1 zellforschung 045451 natura abb s162045451_g012_01 heute wissen wir dass alle lebewesen wie pflanzen tiere oder menschen aus zellen bestehen abb die urzeugung dieses wissen war nicht immer vorhanden bis etwa zum jahr 1700 glaubte man bei kleineren lebewesen an die sogenannte urzeugung bei dieser ging man davon aus dass kleine lebewesen wie mäuse frösche oder insekten spontan aus unbelebter materie entstehen können man dachte dass mäuse aus alten kleidungsstücken und getreide in dunklen ecken abb oder frösche im frühjahr aus dem schlamm entstehen eine weitere vermutung war dass fliegen aus verwesendem fleisch entstehen experimente widerlegten die urzeugung diese aussagen beruhten nicht auf naturwissenschaftlichen experimenten oder untersuchungen sondern auf der zufälligen beobachtung dieser vorgänge erst der arzt francesco redi testete in pisa im jahre 1668 die behauptung dass fliegen aus verwesendem fleisch entstehen zu dieser fragestellung führte er gezielt experimente durch er stellte drei gläser mit fleischstücken auf ein glas blieb offen und das fleisch hatte kontakt mit der luft und fliegen das zweite glas wurde fest verschlossen und das dritte glas wurde mit einem engmaschigen tuch verschlossen abb redi fand im unverschlossenen glas maden aus denen sich fliegen entwickelten in den verschlossenen jedoch nicht bei genauerer untersuchung des fleisches im offenen glas entdeckte er auch fliegeneier die er als voraussetzung für die fliegenlarven erkannte die urzeugung konnte er für dieses beispiel widerlegen da die eier der fliegen der ausgangspunkt waren und nicht das verwesende fleisch auch die luft konnte bei der entstehung der fliegen keine rolle spielen da in dem gefäß mit dem engmaschigen luftdurchlässigen tuch weder maden noch fliegen vorhanden waren animalcules kleinste lebewesen der glaube an die urzeugung entfachte jedoch noch einmal nachdem man nach der entwicklung der ersten mikroskope sehr kleine lebewesen gefunden hatte ein zeitgenosse redis in delft war antony van leeuwenhoek er entwickelte die ersten mikroskope mit denen er regenwasser oder körpersekrete untersuchte er entdeckte darin sehr kleine lebewesen animalcules abb diese einzeller oder bakterien waren vor der entwicklung zellen werden untersucht lebewesen bestehen und entstehen aus zellen vorstellung zur urzeugung von mäusen untersuchungen von leeuwenhoek

s161045451_g013_04 ingrid schobel die zelltheorie der modernen biologie basiert auf diesen erkenntnissen alle organismen bestehen aus zellen zellen sind die grundbausteine des lebens alle zellen entstehen aus bereits existierenden zellen a1 vergleichen sie die vorstellungen zu den animalcules mit denen zur entstehung von mäusen und erläutern sie unter diesem aspekt die bedeutung der experimente von edi und asteur a beschreiben sie abb und erläutern sie unter dem aspekt der zelltheorie die aussage der abbildung a3 erklären sie anhand der texte auf seite was eine naturwissenschaftliche fragestellung ist und beziehen sie diese aussage auf die zelltheorie des mikroskops unbekannt und man konnte sich nur vorstellen dass diese animalcules durch urzeugung entstehen weil sie es ja immer tun einige forscher vermuteten dass sie sich aus einer nährstoffhaltigen umgebung entwickelten louis pasteur wies 1861 jedoch nach dass ähnlich wie bei redis experimenten die kleinsten lebewesen nur dort zu finden waren wo eine nährlösung zugang zur außenwelt hatte zelltheorie naturwissenschaftliche fragestellungen zum bau und zur funktion von zellen wurden 1838 zuerst von dem botaniker matthias schleiden und dem zoologen theodor schwann systematisch untersucht ihre studien mit dem lichtmikroskop an pflanzenund tiergewebe zeigten dass zellen trotz aller unterschiede im aussehen der verschiedenen lebewesen die universellen bausteine aller lebewesen sind schwann wies durch mikroskopische beobachtungen zusätzlich nach dass ein ei eine lebende eizelle darstellt aus der sich alle weiteren zellen des organismus entwickeln der arzt rudolph virchow erweiterte 1850 durch seine untersuchungen die vorstellung zur funktion der zellen er wies nach dass zellen immer nur aus zellen entstehen können dies bedeutete dass leben nicht spontan sondern nur aus bereits vorhandenen zellen entsteht versuch von redi zur urzeugung organismus organ gewebe zellen nh58gt

 zellforschung homogenisator homogenat ultraschall s161045451_g022_01 ingrid schobel zellen kolben schwingarm-rotor zentrifugalkraft zentrifugation zentrifugation überstand zellhomogenat sediment vorher nachher den aufbau von zellen und zellbestandteilen kann man mikroskopisch untersuchen die funktion und die bedeutung der einzelnen bestandteile sind jedoch auf diesem wege nicht nachweisbar hierzu muss man die zellbestandteile aus den zellen isolieren und gezielte experimente mit ihnen durchführen zellen werden geöffnet die untersuchung der organellen oder proteine setzt voraus dass die zellmembran zerstört wird und die zellen dadurch geöffnet werden die organellen dürfen bei diesem verfahren jedoch nicht zerstört werden tierisches oder pflanzliches gewebe wird mit einem mixer kurz zerkleinert sodass die zellen getrennt vorliegen danach wird die zellmembran der zellen geöffnet hierzu werden verschiedene arbeitsmethoden genutzt die zellmembran kann durch ultraschallschwingungen abb 1a zerstört werden oder durch einen speziellen mixer einen homogenisator abb 1b bei diesem wird die zellmembran zwischen dem kolben und dem glasrand zerrissen zellbestandteile werden getrennt das entstandene gemisch das homogenat aus den verschiedenen organellen und membranstücken muss nun in die verschiedenen bestandteile getrennt werden dies ist die voraussetzung um organellen oder membranstücke ohne verunreini gungen auf ihre funktion hin untersuchen zu können eine sehr effektive reinigungsmethode ist die auftrennung mithilfe der zentrifugation prinzip der zentrifugation voraussetzung für die zentrifugation ist die unterschiedliche dichte der zu trennenden bestandteile gibt man in ein gefäß mit wasser unterschiedliche zellen sinken diese je nach ihrer dichte mehr oder weniger schnell nach unten sedimentation die antreibende kraft ist hierbei die erdanziehung die erdanziehungskraft ist konstant sie ist das produkt aus masse und erdbeschleunigung 9,81 m/s bei sehr kleinen teilchen wie den zellbestandteilen dauert die sedimentation sehr lange je größer die kraft ist desto schneller sedimentieren die teilchen bei der zentrifugation werden die zellbestandteile einer wesentlich höheren kraft der zentrifugalkraft ausgesetzt diese ist um ein vielfaches höher als die erdanziehungskraft abb die zellbestandteile oder membranbruchstücke mit der höheren dichte findet man als sediment im zentrifugenglas die teile mit der geringeren dichte im überstand je nach der umdrehungszahl des rotors und damit der zentrifugalkraft und der dauer der zentrifugation sind verschiedene teilchen im sediment zu finden zellbestandteile werden isoliert öffnen von zellen prinzip der zentrifugation

