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Natura Fachhochschulreife Lösungen

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1 Die Zelle

1. 1 Cytologie

Vergrößerungstechniken (Seite 20/21)

1 NennenSiefürjedederVergrößerungstechnikendiespezifischenVorteile.Lupe: Aufsicht auf das Objekt ohne weitere Präparationsschritte möglich. Mikroskop: Deutlich stärkere Vergrößerungsmöglichkeit als Lupe, eher geringer Präparations- und Materialaufwand, gute Mög-lichkeit zum Verschaffen eines Überblicks über das Präparat. Kontrasttechniken: Maßnahmen mit relativ geringem Aufwand um Zellstrukturen sichtbar zu machen, die geringen Kontrast bieten, da sie sich nur wenig vom Cytoplasma abheben. Fluoreszenzmikroskopie: Möglichkeit, spezifische Anteile der Zelle mittels fluoreszierender Marker sichtbar zu machen. Superauflösende Mikroskopie: Lichtmikroskopische Untersuchung mit hohem Material- und Zeitaufwand, mit der Auflösungen unter 50 nm erreicht werden können.

Praktikum: Lichtmikroskopische Untersuchug von Zellen (Seite 22/23)

1 ProbierenSieausundbeschreibenSie,welchenEffekteshat,obdasDeckglaswiebeschriebenaufgelegtwirdoderobeseinfachnuraufdenWassertropfengelegtwird.Bei flachem Auflegen ist die Gefahr größer, dass Luftblasen im Wassertropfen eingeschlossen werden.

2 RecherchierenSie,warumesnichtgünstigist,dieKondensorblendeganzoffenoderganzgeschlossenzuhalten.Durch den Kondensor kann das Licht für das jeweilige Objektiv optimal eingestellt werden. Öffnet man die Blende, so steigt die Auflösung bei abnehmendem Kontrast; beim Schließen ist das umgekehrt. D. h. durch den Kondensor wird für das jeweilige Präparat der optimale Kompromiss zwischen Auflösung und Kontrast eingestellt. Nach jedem Wechseln des Objektivs muss die Aperturblende neu eingestellt werden.

3 ErklärenSie,welcheProblemebeizudickgeschnittenenPräparatenauftretenkönnen.Bei sehr dicken Präparaten kann das Licht von unten das Präparat nicht mehr durchdringen. Man sieht nur einen schwarzen Umriss.

4 BeschreibenSie,wasunterdemMikroskopzuerkennenist,wennSieungefärbteMundschleimhautzellenmikroskopieren.Die Mundschleimhautzellen sind kontrastarm. Wenn der Kondensor nicht optimal eingestellt ist, sind diese schwer zu erkennen. Je nachdem, ob man vorher gegessen hat, können auch Essensreste, manchmal auch Protozoen und Bakterien zu finden sein.

5 ZeichnenSieeinepflanzlicheundeinetierischeZellenebeneinanderundvergleichenSie.individuelle Lösung Bei pflanzlichen und tierischen Zellen findet man mit dem Schülermikroskop als Gemeinsamkeit Zellkern, Zellmembran und Zell-plasma. In der pflanzlichen Zelle kann man zusätzlich die Zellwand und die Vakuole sowie je nach Präparat Chloroplasten mit der typischen Zellplasmaströmung finden.

Das lichtmikroskopische Bild der Zelle (Seite 24/25)

1 MikroskopierenSieeinetierischeundeinepflanzlicheZelleundskizzierenSiedasmikroskopischeBild.BeschriftenSieIhreSkizzemithilfevonAbbildung1.individuelle Lösung

2 EinzellerkönneninKolonienhochkomplexkooperieren,trotzdemhabenVielzellergegenüberdenEinzellerkolonienVorteile.ErklärenSiediesenUmstand.Vielzeller können die differenzierten Zellen in Geweben nutzen, um in Aufgabenteilung Stoffwechsel zu betreiben.

Elektronenmikroskopie (Seite 26/27)

1 VergleichenSiedieLichtmikroskopieunddieTransmissionselektronenmikroskopie.NennenSieGemeinsamkeitenundUnter-schiede.Lichtmikroskope verwenden Glaslinsen und Lichtstrahlen, Elektronenmikroskope elektromagnetische Felder und Elektronenstrah-len. Elektronenmikroskopische Präparate müssen sehr viel aufwendiger vorbereitet werden (entwässern, fixieren, ultradünn-schneiden). Die Auflösungsgrenze eines TEM liegt mit 0,1 nm unter der eines Lichtmikroskops (100 nm) und auch der eines STEDs mit unter 50 nm.

2 BegründenSie,warumbeiderElektronenmikroskopiehäufigerArtefaktevorkommenalsbeiderLichtmikroskopie.Lebende Zelle laufen Gefahr, den Entwässerungs- und Fixierungsprozess sowie den Ultramikrotomschnitt nicht zu überleben.

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Methode: Gefrierbruchtechnik (Seite 27)

BeschreibenSiedieGefrierbruchtechnikmithilfederAbb.4.Das gefrorene Objekt wird nach dem Einfrieren mit einem Messer gebrochen. An der Bruchfläche lässt man dann das Eis sublimieren. Danach wird das Objekt seitlich mit Platin bedampft und mit Kohlenstoff beschichtet.

Eukaryotische Zellen (Seite 28/29)

1 VergleichenSieTier-undPflanzenzelle.NennenSietypischeGemeinsamkeitenundUnterschiede.Gemeinsamkeiten: Zellkern, ER, Golgi-Apparat, Ribosomen, Zellmembran, Cytoplasma, Mitochondrien Unterschiede: Pflanzenzellen besitzen zusätzlich eine Zellwand, i. d. R. eine Vakuole und Chloroplasten im fotosynthetisch aktiven Gewebe; Tierzellen verfügen über Lysosomen.

2 ErklärenSie,wieintierischenZellen,diekeineZellwandbesitzen,dieZellstabilitäterreichtwird.In tierischen Zellen wird Zellstabilität vor allem durch das Cytosklett und die darin häufiger enthaltenden Intermediär filamenten erreicht.

3 NennenSiediewichtigstenUnterschiedezwischenprokaryotischenundeukaryotischenZellen.Den Prokaryoten fehlt der Zellkern sowie membranumschlossene Organellen. Prokaryoten haben 70-S-Ribosomen, Eukaryoten hingegen 80-S-Ribosomen. Bakterien haben außerdem Murein als Baustoff in der Zellwand im Vergleich zu Chitin bei Pilzen und Cellulose oder Pektin bei Pflanzen.

Der Zellkern (Seite 30/31)

1 BeschreibenSiedieVersuchemitAcetabulariaundnennenSieSchlussfolgerungen,diemanausdiesenVersuchenziehenkann.Versuch oben: Einer entkernten Alge der Art Acetabularia mediterranea wird der arttypische Hut abgetrennt. Anschließend wird der entkernten Alge ein Zellkern der Art Acetabularia crenulata ins Rhizoid übertragen. Die Alge regeneriert einen neuen Hut, der nun typisch für die Art Acetabularia crenulata ist. Versuch unten: Einer Alge der Art Acetabularia crenulata und einer der Art Acetabularia mediterranea wird jeweils der Hut abge-trennt. Anschließend werden die beiden Rhizoide mit Zellkernen vereinigt. Die beiden Rhizoide regenerieren zusammen einen Hut, der einer Mischform der beiden arttypischen Hutformen entspricht. Aus beiden Versuchen kann man schließen, dass die Form des Hutes und damit Wachstumsprozesse durch den Zellkern gesteuert werden.

