NATURA - Klett · 2017-08-04 · Beim Lichtmikroskop wird das mikroskopische Präparat von unten...

NATURA BiologiefürGymnasien

bearbeitet von

Horst Bickel

Lösungen

Ernst Klett Verlag Stuttgart · Leipzig

EinführungsphaseArbeitsbuch eBook

1. Auflage 1 5 4 3 2 1

| 21 20 19 18 17

Alle Drucke dieser Auflage sind unverändert und können im Unterricht nebeneinander verwendet werden. Die letzte Zahl bezeichnet das Jahr des Druckes.Das Werk und seine Teile sind urheberrechtlich geschützt. Jede Nutzung in anderen als den gesetzlich zugelassenen Fällen bedarf der vorherigen schriftlichen Einwilligung des Verlages. Hinweis § 52 a UrhG: Weder das Werk noch seine Teile dürfen ohne eine solche Einwilligung eingescannt und in ein Netzwerk eingestellt werden. Dies gilt auch für Intranets von Schulen und sonstigen Bildungseinrichtungen. Fotomechanische oder andere Wiedergabeverfahren nur mit Genehmigung des Verlages.

© Ernst Klett Verlag GmbH, Stuttgart 2017. Alle Rechte vorbehalten. www.klett.de

Autor: Horst Bickel, Düsseldorf

Redaktion: Rolf StreckerMediengestaltung: Ingrid Walter

Illustrationen: Wolfgang Herzig, Essen

A15150-04545301

©ErnstKlettVerlagGmbH,Stuttgart2017|www.klett.de|AlleRechtevorbehalten Natura Arbeitsbuch LösungenEinführungsphase NRW

1 Zellforschung

Lebewesen bestehen und entstehen aus Zellen (Seite 5)

1 LesenSiedenText eBook S. 12/13 „Lebewesen bestehen und entstehen aus Zellen”undmachenSiesichNotizenzudenAspektenUrzeugungundZelltheorie.Urzeugung: Leben entsteht spontan aus unbelebter Materie; Lebewesen entstehen spontan; widerlegt durch Experimente von Redi (Fliegenlarven) und Pasteur (Kleinlebewesen aus der Luft); Zelltheorie: Alle Lebewesen bestehen aus Zellen und Pflanzen — Schleiden; Tiere — Schwann, auch die Menschen, ein Ei ist auch eine Zelle; — Virchow, Zellen können nur aus Zellen entstehen. Die Zelltheorie wurde von M. Schleiden für Pflanzen und im selben Jahr von Th. Schwann für Tiere formuliert.

2 StellenSiedieverschiedenenVorstellungeneinandergegenüberunderläuternSie,welcheRolledieExperimentevonRediaufdiebeidenVorstellungenhatte.Die Urzeugung ging von nicht naturwissenschaftlichen Beobachtungen aus. Zufällige Beobachtungen wurden verallgemeinert. Die Zelltheorie kam durch viele mikroskopische Untersuchungen zustande. Redis Experimente waren der erste Nachweis zu der Frage-stellung, ob Leben spontan entsteht. Er konnte nachweisen, dass diese ungenauen Beobachtungen nicht richtig sind. Es mussten andere Strukturen vorhanden sein, die aber ohne die Hilfe des Mikroskops nicht entdeckt werden konnten.

3 EntwickelnSieanhanddesZielsvonLouis PasteuRsExperimenteneinenaturwissenschaftlicheFragestellungunderläuternSie,oberdiesemitdengefundenenErgebnissenlösenkonnte.Die Experimente von Pasteur (Abb. 1) gingen davon aus, dass in Nährlösungen Bakterien gefunden wurden, obwohl diese durch Abkochen getötet worden waren. Fragestellung: Können einzelne kleine Zellen durch Urzeugung entstehen? Hierzu wurden Nährlösungen mit und ohne Verbindung zur umgebenden Luft untersucht. Die Fragestellung nach dem spontanen Entstehen der Zellen konnte dadurch geklärt werden.

4 VergleichenSiedieExperimentevonRediundPasteuRunterdemAspektderUrzeugung.WelcheZielehattendieseExperimente?StellenSieGemeinsamkeitenundUnterschiedeinderZielsetzungheraus.Die Versuche von Redi und Pasteur sind in der Fragestellung vergleichbar. Bei beiden ging es um die Frage, ob Leben spontan aus unbelebter Materie entstehen kann. Der Unterschied liegt darin, dass Redi vielzellige, mit dem Auge sichtbare Organismen untersuchte (Fliegen) und Pasteur einzellige, nur unter dem Mikroskop sichtbare Organismen.

Licht- und Fluoreszenzmikroskopie (Seite 7)

1 BeschreibenSiemithilfederAbb.1und eBook S. 14/15 „Licht- und Fluoreszenzmikroskopie”dieFunktiondesSTED-Mik-roskopsundvergleichenSiediesemitdemregulärenLichtmikroskop.ErstellenSiehierzueinenText,mitdemSieLaiendieMethodeunddieUnterschiedeverdeutlichen.Beim Lichtmikroskop wird das mikroskopische Präparat von unten durchleuchtet. Die Vergrößerung erfolgt über zwei Linsensys-teme, das Objektiv und das Okular. Das Objektiv erzeugt ein virtuelles Zwischenbild, das größer als die Vorlage ist. Dieses wird im Okular noch einmal zusätzlich vergrößert. Die einzelnen Punkte des Präparats sind jedoch nicht scharf, sondern haben einen unscharfen Rand. Dicht beieinander liegende Bildpunkte der mikroskopischen Vorlage verschmelzen daher zu einem Bildpunkt. Hierdurch sind der Auflösung und damit der Schärfe des Bildes Grenzen gesetzt. Bei der STED-Mikroskopie wird das mikroskopische Präparat von oben abgetastet indem ein Laserstrahl in sehr kleinen Schritten über das Präparat bewegt wird. Die Präparate wurden vorher mit fluoreszierenden Farbstoffen behandelt. Diese leuchten an den Stellen auf, an denen sie vom Laserstrahl getroffen werden. Auch hier bilden sich Unschärfen durch einen unscharfen Rand. Diese werden jedoch durch einen zweiten Laserstrahl, der wie ein Ring um den ersten liegt, „gelöscht“. Hierdurch bleibt nur der eigentli-che kleine Lichtpunkt erhalten.

2 VergleichenSieAbb.2undAbb.3unterdemAspektdesAuflösungsvermögensvonAuge,LichtmikroskopsowieSTED-Mikros-kopundbeschreibenSiekurzdieVorteilederFluoreszenzmikroskopieimVergleichzurherkömmlichenLichtmikroskopie.Die beiden Abbildungen unterscheiden sich durch ihre Auflösung. Das Bild des Lichtmikroskops zeigt zwar die Strukturen, diese sind jedoch unscharf. Das STED-Bild zeigt die gleichen Strukturen, jedoch sehr viel schärfer. Hierdurch können genauere Aussagen zum Feinbau der Zelle gemacht werden. Dies ist z. B. wichtig, um Strukturveränderungen in der Zelle beobachten zu können.

Herstellung von mikroskopischen Präparaten (Seite 9)

1 BeschreibenSiemithilfederAbb.1und eBook S. 17 „Herstellung von mikroskopischen Präparaten”dieBedeutungeinerMessungdertatsächlichenGrößevonZellbestandteilen.Die Zellbestandteile innerhalb einer Zelle und auch verschiedene Zellen haben unterschiedliche Größen. Sie werden daher mit unterschiedlichen Vergrößerungen unter dem Mikroskop beobachtet. Um Vergleiche anstellen zu können, müssen daher die Ver-größerungsmaßstäbe bekannt sein.

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Natura Arbeitsbuch LösungenEinführungsphase NRW

2 ErläuternSieanhandvonAbb.2denZweckunddieBedeutungderEichfoliefüreinenvereinfachtenMessvorgang.In Abb. 2 sind ein Objekt und ein Ausschnitt der Eichfolie dargestellt. So könnten sie unter dem Mikroskop beobachtet werden. Da die Rasterung der Eichfolie bekannt ist, kann man anhand dieser die Größe des Objekts abschätzen. Wäre das Eichpapier auf Millimeter geeicht, wäre das Objekt in diesem Beispiel 3 x 3 mm groß.

3 MikroskopischeMessungenergabenfürdasmenschlicheHaareinenDurchmesservonca.0,1mm,fürRoteBlutzellenvon8μm.BerechnenSie,wievieleRoteBlutzellennebeneinandergereihtdenDurchmessereinesHaaresergeben.Der Durchmesser eines Haares beträgt 0,1 mm = 100 µm. Der Durchmesser einer Roten Blutzelle (Erythrocyt) beträgt 8 µm. Es sind 12,5 Rote Blutzellen, die für den Durchmesser eines Haares benötigt werden. Hier sieht man, wie wichtig für einen Vergleich die Größenmessungen sind.

Elektronenmikroskopie (Seite 11)

1 VergleichenSieanhandderInhalteaus eBook S. 18/19 „Elektronenmikroskopie”dieBedeutungderbeidenelektronenmi-kroskopischenUntersuchungenTEMundREMfürdiebiologischeErkenntnisgewinnung.VerdeutlichenSiediesmithilfederAbb.2undAbb.3.Bei beiden Methoden der Elektronenmikroskopie sieht man ein durch einen Elektronenstrahl erzeugtes Bild auf einem Bildschirm. Bei der TEM wird eine hauchdünne Schnittfläche mit Schwermetalleinlagerungen durchstrahlt. Bei der REM werden mithilfe der Reflexion einer mit Schwermetallen bedampften Oberfläche die reflektierten Elektronen gemessen und zu einem Bild am Bild-schirm berechnet. Die Bedeutung der TEM liegt darin, dass sie zu einer ca. 300 000-fachen Vergrößerung und daher zur Aufklärung eines detaillier-ten Feinbaus führt. Dies ist in Abb. 2 erkennbar. Hunderte der hauchdünnen Schnitte müssen miteinander verglichen werden, um daraus den räumlichen Aufbau darzustellen. Die REM kommt nur bis zu einer von 20 000-fachen Vergrößerung, jedoch sind räumliche Strukturen erkennbar. Im Vergleich zu Abb. 2 ist in Abb. 3 das Mitochondrium kleiner dargestellt, jedoch räumlicher und in der Zellstruktur eingebunden.

2 ErklärenSieanhandderTexte eBook S. 18/19 „Elektronenmikroskopie”sowie eBook S. 14/15 „Licht- und Fluoreszenz-mikroskopie” dieBedeutungderverschiedenenUntersuchungsmethoden.GehenSiehierbeiaufdiewissenschaftlichenFragestellungennachStrukturundAufbausowienachderFunktionvonZellenein.NehmenSiehierzuauchdieAbb.4zuhilfe.Bei der STED-Mikroskopie und Fluoreszenzmikroskopie lassen sich lebende Zellen beobachten. Mithilfe der STED-Mikroskopie erfolgt dies bei einer sehr hohen Auflösung, die Strukturen und Organellen der Zellen darstellt. Hierdurch können dynamische Vorgänge wie die Zellteilung (Abb. 4) oder der Transport am Cytoskelett sehr detailliert beobachtet werden. Die Vorteile der TEM liegen bei der Erforschung im Feinbau der Zellbestandteile. Hierdurch können Membrananordnungen wie in Abb. 2 dargestellt werden. Bei Fragestellungen nach der räumlichen Anordnung von Strukturen der Organellen oder der Zellen ist die REM vorteil-haft.

3 InAbb.1sinddieverschiedenenMethodenderMikroskopiedargestellt.BegründenSie,weshalbtrotzderÜberlappungendieverschiedenenMethodennotwendigsind.In Abb. 1 sind verschiedenen Methoden der Mikroskopie und der optischen Auflösung dargestellt. Die Überlappung der verschie-denen Methoden ist sinnvoll, weil hierdurch verschiedene Fragestellungen zum Aufbau und der Funktion der Zelle untersucht werden können. Ebenso sind dadurch trotz der verschiedenen Techniken Vergleiche bei ähnlichen Vergrößerungen möglich.

Der Bau tierischer und pflanzlicher Zellen (Seite 13)

1 BeschreibenSiedasOrganisationsschemaeinerZelle(Abb.1)undgehenSieanhandderTexte eBook S. 20/21 „Der Bau tierischer und pflanzlicher Zellen”aufdieBedeutungderjeweiligenZellbestandteileein.In dem Organisationsschema einer Zelle wird als äußere Begrenzung der Zelle gegenüber der umgebenden extrazellulären Flüs-sigkeit die Biomembran dargestellt. Innerhalb der Zelle ist die Grundsubstanz das Cytoplasma mit einer zähflüssigen Konsistenz. Dieses wird unterteilt in die intrazelluläre Flüssigkeit und die Organellen. Die Organellen haben spezifische Strukturen und Funkti-onen. Man unterteilt die Organellen mit einer geschlossenen Membran und Organellen ohne geschlossene Membran. Organellen ohne Membran: – Das Cytoskelett, dessen Aufgabe der Transport größerer Bestandteile der Zelle ist. – Die Centriolen sind Proteinstrukturen, die bei der Bewegung beteiligt sind. – Die Ribosomen, die der Ort der Eiweißsynthese sind. Organellen mit Membran: – Die Mitochondrien, welche die Energiewandler in der Zelle sind und die notwendige Energie für die Lebensprozesse zur Verfü- gung stellen. – Der Zellkern, der die Vorgänge in der Zelle steuert und kontrolliert (DNA). – Das Endoplasmatische Reticulum (ER) ist ein Kanalsystem, in dem Stoffe transportiert werden. – Der Golgi-Apparat (Dictyosomen) speichert und verpackt Eiweiße zum Transport. – Die Lysosomen beinhalten Verdauungsenzyme, die überflüssige Zellmaterialien abbauen.

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Natura Arbeitsbuch LösungenEinführungsphase NRW Illustrator: WolfgangHerzig,Essen

2 BegründenSie,obessichimOrganisationsschemaumeinepflanzlicheodertierischeZellehandelt.Bei dem Organisationsschema handelt es sich um eine tierische Zelle, da keine Zellwand und keine Chloroplasten vorhanden sind. Eine Vakuole ist ebenfalls nicht vorhanden.

3 BeschreibenSieanhandderTexte eBook S. 20/21 „Der Bau tierischer und pflanzlicher Zellen”dieZelleinAbb.2undord-nenSiedenZifferndiejeweiligenBegriffezu.ErstellenSiefürdieinAbb.2dargestellteZelleeinOrganisationsschemanachderVorlageinAbb.1.Bei der Zelle in Abb. 2 handelt es sich um eine Pflanzenzelle. Diese wird von einer festen wasserdurchlässigen Zellwand umgeben. Auffällig ist die Vakuole, die von einer Biomembran umgeben wird, dem Tonoplasten. Die Vakuole wird auch als Organell einge-stuft. Charakteristisch für Pflanzenzellen sind auch die Chloroplasten. Abb. 1: (1) Vakuole (Zellsaftvakuole); (2) Chloroplast, (3) Grana; (4) Stroma; (5) Biomembran; (6) Zellwand; (7) Golgi-Apparat; (8) ; (9) Zellkern (Nucleus).

4 BegründenSie,obessichbeidemModelleinerZelleinAbb.2umeinejungeoderältereZellehandelt.Bei der pflanzlichen Zelle in Abb. 2 handelt es sich um eine ältere Zelle, da die Vakuole nicht aus kleinen Bläschen besteht, son-dern eine größere zusammenhängende Vakuole vorliegt.

Zellbestandteile werden isoliert (Seite 15)

1 BeschreibenSieinAbb.1anhandderTexte eBook S. 22/23 „Zellbestandteile werden isoliert”dieTrennungderZellbestand-teile.BegründenSiekurz,umwelchesVerfahrenessichhierbeihandeltundwelcheOrganellenuntersuchtwerdenkönnten.Bei der in Abb. 1 dargestellten Zentrifugation handelt es sich um die Differentialzentrifugation. Die Trennung erfolgt in mehre-ren Schritten. Die 1. Zentrifugation beginnt mit geringerer Drehzahl des Rotors. Hierbei werden die Zellbestandteile mit höherer Dichte zum Boden des Zentrifugenglases bewegt und finden sich im Sediment vor. Nach der Abtrennung des Sediments wird die Drehzahl des Rotors erhöht. Diese Schritte werden je nach Bestandteilen häufiger wiederholt. Getrennt werden mit der Differentialzentrifugation Zellbestandteile auch mit kleinen Organellen, wie Ribosomen.

2 VergleichenSiediebeidenZentrifugationsverfahrenineinemkurzenText.Die beiden häufig verwendeten Zentrifugierverfahren zur Trennung von Zellbestandteilen sind die Differentialzentrifugation und die Dichtegradientenzentrifugation. Bei der Differentialzentrifugation werden nacheinander in mehreren wiederholten Zentrifu-gationsschritten die Bestandteile mit unterschiedlicher Dichte voneinander getrennt. Hierzu ist es notwendig, die Rotorgeschwin-digkeit zu erhöhen. Bei der Dichtegradientenzentrifugation werden Zonen mit unterschiedlicher Dichte übereinander geschichtet. Die Zellbestandteile mit unterschiedlicher Dichte werden in einem Zentrifugationsgang getrennt und befinden sich in den Zonen die ihrer Dichte entsprechen. Zur exakten Auftrennung ist bei der Differentialzentrifugation die Anzahl der Zentrifugationsgänge mit kleinen gestuften Geschwindigkeitsschritten entscheidend. Bei der Dichtegradientenzentrifugation ist die Stufung der Zonen mit verschiedenen Dichten entscheidend.

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Zelle

extrazelluläreFlüssigkeit

Biomembran trenntdas Zellinnere von der

extrazellulären Flüssigkeit

Cytosol, die intrazelluläre Flüssigkeit

Organellen ohnevollständige Membran:

CytoskelettCentriol (nicht bei allen

Pflanzenzellen)Ribosomen

Organellen mit Membran:Mitochondrien

Endoplasmatisches ReticulumGolgi-Apparat

LysosomenChloroplasten

Vakuole

Zellwand dientder Stabilität

Organellen mitintraspezifischen Strukturen und spezifischen Funktionen

Cytoplasma, Grundbausteinder Zelle, gelatineartig,

proteinhaltig, liegt zwischen äußerer Biomembran,Zellkern und Vakuole

1 Organisationsschema einer Zelle



3 IndemModellversuch(Abb.2)werdendreiTischtennisbällemithilfeeinerInjektionsnadelmitdreiverschiedenkonzentrier-tenKochsalzlösungengefüllt.DiedreiTischtennisbällewerdenzuerstineinGlasgefäßmitLeitungswassergegeben,danachlöstmanZuckerindemGlasgefäß.ErklärenSiedieinAbb.2dargestelltenErgebnissediesesModellexperimentsunterdemAspektderDichtegradientenzentrifugation.Die Ergebnisse des Modellexperiments in Abb. 2 sind ein Beispiel dafür, dass sich Bestandteile (Tischtennisbälle) je nach ihrer Dichte (Salzkonzentration) in der jeweiligen Dichtezone (Zuckerkonzentration) anordnen. Dies erklärt die Anordnung bei der Dichtegradientenzentrifugation.