3 fraktion zellkerne fraktion mitochondrien fraktion ribosomen 8500 überstand überstand zentrifugieren ren in der ultrazentrifuge sammeln sich die verschiedenen zellbestandteile oder membranstücke in der zone an die ihrer eigenen dichte entspricht die verschiedenen zonen werden dann zur untersuchung entnommen a1 erklären sie in einem text welche bedeutung die zentrifugation für wissenschaftler bei der erforschung der zelle hat a vergleichen sie in einem kurzen text die differentialzentrifugation mit der dichtegradientenzentrifugation a3 in einem modellversuch werden drei tischtennisbälle mit verschieden konzentrierten kochsalzlösungen gefüllt gibt man die bälle in einen standzylinder mit wasser sinken alle drei auf den boden löst man rohrzucker in dem standzylinder auf beginnen zwei zu schweben der dritte bleibt unten liegen erklären sie dieses modellexperiment unter dem aspekt der dichtegradientenzentrifugation differentialzentrifugation bei der differentialzentrifugation werden zellbestandteile getrennt deren sedimentationsgeschwindigkeit sehr unterschiedlich ist bei einem zellhomogenat setzen sich die zellkerne bei der zentrifugation wegen ihrer höheren dichte schneller im sediment ab als die anderen organellen fraktion im überstand befinden sich zellbestandteile mit einer geringeren dichte wie mitochondrien und ribosomen abb diesen überstand überführt man in ein weiteres zentrifugenglas und erhöht die umdrehungszahl die zentrifugation erfolgt in ultrazentrifugen bei mehr als 1000 umdrehungen pro sekunde abb dabei treten beschleunigungen bis zum hunderttausendfachen der erdbeschleunigung auf auch sehr kleine partikel wie die ribosomen können mit der ultrazentrifuge abgetrennt werden dichtegradientenzentrifugation bei der dichtegradientenzentrifugation werden zellbestandteile mithilfe unterschiedlicher dichtezonen aufgetrennt zunehmende konzentrationen einer rohrzuckerlösung werden im zentrifugenglas übereinandergeschichtet die dichte der lösung nimmt dabei von oben nach unten zu es entsteht ein dichtegradient abb das homogenat mit den verschiedenen zellbestandteilen wird auf diesem dichtegradienten im zentrifugenröhrchen aufgetragen beim zentrifugiedifferentialzentrifugation dichtegradientenzentrifugation ultrazentrifuge zellprobe dichtegradient zeit proben aus der jeweiligen schicht

4 zellforschung plasmamembran plasmamembran ribosomen raues endoplasmatisches retikulum mitochondrium aktinfilament nm durchmesser aktinmonomer tubulin mikrotubulus 25nm durchmesser intermediärfilament nm durchmesser chloroplasten wandern” im cytoplasma zum licht unter dem mikroskop kann man beobachten wie sie sich quer durch die zelle bewegen auch andere organellen und große moleküle werden je nach stoffwechselaktivität von einem teil der zelle in andere teile transportiert während des wachstums und der zellteilung ist diese umverteilung von besonders großer bedeutung die chromosomen müssen bei der zellteilung bewegt und die zellen anschließend getrennt werden diese aufgaben übernimmt das cytoskelett es stützt auch die zellmembran sodass diese bei spannungen oder dehnungen vor schäden geschützt wird zellen sind dadurch in der lage ihre position und ihre form zu ändern forschung an lebenden zellen die erforschung der funktion und bedeutung des cytoskeletts konnte erst beginnen nachdem hochauflösende mikroskopische untersuchungen an lebenden zellen mithilfe der fluoreszenzmikroskopie durchgeführt werden konnten die untersuchungen mit dem elektronenmikroskop hatten zwar gezeigt dass es strukturen innerhalb der zellen gibt sie ermöglichten an den präparierten toten zellen jedoch keine aussagen zur dynamik der vorgänge am cytoskelett in den zellen im gegensatz zu den organellen und membranen baut sich das cytoskelett je nach bedarf ständig um das cytoskelett durchzieht das cytoplasma als ein dreidimensionales netzwerk aus langen dünnen proteinfäden den filamenten das cytoskelett spielt eine rolle bei der zellteilung der bewegung von zellorganellen in der zelle und der zellstabilität es gibt drei filament-typen intermediärfilamente aktinfilamente und mikrotubuli abb stützgerüst intermediärfilamente kommen nur in tierischen zellen vor und haben vor allem die funktion für stabilität und zugfestigkeit in der zelle zu sorgen in zahlreichen zellen verlaufen sie von der kernhülle bis zur zellmembran und verankern damit den zellkern und weitere zellorganellen die sich im cytoplasma befinden abb das cytoskelett cytoskelett und organellen typen des cytoskeletts

5 transportvesikel motorprotein mikrotubulus µm baut während sie zeitgleich am anderen ende konstant abgebaut werden dadurch sind gezielte bewegungen in eine bestimmte richtung möglich so werden beispielsweise die chromosomen während der zellteilung zu den zellpolen gezogen seite mikrotubuli werden auch als gleise für den transport von vesikeln eingesetzt ebenso bestehen die fortbewegungsorgane der spermienzellen die geißeln aus mikrotubuli die stabilität der mikrotubuli ist unterschiedlich beim spindelapparat sind während der zellteilung die fasern sehr labil beim bewegungsapparat der spermienzellen oder geißeln sehr stabil motorproteine sind transportsysteme motorproteine bilden mit dem cytoskelett transportsysteme in der zelle sie wandeln chemisch gebundene energie in mechanische energie um innerhalb der zelle wird ihre bewegung für den transport von organellen vesikeln oder großen molekülen genutzt auch die bewegung eines organismus der muskelfasern ist auf motorproteine zurückzuführen motorproteine bewegen sich auf den filamenten des cytoskeletts dieser zusammenhang wurde mithilfe fluoreszierender substanzen den tracern untersucht seite diese binden an bestimmten stellen der motorproteine und lassen sich durch ihr leuchten unter dem fluoreszenzmikroskop beobachten abb a1 fassen sie tabellarisch die verschiedenen funktionen des cytoskeletts zusammen a erstellen sie anhand der abb ein drehbuch zur bewegung der motorproteine auf den mikrotubuli beweglichkeit und kontraktion aktinfilamente sind dünne eiweißfäden die häufig an der zellmembran entstehen aktinfilamente sind an bewegungen in zellen beteiligt zu diesen bewegungen gehören vor allem cytoplasmaströmungen kontraktionen und cytoplasmaeinschnürungen bei der zellteilung aktinfilamente sind in den muskelzellen zahlreich vorhanden seite aktin erzeugt zusammen mit myosin die kontraktionen in den muskelzellen an der zellmembran anliegende aktinnetze dienen als mechanische stabilisierung der zellmembran durch die ständig neuen verknüpfungen untereinander bilden sich unterschiedliche zellfortsätze schienen für den zelltransport mikrotubuli sehen aus wie dünne hohle röhren sie bestehen aus einzelnen tubulinproteinen abb diese werden innerhalb von minuten am einen ende aufgeaktinaufbau und aktinabbau bewegung der motorproteine motorproteine grün auf mikrotubuli rot µm

