aufgaben mit den aufgaben können sie prüfen ob sie das thema verstanden haben sie wenden das gelernte selbstständig an info-box hier finden sie nützliche und interessante zusätzliche inhalte zum thema fachbegriffe wichtige begriffe sind hervorgehoben grafiken komplexe sachverhalte finden sie hier anschaulich dargestellt in den kapiteln informationsseiten zwischenüberschriften die gliederung hilft ihnen beim verstehen der lerninhalte so lernen sie mit natura auf einigen seiten im buch finden sie natura-codes diese führen sie zu weiteren informationen materialien oder übungen im internet geben sie den code einfach in das suchfeld auf www.klett.de ein zur übersicht kommen sie mit ad87m8 übersichtlich gegliederte texte und hilfreiche abbildungen erklären verständlich biologische sachverhalte

extraseiten material mit den inhalten dieser seiten üben sie selbstständig komplexe aufgaben zu lösen auch eine gute vorbereitung auf klausuren und das abitur praktikum hier arbeiten sie praktisch indem sie experimente planen durchführen und auswerten übungen am ende jedes kapitels finden sie eine zusammenfassung und aufgaben zum üben für klausur und abitur die lösungen zu diesen aufgaben finden sie am ende des buches methoden diese seiten zeigen ihnen die grundlegenden methoden im überblick hier können sie bei der arbeit mit dem buch immer wieder nachschlagen basiskonzepte auf diesen seiten werden grundlegende prinzipien der biologie vorgestellt glossar die wichtigsten fachbegriffe zu den themen werden kurz und prägnant erklärt aufgaben mit anforderungsbereichen die schwierigkeit der aufgaben ist abgestuft in einfach mittel und schwierig anforderungsbereich einfach anforderungsbereich ii mittel anforderungsbereich iii schwierig die übersichten mit den farbig markierten extraseiten können sie lerninhalte anwenden üben und vertiefen

bearbeitet von horst bickel inga bokelmann mirko schäfer ernst klett verlag stuttgart leipzig natura biologie für gymnasien einführungsphase

auflage 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 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 2014 alle rechte vorbehalten www.klett.de autoren dr horst bickel inga bokelmann mirko schäfer wissenschaftliche fachberatung prof dr susanne bickel prof dr siegfried kluge redaktion rolf strecker mediengestaltung ingrid walter gestaltung normaldesign gbr schwäbisch gmünd umschlaggestaltung normaldesign gbr schwäbisch gmünd unter verwendung folgender fotos getty images rf glowimages münchen corbis jeff kerr science photo library düsseldorf corbis andrew syred science photo library düsseldorf illustrationen wolfgang herzig grafik-design essen jörg mair münchen otto nehren achern ingrid schobel illustration und kartographie münchen nora wirth frankfurt sowie prof jürgen wirth visuelle kommunikation dreieich unter mitarbeit von matthias balonier und evelyn junqueira reproduktion meyle müller medien-management pforzheim druck phoenix print gmbh würzburg printed in germany isbn 978-3-12-045451-9 eine naturwissenschaft wie biologie ist ohne experimente nicht denkbar auch in natura oberstufe findet sich eine reihe von versuchen experimentieren mit chemikalien ist jedoch nie völlig gefahrlos deswegen ist es wichtig vor jedem versuch mit dem lehrer die möglichen gefahrenquellen zu besprechen insbesondere müssen immer wieder die im labor selbstverständlichen verhaltensregeln beachtet werden die vorsichtsmaßnahmen richten sich nach der gefahr durch die jeweils verwen deten stoffe die geltenden richtlinien zur vermeidung von unfällen beim experimentieren sind zu beachten da experimentieren grundsätzlich umsichtig erfolgen muss wird auf die üblichen verhaltensregeln und die regeln für die sicherheit und den gesundheitsschutz beim umgang mit gefahrstoffen im unterricht nicht bei jedem versuch gesondert hingewiesen beim experimentieren muss immer eine schutzbrille getragen werden zu gefährlichen stoffen und gefahrensymbolen erhalten sie informationen mit dem oben genannten code gefahren und experimente im unterricht t4e5z2

