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NATURA
Einführungsphase
bearbeitet von
Horst Bickel
Inga Bokelmann
Mirko Schäfer
Lösungen
Ernst Klett Verlag
Stuttgart · Leipzig
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1. Auflage 1 | 18 17 16 15 14
Alle Drucke dieser Auflage sind unverändert und können im Unterricht nebeneinander verwendet werden.
Die letzte Zahl bezeichnet das Jahr des Druckes.
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© Ernst Klett Verlag GmbH, Stuttgart 2014. Alle Rechte vorbehalten. www.klett.de
Redaktion: Rolf Strecker
Mediengestaltung: Ingrid Walter
A15150-04545101
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Inhalt
Arbeitsmethoden in der Biologie 4
1
1. 1
1. 2
1. 3
Zellforschung 6
Zellen werden untersucht 6
Die Funktion des Zellkerns wird erforscht 9
Die Zellmembran — ein Modell entwickelt sich 12
2 Energiestoffwechsel 21
2. 1 Bau und Funktion von Enzymen 21
2. 2 Energieumsatz 27
Basiskonzepte 42
3 Inhalt
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Arbeitsmethoden in der Biologie
Methoden: Wie forschen Biologen? (Seite 5)
A1 Erklären Sie, weshalb eine naturwissenschaftliche Fragestellung nur über Experimente
beantwortet werden kann.
– Beobachtete biologische Phänomene führen zu wissenschaftlichen Fragestellungen, wenn
die Hintergründe und Zusammenhänge aufgeklärt werden sollen. Überlegungen aus unseren
Erfahrungen und Vorwissen führen jedoch nicht zu einer Lösung dieser Fragestellung, sondern
zu verschiedenen Hypothesen. Erst experimentelle Untersuchungen zu den beobachteten
Phänomenen führen zu Daten mit denen die Hypothesen gefestigt oder widerlegt werden. In
den Experimente darf, um eindeutig zu sein, daher jeweils nur einen Faktor aus den Hypothesen
geändert werden.
Methoden: Wie wertet man wissenschaftliche Daten aus? (Seite 6/7)
A1 Beschreiben Sie nach den aufgeführten Regeln den Kurvenverlauf in Abb. 1.
– In dem Diagramm ist die Individuenzahl einer regelmäßig gefütterten Wasserfloh-Population in
Abhängigkeit von der Zeit in Tagen bei einer Temperatur von 18 °C dargestellt. Das Diagramm
zeigt ein begrenztes Wachstum mit einem sigmoiden Kurvenverlauf der Wasserfloh-Population.
Die Individuenanzahl der Wasserflöhe beträgt am 10. Tag ca. 5. Bei leichten Schwankungen
in der Populationsgröße steigt die Anzahl der Wasserflöhe bis zum 45. Tag auf ca. 30 Individuen. Ab dem 45. Tag ist ein nahezu linearer, steiler Anstieg in der Individuen-Population der
Wasserflöhe auf ca. 200 Individuen bis zum 62. Tag zu beobachten. Anschließend schwankt die
Population leicht um einen Wert von ca. 180 Individuen bis zum Ende der Untersuchung am 110. Tag.
A2 Erklären Sie die Schwierigkeiten, die auftreten, wenn man anstelle der zwei getrennten y-Achsen eine y-Achse verwendet.
– Die Individuenanzahl der Hasen ist wesentlich größer als die Anzahl der Luchse. Würde man
eine y-Achse verwenden, würde es Probleme in der Auswahl der Achsenskalierung geben: Orien­
tiert man sich an der Population der Hasen, wären Veränderungen in der Population der Luch­se
kaum in dem Diagramm erkennbar, sodass eine Deutung des Diagramms kaum möglich wäre.
A3 Deuten Sie das Diagramm in Abb. 3.
– Die Maxima der Luchspopulation folgen zeitversetzt den Maxima der Hasenpopulation. Luchse
ernähren sich von Schneeschuhhasen. Je größer die Population der Schneeschuhhasen ist,
desto größer sind die Überlebenschancen der Luchse sowie deren Geburtenrate. Die Population
der Luchse steigt zeitverzögert. Durch eine erhöhte Luchspopulation steigt die Sterberate der
Hasen, ihre Population wird zunehmend kleiner. Aufgrund des Nahrungsmangels sinkt die
Luchspopulation wieder zeitversetzt zur Hasenpopulation. Im Diagramm ist dies z. B. in den
Jahren 1922 und 1923 zu erkennen: Im Jahr 1922 wies die Hasenpopulation ein Minimum auf, im
Jahr 1923 folgt das Minimum der Luchspopulation.
A4 Wählen Sie den geeigneten Diagrammtyp für die folgenden Sachverhalte aus. Begründen
Sie Ihre Entscheidung.
a) Anzahl verstorbener Personen in Abhängigkeit vom Zigarettenkonsum
b) Anteile verschiedener Nahrungsmittel an der Gesamternährung einer Person
c) Biomasseproduktion in verschiedenen Ökosystemen
d) Abhängigkeit der Fotosyntheserate von der Temperatur
– a) Punktdiagramm oder Balkendiagramm: Bei einer kontinuierlichen Darstellung des Zigaret-
tenkonsums würde sich ein Punktdiagramm anbieten. Werden Gruppierungen gewählt, wie z. B. 5 bis 10 Zigaretten pro Tag, ist das Verwenden eines Balkendiagramms sinnvoll.
b) Kreisdiagramm oder Stapeldiagramm: Es sollen Anteile verschiedener Gruppen an einer Gesamtheit dargestellt werden.
c) Balkendiagramm oder Säulendiagramm: Es handelt sich bei den Ökosystemen um ver-
schiedene Bezugsgrößen, die getrennt voneinander betrachtet werden müssen. Es gibt keine stufenlose x-Achse.
d) Kurvendiagramm: Die Beziehung zweier Größen zueinander ist (zumindest theoretisch) bei einer kontinuierlichen Messung mit jeder vorstellbaren Zwischengröße zugänglich.
4 Methoden
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Methoden: Welche Bedeutung haben Modelle? (Seite 8/9)
A1 Erklären Sie anhand von Abb. 4a und 4b, wie sich ein Modell verändert und worauf dies
zurückzuführen ist.
– Modelle entstehen durch Ergebnisse wissenschaftlicher Untersuchungen. Durch neue Untersuchungsmethoden können zusätzliche Ergebnisse die Modelle verfeinern. Auch durch eine große
Anzahl von Untersuchungsergebnissen und deren Zusammenführung wird eine Verfeinerung der
Modellvorstellung erreicht.
A2 Erläutern Sie an konkreten Beispielen, wie man Modelle für den eigenen Lernvorgang oder
zur Verbesserung von Referaten nutzen kann.
– Modelle tragen zu einem besseren Verständnis komplexer Vorgänge oder Abbildungen bei, da
sie wesentliche Aspekte herausstellen und vereinfachen. Man kann sie für ein besseres Lernverständnis einsetzen, da sie gegenüber Texten oder Gleichungen anschaulicher sind und durch die
Vereinfachung das Verständnis erleichtern.
A3 Beschreiben Sie die Abb. 7.
– In der Grafik ist auf der x-Achse die Zeit in Minuten und auf der y-Achse die maximale Enzymaktivität in % aufgetragen. Bei einer Temperatur von 38 °C liegt die Aktivität über den gesamten
Messzeitraum bei 100 %. Bei einer Temperatur von von 65 °C sinkt die Aktivität innerhalb von
10 min sehr schnell auf 0 % ab.
A4 Erläutern Sie den Kurvenverlauf mithilfe des Modells in Abb. 8.
– Mithilfe des Modells lässt sich der Kurvenverlauf veranschaulichen, da durch die höhere Temperatur die Form des Enzyms verändert wird und das aktive Zentrum dadurch verändert wird,
sodass das Substrat nicht mehr passt. Der Wert sinkt dadurch innerhalb von 10 min, da ab dann
kein funktionsfähiges Enzym mehr vorliegt.
A5 Erläutern Sie alternative Modelle zu dem Kurvenverlauf.
– Alternative Modelle können von anderen Formen des Enzyms ausgehen oder von der Annahme,
dass das Substrat sich ändert und nicht mehr in das aktive Zentrum passt. Dies wäre auch eine
zweite Hypothese, die überprüft werden müsste.
A6 Beschreiben Sie das Bewegungsmuster eines Proteins und erläutern Sie, wie es zu einem
Muster kommen kann.
– Das Auffällige an den Bewegungsmustern ist, dass sie eine ungerichtete Bewegung eines integralen Proteins in alle Richtungen darstellen. Gleichzeitig gehen diese Muster jeweils nur über
kleine Räume, bevor sie sprunghaft in einen weiteren abgegrenzten Raum übergehen.
A7 Erläutern Sie anhand der Abb. 10, welche Änderungen in dem erweiterten Modell in Abb. 11
gegenüber dem ursprünglichen Fluid-Mosaikmembran-Modell vorgenommen wurden.
– In der ursprünglichen Modellvorstellung war eine offene ungehinderte Bewegung integraler
Proteine in der Membran möglich. Diese Vorstellung wurde durch die neuen Bewegungsmuster
eingeschränkt. Dies lässt sich durch das unterhalb der Membran liegende Cytoskelett erklären.
Membranproteine, welche die gesamte Membran durchdringen, werden in ihrer Bewegung
durch die Strukturen des Cytoskeletts eingeschränkt.
A8 Erläutern Sie, welche Grenzen das Fluid-Mosaikmembran-Modell zur Erklärung von Phänomenen hat und welche Vorteile das erweiterte Modell bietet.
– Das Fluid-Mosaikmembran-Modell ermöglicht die Vorstellung der sich ständig veränderbaren
Zellmembran. Dies ist jedoch nicht bei allen Zellen sinnvoll, da z. B. bei Darmzellen bestimmte
Membran­kanäle nur auf der Darm zugewandten Seite eine Bedeutung haben. Durch Bewegungseinschränkungen wird ein Verbleib der Kanäle in einem bestimmten Bereich ermöglicht.
Hierdurch können unterschiedlich spezifische Bereiche in der Membran erklärt werden.
5 Methoden
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1
Zellforschung
1. 1 Zellen werden untersucht
Lebewesen bestehen und entstehen aus Zellen (Seite 13)
A1 $ Vergleichen Sie die Vorstellungen zu den Animalcules mit denen zur Entstehung von
Mäusen und erläutern Sie unter diesem Aspekt die Bedeutung der Experimente von Redi
und Pasteur.
– Die Vorstellung der Entstehung von Animalcules sind mit der Vorstellung zur Entstehung von
Mäusen vergleichbar, auch wenn Sie wesentlich kleiner sind. Die fehlenden Experimente zur
Untersuchung der Aussagen führten in beiden Fällen zu den Fehlvorstellungen. Die Experimente
von Redi und Pasteur, die zu einer veränderten Erklärung der Vorgänge führten, waren ähnlich,
da sie nachwiesen, dass nur dort, wo bereits Leben vorhanden war, Lebewesen nachzuweisen sind.
A2 $ Beschreiben Sie Abb. 3 und erläutern Sie unter dem Aspekt der Zelltheorie die Aussage
der Abbildung.
– Der menschliche Körper besteht aus Organen und Geweben, die wiederum aus Zellen bestehen.
Alle verschiedenen Gewebe bestehen aus Zellen. Dies ist die Aussage der Zelltheorie: Alle Lebewesen bestehen aus Zellen und Zellen sind die Grundbausteine des Lebens. Dadurch kann man
überlegen, dass alle Prozesse in unserem Körper in Zellen ablaufen.
A3 $ Erklären Sie anhand der Texte auf Seite 4, was eine naturwissenschaftliche Fragestellung
ist, und beziehen Sie diese Aussage auf die Zelltheorie.
– Eine naturwissenschaftliche Fragestellung unterscheidet sich von anderen Fragestellungen
dadurch, dass sie durch Untersuchungen oder Experimente beantwortet wird. Sie beantwortet
naturwissenschaftliche Vorgänge.
Licht- und Fluoreszenzmikroskopie (Seite 15)
A1 $ Beschreiben Sie die Vorteile der Fluoreszenzmikroskopie im Vergleich zur herkömmlichen
Lichtmikroskopie.
– Spezifische Strukturen können genau lokalisiert und von anderen Strukturen abgegrenzt werden. Es sind mit dem STED-Verfahren sehr hohe Auflösungen möglich (Proteinebene). Zudem
können die Untersuchungen in lebenden Zellen durchgeführt werden.
A2 0 Das menschliche Haar hat einen Durchmesser von ca. 0,1 mm. Bei Roten Blutzellen des
Menschen beträgt der Durchmesser ca. 8 µm. Berechnen Sie, wie viele Rote Blutzellen neben­
einander gereiht den Durchmesser des Haares ergeben.
– 0,1 mm entsprechen 10 000 µm; 10 000 µm : 8 µm = 1250 Erythrocyten; 1250 Rote Blutkörperchen
aneinandergereiht ergeben die Dicke eines menschliches Haares von 0,1 mm.
Praktikum: Herstellung von mikroskopischen Präparaten (Seite 16/17)
A8 Mikroskopieren Sie bei mittlerer Vergrößerung das Zwiebelhäutchen. Verschaffen Sie sich
einen Überblick über die Gestalt und die Lage der Zellen. Fertigen Sie eine Umrissskizze von
4 bis 5 aneinanderliegenden Zellen an.
– Die Skizze sollte zeigen, wie die Zellwände benachbarter Zellen jeweils aufeinanderstoßen.
„Kreuzungen“ sollten vermieden werden.
A9 Bringen Sie eine in Details gut erkennbare Zelle in die Gesichtsfeldmitte und untersuchen Sie
diese mit dem nächstgrößeren Objektiv (40 x). Welche Einzelheiten sind zu erkennen? Fertigen Sie von dieser Zelle eine möglichst genaue Skizze an (Größe auf dem Papier mindestens
10 cm). Achten Sie auf die richtigen Größenverhältnisse von Zelle und Zellbestandteilen.
– Es sollte unbedingt darauf geachtet werden, dass die skizzierte Zelle groß genug angelegt wird,
um die Einzelheiten mit hinreichender Genauigkeit darstellen zu können. In der Regel sind die
Mittellamellen und Tüpfel recht gut erkennbar, während das Cytoplasma häufig Schwierigkeiten bereitet. Der Hinweis darauf, die Blende etwas zu schließen und die „Zellenden“ genauer
zu betrachten, ist oft hilfreich, da der Cytoplasmabelag dort dicker ist. Der Zellkern mit seinen
Nucleoli ist meist als etwas kontrastreichere Struktur zu erkennen. Zell- und Tonoplastenmembran sind nicht direkt sichtbar. Sie müssen mithilfe anderer Methoden erarbeitet werden.
A10Mikroskopieren Sie das ungefärbte und das gefärbte Präparat und vergleichen Sie. Fertigen
Sie anschließend vom gefärbten Präparat eine Skizze an. Welche Details sind besonders gut
angefärbt? Warum zeigen die Schleimhautzellen eine Art Faltenbildung? Welche Unterschiede bestehen im Vergleich zur Zwiebelzelle?
– Durch Aufnahme von Methylenblau erscheinen die Zellen insgesamt dichter und kontrastreicher. Die Mundschleimhautzellen sind dann gut zu erkennen, der Zellkern ist deutlich zu
identifizieren. Da die Zellen im Unterschied zur Zwiebelhaut einzeln auf dem Objektträger
liegen und keine Zellwand besitzen, ist ihre Form unregelmäßig und die Oberfläche erscheint
„zerknautscht“.
6 Zellforschung
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Elektronenmikroskopie (Seite 19)
A1 $ Beschreiben und vergleichen Sie die elektronenmikroskopischen Bilder eines Mitochondriums in Abb. 1 und Abb. 2 unter dem Aspekt der TEM- und REM-Technik.
– Das EM-Bild in Abb. 1 zeigt keine räumliche Anordnung, sondern nur die Aufteilung von Räumen, die durch Membranen getrennt werden. Man erkennt nur die Schnittfläche der Membranen. Das EM-Bild in Abb. 2 zeigt eine räumliche Struktur. Die Membranen sind auch als Flächen
zu erkennen.
A2 $ Erläutern Sie anhand von Abb. 3, wie man aus den Ultradünnschnitten zu einer räum-
lichen Darstellung gelangt.
– Die einzelnen Schnitte der TEM-Abbildungen zeigen jeweils nur die Schnittfläche der Membranen. Durch das Anordnen der Schnittflächen übereinander ergibt sich eine räumliche Struktur,
da die Schnittflächen unterschiedlich groß oder räumlich anders angeordnet sind.
Der Bau tierischer und pflanzlicher Zellen (Seite 21)
A1 $ Ordnen Sie die verschiedenen Organellen nach gemeinsamen Kriterien. Legen Sie hierbei
anhand der Informationen im Text Ordnungskriterien selbst fest.
– Ordnungskriterien können sein: Die Größe der Organellen, die Membran als Doppelmembran,
Einfachmembran oder keine Membran, die Funktion und Bedeutung in der Zelle, ob die Organellen sich teilen können oder nicht.
Zellbestandteile werden isoliert (Seite 23)
A1 . Erklären Sie in einem Text, welche Bedeutung die Zentrifugation für Wissenschaftler bei
der Erforschung der Zelle hat.
– Um die Funktion der einzelnen Organellen untersuchen zu können, müssen sie getrennt vorliegen. Eine Möglichkeit, die Organellen voneinander zu trennen, ist die Dichtegradientenzentrifugation. Hierbei wird die unterschiedliche Dichte der Organellen genutzt.
A2 . Vergleichen Sie in einem kurzen Text die Differentialzentrifugation mit der Dichtegradientenzentrifugation.
– Die Differntialzentrifugation nutzt die unterschiedliche Sedimentationsgeschwindigkeit der
verschiedenen Organellen. Durch Tests wird die Zeit ermittelt, bis die jeweiligen Organellen am
Boden des Zentrifugenglases angelangt sind. Der Rest bleibt im Überstand. Bei der Dichtegradientenzentrifugation lassen sich in den verschiedenen Dichtezonen die der Dichte entsprechenden Organellen gleichzeitig auftrennen und absaugen.
A3 $ In einem Modellversuch werden drei Tischtennisbälle mit verschieden konzentrierten
Kochsalzlösungen gefüllt. Gibt man die Bälle in einen Standzylinder mit Wasser, sinken alle
drei auf den Boden. Löst man Rohrzucker in dem Standzylinder auf, beginnen zwei zu schweben, der dritte bleibt unten liegen. Erklären Sie dieses Modellexperiment unter dem Aspekt
der Dichtegradientenzentrifugation.
– Die verschiedenen Konzentrationen der Kochsalzlösung in den Tischtennisbällen führt dazu, dass
die Tischtennisbälle sich je nach Dichte in einer Zuckerlösung anordnen. Die Tischtennisbälle ent‑
sprechen in diesem Modell den verschiedenen Organellen, die Zuckerlösung der Lösung im Zentrifugenglas. Alle Bälle zusammen entsprechen dem Homogenat, welches aufgetrennt wurde.
Das Cytoskelett (Seite 25)
A1 0 Fassen Sie tabellarisch die verschiedenen Funktionen des Cytoskeletts zusammen.
– Die Bedeutung des Cytoskeletts liegt in der Stützfunktion, der Verankerung von Organellen und
der Bewegung. Bei der Bewegung geht es um die Bewegung der Zelle durch Veränderungen der
Filamente an der Membraninnenseite und die Bewegung von Organellen, Vesikeln oder großen
Molekülen innerhalb der Zelle.
A2 . Erstellen Sie anhand der Abb. 5 ein Drehbuch zur Bewegung der Motorproteine auf den
Mikrotubuli.
– In dem Drehbuch muss die chemisch gebundene Energie (ATP) zu der mechanischen Bewegungsenergie führen. Die Energie gelangt zu den Molekülen der Motorproteine. Die Energie
ermöglicht eine Bewegung der beiden Füßchen der Motorproteine, welche dadurch ihre Lage
auf dem Cytoskelettfilaments ändert. Hierdurch hebt sich wie beim Laufvorgang ein Füßchen,
während das andere unbewegt bleibt. Durch das Vorstrecken und nach vorn Kippen des erhobenen Füßchens kommt es zu einer Vorwärtsbewegung.
7 Zellforschung
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Einzeller (Seite 26)
A1 $ Stellen Sie mithilfe einer Skizze den Lichteinfall bei einer rotierenden Euglena dar und
erklären Sie daran die Ausrichtung zum Licht.
– In der Skizze muss eine Lichtquelle an einem unveränderten Ort sein. Euglena hat im Bereich
der Geißel einen Fotorezeptor. In den verschiedenen Skizzen wird die Rotation von Euglena
dadurch verdeutlicht, dass die Lage des Fotorezeptors und des Augenflecks sich zum Licht hin
ändert. Einmal ist der Augenfleck im Lichtstrahl, das andere mal der Fotorezeptor. Fällt das
Licht nicht auf den Fotorezeptor, wird die Bewegung der Geißel erhöht, bis die Ausrichtung zum
Licht wieder erfolgt ist.
Vom Einzeller zum Vielzeller — ein Denkmodell (Seite 27)
A1 $ Erklären Sie, warum es sich bei der im Text beschriebenen Reihung um eine Modellvorstellung für die Entwicklung von Mehrzellern handelt.
– Ein Denkmodell stellt die Repräsentation eines originalen Ablaufs dar, wobei der originale
Prozess unzählige Details und Zwischenschritte aufweist, während das Denkmodell sich auf die
wesentlichen Abläufe und Zwischenschritte bzw. Zwischenformen konzentriert. Die beschriebenen, heute vorkommenden Arten stellen denkbare Zwischenschritte bei der Entwicklung zu
Vielzellern dar. Diese Arten stammen aber nicht voneinander ab.
Zelldifferenzierung bei tierischen Zellen (Seite 29)
A1 $ Mehrere Gewebetypen, die sich untereinander ergänzen, werden als Organ bezeichnet.
Informieren Sie sich, welche Organe bei Pflanzen unterschieden werden und welche Funktion sie erfüllen.
– Pflanzen besitzen die folgenden drei Grundorgane: Blatt, Wurzel und Spross (= Stamm)
1. Die Funktion des Blattes: Ort der Fotosynthese und des Gas-/ Wasseraustausches sowie Schutz der Knospen
2. Die Funktion der Wurzel: Verankerung/ Befes­tigung im Boden; Speicherort für zahlreiche Stoffe; Wasser- und Nährstoffaufnahme über feinste Haarwurzeln
3. Spross: Festigung der gesamten Pflanze, oft auch zusätzlich durch Lignin-Einlagerung; Stofftransport zwischen Wurzel und Blatt.