Das Cytoskelett (Seite 17)

1 BeschreibenSieinAbb.1anhandderTexte eBook S. 24/25 „Das Cytoskelett”dieVorgängeinnerhalbeinerNervenzelle.ErläuternSiedieBedeutungdesCytoskelettsfürdieNervenzelle.Die Nervenzelle ist eine sehr große langgestreckte Zelle. Der eigentliche Zellkörper ist das Soma mit den Dendriten, das Axon dient der Weiterleitung des Nervenimpulses bis zu den Synapsen. Zur Versorgung einer so langgestreckten Zelle müssen Vesikel mit verschiedenen Baustoffen transportiert werden. Hierzu dienen die Mikrotubuli und Motorproteine. Mikrotubuli werden inner-halb von Sekunden auf der einen Seite aufgebaut und auf der anderen abgebaut. Hierdurch ist eine gezielte Bewegung möglich. Die Motorproteine sind Transportsysteme auf dem Cytoskelett. Sie transportieren große Moleküle und Vesikel mit bestimmten Substanzen durch die Zelle.

2 BeschreibenSiedenVorgangderBefruchtunginAbb.2undstellenSiedieZusammenhängeunterdemAspektderbeteilig-tenOrganellendar.ErläuternSiehierbeibesondersdieFunktiondesCytoskeletts.In Abb. 2 ist der Vorgang der Befruchtung dargestellt. Actin bildet die Brücke zwischen dem Spermiumkopf und der Eizelle. Ein Spermium dockt an die Gallertschicht der Eizelle an. Die Kopfkappe des Spermiums, das Akrosom, öffnet sich und gibt Lysoso-men in die Gallertschicht frei. Die Lysosomen beinhalten Verdauungsenzyme, welche die Gallertschicht abbauen. Die darunter liegenden Actinfilamente sind dünne Proteinfäden, die an der Zellmembran entstehen. Diese bewegen sich nach dem Andocken immer weiter in das Akrosom und stülpen es weiter aus, bis die Zellmembran der Eizelle erreicht hat. Nachdem die Zellmembran geöffnet ist, kann der Zellkern des Spermiums in die Eizelle eindringen.

Einzeller (Seite 19)

1 BenennenSiedieZellbestandteileinAbb.1anhandderTexte eBook S. 26 „Einzeller” undderTexte eBook S. 20/21 „Der Bau tierischer und pflanzlicher Zellen”.DiskutierenSie,obessichbeiEuglenaumeinePflanzen-oderTierzellehandelt.Abb. 1 stellt den Einzeller Euglena modellartig dar. (1) ist der Augenfleck, (2) der Fotorezeptor, (3) ein Chloroplast, (4) der Zellkern, (5) die Geißel, (6) die pulsierende Vakuole. Bei Euglena handelt es sich in der Abb. 1 um eine Pflanzenzelle, da sie Chloroplasten besitzt und sich autotroph ernähren kann. Ohne Licht kann sie jedoch auch heterotroph wie eine Tierzelle leben. Es ist je nach Lebensbedingung eine Pflanzen- oder Tierzelle. Die Chloroplasten bleiben aber immer erhalten.

2 StellenSiemithilfeeinerSkizzedenLichteinfallbeieinerrotierendenEuglenadarunderläuternSieandieserdieAusrichtungzumLicht.NehmenSiehierzudieEin-heit eBook S. 26 „Einzeller”zuhilfe.Euglena wird von der Bewegung der Geißel angetrieben und führt hierbei eine rotierende Bewegung um ihre Längsachse durch. Da Euglena durch die rotierende Bewegung die Position vom Fotorezeptor und Augenfleck ständig ändert, fällt einmal Licht auf den Fotorezeptor und einmal wird er beschattet. Durch die unterschiedliche Intensität der Geißelbewegung erfolgt dann die Ausrichtung zum Licht hin.

3 BeschreibenSieinAbb.2dieUntersuchungenbeiAmöbenwährendderBewegungunderklärenSiedieZusammenhängemithilfevonAbb.3.In Abb. 2 ist die Actinverteilung einer Amöbenzelle unter dem Fluoreszenzmikrokop dargestellt. Actin leuchtet unter dem Fluo-reszenzmikrokop blau. Es ist festzustellen, dass das Actin nicht gleichmäßig über die gesamte Zelle verteilt ist, sondern am Rand vorliegt. Bei der Abbildung erkennt man, dass sich die Actinmenge am Rand verändert. Dies lässt sich mithilfe der Abb. 3 und des Textes erklären. Das Cytoskelett ordnet sich alle 20 s neu an. Die kontraktilen Actinfilamente bauen sich besonders an der Seite der Zelle auf, an der sie Nahrungspartikel wahrnehmen. Hierdurch zieht sich die Zelle in diese Richtung. An der gegenüberliegen-den Zellseite zerfallen die Actinfilamente und werden ebenfalls zu der Seite mit den Nahrungspartikeln transportiert. Hierdurch bewegt sich die Zelle in die Richtung der Nahrung.

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rotierendeBewegung

rotierendeBewegung

EuglenaEuglena

Foto-rezeptor

Augen-fleck

Geißel

LichtLicht

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Zelldifferenzierung bei pflanzlichen und tierischen Zellen (Seite 21)

1 WertenSieinAbb.1dieKreisdiagrammeausundvergleichenSiediesemiteinanderunterdemAspektderDifferenzierungfürverschiedeneAufgaben.NehmenSiehierzudieTexte eBook S. 28/29 „Zelldifferenzierung bei pflanzlichen und tierischen Zellen”sowie eBook S. 20/21 „Der Bau tierischer und pflanzlicher Zellen”zuhilfe.Die Kreisdiagramme in Abb. 1 stellen die Volumenanteile von Zellkompartimenten in Leberzellen und in Erbsensprosszellen dar. Die Erbsenzellen haben Plastiden, die Leberzellen jedoch nicht, da tierische Zellen keine Chloroplasten oder deren Vorstufen besitzen. Eine Vakuole ist ebenfalls nur bei den Erbsenzellen zu finden. Sie macht ca. 20 % der Zelle aus. Es scheint sich um eine wachsende Zelle zu handeln, da ältere Zellen eine sehr große Vakuole besitzen. Lysosomen findet man in den Leberzellen, da die Enzyme in den Lysosomen verschiedene Substanzen abbauen und dadurch entgiften. Der prozentuale Anteil des Cytoplasmas ist in der Leberzelle höher. Dies liegt daran, dass die Vakuole einen großen Teil der Erb-sensprosszelle einnimmt. Der prozentuale Anteil des Zellkerns ist in der Leberzelle gering, da der Anteil vom Golgi-Apparat und glatten ER sowie besonders der Mitochondrien hoch ist. Der Stoffabbau bei den Entgiftungsprozessen benötigt viel Energie und Enzyme zum Abbau.

2 BeschreibenSiedasGewebeinAbb.2undordnenSiedenverschiedendifferenziertenZellendiespezifischeAufgabeimGewebezu.NehmenSiehierzuauchdieTexte eBook S. 28/29 „Zelldifferenzierung bei pflanzlichen und tierischen Zellen”zuhilfe.GehenSiehierbeiauchaufdieBegriffe„Totipotenz“und„Determination“ein.Das in Abb. 2 dargestellte Gewebe ist ein Gewebeausschnitt eines Süßwasserpolypen. Dieser besteht aus der außen liegenden Zellschicht, dem Ektoderm und der innen liegenden Zellschicht, dem Entoderm. Die beiden Zellschichten besitzen unterschiedlich differenzierte Zellen. Im Ektoderm findet man Nesselkapselbildungszellen und die daraus differenzierten Nesselkapselzellen. Diese haben an der Außenseite eine Bedeutung beim Fangen der Nahrungstiere. Sinneszellen sind ebenfalls spezifisch für die Au-ßenseite, da sie eine Bedeutung bei der Wahrnehmung von Nahrung sind. Ersatzzellen dienen der Regeneration bei Verletzungen. Im Entoderm findet man diese Zelltypen nicht, sondern Drüsenzellen, die Verdauungssekrete abgeben, und Fresszellen, welche die Nahrung aufnehmen. Diese Zellen sind determiniert, da sie nur noch die spezifischen Aufgaben haben. Aus ihnen können nicht mehr alle Zellen entstehen, sie sind nicht mehr totipotent. Die unspezifischen Zellen des Süßwasserpolypen sind jedoch in der Lage vollständige Tiere mit den verschiedenen Zelltypen zu regenerieren, sie sind noch totipotent.

Bakterien sind anders — Endosymbiose (Seite 23)

1 OrdnenSieanhandderTexte eBook S. 30 „Bakterien sind anders” denAbbildungen1und2dieverschiedenenFormenderBakterienzuundbegründenSiekurzIhreAussage.In Abb. 1 bei den Krankheitsüberträgern der Borreliose handelt es sich um spirillenförmige Bakterien, da diese spiralförmig aufge-baut sind. In Abb. 2 handelt es sich bei den Bakterien im Zahnbelag um Kokken, da diese kugelförmig aufgebaut sind.

2 ErmittelnSieanhandderTexte eBook S. 30 „Bakterien sind anders” dieUnterschiedezwischenZellenvonEukaryotenundProkaryoten.StellenSiedieseinFormeinerTabelledar.In der Tabelle sind wesentliche Unterschiede zwischen Pflanzenzellen, Tierzellen und Bakterienzellen dargestellt. Man kann diese noch erweitern.

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Zellbestandteile Prokaryoten Eukaryoten Tier Eukaryoten Pflanze

Schleimhülle + – –

Zellwand + – +

Zellmembran + + +

Vesikel + +(z.B.Lysosomen) +

Membraneinstülpungen + – –

Cytoplasma + + +

Plasmid + – –

Kernäquivalent + +(DNAimZellkern) +(DNAimZellkern)

Ribosom + + +

Geißel + +(z.B.Flagellaten) +(z.B.Euglena)

Mitochondrien – + +

Chloroplasten – – +

Golgi-Apparat,ER – + +

Vakuole – – +

1 Unterschiede zwischen Zellen von Eukaryoten und Prokaryoten



3 NehmenSieanhandderDaten eBook S. 31 „Endosymbiose”undAbb.3Stellung,obsichdieVorstellungenzurEndosym-biontentheoriebelegenlassen.In Abb. 3 sind mögliche Entstehungen von eukaryotischen Zellen dargestellt. Ausgangspunkt ist eine anaerobe Zelle, die ohne Sauerstoff in der Lage ist, Energie zu nutzen. Die Entstehung der Tierzelle wird durch die Einwanderung von aeroben Bakterien gezeigt. Hierdurch wurde eine effizientere Energienutzung ermöglicht. Die Entstehung der Pflanzenzellen ist auf die zusätzliche Einwanderung von fotoautotrophen Bakterien zurückzuführen. Hierdurch wurde eine autotrophe Lebensweise möglich. Eine Variante der Tierzelle mit Geißel wäre durch die Spirochaeten (spirillenförmige Bakterien) entstanden. In Abb. 30. 1 sind Vergleiche von Prokaryoten, Eukaryoten und Mitochondrien sowie Chloroplasten aufgezeigt. Übereinstimmungen zwischen den Prokaryoten und Mitochondrien/Chloroplasten finden sich bei den Ribosomen, den ringförmigen DNA-Molekülen, der Vermehrung und der Membranauflagerung. Die Gene in den Chloroplasten zeigen noch eine Verwandtschaft zu den Cyanobakterien. Mitochondrien und Chloroplasten können nicht von der eukaryotischen Zelle gebildet werden, sondern entstehen immer nur durch Teilung.

4 DieEndosymbiontentheoriewurdefrüherauchalsEndosymbiontenhypothesebezeichnet.StellenSieineinemkurzenTextdenUnterschiedzwischeneinerHypotheseundeinerTheorieimnaturwissenschaftlichenErkenntnisprozessdar.Bei der Untersuchung von biologischen Phänomenen mithilfe von Experimenten wird eine Hypothese aufgestellt, die auf bereits gewonnenen Erkenntnissen beruht und Vermutungen für die Erklärung der Experimente liefert. Sie enthält Prognosen über mög-liche Ursache-Wirkungszusammenhänge. Die Hypothese kann durch die durchgeführten Experimente bestätigt, verändert oder widerlegt werden. Der Begriff der Theorie ist in der Naturwissenschaft nicht identisch mit dem Begriff der Spekulation. Wissenschaftliche Zusam-menhänge und Ideen, die einer wiederholten Überprüfung standhalten und viele verschiedene Phänomene erklären können, werden als Theorie bezeichnet. Sie basiert also auf naturwissenschaftlich begründeten Aussagen. Beispiele: Zelltheorie oder Evolu-tionstheorie

Die Bedeutung des Zellkerns (Seite 25)

1 InformierenSiesichanhanddesTextesunddenInformationen eBook S. 32 „Die Bedeutung des Zellkerns”,weshalbdieAlgeAcetabulariafürdieErforschungdesZellkernsbesondersgeeignetist,undbeziehenSiedieseInformationenaufdasdurchgeführteExperiment.Acetabularia ist eine einzellige Alge, die wegen ihrer Größe von mehreren Zentimetern Vorteile in der Durchführung von Verpflan-zungsexperimenten und deren Auswertung hat. Die verschiedenen Abschnitte der Zelle sind sehr gut erkennbar. Hierdurch können Experimente zur Abtrennung einzelner Teile sehr einfach durchgeführt und in gleicher Weise wiederholt werden. Da der Zellkern immer im Rhizoid liegt, sind die Bedingungen ohne große Eingriffe zur Veränderung der Lage des Zellkerns nicht notwendig. Die gut sichtbaren Unterschiede im Hut der Acetabulariazelle liegen mit verschiedenen Formen vor. Hierdurch kann schnell erkannt werden, ob Veränderungen eingetreten sind oder nicht. Grundlage für diese Versuche ist jedoch die Fähigkeit, sich zu regenerieren.

2 ErläuternSie,welcheBedeutungderKontrollversuchhat.Die Bedeutung des Kontrollversuchs liegt darin, zu überprüfen, ob die Regeneration auch ohne den Zellkern erfolgt. Dies ist jedoch nur einmal der Fall, danach nicht mehr. Der Kontrollversuch ist wichtig, um zu beweisen, dass keine anderen Strukturen auf Dauer die Steuerung übernehmen, sondern der Zellkern oder die verpflanzten Zellkerne.

3 DeutenSiedieVersuchsergebnisseunderläuternSie,obdieHypothesebestätigtunddieFragestellungbeantwortetwurde.Das Experiment sollte die Fragestellung beantworten, ob der Zellkern die Gestalt des Acetabulariahutes steuert. Die Ergebnisse der Experimente zeigen, dass alle Acetabulariazellen einen neuen Hut ausbilden, welcher der spezifischen Form der Acetabularia-zelle entspricht, aus welcher der Kern übertragen wurde. Dies bedeutet dass nicht die Zelle die Gestalt des Hutes steuert, sondern der Zellkern. In den Zellen mit zwei verschiedenen Zellkernen entsteht eine Mischform des Hutes. Auch dieses Ergebnis zeigt sehr deutlich, dass die Kerne die Steuerung und Kontrolle haben. Die Fragestellung ist daher erst einmal beantwortet. Da die Zelle ohne Zellkern den bereits vorhandenen Hut entwickelt, bleibt die Frage offen, ob der Zellkern Stoffe bildet, die länger in der Zelle bleiben und die Vorgänge steuern.

DNA — eine Nucleinsäure (Seite 27)

1 BeschreibenSiemithilfederAbb.1undzusätzlichenTextinformationen eBook S. 34/35 „DNA — eine Nucleinsäure”denAufbaueinesNucleotidsundderenVerbindungenuntereinander.Nucleotide sind die Bausteine der Nucleinsäuren, wie der DNA. Sie bestehen immer aus einem Zucker, einem Phosphat und einer stickstoffhaltigen Base. Der Zucker ist eine Ribose, ein Zucker mit fünf Kohlenstoffatomen. Die stickstoffhaltigen Basen Adenin, Thymin, Cytosin und Guanin sind in ihrem Aufbau unterschiedlich. Die Nucleotide sind untereinander verbunden. Hierbei ist das Phosphat jeweils die Verbindung zwischen den Zuckermolekülen. Die Verbindung erfolgt an einem Zuckermolekül am fünften Kohlenstoffatom (5‘) an dem anderen am dritten Kohlenstoffatom (3‘). Die entstandenen langen Ketten liegen sich gegenüber.

2 BeschreibenSiemithilfederAbb.2und3undzusätzlichenInformationenvon eBook S. 34/35 „DNA — eine Nucleinsäure”denAufbaueinesDNA-StrangsundderDoppelhelix.GehenSiehierbeiauchaufdieLagederjeweiligenBestandteileimMolekülein.In Abb. 2 sieht man von der Seite auf die beiden DNA-Stränge. Hierbei erkennt man, dass sich die beiden DNA-Stränge mit den stickstoffhaltigen Basen nach innen gerichtet einander gegenüberliegen. Zwischen den Basen liegt eine Verbindung vor. Hierbei handelt es sich um Wasserstoffbrücken. Es sich liegen immer Cytosin und Guanin, sowie Thymin und Adenin gegenüber. Die

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beiden Stränge sind gegeneinander verdreht und antiparallel. Das bedeutet, dass der eine Strang in Richtung 3’ — 5’ läuft, der andere jedoch in Richtung 5’ — 3’. In Abb. 3 sieht man von oben auf den DNA-Strang. Man erkennt, dass die Basen von je einem Zucker-Phosphat-Strang umgeben sind. Dieser läuft spiralartig von oben nach unten um die Basen im Mittelpunkt herum. Diese liegen dicht beieinander und übereinander und werden durch Wasserstoffbrückenbindungen in ihrer Anordnung gehalten.