inhalt energiestoffwechsel bau und funktion von enzymen  enzyme sind biokatalysatoren material modelle zur biokatalyse enzyme bei allen stoffwechselprozessen praktikum enzyme material enzyme die reaktionsbedingungen bestimmen die enzymaktivität der einfluss des bindungspartners auf die enzymaktivität enzymregulation material regulation von enzymreaktionen material enzyme im einsatz energieumsatz 8 säugetiere haben unterschiedliche herzschlagfrequenzen material körpergröße und energiehaushalt messen des energieumsatzes sauerstofftransport im blut erythrocyten transportieren den sauerstoff regulation der sauerstoffkonzentration im blut material sauerstoffbindung sauerstoff und nährstoffe praktikum auch pflanzen atmen mitochondrien energiekraftwerke material befunde zum ort der zellatmung leben braucht energie glucose wird zerlegt glykolyse der citronensäurezyklus atp-synthese gärung es geht auch ohne sauerstoff praktikum versuche zur gärung citronensäurezyklus drehscheibe des stoffwechsels material drehscheibe citronensäurezyklus bilanz der dissimilation material glucoseabbau material winterschläfer nutzen mitochondrien material der stoffwechsel tauchender säugetiere die muskelkontraktion material die rolle des atp bei der muskelkontraktion stoffwechselvorgänge beim sport training ja doping nein material training verändert den körper übungen energiestoffwechsel basiskonzepte system struktur und funktion entwicklung anhang lösungen zu den übungsseiten glossar register bildnachweis arbeitsmethoden in der biologie methoden wie forschen biologen methoden wie wertet man wissenschaftliche daten aus methoden welche bedeutung haben modelle zellforschung zellen werden untersucht 1 lebewesen bestehen und entstehen aus zellen lichtund fluoreszenzmikroskopie praktikum herstellung von mikroskopischen präparaten elektronenmikroskopie der bau tierischer und pflanzlicher zellen zellbestandteile werden isoliert das cytoskelett einzeller vom einzeller zum vielzeller ein denkmodell zelldifferenzierung bei pflanzlichen zellen zelldifferenzierung bei tierischen zellen bakterien sind anders endosymbiose die funktion des zellkerns wird erforscht 3 die bedeutung des zellkerns material acetabularia-experimente dna eine nucleinsäure material wie verdoppelt sich die dna tracer detektive in der zelle mitose verdopplung des zellkerns mitose und cytoskelett zellzyklus kontrolle der zellverdopplung totipotent pluripotent stammzellen zellkulturen retten menschenleben material zellkulturen ein ersatz für tierversuche die zellmembran ein modell entwickelt sich chemische eigenschaften der zellinhaltsstoffe die kohlenhydrate die lipide die proteine material gelelektrophorese praktikum osmose und plasmolyse diffusion und osmose material osmoregulation aufbau und funktion einer biomembran material ein modell entwickelt sich transportvorgänge durch biomembranen material membrantransport glucosetransport ins blut material membrantransport wasseraufnahme in der wurzel zellen werden erkannt der golgi-apparat stoffverteiler der zelle übungen zellforschung

methodenethoden vorhandene modelle vorwissen phänomene beobachtungen bessere erklärung eines phänomens beantwortung einer frage bessere beantwortung einer frage daten stützen die hypothesen daten widerlegen die hypothesen naturwissenschaftliche fragestellung durchführung planung untersuchungsdesign datengewinnung hypothese methoden wie forschen biologen die biologie ist eine naturwissenschaft sie erforscht die natur und besonders das leben neue naturwissenschaftliche erkenntnisse können nur durch beobachtungen und experimente gewonnen werden diese können im bereich der organismen der zellen oder molekularer vorgänge liegen phänomene beobachten