Bakterien sind anders (Seite 30)
A1 $ Vergleichen Sie anhand des Textes und der Abb. 2 eine prokaryotische Bakterienzelle mit
einer eukaryotischen Pflanzenzelle.
– Ein Denkmodell stellt die Repräsentation eines originalen Ablaufs dar, wobei der originale
Prozess unzählige Details und Zwischenschritte aufweist, während das Denkmodell sich auf die
wesentlichen Abläufe und Zwischenschritte bzw. Zwischenformen konzentriert. Die beschriebenen, heute vorkommenden Arten stellen denkbare Zwischenschritte bei der Entwicklung zu
Vielzellern dar. Diese Arten stammen aber nicht voneinander ab.
Endosymbiose (Seite 31)
A1 $ Prüfen Sie die Übereinstimmung zwischen Aussagen der Endosymbiontentheorie und
den Angaben in Abb. 1.
– Prokaryoten weisen starke Ähnlichkeiten mit Chloroplasten und Mitochondrien auf, u. a. im
Ribosomen-Sedimentationskoeffizienten (70 S), in der Erbsubstanz (ringförmig), in der Vermehrung (Teilung), im Membranaufbau (dünn, spezielle Phospholipide) und in der Fähigkeit, auch
isoliert begrenzt lebensfähig zu sein. Die Abweichung in der Hülle lässt sich durch die Aufnahme
durch Ureukaryoten (Verschmelzung) erklären. Die Aussagen in der Tabelle und im Text stimmen
überein.
8 Zellforschung
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1. 2 Die Funktion des Zellkerns wird erforscht
Die Bedeutung des Zellkerns (Seite 32)
A1 $ Beschreiben Sie die Experimente in Abb. 1 und erläutern Sie die Ergebnisse unter Bezug
zur Bedeutung des Zellkerns.
– Acetabularia besteht aus einer Zelle. Schneidet man den Hut ab, wächst dieser wieder nach
(Versuch 1). Hämmerling trennte bei zwei verschiedenen Acetabularia Arten mit verschiedenen
Hutformen den jeweiligen Hut ab und anschließend den jeweiligen Stiel. Stücke beider Stiele
wurden jeweils auf das nicht dazugehörende Rhizoid gesetzt. Anschließend wurde beobachtet, welche Hutform entsteht. Es entstand nicht die Hutform passend zum Stiel, sondern zum
Rhi­zoid. Da der Zellkern im Rhizoid ist, könnte er die Bedeutung für die Ausbildung des Hutes
haben.
Material: Acetabularia-Experimente (Seite 33)
A1 0 Beschreiben Sie das Experiment.
– Im Experiment 1 wurden von Acetabularia-Arten mit verschiedenen Hüten die Rhizoide mit den
jeweiligen Zellkernen abgetrennt und miteinander vereinigt. Der daraus gewachsene Hut hatte
Anteile von den beiden Ausgangshutformen.
A2 $ Erklären Sie das Versuchsergebnis. Berücksichtigen Sie hierbei die Fragestellung und
Vermutung der Wissenschaftler.
– Die Fragestellung, was die Form des Hutes steuert, führte zu zwei Hypothesen: Der Stiel oder
das Rhizoid ist für die Form des Hutes verantwortlich. Da der Stiel bei diesem Experiment nicht
vorhanden war, jedoch beide Hutformen entstanden, müsste die Information im Zellkern liegen.
A3 0 Beschreiben Sie die Experimente.
– Im Experiment 2 wurden von zwei Acetabularia-Arten mit verschiedenen Hutformen die Hüte
entfernt und der gesamte Stiel jeweils auf die andere Art übertragen. Nach kurzer Zeit bildeten
sich die Hüte, die dem jeweiligen Stiel entsprachen. Im zweiten Teil des Experiments wurden bei
diesen Pflanzen die Hüte erneut entfernt. Die nun nachwachsenden Hüte entsprachen nun dem
Hut des jeweiligen Rhizoids.
A4 $ Erklären Sie die Versuchsergebnisse hinsichtlich der Fragestellung und Vermutung.
– Das Endergebnis der Experimente zeigt, dass das Rhizoid und damit möglicherweise der Zellkern die Hutform steuert. Da die Fragestellung eine Bedeutung für die Steuerung der Hutform
sowohl den Stiel als auch das Rhizoid offen lies, deutet das Endergebnis auf das Rhizoid hin.
A5 . Erklären Sie den Unterschied zwischen dem 1. und 2. Ergebnis unter dem Aspekt, dass
Substanzen vom Kern abgegeben werden.
– Im ersten Teil des Experiments 2 muss in dem Stiel eine Substanz gewesen sein, welche die
Informationen beinhaltete. Diese war jedoch im Zeitverlauf nicht mehr vorhanden. Möglicherweise gab dann das jeweils andere Rhizoid eine Substanz in den Stiel ab, die dann die andere
Hutform steuerte.
A6 0 Beschreiben Sie die Experimente.
– Im Experiment 3 wurden bei zwei Acetabularia-Arten mit verschiedenen Hutformen die Hüte
entfernt. Anschließend tauschte man aus den beiden Rhizoiden die jeweiligen Zellkerne aus. Es
entstanden Hutformen, die dem jeweiligen Zellkern entsprachen.
A7 $ Erklären Sie das Versuchsergebnis mit Blick auf die Fragestellung und Vermutung.
– Die Fragestellung und die Hypothese gingen von dem Zellkern und der Steuerung der Hutform
aus. Hierbei war es kein Zellteil der Acetabularia, der konkret hinterfragt wurde, sondern der
Zellkern selbst. Die Informationen liegen demnach im Zellkern, da die Hutform konkret von den
jeweiligen Zellkernen gesteuert wurde.
DNA — eine Nucleinsäure (Seite 35)
A1 $ Beschreiben Sie das Modell in Abb. 2 und erklären Sie, welche Vorgänge bei der Replika‑ tion man hiermit erklären kann.
– In der Abbildung 2 sieht man die DNA in ihrer Doppelhelix-Form mit den jeweiligen komplementären Basen. Die DNA wird entspiralisiert und das Enzym Helicase trennt die jeweiligen komplementären Basen voneinander, sodass zwei Teilstränge entstehen. Im Anschluss daran folgt an
jedem Teilstrang ein Enzymkomplex, die Polymerase. Dieser bildet jeweils wieder den zweiten
komplementären Teilstrang aus freien Nucleotiden. Die Leserichtung verläuft in Richtung 3' → 5'.
Der eine Strang läuft daher kontinuierlich ab, der andere bildet Bruchstücke, die nachträglich
verknüpft werden.
9 Zellforschung
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Material: Wie verdoppelt sich die DNA? (Seite 36)
A1 $ Beschreiben Sie das Experiment mit eigenen Worten und erläutern Sie, ob die Fragestellung eindeutig geklärt werden konnte.
– Bakterienzellen wurden zur Untersuchung der DNA bei der Verdopplung verwendet. Diese
wurden in Nährlösungen aufgezogen, welche Stickstoffverbindungen mit 15N und 14N als Tracer
enthielten. 15N ist gegenüber 14N das schwere Stickstoffisotop. Die Stickstoffverbindungen
wurden aus den Nährlösungen auch in die neu gebildete DNA eingebaut, sodass sich diese
durch die unterschiedliche Masse beim Zentrifugieren unterscheiden lassen. Die DNA mit den
schweren Isotopen liegt in dem Zentrifugenröhrchen weiter unten. Im Experiment konnte gezeigt werden, dass am Anfang des Experiments eine Mischform aus beiden Isotopen entsteht.
Nach einer weiteren DNA-Verdopplung konnte sowohl die Mischform als auch die leichte DNA
nachgewiesen werden. Dies deutet darauf hin, dass bei der Mischform jeweils ein „schwerer”
Strang mit einem leichten verbunden ist. Dies unterstützt die semikonservative Hypothese. Der
konservative Mechanismus fiel bereits nach dem 1. Teil des Experiments heraus, der disperse
nach dem zweiten Teil, weil hier nur Mischformen vorhanden gewesen wären.
A2 . Beschreiben Sie, wie die Dichteverteilung bei einer konservativen Verdopplung aussehen
würde.
– Bei der konservativen Verdopplung hätte nach der ersten Verdopplung eine leichte und eine
schwere DNA-Bande auftreten müssen.
A3 . Vergleichen Sie die Aussagen der Experimente von Meselson-Stahl und Taylor.
– Die Experimente von Taylor wurden mit radioaktiven Tracern durchgeführt, indem ein markiertes Nucleotid hinzu gegeben wurde. Bei Meselson und Stahl handelte es sich um leichte
und schwere Stickstoffisotope. Taylor untersuchte während der Verdopplung die Chromosomen,
Meselson und Stahl die DNA. Taylor kommt jedoch auch auf Mischformen bei der Verdopplung.
Hier liegen damit ähnliche Aussagen vor.
Tracer — Detektive in der Zelle (Seite 37)
A1 $ Erläutern Sie anhand von Abb. 1, welche Vorteile die markierten anti-Antikörper gegenüber markierten Antikörpern haben.
– Ein fluoreszenzmarkierter Antikörper kann direkt an ein Antigen gekoppelt werden. Bei der
indirekten Fluoreszenz mit Antiantikörpern wird ein primärer Antikörper, der an der jeweils
gesuchten Stelle spezifisch bindet, von einem mit Farbstoff markierten sekundären Antikörper
detektiert. Der Vorteil liegt darin, dass in der Regel mehr als ein sekundärer Antikörper gebunden werden kann und somit eine Signalverstärkung bzw. höhere Sensitivität erzielt wird.
Mitose und Cytoskelett (Seite 39)
A1 $ Zeichnen Sie die Vorgänge an den sich überlappenden Pol-Mikrotubuli während der Mitose
in mehreren Bildern und erläutern Sie diese.
– Die Zeichnung sollte die Grafik S. 38 mit der Grafik S. 39 sinnvoll verknüpfen: Die Mikrotubuli
werden an ihren Enden durch Tubulinbausteine in der Prophase verlängert. In der Anaphase
werden sie dann wieder abgebaut. Zeitgleich bewegen Motorproteine die beiden überlappenden Pol-Mikrotubuli-Stränge auseinander. Dadurch schieben sich die Pole immer weiter
auseinander.
10 Zellforschung
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Totipotent — Pluripotent — Stammzellen (Seite 41)
A1 $ Beschreiben Sie die Experimente in Abb. 1 unter dem Aspekt der Totipotenz.
– Einem Frosch werden Darmzellen (differenzierte Zellen) entnommen und auf Nährmedium
kultiviert. Gleichzeitig wird in einem unbefruchteten Froschei der Zellkern durch UV-Strahlung
zerstört. Wird ein Zellkern aus den differenzierten Darmzellen des Frosches in das Ei ohne
Zellkern übertragen, entwickelt sich daraus eine Kaulquappe und später ein Frosch. Auch wenn
der Zellkern einer Darmzelle entstammt, entwickelt sich aus der Eizelle ein neuer Frosch, der
Zellkern muss daher totipotent geblieben (oder wieder geworden) sein, auch wenn er dem differenzierten Darmgewebe entnommen wurde.
A2 . Erläutern Sie, welche Bedeutung das Experiment von Gurdon für die Stammzellforschung
hatte.
– Eigene Körperzellen haben den Vorteil, dass sie in der Immunreaktion nicht abgestoßen werden.
Sie müssen nicht totipotent sein, da sich kein neuer Organismus entwickeln soll. Pluripotente
Zellen können jedoch für die Bildung von spezifischem Gewebe genutzt werden. Die Experimente zeigten einen Weg auf, ausgewählte Zellen wieder für neues Gewebe nutzen zu können,
ohne dass es zu Abstoßungsreaktionen kommt.
Zellkulturen retten Menschenleben (Seite 42)
A1 $ Beschreiben Sie den Vorgang zur Herstellung spezifischer Antikörper in Abb. 1 und erläutern Sie die Bedeutung der Verschmelzung der beiden Zellen.
– Spezifische Antikörper wurden früher in anderen Tieren entwickelt, gereinigt und zur Behandlung genutzt. Da dies zu allergischen Reaktionen bei einigen Patienten führen konnte, wurden
neue Verfahren entwickelt. Tumorzellen aus Krebsgewebe teilen sich über lange Zeiträume. Man
lässt diese daher mit spezifischen Lymphocytenzellen verschmelzen, die spezifische Antikörper
bilden. Diese verschmolzenen Zellen werden in Zellkulturen weitergezüchtet und die entstehenden spezifischen Antikörper über einen langen Zeitraum genutzt. Man hat dadurch den Vorteil,
dass der Zeitraum zur Antikörpergewinnung wesentlich länger ist als er es in den Lymphocyten
der Fall wäre.
Material: Zellkulturen — ein Ersatz für Tierversuche? (Seite 43)
A1 $ Entnehmen Sie dem Text Vorteile und Nachteile von Zellkulturen in der Forschung und
wägen Sie diese gegeneinander ab.
– Vorteile Zellkulturen:
– Tierversuche lassen sich in vielen Fällen ersetzen bzw. weniger Tierversuche, da die Vorstudien an Tieren entfallen.
– Stressfaktoren von Tieren können Ergebnisse verändern. – Zellkulturen können zielgerichtet eingesetzt werden. – Zellkulturen können z. B. die Tierversuche vorentlasten, sodass bereits Fehler oder Unbrauch-
barkeit in der Endphase der Studie entfallen können. Nachteile:
– „Menschliche” Zellkulturen bieten Vorteile, da spezifischer geforscht werden kann.
– Spezifisches Abbauverhalten der Substanzen teilweise nur im Gesamtorganismus möglich.
Die Vorteile der Zellkulturen scheinen in den vorliegenden Texten in vielen Fällen die Nachteile
zu überwiegen. Dies ist aber natürlich nur ein Gesamteindruck, der im Einzelfall überprüft
werden muss.
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1. 3 Die Zellmembran — ein Modell entwickelt sich
Chemische Eigenschaften der Zellinhaltsstoffe (Seite 45)
A1 $ Wasserläufer (Abb. 4) sinken auf der Wasseroberfläche nicht ein. Erklären Sie, wie es zu
diesem Phänomen kommt.
– Wassermoleküle sind Dipole, die sich zu Molekülverbänden (Clustern) verbinden. Im Wasser
gleichen sich abstoßende und anziehende Kräfte aus. An der Flüssigkeitsoberfläche ist die
Symmetrie gestört, das heißt die Moleküle dort haben in vertikaler Richtung keine benachbarten Moleküle, sodass die Anziehungskräfte nach „innen“ zunehmen; es entsteht eine Art „Haut“.
Dadurch sinken die Wasserläufer nicht ein.
A2 $ Beschreiben Sie anhand von Abb. 1 den Lösungsvorgang eines Salzes im Wasser.
– Salze, wie Kochsalz, setzen sich aus geladenen Ionen zusammen. Wassermoleküle haben eine
Partialladung (Teilladung). Der Sauerstoff im Wassermolekül ist etwas negativer, die beiden
Wasserstoffteilchen etwas positiver. Die Wassermoleküle lagern sich um die positiven Ionen
mit ihrem Sauerstoffanteil (negative Teilladung), um die negativ geladenen Ionen mit dem
Wasserstoffanteil (positive Teilladung. Hierdurch werden die Ionen von den Wassermolekülen
eingeschlossen. Dies führt zum Lösungsvorgang.
Die Kohlenhydrate (Seite 46)
A1 $ Erklären Sie anhand der Wasser- und Zuckermoleküle den Lösungsvorgang von Zucker.
– Wassermoleküle sind Dipole mir einer positiven und negativen Teilladung (Partialladung). Auch
in den Zuckermolekülen kommt es zu Teilladungen durch die Sauerstoffgruppen, da das Sauer­
stoffatom gegenüber dem Kohlenstoffatom die Elektronen stärker anzieht. An die Teile des Wassers mit der positiven Teilladung lagern sich die negativen Teilladungen des Zuckermoleküls und
umgekehrt.
Die Lipide (Seite 47)
A1 $ Erklären Sie, weshalb Fette in Wasser durch Schütteln leicht Micellen bilden.
– In einem Öl-Wasser-Gemisch bilden Lipide Kügelchen. Die hydrophilen Molekülteile sind dem
Wasser zugewandt.
Die Proteine (Seite 49)
A1 $ In Lebewesen kommen regelmäßig 20 verschiedene Aminosäuren vor. Berechnen Sie,
wie viele Möglichkeiten es gibt, wenn man aus diesen Aminosäuren ein Protein mit einer
Kettenlänge von 3 (5, 10 oder 100) Aminosäuren herstellt.
– 203 = 8000; 205 = 3 200 000; 2010 bzw. 20100 fast unendlich viele Möglichkeiten
Material: Gelelektrophorese (Seite 50)
A1 $ Kann man mithilfe der Gelelektrophorese ein Gemisch aus Stärkemolekülen unterschiedlicher Größe auftrennen? Begründen Sie Ihre Vermutung.
– Stärkemoleküle lassen sich elektrophoretisch nicht trennen, weil diese Moleküle keine Überschussladung tragen und daher im elektrischen Feld nicht driften.
Praktikum: Osmose und Plasmolyse (Seite 51)
A1 Führen Sie die Versuche durch.
– individuelle Lösung
A2 Beschreiben Sie die vier Versuchsergebnisse und vergleichen Sie diese. Erklären Sie die
Bedeutung der leeren Kartoffelhälfte.
– In der Mulde der mit Salz oder Zucker gefüllten Kartoffelhälfte sammelt sich sehr viel Zellwasser an, in der Mulde mit Stärke jedoch nicht. In der leeren Kartoffelhälfte verändert sich nichts.
Dies beweist, dass Wasser nicht aus den Zellen diffundiert, wenn keine gelösten Substanzen
vorhanden sind. Diese Aussage ist wichtig, um nachzuweisen, dass das Wasser nicht ohne
Grund oder durch Verletzungen während des Schneidens aus den Zellen der Kartoffelhälfte
herausfließt.
12 Zellforschung
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A3 Erläutern Sie die vier Ergebnisse unter dem Aspekt der Osmose und Plasmolyse (s. Seite
52 / 53) und formulieren Sie eine Gesamtaussage zu allen Versuchen.
– Die leere Kartoffelhälfte bleibt leer, da kein Wasser aus den Zellen heraustritt. Hier liegt auch
keine osmotische Wirkung vor und eine Plasmolyse tritt nicht ein. Bei dem Versuch mit Stärke
tritt auch kein Wasser aus dem Gewebe aus, da die Stärkemoleküle im Wasser nicht löslich sind
und daher keine osmotische Wirkung und folglich auch keine Plasmolyse zeigen. Zuckermoleküle und Salzionen sind osmotisch wirksam und führen zu einer Plasmolyse der Zellen, da die
Konzentration in den Kartoffelzellen geringer ist als an der Oberfläche. Die Versuche gelingen
nur, wenn die Oberfläche nicht ganz trocken ist und das Salz oder der Zucker gelöst vorliegen
(osmotische Wirkung).
A4 Gehen Sie auf die Fragestellung ein und erläutern Sie, ob anhand der Versuche neue Fragestellungen entstanden sind.
– Die Fragestellung: Welche Wirkung haben verschiedene Stoffe auf den Wasserhaushalt der
Zellen einer Kartoffel? Nur gelöste Stoffe, wie Zucker oder Salz haben eine osmotische Wirkung.
Stoffe, die nicht löslich sind wie die Stärke, haben keine osmotische Wirkung. Ohne osmotische
Stoffe tritt in die leere Mulde ebenfalls kein Wasser aus. Eine neue Fragestellung könnte sein:
Verändert sich das Gewebe durch osmotisch wirksame Substanzen?
A5 Führen Sie die Versuche durch.
– individuelle Lösung
A6 Beschreiben Sie die Versuchsergebnisse anhand der gemessenen Daten und vergleichen Sie
diese.
– An gekochten Kartoffeln zeigen sich keine osmotischen Veränderungen. Bei allen Experimenten
bleibt die Länge der Kartoffelstückchen gleich. Die ungekochten Kartoffelstückchen zeigen
Unterschiede. Die Stücke in demineralisiertem Wasser sind länger geworden, im Leitungswasser
fast unverändert und in der 30%igen Zuckerlösung kürzer geworden.
A7 Erklären Sie die Ergebnisse für die ungekochten und die gekochten Kartoffeln.
– Die Zellmembranen der gekochten Kartoffeln wurden durch das Aufkochen zerstört. Eine osmotische Wirkung ist an den zerstörten Membranen nicht mehr vorhanden. Bei den ungekochten
Kartoffeln sind bei der 30%igen Zuckerlösung die Kartoffelstückchen geschrumpft (hypotonisch). Dies liegt daran, dass die Konzentration innerhalb der Kartoffelzellen geringer ist als die
Konzentration der Umgebung. Bei dem Leitungswasser liegen kaum Veränderungen vor. Hier
scheint die Konzentration der gelösten Substanzen im Wasser den Werten in den Zellen ähnlich
zu sein. Bei demineralisiertem Wasser sind die Kartoffelstückchen länger geworden, da die
Konzentration in der Zelle größer ist als außerhalb der Zelle (hypertonisch).
A8 Erläutern Sie die Versuchsdurchführung in Bezug zur Fragestellung.
– Die Versuchsdurchführung geht auf die Fragestellung ein: Verändert sich lebendes Gewebe
durch Zucker? Zucker wirkt osmotisch auf Zellen ein. Die Versuchsdurchführung zeigt, dass nur
lebende Zellen osmotisch aktiv sind. Die abgekochten Zellen haben keine Wirkung gezeigt. Die
Zellmembran scheint durch das Kochen zerstört worden zu sein.
A10Zeichnen und beschreiben Sie die Zellen vor der Zugabe der Zuckerlösung, nach Zugabe der
Zuckerlösung und nach Zugabe des Wassers.
– Die Rotkohlzellen zeigen eine gleichmäßige Verteilung des Cytoplasmas und des Farbstoffes
innerhalb der Zelle. Die Zellen verändern sich durch die Zuckerzugabe in der Umgebung der
Zellen. Die Zellwände bleiben zwar fast unverändert erhalten, die Vakuole verändert sich jedoch.
Bei Zugabe von Zucker ist der osmotische Wert außerhalb der Zelle größer. Dadurch entweicht
Wasser aus der Zelle, was durch das Schrumpfen der Vakuole beobachtbar wird (Plasmolyse).
Bei Zugabe von Wasser verändert sich die Konzentration außerhalb der Zelle, Wasser strömt
wieder in die Zelle ein. Die Konzentration außerhalb der Zelle ist geringer als die in der Zelle.
A11 Erläutern Sie die Beobachtungen unter dem Aspekt der Plasmolyse (s. Seite 53) und des
Tonoplasten.