2 EntgegenfrühererAnnahmenistdasgenetischeMaterialauchaußerhalbderZellteilungineinemgeordnetenZustand(Abb.4).DieserkannjedochzwischenZelltypeninnerhalbeinesOrganismusvariieren.ErläuternSiedies.Auch außerhalb der Zellteilung nehmen Chromosomen bestimmte Positionen im Zellkern ein. Chromosomen im Zentrum des Kerns sind weniger dicht gepackt und ihr genetisches Material ist folglich aktiver als in Chromosomen des Randbereichs. In den unterschiedlichen Zelltypen eines Lebewesens (z. B. Muskel-, Nerven-, Knorpelzellen etc.) befinden sich jeweils v. a. diejenigen Chro-mosomen weniger dicht gepackt im Zentrum des Zellkerns, deren genetisches Material für den jeweiligen Zelltypus erforderlich ist. Dadurch ist es unter anderem möglich, dass in den unterschiedlichen Zellen desselben Organismus das jeweils für den Zelltyp erforderliche genetische Material aktiv ist.

Mitochondrien und Chloroplasten (Seite 32)

1 VergleichenSieChloroplastenundMitochondrienineinerTabelle.Gemeinsamkeiten: von zwei Membranen begrenzt, eigenes genetisches Material in Form ringförmiger DNA, eigene Ribosomen, starke Faltungen der inneren Membran Unterschiede: Mitochondrien — Kraftwerke der Zelle; Orte der Zellatmung; kleiner und i. d. R. häufiger in der Zelle als Chloro-plasten Chloroplasten: Orte der Fotosynthese; größer als Mitochondrien; in Algen z. T. nur ein Chloroplast pro Zelle

Material: Plastiden (Seite 33)

1 VergleichenSieintabellarischerFormdieunterschiedlichenPlastidentypen.Chloroplasten: Fotosynthese; Chromoplasten: Anlocken der Bestäuber oder Samenverbreiter; Leukoplasten: Speicherort (z. B. Amyloplasten: Speicherung von Stärke)

2 OrdnenSiedenunterschiedlichenOrganeneinerKartoffelpflanzediezugehörigenPlastidentypenzu.Knolle: Amyloplasten, Blütenblätter: Chromoplasten, Laubblätter: Chloroplasten

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3 ZurBildungderChloroplastenausProplastidenwirdLichtbenötigt.ErläuternSie,inwieferndiesvonVorteilist.Die Umwandlung erfolgt erst, wenn das für die Fotosynthese notwendige Licht auch vorhanden ist. Bei Lichtmangel können aus den Proplastiden andere Plastidentypen gebildet werden.

4 BenennenSiedieinAbb.3dargestelltenPlastidentypenunderläuternSiederenunterschiedlicheFunktion.Chloroplasten: Fotosynthese; Chromoplasten: Anlocken von Tieren für die Ausbreitung der Samen

5 OrdnenSiediemikroskopischenAufnahmeneinerPhasederFruchtreifeinAbb.3zu.links: reife Tomate (rote Färbung durch Chromoplasten); rechts: unreife Tomate (grüne Färbung durch Chloroplasten)

6 StellenSieeineHypotheseauf,warumdieschnelleVerfärbungderFruchterstamEndederFruchtreifeerfolgt.Erst mit der Reifung der Samen erfolgt die Umwandlung der Chloroplasten in Chromoplasten. Dadurch wird gewährleistet, dass ein Verzehr der Früchte und deren Verbreitung nicht zu früh stattfindet.

Zelldifferenzierung (Seite 34/35)

1 BenennenSiedieinAbb.3dargestelltenGewebetypen.Ganz außen befindet sich das Abschlussgewebe (Epidermis) des Kürbisstiels. Eingebettet im Grund- und Stützgewebe (Parenchym) befindet sich das Leitgewebe (Leitbündel) für den Stofftransport.

2 ErläuternSiedieunterschiedlicheZusammensetzungeinerjungenundeinerausdifferenziertenBlattzelle(Abb.4).In jungen Pflanzenzellen nehmen v. a. der Zellkern und das Zellplasma einen großen Raum ein, weil sich die Zelle noch in einem Wachstumsprozess befindet, in dem das genetische Material sehr aktiv ist. Es sind auch relativ viele Mitochondrien vorhanden, die Energie für Wachstumsprozesse bereitstellen. In ausdifferenzierten Blattzellen verleiht meist eine sehr große Vakuole der Zelle Festigkeit und dient als Speicherort von Stoffen. Hingegen sind nun weniger Mitochondrien vorhanden, weil für das Zellwachstum keine Energie mehr benötigt wird. Auch das Volumen des Zellkerns und des ER sind geringer, weil die Wachstumsphase mit hoher Stoffwechselaktivität beendet ist. Die Zelle verfügt nun über mehr Chloroplasten, um eine maximale Fotosyntheseleistung im Blatt zu erzielen.

Vom Einzeller zum Vielzeller (Seite 36)

1 BeschreibenSieanhandvonAbb.1b,wiedieEvolutionderSchwämmestattgefundenhabenkönnte.Aus einzelligen Kragengeißelflagellaten könnten sich Kolonien bildende Formen entwickelt haben. Große Kolonien könnten Hohl-körper gebildet haben, die in der weiteren Entwicklung Gewebe entstehen ließen und mit den Kragengeißelzellen durch Koordinati-on einen kontinuierlichen Wasserstrom erzeugten.

2 StellenSiedar,warumGoniumkeinechterVielzellerist.Kolonie aus gleichartigen Zellen, keine Arbeitsteilung bzw. Differenzierung (alle Zellen erfüllen die gleiche Funktion: Ernährung, Fortbewegung, Fortpflanzung, …)

Praktikum: Heuaufguss (Seite 37)

1 VergleichenSiedieKleinstlebewesenausIhrenPräparatenmitAbb.1undbestimmenSiedieLebewesen,wennmöglich.individuelle Lösung

2 ErklärenSiedenbevorzugtenAufenthaltsortdergefundenenLebewesen.Direkt an der Oberfläche befinden sich viele Bakterien, die den Sauerstoff für ihren Stoffwechsel aus der umgebenden Luft bezie-hen. Je nach Trübung des Aufgusses sind die fotosynthetisch aktiven Grünalgen und Geißelträger an der Oberfläche und inmitten des Gefäßes zu finden, um an genügend Licht für die Fotosynthese zu gelangen. Im freien Wasser befinden sich auch viele Wimper-tierchen und tierische Geißelträger, die sich v. a. von den Bakterien an der Oberfläche ernähren. Amöben und Bakterien sind v. a. im Bodensatz zu finden, in dem sie sich von abgestorbenen Kleinstlebewesen ernähren können.