biologische phänomene lassen sich direkt in der natur oder im labor beobachten einige phänomene können direkt beobachtet werden andere nur mithilfe des mikroskops oder anderer technischer geräte hierbei sind bei den untersuchungen grenzen durch die entwicklung der geräte gegeben den feinbau einer zelle konnte man beispielsweise erst untersuchen nachdem das elektronenmikroskop entwickelt worden war und für die zelluntersuchungen zur verfügung stand beobachtungen an organismen wie das wachstum von pflanzen lassen sich direkt in der natur ohne technische hilfsmittel durchführen die meisten pflanzen wachsen dabei in die richtung des lichts dieser vorgang hat eine große biologische bedeutung da die meisten pflanzen licht zur fotosynthese benötigen besonders bei gräsern wie getreide ist dies gut zu beobachten abb fragestellungen entwickeln die beobachtung des phänomens dass gräser sich beim wachstum nach dem licht ausrichten führte zu wissenschaftlichen fragestellungen welcher teil der pflanze für diese lichteinwirkung zuständig ist ist es die coleoptile eine schutzhülle um das erste blatt der pflanze oder sind es weitere noch nicht erkennbare faktoren die eine rolle spielen weiterführende fragestellungen sind möglich da nicht nur das pflanzenteil sondern auch der wirkungsmechanismus des lichts auf die pflanze untersucht werden könnte für ein eindeutiges zuverlässiges experiment durch das auch eine eindeutige antwort gefunden werden soll ist eine präzise fragestellung notwendig abb die frage kann nicht durch überlegungen beantwortet werden hier muss ein experiment oder auch mehrere durchgeführt werden die erste fragestellung der wissenschaftler war in diesem beispiel welcher teil der coleoptile ist für die ausrichtung der pflanze zum licht verantwortlich naturwissenschaftliche fragestellung forschung an organismen forschung auf zellebene forschung auf molekülebene keimendes getreide

hypothesenbildung die hypothesenbildung erfolgt aus der fragestellung eine hypothesenbildung ohne fragestellung ist nicht möglich da sie eine mögliche antwort zu einer fragestellung darstellt die fragestellung wird mit bereits vorhandenem vorwissen zu diesen phänomenen und einer möglichst exakten recherche in der fachliteratur erweitert abb in diesem beispiel können drei hypothesen aufgestellt werden die coleoptilenspitze steuert das wachstum der pflanze in die richtung des lichts die seitliche pflanzenfläche steuert das wachstum der pflanze in die richtung des lichts die spitze und die seitliche fläche steuern das wachstum in die richtung des lichts experimente durchführen experimente werden nun passend zur überprüfung der hypothesen entwickelt abb manchmal können es auch verschiedene experimente sein die zu einer fragestellung passen es muss jedoch beachtet werden dass immer nur ein faktor verändert wird da ansonsten keine aussage möglich ist welcher der verschiedenen faktoren die entscheidende rolle spielt abb.4 gleichzeitig müssen die experimente so geplant werden dass sie immer wiederholbar sind es wurden vier verschiedene experimente durchgeführt die eine klärung der fragestellung erbringen sollten abb die coleoptile blieb unverändert die spitze der coleoptile wurde entfernt die spitze der coleoptile wurde mit einer lichtundurchlässigen kappe versehen die seitenflächen der coleoptile wurden mit lichtundurchlässigem material ummantelt danach wurden die pflanzen in allen experimenten seitlich belichtet bei den experimentell nicht veränderten pflanzen zeigte sich dass eine bewegung zum licht erfolgte ein fehler im versuchsaufbau konnte durch dieses kontrollexperiment ausgeschlossen werden ergebnisse der experimente die daten aus den experimenten wurden aufgezeichnet und ausgewertet bei diesen experimenten waren es nicht viele messdaten sondern nur die untersuchungsergebnisse ob sich die präparierten wachsenden pflanzen in die richtung