– Bei der Plasmolyse wird Wasser aus der Zelle an die Umgebung abgegeben. Dies ist der Fall,
wenn die Zuckerkonzentration außerhalb der Zelle größer ist als in der Zelle. Am Tonoplasten
ist eine Membran, die sich durch das geringere Volumen zusammenzieht. Das Volumen wird
geringer, da die Zuckerkonzentration außerhalb der Zelle größer ist (s. Abb. 53. 3).
A12Begründen Sie, ob die Fragestellung mit dieser Untersuchung geklärt werden kann.
– Die Zellen verändern sich durch Zucker, da entweder Wasser entweicht und die Zelle dadurch
viel Wasser verliert. Bei einer geringeren Menge Zucker in der Umgebung wird Wasser aufgenommen. Dies lässt sich direkt durch die Experimente an den Zellen beobachten. Die Fragestellung konnte daher durch die Beobachtung der Zellen unter dem Mikroskop geklärt werden.
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Diffusion und Osmose (Seite 53)
A1 $ Erläutern und begründen Sie, wie eine Flüssigkeitsinfusion für einen Patienten beschaffen sein muss, der größere Blutverluste erlitten hat (kein Spenderblut!).
– Sie muss isotonisch zur Zellflüssigkeit sein, weil sonst durch Osmose bedingte Schäden auftreten würden.
A2 $ Drei etwa gleich schwere und gleich große Hühnereier werden zur Entfernung der harten
Schale zunächst in Essig eingelegt. Dann wird das erste Ei in 300 ml destilliertes Wasser, das
zweite in 300 ml 4%ige physiologische Kochsalzlösung und das dritte in eine konzentrierte
Salzlösung gelegt. Nach 24 h werden die Eier erneut gewogen. Das erste hat an Masse
zugelegt, das zweite hat seine alte Masse beibehalten und das dritte hat an Masse verloren.
Deuten Sie die Versuchsergebnisse.
– Das Ei nimmt in destilliertem Wasser deutlich an Volumen und Masse zu, da im Ei eine höhere
Konzentration an gelösten Stoffen vorliegt als außerhalb. Es schrumpft in konzentrierter
Kochsalzlösung (umgekehrte Konzentrationsverhältnisse). Die Eihaut ist selektiv permeabel
(semipermeabel), d. h. Wasser kann in den Ei-Innenraum eindringen bzw. aus ihm austreten,
nicht jedoch Kochsalz.
Material: Osmoregulation (Seite 54/55)
A1 $ Für Landtiere hat der Schutz vor Austrocknung höchste Priorität. Neben der Niere, die
den Harn deutlich konzentriert, gibt es auch äußere Strukturen. Benennen Sie diese.
– Bei Reptilien, vielen Amphibien, Säugetieren und Vögeln findet man vor allem folgende vor
Austrocknung schützende Strukturen: Haut (zum Teil verhornt), Haare, Federn und Schuppen.
A2 . Aale laichen im Salzwasser, während Lachse im Süßwasser laichen. Beide leben ansonsten
aber im Süßwasser (Aale) bzw. im Meerwasser (Lachse). Erklären Sie jeweils deren Überleben in beiden Gewässerarten.
– Aale und Lachse sind zu einer besonderen Osmoregulation befähigt, weil sie je nach Aufenthaltsort (Süß- oder Salzwasser) hyperosmotisch und hypoosmotisch, d. h. in beide Richtungen
regulieren können, während Süßwasserfische bzw. Salzwasserfische, die sich immer im selben
Medium aufhalten, nur in eine Richtung regulieren können. Aale, die den größten Teil ihres Lebens im Süßwasser verbringen, sind dort hyperton gegenüber ihrem umgebendem Medium und regulieren ihren Salzhaushalt wie Süßwasserfische. Wenn sie zur Laichzeit ins Meer
schwimmen, müssen sie ihren Salzhaushalt wie Meeresfische regulieren, d. h. viel trinken und
dabei über ihre Kiemen Salz ausscheiden. Umgekehrtes gilt für die Lachse.
A3 . Beschreiben Sie die Funktion der Blasenhaare und erläutern Sie, inwiefern es sich hierbei
um Osmoregulation handelt.
– Die Blasenhaare bestehen aus gestielten kleinen kugeligen Behältern. In diese außerhalb der
lebenden Zellen liegenden Behälter wird das überschüssige Salz abgesondert. Hierdurch ist es
in den lebenden Zellen nicht mehr osmotisch wirksam.
A4 0 Beschreiben Sie die Funktion der pulsierenden Vakuole (Abb. 3).
– Die pulsierende Vakuole sammelt aus dem umgebenden Cytoplasma der Zelle Flüssigkeit und
gibt diese in die Umgebung ab.
A5 $ Übertragen Sie die Messwerte (s. o.) in ein Koordinatensystem.
– siehe Abbildung
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Zellforschung
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A6 . Erläutern Sie das Ergebnis und begründen Sie, warum die pulsierende Vakuole eine
osmoregulatorische Funktion hat.
– Da die Tätigkeit der pulsierenden Vakuole mit zunehmender Salzkonzentration im umgebenden
Medium abnimmt, deutet dies auf einen Zusammenhang mit den osmotischen Werten hin. Mit
zunehmender Salzkonzentration werden immer weniger Wassermoleküle in das Paramecium
diffundieren, die Wahrscheinlichkeit der Diffusion aus der Zelle steigt hingegen an.
A7 $ Ordnen Sie die Erythrocyten in Abb. 4 den verschiedenen Salzkonzentrationen zu und
begründen Sie Ihre Entscheidung unter Verwendung der Fachbegriffe hypotonisch, hypertonisch und isotonisch.
– Die Abbildung oben zeigt den Normalzustand (rund und in der Mitte leicht abgeflacht). Die
Konzentration der gelösten Salze etc. ist innerhalb und außerhalb der Erythrocyten identisch
(isotonisch). Die mittlere Abbildung ist die Stechapfelform. Die Erythrocyten sind geschrumpft.
Es diffundieren mehr Wassermoleküle aus den Erythrocyten heraus als herein. Die Konzentration
der gelösten Salze in den Blutzellen ist hypotonisch gegenüber der umgebenden Flüssigkeit. Die
untere Abbildung zeigt geplatzte Erythrocyten. Die Zellen waren gegenüber dem Außenmedium
hypertonisch, Wassermoleküle diffundierten hinein.
A8 . Beschreiben Sie den Aufbau einer künstlichen Niere (vgl. Abb. 5 und Abb. 7). Begründen
Sie, ob es sich bei dem Vorgang der Hämodialyse um eine Diffusion oder eine Osmose handelt.
– Zwei getrennte Systeme: das Blutsystem und das Dialysat. Die Trennung erfolgt über eine
semipermeable Membran. Aufgrund der höheren Konzentration der Schadstoffe und Salze im
Blut (hypertonisch) diffundieren diese zum hypotonischen Dialysat. Es handelt sich um einen
osmotischen Vorgang, da die Schadstoffe durch eine semipermeable Membran diffundieren.
Aufbau und Funktion einer Biomembran (Seite 57)
A1 $ Waschaktive Substanzen in Spülmitteln haben den gleichen Grundaufbau wie Phospho‑ lipide, nämlich ein polares Ende und eine lange unpolare Kohlenwasserstoffkette.
Folgender Modellversuch kann Ihnen helfen, das Verhalten solcher Moleküle in wässriger
Umgebung zu verstehen: Füllen Sie etwas Wasser in eine flache Schale oder einen Teller und
bestreuen Sie es mit fein gemahlenem Pfeffer. Geben Sie dann einen Tropfen Spülmittel in
die Mitte der Oberfläche.
Erklären Sie den auftretenden Effekt auf molekularer Ebene und stellen Sie einen Bezug zum
Bau von Biomembranen her.
– Die Oberflächenspannung des Wassers kommt dadurch zustande, dass sich die polaren Wassermoleküle (Dipole) untereinander verbinden. Der Pfeffer bleibt auf der Wasseroberfläche liegen,
da die Oberflächenspannung auf der gesamten Wasseroberfläche vorliegt. Das Spülmittel beseitigt die Oberflächenspannung in der Mitte des Wassers. Spülmittel enthält
Moleküle mit polaren und unpolaren Enden. Die polaren Anteile tauchen in das Wasser ein, der
unpolare Rest zeigt zur Luft. Die sich so anordnenden Moleküle schieben Wasserteilchen und
darauf befindliches Pfefferpulver immer weiter vom Ursprung des Spülmitteltropfens weg. Es
bildet sich eine einlagige Schicht von Spülmittelmolekülen auf dem Wasser.
Material: Ein Modell entwickelt sich (Seite 58/59)
A1 $ Informieren Sie sich auf Seite 19 über die Gefrierbruchtechnik. Fassen Sie das Verfahren
mit wenigen Worten zusammen und erläutern Sie, welchen Vorteil es für die Klärung der
wissenschaftlichen Fragestellung hatte.
– Bei der Gefrierbruchtechnik werden Zellen auf –150 °C abgekühlt und mit einem Messer aufgebrochen. Häufig verläuft die Bruchfläche bei diesem Vorgang im Bereich der Zellmembranen.
Die Bruchstellen bleiben tiefgekühlt offen liegen und das Eis sublimiert. Hierbei entstehen
dreidimensionale Oberflächen, die mit einem Platin-Kohlenstoff-Gemisch seitlich bedampft
werden. Diese Schicht wird elektronenmikroskopisch untersucht. Das Verfahren ermöglicht die
Darstellung der Membran mit den integralen Proteinen.
A2 $ Beschreiben Sie das elektronenmikroskopische Foto in Abb. 1. Achten Sie dabei auf die
räumliche Ausrichtung der Proteine in der Membran (grünbrauner Bereich) und ordnen Sie
die jeweiligen Beobachtungen dem Schema in Abb. 2 zu.
– In Abb. 1 sieht man eine Zellmembran die mit der Gefrierbruchtechnik aufgearbeitet wurde. Die
Membran zeigt die Ausrichtung der Proteine, die nach außen gerichtet sind. In Abb. 2 wird deutlich, dass sowohl erhabene Stellen vorhanden sind, in denen das integrale Protein in der Membran steckt, und Stellen, die leer sind, weil das Protein nicht vorhanden ist und die Öffnungen in
der Membran frei sind.
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A3 0 Informieren Sie sich auf Seite 37 über molekulare Sonden und fassen Sie das Verfahren
kurz zusammen.
– Zum gezielten Auffinden von Molekülen dienen fluoreszierende Farbstoffe, die bei Bestrahlung
mit UV-Licht zum Leuchten gebracht werden. Dieser Effekt wird bei der Fluoreszenszmikroskopie mithilfe von Laserstrahlen genutzt. Die fluoreszierenden Farbstoffe haften gezielt an den
gesuchten Strukturen, da die Farbstoffe mit Antikörpern verbunden sind, die spezifisch an die
gesuchten Moleküle binden. Proteine oder andere Substanzen, die auf oder in der Zellmembran angeordnet sind, wurden hierdurch nachgewiesen und deren Bewegung in der Membran
erkannt.
A4 $ Beschreiben Sie das Versuchsergebnis und erläutern Sie, wie die Fragestellung der Wissenschaftler zur Bewegung in der Membran hiermit geklärt werden konnte.
– Die Fragestellung, ob die integralen Proteine auf dem Membran beweglich oder starr fixiert
sind, konnte mit diesem Experiment geklärt werden. Die Proteine konnten durch die farbige
Markierung mit Tracern sichtbar und beobachtbar gemacht werden. Hierbei zeigt sich, dass
die Membran in ständiger Bewegung ist, was zur Durchmischung der beiden Tracer führt. Die
Biomembran ist in ständiger Bewegung und nicht starr.
A5 . Erklären Sie das Experiment in Abb. 4 und vergleichen Sie die Messergebnisse mit denen
aus dem Experiment in Abb. 3. Arbeiten Sie hierbei entscheidende Unterschiede zwischen
den Experimenten heraus.
– Integrale Membranproteine wurden mithilfe von fluoreszierenden Sonden sichtbar gemacht.
Unter dem Fluoreszenzmikroskop wurde anschließend durch Bestrahlung mit einem Laser ein
kleiner Bereich des fluoreszierenden Farbstoffs ausgebleicht, sodass er nicht mehr fluoresziert.
Danach wurde die Zeit gemessen, in der die „leuchtenden“ Proteine in den ausgebleichten Kreis
zurückkehren. Die Messergebnisse zeigen die Fluidität der Biomembran und die Geschwindigkeit, mit der die Proteine sich bewegen. Im Vergleich zu Abb. 3 werden Zellen verschmolzen, in
Abb. 4 handelt es sich um eine Zelle. In beiden Fällen ist die Bewegung der Membran ersichtlich. Im Versuch zu Abb. 4 kann auch die Diffusionsbewegung der Proteine bestimmt werden.
A6 $ Beschreiben Sie das Schema in Abb. 6 und erläutern Sie den Zusammenhang zur elektro-
nenmikroskopischen Aufnahme.
– Auf der Innenseite der Biomembran befindet sich das Cytoskelett. Die Verbindungsproteine und
die Verbindungskomplexe sind in der elektronenmikroskopischen Aufnahme gut zu erkennen.
Die Struktur des Cytoskeletts ist in der EM-Aufnahme gut sichtbar.
A7 . Stellen Sie Zusammenhänge zwischen den Ergebnissen des Fotobleichverfahrens (Abb. 5)
und den Befunden zum Cytoskelett dar. Erläutern sie anhand dieser Daten die Veränderungen in der Modellvorstellung in Bezug auf die Fluidität.
– Die Fluidität der integralen Proteine kann durch das Cytoskelett eingeschränkt sein. Nur die
Hälfte der Proteine ist beweglich. Dies kann an den Filamenten des innen liegenden Cytoskeletts liegen. Die Fluidität ist nach diesen Daten nicht uneingeschränkt, wie die ersten Versuche
vermuten ließen. Ein Teil der Proteinbewegung ist durch die Filamente des Cytoskeletts an der
Innenseite der Biomembran festgelegt. Man hat also nicht eine freie Fluidität, sondern für
einige Proteine eine deutlich eingeschränkte.
Transportvorgänge durch Biomembranen (Seite 61)
A1 0 Vergleichen Sie in tabellarischer Form die folgenden Transportmechanismen hinsichtlich
der Kriterien Richtung, Spezifität und Energiebedarf miteinander: 1) Diffusion, 2) erleichterte
Diffusion, 3) aktiver Transport.
– siehe Tabelle
16 Diffusion
erleichterte Diffusion
aktiver Transport
mit dem Konzentrationsgefälle
mit dem Konzentrationsgefälle
gegen das Konzentrationsgefälle
Spezifität nein
Spezifität ja
Spezifität ja
Energiebedarf nein
Energiebedarf nein
Energiebedarf
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Material: Membrantransport — Glucosetransport ins Blut (Seite 62)
A1 0 Beschreiben Sie mithilfe von Abb. 2 den Aufbau des Darms und erläutern Sie den Vorteil
der Darmzotten und der Mikrovilli für die Aufnahme der Nährstoffe.
– Der Darm ist stark gefaltet und die Zellen der Innenseite besitzen Mikrovilli. In den Darmzotten
liegt das Blutgefäßsystem und die Lymphgefäße. Die Darmzotten und Mikrovilli dienen der
Oberflächenvergrößerung bei der Aufnahme der Nährstoffe. Hierdurch können im gleichen
Zeitraum mehr Nährstoffe aufgenommen werden.
A2 $ Erläutern Sie anhand von Abb. 3, unter welchen Bedingungen die Glucose aus dem Darmlumen in die Darmzellen aufgenommen wird.
– In Abb. 3 ist auf der x-Achse die Versuchsdauer in Minuten und auf der y-Achse die Zucker­
aufnahme in die Zelle in % angegeben. Werden den Darmzellen gleichzeitig mit der Glucose Kaliumionen angeboten wird praktisch kein Zucker in die Zellen aufgenommen. Bei gleichzeitiger Gabe von Natriumionen steigt die Zuckeraufnahme in den ersten 50 min stark an und
flacht dann langsam ab. Über den gesamten Zeitraum von 300 min wird Zucker aufgenommen.
A3 $ Stellen Sie mithilfe von Abb. 4 dar, welche Aussage für den Glucosetransport durch diesen
Versuch geklärt werden konnte, und bringen Sie dieses Ergebnis in Verbindung zum Versuch
in Abb. 3.
– In Abb. 4 wird das Ergebnis eines Versuches dargestellt, bei dem die Bindungswahrscheinlichkeit von Glucose an das Protein 1 in Abhängigkeit von Natriumionen und ohne Natriumionen
gemessen wurde. Die Wahrscheinlichkeit der Bindung liegt bei den Experimenten mit Natrium­
ionen bei ca. 9, bei den Experimenten ohne Natriumionen bei 1. Da in Abb. 3 gezeigt wurde, dass
die Glucoseaufnahme in die Zelle von Natriumionen abhängig ist, scheint das Protein 1 für die
Aufnahme der Glucose in die Zelle verantwortlich zu sein. Für die Glucoseaufnahme scheinen
daher Protein 1 und Natriumionen notwendig zu sein.
A4 . Erläutern Sie, weshalb ein effektiver Glucosetransport aus dem Darmlumen in das Blut
nur über unterschiedliche Transportmechanismen möglich ist, und stellen Sie diese Mechanismen anhand des Textes und der Abb. 5 vor.
– Für einen effektiven Glucosetransport müssen zwei verschieden Mechanismen vorliegen,
ansonsten wäre ein gerichteter Transport schwer möglich. Der Aufnahmemechanismus muss
unabhängig vom Abgabemechanismus sein, um auch geringere Konzentrationen an Glucose
im Darm aufnehmen zu können. Der Aufnahmemechanismus (Symport) aus dem Darmlumen
in die Dünndarmzelle ist gebunden an den gleichzeitigen Transport von Natriumionen am
Protein 1. Die Energie stammt aus dem Transport der Natriumionen aus der Zelle heraus im
Gegenzug zur Kaliumionenaufnahme. Hierdurch bleibt die Natriumionenkonzentration in der
Darmzelle immer gering. Durch diesen Transport ist die Konzentration der Glucose innerhalb der
Zelle höher als im Blut. Daher diffundiert die Glucose aus den Zellen in die Richtung des Blutes.
Material: Membrantransport — Wasseraufnahme in der Wurzel (Seite 63)
A1 $ Beschreiben Sie anhand der Abb. 2 und 3 und des Textes den Aufbau der Wurzel. Erläutern Sie die Bedeutung der Wurzelhaare und ihrer großen Anzahl pro Pflanze.
– Durch die Wurzelhaare wird die Oberfläche der Wurzel extrem vergrößert, hierdurch ist eine
effektive Wasser- und Mineralsalzaufnahme gesichert. In Abb. 2 sieht man die vielen feinen
Wurzelhaare, die im Boden zur Oberflächenvergrößerung beitragen. Sie nehmen das Wasser für
die Wurzelzellen auf. Von hier aus gelangt das Wasser in das weitere Gewebe der Wurzel.
A2 $ Beschreiben Sie Abb. 3 und 4 und erklären Sie die Wasseraufnahme vom Caspary‘schen
Streifen in das Leitbündel. Erläutern Sie hierbei die Bedeutung der wasserundurchlässigen
Substanz für die Wasserversorgung der Pflanze (Abb. 4).
– In Abb. 3 ist der Querschnitt durch eine Wurzel dargestellt. Das Wasser gelangt über die Wurzelhaarzellen zu den Zellen der Rinde. Es gelangt durch die Zellen und zwischen den Zellen bis
zum Caspary'schen Streifen. Dieser ist zwischen den Zellen durch eine Wasser undurchlässige
Substanz (Abb. 5) abgedichtet, sodass das Wasser nur durch die Zellen in die Pflanze gelangt
und auch nicht zwischen den Zellen zurückfließen kann. Die Wasseraufnahme in die Leitbündel
erfolgt sekundär. Durch einen Transportmechanismus, der Energie benötigt, werden Ionen aus
dem Caspary'schen Streifen in die Leitbündelzellen transportiert (aktiver Transport). Das Wasser
folgt sekundär zum Konzentrationsausgleich (Diffusion).
A3 . Wird der Stoffwechsel in den Endodermiszellen der Pflanze unterbunden, wird nach ei-
niger Zeit kaum Wasser in die Leitzellen aufgenommen. Erklären Sie diesen Zusammenhang.
– Durch den fehlenden Stoffwechsel kann kein aktiver Transport von Chloridionen stattfinden.
Daher diffundiert nach einiger Zeit kein Wasser mehr in die Leitbündelzellen nach.
17 Zellforschung
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Zellen werden erkannt (Seite 65)
A1 $ Beschreiben Sie anhand der Unterpunkte in Abb. 3 und 4 und des Textes die Vorgänge
der Zellerkennung.
– Krankheitserreger haben spezifische Oberflächen. Dendritische Zellen erkennen diese Krankheitserreger mit Antigenrezeptoren. Sie sind stark verzweigte Weiße Blutzellen im Körper‑
gewebe (1). Im Gewebe kontrollieren sie ständig das Vorhandensein von Krankheitserregern, die
sie durch die Wechselwirkung von Antigenen und Antigenrezeptoren erkennen. Die Krankheitserreger werden phagocytiert und mithilfe der Lysosomen in ihre Bausteine zerlegt (2). Diese
werden anschließend in Vesikeln zur Oberfläche der Biomembran transportiert und mithilfe von
Prote­inen präsentiert. Die aktivierten dendritischen Zellen verlassen das infizierte Gewebe und
haben im Lymphsystem Kontakt zu T-Helferzellen (3), welche in verschiedenen Immunzellen die
Bildung der passenden Antikörper auslösen (4). Antikörper sind Proteine mit zwei Bindungsstellen für Antigene. Die zwei Bindungsstellen ermöglichen die Verklumpung der Krankheitserreger (5).
Der Golgi-Apparat — Stoffverteiler der Zelle (Seite 67)
A1 $ Beschreiben Sie die beiden Vorgänge in Abb. 1 mithilfe eines kurzen Textes. Ergänzen Sie
dabei die Informationen zum Cytoskelett aus dem Text.
