natura - Klett
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NATURA 4 Biologie für Gymnasien bearbeitet von Irmtraud Beyer Hessen | G8 Einführungsphase Lösungen Ernst Klett Verlag Stuttgart · Leipzig Methoden Schülerbuch Seite 7 1 Das Beispiel aus dem Alltag macht an mehreren Stellen deutlich, dass kein exaktes „naturwissenschaftliches Arbeiten“ vorliegt. Nennen Sie auffällige Punkte. aa Es wird weder eine wirkliche Hypothese aufgestellt noch die Überprüfung einer Hypothese oder eine Fehleranalyse vorgenommen, da das „Experiment“ (Stiele anschneiden) eher aufgrund von Vorerfahrungen gemacht wird (die Schnittblumen halten dann länger), als mit dem wissenschaftlichen Ziel, die Leitungsbahnen in den Stielen zu untersuchen. 2 Wählen Sie ein biologisches Phänomen, das nach Ihrer Meinung Ausgangspunkt für eine naturwissenschaftliche Untersuchung sein könnte. Formulieren Sie dazu die Fragestellung und eine von vielleicht mehreren möglichen Hypothesen. Planen Sie zu dieser Hypothese ein Experiment oder eine Freilanduntersuchung. Achten Sie darauf, während des Versuchsverlaufes stets nur einen Faktor ihrer Versuchsbedingungen zu variieren. aa individuelle Lösung; bekannte Beispiele sind die Keimungsversuche, in denen Licht, Wasser und Temperatur Einfluss nehmen oder Untersuchungen zur Fotosynthese, Gärung oder Experimente mit ökologischem Schwerpunkt. Wesentliches Problem ist meistens, gezielt einen Faktor zu variieren und auf ein Kontrollexperiment zu achten. Schülerbuch Seite 9 1 Eine nicht genau abgewogene Menge Getreidekeimlinge wird über Nacht im Erlenmeyerkolben gelagert. Am nächsten Tag wird titriert. Nehmen Sie Stellung zur Eignung dieses Vorversuchs. aa Dieser Vorversuch lässt eine Abschätzung zu, ob Kohlenstoffdioxid freigesetzt wird. Ein genauer Wert lässt sich hier nicht ablesen, da die Keimlinge nicht genau eingewogen sind und die Länge der Einwirkdauer dazu geführt haben könnte, dass alle Bariumlauge verbraucht wurde. 2 Begründen Sie, warum die Masse der Getreidekeimlinge nicht in jedem Erlenmeyerkolben gleich sein muss. aa Wichtig ist, dass die Masse der Getreidekeimlinge bestimmt wird. Daraus lässt sich später die Menge des gebildeten Kohlenstoffdioxids pro Gramm Keimling bestimmen. 3 Entwickeln Sie ein Experiment, das die Frage untersucht, ob die Temperatur Einfluss auf die Atmung der Getreidekeimlinge hat. aa Der vorliegende Versuch müsste variiert werden, indem der gleiche Ansatz bei unterschiedlichen Temperaturen durchgeführt wird, z. B. drei Erlenmeyerkolben bei 10 °C, drei bei 20 °C und drei bei 30 °C. 2 Zellbiologie Zellbiologie 1 Die Zelle als offenes System Schülerbuch Seite 15 1 Wiederholen Sie den Aufbau von tierischen und pflanzlichen Zellen und stellen Sie ihre Unterschiede tabellarisch dar. aa Pflanzenzelle Tierzelle Zellwand aus Zellulose mit darunter liegender Zellmembran nur Zellmembran große Zentralvakuole — Chloroplasten mit Chlorophyll — weitere Plastiden (Chromoplasten, Leukoplasten) — starre Form, würfelartig oder lang gestreckt größere Formenvielfalt ����������� �������� ���������� ������� ����������� �������� �������������� 2 Vergleichen Sie die beiden genannten Einzeller. Entscheiden Sie, ob die deutsche Bezeichnung „Augentierchen“ treffend gewählt ist. aa Paramecium besitzt zur Fortbewegung und Nahrungsbeschaffung Wimpern, bildet Nahrungsvakuolen und scheidet feste Abfallstoffe am Zellafter aus. Flüssige Abfallstoffe werden über die pulsierende Vakuole abgegeben. Diese findet man auch bei Euglena. Dem Augentierchen fehlen aber ein Zellmund und ein Zellafter, dafür besitzt es Chloroplasten. Die Fähigkeit zur Fotosynthese charakterisiert diese Zelle eigentlich als „pflanzliche“ Zelle, zumal sich das Augentierchen durch den Augenfleck auch nach dem Licht ausrichten kann. Da Euglena aber bei Lichtmangel auch Nahrung über die gesamte Oberfläche aufnehmen, sich also heterotroph ernähren kann, ist die deutsche Bezeichnung treffend, aber nicht wissenschaftlich exakt. Schülerbuch Seite 16 1 Legen Sie für Ihr Mikroskop eine entsprechende Tabelle an. aa individuelle Lösung; die Tabelle ist von der verwendeten Okular-Objektiv-Kombination abhängig und kann einmal erstellt und laminiert immer wieder eingesetzt werden. 2 Erklären Sie den Unterschied zwischen Auflösung und Vergrößerung mit Hilfe der unteren Abb. in der mittleren Spalte. aa Die Vergrößerung sagt nur etwas über die proportionale Größe des vergrößerten Bildes im Vergleich mit dem Original aus. Bei der Vergrößerung ohne hohe Auflösung wurde um den Faktor 4fach vergrößert, aber es ist zu erkennen, dass die einzelnen Striche miteinander verschwimmen, also nicht voneinander getrennt aufgelöst werden können. Bei der Vergrößerung mit hoher Auflösung wurde von 0,5 cm auf 1,8 cm um den Faktor 3fach vergrößert und alle Striche können voneinander unterschieden also aufgelöst werden. 3 Vergleichen Sie die beiden Abbildungen der Kieselalge in Bezug auf Vergrößerung und Auflösung. aa Beide Bilder wurden mit der gleichen Vergrößerung aufgenommen, bei der oberen Aufnahme verschwimmen allerdings die feinen Linien des Panzers, weil sie das verwendete Objektiv zwar vergrößern, aber nicht mehr voneinander trennen auflösen kann. 4 Welchen Faktor der Formel verändert das Immersionsöl? aa Das Immersionsöl verändert die Brechungszahl n, sie liegt höher, folglich wird dmin kleiner, die Auflösung also höher. 5 Erklären Sie Möglichkeiten, das Auflösungsvermögen über die Größe λ zu erhöhen. aa Die moderne Lichtmikroskopie arbeitet auch mit Licht im Bereich der Wellenlänge von UVStrahlen bzw. mit Laserstrahlen. Für die Augen der Betrachter müssen dann allerdings aufwändige Schutzeinrichtungen geschaffen werden. Dieser hohe Aufwand muss für einen vergleichsweise geringen Auflösungsgewinn betrieben werden. Ein Elektronenstrahl hat dagegen um den Faktor 1000 geringere Wellenlängen (vgl. Schülerbuchseite 32 f.) 5 Beschreiben und benennen Sie die Zellstrukturen, die durch die Farbstoffe angefärbt werden. aa Methylenblau färbt saure Strukturen, insbesondere die DNA-haltigen Kerne. Eosin färbt Zellplasma und Bindegewebe rötlich. 6 Stellen Sie einen Stängel- und einen Blattquerschnitt her. Welche Proble­me ergeben sich dabei? Beschreiben Sie Lösungsmöglichkeiten. aa In der Regel werden bei allen Anstrengungen die ersten Schnitte zu dick oder im gesamten Querschnitt unregelmäßig. Stellt man zahlreiche Schnitte her, die mit einem feinen Pinsel abgegriffen und auf den Objektträger übertragen werden, hat man eine Auswahl und findet im Allgemeinen verschiedene Randbereiche, die dünn genug sind und gut mikroskopiert werden können. Schülerbuch Seite 21 1 Nennen Sie Beispiele, bei denen der aa 2 aa Schülerbuch Seite 17 1 Betrachten Sie die Präparate mit möglichst hoher Vergrößerung und zeichnen Sie einen Ausschnitt mit wenigen Zellen. aa Individuelle Lösung. 2 Beschriften Sie alle erkennbaren Strukturen in Ihrer Zeichnung. aa Individuelle Lösung. 3 Markieren Sie in Ihrer Zeichnung, wo sich der rote Farbstoff in den Zellen der Zwiebel und wo er sich in den Zellen der Tomate befindet. aa Der rote Farbstoff befindet sich bei den Zwiebeln in der Zellsaftvakuole, bei der Tomate in den Chromoplasten, umgewandelte Plastiden. 4 Mikroskopieren Sie das ungefärbte und die gefärbten Präparate und vergleichen Sie. aa Individuelle Lösung. 3 aa 4 aa Energiezufluss und Energieabfluss bei Zellen stoffgebunden oder nichtstofflich erfolgt. Energiezufluss und Energieabfluss stoffgebunden: Aufnahme von Glucose in eine Drüsenzelle, Abgabe von Enzymen durch die Drüsenzelle. Energiezufluss und Energieabfluss nichtstofflich: Absorption von Licht durch grüne Pflanzenzellen. Abgabe von thermischer Energie durch Muskeln oder Leberzellen. „Leben ist nur bei ständigem Energiezustrom möglich.