Wie verdoppelt sich die DNA? (Seite 29)

1 BeschreibenSieanhandvonAbb.1diedreiHypothesenzumVorgangderReplikationinFormeineskurzenInformationstex-tes.ErklärenundzeichnenSiedaserwarteteErgebnisderdarauffolgendenReplikation.Zur Verdopplung der DNA gab es drei Hypothesen, die zu einem sinnvollen Ergebnis der DNA-Verdopplung geführt hätten. Konservative Replikation: Die vorhan dene DNA bleibt mit ihren alten Strängen erhalten. Die neue DNA besteht dann aus zwei neuen Strängen, die zusam-men einen Doppelstrang bilden. Semikonservative Replikation: Die DNA-Doppelhelix wird in zwei Einzelstränge ge trennt. Der alte Strang ist jeweils die Vorlage für den neuen Tochterstrang. Dispersive (disperse) Replikation: Die Tochtermoleküle bestehen aus einer Art Mosaik, bedingt durch die abwechselnde Mischung von alten und neu synthetisierten Strängen. Die zweite konservative Replikation führt weiterhin zu getrennten 14N- und 15N-Ban den. Die zweite semikonservative Replikation führt zu einer 14N- und 15N-Mischbande und zu einer 14N-Bande. Die dispersive Replikation führt sowohl je zu einer 14N- und 15N-Bande als auch einer 14N- und 15N-Mischbande (s. Schema).

2 ErläuternSiedieBedeutungdesKontrollversuchs.Der Kontrollversuch musste zuerst zeigen, ob sowohl 14N als auch 15N von Zellen in die DNA eingebaut wird. Ebenso wichtig war es nachzuweisen, dass sich die unterschiedlichen DNA-Moleküle mithilfe der Dichtgradientenzentrifugation auftrennen lassen.

3 ErklärenSiedieBedeutungdereinzelnenSchritteinderVersuchsdurchführungdesHauptexperimentsunddeutenSiedieVersuchsergebnisse.NehmenSiehierzudieÜberlegungenausAufgabe1zuhilfe.Das Wachstum in der 15N-Nährlösung über einen längeren Zeitraum führt dazu, dass hauptsächlich schwere DNA vorliegt, wie das Kontrollexperiment gezeigt hat. Durch den Wechsel in eine Nährlösung mit 14N-Nucleotidbasen werden bei der Neu synthese leichte DNA-Stränge gebildet. Die Versuchsergebnisse zeigen eine einheit liche Bande bei der DNA-Trennung zwischen der schwe-ren und leichten DNA, je doch keine Banden bei den 15N- und 14N-Banden. Dies bedeutet, dass die Hypothese der konservativen Replikation entfällt, da hierbei keine Mischform gebildet wird. Es bleiben nur die beiden restlichen Hypothesen. Der restliche Teil der Nährlösung wurde 20 Minuten später entnommen. Es hatte eine weitere Replikation stattgefunden. Die Ergebnisse zeigen keine Bande bei 15N-markierter DNA, jedoch jeweils eine Bande bei der Mischform und 14N-markierten Basen. Dies bedeutet, dass sich sowohl an die alten 14N und 15N-markierten DNA-Stränge die neu gebildete DNA angelagert hat. Dies führt zu der Mischform und reinen 14N markieren DNA-Strängen. Bei der dispersiven Replikation hätten sich wieder Mischformen ergeben müssen, jedoch keine reinen 14N markierten DNA-Stränge. Es kann daher nur die semikonservative Hypothese richtig sein.

4 ErläuternSie,welcheHypothesendiebeidenForscherdurchdieVersuchsergebnisseausschließenkonnten.Die konservative Hypothese konnte durch die Ergebnisse der 1. Replikation ausgeschlossen werden, da hierbei zwei Banden mit reinen 14N- und 15N-markierter DNA vorhanden sein müssten. Die beiden anderen Hypothesen waren nach diesem Experiment noch möglich. Die dispersive Hypothese konnte erst nach der 2. Repli kation ausgeschlossen werden, da hierbei wieder Mischfor-men, jedoch keine reine 14N-markierte DNA entstehen konnten.

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Tracer — Detektive in der Zelle (Seite 31)

1 StellenSiezusammenfassenddar,weshalbTracerfürdieBiologieforschungnotwendigsind.Tracer haben in der Biologieforschung eine große Bedeutung, da die Reaktionen der verschiedenen Moleküle nur über sie indirekt sichtbar gemacht werden können, z. B. der Abbau von Nährstoffen oder die Wirkung von Medikamenten können so geklärt werden. Radioaktiv markierte Moleküle lassen sich technisch gut nachweisen und verändern die Reaktionen gegenüber den nicht markierten Molekülen nicht. Die Veränderung der Moleküle in der Zelle können so als Spur verfolgt werden.

2 BeschreibenSiedenVersuchvontayLoRunddeutenSiedieVersuchsergebnisse.Die Replikationsvorgänge der DNA wurden auch von Taylor untersucht. Er führte mit seinem Forschungsteam Versuche an wach-senden Wurzelspitzen von Bohnen durch. Sie gaben zu den Wurzelspitzen radioaktiv markiertes Thymidin, das Nucleosid mit der Base Thymin. Die Zugabe erfolgte vor der Teilung der Zellen. Nach der Teilung der Zellen und damit nach der Replikation der DNA wurde ein Teil der Zellen auf Fotopapier gelegt, das vor Licht geschützt war. An den Stellen mit radioaktiv markierten Substanzen erfolgt eine Schwärzung des Fotopapiers. Zu dem restlichen Teil der Zellen wird wieder nicht markiertes Thymidin zugegeben und ebenfalls auf der Fotoplatte nach der Zellteilung untersucht. Die Ergebnisse zeigen nach der 1. Replikation mit dem radioaktiv markierten Thymidin, dass beide Chromatiden die Fotoplatte schwärzen. Sie sind beide markiert. Jedes Chromatid entspricht einer Doppelhelix. Nach der zweiten Replikation schwärzt von den beiden Chromatiden jeweils eines das Fotopapier, das jeweilige zweite nicht. Dies lässt sich damit erklären, dass bei der ersten Replikation das neue Chromatid mit dem markierten Thymidin aufgebaut wird und der neu synthetisierte DNA-Strang radioaktiv sein muss. Nach der zweiten Replikation liegt kein neues mar-kiertes Thymidin vor, es entsteht ein Mischstrang und ein Strang ohne markierte DNA (s. Schema).

3 VergleichenSiedieExperimenteundderenErgebnissemitdenenvonMeseLsonundstahL eBook S. 36 „Wie verdoppelt sich die DNA?”.Die Versuche von Meselson und Stahl sowie von Taylor haben die gleiche Fragestellung nach der Replikation der DNA. Meselson und Stahl verwenden Stickstoffisotope mit unterschiedlicher Masse in den stickstoffhaltigen Basen, Taylor verwendet einen radio-aktiv markierten Baustein der DNA. Die Auftrennung erfolgt bei Meselson und Stahl mithilfe der Dichtegradientenzentrifugation, bei Taylor mithilfe der Autoradiographie mit Fotopapier. Meselson und Stahl führten die Experimente mit sich teilenden Bakterien durch, Taylor mit Pflanzenzellen. Beide Experimente führten zu der Beantwortung der Fragestellung: Die semikonservative Repli-kation führt zu der Verdopplung des DNA-Stranges.

Mitose — Verdopplung des Zellkerns (Seite 33)

1 InformierenSiesichzudenAussagenderZelltheorieunderläuternSie,inwieferndieErkenntnissezurMitosedieseunter-stützt.Die Aussagen der Zelltheorie sind, dass Zellen die Bausteine alle Lebewesen sind und dass Zellen nur aus Zellen entstehen kön-nen. Die Aussagen zur Zelltheorie werden durch die Vorgänge der Mitose unterstützt, da diese zeigen, dass Zellen sich teilen und daher Zellen nur aus Zellen entstehen.

2 BeschreibenSieanhandderAbb.1undzusätzlicherInformationenvon eBook S. 38 „Mitose — Verdopplung des Zellkerns”denVorgangderMitoseundordnenSiedieeinzelnenPhasendenVorgängeninAbb.1zu.Der Vorgang der Mitose läuft in folgenden Phasen ab: Während der Zellteilung verdoppeln sich der Zellkern und damit auch die Chromosomen und die DNA. Die Chromatiden werden verdichtet. Dies ist bereits in Abb. a) deutlich zu erkennen (Ende der Prophase). In Abb. b) haben sich die Chromatiden bereits verdoppelt. In Abb. c) sind sie in der Äquatorialebene angeordnet (Metaphase). In Abb. d) trennen sich die Chromatiden und werden auf je einen Zellkern verteilt (Anaphase). In Abb. e) liegen die Chromatiden wieder in je einem Zellkern vor (Anaphase).

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1. Replikation

2. Replikation



3 BeschreibenSieAbb.2underläuternSiedieErgebnisseinBezugaufdieKern-undZellteilungen.In Abb. 2 ist die DNA-Menge pro Zelle in c gegen den Verlauf der Zellteilungen aufgetragen. Die DNA-Menge steigt innerhalb eines Zellzyklus bereits einige Zeit vor der Mitose von 2c auf 4c. Während der Mitose am Ende des Zellzyklus sinkt sie von 4c auf 2c. Diese Werte lassen sich durch die Verdopplung der DNA (Chromatiden) während der Metaphase erklären. Die Trennung der Chromatiden während der Anaphase führt wieder zur Halbierung der DNA-Menge.

Mitose und Cytoskelett (Seite 35)

1 OrdnenSieAbb.1demAblaufderMitosezuundbeschreibenSiemithilfe eBook S. 39 „Mitose und Cytoskelett”dieVorgängederChromosomenverteilungundderZellteilung.Die in Abb. 1 dargestellten Vorgänge stellen das Cytoskelett und die Chromosomen während der Zellteilung dar. Die Kinetorchor-Mikrotubuli sind am Kinetorchor der Chromatiden angeheftet. In den Kinetochoren sind Motorproteine, die auf den Mikrotubuli sich zu den Spindelpolen bewegen, und die Chromatiden mitziehen. Hierbei ist in Abb. 1a der Übergang der Metaphase zur Anaphase dargestellt. Abb. 1b bis 1d stellen den Vorgang während der Metaphase dar. Die Trennung der Chromatiden wird unter-stützt durch die Pol-Mikrotubuli. Diese drücken die Spindelpole weiter auseinander und bereiten dadurch die Zellteilung vor. Die Bewegung der Pol-Mikrotubuli kommt durch eine ständige Verlängerung durch den Einbau von Bausteinen an den gegenseitigen Haltepunkten zustande.

2 ErklärenSiedieBedeutungderfluoreszierendenFarbstoffealsTracerbeiderAufklärungderzellulärenVorgängewährendderMitose.Die Bedeutung der Fluoreszenzfarbstoffe liegt in dem Sichtbarmachen verschiedener kleiner Zellstrukturen. Diese Tracer zeigen den Ort und Ortswechsel innerhalb der Zelle von den verschiedenen Strukturen, wie Chromatiden oder Mikrotubuli an.

3 ErläuternSie,weshalbMitosegiftebeiKrebspatienteneingesetztwerdenkönnen.Mitosegifte wirken auf den Ab- und Aufbau der Mikrotubuli hemmend ein und verhindern so die Zellteilung. In geringen Konzent-rationen verlangsamen sie die Zellteilung im Gewebe. Bei Krebs kommt es zu Wucherungen durch unkontrolliertes Wachstum der Zellen im Gewebe. Dies kann durch die Mitosegifte verlangsamt werden.

Zellzyklus — Kontrolle der Zellverdopplung (Seite 37)

1 BeschreibenSieAbb.1.ErgänzenSiediedreiKontrollpunktemithilfezusätzlicherInformationen eBook S. 40 „Zellzyklus — Kontrolle der Zellverdopplung”underläuternSiederenBedeutung.In Abb. 1 ist der Zellzyklus dargestellt. Dieser ist gegliedert in die Mitose, der Bildung der Zellkerne mit der Zellkernmembran, der Trennung der Zellen und der Synthese der DNA-Bausteine, sowie der Verdopplung der DNA-Stränge. Die Kontrollpunkte in dem Zellzyklus sind zu Beginn der Mitose der G2-Kontrollpunkt. Hier erfolgt die Kontrolle, ob die DNA-Verdopplung abgeschlossen ist, da ansonsten bei der Trennung der Chromatiden und damit der DNA Fehler entstehen könnten. Der nächste Kontrollpunkt M liegt in der Mitosephase. Hier wird kontrolliert, ob die Mikrotubuli mit den Kinetochoren verbunden sind. Hier käme es zu Fehlern bei der Trennung der Chromatiden auf die beiden neuen Zellkerne. Der dritte Kontrollpunkt G1 überprüft, ob DNA-Schäden vorliegen oder die Zellgröße für den nächsten Zyklus ausreicht.

2 BeschreibenSieAbb.2underklärenSiedenUnterschiedzudenZellteilungenimGewebe.ErläuternSie,welcherKontroll-punktwährendderZellteilungenzurKaulquappewirkungslosist.In Abb. 2 sind das Wachstum einer Eizelle des Krallenfroschs und die folgenden Zellteilungen dargestellt. Die Eizelle wächst im Eierstock mit vielen Nährstoffen von einem Bruchteil eines Millimeters auf ca. 1 mm an. Zu diesem Zeitpunkt kann die Befruch-tung erfolgen. Die befruchtete Eizelle mit den Nährstoffen teilt sich über Tage hinweg in unterschiedlich große Zellen. Es erfolgt jedoch kein Wachstum. Hieraus entwickelt sich die Kaulquappe und das Wachstum beginnt. Der Unterschied zu den Zellteilungen im Gewebe liegt darin, dass die neu gebildeten Zellen sich erst wieder teilen, wenn eine bestimmte Größe erreicht ist. Dies ist hier nicht der Fall, die Zellen teilen sich und werden immer kleiner. Es fehlt der Kontrollpunkt G1.

Totipotent — Pluripotent — Stammzellen (Seite 39)

1 BeschreibenunderklärenSiemithilfedesWegesderjeweiligenBälleinAbb.1dieverschiedenenEntwicklungspotenzen.StellenSiedieseinBezugzudenBegriffenundBeispielenimText.In Abb.1 ist ein Modell zur Darstellung der Entwicklungspotenzen in Zellen dargestellt. Dargestellt sind modellartig Täler mit Kugeln, die unterschiedlich viele Möglichkeiten zum weiterrollen haben. Dies stellt die unterschiedlichen Differenzierungsgrade verschiedener Zellen dar. Die Kugel im Bereich der Totipotenz entspricht den Zellen des Achtzellstadiums einer befruchteten Ei- zelle. Hier sind noch alle Möglichkeiten offen, alle Zellen sind identisch. Die Kugeln im Bereich der Unipotenz haben bei den Tälern keine Alternative mehr, ihr Weg ist festgelegt. Dies entspricht den differenzierten Zellen innerhalb eines Gewebes. Die Kugeln im Bereich der Multipotenz haben nur noch eine geringe Entscheidungsmöglichkeit. Aus multipotenten Zellen können nur noch ähn-lich differenzierte Zellen entstehen. Die Pluripotenz ist im Modell unterhalb der Kugel zur Totipotenz eingezeichnet. Sie hat zwar alle Möglichkeiten zur Differenzierung, jedoch kann kein ganzer neuer Organismus entstehen.

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2 BeschreibenSieAbb.2underläuternSiemithilfedesTextesund eBook S. 41 „Totipotent — Pluripotent — Stammzellen”dieEntwicklungspotenzenderverschiedenenembryonalenGewebe.In Abb. 2 sind die verschiedenen Entwicklungszustände von der befruchteten Eizelle (Zygote) bis zur differenzierten Gewebezelle dargestellt. Diese Zygote ist totipotent, da aus einer Zelle ein ganzer Organismus entstehen kann. Die Zellen der Zygote teilen sich und bilden die Blastocyste, ein Keimbläschen mit vielen Zellen. Diese Zellen sind pluripotent, da sich aus ihnen kein neuer Orga-nismus bilden kann, jedoch alle verschiedenen Vorstufen zur Differenzierung. Die drei sich daraus entwickelten Keimblätter sind bereits multipotent. Daraus können nur noch begrenzt Gewebezellen mit unterschiedlicher Differenzierung entstehen. Die sich aus den drei Keimblättern entwickelnden Gewebe haben bereits ausdifferenzierte Zellen. Diese sind unipotent.

Zellkulturen retten Menschenleben (Seite 41)

1 ZeigenSieanhandderTexte eBook S. 42 „Zellkulturen retten Menschenleben”Vor-undNachteilederZellkultureninderBiotechnologieundBiomedizinauf.Zellkulturen in der Biotechnologie und Biomedizin werden bereits seit 1952 eingesetzt. Für eine gezielte Anwendung besonders in der Medizintechnik spielen sie eine große Rolle. Vorteile der Zellkulturen liegen darin, dass weder am tierischen noch an mensch-lichen Organismus geforscht werden muss. Hier können Screenings von Wirkstoffen in großen Mengen untersucht werden, um deren Einsatz in Medikamenten zu erforschen. Auch die Gewinnung komplexer Wirkstoffe kann einfacher durchgeführt werden. Ein Vorteil liegt auch darin, dass viele Untersuchungen ohne Tierversuche durchgeführt werden können. Ein Problem ist die Gewin-nung von Zellen beim Menschen, die noch nicht differenziert sind. Hier müsste in der Keimbahn auf totipotente oder pluripotente Zellen zurückgegriffen werden. Forschungen unipotente differenzierte Zellen wieder in pluripotente umzuprogrammieren, sind daher wichtig.

2 BeschreibenSiedieschematischeDarstellungderImpfstoffgewinnungundvergleichenSiediesemitdemklassischenVerfah-renmitbebrütetenHühnereiern.In Abb. 1 Ist die Herstellung eines Impfstoffes mithilfe von Zellkulturen dargestellt. Hierzu werden Teile von bereits vorhande-nen Zelllinien aufgetaut und die Zellen über einen längeren Zeitraum in großen Bioreaktoren vermehrt. Sind genügend Zellen vorhanden, werden die Zellen der Zellkultur mit Viren infiziert. In den Zellen vermehren sich die Viren. Anschließend werden die Zellen von den Viren abgetrennt, die Viren für den Grippeimpfstoff in Bruchstücke zerkleinert und für die Anwendung mit anderen Stoffen gemischt. Bei der Impfstoffgewinnung ohne Zellkulturen wurden Hühnereier bebrütet, sodass Zellen entstehen konnten. In die Hühnereier musste ein Loch gestoßen werden. Anschließend wurden die Eier infiziert, das Loch verschlossen und weitere 3 Tage bebrütet. Danach wurde die Eierschale geöffnet und die Flüssigkeit aus dem Ei entnommen. Für eine notwendige Produktion waren bis zu 46 Millionen Eier notwendig. Im Vergleich zeigen sich der sehr hohe Aufwand bei der Produktion mit Hühnereiern und der extrem hohe Bedarf an Eiern.