3 VergleichenSieIhreErgebnissezurSukzessionmitdenAngabeninAbb.2.individuelle Lösung

4 DiskutierenSie,inwiefernsichdieUmweltbedingungenimHeuaufgussmitderZeitverändern.Zu Beginn vermehren sich im sauerstoffreichen Aufguss v. a. Bakterien, die hohe Vermehrungsraten aufweisen. Bakterien und deren Abfälle sind die Nahrungsgrundlage von anderen Kleinstlebewesen, die sich nun auch stark vermehren können. Durch fotosynthetisch aktive Kleinstlebewesen wird im Heuaufguss zusätzlich Biomasse aufgebaut. Diese kann von anderen Lebewesen wiederum als Nahrung genutzt werden. Durch diese Zunahme an Biomasse im Aufguss kann sich die anfangs gute Sauerstoffver-sorgung jedoch schnell durch den Abbau von abgestorbenen Lebewesen in eine schlechte Sauerstoffversorgung im Aufguss ändern.

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Material: Zellforschung (Seite 38)

1 NennenSiedieAnwendungsgebietevonZellkulturen.Mögliche Anwendungsgebiete sind Untersuchungen in der biologischen und medizinischen Forschung, z. B. bei der Herstellung von Medikamenten etc. Außerdem können Zellkulturen als Testsysteme für Toxizitätsstudien eingesetzt werden.

2 InKulturenmenschlicherZellenwerdenMedikamentebezüglichderWirksamkeitundderToxizitätuntersucht.DiskutierenSiedieVor-undNachteiledieserTestmethode.Vorteile: schnell, billig, Tierversuche können verhindert werden; Nachteile: Die Ergebnisse können nur begrenzt auf die Wirksam-keit und Toxizität in Lebewesen übertragen werden.

3 ErläuternSiedieToxizitätskurveninAbb.1.GehenSiedabeiaufdieunterschiedlicheGiftigkeitderbeidenStoffeein.Stoff 1 hat eine höhere Toxizität als Stoff 2 (geringerer LD50-Wert). Bei Stoff 2 erkennt man einen weiteren Bereich, in dem dieser Stoff bis zu einer LD100 führt.

4 BeieinerDichtegradienten-ZentrifugationvonPflanzenzellenohneZellwandergibtsicheineweitereZellfraktion.StellenSieeineHypotheseauf,umwelcheZellfraktionessichhandelnmuss.Die grüne Bande entsteht durch Chloroplasten.

5 ErklärenSiedieFunktionsweisenderbeidenArtenderZellfraktionierung.Differenzielle Zentrifugation: Auftrennung in mehreren Zentrifugationsschritten aufgrund unterschiedlicher Sedimentationsge-schwindigkeiten der einzelnen Zellbestandteile; Dichtegradienten-Zentrifugation: Auftrennung in einem Dichtegradienten (Zellbe-standteile reichern sich im Gradienten an Stellen mit ähnlicher Dichte an.)

Material: Endosymbiontentheorie (Seite 39)

1 BeschreibenSiemithilfevonAbb.1dieEntstehungderUr-TierzelleundderUr-Pflanzenzelle.Ur-Tierzelle: Bildung eines Zellkerns durch Einstülpungen der Zellmembran, die das genetische Material umschließen/Aufnahme eines aeroben Prokaryoten durch Einstülpung der Zellmembran (Endocytose) und dessen stabile Integration in die Zelle — Evolu-tion eines aeroben Eukaryoten; Ur-Pflanzenzelle: zusätzliche Aufnahme eines fotosynthetisch aktiven Prokaryoten durch Einstül-pung der Zellmembran und dessen stabile Integration

2 ErläuternSiedasZustandekommenvonzweiMembranen,dieChloroplastenundMitochondrienbegrenzen.Die innere Membran stammt vom ursprünglichen Prokaryoten ab/äußere Membran stammt von der Urzelle ab, die durch eine Einstülpung den Prokaryoten aufgenommen hat.

3 DereinzelligeErregerderMalaria(Plasmodium)besitzteinOrganell(Apicoplast),dasvonvierMembranenumgebenist.StellenSieeineHypothesezurEntstehungdesApicoplastenauf.Er ist durch Aufnahme einer eukaryotischen Zelle entstanden, die einen einzigen Chloroplasten enthielt (sekundäre Endosymbio-se).

4 BegründenSiemithilfevonAbb.2dieRichtigkeitderEndosymbiontentheorie.Diese beiden Organellen gehen auf Prokaryoten zurück, weil sie ein ähnliches genetisches Material aufweisen, über eine eigene Proteinbiosynthese mit 70-S-Ribosomen verfügen, sich wie Prokaryoten mithilfe von mikrotubuliähnlichen Strukturen teilen und ihre innere Membran einen ähnlichen Bau wie prokaryotische Membranen aufweist.

5 ImLaufederEvolutionwurdenvieleursprünglichprokaryotischeGeneausdenOrganellenindenZellkernübertragen.StellenSieeineHypotheseauf,wiediesdieIntegrationderProkaryotenindieZellebegünstigte.Durch den Transfer von Genen in den Zellkern wurde eine Abhängigkeit der ursprünglich frei lebenden Prokaryoten von der sie umgebenden Zelle geschaffen. Eine Koordination und Feinabstimmung zwischen der Zelle und den ursprünglichen Prokaryoten wurde dadurch möglich.

Zellzyklus — Mitose und Interphase (Seite 40/41)

1 OrdnenSiedieinAbb.1dargestelltenZellzyklus-StadiendenzugehörigenPhaseninAbb.2zu.A Metaphase, B Telophase, C Prophase, D Interphase, E frühe Metaphase, F Anaphase

2 StellenSieeineHypotheseauf,welcherTeilschrittderMitoseamM-Kontrollpunktüberprüftwird.Am M-Kontrollpunkt wird überprüft, ob die Einzelchromosomen mit dem Spindelapparat verbunden sind.

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Stammzellen (Seite 42/43)

1 ErläuternSiedieUnterschiedeinderEntwicklungsfähigkeitverschiedenerStammzellen.Zellen, aus denen ein vollständiges Lebewesen entstehen kann, werden als totipotent bezeichnet. Zellen, die zwar nicht zu einem vollständigen Lebewesen werden können, aus denen sich jedoch alle Zelltypen des Organismus bilden können, werden als pluri-potent bezeichnet. Die den pluripotenten Zellen nachfolgenden Zellgenerationen, die sich nur noch zu Zelltypen innerhalb eines Gewebes differenzieren können, nennt man multipotent.

2 ErklärenSie,warumvieleGewebeStammzellenenthaltenmüssen.Mit der Spezialisierung geht bei vielen Zellen die Fähigkeit zur Zellteilung verloren. Durch Stammzellen wird ermöglicht, dass in den Geweben auch solche Zellen durch neue ersetzt werden, wenn es notwendig ist.

3 VergleichenSiediePotenzialeundGefahrenderArbeitmitembryonalenStammzellenundiPS-Zellen.Beide geben Anlass zur Hoffnung, dass auf diese Art und Weise Gewebe und Organe hergestellt werden können, die nach einer Transplantation nicht vom Empfänger abgestoßen werden. Beide Verfahren fördern grundsätzlich die Möglichkeit, dass repro-duktives Klonen beim Menschen in Zukunft stattfinden könnte. Allerdings ist diese Gefahr bei embryonalen Zellen höher, da sie totipotent sind. Bei der Arbeit mit embryonalen Stammzellen steht das ethische Problem der Stammzellengewinnung im Vordergrund, einmal die Ausbeutung der Eizellenspenderinnen, andererseits das Vernichten von potenziellem Leben. Da die Methode bereits länger erforscht ist und bei Tieren schon erfolgreich eingesetzt wird, ist der Forschungsstand zurzeit weiter. Bei iPS-Zellen bestehen die ethischen Bedenken nur in der potenziellen Förderung des reproduktiven Klonens. Der zurzeit geringe-re Forschungsstand, die geringe Effizienz der Rückprogrammierung und die Frage, ob sich die epigentische Programmierung der Ausgangszelle vollständig löschen lässt, stellt die Forschung noch vor große Probleme.