“ Überprüfen Sie diese Aussage inhaltlich. Begründen Sie Ihr Ergebnis. Lebewesen bestehen aus energiereichen, hochgeordneten Stoffen, die einem andauernden Ab- und Umbau unterliegen. Der Wirkungsgrad biochemischer Reaktionen ist gering. Es kommt zur Abgabe von thermischer Energie. Zur Aufrechterhaltung biologischer Strukturen ist somit ständige Energiezufuhr notwendig. Beschreiben Sie das Fließgleichgewicht am Beispiel arbeitender Muskelzellen. Zeichnen Sie dazu ein Schema ähnlich wie in Abb. 1. Aufnahme von Glucose und Sauerstoff. Zellatmung liefert Energie für Muskelarbeit. Abgabe von Kohlenstoffdioxid, Wasser und thermischer Energie. „Zellen und Organismen sind offene Systeme­“. Begründen Sie diese Aussage. Organismen und Zellen sind keine abgeschlossenen Systeme, da sie von außen Stoffe aufnehmen und selbst auch Stoffe abgeben. Auch die Aufnahme und Abgabe von Energie ist stets vorhanden, da sich alle Zellen in einem Fließgleichgewicht befinden. Zellbiologie 3 Schülerbuch Seite 22 Schülerbuch Seite 25 1 In Abb.1 b befindet sich die Zuckerlösung­ in einer Schweinsblase. Welchen Versuchsverlauf erwarten Sie? Begründen Sie Ihre Hypothese. aa Hypothese: Die Lösung steigt in Abhängigkeit von der Konzentration der Zucker‑ lösung unterschiedlich weit im Steigrohr auf. Begründung: Zu Beginn des Versuchs ist die Schweinsblase entsprechend dem Füllungszustand „schlaff“. Durch die semipermeable Membran tritt dann mehr und mehr Wasser aus der Umgebung in die Zuckerlösung ein, sodass die Blase „straffer“ wird, aber auch Zuckerlösung im Steigrohr aufsteigt. Der Vorgang setzt sich so lange fort, bis der hydrostatische Druck einem weiteren Wassereinstrom so stark entgegenwirkt, dass die Lösung im Steigrohr zum Stillstand kommt. Die Höhe ist abhängig von der Konzentration der Zuckerlösung, da stark konzentrierte Lösung viel, schwach konzentrierte entsprechend wenig Wasser „ansaugen“ kann. 1 Erläutern Sie Ihre Beobachtungen. Gehen Sie insbesondere auf den Zusammenhang zwi‑ schen Temperatur und Teilchenbewegung ein. aa individuelle Lösung; Es werden kleine Fetttröpfchen, bzw. Tuschetröpfchen sichtbar, die willkürlich, gemäß der Brown‘schen Molekularbewegung, umherzittern. Je länger der Objektträger unter dem Mikroskop liegt, desto wärmer wird die Lösung: Die Eigenbewegung der Teilchen (hier an den Tröpfchen zu erkennen) steigt mit der Temperatur. 2 Notieren Sie nach etwa 10 Minuten Ihre Be­ obachtung. Erläutern Sie diese. Begründen Sie, warum eine Kartoffel Stärke und nicht Zucker speichert. aa In der Vertiefung mit Kochsalz bzw. Rohrzucker sammelt sich Feuchtigkeit. Beide Stoffe können nicht durch die Zellmembran diffundieren. Aufgrund ihres hohen osmotischen Wertes diffundiert Wasser aus der Kartoffelscheibe in die Vertiefung mit Kochsalz bzw. Zucker. In der Vertiefung mit Stärke ist keine Veränderung zu beobachten, da Stärke aus Makromolekülen besteht und nur einen geringen osmotischen Wert hat. Würde die Kartoffel in ihren Knollen Zucker speichern, würde Wasser aus der Umgebung osmotisch aufgenommen und die Zellen würden platzen 3 Die Abbildung zeigt ein Filmdosen-Osmometer. Der Wert im Steigrohr wird zu Beginn, nach 30 Minuten und nach 60 Minuten als relative Größe abgelesen. Erläutern Sie den Versuch und die Versuchsbedingungen. aa Im Inneren der Filmdose befindet sich eine Lösung sehr hoher Konzentration, z. B. Sirup. In der Umgebung befindet sich Wasser. Beide Phasen sind durch eine selektiv permeable Membran, z. B. Cellophan getrennt. Wassermoleküle dringen durch die Membran in die Filmdose ein, der Flüssigkeitsspiegel im Steigrohr steigt. 4 Vergleichen Sie diese mit weiteren Zellen. Zeichnen Sie anschließend eine Zelle im Ausgangszustand und in verschiedenen Phasen der Veränderung. Nach Anfertigung der Skizzen wird die Salzlösung durch destilliertes Wasser ersetzt. Notieren Sie Ihre Beobachtung. Erläutern Sie die Vorgänge der Plasmolyse und Deplasmolyse. aa individuelle Lösung 5 Beschreiben Sie die Beobachtungen, die Sie nach ca. 10 min in den verschiedenen Gefäßen machen können. aa individuelle Lösung 6 Entwickeln Sie eine begründete Hypothese für die unterschiedliche Farbe des austretenden Farbstoffs in den verschiedenen Versuchsansätzen. aa Die Farbe eines Farbstoffs hängt nicht nur von dem Farbstoff selbst ab, sondern auch vom Lösungsmittel und vom pH-Wert. So wird Rotkohlsaft als pH-Indikator verwendet. Die Abhängigkeit der Farbe vom Lösungsmittel zeigt sich beispielsweise bei Iod. In Wasser gelöst ist es bräunlich, in Spiritus violett. Schülerbuch Seite 23 1 Zerteilte und gezuckerte Erdbeeren „ziehen Saft“. Erklären Sie diesen Vorgang anhand der Abbildung und mit den Fachbegriffen. aa Der Zucker ist eine extrem hypertonische Umgebung für die (angeschnittenen) Zellen. Wasser wird aus der Zentralvakuole und dem Cytoplasma nach außen abgegeben, die Zellen plasmolysieren. 2 Wissenschaftler benutzen die sogenannte Grenzplasmolyse zur näheren Untersuchung des Vakuoleninhalts. Sie ist durch geringfügiges Ablösen der Zell­membran von der Zellwand charakterisiert. Welche Versuchsbedingungen müssen dazu vorhanden sein und welche Schlussfolgerungen ergeben sich? Begründen Sie Ihre Meinung. aa Beginnt der Zellinhalt sich geringfügig von der Zellwand zu lösen (Grenzplasmolyse), bedeutet dies, dass die Plasmolyse gerade erst einsetzt. Die Zelle ist nicht mehr ganz prall (turgeszent) und noch nicht plasmolysiert. Dies ist in einem (fast) isotonischen Medium der Fall, das man für jede Gewebeart durch eine Konzentrationsreihe bestimmen kann. Hat man sich in dieser Versuchsreihe an den Wert herangetastet, kann man direkt auf den Zellinhalt zurückschließen und dessen osmotischen Wert angeben. 3 In einer Hotelküche wird grüner Salat tags­ über bis zum Verzehr in Wasser gelegt. Ist das sinnvoll? Erläutern Sie pro und contra. aa Durch die osmotischen Vorgänge wird der Salat zwar „knackig“ bleiben, d. h. nicht welk werden, aber auch über die Schnittstellen wasserlösliche Vitamine verlieren. 4 Zellbiologie 2 Zelluläre Strukturen Schülerbuch Seite 33 Tragen Sie die Gemeinsamkeiten und die aa Beide Versuche zeigen, dass im Zellkern die komplette Erbinformation des Tieres vorhanden sein muss. aa Schülerbuch Seite 40 aa aa technischen Unterschiede zwischen TEM und Lichtmikroskop zusammen. Beide haben eine Strahlenquelle und ein „Linsensystem“, welches die Strahlen bündelt, die Präparate werden durchstrahlt, das Bild wird aufgefangen. Das TEM unterscheidet sich vom LM durch die Art der Strahlen, das Vakuum für den Elektronenstrahl, die Funktion der Linsen, die gesamte Präparationstechnik und die Abbildung auf einem Bildschirm. Die Strahlenquelle beim TEM liegt oberhalb des Betrachters. Stellen Sie Vor- und Nachteile der Elektronenmikroskopie im Vergleich zur Lichtmikroskopie dar. EM: Vorteil: hohe Auflösung Nachteile: tote Objekte, aufwändige, zeitintensive Präparationsverfahren, tlw. unübersichtlich kleine Präparate, hohes Risiko von Artefakten, hohe Kosten. LM: Nachteil: um den Faktor 1000 geringere Auflösung Vorteil: Übersichtliche Darstellung größerer Objekte, auch lebende Zellen können mit spezifischen Färbemethoden differenziert dargestellt werden. Besprühen Sie eine zerknitterte durchsichtige Folie schräg mit grauem Sprühlack. Glätten Sie die Folie und betrachten sie diese als Projektion eines Overheadprojektors. Vergleichen Sie den Eindruck mit dem Bild eines Gefrierätzpräparates von Abbildung 5. Die besprühte Folie erzeugt ein quasi räumlich erscheinendes Abbild der Falten. Dieser Eindruck ist vergleichbar mit dem TEM-Bild, das man von einem Objekt erhält, das mit Gefrierätztechnik hergestellt wurde. 1 Erläutern Sie den Ablauf von Mitose und Meiose in eigenen Worten und stellen Sie die wesentlichen Unterschiede beider Zellteilungen dar. aa individuelle Lösung (hierzu könnten Modelle eingesetzt werden); wesentliche Punkte sind: aa Mitose gewährleistet, dass alle Zellen eine gleichbleibende und für die Art charakteristische Chromosomenzahl haben. Damit wird auch die genetische Information nicht verändert. Das ist beim Wachstum und beim Ersatz von Zellen notwendig. aa Meiose gewährleistet, dass befruchtungsfähige Keimzellen entstehen. Dazu muss vorher die Chromosomenzahl (und damit die genetische Information) halbiert werden. Das ist mit Neukombination verbunden. aa Daher unterscheiden sich die Abläufe: In der Mitose werden während der Anaphase Chromatiden getrennt (nachdem sich die Chromosomen einschichtig angeordnet haben), in der Meiose I hingegen homologe Chromosomen (nachdem sich die Chromosomen doppelschichtig angeordnet haben) und erst in der Meiose II die Chromatiden. Schülerbuch Seite 42 1 Erstellen Sie zu Bau und Funktion des Zellkerns ein einprägsames Schaubild. aa individuelle Lösung; denkbar ist z. B. eine Mindmap der folgenden Form, die auch Anlass zur Kritik oder Erweiterung sein kann und sich auf den Kenntnisstand der Lerngruppe beziehen muss. (siehe hierzu Mindmap auf Seite 6) Schülerbuch Seite 39 Beschreiben Sie die elektronenmikrosko- pischen Verfahren, mit denen die beiden Bilder in Abbildung 38.1 gewonnen wurden und erläutern Sie hieran die Aussagefähigkeit der Erkenntnisse zum Feinbau des Zellkerns. aa Die obere Abbildung zeigt die Struktur der Kernhülle in einem Gefrierätzpräparat. Die untere Abbildung entstammt einem Ultradünnschnitt. Sie verdeutlicht einen Querschnitt durch die Kernhülle. Anmerkung: Die methodischen Schritte, die zu den Bildern führten, sind auf Seite 32/33 des Schülerbuches beschrieben bzw. dargestellt. 