Chemische Eigenschaften der Zellinhaltsstoffe (Seite 43)

1 LesenSiedieTexte eBook S. 44/45 „Chemische Eigenschaften der Zellinhaltsstoffe”undbeschreibenSiedenVorganginAbb.2unterdemAspektderLadungen.In Abb. 1 ist auf molekularer Ebene dargestellt, wie Wassermoleküle als Lösungsmittel wirken. Wassermoleküle sind Dipole, da die Ladungen nicht gleichmäßig verteilt sind. Der Sauerstoff zieht die Elektronen stärker an als der Wasserstoff. Dadurch wird der Sauerstoff etwas negativer und der Wasserstoff etwas positiver. Durch die Winkelung des Moleküls sind die beiden Teilladungen wie in einem Dipol angeordnet. Wird z. B. Kochsalz in Wasser gelöst, entstehen negativ geladene und positiv geladene Ionen. Die Wassermoleküle ordnen sich um die Ionen an. Da entgegengesetzte Ladungen sich anziehen sind die negativen Teilladungen des Wassermoleküls um das positiv geladene Ion angeordnet, die positiven Teilladungen um das negative Ion.

2 ErläuternSieanhanddesGlucosemolekülsinAbb.3und4,weshalbsichGlucoseinWasserlöst.In Abb. 3 und 4 ist die Glucose in unterschiedlichen Modelformen dargestellt. Deutlich zu erkennen ist der Aufbau aus Kohlen-stoff-, Sauerstoff- und Wasserstoffatomen. Da die Sauerstoffatome die Elektronen stärker zu sich ziehen als die Wasserstoffatome und Kohlenstoffatome, entstehen auch am Glucosemolekül Teilladungen. Hierdurch können sich Wassermoleküle um das Glucose-molekül mit ihren Teilladungen anordnen und umhüllen diese.

Die Kohlenhydrate (Seite 45)

1 BeschreibenSiemithilfederAbb.1undderTexte eBook S. 46 „Die Kohlenhydrate”denAufbauverschiedenerKohlen-hydrate.StellenSieGemeinsamkeitenundUnterschiedeheraus.Alle in Abb. 1 dargestellten Kohlenhydratmoleküle bestehen aus Kohlenstoff-, Sauerstoff- und Wasserstoffatomen. Sie können sowohl in der Kettenform als auch in der Ringform vorliegen. Die Ringformen können sich zu Verbindungen mit zwei Molekülen (Disaccharide) und zu langen Ketten (Polysaccharide) verbinden. Die Hydroxylgruppen sind ebenfalls ein gemeinsames Kriterium. Unterschiede gibt es in der Anzahl und Anordnung der drei verschiedenen Atome. Ebenfalls gibt es Unterschiede durch den Auf-bau der Ringform. Hier gibt es Anordnungen, die einem sechser oder einem fünfer Ring entsprechen.

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2 ErklärenSie,weshalbGlucosenichtbeiderKetten-sondernderRingformalsa-undβ-Glucosevorliegt.Bei der Kettenform sind die Bindungen zwischen den Kohlenstoffatom frei beweglich. Sie können daher ständig in einer anderen Anordnung der Atome zueinander vorliegen. Bei der Bildung der Ringform wird diese Beweglichkeit beendet und die Anordnung ist fixiert. Ist beim Ringschluss die Hydroxygruppe am C1-Atom wie in der Abb. 1 oben, handelt es sich um die β-Glucose, ist sie wie in der Abb. 1 oben, handelt es sich um die a-Glucose.

3 FassenSieinFormeinerÜbersichtzusammen,welcheBedeutungKohlenhydrateindenZellenundimKörperhaben.Kohlenhydrate haben in den Zellen und im Körper eine große Bedeutung. Sie spielen eine entscheidende Rolle bei der Energie- bereitstellung, sie sind Bestandteil der DNA und bilden als Polysaccharide Reserve-Energiespeicher oder Elemente zur Festigung der Zelle oder des Gewebes. Sie verbinden sich auch mit Proteinen und Lipiden auf der Oberfläche der Biomembran zum Erkennen von Zellen als auch zur Verhinderung des Verklebens von Zellen untereinander.

Die Lipide (Seite 47)

1 BeschreibenSieAbb.1underklärenSiemithilfederdargestelltenModelleundderTexte eBook S. 47 „Die Lipide”dieBegriffe„hydrophil“und„hydrophob“.In Abb.1 sind verschiedene Moleküle und ihre Wechselwirkung mit Wassermolekülen dargestellt. Das Acetonmolekül (Propanon) besteht aus Kohlenstoff-Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom. Die Verbindung zwischen dem Sauerstoffatom und dem Kohlenstoffatom führt zu einer polaren Bindung mit Teilladungen. Die Dipole der Wassermoleküle können sich daher um das Ace-ton anordnen. Es entsteht eine Wechselwirkung zwischen den Molekülen. Aceton löst sich daher in Wasser, es ist hydrophil. Beim zweiten Molekül handelt es sich um ein ähnliches Molekül, das 2-Metyhlpropan. Dieses besteht jedoch nur aus Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen. Es liegt daher keine polare Bindung vor. Es entsteht keine Wechselwirkung zwischen dem 2-Methylpropan-Molekül und den Wassermolekülen. Die Wassermoleküle können sich daher nicht um das Molekül anordnen. 2-Methyl propan ist daher nicht wasserlöslich.

2 ErklärenSieamBeispielderStrukturformelvonStearinsäureinAbb.2dieVorgängebeimMischenmitWasseraufmoleku-larerEbene.In Abb. 2 ist die Strukturformel der Stearinsäure dargestellt. Es ist eine Fettsäure mit einem langen Molekülteil aus Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen. Dieser ist nicht polar. An einem Ende liegt die Carboxylgruppe vor. Diese hat zusätzlich Sauerstoffatome, welche die Elektronen stärker anziehen als die Kohlenstoffatome und daher zu Teilladungen führen. Im Wasser ordnen sich die Dipolmoleküle um die Carboxylgruppe an, sie ist daher hydrophil. Beim restlichen Teil des Moleküls können sich die Wassermole-küle nicht anordnen, er ist daher hydrophob.

3 VergleichenSiedieÖl-undStearinsäureunderläuternSiedieunterschiedlichenSchmelztemperaturen.Die Stearinsäure ist eine gesättigte Fettsäure. Sie besitzt keine C-C-Doppel bindungen und der lange Molekülteil ist frei beweglich. Die Ölsäure ist gewinkelt. Sie ist eine ungesättigte Fettsäure. Die gewinkelten starren Fettsäuremoleküle können sich nicht so regelmäßig anordnen wie die frei beweglichen. Daher liegen weniger Berührungspunkte zwischen den Molekülen vor, diese lassen sich leichter trennen und sind daher schnell flüssig. Ölsäure hat eine geringe Schmelztemperatur. Die Schmelztemperatur der Stearinsäure liegt höher, da die langen Molekülteile mehr Berührungspunkte untereinander haben und sich schlechter trennen.

4 IndenUSAgibtesKolibris,diezumÜberwintern900kmüberdasMeernachMexikofliegen.DiekleinenVögelspeichernsehrvielFett.ErklärenSiedieBedeutungdiesesFettspeichers.Kolibris sind sehr kleine Vögel und haben nur Chancen, den langen Flug nach Mexiko zu überleben, wenn genügend Energie- reserven vorhanden sind. Die gespeicherte Energie liegt im Fettspeicher bei 39 kJ pro Gramm Speichersubstanz, bei Kohlenhydra-ten nur bei 17 kJ. Kolibris müssten daher die 2,3-fache Speichermenge an Kohlenhydraten in ihrem kleinen Körper unterbringen. Dies würde auch zu einem höheren Gewicht und dadurch schlechteren Flugeigenschaften führen.

Die Proteine (Seite 49)

1 BeschreibenSieAbb.1underläuternSiemithilfe eBook S. 48/49 „Die Proteine”dieBedeutungdereinzelnenFachbegriffeinderAbbildung.In Abb. 1 ist eine Übersicht zu Peptiden und Proteinen dargestellt. Die Erklärung der einzelnen Fachbegriffe: Aminosäuren: Bausteine der Proteine bestehen aus einer Amino- und einer Carboxylgruppe. Essenziell: Müssen mit der Nahrung aufgenommen werden. Nicht essenzielle Proteine können vom Körper selbst synthetisiert werden. Peptide: entstehen durch Verknüpfung von Aminosäuren. Hierbei variiert die Anzahl der Aminosäuren. Ab 100 Aminosäuren pro Molekül spricht man von Proteinen. Primärstruktur: Reihenfolge der Aminosäuren in einem Protein. Sekundärstruktur: durch Wasserstoffbrückenbindungen innerhalb des Proteins entstehen spezifische räumliche Anordnungen der Aminosäurenketten. Tertiärstruktur: dreidimensionale Form durch Faltungen des gesamten Proteinmoleküls. Quartärstruktur: Anordnung mehrerer dreidimensionaler Proteinmoleküle zu einer Gesamtstruktur.

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2 VieleStoffwechselprozesselaufenimZellplasmaab.ErklärenSie,weshalbeinigeEnzymewasserlöslichseinmüssenundbeziehenSiedieWasserlöslichkeitaufderenAufbau.Stoffwechselvorgänge im wässrigen Zellplasma der Zellen werden durch Enzyme gesteuert. Diese müssen daher im Wasser löslich sein. Enzyme sind komplexe kugelförmige Gebilde, die auf ihrer Oberfläche hydrophile Teile besitzen. Diese haben Teilladungen, um die sich die Wassermoleküle anordnen können.

Gelelektrophorese (Seite 51)

1 BeschreibenSieinAbb.1denAufbauderElektrophoresekammerunderklärenSiemithilfedesTextesdieBedeutungdereinzelnenBestandteile.In Abb. 1 ist der Aufbau einer Elektrophoresekammer dargestellt. Sie besteht aus einem Gel, das in einer Trennkammer aus Glas-platten liegt. In dem Gel sind Probentaschen ausgeschnitten. In diese Vertiefungen kommen die zu untersuchenden Proben. An den Enden der Trennkammer oben und unten Gel befinden sich die Anode und Kathode, die an einem Netzgerät angeschlossen sind. Die Bedeutung des Gels liegt darin, dass es wie ein Sieb die verschiedenen Substanzen der Proben trennt. Die Geltaschen haben den Vorteil, dass das Probenmaterial direkt im Gel liegt. Die Anode und Kathode sind notwendig um die Substanzen mithilfe des elektrischen Stroms in einem elektrischen Feld in Bewegung zu setzen. Das Netzgerät liefert die Gleichspannung.

2 ErklärenSieanhandvonAbb.2und3sowiedesTextes eBook S. 50 „Gelelektrophorese”dasPrinzipderElektrophorese. Abb.2zeigtmithilfeeinerModellvorstellungdasPrinzipderElektrophoreseaufmolekularerEbene: die verschiedenen Makro- moleküle, die aus der Probe aufgetragen wurden. Zwischen der Kathode und Anode entsteht durch den angelegten Strom im Gel ein elektrisches Feld. Die geladenen, unterschiedlich großen Moleküle der Probe bewegen sich je nach ihrer Ladung zu den jeweils entgegengesetzt geladenen Polen. Das Gel wirkt dabei auf die unterschiedlich großen Moleküle wie ein Sieb. Große Teilchen sind unbeweglich oder bewegen sich im Gel sehr langsam. Dies hängt auch noch von ihrer Masse ab. In Abb. 3 ist dies bei der Tren-nung von DNA-Proben auf der Stoffebene verdeutlicht. Die Proben werden aufgetragen und bewegen sich im elektrischen Feld zur Anode. Man erkennt, dass die verschiedenen DNA-Abschnitte unterschiedlich schnell wandern.

3 StellenSiedieBedeutungderElektrophoresefürdieForschungundUntersuchungendar.Mithilfe der Elektrophorese kann nachgewiesen werden, welche Proteine in einer Zelle oder Zellteilen vorliegen. Der genetische Fingerabdruck spielt eine Rolle bei Vaterschaftsuntersuchungen und bei Kriminaldelikten. In der Medizin können Nachweise zur Diagnose von Krankheiten durchgeführt werden. In der Lebensmittelchemie kann überprüft werden, von welchen Tieren das Fleisch stammt.

Diffusion und Osmose (Seite 53)

1 BeschreibenSieanhandvonAbb.1und eBook S. 52/53 „Diffusion und Osmose”dieVorgängederDiffusionaufderEbenederkleinstenTeilchen.In Abb. 1 ist die Brown’sche Molekularbewegung als Modellvorstellung dargestellt. Viele Wasserteilchen und ein größeres Teilchen sind in Bewegung. Die Pfeile an den Wasserteilchen geben die Richtung der Bewegung an. Es ist zu erkennen, dass keine ein-heitliche gerichtete Bewegung vorhanden ist, sondern die Bewegung in alle Richtungen ungeordnet abläuft. Die Bewegung des größeren roten Teilchens ist abhängig von der Stoßrichtung der Wasserteilchen. Auch ist kein einheitlicher Weg denkbar, sondern zufällige Bewegungen abhängig von den Wasserteilchen.

2 BeschreibenSieAbb.2.ErklärenSieanhandvonAbb.2undderTexte,weshalbderbeobachtbareAusgleichderKonzentratio-nenkeingezielterVorgangistundnurinkleinenVolumeneineRollespielt.In Abb. 2 sind Teilchen (rot) in Wasser (blau) dargestellt. Es bewegen sich nicht nur die roten Teilchen sondern auch die blauen Teilchen. Die Bewegung der Teilchen ist ungerichtet. Durch die vielen Zusammenstöße und die sich bei beiden Teilchensorten ständig ändernde Richtung kommt es zu einer langsamen Durchmischung bis zum Konzentrationsausgleich. Die Geschwindigkeit der Teilchen bei der Diffusion ist gering, da sie ständig miteinander zusammenstoßen und die Richtung ändern, ca. 6 — 25 µm pro Minute. Der Diffusionsvorgang spielt daher nur in kleinen Räumen eine Rolle.

3 BeschreibenSiedieverschiedenenZuständederRotenBlutzellen(Erythrocyten)inAbb.3unterdemAspektderOsmose.MachenSieandiesemBeispieldieangegebenenFachbegriffedeutlich.GrenzenSiedieVorgängederOsmosegegenüberdenenderDiffusionab.Die Vorgänge bei der Diffusion unterscheiden sich von denen der Osmose, dass eine selektiv permeable Membran zwischen den verschiedenen Konzentration vorhanden ist, die nicht für alle Teilchen durchlässig ist. Von beiden Seiten stoßen Teilchen gegen die Membran, jedoch größere Teilchen wie Glucose oder Salzionen können nicht hindurch, nur die Wasserteilchen. Ein Konzentrations-ausgleich wird auch hierbei angestrebt. Bei den Roten Blutzellen liegen unterschiedliche Konzentrationsverhältnisse zwischen den Salzkonzentrationen im Blut und innerhalb der roten Blutzellen vor. Bei der isotonischen Verteilung sind die Konzentrationsver-hältnisse innerhalb der Blutzellen und im Blut gleich. Der Austausch der Wasserteilchen in beiden Richtungen über die Membran ist identisch. Bei der hypertonischen Salzkonzentration im Blut gegenüber der Blutzelle liegen mehr Salzionen im Blut als in der Zelle vor. Daher werden mehr Wasserteilchen in Richtung des Konzentrationsausgleiches aus der Zelle abgegeben als aufgenom-men. Die Rote Blutzelle schrumpft. Bei der hypotonischen Salzkonzentration im Blut ist im Blut eine geringere Salzkonzentration als in der Blutzelle vorhanden. Der angestrebte Konzentrationsausgleich führt dazu, dass mehr Wasserteilchen aufgenommen als abgegeben werden. Die Rote Blutzelle wird größer. Ist der Unterschied sehr groß, kommt es durch die Menge des aufgenomme-nen Wassers und der Zunahme des osmotischen Drucks zu einem Platzen der Roten Blutzellen.

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Osmoregulation (Seite 55)

1 StellenSieanhanddesTextes eBook S. 54/55 „Osmoregulation”dar,wieHaiediehohenSalzkonzentrationendesMeer-wassersosmotischausgleichenkönnen.Der Salzgehalt des Meerwassers beträgt ca. 3,5 %. Lebewesen können nur dann im Meerwasser leben, wenn sie in der Lage sind, die Salzkonzentration in ihrem Körper ständig auszugleichen. Mit der Nahrungsaufnahme, der Wasseraufnahme und über die Kiemen gelangen jedoch Salzionen in den Körper. Haie sind in der Lage, überschüssige Natriumionen des Meerwassers durch die Rektaldrüse in den Endbereich des Darms auszuscheiden. Hierdurch und durch die gezielte Abgabe über Kiemen und Nieren wird die Konzentration ständig verringert. Die Körperflüssigkeit der Haie ist zwar isotonisch mit dem Meerwasser, jedoch haben hierbei die Salzionen einen geringen Anteil. Um die Salzkonzentration trotz Isotonie geringer halten zu können, sind andere gelöste osmotisch aktive Teilchen im Blut und den Gewebezellen vorhanden. Hierbei handelt es sich um Harnstoff der beim Proteinabbau entsteht und das TMAO einer harnstoffähnlichen Substanz die jedoch keinen Stickstoff enthält. Der Harnstoff hat den Nachteil, das Gewebe und Enzyme zu zerstören. Diese Wirkung wird durch TMAO verringert.

2 BeschreibenSiedieMessdateninAbb.3und4.ErläuternSieanhanddesunterschiedlichenSalzgehaltesbeidenLachsendieVeränderungennachdemUmsetzeninMeerwasser.Lachse wandern aus den Laichgebieten von den Süßwasserflüssen in das Meer. In Abb. 3 Ist dargestellt wie sich die Lachse an das Meerwasser anpassen. Die Grafik stellt den Cortisol-Gehalt und die Konzentration der Natriumionen im Blutplasma gegen die Zeit nach dem Umsetzen ins Meerwasser dar. Der Cortisol-Gehalt steigt nach dem Umsetzen ins Meerwasser innerhalb von einem halben Tag stark an und sinkt danach auf den Ausgangswert zurück. Die Konzentration der Natriumionen im Blut nimmt langsamer jedoch stetig bis zum 4. Tag zu. In Abb. 4 wird die Sekretion der Natriumionen aus den Kiemen gegen die Zeit nach dem Umsetzten in das Meerwasser dargestellt. Durch das Ansteigen des Cortisol wird die Sekretion von Natriumionen aus den Kiemen angeregt. Die Steigerung des Cortisol wird durch das Ansteigen der Natriumionen im Blut ausgelöst. Der Natriumgehalt im Plasma sinkt mit Zunahme der Sekretionsaktivität etwa auf die Ausgangswerte zurück.