des lichts bewegt haben oder nicht es müssen immer mehrere pflanzen in einem versuchsansatz getestet werden um zufällige reaktionen von einzelnen pflanzen auszuschließen diskussion der ergebnisse die ergebnisse der experimente wurden nun mit den hypothesen verglichen beim versuchsansatz zeigte sich dass die pflanzen auf das licht reagierten mit den versuchsansätzen und konnte gezeigt werden dass das entfernen bzw das abdecken der coleoptilenspitze die ausrichtung zum licht verhindert das ergebnis aus versuch schloss die bedeutung der seitlichen fläche für die ausrichtung zum licht endgültig aus die hypothese zu der fragestellung der wissenschaftler konnte durch die versuche und unterstützt und gefestigt werden die hypothese wurde hierdurch widerlegt durch das ergebnis aus dem versuch wurde die hypothese und widerlegt da keine änderung beobachtet werden konnte versuch stützt dadurch zusätzlich die hypothese bessere erklärbarkeit weitere fragestellungen blieben trotzdem offen da das phänomen nicht erklärt werden konnte hierzu war eine weitere naturwissenschaftliche fragestellung notwendig wodurch wird die krümmung durch die coleoptile gesteuert anhand von vorhandenem vorwissen aus anderen experimenten von anderen wissenschaftlern stellte man die hypothese auf chemische substanzen steuern die krümmung der pflanze erweiterte experimente sind chemische substanzen bei diesem vorgang beteiligt müssten sie auch ohne direkte verbindung der coleoptile zur restlichen pflanze wirken können eine feste gelatineartige substanz durch die sich chemische substanzen bewegen diffundieren können eignen sich für solche untersuchungen hierzu wurden die coleoptilenspitzen abgeschnitten und ein gelatineblock wird zwischen die pflanze und die spitze gelegt abb ein teil der präparierten pflanzen wurde eine zeit ohne licht gehalten sie veränderten ihre wachstumsrichtung nicht dieser ansatz diente als kontrollversuch ob die gelatine eine wirkung ausübt ein zweiter teil der präparierten pflanzen wurde seitlich‚ belichtet die pflanzen wuchsen nach einiger zeit in die richtung des lichts experimente auswerten die ergebnisse des experiments zeigten dass auch ohne direkte verbindung der coleoptile zur restlichen pflanze eine ausrichtung zum licht erfolgt dieses ergebnis wird nun mit der aufgestellten hypothese verglichen die erweiterte hypothese wurde bestätigt für die krümmung sind chemische substanzen verantwortlich da kein direkter kontakt zwischen den pflanzenteilen besteht a1 erklären sie weshalb eine naturwissenschaftliche fragestellung nur über experimente beantwortet werden kann experimente zur coleoptile experiment zu chemischen substanzen licht licht licht licht licht gelatineblock

methoden zeit tage individuenanzahl entwicklung einer konstant gefütterten wasserfloh-population zeit jahre anzahl hasen tausend anzahl luchse tausend 1910 1920 kanadaluchs schneeschuhhase 1930 zeigt einen sigmoiden verlauf bleibt unverändert/ konstant steigt konstant/ linear an fällt konstant/linear weist ein maximum auf oszilliert steigt annähernd exponentiell fällt annähernd exponentiell steigt und nähert sich allmählich einem grenzwert methoden wie wertet man wissenschaftliche daten aus diagramme dienen dazu phänomene und ergebnisse aus wissenschaftlichen untersuchungen übersichtlich darzustellen diagramme haben also unterschiedliche funktionen im naturwissenschaftlichen erkenntnisweg sie können die grundlage für das aufstellen von hypothesen bilden oder aber für die auswertung zur überprüfung einer hypothese herangezogen werden umgang mit diagrammen damit sich diagramme wissenschaftlich auswerten lassen werden sie zunächst beschrieben die beschreibung hat die funktion die wesentlichen informationen aus einem diagramm zusammenzufassen beschreiben von diagrammen die beschreibung von diagrammen wird den beobachtungen zugeordnet eine beschreibung darf