– Im ER werden Proteine z. B. für die Zellmembran oder die Abgabe aus der Zelle hergestellt. Von
hier gelangen diese immer zuerst zum Golgi-Apparat. Der Golgi-Apparat verändert die Proteine spezifisch für die jeweilige Funktion und leitet sie an ihren Bestimmungsort. Die Proteine
werden im rauen ER von den Ribosomen anhand der Informationen aus dem Nucleus zusammengesetzt (3). Die Proteine werden in kleinen Membran umhüllten Bläschen (Vesikeln) zum
Golgi-Apparat transportiert und verschmelzen mit ihm (Endocytose, 4). Hier werden die Proteine
je nach dem Bestimmungsort und der Aufgabe modifiziert. Am Golgi-Apparat schnüren sich
kleine Vesikel mit den veränderten Proteinen ab. Diese werden gezielt zum Bestimmungsort
transportiert. Im Golgi-Apparat entstehen gezielt abbauende Enzyme, welche überflüssige
Zellbestandteile oder Krankheitserreger abbauen können. Die Enzyme sind in Vesikeln, den Lysosomen, verpackt (2). Die in ihre Bausteine zerlegten Zellbestandteile werden für die Syn‑
these neuer Substanzen verwertet. Durch das Cytoskelett ist ein schneller gerichteter Transport
der jeweiligen Vesikel möglich.
Übungen: Zellforschung (Seite 68/69)
A1 0 Stellen Sie in einer Übersicht Zellorganellen mit Doppelmembran und einfacher Membran bzw. ohne Membran sowie deren Funktionen zusammen. Nennen Sie dabei auch die
Funktionen einer Biomembran.
– siehe Tabelle
Membrantyp
Funktion
Zellorganellen mit doppelter Membran
Zellkern
DNA-Replikation, Transkription (damit: Steuerung und Regelung der
zentralen zellulären Prozesse)
Mitochondrien
Zellatmung, Energiegewinnung („Kraftwerke der Zelle“)
Chloroplasten
Ort der Fotosynthese
Zellorganellen mit einfacher Membran
ER
Synthese von Eiweißen, Transport
Dictyosom, Golgi-Apparat
Speicherung und Transport von Eiweißen, Fetten etc.
Peroxisomen
Speicherung von Enzymen (u. a. von Peroxidasen, die der Zell­
entgiftung dienen; der Name stammt daher)
(Zellsaft-) Vakuole
Abbau, Ablagerung, Speicherung von Stoffen
Lysosomen
Speicherung von Enzymen, die Zellmaterial abbauen (lysieren); (der Name stammt daher)
Zellorganell ohne Membran
Ribosomen
Ort der Proteinsynthese
Biomembran
Aufgaben allgemein
18 selektiver Durchlass von Stoffen, Kompartimentierung, Osmoregulation,
Barrierefunktion
Zellforschung
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A2 0 Beschreiben Sie den Bau des Zellkerns anhand der Strukturen, die auf dem EM-Bild der
Abb. 1 zu erkennen sind.
– Erkennbar sind: 1) Kernplasma / Cytoplasma des Zellkerns
2) Chromatin (im Kernplasma)
3) Doppelmembran
4) Nucleolus (Kernkörperchen)
5) Kernpore
Mitochondrien erreichen durch ihre zahlreichen tiefen Einfaltungen der Innenmembran
(Cristae) eine sehr große Oberfläche. Diese Fläche wäre deutlich kleiner, wenn es diese tiefen
Einfaltungen nicht gäbe. Die Oberfläche der Innenmembran hätte dann annähernd die Fläche
der Außenmembran. In diesem Fall wäre auch der Intermembranraum entsprechend klein.
A3 $ Beschreiben Sie das Prinzip der Oberflächenvergrößerung am Beispiel des Zellorganells
Mitochondrium.
– Mitochondrien erreichen durch ihre zahlreichen tiefen Einfaltungen der Innenmembran
(Cristae) eine sehr große Oberfläche. Diese Fläche wäre deutlich kleiner, wenn es diese tiefen
Einfaltungen nicht gäbe. Die Oberfläche der Innenmembran hätte dann annähernd die Fläche
der Außenmembran. In diesem Fall wäre auch der Intermembranraum entsprechend klein.
A4 $ Erklären Sie anhand der Abb. 2, weshalb Phospholipide in der Biomembran zwei wässrige
Bereiche voneinander trennen können.
– Die polaren hydrophilen „Köpfe“ der Moleküle können mit dem ebenfalls polaren Wasser beiderseits der Lipiddoppelschicht in Wechselwirkung treten. Die unpolaren hydrophoben „Schwänze“
bilden im Inneren eine wasserabweisende Schicht. Damit werden zwei Komponenten getrennt.
A5 0 Beschreiben Sie die Abb. 3.
– In der Abb. 3 sind zwei Krallenfrösche zu sehen, die eine unterschiedliche Färbung haben. Auf
der zellulären Ebene machen die Pigmente in den Zellen des hellen Frosches nur einen kleinen
Prozentanteil aus, bei dem dunkleren Frosch die gesamte Zelle. Im dritten Teil der Abbildung
sieht man Mikrotubuli, die an der Zellmembran ansetzen.
A6 $ Erklären Sie die Vorgänge beim Farbwechsel mithilfe des Cytoskeletts auf zellulärer und
molekularer Ebene.
– Die Hautfarbe hängt von der Verteilung der Pigmente in den Hautzellen, den Melanophoren,
ab. Liegen die Pigmente gehäuft an einer Stelle, sieht die Haut hell aus. Die Mikrotubuli werden
als Gleise für den Transport von Vesikeln von der Mitte der Zelle bis zur Zellmembran eingesetzt.
Die Pigmente werden auf den Mikrotubuli durch die Zelle verteilt. Hierdurch werden die Melanophoren und die Haut dunkler.
A7 0 Erläutern Sie den Begriff der Totipotenz.
– Zellen, aus denen ein vollständiges Individuum mit den verschiedenen differenzierten Geweben
entstehen kann, sind totipotente Zellen.
A8 $ Beschreiben Sie das Experiment in Abb. 4 unter dem Aspekt der Totipotenz.
– Aus dem Gewebe einer Möhre werden Stücke entnommen. Die Zellen in diesen Gewebestücken
sind differenziert. In einer geeigneten Nährlösung wuchern Zellen auf dem differenzierten
Gewebe. Die Zellen werden getrennt und leben in einem Nährmedium weiter. Einzelne Zellen
vermehren sich durch Zellteilungen, aus denen Möhrenpflanzen mit verschiedenen Geweben
entstehen. Diese Gewebe bestehen aus unterschiedlich differenzierten Zellen. Dies stimmt mit
der Definition der Totipotenz überein.
A9 . Vergleichen Sie dieses Experiment mit dem Experiment am Krallenfrosch auf Seite 41.
– Bei dem Möhrenexperiment werden differenzierte Zellen aus einem Gewebestück entnommen
und vereinzelt. Aus jeder dieser Zellen entstehen die verschiedenen Gewebe einer Möhre. Beim
Krallenfroschexperiment wurde keine Zelle, sondern der Zellkern einer Zelle verwendet. Der Zellkern wurde in eine kernlose Eizelle eingepflanzt, die sich wie eine normale befruchtete Eizelle
zu einem Krallenfrosch entwickelte. Bei der Möhre handelt es sich um eine Körperzelle, beim
Krallenfrosch um den Zellkern einer Körperzelle. In beiden Fällen lag jedoch eine Totipotenz vor.
A10$ Wie abgeschnürte Vesikel oder sich teilende Mitochondrien zeigen, ist in der aktiven Zelle
das Membransystem in ständiger Bewegung. Begründen Sie, weshalb die Kompartimentierungsregel trotzdem nicht verletzt wird.
– Die Grundsubstanz der Mitochondrien (oder Chloroplasten) bleibt bei einer Teilung immer vom
Cytoplasma getrennt. Durch Phagocytose entstehende Vesikel können mit Lysosomen verschmelzen, wodurch unterschiedliche Kompartimente verschmelzen. Trotzdem bleibt in beiden
Fällen die Kompartimentierungsregel erhalten, d. h. stets grenzt eine Membran eine plasmatische Phase von einer nicht plasmatischen Phase ab.
19 Zellforschung
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A11 $ Deuten Sie das Datenmaterial. Gehen Sie dabei nur auf die zentral bedeutsamen Zell‑ bestandteile ein.
– Die Mitochondrien der Leberzellen der Ratte weisen einen hohen Anteil am Zellvolumen auf.
Auch das raue und glatte ER ist relativ stark ausgeprägt. Die Leberzelle hat demzufolge einen
hohen Energiestoffwechsel (Mitochondrien) und eine hohe (Protein-) Aktivität (ER-gebundene
Ribosomen).
A12$ Beschreiben Sie in Form eines Sachtextes den Vorgang der Phagocytose anhand von
Abb. 6. Verwenden Sie hierbei die Begriffe: umschließen, verdauen, absorbieren und einfangen. Begründen Sie Ihre Zuordnung.
– Weiße Blutzellen können ihre Form ständig verändern. Sie bewegen sich durch diese Veränderung zu Bakterien, die sie als körperfremd erkennen. In Abb. 2 und 3 umfließt die Weiße Blut‑
zelle das Bakterium, indem sie durch eine Formveränderung armartige Ausstülpungen entwickelt, die das Bakterium umschließen. In Abb. 3 und Abb. 4 wird das Bakterium in ein Bläschen eingeschlossen und der Verdauungsvorgang beginnt. Hierzu lagern sich in Abb. 5 Lysosomen an das Bläschen an. In Abb. 6 ist das Bakterium bereits verdaut und die Bausteine werden vom Bakterium absorbiert.
A13$ Stellen Sie bei der Phagocytose und der Fortbewegung der Zellen die Bedeutung des
Cytoskeletts und des Golgi-Apparats dar.
– Bei der Phagocytose spielt das Cytoskelett eine Rolle, da die Einstülpung der Zelloberfläche
durch Verkürzungen und Verlängerungen des Cytoskeletts erfolgt. Durch das Verlängern der Cytoskelettfilamente wachsen die armartigen Ausstülpungen. Durch die Verkürzung der Filamente zieht sich die Oberfläche der Zelle ein.
Im Golgi-Apparat sind abbauende Enzyme, die Krankheitserreger abbauen können. Die Enzyme
sind in Vesikeln, den Lysosomen, verpackt, die sich vom Golgi-Apparat abschnüren. Bakterien
werden durch Endocytose in die Zelle als Vesikel aufgenommen. An diese werden die Lysosomen
gezielt angedockt und geben die Enzyme frei. Durch die Enzyme werden die Bakterien in ihre
Bausteine zerlegt.
20 Zellforschung
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2 Energiestoffwechsel
2. 1 Bau und Funktion von Enzymen
Enzyme sind Biokatalysatoren (Seite 72)
A1 $ Beschreiben und vergleichen Sie die Vorgänge in Abb. 1 in Form eines Textes.
– Dargestellt ist der Energieverlauf kleinster Teilchen während einer chemischen Reaktion. Es
handelt sich um eine exergonische Reaktion, da Energie frei wird. Die Ausgangsstoffe (Edukte)
haben einen höheren Energiewert als die Produkte am Ende der Reaktion. Die Reaktion läuft
jedoch nicht direkt ab, es muss erst eine Aktivierungsenergie aufgebracht werden. Diese ist bei
einer Reaktion mit einem Katalysator deutlich niedriger als ohne Katalysator.
Material: Modelle zur Biokatalyse (Seite 73)
A1 $ Beschreiben Sie Abb. 1 und Abb. 2. Erläutern Sie, ob diese schematischen Abbildungen zur
Modellvorstellung für die Bedeutung von Enzymen genutzt werden können.
– In Abb. 1 ist ein See mit einem Deich dargestellt. In der linken Abbildung bleiben die Bälle auf
der Wasseroberfläche und werden nicht über den Deich gespült. Wird der Deich erniedrigt, fließt
Wasser aus dem See. Die Bälle gelangen mit dem Wasser über den Deich.
In Abb. 2 ist ein Hügel dargestellt. Eine Person versucht einen runden Stein über den Hügel zu
rollen, bevor er den Berg herunterläuft. Die Modelle können für ein Verständnis der Bedeutung
von Enzymen genutzt werden, da das Senken des Deiches oder der Hügelkuppe mit dem Senken
der Aktivierungsenergie gleichgesetzt werden kann.
A2 $ Vergleichen Sie Abb. 1 mit Abb. 2 unter dem Aspekt der Enzymfunktion. Stellen Sie hierbei
heraus, welche Zusammenhänge mit den jeweiligen Modellen erklärt werden können.
– Im Modell von Abb. 2 wird nur ein Teilchen betrachtet, welches über einen Hügel gerollt werden
muss, bevor es hinter dem Hügel hinabrollt. Dies stellt die Reaktionsenergie und die frei werdende Energie dar. Das Modell in Abb. 1 verdeutlicht, dass es um mehrere Teilchen geht. Der niedrigere Deich stellt
dabei die geringere Aktivierungsenergie dar. In diesem Modell wird deutlich, dass die Anzahl
der Teilchen, welche über den Deich gelangen, erhöht wird. Dies steht modellartig für die Anzahl
der Teilchen in einer chemischen Reaktion mit und ohne Katalysator. Die Anzahl der reagierenden Teilchen wird im gleichen Zeitraum erhöht.
A3 $ Geben Sie die Grenzen zum Erklären von Enzymen für beide Modelle an.
– Das Modell in Abb. 2 geht nur auf die Aktivierungsenergie ein und kann zur Erklärung genutzt
werden, dass durch die geringere Aktivierungsenergie die Reaktion eher abläuft. Über die
Anzahl der reagierenden Teilchen sagt das Modell nichts aus. Das Modell in Abb. 1 kann zum
Verständnis genutzt werden, dass durch die Enzyme im gleichen Zeitraum mehr Teilchen reagieren und die Reaktion hierdurch effektiver ablaufen kann.
A4 0 Erklären Sie mithilfe von Begriffen auf Seite 72 den beschriebenen Vorgang und erläutern
Sie diesen unter dem Aspekt der Enzyme.
– Die Selbstentzündung des Wasserstoffs an der Platinoberfläche stellt eine katalysierte Reaktion
dar. Diese Reaktion läuft an der Platinoberfläche ab, da die Aktivierungsenergie herabgesetzt
wird. Die Reaktion des Wasserstoffs mit dem Luftsauerstoff ist stark exergonisch, sodass es
durch die große Anzahl der reagierenden Teilchen zu einer Flammenbildung kommt.
A5 $ Erläutern Sie, welche Aspekte bei diesem Modellexperiment deutlich werden und wo
Grenzen und Unterschiede vorliegen.
– Die Platinoberfläche als Katalysator stellt in diesem Modellexperiment das Enzym dar. Die
Selbstentzündung bei Raumtemperatur kann auch verdeutlichen, dass die Enzyme bei niedriger
Temperatur zu einer effektiven Reaktion führen. Unterschiede liegen darin, dass Enzyme Proteine mit räumlichen Strukturen sind, währen die Platinoberfläche keine besonderen Strukturen
aufweist. Bei diesem Modellexperiment kann die Aktivierungsenergie gut erklärt werden, nicht
jedoch die Vorgänge.
Enzyme bei allen Stoffwechselprozessen (Seite 75)
A1 0 Erläutern Sie das Schlüssel-Schloss-Prinzip am Beispiel Enzym – Substrat.
– Enzyme sind substratspezifisch. Dies liegt daran, dass Enzyme als Proteine eine räumliche
Struktur haben. Das aktive Zentrum ist in dieser räumlichen Struktur integriert. Substrate können je nach ihrer eigenen Struktur in das aktive Zentrum des Enzyms gelangen oder nicht. Man
kann daher modellartig von einem Schlüssel-Schloss-Prinzip sprechen.
21 Energiestoffwechsel
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Praktikum: Enzyme (Seite 76)
A1 Deuten Sie die Ergebnisse der Versuche.
– Versuch 1: Braunstein entfaltet die gleiche Wirkung wie das Katalasepräparat aus Kartoffel
oder Leber. Dass die Gasentwicklung auf die Gegenwart dieser Substanzen zurückzuführen
ist, zeigt das Kontrollexperiment mit Sand. Damit der Sauerstoffnachweis mithilfe der Glimmspanprobe gelingt, sollte nicht gleich nach Beginn der Gasentwicklung die Probe durchgeführt
werden, sondern erst ca. 30 Sekunden später. Dann hat sich in der Regel über der Flüssigkeit
genügend reiner Sauerstoff angesammelt.
Versuch 2: Dieser Versuch zeigt die pH-Abhängigkeit der Enzymaktivität. Katalase wird sowohl
bei sehr kleinen als auch bei sehr hohen pH-Werten denaturiert, sodass ihre Wirkung verloren
geht, d. h. keine Gasentwicklung zu beobachten ist. Versuch 3: Dieser Versuch zeigt die Denaturierung von Enzymen durch Schwermetalle, die in der
Regel irreversibel ist. Sie beruht darauf, dass Schwermetalle sehr schwer lösliche Sulfide bilden,
die in Gegenwart von Eiweiß dadurch entstehen, dass den Eiweißen der in ihnen enthaltene
Schwefel entzogen wird, sodass ihre Tertiärstruktur zerstört wird. Wichtig für das Gelingen
dieses Versuchs ist eine hinreichende Einwirkzeit der Schwermetalllösung auf das Katalasepräparat.
A2 Tragen Sie die Entfärbungszeit (t) gegen die Temperatur (T) auf.
– individuelle Lösung
A3 Erklären Sie, wie man aus der Entfärbungszeit (t) auf die Reaktionsgeschwindigkeit (v)
schließen könnte.
– Für die Untersuchungen kann auch das preisgünstige Pankreatin verwendet werden, das Amylase enthält. Zur Auswertung des Experiments: Der Kehrwert der Zeit (1/t ) bis zur Entfärbung ist
ein Maß für die Reaktionsgeschwindigkeit bzw. für den Substratumsatz. Denn bis zur Entfärbung der Stärkelösung wird immer die gleiche Menge Substrat umgesetzt, vorausgesetzt, die
Reagenzgläser sind sorgfältig mit den richtigen Mengen befüllt worden. Je kürzer die Zeit bis
zur Entfärbung, desto größer der Substratumsatz pro Zeiteinheit, d. h. die Reaktionsgeschwindigkeit. Um den Zeitpunkt der Entfärbung besser zu erkennen, legt man weißes Papier unter
oder hinter den Reagenzglasständer. Der Versuch belegt die RGT-Regel.
A4 Protokollieren Sie die Ergebnisse und deuten Sie sie.
– Versuch 2 zeigt die Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von der Substratkonzentration,
Versuch 3 die Substratspezifität (Urease reagiert nur mit Harnstoff, nicht aber mit Thioharnstoff).
Material: Enzyme (Seite 77)
A1 $ Ziehen Sie Rückschlüsse auf den Aufbau und die Wirkung des hier eine Rolle spielenden
Enzyms. Begründen Sie Ihre Schlussfolgerungen konkret anhand der einzelnen Experimente.
– Das Experiment von Harden und Young zeigt:
• dass die katalytisch wirksamen Moleküle im Cytoplasma gelöst sind (c),
• dass zwei verschiedene Moleküle bzw. Moleküluntereinheiten die Kohlenstoffdioxidentwicklung katalysieren, für sich allein aber keine Wirkung zeigen (d) und dieses nur in Wechselwirkung miteinander vermögen (Versuchsreihe 2, 1. Versuch),
• dass eine der beiden wirksamen Komponenten temperaturempfindlich ist (in Lösung 2 aus
dem Inneren des Dialyseschlauchs), die andere nicht (in Lösung 1 aus dem Gefäß, in das der
Dialyseschlauch eintaucht),
• dass die temperaturunempfindliche Komponente niedermolekular ist (denn sie diffundiert
durch den Dialyseschlauch), die temperaturempfindliche hochmolekular (zu groß für die Poren des Dialyseschlauches). Das wirksame Enzym wird also aus einer Proteinkomponente
und einer abspaltbaren Nichtproteinkomponente (Coenzym) bestehen.
22 Energiestoffwechsel
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A2 0 Setzen Sie die Werte der Tabelle in eine Grafik um. Achten Sie dabei auf eine sinnvolle �������������������������������� � �����
Achsenwahl und die Beschriftung.
– siehe Abbildung
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A3 . Erläutern Sie das experimentelle Ergebnis. Ziehen Sie allgemeine Rückschlüsse auf die
Wirkungsweise von Enzymen und erläutern Sie diese auch hinsichtlich der Versuchsbedingungen.
– Es handelt sich um eine typische Sättigungskurve. Um das vorliegende Ergebnis zu erhalten,
wurde bei konstanter Temperatur und konstanter Enzymkonzentration die Substratkonzentra‑
tion variiert (Variable) und der Substratumsatz gemessen. Temperatur und Enzymkonzentration
müssen konstant gehalten werden, weil auch durch sie die Reaktionsgeschwindigkeit und somit
die Aussagekraft der Ergebnisse beeinflusst würde. Bei niedrigen Substratkonzentrationen ist
die Zahl der Substratmoleküle selbst der begrenzende Faktor. Die Enzymmenge ist im Vergleich
so groß, dass praktisch augenblicklich alle Substratmoleküle umgesetzt werden, d. h. der größte
Teil der zur Verfügung stehenden Bindungszentren ist unbesetzt. Deshalb kann zunächst auch
durch Erhöhung der Substratkonzentration die Reaktionsgeschwindigkeit erhöht werden, bis
die Zahl der Substratmoleküle so groß geworden ist, dass sie durch die begrenzt vorhandenen
Enzymmoleküle nicht mehr sofort umgesetzt werden können. Die Kapazitätsgrenze wird nach
und nach erreicht. Damit wird die Enzymmenge mit zunehmender Substratkonzentration immer
mehr zum begrenzenden Faktor (abflachender Teil der Kurve), bis sie schließlich allein begren­
zend wird. Die Kapazität der Enzyme (bestimmt durch ihre Wechselzahl) ist ausgeschöpft, d. h.
alle Bindungszentren sind mit Substratmolekülen besetzt. Bei sehr hohen Substratkonzentrationen (hier nicht dargestellt) tritt wieder eine Abnahme des Substratumsatzes ein (Substrathemmung), da die Substratmoleküle um das Bindungszentrum der Enzyme konkurrieren und sich
dabei gegenseitig behindern.
A4 . Begründen Sie, dass bei allen Versuchen mit jeweils derselben Menge Harnstoff- und
Ureaselösung gearbeitet werden muss.
– Um das vorliegende Ergebnis zu erhalten, wurde bei konstanter Enzym- und Substratkonzentration und variabler Temperatur der Substratumsatz gemessen. Substrat- und Enzymkonzentration müssen konstant gehalten werden, weil auch durch sie die Reaktionsgeschwindigkeit
beeinflusst wird.
A5 $ Erläutern Sie anhand der Grafik die Ergebnisse der Versuche einzeln und im Vergleich.