zellforschung nucleolus spindelapparat kernhülle löst sich auf centromer centrosom chromatin chromosomen in arbeitsform chromosom in transportform 1-chromatidchromosom neue zellmembran neue kernhülle äquatorialebene bei jeder zellteilung teilt sich auch der zellkern mit den chromosomen der vorgang der zellkernteilung wird als mitose bezeichnet die mitose läuft kontinuierlich ab aus gründen der übersicht teilt man sie in aufeinanderfolgende phasen auf die unterschiedlich schnell ablaufen prophase während der prophase wird das chromatin zur transportform verdichtet dadurch werden die chromosomen im lichtmikroskop allmählich sichtbar ein spindelapparat aus zahlreichen tubulären eiweißmolekülen mikrotubuli bildet sich zwischen den polen metaphase der spindelapparat ist voll ausgeprägt die chromosomen ordnen sich in der äquatorialebene an und lassen sich jetzt gut unterscheiden da jede zelle erbmaterial von vater und mutter übernommen hat gibt es zwei äußerlich übereinstimmende sätze an chromosomen 2n jedes dieser chromosomen besteht aus zwei identischen dna-strängen chromatiden 2c am centromer hängen die beiden chromatiden eines chromosoms noch zusammen anaphase die chromatiden eines jeden chromosoms werden am centromer voneinander getrennt und bewegen sich mithilfe der spindelfasern zu den polen am ende der anaphase befindet sich an jedem pol eine spalthälfte eines jeden chromosoms 1c telophase der spindelapparat löst sich auf die chromosomen lockern sich wieder auf bis sie nur noch als chromatin zu sehen sind kernkörperchen und kernhülle bilden sich neu auf die mitose folgt die cytokinese tierische zellen schnüren sich ein furchung pflanzliche zellen bilden eine mittlere zellplatte aus die sich nach außen vergrößert nach der zellteilung entscheidet sich das weitere schicksal der zelle verliert sie ihre teilungsfähigkeit differenziert sie sich zu einer zelle des dauergewebes anderenfalls durchläuft sie den zellzyklus bis zur nächsten zellteilung seite mitose verdopplung des zellkerns chromosomensatz 2n chromosomenzustand zellplatte spindelapparat chromatiden chromosomen äquatorialebene prophase interphase metaphase anaphase telophase e2v5ik

3 kinetochor kinetochormikrotubulus tubulin tubulin polmikrotubulus sternfömiger mikrotubulus centrosom metaphase anaphase motorproteine centromer stränge zusätzlich weiter auseinander hierzu ist energie notwendig in der anaphase sind die 1-chromatid-chromosomen dann sehr weit auseinander an den jeweiligen spindelpolen angekommen danach bilden sich zwei selbstständige zellen a1 zeichnen sie die vorgänge an den sich überlappenden pol-mikrotubuli während der mitose in mehreren bildern und erläutern sie diese die vorgänge der mitose wurden unter dem lichtmikroskop hauptsächlich als bewegung oder veränderung der chromosomen beobachtet durch den einsatz der fluoreszenzmikroskopie und die kenntnisse zum cytoskelett wurden die vorgänge während der mitose und zellteilung exakter und verständlicher beschrieben in abb ist die aufnahme einer menschlichen zelle während der metaphase mithilfe der fluoreszenzmikroskopie zu sehen die verschiedenen strukturen leuchten in unterschiedlichen farben das erbmaterial dunkelblau die centrosomen als violette punkte die aktinfilamente rot die mikrotubuli grün chromosomen auf schienen während der zellteilung werden die mikrotubuli zum spindelapparat angeordnet sie sind dafür verantwortlich dass die chromatiden in entgegengesetzte richtungen gezogen und gleichmäßig auf die beiden tochterzellen verteilt werden die mikrotubuli bilden eine verbindung zwischen dem kinetochor anknüpfungspunkt am centromer und dem centrosom dem organisationszentrum der mikrotubuli aus die mitosespindel zeigt drei verschiedene arten von mikrotubuli auf kinetochor-mikrotubuli die mit den kinetochoren der chromosomen verbunden sind pol-mikrotubuli die seitlich über motorproteine verbunden sind mikrotubuli die sternförmig in alle richtungen ausstrahlen und die spindel in der zelle verankern bewegung durch molekülabbau und -aufbau in der metaphase sind die chromosomen noch in der ausgangsstellung in der äquatorialebene die mikrotubuli die mit den chromosomen verbunden sind verkürzen sich im centromer indem ständig tubulinmoleküle aus der faser abgebaut werden durch diesen vorgang verkürzt sich die faser und die chromatiden wandern zu den jeweiligen polen die bewegung zu den polen wird zusätzlich durch einen zweiten effekt verstärkt die mikrotubuli die sich überlappen werden an der überlappungsstelle ständig verlängert motorproteine schieben die länger werdenden mitose und cytoskelett fluoreszenzmikroskopie metaphase und cytoskelett funktion des cytoskeletts bei der mitose

zellforschung material gelelektrophorese anode kathode stoffgemisch startlinie pufferlösung filterpapier kationen anionen in einem organismus kommen tausende unterschiedliche proteine vor will man ein bestimmtes protein näher untersuchen muss es erst von allen anderen proteinen abgetrennt und gereinigt werden hierzu verwendet man die gelelektrophorese die gelelektrophorese ist ein trennverfahren bei dem ein elektrisches feld auf geladene moleküle wirkt hierdurch bewegen sich diese moleküle negativ geladene zum positiven pol des elektrischen feldes und positiv geladene zum negativen pol die bewegung erfolgt auf einem trägermaterial dies kann feuchtes filterpapier oder ein gel sein je nach der geschwindigkeit der moleküle bei dieser bewegung haben sie in einem festgelegten zeitraum unterschiedliche wegstrecken zurückgelegt die geschwindigkeit ist abhängig von der kraft des elektrischen feldes der größe und form der moleküle sowie der viskosität des trägermaterials proteine lassen sich mit diesem verfahren trennen da sie geladene moleküle sind sie bestehen aus den aminosäuren die sowohl eine carboxylals auch eine aminogruppe haben die carboxylgruppe ist je nach ph-wert der umgebung negativ geladen die aminogruppe positiv die ladung der verschiedenen proteine lässt sich spezifisch durch den ph-wert im trägermaterial verändern da die proteine sich durch ihre ladungen und ihre größe unterscheiden und die ladung durch den ph-wert veränderbar ist lassen sie sich mithilfe der gelelektrophorese gut und schnell trennen dieses verfahren zur auftrennung von gemischen aus makromolekülen ist auch zur untersuchung von dna hervorragend geeignet dna ist aufgrund der phosphatgruppen negativ geladen und wandert im elektrischen feld vom minuszum pluspol je kürzer die dna-fragmente beschaffen sind desto leichter können sie die maschen des gels überwinden daher wandern kürzere dna-fragmente schneller als längere dna-fragmente und bilden banden weiter vom startpunkt entfernt da dna farblos ist muss sie am ende der gelelektrophorese sichtbar gemacht werden dies geschieht durch färbung mit fluoreszierenden substanzen wie beispielsweise ethidiumbromid dabei leuchten die dna-banden im ultravioletten licht hell auf abb a1 kann man mithilfe der gelelektrophorese ein gemisch aus stärkemolekülen unterschiedlicher größe auftrennen begründen sie ihre vermutung papierelektrophorese eines proteingemisches proteine bei neutralem ph-wert während protein positiv geladen ist tragen die proteine und negative überschussladung protein wandert schneller entweder aufgrund stärkerer ladung oder weil es kleiner oder kompakter gebaut ist dna-banden mit ethidiumbromid im uv-licht sichtbar gelelektrophoresekammer beim befüllen mit einer pipette