demnach keine deutungen enthalten man versucht ein diagramm so zu beschreiben dass jemand anderes mithilfe der beschreibung das diagramm grob skizzieren könnte was stellt das diagramm dar als erstes gibt man an was im diagramm dargestellt ist dazu betrachtet man die koordinatenachsen und die aufgeführten einheiten auf der x-achse ist generell die unabhängige größe aufgetragen während auf der y-achse die abhängige zumeist experimentell ermittelte größe angegeben wird allgemein formuliert man das diagramm zeigt die größe der y-achse mit angabe der einheit in abhängigkeit von der größe der x-achse mit angabe der einheit beschreibung des kurvenverlaufs es bietet sich an wenn möglich zunächst den kurventyp optimumskurve sättigungskurve etc anzugeben abb anschließend wird der kurvenverlauf beschrieben bei der beschreibung des kurvenverlaufs ist es sinnvoll der x-achse ab schnittsweise von links nach rechts zu folgen man beginnt also beim startpunkt auffällige stellen im diagramm anfangspunkt markante wendepunkte maxima und minima endpunkt wer den unter angabe der entsprechenden koordinaten in der beschreibung aufgeführt ansonsten reicht es tenden zen zu beschreiben und nicht jede kleine veränderung im graphen aufzuführen hierbei helfen die mathematischen bezeichnungen aus abb bei der beschreibung von biologischen sachverhalten werden bezeichnungen wie die kurve sinkt oder die kurve verläuft parallel zur x-achse vermieden stattdessen wird die jeweilige biologische größe angegeben abb die individuenanzahl des großen wasserflohs steigt oder die individuenanzahl bleibt vom bis zum tag bei einem wert von ca individuen weitgehend konstant bzw schwankt um einen mittelwert a1 beschreiben sie nach den aufgeführten regeln den kurvenverlauf in abb komplexe diagramme es gibt auch diagramme die mehrere y-achsen enthalten solche diagramme werden dann erstellt wenn verschiedene faktoren miteinander in beziehung gesetzt werden sollen abb bei dieser art der darstellung kann es leicht zu verwechslungen bei der zuordnung der graphen zu den y-achsen kommen hier bietet es sich an die zwei größen in dem diagramm hier populationsgröße schneeschuhhase und luchs zunächst unabhängig voneinander zu betrachten a erklären sie die schwierigkeiten die auftreten wenn man anstelle der zwei getrennten y-achsen eine y-achse verwendet auswertung von diagrammen bei der auswertung werden die daten in einen gesamtkontext gestellt dazu werden vorwissen und wichtige biologische prinzipien herangezogen komplexes diagramm kurvenverläufe kurvendiagramm

reaktionsgeschwindigkeit rel einh temperatur °c geschwindigkeit einer enzymreaktion durchschnittsmasse der jungtiere anzahl der jungen pro nest 19,0 18,5 18,0 17,5 19,5 bruterfolg bei kohlmeisen sitzkontakt putzen spielen folgen brutpflege durch gorillamännchen cytoplasma pflanzenzelle tierzelle mitochondrien raues er glattes er und dictyosom lysosom peroxisomen glattes er und dictyosom zellsaftvakuolen plastiden zellkern zuwachs mio menschen durchschnittlicher jährlicher zuwachs der weltbevölkerung 1850 1900 1950 2000 jahr die deutungen sollten durch die entscheidenden stellen aus dem diagramm belegt werden dabei ist darauf zu achten dass in der auswertung nicht die komplette beschreibung des diagramms wiederholt wird a3 deuten sie das diagramm in abb darstellen von ergebnissen beobachtungen und deutungen können mithilfe eines diagramms oftmals vereinfacht dargestellt werden dadurch erhält man eine schnellere übersicht über mögliche zusammenhänge um diesen verdeutlichenden charakter eines diagramms nutzen zu können und ein falsches interpretieren der gewonnenen daten zu vermeiden ist die wahl des richtigen diagrammtyps entscheidend darstellung von anzahlen und ausmaßen liegen messdaten vor die isolierte werte organismenanzahlen oder voneinander unabhängige gruppierungen verschiedene risikogruppen enthalten so