutlich,dassmitzunehmendemCO2-GehaltdesBlutesundderdamitverbundenenleichtenAnsäuerungdieBindefähigkeitsinktunddadurchdieSauerstoffabgabeimGewebebeschleunigtwird.Diesbedeutet,dassbeihoherLeistungderMuskelnmehrSauerstoffimgleichenZeitraumbereit-gestelltwerdenkann.DieAnsäuerungdurchdieMilchsäureunterstütztdiesenEffekt.DieSportlerkommendadurchnichtsoschnellindenBereichdesSauerstoffdefizits.

Trainingja—Dopingnein(Seite116)

A1 0 FassenSieGründefüreinsinnvollesTrainingzusammenunderörternSie,wieesdabeizumDopingkommenkann.

– TrainingkannvereinfachtinKrafttrainingundAusdauertrainigaufgeteiltwerden.KrafttrainingführtzueinerVergrößerungdesMuskelquerschnitts.AusdauertrainingverbessertdieaerobePhasederEnergieumwandlungdurcheineverbesserteDurchblutungundKapillarisierungderMuskulatursowiedieVerbesserungdesHerzschlagvolumens.Dopingkommtdurcheinübertrie-benesVerständnisvonLeistunginsSpiel.AusschlaggebendkannaberauchdieOptimierungeinesgewünschtenschönenKörperssein.

Material:TrainingverfändetdenKörper(Seite117)

A1 $ BeschreibenSiedieDatenzurrotenundweißenMuskulaturinAbb.2.ErklärenSiean-handderAbbildungunddesTextesdenZusammenhangmitderjeweiligenSportart.

– DierotenMuskelfasernsindgutdurchblutetundüberwiegendaerob.SiesindwichtigfürdasAusdauervermögenundermüdennichtschnell.DieweißenMuskelfasernsindmäßigdurchblu-tetundüberwiegendanaerob.SieleistenschnelleArbeit,sindaberschnellermüdet.InAbb.2sinddieFasernunterschiedlichenSportartenzugeordnet.MarathonläuferhabeneinenrelativhohenAnteilanroterMuskulatur.HierdurchhabensiedenVorteileinerlanganhaltendenAusdauerundeinergeringenMuskelermüdung.SprinterundKugelstoßerhabeneinenrelativhohenAnteilanweißerMuskulatur.HierdurchhabensiedenVorteileinersehrhohenundschnellenMuskelarbeit.Ausdaueristhierbeinichterforderlich.

A2 . FilmanalysenvonFußballspielenzeigten,dassFußballspielerwährendeinesSpielsca1,2kmaufdemSpielfeldzurücklegen,ca.24%imBereichdermaximalenGeschwindigkeit.DerGlykogenspeicherverändertsichindieserZeitvon15g/kgMuskulaturauf2g/kg.Erläu-ternSiediesenZusammenhanganhanddesTextes.

– DieFußballspielerbraucheneinelangeAusdauer.BeieinemViertelderSpielzeitwurdediemaximaleGeschwindigkeiterreicht.DerGlykogenspeicherinderMuskulaturistdieenerge-tischeGrundlagewährenddesSpiels.DieweißeAusdauermuskulaturhateinenhohenGlucose-bedarf,dasiezueinemgroßenAnteilanaerobarbeitetunddieATP-Ausbeutedadurchgeringerist.



A3 $ BeschreibenunderläuternSieAbb.4.DieroteKurvebeziehtsichaufeinenVersuchsan-satz,beidemwährendeinerintensivenTrainingsphase70%derNahrungausKohlenhydra-tenbestand,beiderblauenKurvewarenes40%Kohlenhydrate.