– Das Ergebnis zeigt die starke Temperaturabhängigkeit enzymatisch katalysierter Reaktionen,
bei denen die Reaktionsgeschwindigkeit bei einer Temperaturerhöhung um das Zwei- bis Vierfache zunimmt (RGT-Regel). Dieser Zusammenhang spiegelt sich in den Messwertergebnissen
auch wider, allerdings nur bei Temperaturen bis zu 40 °C. Die grafische Auswertung der Mess‑
ergebnisse zeigt deutlich, dass die Reaktionsgeschwindigkeit bei den gemessenen Temperaturen bis 40 °C jeweils um mehr als das Doppelte zunimmt. Bei 50 °C flacht die Kurve nach
einiger Zeit stark ab, d. h. der Substratumsatz kommt zum Erliegen. Bei 60 °C ist dieses schon
kurz nach Versuchsbeginn der Fall, sodass insgesamt nur wenig Substrat umgesetzt wird. Ursache dafür ist die Denaturierung des Enzyms durch hohe Temperaturen, die bei 60 °C schneller einsetzt als bei 50 °C. Die Denaturierung bewirkt eine Zerstörung der Tertiärstruktur, was zum
Verlust der Funktion führt. Die für die Funktion wichtige Passform (Schlüssel-Schloss-Prinzip) ist
nicht mehr vorhanden.
23 Energiestoffwechsel
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Die Reaktionsbedingungen bestimmen die Enzymaktivität (Seite 79)
A1 0 Erklären Sie anhand der modellhaften Teilchendarstellung in Abb. 1 den Kurvenverlauf im
Diagramm.
– In Abb. 1 wird die Reaktionsgeschwindigkeit einer enzymatischen Reaktion in Abhängigkeit von
der Substratkonzentration dargestellt. Auf der x-Achse ist die Substratkonzentration, auf der
y-Achse die Geschwindigkeit des Substratumsatzes aufgetragen. Die Geschwindigkeit des Substratumsatzes steigt mit zunehmender Substratkonzentration bis zu einem bestimmten Punkt
und nähert sich dann langsam der maximalen Geschwindigkeit, die nicht mehr erhöht wird,
sondern gleichmäßig bei diesem Wert bleibt. Die Modelldarstellung der einzelnen Abschnitte
des Kurvenverlaufs können zur Erklärung genutzt werden: Im ersten Abschnitt sind die aktiven
Zentren der Enzyme frei, sodass mit der Zugabe von Substrat die Umsatzgeschwindigkeit steigt
(a). Mit zunehmender Belegung der aktiven Zentren und dadurch der geringeren Zahl von
freien aktiven Zentren sinkt die Wahrscheinlichkeit eines schnellen Kontaktes von Substrat und freiem aktiven Zentrum (b). Sind alle Zentren besetzt, können neue Substrate erst wieder
umgesetzt werden, wenn Zentren frei werden. Hier kann die Geschwindigkeit nicht mehr erhöht
werden (c).
A2 $ Informieren Sie sich über die Lebensweise des in Abb. 3 dargestellten Tieres und stellen
Sie den Zusammenhang zur Enzymaktivität her.
– Der Eisfisch belebt die Gewässer in der Antarktis. Er ist ein wechselwarmes Tier. Daher entspricht die Körpertemperatur des Tieres in etwa der seiner Umgebung, vermutlich etwa um die
0 °C. Für angemessene Reaktionen des Tieres muss sein Stoffwechsel entsprechend zügig ablaufen, d. h. die zugrunde liegenden Enzymaktivitäten sind den niedrigen Temperaturen angepasst.
A3 $ Nähert sich die Körpertemperatur bei hohem Fieber dem Wert von 42 °C, besteht für den
Menschen Lebensgefahr. Erläutern Sie mögliche Gründe dafür mit Bezug zu den genannten
Eigenschaften von Enzymen.
– Bei Temperaturen über 42 °C denaturiert bereits ein Teil der lebenswichtigen Enzymeiweiße,
die dadurch mehr oder weniger stark ihre Funktion einbüßen. Das hat bei Anhalten dieses
Zustandes den Zusammenbruch lebenswichtiger Stoffwechselfunktionen zur Folge.
A4 $ Der Einfluss des pH-Wertes auf die Enzyme kann an der Verdauung des Menschen deut-
lich gemacht werden. Informieren Sie sich über die jeweiligen pH-Werte und Enzyme der
einzelnen Verdauungsschritte und erläutern Sie.
– pH-Optimum der Amylase etwa bei pH 7, des Pepsins etwa bei pH 1,5 — 1,6 und des Trypsins bei
pH 7,8 — 8,7.
Der Einfluss des Bindungspartners auf die Enzymaktivität (Seite 81)
A1 . Erläutern Sie folgende Aussage: Kompetitiv wirkende Hemmstoffe verlieren bei hoher
Substratkonzentration ihre Wirkung, nicht kompetitiv wirkende jedoch nicht.
– Die Aussage ist korrekt, da bei kompetitiven Hemmstoffen ein „Wettbewerb” mit den anwesenden Substratmolekülen um ein und dasselbe Reaktionszentrum stattfindet. Erhöht sich
deren Anzahl, wird die Wahrscheinlichkeit, dass ein kompetitiv wirkender Hemmstoff auf ein
solches Zentrum trifft, immer unwahrscheinlicher. Damit lässt die Hemmwirkung mit steigender
Substratmenge und gleicher Hemmstoffmenge nach.
Anders bei der nicht kompetitiven Hemmung: Hier blockieren die Hemmstoffe entweder, indem
sie die gesamte Molekülform des Enzyms irreversibel verändern oder sie hemmen die Enzym­
moleküle, indem sie sich an ein allosterisches Zentrum setzen und dadurch die Molekülform
verändern. Daher hat die anschließende Erhöhung der Substratmenge keine Auswirkungen auf
die Hemmstärke.
Material: Regulation von Enzymreaktionen (Seite 83)
A1 0 Benennen Sie die Unterschiede zwischen kompetitiver und allosterischer Hemmung (Abb. 1).
– Bei der kompetitiven Hemmung stehen zwei ähnliche Stoffe — das Substrat und der Hemmstoff — im Wettstreit um das aktive Zentrum. Die Bindungsstelle ändert ihre räumliche Struktur
dabei nicht. Bei der allosterischen Hemmung bindet der Hemmstoff außerhalb des aktiven
Zentrums an das Enzym und ändert damit dessen räumliche Struktur. In beiden Fällen gilt: Ist
der Hemmstoff gebunden, kann das Substrat nicht umgesetzt werden.
24 Energiestoffwechsel
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A2 $ „Negative Regulatoren stabilisieren die inaktive Form eines allosterischen Enzyms, positive Regulatoren stabilisieren seine aktive Form.“ Erklären Sie diesen Satz mithilfe von Abb. 2.
– Regulatoren können nur auf allosterische Enzyme einwirken. Diese Enzyme bestehen aus mehreren Untereinheiten. Ist Enzym A inaktiv, kann der Hemmstoff gebunden werden. Damit wird
die inaktive Form stabilisiert (negative Regulation). Wird an Enzym B eine Substanz gebunden,
die die aktive Form stabilisiert, kann die Substratumsetzung erfolgen.
A3 . Die Umsetzung der Aminosäure Threonin zu Isoleucin erfolgt im tierischen Organismus
über mehrere Zwischenprodukte (Abb. 3). Die Reaktionen werden von verschiedenen Enzymen katalysiert. Nach ausreichender Produktion von Isoleucin kommt die Reaktion zum Stillstand. Welcher Mechanismus ist dafür verantwortlich? Erklären Sie auch seine biologische
Bedeutung.
– Das Endprodukt Isoleucin wirkt als Hemmstoff des ersten Enzyms in der Produktionskette und
stellt damit seine eigene Produktion ab. Diese Regulation entspricht einer negativen Rückkopplung und verhindert eine Überproduktion. Erst wenn das Endprodukt wieder verbraucht ist,
werden auch nicht mehr genügend Moleküle zur Bindung an das Startenzym vorhanden sein
und damit kann die Isoleucin-Produktion wieder anlaufen.
A4 $ Beschreiben Sie die Rolle des Cofaktors NAD+ beim Alkoholabbau nach Abb. 4.
– Das Enzym ADH katalysiert im Cytoplasma der Leberzelle die Abspaltung von 2 Wasserstoff­
atomen von Ethanol. Diese werden auf den Cofaktor NAD übertragen. Es entstehen NADH2 und
Ethanal. In einer Reaktionskette erfolgt eine weitere Dehydrogenierung durch das Enzym ALDH,
wobei wiederum NADH2 entsteht. Der Cofaktor NADH2 gibt letztlich über ein Transportsystem
die Wasserstoffatome an eine in den Mitochondrien ablaufende Atmungskette in weiteren
Enzymreaktionen ab. So wird der Cofaktor regeneriert.
Die Rückreaktion zum Ethanal wird zum einen durch eine Reaktionskette vermieden, bei der das
Produkt durch die Folgereaktion weiter umgewandelt wird. Zum anderen wird das Endprodukt
CO2 über die Atmung entzogen. Darüber hinaus wird ein Reaktionspartner für die Rückreaktion,
das NADH2, über Stoffwechselwege in den Mitochondrien zu NAD regeneriert und steht damit
für die Rückreaktion nicht mehr zur Verfügung.
Material: Enzyme im Einsatz (Seite 85)
A1 0 Stellen Sie die verschiedenen Anwendungen für Enzyme tabellarisch dar.
– siehe Tabelle
Lebensmittel
Milchverarbeitung — Käseproduktion, Herstellung von Kunstfleisch; Verzuckerung von Stärke; Citronensäureproduktion, haltbare Fertigteig‑
masse für Brote
Waschvorgang
Waschvorgang bei niedrigen Temperaturen und mit geringen Mengen an
Waschmitteln
Körperpflege
antibakterielle Wirkung, gezielte Hautreinigung
Medizin
neue gezielte Biosensoren zur Diagnose, Verhinderung der Verklumpung
von Blut, antibakterielle Wirkung durch Abbau der Krankheitserreger
Futtermittel
bessere Nutzung des Phosphats, daher geringerer Einsatz und weniger
Ausstoß in der Gülle
synthetische Biologie
Herstellung künstlicher Zellen, die die Enzyme bilden. Diese können chemische Prozesse steuern.
A2 $ Fassen Sie Vorteile und Nachteile des heutigen Enzymeinsatzes in den verschiedenen
Anwendungs­bereichen aus Ihrer Sicht zusammen.
– Die Enzyme spielten in vielen Bereichen der Lebensmittelherstellung eine große Rolle, ohne dass
die Vorgänge bekannt waren. Durch die Kenntnisse der Vorgänge und durch den Einsatz sehr
spezifischer Enzyme können in vielen Lebensbereichen bessere Ergebnisse bei Lebensmitteln,
Körperpflege, etc. erzielt werden. Enzyme sind Proteine, die in der Umwelt gut abgebaut werden
können und die im Lebensmittelbereich mit verdaut werden. Bei vielen Vorgängen lässt sich
durch den Einsatz Energie sparen und Kosten können gesenkt werden.
Nachteile liegen im Bereich der Lebensmittel in einer geschmacklichen Vereinheitlichung durch
genormte Techniken. Die Herkunft von Lebensmitteln ist nicht mehr nachvollziehbar, wie Kunstfleisch. Im Bereich der synthetischen Biologie sind die Nachteile noch nicht absehbar, da hier
Zellen entstehen, die in der Natur bisher noch nicht vorhanden waren.
25 Energiestoffwechsel
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A3 . Erläutern Sie kritisch, welche Bedeutung Enzyme in unserem Leben und der Gesellschaft
gewonnen haben und welche Bedeutung sie noch erlangen können. Stellen Sie Ihre Ergebnisse in Form eines Zeitungsartikels dar.
– Sammlung von Aspekten: Der Einsatz von Enzymen in weiten Teilen unseres Lebens schafft
Möglichkeiten, neue Wege zu gehen, wie in der Lebensmittelindustrie oder der Medizin bzw. in
technischen Prozessen, wie Waschvorgängen. Hierbei können neue Produkte entwickelt werden,
die gezielter eingesetzt werden können oder die weniger Energie benötigen. Es können Produktionswege spezifischer entwickelt werden, die für die Erstellung von Medikamenten genutzt
werden können. Hierdurch werden bestehende Produktionen verändert oder überflüssig. Sie
können daher gesellschaftliche Bedeutung erlangen, durch gezielte Einsätze in der Medizintechnik, durch Veränderung von Produktionsprozessen und Veränderungen von Arbeitsplätzen. Die gezielte Produktion in der synthetischen Biologie ist noch nicht erfassbar, da hierdurch Organismen entstehen, die nicht einschätzbar sind und deren Langzeitwirkung noch offen ist. Ein
weiterer Aspekt sind gentechnisch veränderten Organismen, welche für die Enzymbereitstellung
entwickelt werden.
26 Energiestoffwechsel
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2. 2 Energieumsatz
Säugetiere haben unterschiedliche Herzschlagfrequenzen (Seite 86)
A1 $ Fledermäuse sind homoiotherme Tiere. Im Winter fallen sie in einen Winterschlaf, bei
dem sie die Körpertemperatur stark herabsenken. Erklären Sie den biologischen Vorteil
dieses Vorgangs.
– Homoiotherme Tiere haben im Winter einen höheren Energiebedarf, da die Temperaturdifferenz
zwischen Körper und Umgebung ausgeglichen werden muss. Durch die Senkung der Körpertemperatur ist die benötigte Energie zur Erhaltung der Körpertemperatur geringer. Da im Winter für
die Fledermäuse kaum Nahrung vorhanden ist und sie von Fettreserven ihren Energiehaushalt
aufrecht erhalten, liegt die biologische Bedeutung im niedrigeren Energiehaushalt.
Material: Körpergröße und Energiehaushalt (Seite 87)
A1 $ Stellen Sie die Zusammenhänge Körpermasse — Sauerstoffverbrauch und Körper‑
masse — Herzfrequenz in Form eines Textes dar. Fassen Sie die Aussagen des Diagramms
zusammen.
– Mit steigender Körpermasse der Tiere nimmt der Sauerstoffverbrauch pro Stunde zu, die Herzfrequenz sinkt jedoch (siehe Tabelle).
Säugetierarten
Maus
Masse (g) lg
22
1,3
Sauerstoffverbrauch (ml O2/h)
36
lg
lg
Herzfrequenz (1/min)
1,6
600
2,8
Meerschweinchen
900
3,0
605
2,8
280
2,5
Zwergziege
7000
3,9
2710
3,4
158
2,2
Orang-Utan
54 000
4,7
12 105
4,1
106
2,0
Mensch
76 000
4,9
15 980
4,2
72
1,9
Löwe
155 000
5,2
26 490
4,4
50
1,7
Pferd
500 000
5,7
65 100
4,8
44
1,6
3 833 000
6,6
268 000
5,4
26
1,4
Elefant
A2 $ Erläutern Sie anhand von Abb. 2, dass es kaum homoiotherme Tiere geben kann, die
kleiner als eine Maus sind. Erläutern Sie in diesem Zusammenhang, dass dies bei poikilothermen Tieren, wie Insekten oder kleinen Fröschen, nicht zutrifft.
– Große Tiere haben absolut gesehen einen hohen, bezogen auf die Körpermasse jedoch einen
niedrigen Sauerstoffverbrauch. Dies korreliert mit der sinkenden Herzfrequenz. Dementsprechend verhalten sich diese Stoffwechselgrößen bei kleinen Tieren umgekehrt. Poikilotherme
Tiere verbrauchen keine Energie zur Aufrechterhaltung ihrer Körpertemperatur und strahlen
auch wenig Wärme ab. Daher ist für sie das Oberflächen-Volumen-Verhältnis ohne Bedeutung.
A3 $ Berechnen Sie anhand von Abb. 3 die Oberfläche, das Volumen und die relative Oberflä-
che (Verhältnis Oberfläche : Volumen) für verschieden große Würfel. Beginnen Sie bei 80 cm
Kantenlänge und halbieren Sie sie immer weiter bis zu einer Länge von 5 cm. Stellen Sie die
Ergebnisse in einer Tabelle zusammen und formulieren Sie die Grundaussage.
– Je kleiner die Kantenlänge eines Würfels ist, desto größer ist seine relative Oberfläche:
Kantenlänge (cm)
Oberfläche (cm2)
Volumen (cm3)
rel. Oberfläche (1/cm)
80
38 400
512 000
30,075
40
39 600
64 000
0,15
20
32 400
8 000
0,3
10
3600
1 000
0,6
35
3150
3125
1,2
A4 $ Wenden Sie die Aussagen aus Aufgabe 3 auf den Wärmeverlust, die Wärmeproduktion
und die Stoffwechselintensität gleichwarmer Tiere verschiedener Größe an.
– Die Größe der Oberfläche gleichwarmer Tiere steht in direkter Beziehung zum Wärmeverlust des
Körpers und bestimmt damit die Stoffwechselintensität. In großvolumigen Körpern kann relativ
mehr Wärme produziert werden, als über die vergleichsweise kleinere Oberfläche abgestrahlt
wird. Kleinere homoiotherme Tiere müssen also mehr „heizen“ als große. Dazu ist entsprechend
mehr Sauerstoff pro Zeiteinheit und eine höhere Herzschlagfrequenz zur intensiveren Versorgung der Wärme produzierenden Gewebe nötig.
27 Energiestoffwechsel
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A5 $ Je größer ein Tier, desto problematischer die Wärmeableitung. Begründen Sie diese Aussage.
– siehe Lösung zu Aufgabe 4. Umgekehrt verlieren voluminöse Tiere mit kleiner Oberfläche im
Verhältnis zu ihrer Wärmeproduktion nur relativ wenig Wärme an die Umgebung. Sie sind also
an kältere Umgebungstemperaturen besser angepasst (Bergmann‘sche Regel).
A6 $ Erklären Sie die biologische Bedeutung des Verhaltens von Pinguinen, die sich bei eisigen
Stürmen in engen Gruppen dicht gedrängt aufstellen (Abb. 4).
– Die relative Oberfläche der Pinguine in der Arktis ist geringer als die der Pinguine in wärmeren
Regionen. Bei extremen Bedingungen können die Pinguine durch das enge Stehen in Gruppen
ihre Wärmeabstrahlung verringern. Nur die außen stehenden Tiere haben eine höhere, die inneren haben eine wesentlich geringere Wärmeabstrahlung.
Messen des Energieumsatzes (Seite 89)
A1 . Berechnen Sie den Energieumsatz eines Sportlers anhand der angegebenen Daten (s. Randspalte Seite 88) bei normaler Ernährung und in einer Hungerphase.
– Sauerstoffverbrauch: 0,48 l/min → 691,2 Liter Sauerstoff pro Tag. Die Berechnung des Energieumsatzes erfolgt durch die Multiplikation des Sauerstoffverbrauchs mit dem jeweiligen
kalorischen Äquivalent:
a) normale Ernährung: RQ = 0,9; dies entspricht dem kalorischen Äquivalent von 20,61 kJ/l → 691,2 l/Tag x 20,61 kJ/l = 14 246 kJ/Tag.
b) in der Hungerphase: RQ = 0,71 entsprechend einem kalorischen Äquivalent von 19,62 kJ/l → 691,2 l/Tag x 19,62 kJ/l = 13 561 kJ/Tag.
A2 . Berechnen Sie, wie viel Gramm Stärke den gleichen Brennwert haben wie 100 g Fett.
– 100 g Fett haben den Brennwert von 3890 kJ (100 g ∙ 38,9 kJ/g). Teilt man diesen Wert durch den
Brennwert für Kohlenhydrate (17,2 kJ/g), ergibt sich: 3890 : 17,2 = 226. Daraus folgt: 100 g Fett entsprechen energetisch 226 g Stärke.
Sauerstofftransport im Blut (Seite 90)
A1 $ Erläutern Sie anhand der Abb. 2 die Triebkräfte für den Sauerstoff- und KohlenstoffdioxidAustausch in der Lunge und im Gewebe.
– Der Sauerstoffpartialdruck in der Einatemluft ist relativ hoch, bedeutend höher als im Blut der
Lungenvene. Dieses Konzentrationsgefälle bewirkt die Diffusion des Sauerstoffs aus den Lungenbläschen ins Blut. Durch schnelle Bindung und Abtransport bleibt das Konzentrationsgefälle
dauerhaft hoch. Für das Kohlenstoffdioxid ergeben sich die umgekehrten Verhältnisse. Daraus
folgt eine Diffusion aus dem Blut in die Lungenbläschen. Auch im Körpergewebe herrschen
Konzentrationsunterschiede, die eine Diffusion des Sauerstoffs aus dem Blut in die Zellen und
des Kohlenstoffdioxids in umgekehrter Richtung ermöglichen.
A2 $ Erklären Sie, warum die Zahl der Erythrocyten pro ml Blut bei Bewohnern von hohen
Gebirgen erheblich höher ist als bei Bewohnern der Meeresküste.
– Im Hochgebirge sind aufgrund der großen Höhe Gesamtluftdruck und damit auch Sauerstoffpartialdruck erheblich niedriger als auf Meereshöhe. Das Blut muss daher den Sauerstoff in der
Lunge schneller binden, um das Konzentrationsgefälle aufrechtzuerhalten. Das wird durch die
größere Zahl der Erythrocyten möglich.
A3 $ Erklären Sie, welchen Sinn das Höhentraining von Ausdauersportlern hat.
– Als Anpassung an das Training in großer Höhe steigt die Zahl der Erythrocyten pro mm3 Blut bei
den Sportlern deutlich an. Dadurch wird eine höhere Transportkapazität für Sauerstoff und eine
bessere Sauerstoffversorgung der Muskeln ermöglicht.
A4 . Berechnen Sie die Sauerstoffpartialwerte in der Lunge und im Gewebe am Mount Everest
und erläutern Sie, weshalb die Bergsteiger Atemgeräte benötigen.
– Der Sauerstoffpartialdruck beträgt in Meereshöhe 213 hPa, am Mount Everest jedoch nur
63 hPa. In den Lungenalveolen liegt der Sauerstoffpartialdruck in Meereshöhe bei ca. 62 %, also
133 hPa, da die eingeatmete Luft mit der in den Alveolen vorhandenen Luft vermischt wird. Am Mount Everest sind es 62 % von 63 hPa, also 39 hPa. Da im Gewebe nur 16 % des Sauerstoffpartialdrucks vorliegen, liegt der Wert mit 10 hPa deutlich unter dem Wert in Meereshöhe mit
53 hPa. Die ausreichende Sauerstoffversorgung ist daher kaum gewährleistet.
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Erythrocyten transportieren den Sauerstoff (Seite 91)
A1 $ Kohlenstoffmonooxid entsteht bei unvollständigen Verbrennungsvorgängen wie beim
Zigarettenrauchen und bindet ca. 200-mal fester an Hämoglobin als Sauerstoff. Begründen
Sie, warum Raucher weniger leistungsfähig sind.