Klonen — Fluch oder Chance? (Seite 44/45)

1 ErläuternSie,welcheGefahrendurcheineweitereForschungamtherapeutischenKlonenentstehenkönnen.Die Schritte bis zu den embryonalen veränderten Eizellen sind bei beiden Verfahren identisch. Der höchste Eizellverlust beim reproduktiven Klonen findet bis zu diesem Punkt statt. D. h. Forschung, die therapeutisches Klonen fördert, könnte damit in der Tat reproduktives Klonen indirekt unterstützen.

2 FormulierenSiePro-undContra-ArgumenteundnehmenSieStellungzudenbeschriebenenKlonierungstechnikenunterEinbeziehungdesaktuellenAbtreibungsrechts.Hinweise für die Diskussion: Der Schwangerschaftsabbruch ist in Paragraph 218 StGB geregelt. Der Schwangerschaftsabbruch auf Verlangen bzw. nach einer Vergewaltigung ist bis zur 12. Schwangerschaftswoche zulässig. Für Abbrüche aufgrund schwerwiegen-der Gefahren für die körperliche oder seelische Gesundheit der Schwangeren besteht keine Frist. Diskussionspunkte könnten sein: Ausbeutung der Eizellen spendenden Frauen; Embryos als Ersatzteillager; Probleme festzulegen, welche Krankheiten durch therapeutisches Klonen behandelt werden dürfen und welche nicht; ethische Aspekte hinsichtlich des Beginns des Lebens; Notwendigkeit weltweiter Regelungen, um Behandlungstourismus zu vermeiden, u. a.

3 BeschreibenSieVerfahrensweiseundZieledesreproduktivenunddestherapeutischenKlonens.Beim Klonen durch Zellkerntransfer wird der Kern einer Körperzelle in eine zuvor kernlos gemachte Eizelle übertragen. Dadurch entsteht eine totipotente Zelle, die die Embryonalentwicklung beginnen kann. Beim reproduktiven Klonen wird der so entstehen-de Keim in eine Leihmutter übertragen, in der sich ein kompletter Organismus entwickeln soll. Gelingt die Entwicklung, ist das entstehende Lebewesen ein Klon des Individuums, aus dem der Zellkern der Körperzelle stammt. Beim therapeutischen Klonen vermehrt man die embryonalen Zellen in Zellkulturen weiter. Durch Zugabe spezifischer Wachstumsfaktoren versucht man, daraus verschiedene Gewebe zu züchten und diese zur Therapie Erkrankter zu implantieren.

4 EineiigeZwillingebeimMenschenkannmanalsKlonebezeichnen.BegründenSieGemeinsamkeitundUnterschiedzumKlonbegriffbeiBlattläusen.Eineiige Zwillinge beim Menschen sind genetisch identisch. Das chromosomale Genom unterscheidet sich aber von dem der Mut-ter. Sie haben einen Chromosomensatz vom Vater und einen von der Mutter. Klone bei Blattläusen entstehen ohne Befruchtung aus Zellen der Mutter. Blattlausnachkommen sind deshalb sowohl Klone untereinander als auch Klone ihrer Mutter.

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1. 2 Transportprozesse

Diffusion und Osmose (Seite 48/49)

1 VergleichenSiedieDiffusionmitderOsmoseundstellenSiefürbeideProzesseeinenBezugzumAlltagher.Eine Gemeinsamkeit dieser beiden Prozesse ist die Gleichverteilung von Teilchen durch deren Eigenbewegung. Im Unterschied zur Diffusion ist die Osmose an Lebewesen gebunden. Bei der Osmose erfolgt die Diffusion von Molekülen außerdem über eine selektiv permeable Membran, die nur bestimmte Stoffe hindurchlässt. Ein Beispiel aus dem Alltag zur Diffusion ist die Verteilung eines Parfüms in einem Raum. Ein Beispiel zur Osmose sind die Zellen von Salatblättern, die in einer hypertonischen Salatsoße Wasser verlieren.

2 ErläuternSiedieBedingungen,diezueinerPlasmolysebeiZwiebelzellenführenkönnen(Abb.3).Sowohl Wassermangel als auch eine hypertonische Umgebung führen zu Plasmolyse.

3 ImOsmometerwerdenhochundniedrigkonzentrierteZuckerlösungengetestet(Abb.2).ErläuternSiediezuerwartendenErgebnisse.Bei niedrig konzentrierten Zuckerlösungen (geringerer osmotischer Druck) ergibt sich eine niedrigere Wassersäule im Steigrohr verglichen zu höher konzentrierten Zuckerlösungen (höherer osmotischer Druck).

4 ReifeKirschenplatzenimRegen.LeitenSiediezugrundeliegendenUrsachenunterVerwendungvonFachbegriffenab.Das Regenwasser ist im Vergleich zum hypertonischen Inneren der Kirschzellen hypotonisch: Wasser strömt ins Kirschengewebe ein, bis dies zum Platzen der Kirschen führen kann.

Praktikum: Diffusion (Seite 50)

1 ErstellenSieeinBeobachtungsprotokollzumVersuchmitKaliumpermanganat.Das Kaliumpermanganatkörnchen sinkt an den Boden der Petrischale und färbt das Wasser an dieser Stelle violett. Von dort aus beginnt die Ausbreitung der Färbung zum Rand der Petrischale hin. Hinweis: Beobachtet man genau, kann man auch hier schon feststellen, dass die Geschwindigkeit der Farbausbreitung zum Rand der Petrischale hin geringer wird.

2 ErklärenSiedieAusbreitungdesKaliumpermanganatsinderPetrischale.Aufgrund der Brown‘schen Molekularbewegung verteilen sich die Kaliumpermanganatteilchen vom Ort der höheren Konzentration zum Ort der niedrigeren Konzentration, also zum Rand der Petrischale.

3 ProtokollierenSieIhreBeobachtungenzumVersuchmitEisen(III)-nitratundBlutlaugensalz.Das Wasser färbt sich um die Eisen(III)-nitratkristalle gelb. Etwas später breitet sich die gelbe Färbung weiter aus. In der Mitte der Petrischale bildet sich dann eine blaue Linie.

4 ErklärenSieIhreBeobachtungenzuderReaktionderbeidenChemikalien,beidersichdassogenannte„BerlinerBlau“bildet.Sowohl die Eisen(III)-nitratkristalle als auch das Blutlaugensalz lösen sich und diffundieren jeweils vom Rand der Petrischale zum Ort der geringeren Konzentration, also zur gegenüberliegenden Seite. Etwa in der Mitte treffen die Teilchen aufeinander und es läuft eine Reaktion ab, bei der sich das Berliner Blau bildet. Zusatzinformation: Das Berliner Blau bildet anschließend eine Barriere und behindert so die weitere Diffusion der Chemikalien.