3 VergleichenSiedieverschiedenenMethodenbeiHaiundLachs.Haie und Lachse scheiden beide gezielt Natriumionen aus dem Körper durch Sekretion aus. Der Hai hält den Anteil der Natrium- ionen durch körpereigene osmotisch aktive Stoffe gering.

Aufbau und Funktion einer Biomembran (Seite 57)

1 BeschreibenSieanhandvonAbb.1denVorgangderIsolierungvonBiomembranenunderklärenSiedieBedeutungderjewei-ligenSchritte.In Abb. 1 ist die Isolierung von Zellmembranen (Biomembranen) aus Roten Blutzellen dargestellt. Die Roten Blutzellen kommen zuerst in eine physiologische Kochsalzlösung. Diese ist isotonisch mit dem Inhalt der Roten Blutzellen. Hierdurch werden Sub-stanzen außerhalb der Blutzellen verdünnt. Die Blutzellen werden danach in eine hypotonische Lösung überführt (destilliertes Wasser). Die Salzkonzentration in Blutzellen ist nun wesentlich höher als in der Umgebung. Die Zellen nehmen daher Wasser auf, schwellen an und platzen nach einiger Zeit auf. Das Hämoglobin und andere Inhaltsstoffe treten aus den Zellen aus, zurück blei-ben die Biomembranen. Diese werden zentrifugiert und der Überstand über dem Sediment entfernt, sodass reine Biomembranen zur Untersuchung vorliegen.

2 ErläuternSie,weshalbesfürdieUntersuchungenderAußenmembranVorteilehat,RoteBlutzellenzuverwenden.Rote Blutzellen sind für die Erforschung der Biomembran gut geeignet, da sie keine weiteren Zellstrukturen wie Zellkern oder Mitochondrien mit ebenfalls Biomembranen besitzen. Hierdurch kann man eindeutig die Biomembranen der äußeren Zellmemb-ran zuordnen und kann so eindeutigere Aussagen zu den Untersuchungen machen.

3 BeschreibenSieanhand eBook S. 56/57 „Aufbau und Funktion einer Biomembran”dentypischenAufbauderBiomembranundordnenSiedievierobengenanntenFunktionendenMembranbestandteilenzu.Der typische Aufbau einer Biomembran ist bei allen Lebewesen im Prinzip gleich. Sie bestehen aus einer Lipiddoppelschicht bei der die hydrophilen Köpfe außen und die lipophilen Ketten innen liegen. Proteine liegen auf der Doppelmembran auf (peripher) oder durchdringen sie (integral). Die Strukturen verschieben sich kontinuierlich innerhalb der Membran. Die vier Funktionen der Außenmembran liegen vor, da die Doppelmembran eine Trennung der innen- und außen liegenden Flüssigkeiten ist, weil sie geschlossen um die Zelle herum liegt und direkt keine größeren Mengen unkontrolliert hindurch lässt. Die integralen Proteine sind für den spezifischen Transport verantwortlich. Kommunikation zwischen Zellen kann durch die peripheren Proteine oder die verschiedenen Zuckermoleküle erfolgen. Das Cytoskelett liegt innerhalb der Zelle unter der Biomembran und verstärkt diese.

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Ein Modell entwickelt sich (Seite 59)

1 InformierenSiesichinAbb.1überdenErkenntnisweg,derzurheutigenVorstellungdesMembranmodellsführte,undordnenSieanhandderTexte eBook S. 58/59 „Ein Modell entwickelt sich” sowie eBook S. 56/57 „Aufbau und Funktion einer Biomembran”dieverschiedenenExperimentezu.In der Abb.1 ist der Erkenntnisweg des heutigen Membranmodells von 1902 bis heute dargestellt. Overton wies 1902 bereits nach, dass die Membran um die Zelle lipidlösliche Substanzen hindurch lässt und von Fettlösungsmitteln zerstört wird. Die Anordnung des hydrophilen und lipophilen Teils der Lipide gelang 1917 durch Langmuir, jedoch war die Vorstellung noch kein Bilayer, sondern ein Monolayer. Der Bilayer wurde erst 8 Jahre später von Gorter und Grendel nachgewiesen. Dies führte zu den Vorstellungen der Lipiddoppelschicht. Zu diesem Zeitpunkt ging man nur von den Lipiden aus. Erst zehn Jahre später wurden von Danieli und Davson auch periphere Proteine mit in das Modell einbezogen. Dieses Modell hielt sich sehr lange bis ca. 1972. 1959 wurde durch systematische Arbeiten von Robertson nachgewiesen, dass alle Lebewesen den gleichen Biomembranaufbau besitzen. Durch den Einsatz neuer Forschungstechnologien konnten Singer und Nicolson die integralen Proteine nachweisen. Hierzu verwendeten sie die Gefrierbruchtechnik in der Elektronenmikroskopie. Räumliche Vertiefungen und Erhebungen in der Membran zeigten die räum-liche Struktur. In diesem Zeitraum folgten auch die Ergebnisse von Frye und Edidin sowie weiteren Forschergruppen zur Beweg-lichkeit der Biomembran. Die Experimente wurden an lebenden Zellen durchgeführt. An den Proteinen auf der Oberfläche wurden molekulare Sonden (Tracer) angebracht. Diese bestanden bei einer Zelle aus rot bei der zweiten Zelle aus grün fluoreszierenden Farbstoffen. Bei der Fusion der beiden Zellen konnten sie nachweisen, dass sich die Tracer gleichmäßig über die Biomembran verteilten. Weitere Forschungsgruppen arbeiteten mit dem Fotobleichverfahren. Hierbei wurden fluoreszierende Tracer mit Lasern gezielt in einem kleinen Bereich ausgebleicht und unter dem Fluoreszenzmikroskop beobachtet, wie schnell fluoreszierende Tracer sich in den gebleichten Bereich bewegen. Die Bedeutung des Cytoskeletts wurde erst nach 1985 durch die Forschung von Byers und Branson bekannt. An Erythrocyten (rote Blutzellen) wurde mithilfe der Elektronenmikroskopie genauere Untersuchungen zum Cytoskelett und dessen Anhaftung an der Biomembran mit Ankerproteinen durchgeführt. Erst ca. 20 Jahre später kamen neue Ergebnisse zur Modellverfeinerung hinzu. Diese beruhen darauf, dass man spezifische Antikörper zu den verschiedenen Proteinen auf der Membran gewinnen konnte, die mit Goldpartikeln versehen wurden. Unter hochauflösenden Mikroskopen konnte man den Weg der Partikel verfolgen und stellte fest, dass die Bewegung der integralen Proteine in der Membran eingeschränkt war. Dies bestätigte sich in folgenden Forschungsergebnissen, dass festgelegte Membranabschnitte spezifische Funktionen übernehmen.

Transportvorgänge durch Biomembranen (Seite 61)

1 ErläuternSiedieeinzelnenBegriffeinAbb.1.NehmenSiehierzu eBook S. 60/61 „Transportvorgänge durch Biomnembra-nen”sowie eBook S. 52/53 „Diffusion und Osmose”zuhilfe.In Abb. 1 wird ein Überblick zum Transport durch Biomembranen dargestellt. Der Transport in die Zelle und aus der Zelle, der Zelltransport, gliedert sich in einen passiven und einen aktiven Transport. Beim passiven Transport gleicht sich die Anzahl der Moleküle von der Seite der höheren Konzentration zur Seite der niedrigen Konzentration an. Beim aktiven Transport werden die Moleküle gegen den Konzentrationsgradienten befördert. Er benötigt immer Energie. Der passive Transport gliedert sich in die einfache und die erleichterte Diffusion. Die Diffusion ist die ungerichtete Bewegung aufgrund der Brown‘schen Molekularbewe-gung, die zu einer Durchmischung führt. Von einer erleichterten Diffusion durch die Biomembran spricht man, wenn sie durch Carrier vermittelt wird oder durch Kanäle in der Membran verläuft und keine Energie benötigt. Hierbei handelt es sich um inte- grale Proteine. Der Transport in Richtung des Konzentrationsausgleichs wird beschleunigt. Die vereinfachte Diffusion wird daher auch kanalvermittelte Diffusion über Kanalproteine und carriervermittelte Diffusion über Carrier-Proteine in der Membran unter-teilt. Die Diffusion an der Biomembran entspricht der Osmose, da hier eine selektiv permeable (semipermeable) Membran vorliegt und nicht alle Teilchen frei diffundieren können. Die Konzentration in der Zelle kann daher gleich der Konzentration außerhalb der Zelle sein: isotonisch, oder höher sein: hypertonisch, oder niedriger sein: hypotonisch. Der aktive Transport wird unterteilt in Pum-pen und Vesikel. Der Transport über Vesikel spielt eine große Rolle bei großen Molekülen. Diese werden mithilfe der Endocytose in kleinen Vesikel aus der Zellumgebung aufgenommen und in diesen Vesikeln innerhalb der Zelle transportiert. Bei der Exocytose werden große Moleküle in Vesikeln verpackt aus der Zelle heraustransportiert. Bei beiden Vorgängen spielen das Cyto skelett und die Motorproteine eine Rolle. Bei den Pumpen handelt es sich um energieabhängige Transporter in der Biomembran gegen ein Konzentrationsgefälle. Man unterscheidet hier einen sekundär aktiven Transport und einen primär aktiven Transport. Ein primär aktiver Transport wird durch eine Energiequelle angetrieben, z. B. ATP oder Lichtenergie. Der sekundär aktive Transport gegen den Konzentrationsgradienten wird durch einen gleichzeitigen Transport in Richtung des Konzentrationsgradientens angetrieben. Dieser gleichzeitige Transport geht in eine Richtung (Symport) oder in entgegengesetzte Richtung (Antiport).

2 StellenSiedenUnterschiedzwischendemaktivenundpassivenTransportheraus.BerücksichtigenSiehierbei,dassProteineinnerhalbderMembranbeibeidenTransportvorgängeneineRollespielen.Der Unterschied zwischen dem aktiven und passiven Transport liegt bei den integralen Proteinen in der Biomembran. Der passive Transport erfolgt immer in der Richtung des Konzentrationsgradienten und benötigt keine zusätzliche Energie. Der aktive Trans-port erfolgt gegen den Konzentrationsgradienten und benötigt immer eine Energiezufuhr.

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Zellen werden erkannt (Seite 63)

1 BeschreibenSieinAbb.1dievierBlutgruppenundvergleichenSiediesemiteinander.NehmenSiehierzudieTexte eBook S. 64/65 „Zellen werden erkannt”zuhilfe.In Abb. 1 sind die AB0-Blutgruppen mit der unterschiedlichen Glykokalyx schematisch dargestellt. Auf der Zellmembran befinden sich neben den Proteinen auch Kohlenhydrate, wie ein Zuckermantel. Dieser wird als Glykokalyx bezeichnet. Er besteht aus unterschiedlichen Zuckern mit unterschiedlicher Kettenlänge. Die Zusammensetzung ist genetisch bedingt und daher spezifisch für Zellen, Antigene. Blutgruppe A und B sind durch eine spezifische Zusammensetzung der Glykokalyx gekennzeichnet und wer-den vom Körper als richtige oder falsche Blutgruppe erkannt. Die Abb. 1 zeigt, dass Blutgruppe A und B verschiedene Kombinatio-nen haben, während AB beide trägt. Die Blutgruppe 0 hat zwar auch eine, jedoch entspricht sie keiner der anderen.

2 ÜbertragenSiedieÜberlegungenzuAbb.1aufdieDarstellunginAbb.2underläuternSiekurz,welcheBlutgruppennichtmiteinandervermischtwerdenkönnen.Abb. 2 stellt schematisch die Blutgruppen und die Antikörper dar. Werden bei einer Bluttransfusion zwei Blutgruppen miteinander gemischt, werden nicht nur die Roten Blutzellen gemischt, sondern auch die Antikörper. Es kommt daher in jedem Fall zu einer Verklumpung. Die Intensität ist jedoch unterschiedlich. Menschen besitzen die Antikörper gegen die Antigene, die sie nicht besit-zen. Menschen mit der Blutgruppe A besitzen Antikörper gegen Antigen B, Menschen mit der Blutgruppe B besitzen Antikörper gegen Blutgruppe A, Menschen mit der Blutgruppe 0 besitzen Antikörper gegen die Antigene A und B, Menschen mit der Blut-gruppe AB besitzen keine der beiden Antigene. Bei der Transfusion von Blutgruppe A auf Blutgruppe B laufen zwei Reaktionen ab: a) Die A spezifischen Antiköper des Empfängers reagieren mit den gespendeten A-Erythrocyten. b) Die B spezifischen Antikörper im Spenderblut reagieren mit den B-Erythrocyten. Die Reaktion b) spielt keine so große Rolle, da nur wenige Antikörper und Antigene zusammen kommen. Reaktion a) führt zu einer deutlichen Verklumpung. Bei der Übertragung von B auf A ist es umgekehrt. Bei der Übertragung von AB auf A oder B tritt immer der Effekt a) ein. Bei der Übertragung von 0 auf A, B oder AB tritt nur Effekt b) ein. Bei AB als Empfänger ist nur der Effekt b) vorhanden. Blutgruppe 0 ist der Universalspender, Blutgruppe AB der Universalempfänger.

Der Golgi-Apparat —Stoffverteiler der Zelle (Seite 65)

1 BeschreibenSiedieVorgängeinAbb.1underläuternSiehierandieBedeutungdesGolgi-Apparats.Abb. 1 zeigt die Proteinsortierung und Zielbestimmung beim Vesikeltransport. Im ER werden Proteine an den Ribosomen gebildet. Diese haben spezifische Aufgaben an konkreten Orten in der Zelle oder außerhalb der Zelle. Hierzu werden sie mit unterschiedli-chen Zuckern für den jeweiligen Bestimmungsort gekennzeichnet. Im Golgi-Apparat werden diese Proteine nach ihren Zucker- anhängen geordnet und jeweils in Vesikeln zu den Verschiedenen Zielorten transportiert. Zum schnellen Transport dienen das Cytoskelett und Motorproteine. Die Vesikel haben spezifische Proteine auf der Biomembran, die zu den jeweiligen Rezeptoren am Zielort passen. Dort werden dann die Proteine aus dem Vesikel innerhalb der Zelle freigesetzt, z. B. in den Lysosomen.

2 BeschreibenSiedieVorgängeinAbb.2.ErklärenSiedasZusammenspieldesERunddesGolgi-Apparats.BeziehenSiehierzudieInformationenin eBook S. 66/67 „Der Golgi-Apparat — Stoffverteiler der Zelle”unterdemAspektderHormonsekretionmitein.Die Synthese, Verpackung und Freisetzung eines Hormons ist Abb. 2 dargestellt. Von den Ribosomen werden Proteine synthetisiert und über ihre Erkennungsregionen in das ER aufgenommen. Dieses Protein ist in diesem Fall eine Vorstufe eines Hormons, ein Prohormon. Diese Vorstufen haben noch nicht die für das Hormon spezifische räumliche Struktur. In Vesikeln werden die Prohor-mone über das Cyto skelett und Motorproteine zum Golgi-Apparat transportiert. Hier erfolgt der Umbau in die funktionsfähige Struktur des Hormons. Die stabilisierenden Teile des Prohormons werden entfernt. Das funktionsfähige Hormon wird in Vesikeln über das Cytoskelett zur Zelloberfläche transportiert und dort über die Zellmembran in die Lymphe abgegeben (Exocytose). Aus der Lymphe gelangt das Hormon in das Blutsystem und wird zum Bestimmungsort im Körper transportiert.

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2 Energiestoffwechsel

Enzyme und Biokatalysatoren (Seite 67)

1 Beschreiben Sie die Vorgänge in Abb. 1 und 2 und erklären Sie die Vorgänge mithilfe des Textes und eBook S. 72 „Enzyme sind Biokatalysatoren”. Abb. 1 und 2 sind schematisch Teilchen dargestellt. Die Darstellung bezieht sich auf die Modellvorstellung der Stoßtheorie. Die verschiedenen rot und grün dargestellten Teilchen stoßen zusammen. In Abb. 1 reicht die Energie nicht für eine Reaktion aus, sie fliegen unverändert weiter. In Abb. 2 reicht die Energie zur Bildung eines Übergangszustandes aus. Dadurch können die beiden Teilchen eine Verbindung eingehen. Die Geschwindigkeit der Teilchen ist temperaturabhängig.

2 Beschreiben Sie die Kurvenverläufe in Abb. 3 und erläutern Sie diese unter dem Aspekt der Stoßtheorie sowie der notwendi-gen Aktivierungsenergie. In Abb. 3 ist die Anzahl der Teilchen gegen die Geschwindigkeit der Teilchen dargestellt. Die drei Kurven beziehen sich auf unter-schiedliche Temperaturbereiche: niedrige, mittlere und hohe Temperatur. In einem Stoff liegen nicht alle Teilchen mit der gleichen Geschwindigkeit und der gleichen Energie vor, sondern wie im Diagramm dargestellt mit verschiedenen Geschwindigkeiten. Bei hohen Temperaturen liegt das Maximum der Teilchenverteilung bei höheren Geschwindigkeiten als bei mittleren Temperaturen im mittleren Geschwindigkeitsbereich und bei niedrigen Temperaturen liegt der Schwerpunkt bei langsameren Teilchen. Der farbig unterlegte Bereich des Diagramms zeigt den Anteil der Teilchen bei den verschiedenen Temperaturen an, welche die notwendige Geschwindigkeit (Energie), für den Übergangszustand besitzen. Der Anteil dieser Teilchen ist bei der hohen Temperatur am höchs-ten. Die Aktivierungsenergie senkt die notwendige Energie für den Übergangszustand, der farbige Bereich rutscht weiter nach links in den Bereich der geringeren Energie.

3 Erläutern Sie anhand des Textes und von Abb. 3, was sich bei der Zugabe eines Katalysators ändert. Durch einen Katalysator können auch bei niedrigeren Temperaturen mehr Teilchen in den Übergangszustand gelangen. Die not-wendige Energie für den Übergangszustand wird gesenkt. Hierdurch sind auch bei niedrigeren Temperaturen genügend Teilchen vorhanden, die einen Übergangszustand bilden können. Daher reagieren im gleichen Zeitraum mehr Teilchen miteinander als ohne Katalysator.