– InAbb.4istderGlykogengehaltimMuskeldargestellt.Aufderx-AchseistdieZeitinStundenaufgetragen.HierbeihandeltessichumTrainingsphasenundRuhephasen.Aufdery-AchseistMuskelglykogenkonzentrationinmmolproKilogrammMuskelgewichtaufgetragen.DieErgebnisseinderrotenKurvewurdengemessenanSportlerndie70%derErnährungdurchKohlenhydrateabdeckten,dieErgebnisseinderblauenKurvevondenSportlernmiteinemKohlenhydratanteilvon40%.DieGlykogenwerteliegenbeibeidenUntersuchungenvordererstenTrainingsphasegleichhochundsankennachdererstenTrainingsphaseaufdiehalbeKonzentration.InderfolgendenRuhephasegehtderGlykogenwertinderrotenKurvedeutlichhoch,derWertinderblauenKurvewirddeutlichgeringer.MitjederTrainingsphasewerdendieGlykogenwertewiederkleiner,dieWertederrotenKurveerreichenjedochinderRuhephaseimmerwiederdenAusgangswert.DieWerteinderblauenKurvewerdenkontinuierlichgeringer.AusdiesenMessungenkannmanableiten,dasseinAusgleichderGlykogenkonzentrationimMuskelnurbeieinemKohlenhydratanteilvon70%inderNahrungausgeglichenwerdenkannund40%nichtausreichen.DieErnährungbeisportlichaktivenPhasenmussdahersehrkohlen-hydrathaltigsein.

A4 $ BeschreibenSiedieAbb.5bis7underklärenSiedieDatenindenjeweiligenAbbil-dungen.

– InAbb.5istdasMitochondrienvolumenin%desMuskelfaservolumensangegeben.Beiuntrai-niertenPersonenliegtderWertunterhalbvon4%,beisportlichenPersonenetwasüber4%undbeiLeistungssportlernbeica.8%.DasAusdauertrainingfördertdemnachdasMitochondrien-volumenindenMuskelfasernundführtzueinerhöherenaereobenEnergieumsetzung.InAbb.6istdieCytochromC-AktivitätübereinenZeitraumvon12WochenSchwimmtraininggemessenworden.DieWertesteigenkontinuierlichüberdieTrainingsphasean.CytochromCistindenMitochondrieneinTeilderElektronentransportketteundzeigtdaherergänzendzuAbb.5dieSteigerungderMitochondrienaktivitätdurchdasTraining.InAbb.7istderGesamtproteinge-haltundderMitochondrienproteigehaltin%gegendieZeitvon16WochenSchwimmtrainingaufgetragen.DerGesamtproteingehaltsteigtvon100%aufca.110%,derMitochondrienpro-teingehaltvon100%aufüber160%.AuchdieseMesswertezeigendiestarkeZunahmederMitochondrienaktivitätdurchdasAusdauertrainig.

A5 $ ErläuternSie,welcheBedeutungdieVeränderungeninderMuskulaturdurchdasAusdau-ertrainingfürdenEnergiehaushaltdesKörpershaben.

– DieZunahmederAnzahlundderAktivitätvonMitochondrieninderMuskulaturdurcheinAus-dauertrainingzeigtdeutlichdieFörderungderaerobenStoffwechselvorgänge.DieseAussagewirdunterstütztdurchdieWerteinAbb.3,beiderdieKapillarenproMuskelfasernbeiunter-schiedlichtrainiertenPersonengemessenwurde.BeiuntrainiertenPersonenliegtdieZahlbei3bis4,beiuntrainiertensportlichenPersonenbei4undbeisportlichtrainiertenPersonenbei5.DieseMessungenergänzendieMessungenzudenMitochondrien,dahierdurcheinebessereSauerstoffzufuhrfürdiegesteigertenaerobenVorgängeermöglichtwird.

Übungen:Stoffwechsel(Seite118/119)

A1 0 BeschreibenSieAufbauundDurchführungdesVersuchs.– InkünstlichekleineBiomembrankugelnwurdenisolierteIonenpumpeneingebaut.Dannwurde

dieATP-ProduktiongemessenundebensodieProtonenkonzentration(alsoderpH-Wert)imInnenraumderKugelnundimAußenmedium.ImzweitenSchrittwurdeindieseKugelndasEnzymATP-SynthaseeingebautunddiepH-Wertewurdenwiederumgemessen.

A2 $ ErläuternSiedasErgebnisunterdemAspektdesProtonengradienten.– DerProtonengradientzwischenKugelinnenraumundUmgebungführtalleinnichtzueinerATP-

Produktion.ErstderProtonengradientunddasEnzymATP-Synthasezusammenführendazu,dassATPausADPundPhosphatgebildetwird.MitdiesemExperimentkonntedieBedeutungderATP-Synthaseverdeutlichtwerden.