5 BeschreibenSieIhreBeobachtungen.Mit steigender Temperatur steigt die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Farbstoffs in der Petrischale. Bei allen drei Ansätzen kann man außerdem beobachten, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit zum Rand der Petrischale hin abnimmt.

6 ErklärenSieIhreBeobachtungen.Die schnellere Ausbreitungsgeschwindigkeit bei steigenden Temperaturen ergibt sich durch die erhöhte Brown‘sche Molekularbe-wegung bei höheren Temperaturen. Das Abnehmen der Diffusionsgeschwindigkeit zum Rand der Petrischale hin ergibt sich aus dem abnehmenden Konzentrationsgradienten.

7 NebenderTemperaturkannauchdieKonzentrationdesKaliumpermanganatsvariiertwerden,indemman1molareund0,1mo-lareKaliumpermanganat-LösungeninKapillarröhrchenstattKaliumpermanganatkörnchenindasWassergibt.StellenSieeineHypotheseauf,washierzuerwartenwäre.Die höher konzentrierte Kaliumpermanganat-Lösung breitet sich schneller aus, da das Konzentrationsgefälle hier größer ist.

Praktikum: Osmose (Seite 51)

1 BeobachtenSiedieZellenfüreinigeMinutenbeimittlererVergrößerung.ZeichnenSiedieZellenvorundnachderBehandlungmitderZuckerlösung.Vor der Behandlung ist die Zentralvakuole prall gefüllt. Nach der Behandlung mit Zuckerlösung schrumpft die Vakuole (Plasmo lyse).

2 ErläuternSieIhreBeobachtungen.Die Zuckerlösung (hypertonisch) in der Umgebung der Zellen bewirkt einen Netto-Wasserausstrom aus der hypotonischen Zelle/Vakuole (Plasmolyse).

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3 ErsetzenSieanschließenddieZuckerlösungimPräparat,indemSiemehrmalsmitdemFilterpapierdestilliertesWasserdurchdasPräparathindurchsaugen.ErläuternSiedennunbeobachtbarenVorgang.Aufgrund der hypotonischen Umgebung (destilliertes Wasser) findet ein Netto-Wassereinstrom in die hypertonische Zelle/Vakuole statt (Deplasmolyse), bis die Zelle/Vakuole wieder prall mit Wasser gefüllt ist.

4 ÜbertragenSieIhreErkenntnisseaufdieVorgängebeimGießeneinerwelkenPflanze.Bei einer welken Pflanze besteht ein geringer Turgor aufgrund von Wassermangel (entspricht dem Zustand der Plasmolyse). Durch Wasseraufnahme wird die Zelle/Vakuole wieder gefüllt (entspricht dem Zustand der Deplasmolyse).

5 ProtokollierenSiedieÄnderungeninderLängederKartoffelstreifennach30MinutenInkubationszeitundvergleichenSiedieErgebnisse.individuelle Lösung (Anmerkung: Die ungekochten Streifen vergrößern sich im destillierten Wasser und schrumpfen im Salzwasser. Die gekochten Streifen verändern nur geringfügig ihre Größe.)

6 ErklärenSiedieVersuchsergebnissemithilfeIhrerKenntnissevonderOsmose.GehenSiedabeiaufdieAuswirkungendesKochensein.Das destillierte Wasser ist hypotonisch verglichen zum Zellinhalt. Dies bewirkt einen Netto-Wassereinstrom in die Kartoffelzel-len: Die Streifen vergrößern sich. Die NaCl-Lösung ist ein hypertonisches Medium und bewirkt einen Netto-Wasserausstrom aus den Zellen: Die Streifen verkleinern sich. Das Kochen bewirkt eine Denaturierung/Zerstörung der Membran- und Kanalproteine. Dadurch ist der Ein- und Ausstrom von Wasser durch Kanalproteine nicht mehr möglich: Die Streifen ändern nur geringfügig ihre Länge.

Lipide (Seite 52/53)

1 ÖlesindwieWasserbeiRaumtemperaturflüssig.ErklärenSie,warumdieÖledickflüssigersind.Zwischen den Kohlenwasserstoffresten der Fettsäuren bestehen Van-der-Waals-Kräfte. Je länger die Kohlenwasserstoffreste, desto mehr geringe Wechselwirkungen addieren sich. Daher sind Öle dickflüssiger als Wasser. Aufgrund der gesättigten Fettsäuren bei Fetten sind die Wechselwirkungen sogar so stark, dass Fett bei Raumtemperatur fest ist.

2 ZerteiltmaneineaufdemWasserschwimmendeÖlschichtinkleineTropfen,fließendiesenachkurzerZeitwiederzueinerFlächeoderzugroßenTropfenzusammen.GibtmanzuvorPhospholipidehinzu,bleibendieÖltropfenklein.ErklärenSiebeideBeobachtungen.Phospholipide sind amphiphil, d. h. sie haben sowohl hydrophile wie auch hydrophobe Anteile. Wenn sich die Phospholipide an den Kohlenwasserstoffrest der Fettsäuren mit ihrem hydrophoben Anteil anlagern, behindert der hydrophile Teil des Phospho-lipids die Ausbildung von nicht polaren Wechselwirkungen (Van-der-Waals-Kräfte). Aufgrund dieser geringeren Anziehung zwi-schen den Kohlenwasserstoffresten der Fettsäuren können diese keine zusammenhängende Ölschicht mehr bilden.

Extra: Phospholipidgehalt Roter Blutzellen (Seite 53)

ErmittelnSiemitdenAngabenausAbb.4diebedeckteWasseroberflächeproErythrocyt.VergleichenSieIhrErgebnismitderbekanntendurchschnittlichenOberflächeeinesErythrocyten(ca.0,98×10–6cm2).LeitenSieausIhrenErgebnissendieSchlussfolgerungenGortersundGrendelszumBauderBiomembranab.Die bedeckte Wasseroberfläche pro Erythrocyt beträgt 2,0 × 10–6 cm2/Zelle. Dabei handelt es sich um ca. die doppelte Fläche vergli-chen zur durchschnittlichen Oberfläche eines Erythrocyten (ca. 0,98 × 10–6 cm2). Daraus konnten Gorter und Grendel schließen, dass die Zellmembran der Erythrocyten aus einer doppelten Schicht von Phospholipiden besteht.

Bau und Funktion der Biomembran (Seite 54/55)

1 ErläuternSie,warumdurchdasFlüssig-Mosaik-ModellderStoffdurchtrittvongrößerengeladenenMolekülenbessererklärtwerdenkannalsdurchdasSandwich-Modell.Der Stoffdurchtritt von größeren polaren Molekülen durch die hydrophoben Anteile der Biomembran lässt sich durch die Ka-nalproteine gut erklären. Im Sandwich-Modell liegen diese der Membran allerdings nur auf und ein Transport würde nur sehr eingeschränkt funktionieren.

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©ErnstKlettVerlagGmbH,Stuttgart2018|www.klett.de|AlleRechtevorbehalten Natura Fachhochschulreife Lösungen Grafik: Wolfgang Herzig, Essen

Stoffdurchtritt durch Biomembranen (Seite 56/57)

1 VergleichenSieeinfacheunderleichterteDiffusion.Gemeinsamkeit: Bei beiden Diffusionsprozessen erfolgt der Transport durch Diffusion in Abhängigkeit vom Konzentrationsunter-schied. Unterschiede: Die einfache Diffusion erfolgt unspezifisch durch die Lipid-Doppelschicht und ist abhängig von der Mole-külgröße und vom lipophilen Charakter des Stoffs. Die erleichterte Diffusion ist hingegen spezifisch: Membranproteine, die nur bestimmte Stoffe hindurchlassen, ermöglichen den Diffusionsprozess.