experiment fragestellung welche wirkung haben verschiedene stoffe auf den wasserhaushalt der zellen einer kartoffel material zwei kartoffeln messer löffel kochsalz zucker stärke papiertuch versuchsdurchführung zwei kartoffeln werden halbiert in jeder der vier hälften wird mit einem messer oder einem löffel eine mulde ausgehöhlt aus dieser mulde wird mit einem papiertuch die flüssigkeit entfernt die mulde darf jedoch nicht ganz trocken sein in die mulden von drei kartoffelhälften wird jeweils zucker kochsalz oder stärke gegeben die mulde sollte ganz ausgefüllt sein die vierte hälfte bleibt leer nach und minuten wird das ergebnis beobachtet und notiert a1 führen sie die versuche durch a beschreiben sie die vier versuchsergebnisse und vergleichen sie diese erklären sie die bedeutung der leeren kartoffelhälfte a3 erläutern sie die vier ergebnisse unter dem aspekt der osmose und plasmolyse seite und formulieren sie eine gesamtaussage zu allen versuchen a4 gehen sie auf die fragestellung ein und erläutern sie ob anhand der versuche neue fragestellungen entstanden sind experiment fragestellung verändert sich lebendes gewebe durch zucker material zwei kartoffeln messer pinzette lineal mit millimetereinteilung becherglas reagenzgläser bunsenbrenner %ige zuckerlösung demineralisiertes wasser versuchsdurchführung mit einem messer werden aus den kartoffeln sechs kartoffelstäbchen herausgeschnitten diese müssen gleich lang sein die kartoffelstücke werden mit dem lineal gemessen und die werte werden notiert jeweils ein stück wird in ein gefäß mit demineralisiertem wasser leitungswasser und einer 30%igen zuckerlösung gegeben drei kartoffelstäbchen werden in einem becherglas mit wasser kurz aufgekocht mit einer pinzette werden diese drei stäbchen ebenfalls in die drei reagenzgläser überführt nach zwei stunden wird die länge der kartoffelstäbchen gemessen und die werte werden notiert a5 führen sie die versuche durch a beschreiben sie die versuchsergebnisse anhand der gemessenen daten und vergleichen sie diese a erklären sie die ergebnisse für die ungekochten und die gekochten kartoffeln a8 erläutern sie die versuchsdurchführung in bezug zur fragestellung experiment fragestellung verändern sich zellen durch zucker material rotkohlblätter konzentrierte zuckerlösung rasierklinge objektträger deckgläschen mikroskop zellstofftuch versuchsdurchführung spannen sie einen teil eines rotkohlblattes über ihren finger und schneiden sie mit einer rasierklinge vorsichtig die obere epidermis ab geben sie auf den objektträger einen tropfen wasser und überführen sie das stückchen epidermis in den wassertropfen legen sie das deckglas auf und betrachten sie das präparat unter dem mikroskop mit einer geringen vergrößerung suchen sie sich eine gut durchfärbte stelle heraus und vergrößern sie diese stärker geben sie auf die eine seite des deckgläschens einen tropfen der konzentrierten zuckerlösung und halten sie auf der gegenüberliegenden seite ein zellstofftuch an den rand des deckgläschens die zuckerlösung wird so durch das präparat gesaugt wiederholen sie anschließend diesen vorgang mit leitungswasser a führen sie den versuch durch a10 zeichnen und beschreiben sie die zellen vor der zugabe der zuckerlösung nach zugabe der zuckerlösung und nach zugabe des wassers a11 erläutern sie die beobachtungen unter dem aspekt der plasmolyse seite und des tonoplasten a1 begründen sie ob die fragestellung mit dieser untersuchung geklärt werden kann praktikum osmose und plasmolyse s161045451_g051_01 ingrid schobel s161045451_g051_02 ingrid schobel kartoffelhälfte mit mulde kartoffelstäbchen rotkohl rotkohlzellen

5 zellforschung sauerstoff blutkapillare gewebeflüssigkeit zelle diffussion wasserteilchen glucoseteilchen ausgangszustand endzustand lösung sauerstoff gelangt über den blutkreislauf in das gewebe in der zelle wird er für den energiehaushalt benötigt der sauerstoff gelangt aus den blutkapillaren in die gewebeflüssigkeit die die zellen umgibt über die zellmembran gelangt er in die zellen und verteilt sich im cytoplasma andererseits muss kohlenstoffdioxid aus den zellen entfernt werden es entsteht in den zellen wird über die zellmembran in die gewebeflüssigkeit abgegeben und in den blutkapillaren abtransportiert diese vorgänge bei denen stoffe sich durchmischen nennt man diffusion diffusionsvorgänge die diffusion ist der wichtigste verteilungsprozess innerhalb der zelle und der gewebeflüssigkeit die verteilung erfolgt immer von der höheren konzentration zur niedrigeren die diffusion hat ihre ursache in der ständigen wärmebewegung aller teilchen brown sche molekularbewegung die stoffteilchen kommen nur langsam voran da sie bereits nach kurzer zeit mit anderen zusammenstoßen und dabei die richtung ändern randspalte durch viele zufällige bewegungen und zusammenstöße kommt es zu einer gleichmäßigen verteilung einem konzentrationsausgleich die diffusion ist über längere wege jedoch nicht sehr effektiv die geschwindigkeiten der stoffteilchen sind sehr gering glucose hat eine diffusionsgeschwindigkeit von ca m pro minute sauerstoff von ca m pro minute eine durchschnittliche zelle hat eine größe zwischen und m die zellgröße ist durch die diffusionsgeschwindigkeit begrenzt die geschwindigkeit der teilchen ist von verschieden faktoren abhängig der größe der stoffteilchen dem umgebenden medium luft wasser cytoplasma der temperatur osmose diffusion von wasser behindert wird die diffusion wenn verschiedene lösungen durch eine membran getrennt sind salzoder zuckerteilchen können die zellmembranen nicht passieren wohl aber die wasserteilchen solche memb ranen die nicht für alle teilchen durchlässig sind nennt man selektiv permeable semipermeable membranen sind wasser und eine zuckerlösung in einem gefäß durch eine selektiv permeable membran getrennt liegt in dem einen volumen eine höhere zuckerkonzentration als im anderen vor die wasserkonzentration hingegen ist in der zuckerlösung geringer da hier ein teil des volumens von den zuckerteilchen eingenommen wird von beiden seiten stoßen teilchen gegen die membran da die zuckermoleküle sie nicht durchqueren können sind ihre stöße gegen poren wirkungslos während die wasserteilchen durch die selektiv permeable membran diffundieren abb die diffusion des wassers durch eine solche membran nennt man osmose sie führt zu einer unterschiedlichen häufigkeit von wasserteilchen auf den jeweiligen seiten es befinden sich demnach mehr wasserteilchen in der zuckerlösung und weniger wasserteilchen auf der reinen wasserseite diffusion und osmose stofftransport durch diffusion osmose brown'sche molekularbewegung weg der glucoseteilchen