4 In Abb. 4 ist ein Cartoon als Modellvorstellung zur Wirkung von Katalysatoren dargestellt. Erklären Sie, welche Bedeutung die Darstellungen haben und welchen Sachzusammenhang man erklären kann. Der Cartoon zeigt Frösche, die versuchen, über eine Mauer in ein anderes Wasserbecken zu springen. Durch das Verringern der Mauerhöhe gelangen mehr Frösche gleichzeitig in das andere Becken als bei der hohen Mauer. Dies ist eine Modellvorstellung in Form eines Cartoons, der Teilchen als Frösche, die Reaktion als Springen in ein anderes Becken und die Mauer als Aktivierungs-energie darstellt. Der Cartoon stellt ein einfaches Verständnismodell für die Bedeutung des Katalysators dar.

Enzyme bei allen Stoffwechselprozessen (Seite 69)

1 Stellen Sie jeweils die Aussage der vier Beispiele in Bezug auf Enzymeigenschaften in einem kurzen Text dar. Die Beispiele stellen aus der großen Vielzahl der Enzymeigenschaften vier Eigenschaften exemplarisch dar. Beispiel 1 zeigt die spezifische Reaktion von Enzymen bei Kondensationsreaktionen. Diese spielen eine Rolle bei der Speicherung der Kohlenhydrate in Form von Glykogen in der Leber oder im Muskel (Energiespeicherung in den Zellen). Beispiel 2 zeigt die enzymatische Reaktion der Hydrolyse. Diese ist notwendig um das Glykogen wieder in die Zuckerbausteine zu zerlegen, um sie z. B. für die Muskelarbeit zu nutzen (Energiebereitstellung in den Zellen). Beispiel 3 zeigt die Synthese von Stoffen, die nicht dem Energiehaushalt sondern dem Schutz oder Insektenanlockung dienen. Hier zeigt sich, dass Reaktionsketten zu den verschiedenen Produkten führen können. Beispiel 4 zeigt allgemein das aktive Zentrum und die Substrate sowie den Übergangszustand, der zu den Produkten führt. Hier-bei spielt auch die Affinität der Stoffe zum aktiven Zentrum eine wichtige Rolle.

2 Erklären Sie, welche fachlichen Aussagen aus dem Text eBook S. 74/75 „Enzyme bei allen Stoffwechselprozessen” an den vier Beispielen dargestellt und ergänzt werden. Stellen Sie diese in einem kurzen Text zusammen. Es wird aus dem Text deutlich, dass Enzyme an allen Prozessen in lebenden Zellen beteiligt sind. Hierbei sind sie wirkungsspezi-fisch: Sie bauen Stoffe auf, z. B. Kondensation, sie bauen Stoffe ab, z. B. Hydrolyse, und sie sind substratspezifisch, da sie wie in Beispiel 3 deutlich wird immer nur eine Substanz der Synthesekette katalysieren. Beispiel 4 veranschaulicht dies auch durch die spezifisch angeordneten aktiven Zentren und die Form der Substrate.

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Die Reaktionsbedingungen bestimmen die Enzymaktivität (Seite 71)

1 Beschreiben Sie die Messdaten in Abb. 1 und fassen Sie in einem kurzen Text schriftlich zusammen, wodurch es zu der erhöh-ten Temperatur und zu den beschriebenen Wahrnehmungen kommt. In Abb. 1 ist über einen Zeitraum von fünf Stunden die Körpertemperatur eines Menschen dargestellt. Die Messwerte liegen in der ersten Stunde bei ca. 37,3 °C, danach steigen sie auf ca. 38,6 °C an. Verbunden ist der Anstieg mit einem Kältegefühl, Schüttelfrost und einer geringeren Hautdurchblutung. Die erhöhte Temperatur, die als Fieber bezeichnet wird, sinkt nach ca. drei Stunden wie-der auf ca. 37,3 °C. Diese Phase ist mit Hitzegefühlen, Schwitzen und einer starken Hautdurchblutung verbunden. Zu Fieber kann es im Körper durch verschiedene Substanzen kommen, die von Krankheitserregern ins Blut abgegeben werden. Diese Substanzen gelangen über das Blut zum Gehirn und wirken auf das thermoregulatorische Zentrum ein. Dies bewirkt einen Temperaturanstieg, der vom betroffenen Menschen als Kältegefühl wahrgenommen wird, da sich die Außentemperatur nicht verändert. Zittern und Schüttelfrost sind die Reaktionen. Das Sinken der Körpertemperatur wird als Hitzegefühl und Schwitzen wahrgenommen, da sich der Körper auf die neue Temperatur eingestellt hatte.

2 Lesen Sie die Texte eBook S. 78/79 „Die Reaktionsbedingungen bestimmen die Enzymaktivität” und erläutern Sie anhand von Abb. 2, weshalb Fieber über 41 °C zu irreversiblen Organschäden und in schweren Fällen zum Tod führen kann. In Abb. 2 ist ein Enzym mit dem aktiven Zentrum und einem Substrat dargestellt. Die Enzymaktivität am aktiven Zentrum steigt mit zunehmender Temperatur bis ca. 37 °C an danach, fällt sie steil bis 50 °C ab. Enzyme sind Proteine, die durch höhere Tempe-raturen denaturiert werden. Die Struktur sowie die räumliche Faltung des Enzyms und des aktiven Zentrums verändern sich, das Enzym ist nicht mehr funktionsfähig (inaktiv). Hierdurch können die Zellen in den Organen nicht mehr arbeiten. Auch die Tätigkeit des Gehirns wird verändert und führt bis zur Bewusstlosigkeit. Diese Veränderungen können, wenn sie lange anhalten, zum Tode führen.

Der Einfluss des Bindungspartners auf die Enzymaktivität (Seite 73)

1 Wissenschaftler untersuchen Enzyme mit der Fragestellung, welche Art von Hemmung bei Stoffwechselreaktionen in der Zelle vorliegt. Hierzu werden die Enzyme isoliert und ein Hemmstoff hinzugegeben. Anschließend geben sie unterschiedliche Substratkonzentrationen zu den Enzymen hinzu und messen die jeweilige Reaktionsgeschwindigkeit. Mit zunehmender Subs-tratkonzentration nimmt die Hemmung bei der Messung ab. Erklären Sie anhand der Modelle in Abb. 1 und 2 sowie eBook S. 80/81 „Der Einfluss des Bindungspartners auf die Enzymaktivität”, welche Hemmung hier vorliegt. Begründen Sie Ihre Überlegungen schriftlich. Gehen Sie hierbei auch auf die Affinität der jeweiligen Substanzen zum Enzym ein. In Abb. 1 wird die kompetitive Hemmung als Modellvorstellung dargestellt. Die beiden Substrate können nicht am aktiven Zentrum binden, da ein ähnlich gebauter Hemmstoff in dieses aktive Zentrum passt und dieses belegt. In Abb. 2 ist die allosteri-sche Hemmung dargestellt. Durch den Hemmstoff verändert sich der räumliche Aufbau des Enzyms und damit auch des aktiven Zentrums. Das Substrat passt nicht mehr. Wird eine Hemmung durch Zugabe von Substrat wieder reduziert liegt eine kompetitive Hemmung vor. Mit Zunahme der Substratmoleküle konkurrieren mehr Substratmoleküle um das aktive Zentrum als Hemmstoff-moleküle. Auch bei einer höheren Affinität des Hemmstoffs zum aktiven Zentrum kommt es mit einer Konzentrationserhöhung des Substrats zum Austausch, wie das Kohlenmonoxid am Hämoglobin zeigt.

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Enzymregulation (Seite 75)

1 Die Stoffwechselwege in der Zelle können durch verschiedene Mechanismen reguliert werden. Stellen Sie diese anhand des Textes in einem Schaubild zusammen. Enzymregulation kann auf verschiedenen Wegen erfolgen:

2 Stellen Sie anhand der Abb. 1 und eBook S. 82 „Enzymregulation” die Methoden der Regulation der Saccharose-Synthese zusammen und erläutern Sie diese. Stellen Sie die Ergebnisse in Form eines Textes oder grafisch dar. Abb. 1 stellt vereinfacht die Regulation der Enzymaktivitäten bei der Stärkesynthese im Chloroplasten und den dazugehörenden Pflanzenzellen bei Belichtung und bei Dunkelheit dar. In Konkurrenz hierzu läuft die Saccharosesynthese im Cytoplasma. Saccha-rose (Haushaltszucker) wird als Transportzucker aus den grünen Pflanzenzellen in die nicht grünen Bereiche der Pflanze transpor-tiert und spielt eine große Rolle bei der Energiespeicherung und -bereitstellung in Form der daraus gebildeten Stärke. Hierzu sind verschiedene Enzyme notwendig. Im Tageslicht werden über die Fotosynthese C3-Bausteine synthetisiert, die über Enzyme zur Glucose und Stärke aufgebaut werden. Die Enzyme werden durch einen Aktivator aus dem Cytoplasma aktiviert. Dies führt zu einem gesteigerten Stärkeaufbau im Chloroplasten. Der Aktivator entsteht, wenn die Saccharose-Konzentration im Cytoplasma sehr hoch ist. Diese Konzentration entsteht durch die Abgabe von C3-Bausteinen ins Cytoplasma und deren Aufbau zur Saccharose. Gleichzeitig werden weniger C3-Bausteine ins Cytoplasma abgegeben. Hierdurch steigt die Stärkesynthese ebenfalls. In der Nacht wird aus Stärke über die Glucose Saccharose als Transportzucker synthetisiert. Der Aktivator entfällt, da die Saccharose durch den Transport geringer wird. Die Enzyme zum Stärkeaufbau werden nicht mehr aktiviert. Das Stärke abbauende Enzym Amylase ist nun entscheidender.

Säugetiere haben unterschiedliche Herzschlagfrequenzen (Seite 77)

1 In Abb. 1 ist ein Modellexperiment dargestellt. Bei diesem werden zwei unterschiedlich große Rundkolben mit warmem Was-ser gefüllt und in ein Stativ gespannt. In regelmäßigen Abständen wird die Temperatur des Wassers gemessen. Beschreiben Sie mithilfe der Messwerte aus Abb. 2 das Ergebnis des Modellexperiments. Das in Abb. 1 dargestellte Modellexperiment stellt einen Versuch zur Abkühlung von zwei unterschiedlich großen Rundkolben dar. Beim 100 ml und 1000 ml Rundkolben geht die Temperatur innerhalb von 25 min zurück. Die Ausgangstemperatur ist bei beiden Kolben mit 75 °C und 77 °C etwa gleich. Nach 25 min ist die Temperatur beim 100 ml Kolben auf 51 °C stärker gefallen als im 1000 ml Kolben mit 67 °C. Dies bedeutet, dass kleinere Volumen die Wärme schneller an die Umgebung abgegeben als größere.

2 Erläutern Sie mithilfe des Modellexperiments und eBook S. 86 „Säugetiere haben unterschiedliche Herzschlagfrequenzen”, welche Aussagen zum Energiehaushalt der Etruskerspitzmaus gemacht werden können. Gehen Sie hierbei auch darauf ein, dass das Verbreitungsgebiet nicht in nördlichen Ländern zu finden ist. Das Modellexperiment zeigt, dass die an die Umgebung abgegebene Körperwärme bei kleineren Rundkolben größer ist als bei größeren. Dies ist ein Modell für die Körperwärmeabstrahlung homoiothermer Tiere, wie z. B. der Etruskerspitzmaus. Der sehr kleine Körper der Etruskerspitzmaus gibt sehr viel Wärme an die Umgebung ab. Diese Energie muss über den Stoffwechsel wieder zur Verfügung gestellt werden. Die hohe Herzschlag- und Atemfrequenz sowie die ständige Suche nach Nahrung unterstützen diese Annahme. Das Verbreitungsgebiet liegt in warmen Regionen um das Mittelmeer. In nördlichen Ländern wäre die Umge-bungstemperatur zu gering und die Wärmeabstrahlung höher. Ebenfalls wäre der Zeitraum der notwendigen Nahrungsaufnahme geringer.

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schnelle Reaktion: Hemmung oder Aktivierung der vorhandenen Enzyme

Neusynthese genetisch festgelegt. Menge der Enzyme kann je nach Bedarf variieren

Stofwechselregulation in der Zelle

verschiedene Zellkompartimente, Austausch der Substrate für die Enzyme kann reguliert werden



Messen des Energieumsatzes (Seite 79)

1 Beschreiben Sie in Abb. 2 den Aufbau und die Funktion eines Kalorimeters. Nehmen Sie hierzu den Text eBook S. 88 „Messen des Energieumsatzes” zuhilfe. In Abb. 2 ist ein Kalorimeter dargestellt. Mithilfe des Kalorimeters kann der Brennwert (Energiegehalt) der einzelnen Nährstoffe ermittelt werden. Das Kalorimeter besteht aus einem Gefäß mit Isoliermantel. Dieser verhindert, dass die entstandene Wärme nach außen abgegeben wird. In dem Gefäß befindet sich eine festgelegte Menge Wasser, das durch die Verbrennung der Testsub-stanzen erwärmt wird. In dem Wasser befindet sich die Brennkammer mit einer definierten Menge der Testsubstanz. Diese wird mit reinem Sauerstoff gefüllt, sodass die Reaktion gut ablaufen kann. Gezündet wird die Verbrennungsreaktion elektrisch über zwei Kabel, die in die Brennkammer führen. Die Temperatur und Temperaturdifferenz des Wassers wird mit einem Thermometer gemessen.

2 Beschreiben Sie in Abb. 1 den Zusammenhang zwischen dem Brennwert, des kalorischen Äquivalents und des respiratori-schen Quotienten. Nehmen Sie hierzu den eBook S. 88 „Messen des Energieumsatzes” zuhilfe. In Abb. 1 sind am Beispiel der Glucosereaktion mit Sauerstoff der Brennwert, das kalorische Äquivalent und der respiratorische Quotient dargestellt. Bei dieser Reaktion reagiert 1 mol Glucose mit 6 mol Sauerstoff. Hierbei entstehen 6 mol Kohlenstoffdioxid und 6 mol Wasser. Der Brennwert, ist die Energie, die bei der Reaktion mit 1 g Sauerstoff frei wird in kJ (-15,7 kJ/g). Bezieht man die frei gewordene Energie nicht auf 1 g Glucose sondern auf 1 Liter Sauerstoff erhält man das kalorische Äquivalent (-21 kJ/lO2). Berechnet man den benötigten Sauerstoff in Mol in Bezug auf das entstandene Kohlenstoffdioxid erhält man den respiratori-schen Quotienten. Da bei der Reaktion 6 mol Sauerstoff benötigt werden und 6 mol Kohlenstoffdioxid dabei entstehen, beträgt der Quotient 1,0. Da bei den Leistungsmessungen beim Menschen die Atemgase untersucht werden, sind das kalorische Äquiva-lent und der respiratorische Quotient sehr wichtig.

3 Erläutern Sie, weshalb der Energieumsatz im Körper nicht direkt zu messen ist, sondern indirekt über die Menge des Sauer-stoffverbrauchs und der Kohlenstoffdioxidzunahme. Die direkte Kalorimetrie setzt einen isolierten Raum voraus, in dem die Temperaturänderung bei einer körperlichen Leistung gemessen wird. Dies ist technisch z. B. bei sportlichen Aktivitäten nicht möglich oder zu ungenau. Die Messung des Sauerstoffver-brauchs mit einer Atemmaske ist sehr viel einfacher und besser einsetzbar. Dies gilt auch für die Zunahme des Kohlenstoffdioxids. Gleichzeitig kann über den respiratorischen Quotienten ermittelt werden, welche Nährstoffe hauptsächlich für den Energiestoff-wechsel genutzt werden.

Sauerstofftransport im Blut (Seite 81)

1 Beschreiben Sie die Vorgänge und Messwerte in Abb. 2 und erläutern Sie diese mithilfe eBook S. 90 „Sauerstofftransport im Blut” schriftlich. In Abb. 1 ist der Gasaustausch an der Alveole und im zugeordneten Diagramm der Sauerstoff- und Kohlenstoffdioxidpartialdruck in Abhängigkeit des Kontakts zur Alveole schematisch dargestellt. In dem Schema werden die Erythrocyten dem Gasaustausch in der Alveole zugeordnet. Der Partialdruck, die Konzentration der Gase, in der Alveole beträgt für den Sauerstoff 13,33 PO2 und für das Kohlenstoffdioxid 5,33 PCO2. In der Blutkapillare ändern sich innerhalb von ca. 0,75 s die jeweiligen Partialdrücke. Dies ist der Zeitraum, den das Blut an der Kapillare entlang fließt. Kommt das Blut mit den Erythrocyten zur Alveole, beträgt der Partialdruck des Sauerstoffs ca. 5 kPa. Da in der Alveole ein sehr viel höherer Partialdruck von 13,33 kPa vorliegt, diffundiert der Sauerstoff aus der Alveole in die Kapillare. Der Sauerstoffpartialdruck in der Kapillare steigt dadurch auf ca. 13 kPa am Ende der Alveole an. Beim Kohlenstoffdioxid liegt der Partialdruck in der Kapillare vor der Alveole bei ca. 6,5 kPa, das Diffusionsgefälle liegt dadurch in Richtung der Alveole. Die Diffusionsrichtung gibt daher die Richtung des Gasaustauschs vor.

2 Beschreiben Sie die Messwerte in Abb. 3 und 4 und erklären Sie daran die maximale Sauerstoffaufnahme in den verschiede-nen Höhenstufen. Das Schema in Abb. 3 gibt die Partialdrücke in verschiedenen Höhen in den Alveolen und Kapillaren an. Der Luftdruck nimmt von 101,3 kPa in Meereshöhe auf 50,6 kPa in 5600 m ab. Da der Anteil des Sauerstoffs in der Luft immer ca. 21 % beträgt sinkt der Par-tialdruck von 21,3 auf 10,5 kPa. Dadurch sinkt das Konzentrationsgefälle zwischen Alveole und Lungenkapillare. In der Lungenka-pillare geht der Partialdruck daher von 13,3 auf 5,5 kPa zurück. Dies wird auch im Schema durch die geringere Anzahl von Teilchen in der Alveole veranschaulicht. Durch die geringere Sauerstoffkonzentration im Blut wird wenig Sauerstoff im Körpergewebe, z. B. Gehirn oder Muskeln, abgegeben. Im Diagramm (Abb. 4) wird die Sauerstoffaufnahme in Prozent bezogen auf die Meereshöhe in verschiedene Höhen angegeben. Die maximale Sauerstoffaufnahme erfolgt auf Meereshöhe mit 100 %. Bei 4000 m Höhe beträgt sie nur noch ca. 85 %, bei 6000 m ca. 60 %. Die Leistungsfähigkeit eines Menschen ohne Höhenanpassung sinkt daher mit zuneh-mender Höhe.