2 ImDarmbakteriumE. coliistLactose2000-malhöherkonzentriertalsinderUmgebung.ErläuternSiedieAnreicherungvonLactoseinE. colimithilfevonAbb.3.Mithilfe einer Wasserstoff-Ionenpumpe werden H+-Ionen unter Energiezufuhr nach außen gepumpt. Der dadurch entstehende Konzentrationsunterschied der H+-Ionen zwischen innen und außen dient dazu, beim Rückstrom der Wasserstoff-Ionen Lactose-moleküle im Symport entgegen des Konzentrationsgefälles ins Innere der Bakterienzelle zu befördern.

3 StellenSieinallgemeinerFormdieTransportgeschwindigkeitbeieinfacherDiffusionundbeimaktivenTransportbeisteigen-derKonzentrationgrafischdar.Einfache Diffusion: linearer Verlauf; aktiver Transport: Sättigungskurve

Arsenvergiftung (Seite 58/59)

1 BeschreibenSiemitIhrembisherigenWissen,warumesdurcheineArsenvergiftungzuschwerenDurchfällenkommt.GehenSiedavonaus,dassDarminhaltehypertonischsind.Arsen hemmt die ATP-Produktion der Zelle, wodurch der aktive Transport der Zelle gestört wird. Geht man davon aus, dass der Darminhalt hyperosmolar im Vergleich zum Zellplasma ist, führt dies zu einem Wasserausstrom aus der Zelle entlang des Konzen-trationsgradienten.

2 ErklärenSie,warumArsenbeieinerVergiftungingeringerKonzentrationimBlutundinhoherKonzentrationindenGewebengefundenwerdenkann.Arsen wird mittels des Anionentransporters schnell aus dem Blut in die Zellen der unterschiedlichen Gewebe aufgenommen. Ent-sprechend nimmt die Konzentration von Arsen im Blut rasch ab und im Gewebe rasch zu.

3 StellenSieeineHypotheseauf,wiesichdasArsenimGrundwasserverteilenkonnte.Beim Bohren der Brunnen durch arsenhaltige Schichten oxidierte dies, gelangte ins Grundwasser und verteilte sich dort durch Diffusion.

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Stoffkonzentration

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spor

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chw

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t aktiver Transport

einfache Diffusion



Struktur und Funktion von Enzymen (Seite 62/63)

1 NennenSiedieMerkmaleeinesBiokatalysators.Ein Biokatalysator ist ein Stoff, der meist ganz oder überwiegend aus einem Protein besteht und die Aktivierungsenergie einer biochemischen Reaktion herabsetzt und dadurch die Reaktion beschleunigt. Er liegt nach der Reaktion unverändert vor. Außerdem wird er von Lebewesen hergestellt.

2 ErläuternSiedieBedeutungvonEnzymenfürdenStoffwechselvonOrganismen.Durch Enzyme wird die Aktivierungsenergie chemischer Reaktionen gesenkt; so laufen Stoffwechselreaktionen bei Körpertempe-ratur schneller ab.

3 DerAustauscheinerAminosäureimEnzymmolekülkannAuswirkungenaufdessenFunktionhaben.BegründenSie.Der Austausch kann einen anderen Enzymaufbau zur Folge haben. Das bewirkt ein anders geformtes aktives Zentrum, sodass die Bindung des Substrats nicht mehr möglich ist und damit keine oder eine andere Reaktion erfolgt.

Eigenschaften von Enzymen (Seite 64/65)

1 ErklärenSiedieWirkungsspezifitätdesLactasemoleküls.Lactase bindet immer das Substrat Lactose auf die gleiche Weise, auch werden immer die gleichen Bindungen gelöst, es wird immer die Reaktion (Hydrolyse zu Galactose und Glucose) katalysiert.

2 EntscheidenSiebegründet,welchesderSubstratmoleküleinAbb.1vomEnzymmolekülgebundenwerdenkann.Substrat C und E können aufgrund der Ladungen bzw. chemischen Struktur mit dem aktiven Zentrum binden, obwohl Strukturen des Substrats variieren (Gruppenspezifität). Diese liegen im nicht-katalytischen Bereich.

3 ImmenschlichenKörpergibtesmehrereTausendverschiedeneEnzyme.LeitenSiedieNotwendigkeitsovielerEnzymeab.Durch die Substrat- und Wirkungsspezifität benötigt ein Organismus viele verschiedene Enzyme; nur so ist kontrollierter Stoff-wechsel möglich.

Geschwindigkeit enzymkatalysierter Reaktionen (Seite 66/67)

1 BeantwortenSiedieeingangsgestellteFragezurUrsacheunterschiedlicherAlkoholverträglichkeit.Durch die unterschiedlichen Wechselzahlen der Isoenzyme der Alkoholdehydrogenase wird Alkohol unterschiedlich schnell abge-baut und wirkt entsprechend unterschiedlich stark.

2 EntwickelnSiezudenPunkten2und3inAbb.3mitPunkt1vergleichbaremodellhafteDarstellungenundbegründenSie.Es ist eine Darstellung mit fünf Enzymen und z. B. bei (2) vier Substratmolekülen und bei (3) sechs Substratmolekülen denkbar.

3 ErläuternSiedenZusammenhangzwischenvmaxundkcat.Die maximale Reaktionsgeschwindigkeit vmax wird durch die Wechselzahl kcat des Enzyms bestimmt.

Regulation enzymkatalysierter Reaktionen (Seite 68/69)

1 VergleichenunderläuternSiedieKurvenverläufeinAbb.1.blau: Mit steigender Substratkonzentration nimmt die Reaktionsgeschwindigkeit zu. Zunehmend mehr aktive Zentren werden besetzt, bis die Enzyme gesättigt sind und vmax erreicht ist. rot: Mit steigender Substratkonzentration nimmt die Reaktionsgeschwindigkeit zu, bis vmax erreicht ist. Die Reaktionsgeschwin-digkeit steigt allerdings langsamer, da die Hemmstoffe (kompetitive Hemmung) erst durch das Substrat verdrängt werden müssen. grün: Mit steigender Substratkonzentration nimmt die Reaktionsgeschwindigkeit zu, erreicht jedoch nicht vmax, da ein Teil der Enzyme inaktiviert ist. Der Inhibitor kann durch das Substrat nicht verdrängt werden, da er an eine Bindungsstelle außerhalb des aktiven Zentrums gebunden ist.

2 DurcheineGesetzesänderungsindHausbesitzerverpflichtet,LeitungswasserrohreausBleiauszutauschen.NehmenSiezudieserMaßnahmeStellung.Die Maßnahme erscheint sinnvoll zur Vermeidung von Bleivergiftungen: Die Schwermetall-Ionen des Bleis reagieren mit SH-Grup-pen von Enzymmolekülen und inaktivieren sie — teils irreversibel durch hohe Bindungsaffinität der Schwermetalle. Zusatzinformtion: Der Funktionsausfall der Enzyme kann Stoffwechselstörungen zur Folge haben.