– Die vom Kohlenstoffmonooxid besetzten Hämoglobin-Moleküle fallen für den Sauerstofftransport aus. Anmerkung: Das kann bei einem Raucher durchaus 1/3 des Hämoglobins sein. Entsprechend schlecht werden die Muskeln mit Sauerstoff versorgt und entsprechend schlecht ist ihre
Leistungsfähigkeit.
A2 $ Erythropoetin (EPO) ist ein Hormon, welches hauptsächlich in der Leber und den Nieren
gebildet wird. Es regt die Bildung von Erythrocyten an. Erklären Sie, weshalb EPO beim Doping von Ausdauersportlern eine große Rolle spielt.
– Durch EPO wird für eine höhere Zahl an Erythrocyten pro mm3 Blut gesorgt und dadurch die
Sauerstoffversorgung der Muskeln verbessert. Anmerkung: Allerdings kann es bei solchem
„Blutdoping“ zu so hohen Erythrocyten-Werten kommen, dass die Fließfähigkeit des Blutes in
den Kapillaren nicht mehr gewährleistet ist. Der Tod der Sportler kann die Folge sein.
Regulation der Sauerstoffkonzentration im Blut (Seite 92)
A1 0 Führen Sie folgendes Experiment durch und deuten Sie es. Messen Sie 30 s lang Ihren
Puls und Ihre Atemfrequenz in Ruhe. Machen Sie 30 Kniebeugen. Messen Sie Puls und Atemfrequenz erneut und vergleichen Sie. Messen Sie 2 min nach der Anstrengung erneut.
– individuelle Lösung
A2 $ Erstellen Sie ein Pfeildiagramm mit den an der Atemregulation beteiligten Teilen und
erklären Sie daran das Ergebnis des Experimentes aus Aufgabe 1.
– individuelle Lösung, Beispiel:
Atemmuskulatur
+
Atemkontrollzentrum
Chemorezeptoren
—
Sauerstoffpartialdruck im Blut
Kohlenstoffdioxidpartialdruck im Blut
+
Atemkontrollzentrum
Chemorezeptoren
Der erhöhte Sauerstoffverbrauch führt zur Absenkung des Sauerstoffpartialdrucks im Blut.
Dies wird vom Atemkontrollzentrum wahrgenommen. Es regt die Atemmuskulatur an (höhere
Atemfrequenz) und führt zu erhöhtem Puls. Durch Regelung werden die Werte nach Ende der
Anstrengung wieder zurückgeführt.
Material: Sauerstoffbindung (Seite 93)
A1 $ Beschreiben Sie die Wirkung von Säure auf die Sauerstoffbindung des Hämoglobins
(Bohr-Effekt).
– Kohlenstoffdioxid erhöht die Säurekonzentration im Blut. Der Vergleich der drei Bindungskurven
in Abbildung 2 zeigt: Je höher der Kohlenstoffdioxidgehalt ist, desto flacher verläuft die Bindungskurve. Säure vermindert also die Bindungsfähigkeit des Hämoglobins für Sauerstoff. Das
ist der Bohr-Effekt.
A2 $ Bei einem erhöhten Kohlenstoffdioxidgehalt im Blut ändert sich der Sättigungsgrad des
Hämoglobins mit Sauerstoff in der Lunge nur wenig, in den Muskeln wird aber deutlich mehr
Sauerstoff freigesetzt. Erläutern Sie diese Zusammenhänge anhand von Abb. 2.
– In der Lunge herrscht wegen des Luftaustausches ein relativ hoher Sauerstoffpartialdruck. Hier
zeigen die 3 Bindungskurven aus Abbildung 2 nur geringe Unterschiede in der Sauerstoffsättigung, sie unterscheidet sich nur um ca. 5 %. Anders im Bereich niedrigen Sauerstoffpartialdruckes: Dort verlaufen die 3 Kurven sehr steil, der Unterschied in der Sauerstoffsättigung bei
gleichem Partialdruck ist erheblich größer und erreicht Differenzen von über 20 %. (Tipp: Mit
dem parallel zur Ordinate angelegten Lineal ausmessen lassen!)
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A3 $ Tintenfische tropischer Regionen werden im kalten Wasser oftmals tot aufgefunden.
Beschreiben Sie die Grafik in Abb. 3 und erklären Sie das Phänomen anhand der Daten.
– Die niedrige Wassertemperatur bewirkt, dass Sauerstoff zwar gut in den Kiemen vom Hämo­
cyanin gebunden wird. Er wird aber in den Muskeln nicht wieder freigesetzt und steht daher für
den Stoffwechsel und die Energiegewinnung nicht zur Verfügung. Die Tiere ersticken wegen der
zu festen Bindung des Sauerstoffs ans Hämocyanin.
Sauerstoff und Nährstoffe (Seite 94)
A1 0 Beschreiben Sie Abb. 1 und erklären Sie die Veränderungen der Blutbestandteile mithilfe
des Textes.
– Die Atemgase und Nährstoffe werden im Blut innerhalb des Körpers verteilt. Dargestellt sind
Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid, sowie die Glucose als ein Beispiel für Nährstoffe. Die Glucose
gelangt im Dünndarm in das Blut und wird im Körper verteilt. Hierbei wird die Konzentration
durch den Verbrauch im Körper geringer und durch die Bewegung des Blutes immer wieder
ergänzt. Der Sauerstoff gelangt über die Lunge in den Körper, das Kohlenstoffdioxid wird in der
Lunge abgegeben. Die Muskulatur ist als Beispiel für die Energieumwandlung eingezeichnet.
Hier wird Sauerstoff und Glucose verbraucht und Kohlenstoffdioxid frei.
Praktikum: Auch Pflanzen atmen (Seite 95)
A1 Beschreiben Sie die Veränderungen während des Versuchs.
– Kalkwasser in der nachgeschalteten Waschflasche wird durch die Bildung von Calciumcarbonat
getrübt. Dies beweist, dass die Keimlinge Kohlenstoffdioxid abgeben.
A2 Erläutern Sie die Funktion der verschiedenen Waschflaschen.
– Die Kalilauge in der ersten Waschflasche bindet in der Luft enthaltenes CO2. Das zeigt die
nächs­te Waschflasche an: Das Kalkwasser wird durch die hindurchströmende Luft nicht getrübt.
Die Keimlinge in der dritten Waschflasche werden auf ihre Atmungsaktivität geprüft. Zeichen
dafür: Trübung des Kalkwassers in der nächsten Waschflasche.
A3 Formulieren Sie die chemischen Reaktionsgleichungen für die Waschflaschen 1, 3 und 4.
– In der Waschflasche 1 wird in der Luft enthaltenes Kohlenstoffdioxid durch Kalilauge gebunden:
2 KOH + CO2 → K2CO3 + H2O
In der Waschflasche 3 bilden die Keimlinge aus Glucose und Sauerstoff der Luft Kohlenstoffdioxid und Wasser: C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O In der Waschflasche 4 bildet dieses Kohlenstoffdioxid mit dem Kalkwasser einen Niederschlag
von Calciumcarbonat: Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O
A4 Formulieren Sie das Versuchsergebnis.
– Pflanzenkeimlinge veratmen Glucose, die sie aus ihrem Reservestoff Stärke bilden. Dabei entsteht Kohlenstoffdioxid.
A5 Vergleichen und erklären Sie die Temperaturverläufe in den Versuchsansätzen.
– Die noch nicht vorgekeimten Samen müssen erst quellen und die Stärke abbauenden Enzyme
bilden, um den Stärkeabbau zu aktivieren. Daher steigt bei ihnen die Temperatur zunächst nicht
an. Bei den vorgekeimten Samen sind Stärkeabbau und Keimung bereits in vollem Gang. Die
aus der Stärke gebildete Glucose wird veratmet, ein Teil der Energie dieser Reaktion wird als
Wärme freigesetzt.
A6 Berechnen Sie aus den gemessenen Wasserständen und der Querschnittsfläche der Manometerröhrchen die Volumenänderung in jedem der beiden Kolben.
– Berechnung je nach Versuchsgeräten nach der Formel V = r2πh
A7 Vergleichen Sie die Volumenänderungen und begründen Sie diese.
– Im Kolben mit der Kalilauge ist die Volumenveränderung größer. Hier wird freigesetztes Kohlenstoffdioxid als Kaliumcarbonat gebunden und nur der Sauerstoffverbrauch der Samen gemessen.
A8 Einer der beiden Versuchsansätze liefert das Volumen des verbrauchten Sauerstoffs, der
andere das des produzierten Kohlenstoffdioxids. Ordnen Sie begründet zu.
– Ohne Kalilauge misst man die Differenz aus Sauerstoffverbrauch und Kohlenstoffdioxidproduktion. Es wird, wenn überhaupt, nur eine geringere Volumenänderung eintreten.
A9 Berechnen Sie aus den Volumenveränderungen die Volumina des verbrauchten Sauerstoffs
und des produzierten Kohlenstoffdioxids.
– Den Sauerstoffverbrauch kann man direkt aus der Volumenabnahme des Kolbens ohne Kalilauge messen. Das Volumen des erzeugten Kohlenstoffdioxids ergibt sich aus der Differenz der
beiden Versuchsansätze.
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A10Berechnen Sie den RQ-Wert (s. Seite 89) der Samen beim Keimen.
– Daraus ergibt sich RQ = Volumen erzeugtes CO2 : Volumen verbrauchtes O2
A11 Deuten Sie die Ergebnisse hinsichtlich der in den Samen veratmeten Reservestoffe.
– Das Volumen im Kolben ohne KOH verändert sich praktisch nicht. Daraus folgt, dass in diesem
Fall der RQ praktisch bei 1,0 liegt, d. h. dass die Samen vor allem Kohlenhydrate veratmen.
A12Deuten Sie die im folgenden Versuch gemessenen Ergebnisse.
– Die Volumenänderung in Spalte 3 zeigt, dass die KOH etwas Kohlenstoffdioxid aus der Luft
absorbiert. Dieser Wert kann in der Berechnung aber vernachlässigt werden. Das Volumen des
erzeugten CO2 ergibt sich also aus der Differenz der Volumenänderung von Ansatz 1 und der
Volumenänderung aus Ansatz 2, d. h. V(CO2) = 1,2 ml – 0,1 ml = 1,1 ml. Daraus errechnet sich der
RQ-Wert: RQ = 1,1 ml : 1,2 ml = 0,92.
Mitochondrien: Energiekraftwerke (Seite 96)
A1 0 Informieren Sie sich über die Funktion der in der Randspalte angegebenen Organe und
erklären Sie in diesem Zusammenhang die unterschiedlichen Mitochondrienvolumina.
– Ist der Stoffwechsel einer Zelle hoch, benötigt diese viele Mitochondrien. So spielt die Leber
eine große Rolle im Stoffwechsel und bei der Entgiftung des Körpers. Daher sind in ihren Zellen
viele Mitochondrien vorhanden. Die Hypophyse ist ein Teil des Gehirns, welches einen gleichmäßigen, aber geringen Stoffwechsel hat. Die Herzmuskel sind in der Kammer stärker in den
mechanischen Pumpmechanismus des Herzens eingebunden als im Vorhof, daher liegen auch
in den Zellen der Kammer-Herzmuskeln mehr Mitochondrien vor. Die Weißen Blutzellen sind ein
Teil des unspezifischen Immunsystems. Sie sind nicht in besonders hohe körperliche Leistungen
eingebunden und haben daher nur eine relativ gesehen geringe Anzahl an Mitochondrien.
Material: Befunde zum Ort der Zellatmung (Seite 97)
A1 . Deuten Sie die Ergebnisse und formulieren Sie möglichst verschiedene Hypothesen zum
Ablauf der Zellatmung.
– Mitochondrien allein betreiben keine Zellatmung, denn trotz Anwesenheit von Glucose und
Sauerstoff wird kein Sauerstoff verbraucht. Mitochondrien und Cytoplasma sind gemeinsam
in der Lage, Zellatmung zu betreiben: Sauerstoff wird bei der Glucosezugabe verbraucht. Der
Anstieg der Sauerstoffkonzentration nach ca. 5 Minuten erklärt sich daraus, dass die zugesetzte
Glucose verbraucht ist. Beschleunigt durch den Magnetrührer löst sich der Luftsauerstoff bis zur
Sättigung in der Suspension. Hypothesen:
• Das Cytoplasma allein ist der Ort der Zellatmung, enthält also die gesamten dafür notwendigen Enzyme.
• Die Zellatmung findet in mehreren Schritten statt, teils im Cytoplasma, teils in den Mitochondrien. Die Hypothesen sind durch einen weiteren Versuch zu überprüfen, bei dem die Probelösung nur Cytoplasma enthält.
A2 $ Deuten Sie die Ergebnisse.
– individuelle Lösung
A3 $ Erläutern Sie anhand der Ergebnisse, wo der Glucoseabbau durch die Zellatmung erfolgt.
– Da Glucose sich nicht in Silikonöl löst, kann sie nicht in die unterste wässrige Phase gelangen.
Bei b) und c) ist dort dennoch Radioaktivität nachweisbar. Radioaktive Stoffe müssen sich in
den Zellen (b) bzw. in den Mitochondrien (c) befinden. Mitochondrien allein (a) führen nicht zur
Anreicherung von Radioaktivität in der untersten Phase. Isolierte Mitochondrien nehmen also
keine Glucose auf. Glucose wird erst in andere, radioaktive Stoffe umgewandelt, die wiederum
innerhalb der Mitochondrien in die unterste Phase gelangen. Diese Umwandlung von Glucose
findet wohl im Cytoplasma statt.
A4 . Ermitteln Sie, wo die ersten sowie die späteren Abbauschritte erfolgen.
– Die ersten Schritte der Zellatmung finden nicht in den Mitochondrien statt. Anmerkung: Die geringe Radioaktivität in der Silikonphase hängt mit der Radioaktivität natürlicher Stoffe zusammen, was ein Kontrollversuch nur mit Silikon bestätigt.
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Leben braucht Energie (Seite 99)
A1 $ Stellen Sie einen Bezug zwischen den Informationen auf dieser Seite und Abb. 2 auf Seite
98 her.
– Coenzyme nehmen bei der Reaktion verschiedener Substrate an Enzymen eine wichtige Rolle
ein. NAD+ ist ein Coenzym, welches Elektronen und Protonen bei chemischen Reaktionen überträgt. ATP hat diese Bedeutung bei der Energieübertragung.
Glucose wird zerlegt: Glykolyse (Seite 100)
A1 $ Stellen Sie eine Bilanz der Glykolyse in Form eines Reaktionsschemas auf. Geben Sie dabei verbrauchte und neu entstandene Stoffe an.
– Glucose + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 Phosphat → 2 Brenztraubensäure + 2 NADH+ 2H+ + 2ATP
A2 . Erklären Sie, welche Teilreaktionen der Glykolyse exergonisch und welche endergonisch
sind. Stellen Sie dabei heraus, welcher Teilschritt für die ATP-Bildung verantwortlich ist.
– siehe Tabelle; die exergonischen Reaktionen sind für die Bildung von ATP verantwortlich.
exergonisch
endergonisch
Phosphoglycerinaldehyd zu Phospho‑
gly­cerinsäure
Glucose zu Glucose-6-Phosphat
Phosphoenolbrenztraubensäure zu Brenztraubensäure
Glucose-6-Phosphat zu Fructose-1,6-bisphosphat
Der Citronensäurezyklus (Seite 101)
A1 $ Formulieren Sie die Bilanzgleichung für den Glucoseabbau durch Glykolyse, Decarboxylierung und Citronensäurezyklus.
– 1 Glucose + 6 H2O + 10 NAD+ + 2 FAD + 4 ADP + 4 Phosphat → 6 CO2 + 10 NADH + H+ + 2 FADH2
+ 4 ATP
ATP-Synthese (Seite 103)
A1 $ Fassen Sie die Erkenntnisse aus der Erforschung des Protonengradienten zusammen.
– Die ATP-Produktion kann in Verbindung mit einem pH-Gradienten zwischen dem Innenraum
des Mitochondriums und der umgebenden Lösung gebracht werden. Die äußere Mitochon­
drienmembran ist für Protonen durchlässig. Der Protonengradient im Intermembranraum
ändert sich dadurch, aber der Protonengra­dient allein spielt keine Rolle, wenn nicht ein spezifisches Enzym, die ATP-Synthase, vorhanden ist.
A2 . Erläutern Sie die experimentell gewonnenen Erkenntnisse und übertragen Sie diese auf
das Modell in Abb. 2
– Mitochondrien werden in eine Lösung mit pH 8 (basisch) gebracht. Dies bedeutet, dass verhältnismäßig wenig Protonen vorhanden sind. Anschließend werden die Mitochondrien in eine
Lösung mit pH 4 (sauer) überführt. Hier liegen viele Protonen vor. Die Protonen können über die
Membran in den Intermembranraum eindringen. In Abb. 2 wird dies deutlich durch die hohe
Anzahl der Protonen im oberen Bereich der Abbildung. In der Matrix sind weniger Protonen,
dies ist der untere Teil der Abb. 2. Hierdurch entsteht ein Gradient. In künstlichen Membransytemen mit Protonengradient entsteht kein ATP. Durch den Einbau des Enzyms ATP-Synthase in die
Membransysteme baut sich der Gradient ab und es entsteht ATP. Dies ist in der Abb. 2 modellartig durch die wassermühlenartige Struktur des Enzyms und den Synthasekopf angedeutet.
Die Experimente zeigen auch, dass der Elektronentransport bei der ATP-Synthese nur über den
Aufbau des Protonengradienten eine indirekte Rolle spielt.
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Gärung — es geht auch ohne Sauerstoff (Seite 104)
A1 . Entwickeln Sie wie in Abb. 1 mithilfe der Textinformation ein Reaktionsschema zur alkoholischen Gärung unter Berücksichtigung aller Zwischenprodukte.
– siehe Abbildung
����������
�����
�������
���
�������
��������
�����
�������������
�����
�������
�������
�������
�������
Praktikum: Versuche zur Gärung (Seite 105)
A1 Nach Ablauf der Zeit wird in beiden Proben wie bei Probe 1 der pH-Wert ermittelt. Deuten Sie
das Ergebnis.
– Untersuchung von Sauerteig:
Probe 1 und 2 zeigen annähernd neutrale pH-Werte (ca. 6–7), Probe 3 ca. pH-Wert 4. Deutung:
In Probe 3 wird eine Säure produziert, wobei Enzyme bzw. lebende Organismen beteiligt sind.
Diese wurden in Probe 2 durch Erhitzen zerstört. Die Gasentwicklung („Der Teig geht auf“) lässt
vermuten, dass weitere Prozesse beteiligt sind: Kohlenstoffdioxid entsteht durch Atmung und/
oder Gärung von Hefezellen.
Backen eines Sauerteigbrotes:
Das angegebene einfache Rezept kann verfeinert werden: Der Teig wird lockerer, wenn Hefe zugesetzt wird. Das Brot wird saftiger, wenn man dem Teig etwas Speiseöl oder Margarine zugibt.
Der Backvorgang sollte mit hoher Temperatur beginnen (Vorheizen auf 180–200 °C) und nach
20 min auf 160 °C abgesenkt werden. Die Kruste wird dann nicht so hart und trocken. Vor dem
Absenken der Temperatur kann man das Brot mit gequirltem Ei bestreichen. Das ergibt eine
glänzende Kruste. Das selbstgebackene Brot sieht dem üblichen Vollkornbrot trotzdem wenig ähnlich. Wenn man dem Teig aber Honig, Zuckercouleur oder Puderzucker zusetzt, entsteht das handelsüblich „dunkle Vollkornbrot“, dessen Farbe nichts mit dem „vollen Korn“ zu tun
hat, sondern nur durch den Zuckerzusatz erreicht wird.
A2 Beobachten Sie die Lösungen in den Waschflaschen und deuten Sie Ihre Beobachtungen.
– Die Caliumhydroxidlösung in der ersten Waschflasche bindet Kohlenstoffdioxid, das in der Luft
enthalten ist. Eine Trübung in der zweiten Waschflasche ist also auf die KohlenstoffdioxidProduktion der Hefe zurückzuführen. Im belüfteten Versuchsansatz fällt sie etwas geringer aus
als im unbelüfteten, da hier Atmung möglich ist. Da bei der Gärung bedeutend weniger ATP pro
Glucose-Einheit entsteht als bei der Atmung, muss die Hefe im belüfteten Ansatz zur Produktion
des nötigen ATP weniger Glucose umsetzen als im unbelüfteten, wo sie nur durch Gärung ATP
bilden kann.
A3 Lassen Sie die Ansätze (ohne weitere Heizung) einen weiteren Tag stehen. Destillieren Sie
dann (getrennt) den Inhalt der beiden Reagenzgläser. Vergleichen Sie dabei die Siedetemperaturen. Begründen Sie den Unterschied.
– Im Reagenzglas aus dem unbelüfteten Ansatz lässt sich Ethanol durch Destillation nachweisen,
das durch alkoholische Gärung entstanden ist. Im belüfteten Ansatz entsteht praktisch keines,
da hier die Hefe ihren Energiebedarf aus der Atmung decken kann.
A4 Versuchen Sie, die ersten 10 Tropfen des Destillats zu entzünden. Begründen Sie Unterschiede zwischen den beiden Ansätzen.
– Der belüfteten Ansatz zeigt bei der Destillation einen höheren Anfangs-Siedepunkt, da hier
kaum Ethanol entstanden ist. Die ersten Tropfen des Destillats enthalten praktisch nur Wasser
und brennen nicht. Aus dem unbelüfteten Ansatz kann Ethanol destilliert werden (der AnfangsSiedepunkt dürfte um 80 °C liegen), das in den ersten Tropfen so hoch konzentriert ist, dass es
entzündet werden kann.
33 Energiestoffwechsel
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A5 Erhitzen Sie und vergleichen Sie die Siedetemperaturen.
– Der Anfangs-Siedepunkt liegt im Reagenzglas aus dem belüfteten Ansatz um 100 °C (Siedepunkt
des Wassers), im unbelüfteten Ansatz bei ca. 80 °C (Siedepunkt des Ethanols: 78 °C).
A6 Wenn Dampf aus dem Steigrohr strömt, versuchen Sie (mehrmals), ihn zu entzünden. Welchen Stoff weisen Sie damit nach?
– Aus dem unbelüfteten Ansatz wird ein Wasser-Ethanol-Gemisch ins Steigrohr destilliert. Im
Steigrohr kondensiert es, wird aber durch die Hitze von unten erneut verdampft. Da Ethanol
niedriger siedet als Wasser, wird es durch die Kondensations- und Verdampfungsschritte im
Steigrohr immer höher konzentriert (Prinzip der fraktionierten Destillation) und reichert sich im
Dampf so hoch an, dass er entzündet werden kann.