2 Erklären Sie, welche biologischen Erkenntnisse mithilfe der beiden zur Kerntransplantation beschriebenen Experimente gewonnen werden konnten. (Randspalte und Abbildung 5) Schülerbuch Seite 43 Erstellen Sie mithilfe der nebenstehenden Abbildung einen tabellarischen Vergleich von Procyte und Eucyte. aa siehe Tabelle (Seite 6 unten). Die grau unterlegten Angaben sind direkt aus der Abbildung zu entnehmen, nicht unterlegt sind ergänzende Informationen. Berechnen Sie überschlägig, wie viele Bakterien etwa in eine Eucyte passen. aa Größere Bakterien haben ein Zellvolumen von 3 µm3 und mehr, kleinere nur 0,01 µm3. Dementsprechend haben in einer Eucyte (Volumen 100 120 000 µm3 z. B. für Erythrocyt Mensch und Purkinje-Zelle aus dem Spinalganglion) mehrere hundert bis viele tausend Bakterien Platz. Zellbiologie 5 Speicherung und Weitergabe der Erbinformation Unterschiede zwischen Pro- und Eukaryoten Steuerung des Stoffwechsels Funktionen Reaktionen auf Signalstoffe von außen Bezug zur Kern- und Zellteilung über Enzyme durch Signalstoffe durch Codierung von Strukturproteinen Apoptose Nekrose Zellkern Steuerfunktionen im Zellteilungszyklus Doppelmembran Kernporen Karyoplasma Moleküle DNA Chromosomen Nucleoli Bezug zu Cytoskelett Bezug zu Krebs Bezug zu Wachstum des Organismus Aufbau Unterschiede zwischen Mitose und Meiose Veränderungen bei der Kernteilung Unterschiede zwischen Arbeits- und Transportform der Erbinformation Entwerfen Sie das Schema einer Pilzzelle. Orientieren Sie sich dabei an der nebenstehenden Abbildung. aa Hinweis: Die Schüler sollten in Anlehnung an die Tierzelle eine ebenfalls C-heterotrophe Pilzzelle zeichnen. Zu ergänzen ist z. B., dass die Zellen in den Hyphen meist langgestreckt sind, eine Chitinwand haben und (zahlreiche) Vakuolen enthalten. Wie beurteilen Sie die Definition „Die Zelle ist ein Bezirk kernhaltigen Cytoplasmas, von einer Membran umgeben“? aa Die Definition trifft nur auf die Eucyte zu, da prokaryotische Zellen keinen Kern besitzen. 6 Zellbiologie Merkmal / Bestandteil Protocyte Eucyte Grundbaustein der Bakterien aller übrigen Organismen (Eukaryoten) Kern nicht vorhanden vorhanden Mitochondrien nicht vorhanden vorhanden Kompartimentierung kaum ausgeprägt ausgeprägt inneres Membransystem kaum ausgeprägt ausgeprägt Cytoskelett nicht vorhanden vorhanden Ribosomen vom 70 S-Typ (Prokaryoten Typ) 80 S-Typ (Eukaryoten-Typ) im Cytoplasma; 70 S-Typ in den Chloroplasten und Mitochondrien Entstehung vor 3 bis 4 Mrd. Jahren vor 1 bis 3 Mrd. Jahren Zellvolumen um 3µm3 100- bis 1000-mal größer Meiose kommt nicht vor vorhanden DNA ringförmig, keine Chromosomen Chromosomen; zusätzlich in Chloroplasten und Mitochondrien 3 Die Zelle als Teil eines Organismus Schülerbuch Seite 47 1 Haben Transmitter und Rezeptor miteinander reagiert, kann durch den Rezeptor direkt oder indirekt die Zellantwort ausgelöst werden. Recherchieren Sie anhand eines selbstgewählten Beispiels, wie diese Zellantwort aussehen kann. aa individuelle Lösung; als Überträgerstoff von Nervenzellen ist z. B. Acetylcholin bekannt. Sein Effekt wird auf S. 90 des Schülerbuchs dargestellt. 2 Informieren Sie sich über die Wirkung von Insulin und erläutern Sie, welche Mechanismen bei der Zuckerkrankheit (Diabetes) gestört sind. aa individuelle Lösung (Wdh. aus Jg. 9); die Regulation des Blutzuckerspiegels wird auf S. 92 des Schülerbuchs dargestellt. Die antagonistische Wirkung von Insulin und Glucagon, Diabetes und die Regulation des Blutzuckerspiegels sind ausführlich in Natura 3 (045720, Kapitel Hormone) dargestellt. Schülerbuch Seite 49 1 Listen Sie stichwortartig alle bisher genannten Eigenschaften von Enzymen auf. Ergänzen Sie später die Liste mit Eigenschaften, die auf den folgenden Seiten beschrieben werden. aa Enzyme sind Proteine, sie wirken als Katalysatoren, indem sie die Aktivierungsenergie herabsetzen bilden kurzzeitig einen Enzym-SubstratKomplex, aus dem sie unverändert hervorgehen sind substratspezifisch (weitgehend) sind wirkungsspezifisch (weitgehend) Informationen aus den folgenden Seiten: Enzyme benötigen teilweise weitere Moleküle zur Funktion. Die Enzymaktivität ist abhängig von Substratkonzentration Temperatur pH des Milieus Hemmstoffen (kompetitive oder allosterische) Enzyme können durch hohe Temperaturen denaturiert oder durch Schwermetalle irreversibel gehemmt werden. 2 Die Enzymbezeichnungen enden meistens auf -ase. Erläutern Sie, wie die Bezeichnungen zu verstehen sind. aa Enzyme wurden ursprünglich als Fermente bezeichnet und haben vielfach aus den ersten Zeiten der Entdeckung noch Trivialnamen (Beispiel: Ptyalin für die Mundspeichelamylase, Trypsin oder Chymotrypsin für Hydrolasen des Bauchspeichels, Pepsin für die Endopeptidase des Magens). Neuere Bezeichnungen enden stets auf -ase und enthalten davor entweder das Substrat, das umgesetzt wird (Beispiel: Amylase katalysiert eine Reaktion der Amylose) oder beschreiben die katalysierte Reaktion (Beispiel: Acetylcholinesterase ist ein Enzym, das den Transmitter Acetylcholin in Essigsäure und Cholin hydrolisiert). Nach neueren Übereinkünften werden Enzyme entsprechend der Klassifikation nach IUPAC und IUBMB nach der von ihnen katalysierten Reaktion in sechs Enzymklassen eingeteilt: aa Transferasen, Ligasen (Synthetasen), Isomerasen, Lyasen, Hydrolasen,Oxidoreduktasen. 3 In der Fachliteratur finden sich oft folgende Bezeichnungen: Prostetische Gruppe, Apoenzym, Holoenzym, Coenzym, Cosubstrat. Recherchieren Sie die entsprechenden Definitionen und erläutern Sie kurz die Funktionen der Substanzen. aa Die meisten Enzyme sind reine Proteine, andere bestehen aus einem Komplex von Protein und einer besonderen Wirkgruppe. Das Protein wird dann als Apoenzym bezeichnet. Zusammen bilden Apoenzym und Wirkgruppe das Holoenzym. Man unterscheidet zwei Typen von Holoenzymen. Ist die Wirkgruppe fest mit dem Apoenzym verbunden, so wird die Wirkgruppe als prostethische Gruppe bezeichnet. Kann sich die Wirkgruppe vom Apoenzym lösen und in einer weiteren Reaktion mit einem anderen Apoenzym binden, nennt man sie Coenzym oder Cosubstrat. Beispiele für Cosubstrate sind ATP und NAD. Schülerbuch Seite 51 1 Begründen Sie, weshalb bei allen Versuchen mit jeweils derselben Menge Harnstoff- und Urease-Lösung gearbeitet wird. aa Nur wenn ein Parameter in diesem Fall die Temperatur gleichzeitig aber keine anderen Parameter wie die Substrat- oder EnzymMenge verändert wird, kann der Versuch ein aussagekräftiges Ergebnis haben. 2 Erklären Sie, weshalb die gemessene Stromstärke ein Maß für die Enzymaktivität ist. aa Die Produkte Kohlenstoffdioxid und Ammo‑ niak verändern die Leitfähigkeit der wässrigen Lösung. Die Menge an Produkt steht im direkten Zusammenhang mit der Enzymaktivität. 3 Beschreiben Sie den Kurvenverlauf bei 20 °C, 40 °C und 60 °C. aa bei 20 °C ein flacher, linearer Anstieg, bei 40 °C ein steiler, linearer Anstieg und bei 60 °C nach einem kurzzeitigen Anstieg ein Verharren auf konstantem Niveau, also kein Anstieg mehr. 4 Stellen Sie die Enzymaktivität in Abhängigkeit von der Temperatur in einem Diagramm dar. aa Es handelt sich um eine Optimumkurve (vgl. S. 54, Abb. 2). 5 Erläutern Sie die Abhängigkeit der Enzymaktivität von der Temperatur auf molekularer Ebene. Berücksichtigen Sie, dass Enzyme Proteine sind. Zellbiologie 7 aa vgl. die Erläuterung der Optimumkurve von S. 54 f. zur Temperaturabhängigkeit des enzym­katalysierten Reaktionsverlaufs. 