zellwand vakuole wasser zucker farbteilchen dadurch nimmt das volumen auf der seite der zuckerlösung zu auf der wasserseite ab abb plasmolyse deplasmolyse die vorgänge der osmose findet man auch in lebewesen die zellmembran stellt hierbei die selektiv permeable membran dar jeder kennt das phänomen bei frisch zubereitetem salat nach kurzer zeit sind die blätter welk und zusammengefallen ursache sind zuckeroder salzmoleküle in der salatsoße außerhalb der zellen der salatblätter ist die konzentration höher als in den blattzellen die zuckerlösung ist hypertonisch gegenüber dem hypotonischen zellsaft da die salzoder zuckerteilchen zwar die zellwand nicht aber die selektiv permeable zellmembran passieren können findet ein wasserausstrom aus den zellen statt untersucht man unter dem mikroskop pflanzenzellen bei denen die vakuolen intensiv rot gefärbt sind kann man den vorgang des wasserverlustes beobachten abb umgibt die zellen eine konzentrierte zuckeroder salzlösung schrumpft die vakuole und die zellmembran löst sich von der zellwand diesen vorgang nennt man plasmolyse der wasserverlust führt bei den zellen zur intensivierung der rotfärbung des zellsaftes ersetzt man die zuckerlösung durch destilliertes wasser läuft der vorgang bei intakten zellen wieder in die andere richtung deplasmo lyse abb lösungen mit gleicher osmotisch wirksamer konzentration nennt man isotonisch a1 erläutern und begründen sie wie eine flüssigkeitsinfusion für einen patienten beschaffen sein muss der größere blutverluste erlitten hat kein spenderblut a drei etwa gleich schwere und gleich große hühnereier werden zur entfernung der harten schale zunächst in essig eingelegt dann wird das erste ei in ml destilliertes wasser das zweite in ml %ige physiologische kochsalzlösung und das dritte in eine konzentrierte salzlösung gelegt nach werden die eier erneut gewogen das erste hat an masse zugelegt das zweite hat seine alte masse beibehalten und das dritte hat an masse verloren deuten sie die versuchsergebnisse plasmolyse schema deplasmolyse schema 9yw7jx hypertonisch höhere zuckeroder salzkonzentration in der zelle als in der umgebung hypotonisch geringere zuckeroder salzkonzentration in der zelle als in der umgebung isotonisch gleiche zuckeroder salzkonzentration in der zelle und in der umgebung

zellforschung material osmoregulation in allen lebenden tierischen und pflanzlichen zellen spielt die osmoregulation eine entscheidende rolle sie dient der erhaltung sämtlicher stoffwechselphysiologischer prozesse dabei muss ein bestimmter osmotischer wert in der zelle ständig aufrechterhalten werden dieser unterscheidet sich zumeist von der entsprechenden umgebung dies wird durch ständige regulation erreicht homö ostase es wird dabei gegen ein konzentrationsgefälle gearbeitet sodass für diese regulation energie verbraucht wird osmoregulation bei meerestieren die mehrzahl der wirbellosen tiere im meer passt ihre salzkonzentration im körper an die salzkonzentration im wasser an man spricht in diesem fall von poikilosmotischen tieren fische als wirbeltiere sind hingegen homöosmotisch sie besitzen aufgrund einer ständigen regulation eine konstante physiologische salzkonzentration unabhängig von ihrer äußeren umgebung süßwasserfische besitzen eine hypertonische lösung in ihren körperzellen sie müssen daher immer dann wassermoleküle an ihre umgebung in form von harn über die niere abgeben wenn der aktuelle konzentrationswert der körperzellen istwert nicht dem eigentlichen sollwert entspricht ferner transportieren sie aktiv natriumund chloridionen in ihre körperzellen so regulieren sie ihren salzhaushalt bei meeresfischen ist es genau umgekehrt ihre körperzellen sind hypotonisch gegenüber der außenlösung sie verlieren daher ständig wasser dieser verlust wird durch ständiges trinken ausgeglichen wobei sie zeitgleich über ihre kiemen salzausscheidung betreiben durch diese art der selbstregulation wird auch hier ein konstanter salzspiegel innerhalb enger grenzwerte aufrechterhalten homöostase a1 für landtiere hat der schutz vor austrocknung höchste priorität neben der niere die den harn deutlich konzentriert gibt es auch äußere strukturen benennen sie diese a aale laichen im salzwasser während lachse im süßwasser laichen beide leben ansonsten aber im süßwasser aale bzw im meerwasser lachse erklären sie jeweils deren überleben in beiden gewässerarten salzwiesen salzwiesen sind die grünlandflächen am meer vor dem deich die von salzwasser überspült werden die pflanzen auf diesen flächen besitzen schutzmechanismen die verhindern dass sie vertrocknen und absterben auf der blattoberfläche der salzmelde einer charakteristischen salzwiesenpflanze befinden sich kleine gestielte blasenhaare in die die pflanzen aktiv salz aus ihren zellen ausscheiden die blasenhaare sterben bei hoher salzkonzentration ab und werden vom regen oder wind abgetragen a3 beschreiben sie die funktion der blasenhaare und erläutern sie inwiefern es sich hierbei um osmoregulation handelt salzwiese pulsierende vakuole beim pantoffeltierchen pantoffeltierchen paramecium ist die pulsierende vakuole der einzeller ein osmoregulatorisches organ um diese frage zu klären wurden pantoffeltierchen bei verschiedenen salzkonzentrationen gehalten sie leben normalerweise in süßwasser die förderleistung der vakuole hat man in µl pro minute gemessen bei einer salzkonzentration von mosm betrug die fördermenge µl bei mosm µl bei mosm µl bei mosm µl osm= osmolarität je niedriger der wert desto geringer die salzkonzentration die abgegebene flüssigkeit besteht fast nur aus wasser das kaum gelöste ionen enthält das zentrale bläschen und die umgebenden kanälchen sind von einer biomembran umgeben misst man die größe der pantoffeltierchen nach dem umsetzen in die lösungen mit verschiedenen salzgehalten so beobachtet man keine nennenswerte änderung a4 beschreiben sie die funktion der pulsierenden vakuole abb a5 übertragen sie die messwerte in ein koordinatensystem a erläutern sie das ergebnis und begründen sie warum die pulsierende vakuole eine osmoregulatorische funktion hat salzmelde

blut membran dialysat blutpumpe blut von gefäßen gereingtes blut dialysator dialysateinfluss luftfänger semipermeable membran dialysatausfluss rote blutzellen die salzkonzentration unseres blutes wird durch die funktion der niere auf einem gleichbleibenden niveau gehalten eine erhöhung oder senkung der salzkonzentration würde zu einer formveränderung der roten blutzellen erythrocyten führen diese können dann im blutkreislauf nicht ungehindert durch die kapillaren transportiert werden als folge können durchblutungsstörungen und fehlfunktionen einzelner organe auftreten bei blutverlusten ist es daher notwendig dem blut eine physiologische kochsalzlösung zuzuführen deren osmotischer wert dem des blutes entspricht a ordnen sie die erythrocyten in abb den verschiedenen salzkonzentrationen zu und begründen sie ihre entscheidung unter verwendung der fachbegriffe hypotonisch hypertonisch und isotonisch dialyse die künstliche niere die niere hat zwei funktionen giftige abfallstoffe wie harnstoff werden ausgeschieden exkretion der salzund wasserhaushalt unseres körpers wird reguliert osmoregulation menschen deren nieren durch krankheit oder unfall ausgefallen oder in ihrer funktion beeinträchtigt sind müssen in regelmäßigen abständen an eine künstliche niere angeschlossen werden die aufgabe der künstlichen niere besteht darin das blut von schadstoffen zu reinigen und ihm überschüssige salzund wasseranteile zu entziehen diesen vorgang nennt man blutwäsche oder hämodialyse die hämodialyse wird dreimal pro woche durchgeführt und dauert zwischen und stunden das wichtigste teil der künstlichen niere ist ein filter das blut des patienten wird durch feinste hohlfasern im filter gepumpt diese werden von der dialyseflüssigkeit dem dialysat umspült dieses ist eine flüssigkeit die isotonisch zu den blutkonzentrationen eines menschen mit einer funktionsfähigen niere eingestellt ist die sehr dünne membran der hohlfasern künstliche kapillaren ist semipermeabel und trennt das blut vom dialysat die ins dialysat übergetretenen schadstoffe werden durch ständiges pumpen weggespült liter dialysat werden für eine blutreinigung benötigt das blut wird auf diese weise außerhalb des körpers gereinigt a8 beschreiben sie den aufbau einer künstlichen niere vgl abb und abb begründen sie ob es sich bei dem vorgang der hämodialyse um eine diffusion oder eine osmose handelt dialyse schematisch rote blutzellen in unterschiedlichen salzkonzentrationen patientin an künstlicher niere dialysevorgang