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Erythrocyten transportieren den Sauerstoff (Seite 83)

1 Beschreiben Sie in einem kurzen Text den Unterschied zwischen dem fetalen Kreislauf und dem Kreislauf nach der Geburt. In Abb. 1 sind der Blutkreislauf eines Fetus und der Blutkreislauf nach der Geburt dargestellt. Beim fetalen Blutkreislauf fließt das Blut über die Nabelschnur zur Plazenta. Das Blut hat eine mittel-niedrige Konzentration an Sauerstoff vor der Plazenta, nach dem Austausch in der Plazenta eine hohe Konzentration. Über die Nabelvene gelangt das sauerstoffreiche Blut zum Herzen und wird dort mit dem sauerstoffarmen Blut gemischt, sodass die Konzentration nur mittel-hoch ist. Da die Lunge des Fetus noch keine Be-deutung hat, ist deren Durchblutung gering und das Blut des Lungenstamms geht direkt über den Ductus arteriosus in die Aorta. Im Herzen fließt Blut auch aus dem rechten Vorhof über das Foramen ovale in den linken Vorhof. Im Fetus ist daher der Sauer-stoffgehalt im Blut nur zwischen mittel-hoch und mittel-niedrig (Mischblut). Nach der Geburt hat die Plazenta keine Bedeutung mehr. Die Nabelvene bildet sich zurück und das Foramen ovale im Herzen schließt sich. Dadurch sind der Lungenkreislauf und der Körperkreislauf getrennt. Der Ductus arteriosus bildet sich ebenfalls zurück und die Lunge wird voll durchblutet. Durch diese Änderungen ist das Blut nach der Geburt sauerstoffreich und sauerstoffarm und kein Mischblut mehr.

2 Beschreiben Sie die Messwerte in Abb. 2 und erläutern Sie diese mithilfe eBook S. 91 „Erythrocyten transportieren den Sauerstoff“, weshalb der Sauerstoffaustausch für den Fetus gesichert ist. In Abb. 2 ist das Sauerstoffbindungsvermögen vom fetalen Hämoglobin und dem Hämoglobin nach der Geburt als Sauerstoff- sättigung in % gegen den Sauerstoffpartialdruck in hPa dargestellt. Das Hämoglobin nach der Geburt entspricht auch dem Hämoglobin der Mutter. Die beiden Kurven haben einen ähnlichen Verlauf, jedoch ist die Sättigung des fetalen Blutes schon bei einem geringen Partialdruck erreicht als die des Blutes nach der Geburt. Bei einem Sauerstoffpartialdruck von ca. 29 hPa sind 50 % des fetalen Hämoglobins gesättigt. Bei dem Blut nach der Geburt sind hierzu ca. 40 hPa notwendig. Das Hämoglobin des Fetus ist schon bei geringen Partialwerten gesättigt. Dadurch ist gesichert, dass das fetale Blut immer Sauerstoff über die Pla-zenta erhält, obwohl der Partialdruck mit 65 hPa geringer ist als an der Luft mit 213 hPa. Das fetale Hämoglobin hat eine höhere Affinität zum Sauerstoff als das nach der Geburt oder der Mutter. Gleichzeitig ist der Hämoglobingehalt 50 % höher als bei der Mutter. Der Zusammenhang ist vergleichbar mit dem Verhältnis von Myoglobin und Hämoglobin.

Regulation der Sauerstoffkonzentration im Blut (Seite 85)

1 Beschreiben und vergleichen Sie die Daten in Abb. 1. Gehen Sie hierbei auch auf die steigenden Partialdruckwerte ein. In Abb. 1 sind die Partialdrücke während des Tauchens mit angehaltener Luft dargestellt. Der Sauerstoffpartialdruck nimmt während des Tauchens zu, obwohl kein neuer Sauerstoff eingeatmet wurde, da der Wasserdruck auf den Körper und die Lungen von ca. 100 kPa auf ca. 200 kPa steigt. Der Sauerstoffpartialdruck beträgt vor dem Tauchen für Sauerstoff 13,3 kPa, für Kohlenstoff-dioxid 5,2 kPa. Beim Hyperventilieren vor dem Tauchgang steigt der Sauerstoffpartialdruck durch das intensive Aus- und Einatmen auf 15 kPa. Der Partialdruck des Kohlenstoffdioxids sinkt dadurch auf 3,5 kPa. Ein starkes Hyperventilieren führt zu einem weiteren Absinken des Kohlenstoffdioxidpartialdrucks (gestrichelte violette Linie).

2 Erklären Sie die Daten in Abb. 1 mithilfe eBook S. 92 „Regulation der Sauerstoffkonzentration im Blut”. Gehen Sie hierbei auch auf die Druckveränderungen in 10 m Tiefe ein. Erläutern Sie anhand dieser Aussagen, wie es zu einem „black out“ kom-men kann. Der Sauerstoffgehalt im Blut wird hauptsächlich durch die Messung des Kohlenstoffdioxidgehaltes im Blut reguliert. Durch die Hyperventilation wurde der Partialdruck des Kohlenstoffdioxids sehr stark vermindert, der des Sauerstoffs jedoch nur minimal erhöht. Das Signal zum Auftauchen durch den Partialdruck des Kohlenstoffdioxids bei ca. 6,6 kPa kommt daher erst später, wenn der Sauerstoffpartialdruck auf unter 10 kPa stark gesunken ist. Dies kann zu einer Unterversorgung des Gehirns mit Sauerstoff und Bewusstlosigkeit führen.

Sauerstoff und Nährstoffe (Seite 87)

1 Beschreiben Sie die Zusammenhänge in Abb. 1 und erläutern Sie diese mithilfe eBook S. 94 „Sauerstoff und Nährstoffe”. Die Zellen der verschiedenen Gewebe müssen mit Nährstoffen und Sauerstoff versorgt werden. Gleichzeitig müssen die Abfallstoffe wie Kohlenstoffdioxid oder Harnstoff aus dem Gewebe und dem Körper entfernt werden. In Abb. 1 werden diese Zusammenhänge dargestellt. Hierbei ist der Blutkreislauf der zentrale Ausgangspunkt. Die Verteilung der aufgenommen Stoffe im Körper und der Regulation der Kreislaufintensität über das Gehirn sind für das Funktionieren des Körpers notwendig. Hierbei spielen Lunge und Darm sowie Leber, Niere und Haut eine große Rolle.

2 Gehen Sie in Abb. 1 auf den jeweiligen Austausch zwischen der Umgebung und dem Blut, sowie zwischen dem Blut und den Zellen ein. Erläutern Sie hierbei die Vorgänge unter dem Aspekt der Osmose und des aktiven Transports. Die Zellen mit der sie umhüllenden Biomembran sind umgeben von Blutgefäßen. Dazwischen liegt der Zellzwischenraum, der mit Lymphe gefüllt ist. Die verschiedenen Substanzen diffundieren in oder aus der Zelle und werden dann über das Blut transportiert sowie verteilt. Die Festlegung der Diffusionsrichtung entspricht dem Konzentrationsgefälle. Die Aufnahme der verschiedenen Stoffe in die Zelle oder der aus der Zelle erfolgt über die Biomembran als osmotischer Vorgang. Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid gelangen über Lunge in oder aus dem Körper. Nährstoffe, Salze und Wasser gelangen über den Dünndarm in den Körper und in das Blut. Das Blut sorgt für den aktiven Transport. Über das Gehirn wirken sowohl äußere Signale, wie Wärme Kälte bzw. Gefahr, als auch innere Signale, wie der Kohlenstoffdioxidgehalt im Blut, Durst oder Hungergefühle, auf den Blutkreislauf ein. Alle Stoffe werden über die Leber geleitet und zum Teil abgebaut (entgiftet). Die Ausscheidung der Giftstoffe, des Wassers und der Salze erfolgt über die Niere und die Haut.

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Mitochondrien: Energiekraftwerke (Seite 89)

1 Erläutern Sie, weshalb mithilfe der elektronenmikroskopischen Untersuchungen keine Aussagen zur Funktion der Organellen, wie z. B. der Mitochondrien, gemacht werden können. Untersuchungen der Zelle laufen unter dem Aspekt des Aufbaus und der Funktion. Der Aufbau ist mikroskopisch und elektronen-mikroskopisch erforscht worden. Über die mikroskopisch nachweisbare Menge von Mitochondrien in verschiedenen Geweben können nur Aussagen zur Stoffwechselaktivität gemacht werden. Die molekularen Vorgänge sind jedoch nicht sichtbar, sondern können nur indirekt durch chemische Nachweise untersucht werden.

2 Beschreiben Sie die Zusammenhänge in Abb. 1 und erläutern Sie diese mithilfe eBook S. 96 „Mitochondrien: Energiekraft‑ werke”. Gehen Sie hierbei auf die Bedeutung der Tracer für Stoffwechseluntersuchungen ein. Die Konzentrationen der verschiedenen Stoffe sind sehr gering und bei der Erforschung der Stoffwechselwege war unklar, welcher Stoff aus welchem umgebaut wird. Tracer sind daher notwendig um die verschiedenen Moleküle in den Mitochondrien zu erforschen. Mit ihnen lassen sich Moleküle und deren Veränderung verfolgen. In Abb. 1 wird radioaktiv markierte Glucose mit Mitochondrien zusammengegeben. Es kann dadurch untersucht werden, ob Glucose in die Mitochondrien gelangt und welche Reaktionen beim Energiestoffwechsel ablaufen. Mithilfe der Dichtegradientenzentrifugation werden die Mitochondrien und die markierten Tracer getrennt sowie die verschiedenen Zonen anschließend auf ihre Radioaktivität untersucht. Die Bedeutung der Tracer liegt in dem Nachweis auch sehr kleiner Konzentrationen von Stoffen in Stoffwechselwegen.

Leben braucht Energie (Seite 91)

1 In Abb. 1 ist die Energiekopplung als Modellvorstellung dargestellt. Ordnen Sie die Begriffe „endergonisch“ und „exergonisch“ den Darstellungen zu und begründen Sie Ihre Aussage. In Abb. 1 wird die Energiekopplung als Schema verdeutlicht. Eine Kugel kann freiwillig herunterrollen. Dieser Vorgang ist exergo-nisch, da die Kugel nach dem Fall weniger Energie besitzt. Im zweiten Beispiel wird verdeutlicht, dass ein Würfel nicht allein in die Luft fliegen kann, da er hierzu Energie aufnehmen müsste, eine endergonische Reaktion. Im dritten Beispiel wird die Kombination der exergonischen und endergonischen Reaktion gekoppelt dargestellt. Hierbei kann der Würfel in die Luft fliegen, da er die Ener-gie der herabrollenden Kugel erhält.

2 Beschreiben Sie die Vorgänge in Abb. 2 und erklären Sie den Vorgang schriftlich. Nutzen Sie hierzu den Text eBook S. 98/99 „Leben braucht Energie”. Abb. 2 stellt die Energiekopplung bei der ATP-Synthese dar. ATP kann aus ADP gebildet werden, wenn Reaktionen energiereicherer Verbindungen mit diesem Vor gang gekoppelt sind. Die Spaltung der energiereichen Phosphatbindung liefert die Energie für die ATP-Bildung. Diese Verbindung wird dabei energieärmer, das ATP energiereicher.

3 Beschreiben Sie die Reaktionen in Abb. 3 und erklären Sie schriftlich, weshalb die direkte Reaktion der Fructose und Glucose in der Zelle nicht möglich ist, jedoch die gekoppelte Reaktion. Gehen Sie hierbei auch auf die angegebenen Energiewerte ein. In Abb. 3 wird die Energiekopplung bei der Saccharosesynthese dargestellt. Saccharose wird aus Fructose und Glucose syntheti-siert. Für diese Reaktion werden 23 kJ benötigt, sie kann daher direkt nicht ablaufen. Die Reaktion läuft daher nicht mit Glucose, sondern mit Glucose-1-Phosphat, das durch die Reaktion von Glucose mit ATP entsteht. Danach verbindet sich die Fructose mit dem Glucose-1-Phosphat zur Saccharose. Bei dieser Reaktion werden 7,5 kJ abgegeben, da bei der Reaktion von ATP zu ADP und Phosphat 30,5 kJ frei und nur 23 kJ benötigt werden.

Glucose wird zerlegt: Glykolyse (Seite 93)

1 Beschreiben Sie kurz die Abb. 1 und erklären Sie die Bedeutung der verschiedenen Abschnitte in der Glykolyse. Nutzen Sie hierzu den Text eBook S. 100 „Glucose wird zerlegt: Glykolyse”. In Abb. 1 ist die Glykolyse in einem vereinfachten Schema dargestellt. Im ersten Teil wird ATP verbraucht und aus Glucose Glucose-6-phosphat bzw. Fructose-1,6-biphosphat gebildet. Hierdurch ist das Molekül energiereicher und weniger reaktionsträge. Das Glu-cose-6-Phosphat-Molekül kann die Zelle nicht wieder verlassen. Die Spaltung in 2 C3-Körper, die Phosphoenolglycerinsäure, kann erfolgen. Bei der Reaktion zur Brenztraubensäure, die in die Mitochondrien aufgenommen wird entsteht ATP und NADPH + H+.

2 Erläutern Sie anhand von Abb. 2 die einzelnen Schritte in der Glykolyse, weshalb ATP benötigt oder gebildet wird. Gehen Sie hierbei auch auf die Energiekopplung ein. In Abb. 2 ist der Energiegehalt von verschiedenen Molekülen bei der Phosphatabspaltung dargestellt. Anhand des Energie- gehalts bei der Phosphatabspaltung kann man erkennen, ob die Energiekopplung bei endergonischen Reaktionen vorhanden ist. Bei der Synthese von ATP aus ADP muss die Energie von anderen exergonischen Reaktionen geliefert werden. Die Energie muss größer sein als die zur Bildung von ATP notwendige Energie. Alle Verbindungen oberhalb der ATP, wie z. B. Phosphoenolpyruvat und Phosphoglycerinsäure, können daher unter Abgabe der Phosphatgruppe die ATP-Synthese aus ADP in dem zweiten Teil der Glykolyse ermöglichen. Im ersten Teil der Glykolyse kann z. B. Glucose-6-Phospat nur unter Abspaltung der Phosphatgruppe von ATP entstehen, da der Energiegehalt geringer als im ATP ist.

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Der Citronensäurezyklus (Seite 95)

1 Beschreiben Sie kurz Abb. 1 unter dem Aspekt der Vorgänge des Glucoseabbaus und des entstehenden Kohlenstoffdioxids. Nutzen Sie hierzu eBook S. 101 „Der Citronensäurezyklus”. Die aktivierte Essigsäure wird mit der Oxalessigsäure zur Citronensäure. Anhand der radioaktiv markierten Kohlenstoffatome kann man erkennen, dass das Molekül unverändert mit dem Citronensäuremolekül verbunden wird. Die Abspaltung des Kohlen-stoffdioxidmoleküls erfolgt an den Kohlenstoffatomen des Citronensäuremole küls, nicht an dem Teil der Essigsäure. Das Molekül der Oxalessigsäure ist kein Trä germolekül, das erhalten bleibt und immer die aktivierte Essigsäure aufnimmt, son dern wird im folgenden Durchgang die beiden Kohlenstoffatome in Form des Kohlen stoffdioxids abgeben. Neben der Abgabe des Kohlenstoff-dioxids spielt die Protonen abgabe eine große Rolle.

2 Erläutern Sie in einem kurzen Statement, weshalb Tracerexperimente für die Erforschung des Citronensäurezyklus notwendig waren. Die einzelnen Reaktionen bei Stoffwechselwegen, wie dem Citronensäurezyklus können nicht sichtbar gemacht werden. Sie lassen sich auch schwer als Einzelreakti onen verfolgen. Mit der Markierung einzelner Atome in dem Gesamtmolekül kann ge messen werden, ob die markierten Kohlenstoffatome frei werden oder nicht. Beim Ci tronensäurezyklus ist dies interessant, da sowohl die aktivierte Essigsäure als auch die Oxalessigsäure markiert werden kann.

ATP-Synthese (Seite 97)

1 Beschreiben Sie Abb. 1 unter dem Aspekt des Glucoseabbaus und der Energieumwandlung. Nutzen Sie hierzu den Text eBook S. 102/103 „ATP‑Synthese”. Nehmen Sie hierbei Stellung zu der Aussage: „Wir atmen Kohlenstoffdioxid aus, bevor

der Sauerstoff benötigt wird.“ In Abb. 1 sind die Abläufe zur ATP-Synthese in einem Mitochondrium schematisch dargestellt. Fette oder Glucose werden im Cytoplasma in Fettsäuren oder Brenztraubensäure abgebaut und gelangen über die Mitochondrienmembran in das Innere der Mitochondrien. Hier werden sie zur aktivierten Essigsäure umgebaut und gelangen in den Citronensäurezyklus. Bei diesem Zyklus entsteht Kohlenstoffdioxid und NADH + H+. Das Kohlenstoffdioxid wird aus den Mitochondrien über die Zelle abgegeben. NADH + H+ gibt die Elektronen an die Elektronentransportkette ab. Am Ende reagieren diese mit einem Teil der Protonen und dem aufgenommenen Wasserstoff exergonisch zu Wasser. Die Protonen des NADH + H+ werden mithilfe der Energie der Elektro-nen durch die innere Mitochondrienmembran in den Intermembranraum gepumpt. Der Protonengradient wird über die ATP-Syn-thase in der inneren Mitochondrienmembran ausgeglichen. Hierbei entsteht ATP. Das Kohlenstoffdioxid entsteht beim Abbau des Kohlenstoffgerüstes der Zucker und Fette. Der eingeatmete Sauerstoff wird erst am Ende der Reaktionskette bei der Endoxidation zur Reaktion mit dem Wasserstoff benötigt.