3 OrdnenSiedasBeispielderBlutzuckerregulationderSubstratinduktionoderderEndprodukthemmungzuundbegründenSie.Es handelt sich um eine Endprodukthemmung, da das Produkt Glucose dafür sorgt, dass das Enzym Phosphorylase a gehemmt wird und kein Glykogen mehr zu Glucose abgebaut wird.

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1. 3 Enzyme



Praktikum: Geschwindigkeit enzymkatalysierter Reaktionen (Seite 70)

1 StellenSiedieMittelwertederErgebnisseineinemLiniendiagrammdar.individuelle Lösung. Das Diagramm zeigt die Zunahme der Reaktionsgeschwindigkeit bei höherer Enzymkonzentration. Die Dauer des Aufsteigens des Filterpapierplättchens entspricht der Reaktionsgeschwindigkeit.

2 ErläuternSiedenZusammenhangzwischenderEnzymkonzentrationundderReaktionsgeschwindigkeitanhandIhrerVer-suchsergebnisse.Je höher die Enzymkonzentration ist, desto höher ist auch die Reaktionsgeschwindigkeit. Übersteigt die Enzym- die Substratkon-zentration, nimmt die Reaktionsgeschwindigkeit nicht mehr zu.

3 StellenSiedieMittelwertederErgebnisseineinemDiagrammdar.individuelle Lösung. Das Diagramm zeigt die lineare Zunahme der Reaktionsgeschwindigkeit mit zunehmender Substratkonzen-tration bei geringen Substratkonzentrationen. Bei höheren Substratkonzentrationen nimmt die Reaktionsgeschwindigkeit langsa-mer zu und nähert sich einem Maximalwert.

4 ErläuternSiedenZusammenhangvonSubstratkonzentrationundReaktionsgeschwindigkeit.Solange die aktiven Zentren der Enzyme noch nicht komplett belegt sind, steigt die Reaktionsgeschwindigkeit mit zunehmender Substratkonzentration. Ab einer bestimmten Substratkonzentration sind die aktiven Zentren aller Enzyme belegt. Die maximale Reaktionsgeschwindigkeit der Enzyme (vmax) ist erreicht.

Praktikum: Experimente mit Urease (Seite 71)

1 StellenSieIhreErgebnisseineinemLiniendiagrammgrafischdar.Die Leitfähigkeit bei der reinen Urease-Lösung steigt bis zu einem Maximalwert an. Mit der Zugabe der Kupfersulfat-Lösung springt die Leitfähigkeit schlagartig auf den Maximalwert. Bei der Zugabe der Methylharnstoff-Lösung verläuft die Reaktion deutlich langsamer.

2 WertenSiedieErgebnisseaus.Die Zunahme der Leitfähigkeit bestätigt die Bildung von Ionen durch die enzymkatalysierte Reaktion. Da immer mehr Urease um-gesetzt wird, nimmt die Leitfähigkeit ab einem bestimmten Wert nicht mehr zu. Die Zugabe der Kupfersulfat-Lösung erhöht die Ionenkonzentration der Lösung und damit die Leitfähigkeit. Der Maximalwert verändert sich jedoch nicht mehr, da alle Enzyme durch irreversible Hemmung inhibiert sind. Die Zugabe der Methylharnstoff-Lösung verlangsamt die Reaktion durch kompetitive Hemmung. Methylharnstoff besetzt aufgrund der ähnlichen chemischen Struktur das aktive Zentrum der Urease.

3 PlanenSiejeeinExperimentzurAbhängigkeitderEnzymaktivitätvonderTemperaturbzw.vompH-Wert.Das Experiment muss so aufgebaut sein, dass Enzym- und Substratkonzentration in einer Versuchsreiche gleich bleiben und nur die Temperatur oder der pH-Wert variiert wird.

4 FührenSiedieExperimentedurch.BefolgenSiedafürdieHinweisezurPlanungundDurchführung.ErstellenSieeinProtokoll.Mögliche Fragestellung: „Hängt die Enzymreaktion der Urease von der Temperatur/dem pH-Wert ab?“; mögliche Hypothesen: „Da Urease ein Protein ist, ist eine Abhängigkeit zu erwarten.“ „Da Urease in bodenlebenden Bakterien vorkommt, ist ein Optimum bei einer bestimmten Temperatur zu erwarten.“ Es sollten drei Versuchsansätze sowie ein Kontrollansatz berücksichtigt werden.

5 StellenSieIhreErgebnissegrafischdar.WertenSieIhreVersuchsergebnisseaus.BewertenSiedabeiIhreHypothesen.Urease zeigt ein pH-Optimum von etwa pH 7. Die katalytische Aktivität liegt zwischen pH 2 und pH 12. Darüber und darunter ist die räumliche Struktur (Sekundär- und Tertiärstruktur) des Enzymmoleküls zerstört und das Enzym dauerhaft inaktiviert. Bis etwa 60 °C nimmt die Enzymaktivität zu, da — entsprechend der RGT-Regel — die Reaktionsgeschwindigkeit mit zunehmender Tempera-tur zunimmt. Darüber nimmt die Enzymaktivität ab, da die räumliche Struktur des Enzymmoleküls zerstört wird.

6 DiskutierenSiemöglicheFehlerquellenderMessmethodeundleitenSiedarausVerbesserungsmöglichkeitenab.Diskutierbare Fehlerquellen können Ungenauigkeiten aufgrund der Untersuchungsobjekte, Messgeräte, Messmethoden oder des Ablesens sein.

Enzyme und Alkohol (Seite 72/73)

1 BeschreibenSie,warumein40%starkerSchnapsschnellerinsBlutübergehtalsBiermit4%Alkoholgehalt.Die Aufnahme des Alkohols geschieht mittels Diffusion. Die Diffusionsgeschwindigkeit hängt unter anderem vom Grad des Konzentrationsgefälles ab. Die Diffusion bei hochprozentigem Alkohol verläuft dann also schneller.

2 ErläuternSie,warumAlkoholiker,diedasMEOSnutzen,schnellereinen„Kater“bekommenalsMenschen,dienichtaufdiesesSystemzurückgreifenkönnen.Unter (zusätzlichem) Einsatz des MEOS wird Alkohol schneller in Acetaldehyd abgebaut. Acetaldehyd bedingt die katerähnlichen Symptome. Wird also bei Trinkern, die zusätzlich das MEOS rekrutieren können, der Alkohol schneller in Azetaldehyd umgewan-delt, haben diese schneller unter katerähnlichen Symptomen zu leiden.

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3 StellenSieeineHypotheseauf,warumMenschen,dievielAlkoholvertragen,besondersgefährdetfürdurchAlkoholverur-sachteOrganschädensind.„Trinkfeste“ Menschen nehmen trotz hohen Alkoholspiegels weniger Symptome des Rausches wahr. Dadurch konsumieren solche Leute tendenziell mehr Alkohol und die schädigende Wirkung des Ethanols auf den Körper und seine Organe ist somit erhöht.