8 energiestoffwechsel stoff enzym stoff enzym stoff stoff enzym stoff enzym stoff zellen benötigen für ihren stoffwechsel bestimmte enzyme in verschiedenen mengen die anzahl an benötigten enzym molekülen richtet sich nach der umsatzgeschwindigkeit des enzyms ferner können enzyme nur in ihrer aktiven zustandsform arbeiten diese eigenschaften werden in der zelle zur regulation genutzt spezifische umsatzgeschwindigkeit die geschwindigkeit mit der verschiedene enzyme bei optimalen bedingungen arbeiten können ist für jedes enzym typisch substratumsätze eines enzymmoleküls pro zeiteinheit wechselzahl für diese berechnung ist die anzahl an substratmolekülen groß es liegt eine sättigung vor das enzym katalase kommt in allen lebenden zellen vor und besitzt mit einer wechselzahl von ca substratmolekülen pro sekunde eine der höchsten umsatzzahlen das enzym hat die funktion das in der zelle häufig anfallende toxische wasserstoffperoxid in wasser und sauerstoff zu spalten rubisco das enzym zur kohlenstoffdioxidfixierung in der fotosynthese besitzt dagegen nur eine wechselzahl von drei substratmolekülen pro sekunde rubisco wird in chloroplasten aufgrund seiner sehr geringen wechselzahl in großen mengen synthetisiert es ist mengenmäßig daher das häufigste enzym der erde allosterische aktivierung bestimmte enzyme sogenannte apoenzyme seite entfalten ihre kataly tische wirkung wenn cofaktoren oder cosubstrate außerhalb des aktiven zentrums gebunden werden diese form der aktivierung nennt man substratinduktion abb 1a für diese hilfsenzyme ist häufig auch die bezeichnung coenzyme gebräuchlich aber nicht ganz zutreffend dies liegt daran dass die cofaktoren und cosubstrate im gegensatz zu den enzymen verändert aus ihrer reaktion hervorgehen und daher verbraucht werden außerdem arbeiten sie wie im falle des nad mit verschiedenen enzymen zusammen sind also nicht wie enzyme substratspezifisch allosterische hemmung wenn endprodukte eines bestimmten stoffwechselweges anfallen so kann deren überschuss eine allosterische hemmung der an diesem stoffwechsel beteiligten enzyme bewirken aufgrund des negativen feedbacks der endprodukte erfolgt eine drosselung der enzymsynthese man spricht von endprodukthemmung abb 1b weitere aktivierungsmechanismen durch phosphorylierung kann ein enzym aktiv oder inaktiv werden auslöser dafür können hormone oder andere enzyme sein diese stoffe wiederum werden über die proteinbiosynthese einer zelle hergestellt letztendlich entscheidet damit das anbzw abschalten bestimmter gene über den aktivitätszustand eines enzyms kontrollmechanismen bei denen bindungen verändert werden sind meist energieabhängig und benötigen atp manche enzyme proteasen werden auch als inaktive vorstufe bereitgestellt und später durch spaltung einer peptidbindung aktiviert enzymregulation enzymregulation substratinduktion endprodukthemmung info-box kompartimentierung kompartimente in zellen unterscheiden sich durch die darin vorkommenden stoffe und deren konzentration auch die ausstattung mit enzymen und deren aktivitätszustand ist unterschiedlich zu den kompartimenten zählen der zellkern die mitochondrien die chloroplasten die per oxisomen das cytoplasma und die lysosomen sie alle besitzen unterschiedliche ph-werte und unterschiedliche molekülklassen kompartimente in zellen ermöglichen es damit dass zur gleichen zeit in unterschiedlichen räumen verschiedene stoffwechselreaktionen ablaufen können gleiche kompartimente können in zellen unterschiedlich häufig vorkommen muskelzellen enthalten viele mitochondrien fettzellen weniger

ch oh coo nh ch coo ch ch nh ch ch coo zwischenschritte threonin start -ketobuttersäure zwischenprodukt isoleucin endprodukt alkoholaufnahm ethanol blutkapillare blutkapillare ethanol alkoholdehydrogenase alkanaldehydrogenase ethanal atmungskettenreaktion leberzelle oh mitochondrium co nadh nad co nadh nad enzym enzym enzym enzym enzym keine reaktion enzym keine reaktion p2 p1 p2 p1 hemmstoff substrat hemmstoff enzym substrat substrat substrat substrat enzym reaktion reaktion inaktive form aktive form allosterische bindungsstelle aktives zentrum regulatorische untereinheit katalytische untereinheit inhibitor substrat keine reaktion produktbildung aktives zentrum substanzen in zellen und im ganzen körper werden nicht immer in gleicher menge benötigt regulation von enzymreaktionen ermöglicht eine bedarfsgerechte herstellung von produkten allosterie der begriff allosterie bezeichnet eine eigenschaft die sich auf die räumliche gesamtstruktur bezieht kann ein molekül seine dreidimensionale anordnung abwandeln ohne seine chemische zusammensetzung zu variieren spricht man von konformationsänderung betrifft dies enzyme wird damit auch das aktive zentrum verändert und die fähigkeit des enzyms sein substrat umzusetzen a1 benennen sie die unterschiede zwischen kompetitiver und allosterischer hemmung abb a negative regulatoren stabilisieren die inaktive form eines allosterischen enzyms positive regulatoren stabilisieren seine aktive form erklären sie diesen satz mithilfe von abb a3 die umsetzung der aminosäure threonin zu isoleucin erfolgt im tierischen organismus über mehrere zwischenprodukte abb die reaktionen werden von verschiedenen enzymen katalysiert nach ausreichender produktion von isoleucin kommt die reaktion zum stillstand welcher mechanismus ist dafür verantwortlich erklären sie auch seine biologische bedeutung cofaktoren das schema abb zeigt zwei teilreaktionen des alkoholabbaus in leberzellen der alkohol ethanol wird zunächst zu acetaldehyd ethanal oxidiert dieses ist ein starkes zellgift das umgehend weiter abgebaut wird der abbau von alkohol liefert energie die durch die oxidation der cofaktoren bei den reaktionen der atmungskette in den mitochondrien zur bildung von energiereichem atp genutzt werden kann dort wird der an den cofaktor gebundene wasserstoff letztlich auf sauerstoff übertragen sodass wasser entsteht a4 beschreiben sie die rolle des cofaktors nad beim alkoholabbau nach abb material regulation von enzymreaktionen verschiedene formen der hemmung aktive und inaktive form eines allosterischen enzyms entstehung von isoleucin alkoholabbau in der leberzelle