6 Formulieren Sie Fragestellungen, die sich durch die beiden Versuchsreihen klären lassen. aa Vorbemerkung: Es wird mit Hefezellen gearbeitet, die die an der alkoholischen Gärung beteiligten Enzyme enthalten. ������� ������������ Schülerbuch Seite 52 �������� ������������ ���� ����� ������� ��� ����� ������ ����� �������� ������������� ���������� ������������������� Lösungen a) Bestehen bestimmte Enzyme aus mehreren Komponenten? b) Sind zur Funktion bestimmter Enzyme weitere Komponenten notwendig? 7 Beschreiben Sie die Ergebnisse. aa Die Versuchsergebnisse von Harden und Young lassen sich so erklären, dass die Eigenschaften der Pyruvat-Decarboxylase (PD) untersucht worden sind. Dieses Enzym hat als lösliche Cofaktoren das Thiaminpyrophosphat und Mg2+. Pyruvat-Decarboxylase PD Pyruvat (C3) Acetaldehyd + 2CO2 8 Stellen Sie Hypothesen über den Aufbau des Enzyms auf, welches hier aktiv ist. aa Das beteiligte Enzym muss aus verschiedenen Komponenten bestehen, die teilweise durch eine Dialysemembran diffundieren können. Wenn man aus Schülerperspektive davon ausgeht, dass mehrere Enzyme untersucht werden, könnte man auch darüber spekulieren, dass die Enzyme teilweise durch den Dialyseschlauch diffundieren können. Dies ist aber aufgrund der Größe von Enzymen nicht möglich. 9 Begründen Sie Ihre Hypothesen anhand der einzelnen Experimente. aa Die Versuchsreihe 1 zeigt, dass Enzyme aus Komponenten aufgebaut sein können. Diese Komponenten sind löslich und können durch Dialyse voneinander getrennt werden. Versuchsreihen 1 und 2 zeigen, dass beide Komponenten vorhanden sein müssen, damit die katalysierte Reaktion beobachtet werden 8 Zellbiologie kann. Versuchsreihe 2 zeigt, dass die Komponenten verschieden empfindlich gegenüber Hitze sind. Lösung 1 enthält die hitzestabile Komponente, denn die Reaktion fand statt, obwohl man Lösung 1 erhitzt hatte. (Wahrscheinlich handelt es sich um das Mg2+.) Anteil Lösung 2 enthält den hitzelabilen Anteil, also das Protein und das ThiaminDiPhosphat. 1 Lesen Sie die Anleitungen und formulieren Sie für alle Versuche jeweils die leitende Fragestellung. aa Es wird jeweils nach dem Einfluss des im Versuch veränderten Parameters auf die Enzymaktivität gefragt. Hat folgender Parameter einen Einfluss auf die Enzymaktivität? Versuch 2: Reaktionsoberfläche Versuch 3: pH-Wert Versuch 4: Schwermetall Kupfer Versuch 5: hohe Temperatur Versuch 6: Temperatur Versuch 8: Substratkonzentration Versuch 9: Thioharnstoff, ein dem Substrat ähnliches Substrat, das als wassergefährdend eingestuft wird. 2 Führen Sie die Versuche durch. 3 Protokollieren Sie Material, Durchführung und Beobachtungen. 4 Formulieren Sie die Schlussfolgerungen als Antwort auf die Fragestellung. 5 Formulieren Sie zu den Versuchen mit Lactase eine Fragestellung und das Versuchsergebnis. aa Kann man schon einmal verwendete Enzyme erneut für weitere Reaktionen einsetzen? Der Versuch zeigt, dass die in Alginat eingebetteten Enzyme mehrfach hintereinander die Reaktion zur Glucose katalysieren. 6 Leiten Sie aus dem Ergebnis eine Eigenschaft von Enzymen ab. aa Enzyme gehen aus den katalysierten Reaktionen (weitgehend) unverändert hervor. 7 Diskutieren Sie Vor- und Nachteile der Einbettung eines Enzyms in Alginat. aa Alginat verhindert die freie Diffusion der an der Reaktion beteiligten Enzyme, Substrate und Produkte, allerdings kann das Enzym auch aus der Lösung mit einem einfachen Sieb entnommen werden. 8 Welche Geschmacksveränderung erwarten Sie in Lactase-behandelter Milch? Beschreiben Sie. aa Da der Glucosegehalt gestiegen ist, sollte die behandelte Milch süßer schmecken (vgl. Tabelle S. 60) 9 Erläutern Sie mögliche Anwendungen der eingebetteten Lactase in der Lebensmittel­ industrie. aa In der Bevölkerung wächst der Anteil an Menschen, die im Erwachsenenalter Lactose nicht verdauen können. Daher wächst der Bedarf an lactosefreier Milch. Mithilfe der eingebetteten Lactase kann der Milch die störende Lactose entzogen werden. Die eingesetzten Lactase-Alginat-Perlen können leicht entnommen und für weitere Prozesse eingesetzt werden. Schülerbuch Seite 55 1 Zeichnen Sie die Kurve von Abb. 1 unter den Bedingungen einer schrittweisen Erhöhung der Substratmenge über die optimale Konzentration hinaus. aa Die Kurve sollte leicht fallen, da sich die Substrate gegenseitig beim Zugang zu den Enzymen behindern. Substrathemmung. 2 Ordnen Sie die modellhaften Darstellungen (a, b, c) in Abb. 1 den Stellen 1, 2, 3 der Kurve zu. Begründen Sie. aa 1 b, 2 c, 3 a. Die in den drei Grafiken (a, b, c) dargestellten vier Enzym-Moleküle haben in Abb. b zunächst wenig Substrate in unmittelbarer Nähe, entsprechend ist auch nur ein aktives Zentrum besetzt, in Abb. c sind schon vier Enzyme durch die dichter auftretenden Substrate besetzt, bis in Abb. a alle Enzyme mit einem Substrat dargestellt werden. 3 Erläutern Sie die Gründe dafür, dass hohes Fieber von 42 °C lebensbedrohliche Folgen hat. aa Diese Temperatur führt zu Denaturierung wichtiger Enzyme im menschlichen Körper, sodass lebenswichtige Prozesse nicht mehr ablaufen können. Dies wiederum führt zu weiteren Ausfällen und schließlich zum Tode. 4 Stellen Sie eine begründete Hypothese für einen biologischen Regulationsmechanismus auf, mit dem die Enzymaktivität reguliert werden könnte. aa Im menschlichen Verdauungstrakt wird die Aktivität der Verdauungsenzyme über den pH-Wert der Verdauungssäfte reguliert. Denkbar ist auch die Regulation über die Substratkonzentration, die durch den Körper verändert werden könnte. Im gleichwarmen Organismus fällt der Faktor Temperatur als Möglichkeit zur Beeinflussung der Enzym‑ aktivität aus. Schülerbuch Seite 57 1 Erläutern Sie die Wirkung des Allopurinols. aa Das Medikament Allopurinol konkurriert mit dem körpereigenen Hypoxanthin um das Enzym Xanthinoxidase, sodass weniger Substrat Hypoxanthin zu dem schädlichen Produkt Harnsäure umgesetzt wird. Es handelt sich um ein Beispiel für eine kompetitive Hemmung eines Enzyms. 2 Erklären Sie die Empfehlung der Ärzte, gleichzeitig mit Allopurinol eine Diät einzuhalten, die wenig Harnsäure entstehen lässt. aa Da es sich um eine kompetitive Hemmung handelt, hat eine große Menge an Purinen in der Nahrung zur Folge, dass das körpereigene Hypoxanthin sich gegen das Allopurinol mengenmäßig durchsetzt. Allopurinol kann nicht häufig genug die Xanthinoxidase besetzen. Ohne purinarme Diät würde also immer noch zu viel Harnsäure gebildet. 3 Stellen Sie mit einem Flussdiagramm die Vorgänge der allosterischen Hemmung am Beispiel Isoleucin dar. aa Threonin (Ausgangssubstat) Enzym 1: Threonindesaminase Zwischenprodukt A Enzym 2 Zwischenprodukt B Enzym 3 usw. Endprodukt Isoleucin Allosterische Hemmung 4 Vergleichen Sie die Kurven zur Substratabhängigkeit bei kompetitiver und allosterischer Hemmung. aa Bei der kompetitiven wird Vmax bei einer höheren Substratkonzentration erreicht, bei der allosterischen Hemmung wird Vmax nicht erreicht. 5 Stellen Sie dar, wie sich die Kurven kompetitiver und allosterischer Hemmung bei einer Erhöhung der Hemmstoffkonzentration verändern. aa Bei erhöhter Hemmstoffkonzentration wird bei der kompetitiven Hemmung der Vmax-Punkt weiter in Richtung auf eine noch höhere Substratkonzentration verschoben. Bei der allosterischen Hemmung wird die Geschwindigkeit der Substratumsetzung weiter herabgesetzt, die Kurve verläuft also flacher. Schülerbuch Seite 60 1 Unter welchen Reaktionsbedingungen müssen die Waschmittel-Proteasen wirksam sein? aa Im alkalischen Milieu und bei Temperaturen bis mindestens 40 °C. 2 Mit welchem Experiment könnte man die Reinigungswirkung eines Waschmittels mit Protease gegenüber einem enzymfreien Mittel überprüfen? aa Man könnte Wäsche benutzen, die besonders stark mit Eiweiß verschmutzt ist. Diese Verschmutzungen müsste das proteasehaltige Waschmittel besser reinigen können. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, das Waschmittel zu erhitzen, um dadurch die Enzyme zu denaturieren. 