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Zellaufbau und Kompartimentierung (Seite 76)

1 VergleichenSiepro-undeukaryotischeZellenundordnenSiedieZelleinAbb.1begründeteinerGruppezu.(Punkte: 8/100)Prokaryotische Zellen haben keinen Zellkern und keine von Membranen begrenzten Organellen. Das genetische Material liegt frei im Zellplasma meist als sogenanntes Bakterienchromosom vor. Sie sind haploid. Zudem besitzen sie meist kleine DNA-Ringe (Plasmide). Eukaryotische Zellen hingegen besitzen neben dem Zellkern diverse Kompartimente, die von Biomembranen umgrenzt sind. Da in Abb. 1 ein Zellkern erkennbar ist, muss es sich um eine eukaryotische Zelle handeln. Da Chloroplasten, Vakuole und Zellwand fehlen, allerdings ER und Mitochondrien vorhanden sind, handelt es sich um eine tierische Zelle.

2 ListenSieOrganellenmiteineroderzweiMembranentabellarischaufundnennenSiejeweilsderenFunktionen.(Punkte: 9/100) siehe Tabelle

Zellorganell mit Einfachmembran Funktion

EndoplasmatischesReticulum(ER) Stofftransport

GlattesER:SynthesevonMembran-lipiden,SpeicherungRibosomendesrauenER:SynthesevonProteinen;Golgi-Apparat

VesikelbildungfürStofftransport,VeränderungundSpeicherungvonProteinen

Vakuole SpeicherungvonStoffen,Stabilisierung

Lysosomen interzelluläreVerdauung

Zellorganell mit zwei Membranen Funktion

Zellkern DNA-Replikation,Steuerung

Mitochondrien Zellatmung(Energiebereitstellung)

Chloroplasten Fotosynthese

3 ErläuternSiedieStrukturunddieFunktionendesEndomembransystemsanhandvonAbb.2.(Punkte: 14/100)Am Endomembransystem sind u. a. das Endoplasmatische Reticulum (ER) und der Golgi-Apparat beteiligt. An den Ribosomen des rauen ER findet die Proteinbiosynthese statt. Die Aminosäurekette gelangt in den Innenraum des rauen ER. Dort faltet sich das Protein entsprechend seiner Aminosäuresequenz. Über Vesikel gelangen die Proteine in den Golgi-Apparat und werden dort chemisch verändert, z. B. durch das Anhängen von Zucker oder Fettsäuren. Verpackt in Golgi-Vesikel finden sie entsprechend ihrer individuellen Markierung ihren Zielort, wie z. B. die Zellmembran oder die Vakuole.

4 LeitenSieausAbb.2diebiologischeBedeutungderKompartimentierungeinerEucyteab.(Punkte: 9/100)Die Trennung der Reaktionsräume durch Biomembranen ermöglicht ein effektiveres, störungsfreies und regulierbares Ablaufen vieler verschiedener Stoffwechselreaktionen.

5 BegründenSieanhandvonAbb.1und3dieEndosymbiontentheorie.(Punkte: 10/100)Laut der Endosymbiontentheorie stammen Mitochondrien und Chloroplasten von prokaryotischen Zellen ab, die im Laufe der Evolution in die eukaryotische Zelle durch Edocytose aufgenommen und dort integriert wurden. Der Vergleich der beiden Bio-membranen bei Mitochondrien unterstützt diese Hypothese, da die Zusammensetzung der inneren Mitochondrienmembran der Zellmemb ran von Bakterien ähnelt. Hingegen gleicht die Zusammensetzung der äußeren Mitochondrienmembran weitgehend der Zellmembran eukaryotischer Zellen.

Transportprozesse und Enzyme — die Dünndarm-APP (Seite 77)

6 NutzenSieAbb.4,umdenBauunddiedarausresultierendenEigenschaftenvonBiomembranenzuerläutern.(Punkte: 10/100)Biomembranen bestehen aus einer Lipid-Doppelschicht aus Phospholipiden mit Kohlenhydraten (extrazellulär), peripheren und integralen Proteinen, die z. B. enzymatische oder Transportfunktionen haben können. Biomembranen ermöglichen den Stofftrans-port (passiver, aktiver Transport) sowie die Kompartimentierung innerhalb der Zelle und nach außen. Sie bilden eine Diffusions-barriere für viele Stoffe und dienen der osmotischen Regulation.

7 BeschreibenSieanhandvonAbb.4und5dieAufnahmevonProlinimDünndarm.(Punkte: 7/100)Die membrangebundene Aminopeptidase P (APP) katalysiert die Hydrolyse eines Tripeptids. Die Aminosäure Prolin wird über den Aminosäuretransporter in die Dünndarmzelle transportiert. Es handelt sich um eine sekundär aktive Aufnahme, gegen das Konzentrationsgefälle, mittels eines Na+-Symporters (ähnlich der Aufnahme von Glucose).

8 BeschreibenSiedieStrukturvonProteinenamBeispieldesAPP-Moleküls(Abb.6).(Punkte: 8/100)Die Primärstruktur der Proteine (Aminosäuresequenz) kann sich durch Wasserstoffbrücken räumlich zu Faltblatt- oder Helix-Struk-turen anordnen (Sekundärstruktur). Weitere räumliche Auffaltungen durch Wechselwirkungen der Seitengruppen der Aminosäu-ren ergeben die Tertiärstruktur. Beim Molekül des APP-Enzyms stabilisiert ein Zink-Ion als Cofaktor die Tertiärstruktur bzw. dessen aktives Zentrum. Bei einigen Proteinen lagern sich mehrere Tertiärstrukturen zur Quartärstruktur zusammen.

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Klausur-Training: Die Zelle



9 WertenSiedieVersuchsergebnisseinAbb.6und7imHinblickaufEigenschaftendesAminopeptidasemolekülsaus.(Punkte: 16/100)Ohne Zugabe von Metall-Ionen zeigt das Enzym APP eine geringe Enzymaktivität (Abb. 6). Bei der Zugabe von Ni2+- und Cu2+-Io-nen erliegt die Enzymaktivität weitgehend. Es handelt sich um Inhibitoren, die Einfluss auf die Struktur des Enzymmoleküls haben bzw. auf dessen aktives Zentrum. Bei Zugabe von Mg2+-Ionen zeigt sich keine Veränderung der Enzymaktivität. Sie haben keinen Einfluss auf das Enzymmolekül. Bei Zn2+-Ionen erhöht sich die Enzymaktivität stark. Sie dienen als Cofaktor für das APP-Molekül. Bei etwa 37 °C zeigt das Enzym die höchste Enzymaktivität (Abb. 7). Unterhalb dieser Temperatur nimmt sie ab, da die Reaktions-geschwindigkeit aufgrund geringerer Teilchenbewegung und eines geringen Anteils an Teilchen mit genügend Aktivierungsenergie (RGT-Regel) abnimmt. Darüber nimmt sie ebenfalls ab, da durch Denaturierung Enzymmoleküle inaktiviert werden.

10ErläuternSiediebiologischeBedeutungderMembranbindungderAminopeptidaseimVergleichzudenimDarminhaltfreivorliegendenVerdauungsenzymenPepsin,TrypsinundChymotrypsin.(Punkte: 9/100)Durch die Membranbindung des APP-Moleküls ist die sofortige (lokale) Aufnahme der Aminosäure in die Zelle/den Organismus erleichtert. Die anderen Verdauungsenzyme hingegen müssen im Lumen mit dem kompletten Nahrungsbrei durchmischt werden, um eine effektive Verdauung zu erreichen.

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