 energiestoffwechsel einatmen ausatmen brustkorb expandiert rippen zwerchfell zieht sich zusammen brustkorb kontrahiert lunge zwerchfell entspannt sich arterie verlängertes mark brücke durch die atemtätigkeit wird die sauerstoffund kohlenstoffdioxidkonzentration im blut konstant gehalten das gehirn steuert die atemtätigkeit im verlängerten mark liegt das atemkontrollzentrum abb dieses wirkt über die nervenzellen auf das zwerchfell ein die muskeln des zwerchfells kontrahieren daraufhin das zwerchfell flacht ab dadurch vergrößert sich das volumen des brustraumes die lunge erweitert sich wir atmen ein abb wird das zwerchfell nicht vom atemzentrum über die nervenzellen angeregt entspannt es sich das volumen des brustraumes nimmt ab wir atmen aus diese atembewegung wird im gehirn von der brücke pons einem gehirnabschnitt vor dem verlängerten mark in einem konstanten rhythmus angeregt regulation der atemtätigkeit körperliche belastung beim sport führt zu einer erhöhung der atemund herzschlag frequenz durch die verstärkte muskel tätigkeit sinkt der sauerstoffpartialdruck bzw steigt der kohlenstoffdioxidpartialdruck im blut untersuchungen haben ergeben dass der sinkende sauerstoffpartialdruck für die zunahme der atemtätigkeit eine geringere rolle spielt als der steigende kohlenstoffdioxidpartialdruck im blut chemorezeptoren sinneszellen im verlängerten rückenmark in der nähe des atemkontrollzentrums messen den kohlenstoffdioxidpartialdruck und in der halsschlagader den sauerstoffpartialdruck die gemessenen werte werden über nerven als rückmeldung feedback zum atemzentrum geleitet das den gasaustausch durch die änderung von atemfrequenz und atemtiefe anpasst die regulation des sauerstoffpartialdrucks im blut durch den kohlenstoffdioxidpartialdruck als messgröße birgt gefahren übermäßiges atmen hyperventilation vor dem tauchen vermindert den kohlenstoffdioxidpartialdruck des blutes stark dadurch kann willentlich die luft länger angehalten werden da erst nach einer längeren tauchzeit das atemzentrum durch den erhöhten kohlenstoffdioxidpartialdruck aktiviert wird obwohl der sauerstoffpartialdruck im blut bereits zu gering geworden ist als folge kann es durch die unterversorgung des gehirns mit sauerstoff zum schwimmbadblackout kommen taucher werden dabei durch sauerstoffmangel bewusstlos a1 führen sie folgendes experiment durch und deuten sie es messen sie lang ihren puls und ihre atemfrequenz in ruhe machen sie kniebeugen messen sie puls und atemfrequenz erneut und vergleichen sie messen sie min nach der anstrengung erneut a erstellen sie ein pfeildiagramm mit den an der atemregulation beteiligten teilen und erklären sie daran das ergebnis des experimentes aus aufgabe regulation der sauerstoffkonzentration im blut atmung atemzentrum

3 richtig atmen das sauerstoffdefizit nach einem anstrengenden sporttraining wird durch eine erhöhte atemund herzschlagfrequenz ausgeglichen auch auf der molekularen ebene wird die sauerstoffabgabe vom hämoglobin in das muskelgewebe verstärkt die sauerstoffabgabe vom hämoglobin ins gewebe ist erstens abhängig von der partialdruckdifferenz des sauerstoffs zweitens wird die bindungsfähigkeit des sauerstoffs an das hämoglobin durch die kohlenstoffdioxidkonzentration und damit die säurekonzentration des blutes beeinflusst bohr-effekt der unterschiedliche säuregrad des blutes kommt durch die bildung der dissoziierten kohlensäure im blut zustande die ansäuerung ist daher von der kohlenstoffdioxidkonzentration abhängig der sättigungsgrad des hämoglobins mit sauerstoff kann deswegen trotz gleichem partialdruck unterschiedlich hoch sein die normale kohlenstoffdioxidkonzentration im blut abb grüne kurve entspricht der eines ruhenden menschen die erhöhte konzentration der eines menschen nach körperlicher arbeit durch hyperventilation kommt die erniedrigte kohlenstoffdioxidkonzentration zustande a1 beschreiben sie die wirkung von säure auf die sauerstoffbindung des hämoglobins bohr-effekt a bei einem erhöhten kohlenstoffdioxidgehalt im blut ändert sich der sättigungsgrad des hämoglobins mit sauerstoff in der lunge nur wenig in den muskeln wird aber deutlich mehr sauerstoff freigesetzt erläutern sie diese zusammenhänge anhand von abb kälte verändert das blut tintenfische sind wechselwarme marine weichtiere mollusken sie leben teils frei schwimmend im offenen meer teils in der uferzone am boden tintenfische atmen über kiemen die in einer mantelhöhle liegen tintenfische besitzen ein herz und ein größtenteils geschlossenes blutkreislaufsystem tintenfische haben keine erythrocyten sondern einen im blut gelösten farbstoff hämocyanin der dem sauerstofftransport dient das hämocyanin unterscheidet sich vom hämoglobin hauptsächlich dadurch dass anstelle von eisenionen kupferionen vorliegen lm vergleich zum hämoglobin hat das hämocyanin eine wesentlich geringere sauerstoffbindungskapazität a3 tintenfische tropischer regionen werden im kalten wasser oftmals tot aufgefunden beschreiben sie die grafik in abb und erklären sie das phänomen anhand der daten material sauerstoffbindung octopus hämoglobin-sauerstoff-bindungskurve temperaturabhängigkeit der sauerstoffbindung beim tintenfisch langstreckenlauf sauerstoffsättigung 0°c 15°c 30°c sauerstoffpartialdruck hpa sauerstoffsättigung hpapo erhöhter pco normal gesenkter pco

8 energiestoffwechsel s161045451_g098_02 ingrid schobel energie energie energiearmes transportmolekül nahrungsmoleküle z.b glucose wasser kohlenstoffdioxid energie baustoffmoleküle z.b eiweiß aminosäurebausteine energiereiches transportmolekül ribose phosphat oh oh ch nh adenin atp adp für alle funktionen die in einer lebenden zelle oder einem organismus ablaufen ist energie notwendig pflanzen nehmen lichtenergie auf tiere und menschen chemisch gebundene energie aus der nahrung abb exergonisch endergonisch chemische reaktionen finden statt wenn atome sich verbinden oder ihre bindungspartner wechseln freiwillig ablaufende reaktionen bei denen energie freigesetzt wird nennt man exergonisch wird energie in form von wärme abgegeben nennt man diese reaktionen auch exotherm die reaktionsprodukte dieser reaktionen sind energieärmer als die ausgangsstoffe edukte lebewesen müssen während ihres gesamten lebens dem spontanen zerfall der körpereigenen energiereichen substanzen entgegenarbeiten indem sie diese ständig wieder neu aufbauen der aufbau erfolgt über reaktionen denen energie zugeführt werden muss diese nennt man endergonische reaktionen für den aufbau körpereigener energiereicher substanzen werden daher bei tieren und menschen energiereiche substanzen mit der nahrung aufgenommen die ein organismus zur wiederherstellung bzw aufrechterhaltung seiner struktur benötigt die nahrung besteht aus den energiereichen substanzen anderer pflanzlicher oder tierischer lebewesen oder teilen davon auf diese weise gleicht der organismus seinen ständigen verlust wieder aus die energie für den aufbau körpereigener energiereicher substanzen bei pflanzen stammt aus dem sonnenlicht fotosynthese atp ein energietransportermolekül an den meisten biochemischen reaktionen in den zellen die endergonisch sind ist der stoff adenosintriphosphat atp beteiligt atp ist ein energiereiches transportermolekül mit drei phosphatgruppen abb bei der exergonischen abspaltung einer phosphatgruppe vom atp entsteht das adp adenosindiphosphat atp koppelt exergonische und endergonische reaktionen abb aus dem adp und dem phosphat wird atp über eine endergonische reaktion wieder zurückgewonnen der körper eines menschen enthält bis zu atp bei körperlicher leistung wäre diese gespeicherte energie innerhalb weniger sekunden verbraucht durch die ständige energieumwandlung in den zellen wird der atp-gehalt jedoch ständig aufund abgebaut leben braucht energie nahrung ist eine energiequelle energiereiche transportmoleküle atp und adp