3 Welche Enzyme würden Sie in einem Waschmittel noch vermuten? Begründen Sie Ihre Hypothese. aa Lipasen, also Enzyme, die Fette lösen können. Zellbiologie 9 4 Ein Hausmittel zur Reinigung hartnäckiger Verschmutzungen ist „Gall-Seife“, sie enthält Emulgatoren aus Rindergalle. Begründen Sie, warum ein Einsatz von Emulgatoren die Wirkung der Waschenzyme unterstützen kann. aa Emulgatoren sorgen dafür, dass Schmutz­ partikel in kleineren „Portionen“ in wässriger Lösung erhalten bleiben. Somit wird den Enzymen eine größere Angriffsfläche gewährt. 5 Erklären Sie, warum sich die Bakterien der Gattung Bacillus so gut für die großtechnische Gewinnung der Proteasen eignen. aa Die Enzyme werden schon von den Bakterien ausgeschieden und müssen nicht mit hohem Aufwand den Organismen entnommen werden. Die Bakterien können also weiter produzieren. 6 Erklären Sie die Funktion der drei Enzyme im Recyclingprozess. aa Lipasen lösen die unpolaren Anteile der Druckerfarben. Xylanasen zersetzen Anteile des Papiers, nämlich die Hemizellulose. Laccasen bleichen das Papier. 7 Stellen Sie in einer Liste die Vor- und Nachteile von Recyclingpapier zusammen. aa Den genannten Vorteilen an eingesparter Energie und Wasser steht gegenüber, dass Recyclingpapier einen „Grauton“ und eine rauere Oberfläche besitzt, die z. B. bei Druckern oder Kopierern die Walzen stärker abnutzt. 8 Begründen Sie, warum im Gegensatz zur Bundesrepublik die Verwendung von Flüssigzucker in den USA deutlich stärker verbreitet ist. aa In den USA wird Mais in höherem Umfang angebaut als in Europa. Flüssigzucker wird aus diesem Rohstoff gewonnen. 9 Stellen Sie in einem Flussdiagramm die Herstellung von Invertzucker dar. Amylasen Glucoamylase Glucoisomerase Maisstärke … Stärkebruchstücke … Glucose … Invertzucker Erklären Sie die hohe relative Süßkraft des Invertzuckers. aa Invertzucker besteht aus Fructose und Glucose, es addieren sich also die Süßkräfte. Recherchieren Sie, welche Organismen bei der Produktion von Vollmilch, Butter, Sahne, Quark, Joghurt, Hartkäse, Camembert und Molke beteiligt sind. aa Vollmilch (Rind, Ziege, Schaf), Butter (bei Sauerrahmbutter Milchsäurebakterien, ansonsten der Mensch mit „Stampfen“), Sahne (vgl. Butter), Quark (Milchsäurebakterien), Joghurt (Milchsäurebakterien), Hartkäse (Milchsäurebakterien und Lab: die Lab‑ enzyme stammen aus Kälbermägen, heute aber biotechnologisch veränderte Bakterien), Camembert (vgl. Käsegewinnung und Schimmelpilze), Molke (ein „Abfallprodukt“ der Käseproduktion) 10 Zellbiologie Erklären Sie die Wirkungsweise der zur Milchgerinnung eingesetzten Enzyme und die Ursache der Gerinnung. aa Bei den Labenzymen handelt es sich um Chymosin und Trypsin. Sie spalten die Milchproteine z. B. Kasein. Erläutern Sie die Vorteile des Einsatzes der Enzyme gegenüber den klassischen Methoden. aa Mithilfe der Enzyme können die Pektine schonend abgebaut werden, sodass Geschmacks- und Inhaltsstoffe weitgehend erhalten bleiben. Ebenso kann man auf aufwändiges Filtrieren verzichten. Erklären Sie, wie der Penicillingehalt mit Hilfe des Enzyms Penicilin-Acy­clase bestimmt werden kann. aa Das Enzym stellt aus dem Penicillin Säuren her. Die Veränderungen im pH oder in der Leitfähigkeit des Kulturmediums kann durch eine kontinuierliche pH- oder LeitfähigkeitsMessung leicht überwacht werden. Welche Vorteile bietet der Biosensor gegen­ über dem bisherigen Verfahren? aa Kontinuierliche, die Produktion nur geringfügig störende Sonden ermöglichen schnellere und präzisere Messungen. Die nur in zeitlichen Abständen entnommenen Stichproben mussten dann erst auf den Penicillingehalt hin untersucht werden. Schlagen Sie weitere Einsatzmöglichkeiten dieser Technologie vor. aa Weitere Einsatzmöglichkeiten lassen sich überall dort vermuten, wo Keimzahlen in oder auf Gegenständen bestimmt werden sollen, so z. B. im Krankenhäusern. Diskutieren Sie mögliche Fehlerquellen bei dieser Methode zur Bestimmung der Keimzahl. aa Der erste Schritt in diesem Nachweisprozess das Abspülen der Bakterien ist nur in eingeschränktem Maße zu standardisieren. Ebenso muss das Verhältnis zwischen dem nachgewiesenen ATP und der daraus abgeleiteten Bakterienzahl für die entsprechenden Proben genau bestimmt werden, da die ATP-Menge in den Bakterien sicherlich nicht konstant ist. Recherchieren Sie die Begriffe Stereoisomerie, L-Form und D-Form der Glucose und erklären Sie schriftlich ihr Vorkommen. aa Beim Menschen wird die rechtsdrehende Form rasch verdaut, während die linksdrehende D(-) Milchsäure langsamer vom Organismus abgebaut wird. Linksdrehende Milchsäure sollte daher z. B. in Säuglingsnahrung nicht enthalten sein. Gezieltes Beimpfen mit Enzymen, die die linksdrehende Milchsäure in Nahrungsmittel abbauen, können Lebensmittel somit besser verträglich machen. Schülerbuch Seite 62 Schülerbuch Seite 65 1 Einige Enzyme sind mit historisch begründeten Namen bezeichnet. Recherchieren Sie, wie sie wissenschaftlich korrekt heißen. Erläutern Sie Arbeitsweise und Aufgabe aller Verdauungsenzyme in einer tabellarischen Übersicht. aa (siehe dazu auch Schülerbuch S. 49, Aufg. 2); 1 Beschreiben Sie die Energieumwandlung von der Glucose bis zum ATP. aa Glucose … Glykolyse … Brenztraubensäure … Abspaltung von Kohlenstoffdioxid, Bildung von aktivierter Essigsäure … Tricarbonsäurezyklus, dabei Abspaltung von Kohlenstoffdioxid … bei allen Oxidationsschritten gleichzeitige Bildung von NADH2 bzw. FADH2 … schrittweise Übertragung des Wasserstoffs aus NADH2 bzw. FADH2 auf Sauerstoff unter Bildung von ATP. 2 Zu den biologischen Prinzipien gehören die Energieumwandlung, die Kompartimentierung und der Zusammenhang StrukturFunktion. Erläutern Sie diese Prinzipien am Beispiel der Mitochondrien. aa Energieumwandlung: Die chemische Energie organischer Stoffe wird umgewandelt in die Energie eines pHGradienten bzw. eines elektrischen Feldes an der inneren Mitochondrienmembran. Diese Energie wird ihrerseits genutzt zum Aufbau von ATP. Kompartimentierung: Glykolyse im Cytoplasma, Tricarbonsäurezyklus im Matrixraum, Endoxidation an der inneren Mitochondrienmembran. Zusammenhang StrukturFunktion: Auffaltung der inneren Mitochondrienmembran, Lokalisierung der Enzyme der Endoxidation in der inneren Mitochondrienmembran. 3 Bei der Glykolyse und im Tricarbonsäure‑ zyklus entstehen Wasserstoffüberträger wie FADH2 und NADH2. Erläutern Sie das energetische Niveau dieser Stoffe. aa FADH 2 und NADH2 sind energiereiche Stoffe, bei deren Abbau in der Endoxidation Energie abgegeben wird, die letztlich zur Bildung von ATP dient. Ort Sekret Enzym Aktivität Mundhöhle Speichel Amylase baut Stärke zu Doppelzucker ab Magen Magensaft Pepsin zerlegt Proteine in Polypeptide Zwölffingerdarm Gallensaft Dünndarm Bauchspeichel Sekrete der Darmwand emulgierte Fette Pankreas-(Amylase) zerlegt Polysaccharide in Doppelzucker Maltase (Glucosidase) baut Doppelzucker zu Einfachzucker ab Pankreas-(Lipase) zerlegt Fette in Glycerin und Fettsäuren Trypsin, Chymotrypsin und Peptidase baut Polypeptide zu Aminosäuren ab Glucosidasen (z. B. Maltase) spaltet Doppelzucker in Einfachzucker weitere Erläuterungen: — Magensaft (mit Salzsäure): Pepsin ist von der Funktion her eine Endopeptidase und entsteht aus der Vorstufe Pepsinogen, die aus Zellen der Magenwand freigesetzt wird. Die Proteinspaltungen durch Pepsin erfolgen vorzugsweise an den Positionen der aromatischen Aminosäuren, besonders, wenn diese gehäuft (z. B. Phe-Phe, PheTyr, Tyr-Phe, Tyr-Tyr) oder von hydrophoben Aminosäuren flankiert (z. B. Phe-Leu, Tyr-Ile) auftreten. Anmerkung: Das Getränk Pepsi erhielt seinen Namen 1898 aufgrund seines Pepsingehaltes. — Zwölffingerdarm/Dünndarm: Trypsin ist ebenfalls eine Protease (proteinspaltendes Enzym), das von der Bauchspeicheldrüse aus in Form des inaktiven Trypsinogens in den Dünndarm gelangt und dort unter Mitwirkung einer Enteropeptidase (hochspezifische Proteinase) in das aktive Trypsin überführt wird. Trypsin selbst spaltet als Endopeptidase bevorzugt denaturierte Proteine an den Positionen der basischen Aminosäuren Arginin und Lysin. — Chymotrypsin ist eine zu den Serinproteasen gehörende Hydrolase, die als Endopeptidase Peptidbindungen nach aromatischen Aminosäurebausteinen und nach Leucin spaltet. Sie wird in Form der inaktiven Vorstufe Chymotrypsinogen in