A3 0 BeschreibenSiediebeidenDiagrammeinAbb.3.– ImlinkenDiagrammistdieCO2-AbgabeinGrammproStundegegendieTageszeitaufgetragen.

Gegen8:00UhrliegtdieAbgabebeica.0,1g/h.DieCO2-Abgabesteigtsteilanunderreichtgegen16:00UhrihrMaximumbeica.1,0g/h.DanachfälltdieCO2-Abgabebis20:00UhraufdenAusgangswertvonca.0,1g/hzurück.ImrechtenDiagrammistdieKolbentemperaturundLufttemperaturin°CgegendieTageszeitaufgetragen.DieKolbentemperaturliegtum8:00Uhrbeica.25°C,dieTemperaturderLuftebenfalls.DieKolbentemperatursteigtbis16:00Uhrsteilaufca.34°Can,dieLufttemperaturhingegennurauf26°C.Nach16:00UhrsinktdieKolbentem-peraturrapidebis20:00Uhraufca.25°C,dieLufttemperaturebenfalls.



A4 $ ErklärenSieinZusammenhangmitdemTextdieErgebnisseausdenDiagrammenunderörternSiediebiologischeBedeutungderVorgängefürdenAronstab.

– DerAronstabwächstimschattigenWaldundhatdaherandereBestäuberalsPflanzeninson-nigenBiotopen.DurchdasVerströmenvonkotartigemGeruchwerdenKäferundFliegenange-lockt.DieErhöhungderKolbentemperaturimTagesverlauferhöhtdieVerbreitungdesGeruchsunddaherdieAnlockungserfolge.DieTemperaturerhöhunggehtparallelmitderStoffwechsel-rateimKolben.DieCO2-AbgabeverläuftparallelzurTemperaturimKolben.DieAktivitätindenMitochondrienunddieMöglichkeitanstellederATP-ProduktiondieTemperaturzuerhöhen,machendiesenVorgangmöglich.EinenEinflussderLufttemperaturaufdieKolbentemperaturkannmanausschließen,dadieLufttemperaturwesentlichniedrigerbleibt.

A5 $ BeschreibenSiedieGrafikinAbb.4underläuternSiedenZusammenhangmitdemimTextgenanntenPhänomen.

– InderGrafikistdieKörpertemperaturin°CvonInsektenimBrustbereichundimHinterleibgegendieUmgebungstemperaturin°Caufgetragen.DieTemperaturimBrustbereichliegtbeieinerAußentemperaturvon10°Cbeica.35°Cundsteigtbisaufca.45°CbeieinerAußentempe-raturvon45°C.DieTemperaturimHinterleibliegtbeieinerAußentemperaturvon10°Cbeica.12°CundsteigtmitzunehmenderAußentemperaturkontinuierlichbis45°Cbei40°CAußentem-peraturan.InsektenhabenimBrustbereichdurchdievielenMuskelneinehoheStoffwechsel-rate,diezueinerErhöhungderKörpertemperaturführt.HierdurchkönnendiePoikilothermendieTemperaturauchbeiniedrigenAußentemperaturenerhöhen.ImBereichdesHinterleibs,indemwenigMuskelnundOrganemitStoffwechselaktivitätenvorliegen,istdieKörpertempera-turandieAußentemperaturgebunden.

A6 $ ErklärenSiedenUnterschiedzwischenpoikilothermenundhomoiothermenTierenan-handdesgenanntenPhänomensauchunterdemAspektderEnzymatik.

– DasPhänomenzeigt,dassdieKörpertemperaturandieAußentemperaturgekoppeltistundnurgezielteMuskelaktivitätenzueinerpunktuellenErhöhungderKörpertemperaturführen.BeiHomoiothermenistdurchdiegleichbleibendhoheStoffwechselratez.B.derLebereinEinflussdurchdieUmgebungstemperaturaufdieKörpertemperaturnichtvorhanden.

A7 $ DeutenSiedenKurvenverlaufinAbb.6underläuternSiediebiologischeBedeutung,dassfetalesHämoglobineineandereStrukturhatalsdasderErwachsenen.