 nur mit energiezufuhr freiwillig ordnung kostet energie energie steckt auch in konzentrationsunterschieden innerhalb von zellen abb die von einer seite der membran zur anderen vorhanden sind sind die teilchen stärker geordnet oder auf einer seite der membran konzentrierter so ist dieser zustand energiereicher als bei gleichmäßiger verteilung der teilchen der aufbau einer höheren konzentration auf einer seite der membran ist endergonisch dieser konzentrationsunterschied ist in den mitochondrien die voraussetzung zum aufbau von atp aus adp energieträger elektron verschiedene chemische reaktionen können nur ablaufen wenn elektronen übertragen werden in atomen sind elektronen mehr oder weniger fest gebunden je lockerer sie gebunden sind desto energiereicher je fester sie gebunden sind desto energieärmer sind sie werden elektronen von einem atom auf ein anderes atom übertragen in dem sie dann fester gebunden sind wird energie frei gibt ein atom elektronen ab spricht man von einer oxidation nimmt es elektronen auf von einer reduktion da immer ein atom elektronen abgibt und ein anderes atom elektronen aufnimmt spricht man von einer redoxreaktion die moleküle der nährstoffe geben bei reaktionen leicht elektronen ab diese können auf den sauerstoff unter energiefreisetzung übertragen werden wassermoleküle hingegen haben ihre elektronen relativ fest gebunden elektronenüberträger in lebenden zellen laufen viele redoxreaktionen nebeneinander ab so wie das atp-adp-system für die energieübertragung verantwortlich ist besitzen zellen auch chemische systeme zum übertragen von elektronen die wichtigsten elektronenüberträger sind nicotinamidadenin-dinucleotid nad und flavin-adenindinucleotid fad sie können elektronen aufnehmen und an anderer stelle später wieder abgeben dabei nehmen sie nicht nur die elektronen auf sondern auch ein proton wasserstoff nad 2e nadh diese stoffe spielen eine bedeutende rolle bei der energieumwandlung während des glucoseabbaus und während der fotosynthese a1 stellen sie einen bezug zwischen den informationen auf dieser seite und abb auf seite her verteilung von teilchen redoxreaktion nad als elektronenüberträger

10 energiestoffwechsel energie 571,6 kj/mol innenmembran cytochrom 4h intermembranraum matrix innen proteinkomplex 2e 2e 2h 2h 1/2 fad fad ubichinon ii iii iv 4h nad nadh ho oh elektronentransport protonentransport in glykolyse und citronensäurezyklus wird das kohlenstoffgerüst der glucose vollständig abgebaut die energieausbeute ist jedoch sehr gering die restliche energie muss in den überträgermolekülen nadh und fadh liegen energie in kleinen portionen die direkte reaktion von wasserstoff und sauerstoff verläuft explosionsartig und stark exergonisch in den mitochondrien läuft dies in mehreren schritten ab die elektronen des wasserstoffs werden dabei nicht direkt auf den sauerstoff übertragen sondern über mehrere reaktionspartner diese reaktionsabfolge wird als endoxidation oder atmungskette bezeichnet abb beim elektronentransport vom nadh zum sauerstoff ist ein reaktionspartner mehr zwischengeschaltet als beim fadh abb die bedeutung der membran diese reaktionen bei denen die energie zur bildung von atp genutzt wird laufen an der inneren gefalteten membran der mitochondrien ab die membran hat eine doppelte bedeutung die reaktionspartner der atmungskette sind als vier große proteinkomplexe in die membran eingelagert drei proteinkomplexe durchdringen die membran die elektronen des wasserstoffes werden vom nadh über verschiedene moleküle elektronentransporter wie fmn ubichinon oder die cytochrome zum sauerstoff übertragen ein konzentrationsgefälle protonengradient zwischen der inneren und der äußeren mitochondrienmembran wird erzeugt in der atmungskette werden protonen durch aktiven transport gegen das konzentrationsgefälle aus der mitochondrienmatrix in den zwischenraum der inneren und äußeren membran gepumpt dies geschieht mithilfe der proteinkomplexe abb die als protonenpumpen wirken die hierzu notwendige energie stammt aus dem elektronentransport die proteinkomplexe und iii pumpen vier protonen der proteinkomplex iv zwei protonen pro durchgang auf diese weise nimmt die protonenkonzentration im zwischenraum gegenüber der matrix zu unterschied ph-einheiten atp-synthese vereinfachtes schema der atmungskette

ph ph ph ph adp ph ph mitochondrium atp adp atpsynthasekopf atp konzentration im zwischenraum die atp-synthese lief bei dem künstlich erzeugten protonengradienten auch ohne elektronentransport die bedeutung der atp-synthase wurde in weiteren experimenten untersucht hierzu wurden künstlich kleine kugeln aus der biomembran hergestellt und isolierte protonenpumpen eingebaut man konnte einen protonengradienten nachweisen jedoch keine atp-synthese wurden zusätzlich moleküle der atpsynthase in die membran eingebaut bildete sich atp a1 fassen sie die erkenntnisse aus der erforschung des protonengradienten zusammen a erläutern sie die experimentell gewonnenen erkenntnisse und übertragen sie diese auf das modell in abb hierdurch entsteht an der membran ein ladungsunterschied der intermembranraum wird positiv gegenüber dem matrixraum der nächs te schritt dient dazu die energie die in dem ladungsunterschied und dem konzentrationsgefälle liegt für den stoffwechsel nutzbar zu machen das geschieht in der protonengetriebenen atp-synthase protonengradient und atp-synthese die positiv geladenen protonen die im intermembranraum angehäuft sind diffundieren aufgrund des protonengradienten und des membranpotentials in den raum mit der negativen membranladung und der niedrigen protonenkonzentration matrix in der membran die ihnen den weg versperrt liegen protonenkanäle die zu den atp-synthasen gehören protonen die den weg durch diese kanäle nehmen leisten arbeit sie bewirken eine rotation im kopfteil der atp-synthase dadurch öffnen und schließen sich abwechselnd drei bindungsstellen für adp und phosphat eine bindungsstelle im atp-synthaseköpfchen nimmt adp und phosphat auf die bindungsstelle verformt sich und bringt adp und phosphat so nahe zusammen dass sie sich miteinander verbinden die bindungsstelle öffnet sich wieder und entlässt das gebildete atp für ein molekül atp werden drei protonen benötigt legt man zugrunde dass in einem durchgang der atmungskette vom nadh aus zehn protonen in den intermembranraum gelangen so reicht das zur bildung von drei molekülen atp die erforschung des protonengradienten die zusammenhänge zwischen dem protonengradienten und der atp-synthese wurden experimentell nachgewiesen mitochondrien wurden aus zellen isoliert und in eine lösung mit niedriger protonenkonzentration ph gegeben abb nach kurzer zeit überführte man sie in eine lösung mit hoher protonenkonzentration ph die äußere mitochondrienmembran ist protonendurchlässig dadurch erhöhte sich die schema der atp-synthase-funktion versuch zum protonengradienten

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