der Bauchspeicheldrüse gebildet. Zellbiologie 11 4 Fortpflanzung und Entwicklung — die Ontogenese Schülerbuch Seite 67 1 Erläutern Sie, warum die ersten vollständig entwickelten Organe das Herz und die Leber sind (s. Abb. 6). aa Der sich entwickelnde Embryo wird über die Nabelschnur mit Sauerstoff und Nährstoffen von der Mutter versorgt, die über das Blut im Körper des Kindes verteilt werden. Entstehendes Kohlenstoffdioxid und Stoffwechselendprodukte werden über den Blutkreislauf an das mütterliche Blut abgegeben. Das Herz ist für die Verteilung des Blutes im Körper des Kindes verantwortlich. Es pumpt das Blut durch die Adern des Kindes und gewährleistet damit die Versorgung weiterer sich entwickelnder Organe. Die Leber erfüllt während der Entwicklung des Embryos zwei wichtige Funktionen. Zum einen ist sie an der Produktion von Blutzellen beteiligt, zum anderen ist die Leber das zentrale Organ des gesamten Stoffwechsels. In ihr werden über das Blut aufgenommene Nährstoffe verarbeitet und Stoffwechselprodukte abgebaut. Schülerbuch Seite 72 Informieren Sie sich über die Fort­pflanzung bei Amphibien und beschreiben Sie die Entwicklung von der Zygote bis zur Neurula (Abb. linker Teil). aa Quaken als Lockruf, Aufreiten des Männchens, gleichzeitige Abgabe von Spermien und ca. 1000 bis 4000 Eiern in Gallerthülle, äußere Besamung und Befruchtung. Die befruchteten Eier sinken zunächst ab und steigen nach dem Aufquellen der Gallerthülle an die Wasseroberfläche („Schwimmweste und Treibhaus“). Der schwarze Pol orientiert sich Richtung Sonne (dotterarm, daher leichter) und absorbiert Sonnenlicht. Gegenüber der Spermieneintrittsstelle entsteht ein grauer Halbmond (zukünftiger Rücken). Die Furchung ist total inäqual (bilateral). Blastula: nach 24 Stunden (primäre Leibeshöhle) Gastrula: Urdarmbildung (Entoderm), das Urdarmdach bildet das Mesoderm (sekundäre Leibeshöhle, Bindegewebe, Muskeln), äußerlich sichtbar ist der Urmund. Neurula: Das Ektoderm bildet eine Rinne (späteres Rückenmark), das Mesoderm bildet die Chorda (später ersetzt durch Wirbelsäule), der Urmund wird zum After, Mund neu im Kopfbereich. Leiten Sie aus den Schnürversuchen ab, welchen Einfluss der graue Halbmond auf die weitere Entwicklung hat (Abb. oben). aa Nur Zellmaterial, das Teile des grauen Halbmondes enthält, entwickelt sich weiter. Der Halbmond ist also ein Organisator, der die weitere Entwicklung induziert. 12 Zellbiologie Trennt man die beiden Blastomeren im Zweizellstadium eines Seeigelkeimes voneinander, entwickeln sich zwei Larven, aus einem ebenso behandelten Fadenwurm-Keim geht kein lebensfähiges Tier hervor. Nennen Sie den Entwicklungstyp der Keime von Amphibien, Seeigel und Fadenwurm. aa Mosaikentwicklung: Fadenwurm (totipotent ist nur die Zygote). Regulationsentwicklung: Amphibien, Seeigel (totipotent sind auch die Zellen der ersten Furchungsstadien). Leiten Sie aus den Transplantationsversuchen ab, wann die Determination im Amphibienkeim stattfindet (Abb. Mitte und unten). aa Während der Gastrulation, denn vorher entwickeln sich Transplantate ortsgemäß, danach herkunftsgemäß. Schülerbuch Seite 75 1 Recherchieren Sie, welcher Stoffgruppe die Cycline zuzuordnen sind und vergleichen Sie deren Arbeitsweise mit bekannten Faktoren. aa Cycline sind Eiweiße, die in ihrer Arbeitsweise der von Enzymen entsprechen: Zusammen mit cyclinabhängigen Kinasen (CdKs) greifen sie an bestimmten Punkten im Zellzyklus ein. So wird die Zellteilung z. B. erst dann eingeleitet, wenn Cyclin D und ein weiterer Faktor anwesend sind. Die S-Phase läuft nur bei Anwesenheit von Cyclin A und einem zusätzlichen Faktor ab und die eigentliche Mitose beginnt bei Anwesenheit von Cyclin B. Die Cycline unterliegen einem stetigen Wechsel von Synthese und Abbau und sind selbst wieder von Steuerungs- und Regulierungsmolekülen abhängig. Tumorauslösende Faktoren durchbrechen diese komplexen Kontrollmechanismen, sodass die Zellen durch eine Überwindung des G1/S-Phasenübergangs fortwährend teilungsfähig bleiben. aa Zur Erläuterung: G1-Phase (Interphase): Arbeitsphase der DNA im Stoffwechsel, G2Phase: Vorbereitung auf die Mitose; S-Phase: Identische Replikation der DNA und Bildung einer zweiten (Schwester-)Chromatide. Schülerbuch Seite 75 — Zettelkasten 1 Begründen Sie den Einsatz derartiger Zellgifte in der Krebstherapie. aa Werden derartige Zellgifte als Cytostatika eingesetzt, hemmen sie die Zellteilung durch Eingriff in die Mitoseabläufe. Fehlt die Zellteilung, kann auch ein Tumor sich nicht vergrößern. Anmerkungen: Da Colchicin aber auch zur Polyploidisierung von Zellen führt, werden in der Medizin andere Alkaloide oder synthetische Substanzen als Mitosehemmer benutzt. Weil durch Cytostatika auch normale Zellen an der Zellteilung gehindert werden, sind meist erhebliche Nebenwirkungen einer Chemotherapie zu beobachten. Schülerbuch Seite 77 Schülerbuch Seite 81 1 Recherchieren Sie in der Fachliteratur und im Internet, wodurch Intersexualität beim Menschen entstehen kann. Erläutern Sie, was dieser Begriff beschreibt. Stellen Sie die Unterschiede zur Transsexualität heraus. aa individuelle Lösung; mögliche Beiträge: Intersexualität (Zwischengeschlechtlichkeit) beschreibt in der Biologie das Vorkommen von männlichen und weiblichen bzw. von intermediären Merkmalen bei ein und demselben Individuum bei normalerweise getrenntgeschlechtigen Arten (durch diese Definition wird Intersexualität streng von Hermaphroditismus = Zwittrigkeit wie sie z. B. bei Blütenpflanzen vorkommt unterschieden). Meist wird die Definition noch erweitert durch den Zusatz, dass alle Körperzellen die gleiche genetische Konstellation (genetisches Geschlecht) haben; damit würde der Gynander (Mosaikzwitter, nur bei Gliederfüßern bekannt; ein Tier, das aus Arealen mit männlich und Arealen mit weiblich determinierten und entsprechend differenzierten Zellen zusammengesetzt ist) nicht zur Intersexualität gehören. In der Medizin beschreibt der Begriff Intersexualität das Vorhandensein von Merkmalen beider Geschlechter bei einem menschlichen Individuum. Es existieren „Widersprüche“ zwischen dem chromosomalen Geschlecht, dem Gonaden-, GenitalGeschlecht und geschlechtlichen Phänotyp. Sie können entweder durch Aberrationen der Geschlechtschromosomen, durch Abwandlung der Geschlechtsorgane oder der sekundären Geschlechtsmerkmale entstehen. Zur Intersexualität im weiteren Sinne gehören auch das Klinefelter-Syndrom (XXY-Karyotyp) und das Turner-Syndrom (X0). Demgegenüber beschreibt Transsexualität das bei manchen Menschen auftretende Phänomen, dass das körperliche Geschlecht im Widerspruch zum geistigen Geschlecht steht. Obwohl das morphologische Geschlecht eindeutig bestimmbar ist, fühlen sich transsexuelle Menschen psychisch zum jeweils anderen Geschlecht zugehörig. Oftmals streben Betroffene durch Operationen und Hormonbehandlungen eine körperliche Angleichung an das psychische Geschlecht an. Es muss zwischen Transsexualität und Homosexualität unterschieden werden, da Transsexuelle oftmals heterosexuell orientiert sind. Auch der Transvestismus beschreibt etwas anderes, nämlich das Bedürfnis, durch Kostümierung vorübergehend in die Rolle des anderen Geschlechts zu schlüpfen. 1 Ermitteln Sie, welche Aufgaben die Plazenta hat und warum gilt „Die Plazentaschranke hält nicht alles fern“. aa Der „Mutter- oder Fruchtkuchen“ ist Verbindungsorgan zwischen dem Embryo (bzw. dem Fetus) und dem mütterlichen Organismus. Die Plazenta gewährleistet Stoff- und Gasaustausch zwischen mütterlichem Blut und dem Blut des sich entwickelnden Embryos. Über die Plazenta wird der Fetus ernährt und entgiftet. Die Substanzen werden durch Diffusion, aktiven Transport oder Cytosen durch die Membranen geschleust. Die Plazenta hat somit auch Filterfunktion (hält viele Gift- und Schadstoffe vom Fetus fern) und bildet außerdem Hormone. Die dünne Gewebeschicht, die mütterliches und fetales Blut trennt (Plazentaschranke), ist für Elektrolyte, Antikörper, Viren, verschiedene Medikamente und Alkohol durchgängig. 