Lernaufgabe passiver und aktiver Transport, … › fd-bio › mainSpace › files › ...Lernaufgabe Zellbiologie Beat Niederberger 7 2.3 Aufgabe 2 Diskutiert folgende Fragen zu viert:

Lernaufgabe Zellbiologie Beat Niederberger

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Lernaufgabe passiver und aktiver

Transport, Endocytose und Exocytose

Beat Niederberger 2. November 2015

FD Biologie PH Bern


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1 Information zur Lernaufgabe

1.1 Einbettung im Lehrplan Die Lernaufgabe wird im Lehrplan im 9. Schuljahr im Themenkomplex der Grundlagen der Zellbiologie eingegliedert. Demnach ist unter den Grobzielen im gymnasialen Lehrplan des Kanton Berns festgehalten, dass Gymnasiasten/innen sich mit dem Bau und Funktionen einer Zelle auseinandersetzen. Sie sollen grundlegende Stoffwechselvorgänge in Zellen und Zellverbände beobachten und deren Bedeutung in Grundzügen erfassen. Dabei ist bei den Inhalten festgehalten, dass sie unter anderem den passiven und aktiven Transport von verschiedenen Molekülen durch die Zellmembran kennen und verstehen. Zudem wissen sie was eine Phagozytose ist und in welchem Zusammenhang diese Prozesse ablaufen.

1.2 Einbettung im Unterricht In den vorherigen Lektionen wurden die menschliche und die tierische Zelle behandelt und besprochen. Im Biologie-Praktikum wurden zudem einige Beispiele von pflanzlichen Zellen unter dem Lichtmikroskop angeschaut. Die SuS präparierten aus einer Zwiebel eigens angefertigte Präparate, welche sie zusammen unter dem Lichtmikroskop untersuchten und die Zellbestandteile besprechen konnten. Auch die tierische Zelle und ihre Bestandteile wurden anhand von elektromikroskopischen Aufnahmen besprochen. Die Zellmembran mit ihren Bestandteilen wurde angeschaut und anhand von verschiedenen Aufgaben bearbeitet und gefestigt. Die Diffusion und die Osmose wurde bereits im Unterricht und anhand eines Experiments anschaulich erklärt. Die Lipiddoppelschicht und ihre semipermeable Durchlässigkeit sind vor der Lernaufgabe bekannt.

1.3 Lektionsbeginn

Die ersten fünf Minuten der Lektion werden für die Repetition der letzten Wochen verwendet. Es werden die Zellbestandteile der tierischen und pflanzlichen Zellen repetiert sowie der Prozess der Diffusion und der Osmose. Das Experiment zur Diffusion wird noch einmal besprochen und die dazugehörigen Fachbegriffe an der Wandtafel wiederholt.

1.4 Lernziele

Die SuS kennen den Unterschied zwischen aktivem und passivem Transport und wissen, welche Molekültypen jeweils durch die Zellmembran transportiert werden. Die SuS können das Prinzip und den Prozess des passiven/aktiven Transports mit den Fachbegriffen erklären und skizzieren. Die Sus kennen die Begriffe Endocytose und Exocytose und deren Unterschiede. Die SuS kennen die Prinzipien und die Abläufe der Endocytose/Exocytose und können sie erklären und skizzieren.


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2 Lernaufgabe Zeit: 35‘ Lösen der Aufgaben 15‘ Besprechung Sozialform: Lesetext und Definitionskärtchen als Einzelarbeit Besprechen der Fragen und erstellen des Modells In Vierergruppen Material: Lesetext, Aufgabenblätter, Schreibmaterial, Video auf dem Laptop, Bau-und