dürfen diese messdaten nicht durch eine verbindungslinie miteinander verknüpft werden in diesem fall verwendet man ein punktdiagramm oder ein balkendiagramm das punktdiagramm werden messdaten in ein zuvor beschriftetes koordinatensystem ohne verbindungslinie eingetragen so entsteht ein punktdiagramm durch das verbinden der messpunkte in abb würde ein kontinuierlicher vorgang vorgetäuscht den es in der realität nicht gibt und der auch theoretisch nicht denkbar ist das balkendiagramm das balkendiagramm eignet sich besonders wenn verschiedene stichproben vorliegen oder eine auswahl aus einer gesamtheit von daten betrachtet wird dreht man ein balkendiagramm um 90° so erhält man ein säulendiagramm es gibt keine messdaten außerhalb der in abb aufgeführten intervalle daher lassen sich diese nicht miteinander verbinden das kurvendiagramm ist bei einer datenreihe jeder beliebige zwischenwert denkbar so kann anhand der messwerte ein graph gezeichnet werden man erhält ein kurvendiagramm abb das verbinden der messwerte bedeutet oftmals eine interpretation die enzymaktivität in abb wurde nicht bei °c gemessen der graph gibt den bei °c zu erwartenden wert an darstellung von anteilen um anteile innerhalb einer gesamtheit darzustellen kann man ein kreissektorendiagramm verwenden das kreissektorendiagramm in einem kreissektorendiagramm torten diagramm werden die entsprechenden angaben in einen winkelanteil von 360° umgesetzt dabei entsteht ein kreisausschnitt stapeldiagramme anstelle eines kreissektorendiagramms kann man auch ein stapeldiagramm zeichnen es verdeutlicht ebenso die anteile eines teilaspektes an einer gesamtheit dies bietet sich besonders an wenn man den vergleich von anteilen in zwei gesamtheiten erleichtern will abb a4 wählen sie den geeigneten diagrammtyp für die folgenden sachverhalte aus begründen sie ihre entscheidung anzahl verstorbener personen in abhängigkeit vom zigarettenkonsum anteile verschiedener nahrungsmittel an der gesamternährung einer person biomasseproduktion in verschiedenen ökosystemen abhängigkeit der fotosyntheserate von der temperatur säulendiagramm stapeldiagramm tortendiagramm punktdiagramm kohlmeisenjunge kurvendiagramm

methoden methoden welche bedeutung haben modelle modelle spielen in der biologie eine große rolle modelle haben verschiedene aufgaben sie können sichtbare phänomene und strukturen besser verdeutlichen sie können aber auch nicht sichtbare wissenschaftliche zusammenhänge besser verständlich und besser begreifbar machen modelle zur anschauung modelle können biologische gegenstände wie blüten tiere oder organe zum besseren verständnis in einer anderen dimension darstellen im prinzip sind sie abbilder von uns bekannten gegenständen modelle von blüten zeigen den in der natur vorhandenen aufbau in einer vergrößerten dimension so kann er besser veranschaulicht werden abb auch verkleinerte dimensionen spielen eine rolle bei den modellen von dinosauriern abb hierbei bleiben die körperformen und körperhaltungen erhalten größenvergleiche und unterschiede im körperbau lassen sich auf dieser verkleinerten ebene anschaulich verdeutlichen bei dem modell einer zelle wird durch die übertragung vieler zweidimensionaler mikroskopischer abbildungen in ein dreidimensionales großes zellmodell nicht nur die dimension verändert sondern auch eine räumliche struktur entwickelt abb anhand dieses modells können auch strukturelle zusammenhänge bei vorgängen in der zelle wie plasmolyse mitose oder vesikeltransport anschaulicher erklärt werden besonders bei der auswertung elektronenmikroskopischer bilder war die entwicklung räumlicher modelle notwendig um eine verständliche form zu entwickeln hierzu wurden sehr viele em-bilder ausgewertet und eine räumliche passende struktur dazu entwickelt abb in abb 4a ist die vorstellung von 1960 dargestellt in abb 4b das modell von 1964 a1 erklären sie anhand von abb 