2 Recherchieren Sie neueste Ergebnisse zu den genannten Faktoren und erstellen Sie eine Präsentation zum Thema. Erläutern Sie auch anhand von Bildmaterial z. B. das „fetale Alkoholsyndrom“. aa individuelle Lösung; Recherche z. B. mit den Stichworten „Embryopathie“ auf der Seite der Bundeszentrale für gesundheitliche Aufklärung (www.bzga.de), zum fetalen Alkoholsyndrom auch die Seite der deutschen Hauptstelle für Suchtfragen (www. dhs.de). Zum Thema „Xenoöstrogene“ findet man Beiträge auf den Seiten verschiedener Universitäten. Zu Epigenetik häufen sich in jüngster Zeit Beiträge in den Tages- oder Wochenzeitungen. Zellbiologie 13 Basiskonzepte Schülerbuch Seite 85 Zur Abwehr von Krankheitserregern produziert das Immunsystem der Wirbeltiere spezifische Antikörper, die zu molekularen Strukturen des Erregers, den sog. Antigenen, passen. Sie treten in einer unüberschaubaren Vielfalt auf. Wie wird die Passgenauigkeit erreicht und welche Folgen hat die Wechselwirkung? aa Antikörper entstehen nach dem Baukastenprinzip : Die Vielfalt der Rezeptormoleküle wird aus einer überschaubaren Anzahl von DNA-Abschnitten durch Umsortierung erzeugt. Vergleichbar dem Lego-System kann mit wenigen Bausteintypen eine Vielfalt von fertigen Produkten durch unterschiedliche Kombination hergestellt werden. Die organischen Basen Adenin und Thymin sowie Cytosin und Guanin liegen in der DNA gepaart vor. Über Wasserstoffbrücken stehen sie miteinander in Wechselwirkung. Analysieren Sie die Unterschiede in Bezug auf Struktur und Funktion im Vergleich zu einem Enzym-Substrat-Komplex oder zu den molekularen Wechselwirkungen zwischen Transmitter und Rezeptor. aa In der Basenpaarung der DNA liegt eine Wechselwirkung zwischen den Partnern vor (jeweils eine „lange“ und eine „kurze“ Base, Möglichkeit zur Ausbildung von zwei bzw. drei Wasserstoffbrücken), die bei der Replikation (und bei der Transkription den Aufbau des zweiten zu ergänzenden Stranges genau festlegt. In eine bestimmte Enzymstruktur passt nur ein definiertes Substrat (s. Seite 48) und in diesem Komplex wird nur eine spezifische Umsetzung katalysiert. An Synapsen kann ein Transmitter durch Besetzen „seines“ Rezeptors Ionenkanäle öffnen und somit zur Weiterleitung der Information beitragen. Bewegungs- und Transportprinzipien sind hier auf der Ebene der Moleküle und Zellen beschrieben. In Organen oder Organismen sind sie aber ebenfalls zu beobachten. Erläutern Sie vergleichbare Vorgänge z. B. bei der Muskelaktivität, im Verdauungssystem oder beim Transport von Substanzen mit dem Blut. aa Bewegungsprinzipien bei der Muskelaktivität auf der Ebene der Organe z. B. GegenspielerPrinzip (Beuger und Strecker am Oberarm) oder Zusammenarbeit von Ring- und Längsmuskulatur in der Darmwand bzw. der Speiseröhre. Auf molekularer Ebene wird die Muskelaktivität durch das Actin-MyosinSystem unter Einsatz von ATP bewirkt. Transport von Substanzen im Blut durch die Kontraktion des Herzmuskels und der Arterienwände. Ein Rückfluss wird durch die Venenklappen oder die Segel- und Taschenklappen im Herz verhindert. 14 Zellbiologie Schülerbuch Seite 87 Welche Vorteile bietet die Kompartimentierung? aa In verschiedenen Kompartimenten können ganz unterschiedliche Reaktionen gleichzeitig ablaufen, es herrschen verschiedene Reaktionsbedingungen (pH-Wert, Enzymausstattung, Substrate). Produkte können getrennt voneinander gespeichert und kontrolliert transportiert werden. „Die Identität eines Zellkompartiments beruht im Wesentlichen auf spezifischen Protein‑ bestandteilen seiner Membran.“ Begründen Sie diese Aussage. aa Membranproteine kontrollieren den Im- und Export von Substanzen und entscheiden damit über die Zusammensetzung des von ihnen umschlossenen Zellkompartiments. Sie selbst entstehen unter der Regie des Zellkerns bzw. der organelleigenen DNA (im Falle der Plastiden und Mitochondrien). Sie werden entsprechend der im Gewebetyp aktivierten Erbinformation synthetisiert und sind als spezifische Enzyme aktiv bzw. beeinflussen als Baustoffe die Struktur der Membran. Welchen Beitrag leistet die Endosymbiontentheorie, um die Entstehung der Zellkompartimentierung zu erklären? aa Nach dieser Theorie entwickelten sich Mitochondrien und Chloroplasten aus Prokaryoten, die in eine größere Zelle aufgenommen wurden. Die Membranstrukturen stützen diese Theorie: Die innere Membran leitet sich von der Zellmembran der Endosymbionten her, die äußere entstand aus der Zellmembran der Wirtszelle. Ringförmige DNA-Moleküle und bakterienähnliche Ribosomen in den Organellen und ihre Fähigkeit, durch Teilung aus ihresgleichen zu entstehen, sind weitere Belege. Mitochondrien und Plastiden sind Organellen mit einer Doppelmembran. Welche Reaktionsräume werden jeweils gegeneinander abgegrenzt und welche Prozesse laufen dort ab? aa Die Prozesse der Zellatmung sind auf Cytoplasma (Glykolyse) und Mitochondrienmatrix (Citronensäurezyklus) sowie Innenmembran der Mitochondrien (Atmungskette) verteilt. Die lichtabhängigen Prozesse der Fotosynthese laufen an den Thylakoidmembranen und der Calvin-Benson-Zyklus im Chloroplastenstroma ab. In beiden Fällen sind die Teilschritte, die eine räumliche Nähe und eine hohe Präzision der zusammenarbeitenden Proteine bzw. Enzyme erfordern, an Membranen gebunden. Insgesamt können abbauende und aufbauende Reaktionen voneinander getrennt und trotzdem gleichzeitig ablaufen. Von E. Schnepf wurde 1965 die Regel formuliert, dass eine biologische Membran immer eine plasmatische Phase von einer nicht plasmatischen Phase trennt. Überprüfen Sie dies anhand der Kompartimente der Eucyten. aa An allen einfachen Membranen (ER, Lysosomen, Vakuole) ist dies offensichtlich, weil der Organellinhalt nicht plasmatisch ist. An Doppelmembranen gibt es im Innern des Organells eine plasmatische Grundsubstanz (Karyoplasma, Chloroplastenstroma, Mitochondrienmatrix). Zwischen den beiden Membranen existiert aber jeweils ein nicht plasmatischer Innenraum, sodass auch hier die Regel zutrifft. Die Biomembran wird oft mit einem Sieb verglichen. Abhängig von seiner Maschenweite können z. B. größere oder kleinere Perlen in diesem Modell durch das Sieb fallen oder zurückgehalten werden. Beurteilen Sie, ob dieses Modell die Fähigkeiten der Membran korrekt spiegelt. aa Das „Siebmodell“ spiegelt die Fähigkeit der Membran dann, wenn es sich bei den transportierten Substanzen weder um geladene Teilchen noch um Teilchen mit einer Hydrathülle handelt. Außerdem dürfen keine Transportprozesse betroffen sein, die mit einer Bindung an Proteine verbunden sind oder unter Energieaufwand erfolgen. Lysosomen enthalten Verdauungsenzyme in einem stark sauren Milieu, das durch Energie verbrauchende Protonenpumpen aufrecht erhalten wird. Welche Bedeutung hat dabei die Kompartimentierung? aa Durch die Lysosomenmembran wird die Zelle vor Selbstverdauung geschützt. Schülerbuch Seite 89 Die Reaktionsgeschwindigkeit-TemperaturRegel (RGT-Regel) besagt, dass durch eine Temperaturerhöhung um 10 C die Reaktionsgeschwindigkeit um das 2- bis 4-fache steigt. Belegen Sie die Gültigkeit dieser Regel an Beispielen aus der Biologie. aa Die Reaktionsgeschwindigkeit-TemperaturRegel (s. Seite 55 im Schülerbuch) stimmt nur bedingt für einen engen Temperaturbereich um 20 C. Homoiotherme Tierarten verfügen über Regelmechanismen, die den Zellstoffwechsel auf die jeweilige Körpertemperatur einstellen. Poikilotherme Tiere passen sich auch im Zellstoffwechsel den jeweiligen Außentemperaturen an. Tiefe Temperaturen bedingen dabei auch einen geringeren Stoffwechsel. Sogar eine gänzliche Einstellung des Zellstoffwechsels ist möglich (Kältestarre). Die Zellatmung hat für die Energiegewinnung aerober Organismen eine zentrale Bedeutung. Welche Stoffwechselwege münden in die Glykolyse, den Tricarbonsäurezyklus und die Atmungskette? Vergleichen Sie diese Vernetzungen mit einem geeigneten technischen Beispiel. aa Die Glykolyse (s. Seite 64) ist sowohl unter aeroben wie auch unter anaeroben Bedingungen für alle Organismen ein essentieller Stoffwechselweg. In Gegenwart von Sauerstoff können die meisten tierischen Organismen Lipide, Aminosäuren und Kohlenhydrate durch oxidative Prozesse vollständig abbauen. Findet Gärung statt, kann nur Glucose zur ATP-Bildung herangezogen werden. Ähnlich der Automobilfertigung ist die Glykolyse demnach die zentrale „Bandstraße“, um die baukastenähnlich