Bastelmaterial

2.1 Lesetext Wie wir gesehen hatten, können lipophile und sehr kleine ungeladene Moleküle wie Sauerstoff, Kohlenstoffdioxid und Wasser Membranen ohne Schwierigkeiten passieren. Dabei ist das hydrophobe Innere der Lipiddoppelschicht für Ionen und grösseren polaren Moleküle nahezu undurchdringlich. Sie werden mithilfe von Transportproteinen oder Transportern durch die Membran geschleust. Passiver Stofftransport Bei den Transportproteinen unterscheidet man zwischen Kanälen und Carriern. Kanäle werden von Tunnelproteinen gebildet, die die Membran ganz durchspannen. Zum Innern des Kanals hin tragen sie polare Aminosäuren. Dadurch können kleine polare oder geladene Teilchen wie Ionen über diese Kanäle in die Zelle gelangen. Ein Tunnelprotein ist nur für Ionen einer bestimmten Grösse oder einer bestimmten Art durchlässig. Die meisten Kanäle öffnen sich erst auf ein bestimmtes Signal hin. Dies kann ein Botenstoff sein, beispielsweise ein Hormon oder die Änderung des elektrischen Potentials. Carrier sind auf ganz bestimmte Moleküle spezialisiert, für die sie – ähnlich wie Enzyme - eine Bindungsstelle haben. Wenn sich der Carrier kurzzeitig mit dem Substrat verbindet, ändert er seine Konformation. Durch diese Umlagerung wird das betreffende Molekül durch die Membran geschleust und auf der anderen Seite freigesetzt. Manche Carrier haben Bindungsstellen für zwei verschiedene Moleküle. Sie ändern ihre Konformation erst dann, wenn beide Bindungsstellen besetzt sind. Der Transport erfolgt in der gleichen oder in entgegengesetzter Richtung (Cotransport). Dieser spezifische Transport findet ebenso wie der Transport über Tunnelproteine immer in Richtung des Konzentrationsgefälles statt. Die Zelle muss dafür keine Energie aufwenden. Es handelt sich also um passive Transportmechanismen. Kanaltransport und passiven Carriertransport bezeichnet man auch als erleichtere Diffusion Aktiver Transport Beim Bakterium Escherichia Coli übertrifft die Konzentration des Milchzuckers im Zellinnern diejenige in der Umgebung um das 2000fache. Eine solche Anreicherung von Milchzucker ist durch passive Transportvorgänge nicht möglich. Viele lebensnotwendige Stoffe liegen ausserhalb der Zelle nur in geringer Konzentration vor und müssen daher gegen das Konzentrationsgefälle durch die Membran befördert werden. Für den aktiven Transport muss die Zelle Energie bereitstellen. Er erfolgt ebenfalls mithilfe von Carriern Beim primär aktiven Transport erfordert das An- oder Abkoppeln des Substrats selbst Energie. In vielen Fällen wird die Energie auch dazu verwendet, einen Ionengradienten zu erzeugen. Der zu transportierende Stoff wird dann zusammen mit den zurückströmenden Ionen von einem Carrier durch die Membran befördert (sekundär aktiver Transport).


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Abbildung 1: Aktiver und passiver Stofftransport Wasser und kleine Moleküle diffundieren entweder durch die Membran oder werden von Transportproteinen in die Zelle geschleust. Grössere Moleküle oder Nahrungspartikel dagegen können die Membran passieren, indem sie in Membranbläschen oder Vesikel eingeschlossen werden Vesikel, die eine bestimmte Grösse überschreiten, nennt man Vakuolen. Der Vorgang, bei dem Stoffe mithilfe von Vesikeln oder Vakuolen in die Zelle gelangt, heisst Endozyztose. Der entsprechende Prozess der Stoffausscheidung wird als Exocytose bezeichnet. Endozytose Weisse Blutkörperchen können Krankheitserreger oder gealterte Blutzellen in sich aufnehmen und verdauen. Dabei senkt sich zunächst ihre Zellmembran an der Stelle ein, die mit dem Fremdkörper in Berührung kommt. Ist dieser ganz von der Membran umschlossen, schnürt sich eine Vakuole ab und befördert das aufgenommene Material in die Zelle. Dort verschmilzt die Vakuole meist mit Lysosomen, die Verdauungsenzyme enthalten. Die Form der Endocytose, bei der feste Partikel aufgenommen werden, bezeichnet man als Phagozytose. Gelangen Flüssigkeitströpfchen in die Zelle, spricht man von Pinocytose. Bei der Pinocytose nimmt die Zelle alle in dem Tropfen gelösten Stoffe mit auf. Sehr spezifisch verläuft dagegen die rezeptorvermittelte Endocytose. Rezeptorproteine ragen aus der Membran heraus. Sie tagen spezielle Erkennungsstrukturen, an die nur ganz bestimmte Moleküle binden. Die Rezeptoren finden sich gehäuft an leicht eingesenkten Membranstellen, den coated pits, die auf der Cytoplasmaseite besondere Proteine tragen. Sobald der Stoff an die Rezeptoren bindet, bilden sich mit Proteinen ummantelte Vesikel, die coated vesicles. Mithilfe der der rezeptorvermittelten Endocytose können grosse Mengen einer Substanz aufgenommen werden, deren Konzentration in der Umgebung der Zelle sehr gering ist. So gelangt beispielsweise Cholesterin als Baumaterial für Membranen oder als Synthesevorstufe für Hormone aus dem Blut in die Zellen Exocytose

Abfallstoffe der Zelle, aber auch Sekrete aus Drüsenzellen werden ausgeschieden, indem Vesikel mit der Zellmembran in Kontakt treten. An der Berührungsstelle verschmelzen die Membranen, sodass eine Öffnung entsteht. Der Inhalt des Vesikels wird nach aussen abgegeben. Auf diese Weise entleeren Einzeller ihre pulsierende Vakuole und stossen aus den Verdauungsvakuolen unverdauliche Reste aus.


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Abbildung 2: Endozytose


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2.2 Aufgabe 1 Definiere die folgenden Begriffe in eigenen Worten! Schneide anschliessend die verschiedenen Zeilen aus und falte sie in der Mitte zusammen, so kannst du sie für die Prüfungsvorbereitung nutzen!