4a und abb 4b wie sich ein modell verändert und worauf dies zurückzuführen ist a erläutern sie an konkreten beispielen wie man modelle für den eigenen lernvorgang oder zur verbesserung von referaten nutzen kann theoretische modelle theoretische modelle sind vorstellungen bilder oder animationen die entwickelt werden ohne den aufbau oder die funktion gesehen zu haben ergebnisse aus experimenten kann man besser mit modellvorstellungen erklären von enzymen beispielsweise entwickelten die wissenschaftler anhand verschiedener untersuchungen und experimente theoretische modelle diese veranschaulichen den aufbau und die funktion der enzyme anhand von verschiedenen chemischen und physikalischen analysen an einem enzym werden die messwerte mithilfe von computerprogrammen in räumliche bilder von enzymen umgesetzt anhand dieser bilder lässt sich nicht nur der bau der enzyme ermitteln sondern auch vorstellungen zur funktion bei der umsetzung des substrats wissenschaftler können anhand solcher modelle spezifische eigenschaften von enzymen erarbeiten man kann sich das aktive zentrum des enzyms vorstellen und die veränderung nach der aufnahme des substrats abb modell einer blüte modell der thylakoide tem-aufnahme eines chloroplasten dinosauriermodelle molekülmodell eines enzyms modell einer zelle thylakoide

se71045451_g009_08 auftrag 24.12.2013 substrat substrat enzym enzym bei 38°c bei 65°c die beobachtung dass eine erhöhung der körpertemperatur zu veränderungen des stoffwechsels und sogar bis zum tode führen kann führte zu der naturwissenschaftlichen fragestellung ob die enzyme dabei eine rolle spielen die hypothese dass enzyme die aktivität mit zunehmender temperatur ändern sollte daher experimentell untersucht werden messungen der enzymaktivität bei verschiedenen temperaturen ergaben dass die enzymaktivität bei °c über den gemessenen zeitraum gleichbleibend ist abb unter denselben bedingungen änderte sich die enzymaktivität bei °c sehr deutlich die messergebnisse und die vorkenntnisse dass die meisten enzyme proteine sind führten zu der vorstellung dass sich die enzyme räumlich verändern dies lässt sich mit modellvorstellungen gut erklären da sie die veränderung der enzymaktivität vereinfacht darstellen sodass man sie besser verstehen kann gleichzeitig kann an einem modell überlegt werden ob diese vorstellung auch zu einem sinnvollen ergebnis in bezug auf die hypothesenformulierung führt es hilft bei der wissenschaftlichen erkenntnisgewinnung in der forschung mögliche kriterien für geeignete modelle einfach zu verstehen und nicht komplizierter als die untersuchten zusammenhänge eine ähnlichkeit zu den möglichen lösungsvorstellungen muss vorhanden sei dies muss nicht vom aufbau her gelten jedoch von der funktion man kann effektiv damit arbeiten a3 beschreiben sie die abb a4 erläutern sie den kurvenverlauf mithilfe des modells in abb a5 erläutern sie alternative modelle zu dem kurvenverlauf ein modell wird verbessert ein modell hat jedoch grenzen bei der erklärung von fragestellungen beispielsweise sind bei den zellen innerhalb des dünndarms spezifische transportproteine auf der innenseite zum darm für die glucoseaufnahme notwendig würden sich diese auf die rückseite der zelle außerhalb des darms bewegen wären sie ohne funktion man vermutete daher dass sie sich nicht über die gesamte zelloberfläche bewegen können das fluid-mosaikmembranmodell ging jedoch anhand verschiedener experimente davon aus dass innerhalb der biomembran die proteine frei in der lipidschicht in alle richtungen dahingleiten abb mit diesem modell ließen sich forschungsergebnisse bei denen einzelne proteine sich nur in kleinem rahmen bewegten nicht erklären eine für diese fragestellung verbesserte modellvorstellung konnte man erst entwickeln nachdem man die bewegung einzelner proteine unter dem mikroskop verfolgen konnte hierzu wurden spezifische antikörper