A7 Vergleichen Sie beide Ansätze in Bezug auf Siedetemperatur und Brennbarkeit. Begründen
Sie.
– Dies ist im belüfteten Ansatz nicht möglich, da hier kaum Ethanol entstanden ist.
Material: Drehscheibe Citronensäurezyklus (Seite 107)
A1 $ Berechnen Sie die ATP-Produktion für 1 g Fett.
– Die Molmasse errechnet sich aus der Summenformel C57H113O6 eines Fettmoleküles. Ein Mol sind
daher 893 g. Pro mol werden 460 mol ATP gebildet. 893 g entsprechen 460 mol, 1 g entspricht
0,515 mol ATP (460 / 893).
A2 $ Berechnen Sie die ATP-Produktion für 1 g Glucose.
– Die Molmasse der Glucose berechnet sich aus der Summenformel C6H12O6. Ein Mol sind 180 g.
Pro mol Glucose werden 38 mol ATP gebildet. 1 g Glucose bildet daher 0,211 mol ATP (38 / 180).
A3 $ Erläutern Sie anhand des Materials den biologischen Vorteil der Fettspeicherung für die
Kolibris.
– Pro Gramm Fett wird gegenüber der Glucose die 2,4-fache Menge an ATP gebildet. Diese hat
den biologischen Vorteil, das bei nur geringem Gewicht der Kolibris, das Fett wesentlich mehr
ATP für den langen Flug zur Verfügung stellt.
A4 $ Beschreiben Sie Abb. 3 und erläutern Sie die verschiedenen Messwerte.
– Die Abbildung zeigt die Lachswanderung vom Pazifischen Ozean in den Quellbereich eines
kanadischen Flusses. Eingetragen sind die Messwerte der Lachse in Bezug auf die Energieausgaben der Lachse. Im Anfangsbereich liegt der Hauptanteil bei den Fetten. Diese nehmen im
Verhältnis während der Wanderung immer mehr ab. Der Anteil der Proteine nimmt im Verhältnis immer mehr zu. In der Endphase liegt der Hauptanteil im Bereich des Glykogens.
A5 $ Erläutern Sie mithilfe des Citronensäurezyklus, weshalb immer eine kleine Menge Glykogen erhalten bleibt.
– Glykogen (tierische Stärke) ist der Energieträger der im Muskel und der Leber gespeichert wird.
Glykogen wird schnell in Glucose aufgespalten, die für die Muskelfunktion und die Tätigkeit des
Gehirns benötigt wird. Daher muss immer eine gewisse Menge Glykogen vorhanden sein, die
über den Citronensäurezyklus aus den Fetten und Proteinen gebildet wird. Von besonderer Bedeutung ist es, dass die Fortpflanzung mit der Gametenbildung am Ende der Wanderung noch
eine ausreichende Menge an Glykogen benötigt.
A6 . Erklären Sie, wie es zu dem hohen Glykogenanteil vor dem Laichen kommt, obwohl keine
Nahrung mehr aufgenommen wird.
– Über den Citronensäurezyklus wird der letzte Teil der Körperproteine in Glucose und Glykogen
umgewandelt.
A7 $ Nehmen Sie Stellung zu der Aussage: „Der Lachs hat sich auf seiner Wanderung selbst
verdaut".
– Die Aussage ist richtig, da primär die Fettreserven und im Verlauf der Wanderung die Muskel- und Darmproteine in Glucose umgewandelt und für den Energiehaushalt genutzt werden.
Hierdurch sind die Lachse fast ohne Muskulatur und Verdauungsorgane, wenn sie im seichten
Laichgewässer ankommen.
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Material: Glucoseabbau (Seite 109)
A1 0 Beschreiben Sie die beiden Schemata in Abb. 1 und Abb. 2.
– Die beiden Schemata stellen modellartig den Glucoseabbau und die Energieumwandlung dar.
Das Schema in Abb. 1 geht sehr reduziert auf die Vorgänge ein und stellt die Teilvorgänge im
Cytoplasma und im Mitochondrium dar. Hierbei wird die ATP Bildung den Teilprozessen zugeordnet. Das Schema in Abb. 2 geht etwas genauer auf die Teilprozesse im Mitochondrium ein.
A2 . Erläutern Sie, welche der beiden Modellvorstellungen die Zusammenhänge der Ener-
gieumwandlung besser verdeutlichen kann. Stellen Sie hierbei die jeweiligen Grenzen der
beiden Modelle dar.
– Die Abb. 1 macht deutlich welche Teilprozesse beim gesamten Glucoseabbau auftreten. Hierbei
wird deutlich, dass der größte Teil des ATPs in der Atmungskette gebildet wird. Die Abb. 2
hingegen macht die Vorgänge deutlich, geht jedoch erst von der Brenztraubensäure aus. Hierbei
werden die Vorgänge präziser aufgeschlüsselt. Die unterschiedlichen ATP-Mengen werden jedoch nicht herausgestellt. Abb. 1 verschafft einen Überblick in Bezug auf das ATP, vernachlässigt
aber die Mechanismen. Abb. 2 geht schematisch auf die Mechanismen ein, vernachlässigt aber
die verschiedenen ATP-Bildungsstellen und stellt die Atmungskette in den Vordergrund.
A3 $ Erläutern Sie anhand der Abb. 3 den dargestellten Vorgang unter den folgenden Aspekten: „In der Ordnung steckt Energie" und „Energieträger Elektron".
– In Abb. 3 sind modellartig die innere Mitochondrienmembran, der Protonengradient, die Protonenpumpe und die ATP-Synthase dargestellt. Der Aspekt „In der Ordnung steckt Energie” wird
deutlich, da im linken Teil der Abbildung die Protonen auf der Außenseite in höherer Anzahl
„geordnet” vorliegen und es durch den Ausgleich (rechter Teil der Abbildung) zur gleichmäßigen
Verteilung (ungeordneterer Zustand) kommt und somit die ATP-Bildung ermöglicht. Der Aspekt
„Energieträger Elektron” wird im linken Abbildungsteil deutlich, da die energiereichen Elektronen die Protonenpumpen antreiben und den Gradienten aufbauen.
A4 $ Beschreiben Sie, woher die energiereichen Elektronen im Mitochondrium stammen.
– Die Elektronen stammen aus dem Citronensäurezyklus aus dem Abbau der Brenztraubensäure.
A5 $ Erklären Sie mithilfe der Stoffwechselvorgänge, wie die Erythrocyten ihren ATP-Haushalt
aufrechterhalten.
– Erythrocyten besitzen keine Mitochondrien. Sie binden zwar den Sauerstoff, können durch
das Fehlen der Mitochondrien jedoch keinen Abbau der Brenztraubensäure durchführen. Die
Atmungskette fehlt ebenfalls, sodass der Sauerstoff keine Verwendung finden kann. Die Energieumwandlung für den Energiehaushalt der Erythrocyten erfolgt daher nur über die Milchsäuregärung im Cytoplasma.
A6 . Erstellen Sie eine Skizze, in der Sie die Zusammenhänge der Vorgänge in der Leber und in
den Erythrocyten darstellen.
–
Glucose Milchsäuregärung
Milchsäure
2 ATP
Erythrocyt
Glucose
Glucoseaufbau
Leberzelle
Material: Winterschläfer nutzen Mitochondrien (Seite 110)
A1 0 Beschreiben Sie anhand der Thermografien die Erwärmung der Fledermäuse beim
Aufwachen. Erklären Sie, welche Rolle dieser Vorgang bei der Temperaturregulation spielen
kann.
– Die Wärme wird zuerst im Bereich des Schultergürtels gebildet. Hier befindet sich das braune
Fettgewebe. Im Laufe der Zeit breitet sich die Wärme weiter nach unten aus. In der letzten
Aufnahme ist dann das ganze Tier erwärmt. Bei der Temperaturregulation der Winterschläfer
ist dieser Wärmeverlauf vorteilhaft, weil nach einer Auskühlung kurzfristig (angeregt über das
Nervensystem) und energiesparend Wärme vom Bewegungsapparat über den ganzen Körper
verteilt werden kann.
35 Energiestoffwechsel
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A2 $ Ordnen Sie den dargestellten Sauerstoffverbrauch (Abb. unten links) den Thermografien
zu und begründen Sie Ihre Entscheidungen.
– Der Sauerstoffverbrauch steigt mit steigender Körpertemperatur. Er sinkt mit dem Einschlafen
(Ruhe) der Tiere und ist auf dem niedrigsten Niveau während des Winterschlafs, in dem die
Körpertemperatur ebenfalls auf dem niedrigsten Niveau ist. Kleine Schwankungen im Sauerstoffverbrauch werden während des Winterschlafs über das braune Fettgewebe ausgeglichen.
A3 $ Beschreiben Sie anhand der nebenstehenden Abbildungen den Unterschied zwischen
den Zellen des weißen und des braunen Fettgewebes. Welche Vermutungen lassen sich
unter dem Aspekt des Energiestoffwechsels aufstellen? Begründen Sie diese.
– braunes Fettgewebe: viele kleine Fetttropfen, viel Cytoplasma, viele Mitochondrien, Steuerung
des Energiestoffwechsels über Nerven, hauptsächlich Wärmeproduktion zum schnellen Temperaturausgleich. weißes Fettgewebe: ein großer Fetttropfen, wenig Cytoplasma, wenig Mitochondrien, Steuerung
über Hormone, ATP-Produktion in den Mitochondrien. Das weiße Fettgewebe dient als Fettspeicher zur Energiereserve.
A4 $ Vergleichen Sie anhand der Abbildung unten rechts die Vorgänge an der inneren Mito-
chondrienmembran in den Mitochondrien des braunen Fettgewebes mit denen im weißen
Fettgewebe.
– Die Vorgänge in den Mitochondrien der weißen Fettzellen entsprechen den Vorgängen in allen
Zellen zur ATP-Produktion über den Protonengradienten. Die Vorgänge in den Mitochondrien
des braunen Fettgewebes sind von der ATP-Produktion entkoppelt. Der Protonengradient wird
für die Bildung von Wärme genutzt.
A5 $ Fledermäuse haben eine ungünstige relative Oberfläche (s. Seite 87). Muskelzittern
erzeugt Wärme, die von den an der Oberfläche liegenden Muskeln schnell abgegeben wird. Erläutern Sie den biologischen Vorteil des braunen Fettgewebes.
– Muskelzittern hat den Nachteil, dass ein Teil der Energieumwandlung für die mechanische
Energie des Zitterns gebraucht wird und nur ein Teil für die Erwärmung genutzt werden kann.
Durch die Lage der Muskulatur an der Oberfläche strahlt diese Wärme schnell ab. Das braune
Fettgewebe liegt im Körper, sodass die Wärme aus der Körpermitte an die Oberfläche gelangt.
Fast der gesamte Anteil des Protonengradienten wird in Wärme umgesetzt. Dies hat den biologischen Vorteil, dass nicht so viele Energiereserven benötigt werden wie beim Muskelzittern und
das Tier länger den Fettvorrat nutzen kann.
Material: Der Stoffwechsel tauchender Säugetiere (Seite 111)
A1 $ Vergleichen Sie die Sauerstoffspeicher des Menschen und des Wales beim Tauchen.
Erklären Sie in diesem Zusammenhang die Bedeutung und die Funktion des Myoglobins bei
langen Tauchgängen. Gehen Sie von der 10-fachen Myoglobinmenge bei den Walen aus.
– Die Grafik zeigt: Der Mensch hat augenscheinlich seine meisten Sauerstoffreserven in der
Restluft der Lunge und gebunden im Hämoglobin des Blutes. Wale nutzen ähnlich stark wie der
Mensch den Sauerstoffspeicher des Blut-Hämoglobins, dagegen aber nur wenig den der Lunge.
Im Muskel ist bei Walen deutlich mehr Sauerstoff gespeichert als beim Menschen, der Myoglobingehalt ihrer Muskeln ist ungleich größer.
A2 . Menschen können nach längeren Tauchgängen nur langsam mit mehreren Pausen auf-
tauchen, um die Taucherkrankheit zu umgehen: Bei dem hohen Druck in der Tiefe löst sich
eine große Menge der Luft in der Blutflüssigkeit. Bei zu schnellem Druckabfall können Luftbläschen ausperlen und durch Verstopfung und Zerreißen der Kapillaren zu Bewusstlosigkeit
oder zum Tode führen. Leiten Sie aus der Abbildung oben und den Informationen Gründe ab,
warum die Taucherkrankheit bei Walen nicht auftritt.
– Wale nehmen nur einen geringen Luftvorrat in die Tiefe, sodass auch nur wenig Sauerstoff im
Blutplasma gelöst werden kann. Der Hauptanteil der Sauerstoffs wird chemisch am Hämoglobin gebunden und Myoglobin mitgeführt. Außerdem ist die Tauchzeit der Wale bedeutend
kürzer als die von Menschen mit Luftvorrat in Gasflaschen. Daher haben die Gase in der Lunge
weit weniger Zeit, um sich unter hohem Druck in der Blutflüssigkeit zu lösen.
A3 $ Beschreiben Sie die Veränderungen der Konzentrationen von Sauerstoff, Kohlenstoffdi­
oxid und Milchsäure im Blut der Weddell-Robbe während eines Tauchganges (s. Abb. unten).
Erklären Sie diese im Zusammenhang mit den Stoffwechselvorgängen in den Zellen.
– Der Sauerstoffvorrat der Robben nimmt kontinuierlich ab, im gleichen Maß steigt der CO2-Gehalt im Blut an. Der Anstieg der Milchsäure am Ende des Tauchganges lässt darauf schließen,
dass dann aufgrund des Sauerstoffmangels Energie durch Milchsäuregärung gewonnen wird.
Das CO2 wird nach dem Auftauchen schnell abgeatmet, der Sauerstoffvorrat im Blut ebenso
schnell ergänzt. Die Milchsäure wird ebenfalls schnell abgebaut.
36 Energiestoffwechsel
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A4 $ Erklären Sie die starken Unterschiede der Atmung vor und nach dem Tauchen. Berücksichtigen Sie hierbei die Veränderung der Pulsfrequenz während des Tauchvorganges.
– Vor dem Tauchen atmet die Robbe normal. Die Sauerstoffvorräte sind aufgefüllt, die Blutkonzentrationen von O2 und CO2 normal. Nach dem Tauchen sind die O2-Speicher leer, sie werden
durch stärkeres Atmen wieder aufgefüllt. Der aufgenommene Sauerstoff wird daneben auch
zur Oxidation der angehäuften Milchsäure verbraucht. Der hohe CO2-Gehalt des Blutes nimmt
durch die verstärkte Atmung nach dem Tauchen schnell wieder ab.
Die Sauerstoffvorräte für das Tauchen liegen im Wesentlichen im Myoglobin der Muskeln, sie
müssen nicht mit dem Blut zu ihnen befördert werden. Eine stärkere Herztätigkeit macht daher
keinen biologischen Sinn.
A5 $ Erläutern Sie, dass die Muskeln trotz dieser Senkung der Pulsfrequenz nicht unter Versorgungsproblemen leiden.
– Das Myoglobin der Muskeln ist der Sauerstoffspeicher. Das gespeicherte Glykogen ist die Nährstoffreserve zur Energiegewinnung. Eine Versorgung durch das Blut ist daher so kurzfristig nicht
nötig.
A6 . Zum Beginn des Tauchganges atmet die Robbe vollständig aus. Erläutern Sie die Vorteile,
die dieses Verhalten bietet.
– Luft bedeutet zum einen Auftrieb und erschwert das Abtauchen. Zum anderen herrscht in den
Tauchtiefen der Robbe ein hoher Wasserdruck, der alle luftgefüllten Organe zusammenpressen
würde. Durch diesen Druck würde auch Sauerstoff und Stickstoff der Atemluft in das Blutplasma
gedrückt. Die Gefahr der Taucherkrankheit bestünde.
Die Muskelkontraktion (Seite 112)
A1 $ Bei zu starker, ungewohnter Dauerbelastung eines Muskels verkrampft er: Er wird steif
und hart. Erläutern Sie mögliche Ursachen.
– Die Zufuhr von ATP ist unzureichend und die Myosinköpfchen können sich nicht vom Aktin
lösen, d. h. die „Weichmacher-Wirkung“ von ATP fehlt.
Material: Die Rolle des ATP bei der Muskelkontraktion (Seite 113)
A1 $ Ermitteln Sie mithilfe der obigen Versuchsergebnisse die richtige Reihenfolge der Schemata in der nebenstehenden Abbildung.
– Bezüge zu den Textteilen sind in Klammern angegeben; durch die richtige Reihenfolge ergibt
sich das Lösungswort AKTIN:
Bild „A“: Durch den Einfluss der Nervenimpulse erhöht sich die Ca2+-Konzentration im Cyto‑
plasma (2). Dadurch verändert Myosin seine räumliche Struktur so, dass es mit Aktin in Kontakt
tritt (6a). Die an Aktin gebundenen Proteine verändern ihre Lage. So wird die Bindung von Aktin
und Myosin möglich.
Bild „K“: Die ATPase-Wirkung des Myosins (5) kommt zum Tragen, ATP wird zu ADP und P
gespalten. Bild „T“: Nach der Phosphatabspaltung löst sich ADP vom Myosinkopf (4). Das Myosin ändert
dadurch seine räumliche Struktur (6b).
Bild „I“: Ein neues ATP-Molekül kann angelagert werden.
Bild „N“: Die ATP-Anlagerung führt zur 90°-Stellung des Myosinkopfes, Myosin löst sich von
Aktin (6b).
A2 $ Stirbt ein Wirbeltier, so tritt nach einigen Stunden Totenstarre ein: Alle Muskeln werden
starr und hart. Gehetztes Wild zeigt nach dem Tode eine extrem kurze Zeit bis zum Einsetzen
der Totenstarre. Erklären Sie diese Phänomene; überlegen Sie, in welcher Phase der nebenstehender Abbildung sich ein Muskel in Totenstarre befindet. Erläutern Sie.
– Nach dem Tod wird kein ATP mehr produziert. Das hat zwei Konsequenzen: Die lonenpumpen
kommen zum Erliegen (d. h. es liegt eine relativ hohe Ca2+-Konzentration im Cytoplasma vor)
und ATP als instabiler Stoff nimmt allmählich ab (kann also die ATP-Bindungsstelle nicht mehr
besetzen). Stellung „K“ bleibt erhalten. Bei dem gehetzten Wild ist der ATP-Vorrat minimal, also
die Zeit bis zur Totenstarre besonders kurz.
A3 $ Die Zugabe von ATP auf einen frisch isolierten Muskel führt nicht, wie man zuerst vermu-
ten könnte, zu einer Kontraktion. Überlegen Sie Möglichkeiten, eine Kontraktion auszulösen.
– Ein frisch isolierter Muskel kann allein durch ATP nicht kontrahieren, denn zusätzlich ist eine
hohe Ca2+-Konzentration notwendig (6c). Er bleibt unter ATP-Einfluss „weich“ („N“). Um Kontraktionen auszulösen, müssen Ca2+-lonen zugeführt werden.
37 Energiestoffwechsel
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Stoffwechselvorgänge beim Sport (Seite 115)
A1 $ Untersuchungen zeigen, dass ein Sportlerherz bis zu 200 ml, das Herz eines Untrainierten
100 bis 120 ml Blut pro Herzschlag in die Aorta pumpt. Die Anzahl der Kapillaren in den
Muskeln nimmt bei Sportlern ebenfalls zu. Erklären Sie die Bedeutung des Trainings für die
Stoffwechselvorgänge.
– Die Zunahme des Herzvolumens führt zu einer Steigerung der Pumpleistung bei normaler
Herzfrequenz. Die Zunahme der Kapillarisierung in der Muskulatur führt zu einer effizienteren
Durchblutung, da mehr Stoffe pro Zeiteinheit zwischen Muskel und Blut ausgetauscht werden
können. Beide Effekte erhöhen die Sauerstoffversorgung der Muskulatur bei hoher Leistung.
A2 . Überfordern sich Läufer in der anaeroben Phase, wird sehr viel Milchsäure gebildet, die
das Blut stark ansäuert. Durch den Bohr-Effekt kommt es zu einer veränderten Bindefähigkeit des Sauerstoffs an das Hämoglobin (s. Seite 93). Erklären Sie anhand der Bindungskurven, zu welchen Veränderungen es kommt und wie sich diese auf den Läufer auswirken
können.
– Aus der Sauerstoffbindungskurve des Hämoglobins in Abbildung 3 wird deutlich, dass mit
zunehmendem CO2-Gehalt des Blutes und der damit verbundenen leichten Ansäuerung die
Bindefähigkeit sinkt und dadurch die Sauerstoffabgabe im Gewebe beschleunigt wird. Dies
bedeutet, dass bei hoher Leistung der Muskeln mehr Sauerstoff im gleichen Zeitraum bereit‑
gestellt werden kann. Die Ansäuerung durch die Milchsäure unterstützt diesen Effekt. Die Sportler kommen dadurch nicht so schnell in den Bereich des Sauerstoffdefizits.
Training ja — Doping nein (Seite 116)
A1 0 Fassen Sie Gründe für ein sinnvolles Training zusammen und erörtern Sie, wie es dabei
zum Doping kommen kann.
– Training kann vereinfacht in Krafttraining und Ausdauertrainig aufgeteilt werden. Krafttraining
führt zu einer Vergrößerung des Muskelquerschnitts. Ausdauertraining verbessert die aerobe
Phase der Energieumwandlung durch eine verbesserte Durchblutung und Kapillarisierung der
Muskulatur sowie die Verbesserung des Herzschlagvolumens. Doping kommt durch ein übertriebenes Verständnis von Leistung ins Spiel. Ausschlaggebend kann aber auch die Optimierung
eines gewünschten schönen Körpers sein.
Material: Training verfändet den Körper (Seite 117)
A1 $ Beschreiben Sie die Daten zur roten und weißen Muskulatur in Abb. 2. Erklären Sie anhand der Abbildung und des Textes den Zusammenhang mit der jeweiligen Sportart.
– Die roten Muskelfasern sind gut durchblutet und überwiegend aerob. Sie sind wichtig für das
Ausdauervermögen und ermüden nicht schnell. Die weißen Muskelfasern sind mäßig durchblutet und überwiegend anaerob. Sie leisten schnelle Arbeit, sind aber schnell ermüdet. In Abb. 2
sind die Fasern unterschiedlichen Sportarten zugeordnet. Marathonläufer haben einen relativ
hohen Anteil an roter Muskulatur. Hierdurch haben sie den Vorteil einer lang anhaltenden
Ausdauer und einer geringen Muskelermüdung. Sprinter und Kugelstoßer haben einen relativ
hohen Anteil an weißer Muskulatur. Hierdurch haben sie den Vorteil einer sehr hohen und
schnellen Muskelarbeit. Ausdauer ist hierbei nicht erforderlich.