– BeiallenPartialdrückenistdasfetaleHämoglobinstärkermitSauerstoffgesättigtalsdasmütterliche.EshatalsoeinehöhereAffinitätzuSauerstoffundkanndemmütterlichenBlutdadurchSauerstoffentziehen.DiesistgeradeinderPhasevonWachstumundEntwicklungüberlebenswichtig.

A8 $ BeschreibenSieAbb.7unddeutenSiesie.– SauerstoffoxidiertinderEndoxidationNADH+H+zuNAD+.DabeiwirdEnergiefreigesetzt.

OhneSauerstoffkanndieseReaktionallerdingsnichtstattfinden.DaherstehtdemOrganis-muszunehmendwenigerNAD+zurVerfügung(undNADH+H+reichertsichan).NAD+wirdaberinderGlykolysezwingendzurOxidationbenötigt.OhneNAD+kanndaherdieGlykolyseunddamitderersteTeilderGlucose-Zerlegungnichtablaufen.DieVersorgungdesKörpersmitenergiereichenStoffenwäredannnichtmehrgewährleistet.DieGärungisteineAngepasstheitdaran,dadurchBildungvonEthanoloderMilchsäureNAD+regeneriertwird.DazureagiertBrenztraubensäuremitdemvorhandenenNADH+H+.

A9 $ ZeichnenSiedenimTextbeschriebenenVersuchsaufbau,mitdemdieUntersuchungendurchgeführtwurden.

– indviduelleLösung

A10$ ErklärenSieanhanddergemessenenDatenausAbb.8,welcheAussagenzurWirkungs-weisederEnzymegemachtwerdenkönnen.

– DieBlindprobeläuftgenausoschnelldurchdasVersuchsgefäßwiedieProbemitAmylase;diesbedeutet,dassAmylasedasHühnereiweißnichtzersetzenkann.DadasEiweißallerdingsbeiZugabevonPepsinschnellerdurchdasRohrläuft,hatdiesesdiesperrigenProteinketteninkleinereEinheitenzerlegt.DiesepassenbesserdurchdasRöhrchen,wasdenschnellerenDurchstromerklärt.DieserZersetzungsvorgangverläuftindenerstenSekundenrechtschnell,verlangsamtsichdannabervonSekundezuSekunde.Diesbedeutet,dassdasPepsinnahezualleMöglichkeitenausgeschöpfthat,dieanSchnittstellendurchdasEiweißangebotenwerden.EineweitereZer-setzungistnunnichtmehrmöglich.InsgesamtbelegtderVersuchdasSchlüssel-Schloss-Prinzip,demgemäßeinEnzymnurganzbestimmteSubstrateumsetzenkann:PepsinkannEiweißezerlegen,Amylaseabernicht.



A11$ BeschreibenSiedieDateninAbb.10underläuternSiedieZusammenhängezurEnergie-versorgungdesKörpersbeilangfristigenBelastungen.

– InderAbbildungistderAnteilderverfügbarenEnergiein%gegendenZeitraumeinerinten-sivenArbeitinStundenaufgetragen.DerAnteildesverfügbarenMuskelglykogenssinktvomBeginnderArbeitüberdenZeitraumvoneinerStundevon100%auf0%.Nachca.10MinutenArbeitsteigtderAnteildesLeberglykogenabbausvon0%aufca.50%undsinktnachca.70MinutenlangsamaufeinenWertvonca.10%,dernach150Minutenerreichtist.Nach2StundenArbeitwirdGlucoseneugebildetundsteigtvon0%auf20%.DerAnteilderFett-säurensteigtnachca.30Minutenvon0%kontinuierlichaufca.70%.DieEnergiereserveindenMuskelninFormdertierischenStärkeGlykogendientalsersteRe-servebeilangfristigenkörperlichenLeistungen.BeianhaltenderBelastungwirddasGlykogeninderLebermobilisiert.FettestehenimKörperverteiltzurVerfügungundstellenenergiereicheReservendar.DerGlucoseanteildarfjedochtrotzderBelastungnichtuntereinebestimmteSchwellesinken,dahierdurchdieVersorgungdesGehirnsnichtgewährleistetist.SiemussdaherbeisinkenderKohlenhydratversorgungundstärkererFettnutzungintensiviertwerden.

A12. ErklärenSie,welcheRollederCitronensäurezyklusbeiderBereitstellungderjeweiligenEnergiequellenspielt.