2 Beschreiben Sie die Experimente in Abb. 2 und erläutern Sie, welche Aussage in Bezug auf die Bedeutung des Protonengradi-enten gemacht werden konnte. Vergleichen Sie dieses Experiment mit den Untersuchungen an Mitochondrien in verschiede-nen pH-Werten. In Abb. 2 sind vier Experimente dargestellt, denen gemeinsam die künstlich herge stellten Vesikel sind. Diese wurden aus einer Biomembran hergestellt. Im Versuch a ist eine Protonenpumpe aus einem Bakterium eingebaut. Diese transportiert Proto nen bei Lichteinfall durch die Membran. Bei diesem Experiment ist keine ATP-Syn these zu messen. Im Versuch b wurde die ATP-Synthase aus Mitochondrien des Rindermuskels eingebaut. Auch bei diesem Versuch ist keine ATP-Synthese zu mes sen. In Versuch c wurden sowohl die Protonenpumpe, als auch die ATP-Synthase eingebaut. Bei Belichtung ist eine ATP-Synthese messbar. In Versuch c wur-de zu sätzlich zu der Protonenpumpe und der ATP-Synthase ein Entkoppler in die Mem bran eingebaut. Hier ist keine ATP-Synthese messbar. Diese Versuche konnten zei gen, dass sowohl ein Protonengradient und die ATP-Synthase notwendig sind, da in Versuch a und b kein ATP messbar ist. Ebenso zeigt sich im Versuch d beim Einsatz eines Entkopplers, der den Protonengradienten durch die Membran direkt auflöst, dass der Ausgleich des Protonengradienten über die ATP-Synthase erfolgen muss. Da keine anderen Mechanismen wie im Mitochondrium (z. B. andere Enzyme) im An satz der Versuche vorhanden sind, können die Aussagen sich nur auf die vorgegebe nen Einheiten beziehen.

Gärung — es geht auch ohne Sauerstoff (Seite 99)

1 Fassen Sie kurz die Besonderheiten der Erythrocyten gegenüber anderen Zellen zusammen. Erythrocyten entstehen in pluripotenten Zellen im Knochenmark, ihre Lebensdauer beträgt 120 Tage, danach werden sie abge-baut. Sie besitzen keinen Zellkern und können sich daher nicht teilen. Sie besitzen einen Stoffwechsel. Da sie keine Mitochon-drien besitzen haben sie keinen Citronensäurezyklus und keine Endoxidation. Die Energiebereitstellung erfolgt daher nur über die Milchsäuregärung. Der größte Teil der benötigten Energie geht in den Bereich der Na+/K+-Ionenpumpen zum Ausgleich des osmotischen Drucks.

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2 Lesen Sie den Text eBook S. 104 „Gärung — es geht auch ohne Sauerstoff” und beschreiben Sie die Vorgänge in Abb. 1 unter dem Aspekt der Energiebereitstellung. In den Erythrocyten läuft die Glykolyse und die Reaktion zur Milchsäure im Cy toplasma ab. Hierbei wird Glucose über die Umbil-dung zur Fructose in zwei C3-Kör per gespalten. Für diesen Vorgang werden 2 ATP-Moleküle pro Molekül Glucose be nötigt. Diese werden jedoch im letzten Schritt der Glykolyse wieder gebildet. Hierdurch wird kein ATP verbraucht, jedoch auch keines gewonnen. Im Schritt vom Phosphoglycerinaldehyd zur Phosphoglycerinsäure wird je C3-Molekül ein Molekül ATP gebildet, pro Glucose- molekül also 2 ATP. Für diesen Schritt ist NAD+ notwen dig, das die H+-Ionen aufnimmt und zu NADH + H+ wird. Das Endprodukt der Glykolyse ist die Brenztraubensäure, welche in die Mitochondrien aufgenommen und weiter verarbeitet wird. In der Reaktion von der Brenztraubensäure zur Milchsäure werden H+-Ionen benötigt. Hierbei wird NADH + H+ wieder zu NAD+.

3 Erythrocyten transportieren in unserem Blut den Sauerstoff. Trotzdem sind sie auf die Milchsäure angewiesen. Erklären Sie diesen scheinbaren Widerspruch. Erythrocyten transportieren zwar Sauerstoff, trotzdem wird ATP über den anaero ben Prozess gebildet. Der Grund liegt darin, dass in den Erythrocyten keine Mit ochondrien vorliegen, sondern nur das Cytoplasma, in dem die Glykolyse abläuft. Über diesen Vor-gang werden 2 Moleküle ATP gebildet. Die Milchsäuregärung ist not wendig um die Glykolyse weiterlaufen zu lassen. Bei der ATP-Bildung wird NAD+ zu NADH + H+. Wenn alle NAD+-Moleküle verbraucht sind, kann die Glykolyse nicht mehr weiterlaufen, auch wenn genügend Glucose vorhanden ist. Es ist daher notwendig, über die Reaktion zur Milchsäure wieder freies NAD+ zu erhalten.

Citronensäurezyklus — Drehscheibe des Stoffwechsels (Seite 101)

1 Beschreiben Sie die Vorgänge in Abb. 1 unter dem Aspekt des Citronensäurezyklus und dem Auf- bzw. Abbau von Nährstoffen. Informieren Sie sich hierzu im Text eBook S. 106 „Citronensäurezyklus — Drehscheibe des Stoffwechsels”. Dargestellt ist eine Zelle der Leber während einer Hungerphase. Nach dem Ver brauch der gespeicherten Kohlenhydrate wie Glyko-gen muss der Glucosemangel zü gig angeglichen werden, um die Funktionen des Gehirns aufrecht zu erhalten. Bei den aufgezeig-ten Stoffwechselwegen handelt es sich um den Abbau von Proteinen aus den Muskeln und Fettsäuren aus dem Fettgewebe. Bei diesen Vorgängen wird Glucose gebildet. Gleichzeitig entstehen auch Harnstoff und Ketonkörper. Bei der Umwandlung in Glucose spielt der Citronensäurezyklus eine entscheidende Rolle, da nicht nur Stoffe abgebaut, sondern auch aufgebaut werden können. Der Abbau der Proteine erfolgt zu den Bausteinen, den Aminosäuren (1). Bei diesen wird die Aminogruppe entfernt und in Form des Harnstoffs in den Nieren aus dem Körper entfernt (2). Das Kohlenstoffgerüst wird an verschiedenen Stellen des Citronen- säurezyklus eingespeist und zur Oxalessigsäure umgewandelt. Diese wird zum Glucoseaufbau genutzt (3). Der Glucoseaufbau enthält die gleichen Zwischenstufen wie die Glykolyse beim Zuckerabbau. Fette werden zu Fettsäuren abgebaut (5). Der Abbau dieser Fettsäuren erfolgt zur aktivierten Essigsäure, die direkt in den Citro-nensäurezyklus eingespeist (6) oder über Zwischenstufen zu Ketonkörpern umgebaut wird (7). Aus der Leberzelle werden Glucose (4) oder Ketonkörper (8) über die Blutbahn zum Gehirn transportiert.

2 Erklären Sie anhand aller Zusammenhänge in Abb. 1, weshalb es zu einem Anstieg von aktivierter Essigsäure kommt. Gehen Sie hierbei auf die entstehenden Ketone ein. Zum Anstieg von aktivierter Essigsäue in der Leberzelle kommt es, wenn Fettsäu ren abgebaut werden und die aktivierte Essig-säure nicht in den Citronensäurezyklus aufgenommen werden kann. Dies ist der Fall wenn nicht genügend Oxalessigsäure als C4-Körper vorhanden ist. Diese reagiert im Citronensäurezyklus mit der aktivier ten Essigsäure zur Citronensäure. Ein Mangel an Oxalessigsäure entsteht, wenn die se verstärkt zum Glucoseaufbau genutzt wird. Gleichzeitig verringert sich die Kon zentration, da der Citronensäurezyklus keine neue nachbilden kann. Die nicht ge nutzte aktivierte Essigsäure wird in die Ketonkörper umgebaut.

3 Beschreiben Sie Daten in Abb. 2 unter dem Aspekt der Energiespeicherung für den Eigenbedarf der Organe und für die Bereit-stellung zur Funktionsfähigkeit des Organismus. Im menschlichen Körper sind an verschiedenen Orten Nährstoffreserven angelegt. Diese sind in der Tabelle zum Vergleich in kJ angegeben. Im Blutstrom durch den Körper findet man Glucose und Fette, jedoch keine Proteine. Diese Mengen reichen für einen kurzen Zeitraum. In der Leber sind alle drei Nähr stoffe in ausreichendem Maß angelegt. Im Gehirn findet man nur sehr kleine Mengen an Glucose, keine anderen Nährstoffe. Im Muskelgewebe sind große Mengen an Glykogen vorhanden. Der Fettanteil ist wesentlich geringer, der Proteinanteil sehr hoch. Das Fettgewebe beinhaltet sehr große Mengen an Fetten, jedoch nur kleine Men-gen an Kohlenhydraten und Proteinen. Eine erste Bereitstellung an Reservestof fen erfolgt über die Glykogenspeicher in Muskel und Leber, nachdem die geringen Mengen aus dem Blut verbraucht wurden. Das Fettgewebe ist der nächste Speicher, da Proteine erst abgebaut werden, wenn alle anderen Reserven erschöpft sind, da ein Absinken der Proteine zu Funktionsstörungen und zum Tode führt.

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Bilanz der Dissimilation (Seite 103)

1 Ordnen Sie die einzelnen Phasen in Abb. 1 Organen und den Zellbestandteilen zu. In Abb. 1 ist schematisch die Energieversorgung aus der Nahrung dargestellt. Phase 1 findet im Mund, Magen und im Dünndarm statt. Hier werden die Nährstoffe in ihre Bausteine, z. B. die Glucose, Fettsäuren oder Aminosäuren, zerlegt. Diese Bausteine wer-den in das Blut aufgenommen und im Körper zu den Zellen in den verschiedenen Geweben verteilt. In den Zellen findet Phase 2 im Cytoplasma statt. Hier werden die Nährstoffbausteine weiter zerlegt. Die anfallenden Abfallstoffe Kohlenstoffdioxid und der Ammoniak der Proteine als Harnstoff werden über die Lunge oder Niere ausgeschieden. Die Phase 3 findet nach der Aufnahme in die Mitochondrien statt. Die Bausteine aller Nährstoffe werden zur aktivierten Essigsäure. Über den Citronensäurezyklus erfolgt der weitere Abbau des Kohlenstoffgerüstes und die Bildung des NADH + H+ und FADH2. Diese führen in der Atmungskette zur ATP-Synthese. Der eingeatmete Wasserstoff reagiert dabei exergonisch zu Wasser.

2 Lesen Sie den Text eBook S. 108 „Bilanz der Dissimilation” und beschreiben Sie die Vorgänge in Abb. 1 unter dem Aspekt der Energiebereitstellung. Ordnen Sie die ATP-Ausbeute des Glucoseabbaus den einzelnen Phasen zu. Die Energiebereitstellung erfolgt erst ab Phase 2. Im Cytoplasma wird aus Glucose Brenztraubensäure, die in die Mitochondrien gelangt. In dieser Phase werden 2 ATP und 2 NADH + H+ frei. Dies entspricht mit den beiden NADH + H+-Molekülen in der Endoxi-dadtion 8 ATP-Molekülen. Beim Umbau zur aktivierten Essigsäure entstehen 6 ATP aus 2 NADH + H+. In der Phase 3 werden im Citronensäurezyklus 2 ATP direkt gebildet und aus den 6 NADH + H+ und 2 FADH2 22 ATP. Der größte Teil des ATPs stammt aus Phase 3. In Phase 1 entsteht kein ATP.

Die Muskelkontraktion (Seite 105)

1 Stellen Sie anhand des Textes und der beiden Abbildungen die Unterschiede zwischen den beiden Muskelfasern gegenüber. Erläutern Sie hierbei besonders die Unterschiede in Abb. 2 und beziehen Sie diese aufeinander. Gehen Sie hierbei auch kurz auf die Glykolyse und Endoxidation bei der Energieumwandlung ein. Beim Aufbau der Muskulatur findet man verschiedene Muskelfasern. Der Muskelfasertyp I wird auch als „slow“ bezeichnet. Die Zuckungsgeschwindigkeit ist langsam die Ermüdbarkeit jedoch gering. Diese Fasern besitzen viele Mitochondrien. Durch den hohen Mitochondriengehalt und die hohe Myoglobinkonzentration kommt es zur roten Farbe. Der Glykogengehalt ist gering. Der Stoffwechsel ist oxidativ (Endoxidation). In den Mitochondrien wird mit dem Sauerstoff aus dem Myoglobin viel ATP gebildet. Da-her kommt es zur langen Ausdauer. Der Muskelfasertyp II wird als „fast“ bezeichnet. Die Zuckungsgeschwindigkeit ist schnell. Die Fasern sind eher weiß mit wenig Mitochondrien und wenig Myoglobin, besitzen jedoch eine hohe Konzentration an Glykogen. Der Stoffwechsel ist glykolytisch, das bedeutet, dass die Glykolyse eine große Rolle spielt, weniger die Endoxidation in den Mitochon-drien. Glykogen wird zur Glucose abgebaut und während der Glykolyse wird zwar schnell jedoch wenig ATP gebildet. Die geringe ATP-Ausbeute erfordert daher viel Glucose.

2 Lesen Sie eBook S. 112 „Die Muskelkontraktion” und beschreiben Sie kurz die einzelnen Phasen des Kontraktionsvorgangs. Erklären Sie, wodurch der ATP-Verbrauch während der Muskelkontraktion bedingt ist. Die Muskelkontraktion kann man in einzelne Phasen aufteilen. Myosin und Aktin sind daran beteiligt. Myosin ist ein Motorprotein, das Myosinköpfchen kann frei rotieren. Die Energie stammt aus dem ATP. 1. Das Myosinköpfchen mit dem gebundenen ATP ist in der energiearmen Stellung. 2. Das Myosin wandelt die Energie aus der ATP-Spaltung in mechanische Energie um. Das Köpfchen befindet sich nun in der energiereichen Stellung. 3. Das Myosinköpfchen bindet an das Aktinfilament. 4. Das Köpfchen verschiebt das Aktinfilament. Das Sarkomer verkürzt sich. Hierbei werden ADP und Pi abgegeben. 5. ATP bindet an Myosinköpfchen. Actinfilament und Myosinköpfchen werden getrennt. Das Myosinköpfchen kehrt in die energie-

arme Stellung zurück.

Stoffwechselvorgänge beim Sport (Seite 107)

1 Lesen Sie eBook S. 114/115 „Stoffwechselvorgänge beim Sport” und beschreiben Sie die Vorgänge in Abb. 1 unter dem Aspekt der verschiedenen körperlichen Leistungen. In Abb. 1 ist die Regeneration von ATP bei verschiedenen körperlichen Leistungen dargestellt. ATP ist für die Muskelbewegung als Energielieferant notwendig. Es werden anaerobe und aerobe Vorgänge unterschieden. Bei den anaeroben Stoffwechselvorgängen kann ATP durch die Spaltung von Kreatinphosphat gewonnen werden. Kreatinphosphat ist eine energiereiche Substanz in der Muskelzelle (Kurzzeitspeicher). Die Vorräte reichen jedoch nur für ca. 20 s, sind daher bei kurzfristigen Leistungen sinnvoll. Bei längeren Höchstleistungen erfolgt die Energiebereitstellung über die Glykolyse zur Brenztraubensäure und über die Milchsäure-gärung zur Milchsäure. Hierbei wird schnell, jedoch wenig Energie zur Verfügung gestellt. Der Umsatz an Glucose ist daher sehr groß. Die entstandene Milchsäure mit noch viel „Restenergie“ wird im Muskel gespeichert und nach der Belastung in der Leber wieder zur Glucose umgebaut. Bei Dauerleistungen wird der ATP-Bedarf über die anaeroben Stoffwechselvorgänge gewährleistet. Die Glykolyse läuft ebenfalls ab, jedoch wird in den Mitochondrien die Brenztraubensäure über den Citronensäurezyklus abgebaut und der Wasserstoff mit dem eingeatmeten Sauerstoff in der Atmungskette mithilfe des Protonengradienten für die ATP-Synthese genutzt.

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2 Stellen Sie Vor- und Nachteile der verschiedenen Wege einander gegenüber und erläutern Sie unter dem Aspekt der Sauer-stoffschuld die Bedeutung des Milchsäureauf- und -abbaus.

Die Sauerstoffschuld führt zur Milchsäuregärung. Milchsäure ist eine noch energiereiche Substanz. Ein Ausscheiden der Milch- säure aus dem Körper wäre daher ein Energieverlust. Sie wird daher nach der körperlichen Leistung aus dem Muskel in die Blut-bahn abgegeben und in der Leber wieder zur Glucose umgebaut (s. Muskelkontraktion und die verschiedenen Muskeltypen).

Training ja — Doping nein (Seite 109)

1 Lesen Sie eBookS. 116 „Training ja — Doping nein” und fassen Sie die verschiedenen Aspekte aus Ihrer Sicht schwerpunkt-mäßig zusammen. Der Körper kann durch verschiedene Trainingsmethoden fit gehalten werden, z. B. durch Krafttraining oder Ausdauertraining. Hierbei handelt es sich nicht immer nur um einen Gesundheitsaspekt, sondern auch um einen schönen Körper. Diese Vorstellung wird auch durch gesellschaftliche Vorstellungen vorgegeben. Der Körper kann dadurch zum Konsumgut werden, der wie Kleidung Zeitnormen entspricht und auch zu einem massenhaften Aussehen führt. Hier kommen leistungssteigernde Mittel hinzu, welche das Erreichen der eigenen Vorstellungen ermöglichen. In diesem Bereich kommt die Frage nach der körperlichen Selbstbestim-mung auf, auch für die Menschen, die nicht dieser Norm entsprechen wollen.

2 Gehen Sie anhand ihrer Notizen und des Schemas in Abb. 1 Ihre Entscheidungsfindung zu diesem Zielkonflikt durch. Verwen-den Sie hierzu auch den Text von Volker Caysa. Die Entscheidungen können anhand der Entscheidungsfindung in Abb. 1 durchgeführt werden. Jede Entscheidung kann nur eine persönliche Entscheidung anhand der eigenen Vorstellungen sein.

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Stoffwechselvorgänge beim Sport Vorteile Nachteile

anaerob: Kreatinphosphat sehr schnelle Energiebereitstellung sehr kurzfristige Energiebereitstellung

anaerob: Glykolyse — Milch- säuregärung

schnelle Energiebereitstellung geringe Energieausbeute, hoher Glucoseumsatz, Rest- energie in Milchsäure

aerob: Atmungskette hohe Energieausbeute setzt erst später ein (toter Punkt)

NATURA - Klett · 2017-08-04 · Beim Lichtmikroskop wird das mikroskopische Präparat von unten...

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