A2 . Filmanalysen von Fußballspielen zeigten, dass Fußballspieler während eines Spiels ca 1,2 km auf dem Spielfeld zurücklegen, ca. 24 % im Bereich der maximalen Geschwindigkeit.
Der Glykogenspeicher verändert sich in dieser Zeit von 15 g/ kg Muskulatur auf 2 g / kg. Erläutern Sie diesen Zusammenhang anhand des Textes.
– Die Fußballspieler brauchen eine lange Ausdauer. Bei einem Viertel der Spielzeit wurde die maximale Geschwindigkeit erreicht. Der Glykogenspeicher in der Muskulatur ist die energetische Grundlage während des Spiels. Die weiße Ausdauermuskulatur hat einen hohen Glucosebedarf, da sie zu einem großen Anteil anaerob arbeitet und die ATP-Ausbeute dadurch geringer
ist.
38 Energiestoffwechsel
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A3 $ Beschreiben und erläutern Sie Abb. 4. Die rote Kurve bezieht sich auf einen Versuchsansatz, bei dem während einer intensiven Trainingsphase 70 % der Nahrung aus Kohlenhydraten bestand, bei der blauen Kurve waren es 40 % Kohlenhydrate.
– In Abb. 4 ist der Glykogengehalt im Muskel dargestellt. Auf der x-Achse ist die Zeit in Stunden
aufgetragen. Hierbei handelt es sich um Trainingsphasen und Ruhephasen. Auf der y-Achse
ist Muskelglykogenkonzentration in mmol pro Kilogramm Muskelgewicht aufgetragen. Die
Ergebnisse in der roten Kurve wurden gemessen an Sportlern die 70 % der Ernährung durch
Kohlenhydrate abdeckten, die Ergebnisse in der blauen Kurve von den Sportlern mit einem
Kohlenhydratanteil von 40 %. Die Glykogenwerte liegen bei beiden Untersuchungen vor der
ersten Trainingsphase gleich hoch und sanken nach der ersten Trainingsphase auf die halbe
Konzentration. In der folgenden Ruhephase geht der Glykogenwert in der roten Kurve deutlich
hoch, der Wert in der blauen Kurve wird deutlich geringer. Mit jeder Trainingsphase werden die
Glykogenwerte wieder kleiner, die Werte der roten Kurve erreichen jedoch in der Ruhephase
immer wieder den Ausgangswert. Die Werte in der blauen Kurve werden kontinuierlich geringer.
Aus diesen Messungen kann man ableiten, dass ein Ausgleich der Glykogenkonzentration im
Muskel nur bei einem Kohlenhydratanteil von 70 % in der Nahrung ausgeglichen werden kann
und 40 % nicht ausreichen. Die Ernährung bei sportlich aktiven Phasen muss daher sehr kohlenhydrathaltig sein.
A4 $ Beschreiben Sie die Abb. 5 bis 7 und erklären Sie die Daten in den jeweiligen Abbil-
dungen.
– In Abb. 5 ist das Mitochondrienvolumen in % des Muskelfaservolumens angegeben. Bei untrainierten Personen liegt der Wert unterhalb von 4 %, bei sportlichen Personen etwas über 4 % und
bei Leistungssportlern bei ca. 8 %. Das Ausdauertraining fördert demnach das Mitochondrienvolumen in den Muskelfasern und führt zu einer höheren aereoben Energieumsetzung. In Abb. 6
ist die Cytochrom C-Aktivität über einen Zeitraum von 12 Wochen Schwimmtraining gemessen
worden. Die Werte steigen kontinuierlich über die Trainingsphase an. Cytochrom C ist in den
Mitochondrien ein Teil der Elektronentransportkette und zeigt daher ergänzend zu Abb. 5 die
Steigerung der Mitochondrienaktivität durch das Training. In Abb. 7 ist der Gesamtproteingehalt und der Mitochondrienproteigehalt in % gegen die Zeit von 16 Wochen Schwimmtraining
aufgetragen. Der Gesamtproteingehalt steigt von 100 % auf ca. 110 %, der Mitochondrienproteingehalt von 100 % auf über 160 %. Auch diese Messwerte zeigen die starke Zunahme der
Mitochondrienaktivität durch das Ausdauertrainig.
A5 $ Erläutern Sie, welche Bedeutung die Veränderungen in der Muskulatur durch das Ausdauertraining für den Energiehaushalt des Körpers haben.
– Die Zunahme der Anzahl und der Aktivität von Mitochondrien in der Muskulatur durch ein Ausdauertraining zeigt deutlich die Förderung der aeroben Stoffwechselvorgänge. Diese Aussage
wird unterstützt durch die Werte in Abb. 3, bei der die Kapillaren pro Muskelfasern bei unterschiedlich trainierten Personen gemessen wurde. Bei untrainierten Personen liegt die Zahl bei 3 bis 4, bei untrainierten sportlichen Personen bei 4 und bei sportlich trainierten Personen bei 5.
Diese Messungen ergänzen die Messungen zu den Mitochondrien, da hierdurch eine bessere
Sauerstoffzufuhr für die gesteigerten aeroben Vorgänge ermöglicht wird.
Übungen: Stoffwechsel (Seite 118/119)
A1 0 Beschreiben Sie Aufbau und Durchführung des Versuchs.
– In künstliche kleine Biomembrankugeln wurden isolierte Ionenpumpen eingebaut. Dann wurde
die ATP-Produktion gemessen und ebenso die Protonenkonzentration (also der pH-Wert) im
Innenraum der Kugeln und im Außenmedium. Im zweiten Schritt wurde in diese Kugeln das
Enzym ATP-Synthase eingebaut und die pH-Werte wurden wiederum gemessen.
A2 $ Erläutern Sie das Ergebnis unter dem Aspekt des Protonengradienten.
– Der Protonengradient zwischen Kugelinnenraum und Umgebung führt allein nicht zu einer ATPProduktion. Erst der Protonengradient und das Enzym ATP-Synthase zusammen führen dazu,
dass ATP aus ADP und Phosphat gebildet wird. Mit diesem Experiment konnte die Bedeutung
der ATP-Synthase verdeutlicht werden.
A3 0 Beschreiben Sie die beiden Diagramme in Abb. 3.
– Im linken Diagramm ist die CO2-Abgabe in Gramm pro Stunde gegen die Tageszeit aufgetragen.
Gegen 8:00 Uhr liegt die Abgabe bei ca. 0,1 g/h. Die CO2-Abgabe steigt steil an und erreicht
gegen 16:00 Uhr ihr Maximum bei ca. 1,0 g /h. Danach fällt die CO2-Abgabe bis 20:00 Uhr auf
den Ausgangswert von ca. 0,1 g/h zurück. Im rechten Diagramm ist die Kolbentemperatur und
Lufttemperatur in ° C gegen die Tageszeit aufgetragen. Die Kolbentemperatur liegt um 8:00 Uhr
bei ca. 25 °C, die Temperatur der Luft ebenfalls. Die Kolbentemperatur steigt bis 16:00 Uhr steil
auf ca. 34 °C an, die Lufttemperatur hingegen nur auf 26 °C. Nach 16:00 Uhr sinkt die Kolbentemperatur rapide bis 20:00 Uhr auf ca. 25 °C, die Lufttemperatur ebenfalls.
39 Energiestoffwechsel
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A4 $ Erklären Sie in Zusammenhang mit dem Text die Ergebnisse aus den Diagrammen und
erörtern Sie die biologische Bedeutung der Vorgänge für den Aronstab.
– Der Aronstab wächst im schattigen Wald und hat daher andere Bestäuber als Pflanzen in sonnigen Biotopen. Durch das Verströmen von kotartigem Geruch werden Käfer und Fliegen angelockt. Die Erhöhung der Kolbentemperatur im Tagesverlauf erhöht die Verbreitung des Geruchs
und daher die Anlockungserfolge. Die Temperaturerhöhung geht parallel mit der Stoffwechselrate im Kolben. Die CO2-Abgabe verläuft parallel zur Temperatur im Kolben. Die Aktivität in den
Mitochondrien und die Möglichkeit anstelle der ATP-Produktion die Temperatur zu erhöhen,
machen diesen Vorgang möglich. Einen Einfluss der Lufttemperatur auf die Kolbentemperatur
kann man ausschließen, da die Lufttemperatur wesentlich niedriger bleibt.
A5 $ Beschreiben Sie die Grafik in Abb. 4 und erläutern Sie den Zusammenhang mit dem im
Text genannten Phänomen.
– In der Grafik ist die Körpertemperatur in °C von Insekten im Brustbereich und im Hinterleib
gegen die Umgebungstemperatur in °C aufgetragen. Die Temperatur im Brustbereich liegt bei
einer Außentemperatur von 10 °C bei ca. 35 °C und steigt bis auf ca. 45 °C bei einer Außentemperatur von 45 °C. Die Temperatur im Hinterleib liegt bei einer Außentemperatur von 10 °C bei ca.
12 °C und steigt mit zunehmender Außentemperatur kontinuierlich bis 45 °C bei 40 °C Außentemperatur an. Insekten haben im Brustbereich durch die vielen Muskeln eine hohe Stoffwechselrate, die zu einer Erhöhung der Körpertemperatur führt. Hierdurch können die Poikilothermen
die Temperatur auch bei niedrigen Außentemperaturen erhöhen. Im Bereich des Hinterleibs, in
dem wenig Muskeln und Organe mit Stoffwechselaktivitäten vorliegen, ist die Körpertemperatur an die Außentemperatur gebunden.
A6 $ Erklären Sie den Unterschied zwischen poikilothermen und homoiothermen Tieren an-
hand des genannten Phänomens auch unter dem Aspekt der Enzymatik.
– Das Phänomen zeigt, dass die Körpertemperatur an die Außentemperatur gekoppelt ist und
nur gezielte Muskelaktivitäten zu einer punktuellen Erhöhung der Körpertemperatur führen. Bei
Homoiothermen ist durch die gleichbleibend hohe Stoffwechselrate z. B. der Leber ein Einfluss
durch die Umgebungstemperatur auf die Körpertemperatur nicht vorhanden.
A7 $ Deuten Sie den Kurvenverlauf in Abb. 6 und erläutern Sie die biologische Bedeutung, dass
fetales Hämoglobin eine andere Struktur hat als das der Erwachsenen.
– Bei allen Partialdrücken ist das fetale Hämoglobin stärker mit Sauerstoff gesättigt als das
mütterliche. Es hat also eine höhere Affinität zu Sauerstoff und kann dem mütterlichen Blut
dadurch Sauerstoff entziehen. Dies ist gerade in der Phase von Wachstum und Entwicklung
überlebenswichtig.
A8 $ Beschreiben Sie Abb. 7 und deuten Sie sie.
– Sauerstoff oxidiert in der Endoxidation NADH + H+ zu NAD+. Dabei wird Energie freigesetzt.
Ohne Sauerstoff kann diese Reaktion allerdings nicht stattfinden. Daher steht dem Organismus zunehmend weniger NAD+ zur Verfügung (und NADH + H+ reichert sich an). NAD+ wird
aber in der Glykolyse zwingend zur Oxidation benötigt. Ohne NAD+ kann daher die Glykolyse
und damit der erste Teil der Glucose-Zerlegung nicht ablaufen. Die Versorgung des Körpers mit
energiereichen Stoffen wäre dann nicht mehr gewährleistet. Die Gärung ist eine Angepasstheit
daran, da durch Bildung von Ethanol oder Milchsäure NAD+ regeneriert wird. Dazu reagiert
Brenztraubensäure mit dem vorhandenen NADH + H+.
A9 $ Zeichnen Sie den im Text beschriebenen Versuchsaufbau, mit dem die Untersuchungen
durchgeführt wurden.
– indviduelle Lösung
A10$ Erklären Sie anhand der gemessenen Daten aus Abb. 8, welche Aussagen zur Wirkungsweise der Enzyme gemacht werden können.
– Die Blindprobe läuft genauso schnell durch das Versuchsgefäß wie die Probe mit Amylase; dies
bedeutet, dass Amylase das Hühnereiweiß nicht zersetzen kann.
Da das Eiweiß allerdings bei Zugabe von Pepsin schneller durch das Rohr läuft, hat dieses die
sperrigen Proteinketten in kleinere Einheiten zerlegt. Diese passen besser durch das Röhrchen,
was den schnelleren Durchstrom erklärt.
Dieser Zersetzungsvorgang verläuft in den ersten Sekunden recht schnell, verlangsamt sich
dann aber von Sekunde zu Sekunde. Dies bedeutet, dass das Pepsin nahezu alle Möglichkeiten
ausgeschöpft hat, die an Schnittstellen durch das Eiweiß angeboten werden. Eine weitere Zersetzung ist nun nicht mehr möglich.
Insgesamt belegt der Versuch das Schlüssel-Schloss-Prinzip, demgemäß ein Enzym nur ganz
bestimmte Substrate umsetzen kann: Pepsin kann Eiweiße zerlegen, Amylase aber nicht.
40 Energiestoffwechsel
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A11 $ Beschreiben Sie die Daten in Abb. 10 und erläutern Sie die Zusammenhänge zur Energieversorgung des Körpers bei langfristigen Belastungen.
– In der Abbildung ist der Anteil der verfügbaren Energie in % gegen den Zeitraum einer intensiven Arbeit in Stunden aufgetragen. Der Anteil des verfügbaren Muskelglykogens sinkt vom
Beginn der Arbeit über den Zeitraum von einer Stunde von 100 % auf 0 %. Nach ca. 10 Minuten
Arbeit steigt der Anteil des Leberglykogenabbaus von 0 % auf ca. 50 % und sinkt nach ca. 70 Minuten langsam auf einen Wert von ca. 10 %, der nach 150 Minuten erreicht ist. Nach
2 Stunden Arbeit wird Glucose neu gebildet und steigt von 0 % auf 20 %. Der Anteil der Fett‑
säuren steigt nach ca. 30 Minuten von 0 % kontinuierlich auf ca. 70 %. Die Energiereserve in den Muskeln in Form der tierischen Stärke Glykogen dient als erste Reserve bei langfristigen körperlichen Leistungen. Bei anhaltender Belastung wird das Glykogen
in der Leber mobilisiert. Fette stehen im Körper verteilt zur Verfügung und stellen energiereiche
Reserven dar. Der Glucoseanteil darf jedoch trotz der Belastung nicht unter eine bestimmte
Schwelle sinken, da hierdurch die Versorgung des Gehirns nicht gewährleistet ist. Sie muss
daher bei sinkender Kohlenhydratversorgung und stärkerer Fettnutzung intensiviert werden.
A12. Erklären Sie, welche Rolle der Citronensäurezyklus bei der Bereitstellung der jeweiligen
Energiequellen spielt.
– Der Citronensäurezyklus spielt bei diesen Vorgängen eine Rolle als Protonenlieferant für die
ATP-Synthese, aber auch für die Nutzung von Fetten und die Umwandlung von Fetten in Kohlenhydrate, die für das Gehirn genutzt werden.
41 Energiestoffwechsel
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Basiskonzepte
Basiskonzepte: System (Seite 121)
A1 Erläutern Sie, weshalb die Pinguine in Abb. 4 als System betrachtet werden können. Welche
Aspekte des Systemgedankens spielen hierbei eine Rolle?
– Biologische Systeme, hier die Pinguine, haben spezifische Eigenschaften: eine Stoffumwandlung und eine Energieumwandlung. Alle Systeme haben eine Umgebung, hier die Bedingungen
der Antarktis, mit denen sie im Kontakt stehen. Es erfolgt eine ständige Wärmeabgabe an die
Umgebung und eine ständige Energieaufnahme über die Nahrung.
A2 Beschreiben Sie die Regulation in dem System Organismus am Beispiel eines Sportlers bei
unterschiedlicher körperlicher Anstrengung.
– Der Sportler steht mit seiner Umgebung in ständigem Kontakt. Die Temperatur des Sportlers
erhöht sich im Laufe der sportlichen Betätigung.
Die Wärmeabgabe an die Umgebung nimmt daher zu. Die Körpertemperatur wird reguliert
durch die Kühlung über den Schweiß, der in der Umgebung verdunstet und dadurch den Köper
kühlt. Die Energieabgabe an die Umgebung wird ständig reguliert, um die Körpertemperatur zu
halten, jedoch auch um nicht unnötige Energie an die Umgebung abzugeben. Um die notwendige Energie aufzubringen ist eine Energieaufnahme in das „System Sportler“ notwendig.
A3 Erläutern Sie die gemeinsamen Aspekte für einen Sportler und einen Pinguin und erklären
Sie, welche Vorteile eine Vernetzung unter dem Aspekt des Systems bringt.
– An dem Beispiel des Sportlers und des Pinguins kann man erkennen, dass es sich in beiden
Fällen um das gleiche Konzept handelt. Energie wird an die Umgebung abgegeben. Eine zu
hohe Energieabgabe ist bei biologischen Systemen jedoch riskant, da diese Energie durch die
Nahrung wieder aufgenommen werden muss.
A4 Erläutern Sie, ob der Zellkern ebenfalls ein System darstellt (s. Seite 20).
– Biologische Systeme sind auch gekennzeichnet durch die Weitergabe und Ausprägung genetischer Information. Der Kern ist zwar ein Bestandteil der Zelle, man kann ihn aber auch als
System und die Zelle als Umgebung auffassen.
A5 Bakterien sind Prokaryoten. Beschreiben Sie die Unterschiede zwischen Pro- und Eukaryoten.
Erläutern Sie, ob Bakterien auch als ein System gesehen werden können, und begründen Sie
Ihre Entscheidung.
– Sie besitzen keine Organellen und keinen Zellkern. Die DNA liegt offen im Plasma in einem als
Kernäquivalent bezeichneten Bereich, hat jedoch keine Zellkernhülle. Zusätzlich liegen kleine
ringförmige DNA-Stränge vor, die Plasmide. Diese können sehr verschieden sein und Gene für
außergewöhnliche Stoffwechselwege tragen. Die Zellmembran der Bakterien hat nach innen
gerichtete Einstülpungen. An diesen können Energie umwandelnde Reaktionen ablaufen, die
den Vorgängen in den Mitochondrien ähnlich sind. Die meisten Bakterien besitzen auf der
Zellmembran eine Zellwand, die als Stützskelett dient. Bakterien kann man auch als System auffassen, da sie eine Umgebung haben, mit der sie
in Verbindung stehen, um energiereiche Substanzen aus der Umgebung aufzunehmen. Über
genetische schnelle Veränderungen regulieren sie ihre Zellaktivitäten. Regulation ist auch eine
Eigenschaft von Systemen.
A6 Betrachten Sie das Darmsystem unter dem Aspekt der Umgebung eines Systems und stellen
Sie dar, welche spezifischen Eigenschaften hier im Vordergrund stehen (s. Seite 62).
– Das Darmsystem liegt innerhalb des menschlichen Körpers, ist jedoch gleichzeitig die Umgebung, da es den Kontakt zur Außenwelt herstellt. Die Haut ist eine außenliegende Fläche mit
einem Austausch zur Umgebung, der Darm eine innenliegende Fläche mit einem Austausch zur
Umgebung. Man kann daher eigentlich nicht von einem System sprechen.
Basiskonzepte: Struktur und Funktion (Seite 123)
A1 Betrachten Sie die Struktur des Golgi-Apparates (s. Seite 66) unter dem Prinzip der Oberflächenvergrößerung und stellen Sie die Ergebnisse strukturiert zusammen.
– Durch die Oberflächenvergrößerung ist ein hoher Umsatz und Austausch mit der Umgebung in
der Zelle möglich. Gleichzeitig sind die Funktionen (Teilvorgänge) in den einzelnen Teilkompartimenten differenziert, je nachdem ob sie auf der dem Nucleus zugewandten oder abgewandten
Seite liegen. Hierdurch können Exocytose- und Endocytosevorgänge parallel ablaufen.
A2 Fluoreszenzfarbstoffe werden mit Antikörpern verbunden und ermöglichen den mikroskopischen Nachweis verschiedener Substanzen. Beschreiben und erklären Sie diese Untersuchungsmethode unter dem Aspekt des Schlüssel-Schloss-Prinzips (s. Seite 37).
– Das Schlüssel-Schloss-Prinzip spielt hier die entscheidende Rolle, da selektiv nach konkreten
Strukturen gesucht wird. Die molekularen Sonden können nur unter diesen Bedingungen eindeutige Ergebnisse beim Nachweis gesuchter Strukturen liefern.
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A3 Erläutern Sie die Bedeutung der Oberfläche in Bezug auf das Körpervolumen bei Organismen in kalten und warmen Lebensräumen (s. Seite 86).
– Die Körperoberfläche hat in Bezug auf die umgebende Temperatur eine hohe Bedeutung. Die
Oberfläche muss im Verhältnis zum Körpervolumen möglichst klein sein, um in kalten Regionen
nicht so viel Energie in Form von Wärme abzugeben. In warmen Regionen ist eine Abgabe von
Wärmeenergie jedoch aufwändiger. Hier ist eine große Oberfläche und die Möglichkeit der
Bewegung sinnvoll.
A4 Der Protonengradient ermöglicht erst die ATP-Synthese. Erstellen Sie eine Zeichnung, mit
deren Hilfe Sie das Konzept von Struktur und Funktion verdeutlichen.
siehe Abbildung
hohe
Protonenkonzentration
+
H+ H H+
H+
H+ H+
H+
H+
innere
Mitochondrienmembran
niedrige
Protonenkonzentration
ADP + P1
H+
ATP
Basiskonzepte: Entwicklung (Seite 125)
A1 Stellen Sie tabellarisch Entwicklungsvorgänge auf verschiedenen Systemebenen zusammen.
Erläutern Sie, weshalb nur die Betrachtung auf den verschiedenen Systemebenen sinnvoll
ist.
– Die Mechanismen der Entwicklung in den einzelnen Systemebenen sind jedoch sehr unterschiedlich und haben keine Gemeinsamkeit.
Systemebene
Entwicklungsvorgang
Zelle
Zelldifferenzierung mit Zelltod oder erneuter Zellteilung
Organismus
Embryonalentwicklung und Alterung
Biosphäre
evolutionäre Veränderungen
A2 Vergleichen Sie die Vorgänge bei der individuellen und der evolutionären Entwicklung.
– Die beiden Vorgänge haben von der biologischen Bedeutung her nichts gemeinsam. Sie stellen
nur eine zeitliche Veränderung in verschiedenen Dimensionen dar. Die individuelle Entwicklung
führt zu einem neuen Organismus, die evolutionäre zu verschiedenen Organismen.
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