– DerCitronensäurezyklusspieltbeidiesenVorgängeneineRollealsProtonenlieferantfürdieATP-Synthese,aberauchfürdieNutzungvonFettenunddieUmwandlungvonFetteninKohlen-hydrate,diefürdasGehirngenutztwerden.


42 Basiskonzepte

Basiskonzepte:System(Seite121)

A1 ErläuternSie,weshalbdiePinguineinAbb.4alsSystembetrachtetwerdenkönnen.WelcheAspektedesSystemgedankensspielenhierbeieineRolle?

– BiologischeSysteme,hierdiePinguine,habenspezifischeEigenschaften:eineStoffumwand-lungundeineEnergieumwandlung.AlleSystemehabeneineUmgebung,hierdieBedingungenderAntarktis,mitdenensieimKontaktstehen.EserfolgteineständigeWärmeabgabeandieUmgebungundeineständigeEnergieaufnahmeüberdieNahrung.

A2 BeschreibenSiedieRegulationindemSystemOrganismusamBeispieleinesSportlersbeiunterschiedlicherkörperlicherAnstrengung.

– DerSportlerstehtmitseinerUmgebunginständigemKontakt.DieTemperaturdesSportlerserhöhtsichimLaufedersportlichenBetätigung.DieWärmeabgabeandieUmgebungnimmtdaherzu.DieKörpertemperaturwirdreguliertdurchdieKühlungüberdenSchweiß,derinderUmgebungverdunstetunddadurchdenKöperkühlt.DieEnergieabgabeandieUmgebungwirdständigreguliert,umdieKörpertemperaturzuhalten,jedochauchumnichtunnötigeEnergieandieUmgebungabzugeben.Umdienotwen-digeEnergieaufzubringenisteineEnergieaufnahmeindas„SystemSportler“notwendig.

A3 ErläuternSiediegemeinsamenAspektefüreinenSportlerundeinenPinguinunderklärenSie,welcheVorteileeineVernetzungunterdemAspektdesSystemsbringt.

– AndemBeispieldesSportlersunddesPinguinskannmanerkennen,dassessichinbeidenFällenumdasgleicheKonzepthandelt.EnergiewirdandieUmgebungabgegeben.EinezuhoheEnergieabgabeistbeibiologischenSystemenjedochriskant,dadieseEnergiedurchdieNahrungwiederaufgenommenwerdenmuss.

A4 ErläuternSie,obderZellkernebenfallseinSystemdarstellt(s.Seite20).– BiologischeSystemesindauchgekennzeichnetdurchdieWeitergabeundAusprägunggene-

tischerInformation.DerKernistzwareinBestandteilderZelle,mankannihnaberauchalsSystemunddieZellealsUmgebungauffassen.

A5 BakteriensindProkaryoten.BeschreibenSiedieUnterschiedezwischenPro-undEukaryoten.ErläuternSie,obBakterienauchalseinSystemgesehenwerdenkönnen,undbegründenSieIhreEntscheidung.

– SiebesitzenkeineOrganellenundkeinenZellkern.DieDNAliegtoffenimPlasmaineinemalsKernäquivalentbezeichnetenBereich,hatjedochkeineZellkernhülle.ZusätzlichliegenkleineringförmigeDNA-Strängevor,diePlasmide.DiesekönnensehrverschiedenseinundGenefüraußergewöhnlicheStoffwechselwegetragen.DieZellmembranderBakterienhatnachinnengerichteteEinstülpungen.AndiesenkönnenEnergieumwandelndeReaktionenablaufen,diedenVorgängenindenMitochondrienähnlichsind.DiemeistenBakterienbesitzenaufderZellmembraneineZellwand,diealsStützskelettdient.BakterienkannmanauchalsSystemauffassen,dasieeineUmgebunghaben,mitdersieinVerbindungstehen,umenergiereicheSubstanzenausderUmgebungaufzunehmen.ÜbergenetischeschnelleVeränderungenregulierensieihreZellaktivitäten.RegulationistaucheineEigenschaftvonSystemen.

A6 BetrachtenSiedasDarmsystemunterdemAspektderUmgebungeinesSystemsundstellenSiedar,welchespezifischenEigenschaftenhierimVordergrundstehen(s.Seite62).