Transportproteine

Erleichterte Diffusion

Primär aktiver Transport

Sekundär aktiver Transport

Konformationsänderung

Vesikel

Vakuole

Phagocytose

Pinocytose

Rezeptorvermittelte Endocytose


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2.3 Aufgabe 2 Diskutiert folgende Fragen zu viert: -Was sind die Hauptunterschiede der vier verschiedenen Transportwege (passiver Transport, aktiver Transport, Phagocytose) und was sind deren Vor- bzw. deren Nachteile? -Warum ist eine semipermeable Membran überhaupt sinnvoll?

2.4 Aufgabe 3 Erstellt in der Vierergruppe ein eigenes Modell zu den verschiedenen Transportsystemen und fotografiert es. Nehmt dazu das bereitgestellte Material und seid kreativ! Das Modell soll vereinfacht die Prozesse des Stofftransportes darstellen. Beschriftet dazu die einzelnen Teile. Stellt euer Modell am Schluss dem Plenum kurz vor. (2-3 min) Für diese Aufgabe könnt ihr das Video, welches auf dem Laptop abgespielt werden kann, zur Hilfe nehmen.


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3 Quellen Alberts,B., 2005. Lehrbuch der Molekularen Zellbiologie. WILEY-VCH Verlag Gmbh & Co.

KGaA, Weinheim Cornelsen 2006, Biologie Oberstufe Gesamtband, Cornelsen Verlag Berlin Erziehungsdirektion des Kantons Bern, 2008: Lehrplangymnasialer Bildungsgang. Bern https://roempp.thieme.de/roempp4.0/do/data/RD-13-01190 https://de.wikipedia.org/wiki/Blut-Hirn-Schranke#/media/File:Endocytosis_types_de.png


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Lösungen:

Transportproteine

Kanäle und Carrier. Kanäle werden von Tunnelproteinen gebildet. Die Membran werden ganz durchstossen. Ionen für bestimmte Art durchlässig Carrier sind auf bestimmte Moleküle spezialisiert und haben eine Bindungsstelle. Ändern Konformation

Erleichterte Diffusion

Kanaltransport und Carriertransport. Braucht keine Energie. Passiert in Richtung des Konzentrationsgefälles.

Primär aktiver Transport

Erfordert für das An-Abkoppeln des Substrats Energie.

Sekundär aktiver Transport

Oft wird auch die Energie für die Bildung eines Ionengradienten verwendet. Der Transportstoff wird dann zusammen mit den zurückströmenden Ionen durch die Membran befördert

Konformationsänderung

Änderung der räumlichen Struktur des Transportproteins als Teil ihrer Funktion

Vesikel

Kleine rundliche Bläschen. Sie sind für den Transport von verschiedenen Stoffen in der Zelle zuständig

Vakuole

Ähnlich wie Vesikel. Sie sind aber sehr viel grösser als Vesikel. Können verschiedene Stoffe transportieren

Phagocytose

Die Form der Endocytose, bei der feste Partikel aufgenommen werden.

Pinocytose

Ein Prozess der Endozytose. Es werden Flüssigkeitströpfchen in die Zelle aufgenommen. Die Zelle nimmt die gelösten Stoffe auf.

Rezeptorvermittelte Endocytose

Sie ist sehr spezifisch. Proteine mit Rezeptoren ragen aus der Membran heraus und tragen spezielle Erkennungstrukturen, an welche bestimmte Moleküle binden können. Befinden sich an eingesenkten


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Membranstellen. Tragen auf der Cytoplasmaseite besondere Proteine

Aufgabe 2: Hauptunterschiede: - Der passive Stofftransport benötigt keine Energie des Köpers.

- Dieser Vorgang geschieht dauernd passiv im Hintergrund. Transport in den

- Kanäle eher unspezifisch - Carrier spezifisch - Aktive Transport benötigt Energie - Der aktive Transport ist in der Lage gegen ein

Konzentrationsgefälle zu arbeiten Phagozytose: - Dieser Vorgang besitzt keine Membranproteine - Die Membran wird zur Bildung von Vesikeln/Vakuolen benutzt - Pino/Phagozytose unspezifisch - Rezeptorvermittelte Endozytose sehr spezifisch

Vorteile passiver Stofftransport:

- Ohne „Aufwand“ des Körpers effizienter Austausch möglich Nachteile passiver Stofftransport:

- Kann nur in Richtung des Konzentrationsgefälles arbeiten Vorteile aktiver Stofftransport:

- Kann gegen ein Konzentrationsgefälle arbeiten Nachteile aktiver Stofftransport:

- Körper benötigt für diesen Prozess Energie Vorteile der Endo-/Exocytose:

- Benötigt keine Membranproteine - Einfacher effektiver Prozess - Kann direkt Stoffe aus dem extrazellulären Raum in die Zelle

schaffen - Kann sehr spezifisch sein -

Nachteile der Endo-/Exozytose: - Rezeptorvermittelte Endozytose ist eher kompliziert und

umständlich


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Aufgabe 3 So könnten die Modelle aussehen: Beispielmodell Passiver Transport Kanal/ Carrier:

Beispielmodell Phagocytose:


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