weitere Stoffwechselwege angeordnet sind, die wiederum untereinander vernetzt sein können. Recherchieren Sie, welche Besonderheiten die Enzyme von Organismen aufweisen, die in besonders heißer oder kalter Umgebung leben. Auch die Bewohner von Salzseen müssen dahingehend spezifische Besonderheiten aufweisen. Stellen Sie diese in einem Kurzreferat vor. aa individuelle Lösung; Mögliche Aspekte: Die Bewohner heißer Quellen, Organismen im Eis der Arktis oder Antarktis bzw. in Salzseen oder in (kochenden) Schwefelquellen müssen Enzyme besitzen, deren Optima an solche Umgebungen angepasst sind. So besitzen z. B. Archaebakterien, die in heißen Quellen existieren, hitzestabile Enzyme (Anmerkung: Die Eiweiße werden dort z. T. durch Chaperone in der Form gehalten), die auch bei 95 °C noch nicht denaturieren. Generell haben Archaebakterien in Extrembiotopen komplexer zusammengesetzte Enzyme. Je höher die Körpertemperatur eines Tieres ist, desto schneller kann es sich bewegen. Analysieren Sie die begrenzenden Faktoren. aa Einen Zusammenhang zwischen Körpertemperatur und Bewegungsfähigkeit findet man nur in begrenzten Bereichen bei poikilothermen Tieren. Einer steigenden Körpertemperatur sind physiologische Grenzen gesetzt. Regulationsmechanismen verhindern im Allgemeinen den Wärmetod. Manche Samen und Dauerstadien­ von Tieren können sehr lange Zeit­räume überdauern. Wie gelingt das? aa Im Zustand der Abiose wird der Wassergehalt der Zellen abgesenkt, damit die Lebensprozesse auf ein Minimum reduziert werden können. Oft werden die Dauerstadien von speziellen Hüllen umgeben und enthalten relativ viel Reservestoffe. Durch die verminderte Stoffwechselaktivität kommen Bewegungen, Wachstum und Entwicklung zum Erliegen. Zellbiologie 15 Schülerbuch Seite 91 Kommunikation kann innerhalb einer Zelle oder zwischen Zellen, im Organismus, innerartlich oder zwischen Organismen verschiedener Art erfolgen. Ordnen Sie die dargestellten Beispiele ein und geben Sie zusätzliche Beispiele an. aa Kommunikation innerhalb einer Zelle: Genregulation, Transduktion Kommunikation zwischen Zellen: Gap-Junctions, Hormonsystem, Nervensys‑ tem, Immunsystem Innerartliche Kommunikation: Sprache, Pheromone Zwischenartliche Kommunikation: Sprache (z. B. Warnrufe, Warntracht) 2 Häufig wird zwischen der Information und dem Informationsträger unterschieden. Erläutern Sie diese Unterscheidung an einem Beispiel. aa Beispiel: Hörbuch- oder Musik-CD oder jede Form von Datenträger; die CD oder der USB-Stick sind die Informationsträger, die Information selbst ist der Text, die Musik oder die Daten. In der Zelle: Die DNA ist der Informationsträger und die Information wird erst durch den genetischen Code verständlich. 3 Nennen Sie Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen Nerven- und Hormonsystem. Vergleichen Sie diese Form der Informationsübertragung mit der zellulären Kommunikation bzw. der Kommunikation zwischen Individuen. aa Gemeinsamkeiten: Beide dienen der Kommunikation (Regulation, Steuerung) innerhalb des Organismus und beide haben antagonistisch wirkende Regel-/ Steuerungssysteme (hemmende und erregende Synapsen, antagonistisch wirkende Hormone). Im Nervensystem sind elektrische Signale (große Distanzen) und Neurotransmitter (kleine Distanzen) in Nerven bzw. Synapsen aktiv. Die Übertragungsgeschwindigkeit ist groß, die Wirkung wird schnell hervorgerufen. Im Hormonsystem werden die Botenstoffe durch den Blutstrom verteilt. Die Verbreitungswege sind nicht wie die Nervenbahnen fest vorgegeben und die Zielzellen werden aufgrund ihrer Rezeptoren gefunden. Der Informationsgehalt wird durch die chemische Struktur der Hormone bestimmt. Die Übertragungsgeschwindigkeit ist gering, die Wirkung längerfristig. Die zelluläre Kommunikation ähnelt dem Hormonsystem auf sehr kleinem Raum. Die Kommunikation zwischen Individuen hat Ähnlichkeiten mit der Informationsübertragung im Nervensystem. 4 Informieren Sie sich über die Wirkung von Insulin im Stoffwechsel des Menschen. Beschreiben Sie dann am Beispiel von Insulin die Decodierung von Hormonsignalen in einer Zelle. aa individuelle Lösung; Mögliche Anmerkungen: Insulin wird in den Langerhansschen Zellen der Bauchspeicheldrüse gebildet und reguliert zusammen mit Glucagon die Glucosekonzentration im Blut (siehe Schülerbuch 16 Zellbiologie S. 92). Insulin senkt, Glucagon hebt den Blutzuckerspiegel. Dieser steigt nach der Aufnahme kohlenhydratreicher Nahrung und sinkt bei körperlicher Betätigung stärker als in Ruhe. Das Hormon Insulin wirkt durch Bindung an einen Insulinrezeptor. Dieses Eiweiß wird in allen Zellen exprimiert, kommt aber gehäuft in den Leber- und Fettzellen vor. Der Insulinrezeptor ist ein Beispiel für einen Proteinkinaserezeptor. Diese Eiweiße katalysieren allgemein die Übertragung einer Phosphatgruppe von ATP auf ein Zielprotein. Durch die Phosphorylierung kann dann die Konformation und die Aktivität des Zielproteins verändert werden. Im Falle des Insulins müssen zwei Insulinmoleküle an den Rezeptor binden Insulin selbst dringt nicht in die Zielzelle ein. Durch das Andocken außerhalb der Zelle wird auf der cytoplasmatischen Seite des Rezeptors dessen Konformation geändert, sodass ein Substrat der Insulinreaktion dann phosphoryliert wird. Das löst weitere Reaktionen aus. Sie führen schließlich dazu, dass Glucose durch die Membran in die Zelle transportiert wird. Schülerbuch Seite 93 Erläutern Sie die Bedeutung einer „isotonischen Kochsalzlösung“ für den Menschen (sie wird häufig auch als physiologische Kochsalzlösung bezeichnet; dieser Begriff ist aber irreführend). aa Eine isotonische Kochsalzlösung enthält 0,9 % Kochsalz (Natriumchlorid) und entspricht mit ihrer Osmolarität fast der des Blutplasmas. Die Lösung wird daher als Träger für Medikamente z. B. bei einer intravenösen Infusion verwendet oder füllt kurzfristig das Blutvolumen in bestimmtem Umfang auf, wenn z. B. hoher Blutverlust vorliegt, aber die Blutgruppe für eine Transfusion noch nicht bestimmt ist. Die Lösung gleicht also Flüssigkeits- und Salzverlust aus, ohne Wasser zu entziehen. Anmerkung: Der Begriff physiologische Kochsalzlösung ist insofern irreführend, als dass die isotonische Lösung zwar eine physiologische Osmolarität hat, aber höhere Natrium- und Chloridionenanteile als das Serum, um die weiteren osmotisch aktiven Bestandteile des Blutes auszugleichen. 2 Untersucht man Nervengewebe von Insekten muss die Präparation mit einer speziellen auf Insekten abgestimmten Kochsalzlösung (sog. Insekten-Ringerlösung) erfolgen. Könnte man auch die isotonische Kochsalzlösung aus der Humanmedizin benutzen? Begründen Sie Ihre Stellungnahme. aa Nein, da es für jeden Organismus eine spezifische „Ringerlösung“ gibt. Sie enthält Natrium-, Kalium- und Calciumchlorid. Eine Ringer-Lactatlösung weist zusätzlich Anionen der Milchsäure auf. Ebenso wie die Ringerlösung des Menschen auf die Zusammensetzung des Blutserums abgestimmt ist, gilt dies auch für den Insektenringer. 3 Auf welche Besonderheit der Pantoffeltierchen deutet die Tatsache hin, dass die Tätigkeit der pulsierenden Vakuole mit zunehmender Salzkonzentration abnimmt? aa Bei Pantoffeltierchen im Süßwasser arbeitet die pulsierende Vakuole ständig, da ständig Wasser in den Organismus einströmt. Demzufolge leben diese Organismen in einer hypotonen Umgebung. Je salziger das Wasser wird, desto mehr nähert sich die Umgebungskonzentration der des Pantoffeltierchens an. 4 Leidet ein Mensch unter Bluthochdruck, muss er auf salzarme Kost achten. Erklären Sie den Zusammenhang. aa Das Salz, das dem Körper zugeführt wird, bindet Wasser. Das wird z. B. daran deutlich, dass wir nach einer salzigen Speise heftigen Durst haben. Je mehr Wasser im Körper gebunden wird, desto höher steigt der Blutdruck. 5 Meeresvögel niesen häufig oder schütteln den Kopf. Beschreiben Sie die Bedeutung dieses Verhaltens. aa Die aus den Salzdrüsen abgegebene Lösung wird durch das Kopfschütteln oder Niesen „entsorgt“. 6 Das im Salz- oder Brackwasser lebende Leistenkrokodil scheint „Krokodilstränen“ zu weinen. Erläutern Sie Gründe dafür. aa Die Tiere besitzen ähnlich den Möwen eine Salzdrüse, deren Öffnung nach außen am Auge liegt. Zellbiologie 17