– DasDarmsystemliegtinnerhalbdesmenschlichenKörpers,istjedochgleichzeitigdieUmge-bung,daesdenKontaktzurAußenweltherstellt.DieHautisteineaußenliegendeFlächemiteinemAustauschzurUmgebung,derDarmeineinnenliegendeFlächemiteinemAustauschzurUmgebung.MankanndahereigentlichnichtvoneinemSystemsprechen.

Basiskonzepte:StrukturundFunktion(Seite123)

A1 BetrachtenSiedieStrukturdesGolgi-Apparates(s.Seite66)unterdemPrinzipderOberflä-chenvergrößerungundstellenSiedieErgebnissestrukturiertzusammen.

– DurchdieOberflächenvergrößerungisteinhoherUmsatzundAustauschmitderUmgebunginderZellemöglich.GleichzeitigsinddieFunktionen(Teilvorgänge)indeneinzelnenTeilkomparti-mentendifferenziert,jenachdemobsieaufderdemNucleuszugewandtenoderabgewandtenSeiteliegen.HierdurchkönnenExocytose-undEndocytosevorgängeparallelablaufen.

A2 FluoreszenzfarbstoffewerdenmitAntikörpernverbundenundermöglichendenmikrosko-pischenNachweisverschiedenerSubstanzen.BeschreibenunderklärenSiedieseUntersu-chungsmethodeunterdemAspektdesSchlüssel-Schloss-Prinzips(s.Seite37).

– DasSchlüssel-Schloss-PrinzipspielthierdieentscheidendeRolle,daselektivnachkonkretenStrukturengesuchtwird.DiemolekularenSondenkönnennurunterdiesenBedingungenein-deutigeErgebnissebeimNachweisgesuchterStrukturenliefern.

Basiskonzepte


43 Basiskonzepte

A3 ErläuternSiedieBedeutungderOberflächeinBezugaufdasKörpervolumenbeiOrganis-meninkaltenundwarmenLebensräumen(s.Seite86).

– DieKörperoberflächehatinBezugaufdieumgebendeTemperatureinehoheBedeutung.DieOberflächemussimVerhältniszumKörpervolumenmöglichstkleinsein,uminkaltenRegionennichtsovielEnergieinFormvonWärmeabzugeben.InwarmenRegionenisteineAbgabevonWärmeenergiejedochaufwändiger.HieristeinegroßeOberflächeunddieMöglichkeitderBewegungsinnvoll.

A4 DerProtonengradientermöglichterstdieATP-Synthese.ErstellenSieeineZeichnung,mitderenHilfeSiedasKonzeptvonStrukturundFunktionverdeutlichen.

sieheAbbildung

Basiskonzepte:Entwicklung(Seite125)

A1 StellenSietabellarischEntwicklungsvorgängeaufverschiedenenSystemebenenzusammen.ErläuternSie,weshalbnurdieBetrachtungaufdenverschiedenenSystemebenensinnvollist.

– DieMechanismenderEntwicklungindeneinzelnenSystemebenensindjedochsehrunter-schiedlichundhabenkeineGemeinsamkeit.

Systemebene Entwicklungsvorgang

Zelle ZelldifferenzierungmitZelltododererneuterZellteilung

Organismus EmbryonalentwicklungundAlterung

Biosphäre evolutionäreVeränderungen

A2 VergleichenSiedieVorgängebeiderindividuellenundderevolutionärenEntwicklung.– DiebeidenVorgängehabenvonderbiologischenBedeutunghernichtsgemeinsam.Siestellen

nureinezeitlicheVeränderunginverschiedenenDimensionendar.DieindividuelleEntwicklungführtzueinemneuenOrganismus,dieevolutionärezuverschiedenenOrganismen.

hoheProtonenkonzentration

niedrigeProtonenkonzentration

innereMitochondrienmembran

ADP

ATP

P1+

H+

H+ H+

H+

H+ H+

H+ H+

H+


Documents

DO01045451 Loesungen S001 020 - asset.klett.de · 3 Inhalt Inhalt Arbeitsmethoden in der Biologie 4 1 Zellforschung 6 1. 1 Zellen werden untersucht 6 1. 2 Die Funktion des Zellkerns