mit goldpartikeln beschichtet die spezifischen antikörper reagieren mit den jeweiligen proteinen unter dem mikroskop wurden die goldkugeln als punkte sichtbar deren bewegung mit einer videokamera über mehrere sekunden verfolgt und aufgezeichnet wurden abb die ergebnisse dieser experimente ergaben dass die proteine die nur auf der außenseite der doppelmembran liegen frei beweglich sind die integralen proteine die die doppelschicht durchqueren jedoch andere bewegungsmuster aufweisen a beschreiben sie das bewegungsmuster eines proteins und erläutern sie wie es zu einem muster kommen kann a erläutern sie anhand von abb welche änderungen in dem erweiterten modell in abb gegenüber dem ursprünglichen fluid-mosaikmembranmodell vorgenommen wurden a8 erläutern sie welche grenzen das fluidmosaikmembran-modell zur erklärung von phänomenen hat und welche vorteile das erweiterte modell bietet temperaturabhängige enzymaktivität maximale aktivität zeit min 65°c 38°c modell zur temperaturabhängigkeit protein mit kohlenhydratkette peripheres protein integrales protein mit tunnel” lipiddoppelschicht lipidmolekül integrales protein cholesterol fluid-mosaikmembran-modell bewegungsmuster einzelner proteine proteinkanal goldteilchen membran cytoskelett erweitertes modell µm weg der goldteilchen

zellbiologie zellforschung abgrenzung die zelle ist in viele kleine räume unterteilt in denen gleichzeitig unterschiedliche reaktionen laufen können mikroskopie durch das lichtmikroskop erhält man einblicke in zellen elektronenmikroskope können noch 1000-mal stärker vergrößern

alle lebewesen bestehen aus zellen einzeller belegen dass alle lebensnotwendigen vorgänge in einer einzelnen zelle stattfinden können vielzeller bestehen aus unterschiedlichen zelltypen die an ihre jeweilige aufgabe angepasst sind zellteilung zellteilung und zellwachstum sind die grundvorgänge des wachstums aller lebewesen die teilung des zellkerns ist voraussetzung für diese vorgänge stoffaustausch zellen stehen mit ihrer umgebung in ständigem stoffaustausch der durch grenzflächen kontrollierbar wird

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 die meisten zellen sind kleiner als mm die auflösungsgrenze des menschlichen auges liegt bei mm es ist daher nicht möglich die inneren strukturen einer zelle mit bloßem auge zu erkennen die entdeckungen der zellbiologie waren erst durch die mikroskopie möglich ein weiteres problem liegt darin dass die meisten zellstrukturen farblos und durchsichtig sind die zellen müssen daher für viele mikroskopische untersuchungen mit substanzen gefärbt werden die bestimmte bestandteile unterschiedlich anfärben der blick durch die lupe mithilfe der sammellinse einer lupe wird der sehwinkel vergrößert dadurch wird der gegenstand auf der netzhaut größer dargestellt als er in wirklichkeit ist lichtund fluoreszenzmikroskopie moospolster auge moosblättchen lupe moosblattzellen lichtmikroskop dieses virtuelle bild ist größer als das reelle bild zwei bildpunkte mit mm abstand liegen nun scheinbar weiter auseinander und sind als zwei einzelne punkte wahrnehmbar der blick durch das mikroskop will man noch kleinere strukturen scharf sehen ist ein mikroskop notwendig dieses besteht aus mindestens zwei linsen einer im objektiv und einer im okular die linse im objektiv hat eine geringe brennweite damit man das zu beobachtende objekt sehr nahe an das objektiv heranbringen kann diese linse erzeugt ein zwischenbild das durch die zweite linse im okular wie mit einer lupe vergrößert wird bedingt durch die physikalischen eigenschaften der linsen und des lichts liegt die auflösungsgrenze bei m bei noch stärkeren vergrößerungen kann man keine weiteren einzelheiten erkennen leere vergrößerung viele kennen diesen effekt vom vergrößern digitaler bilder auf dem bildschirm fluoreszenzmikroskopie bei der fluoreszenzmikroskopie wird das präparat bei der mikroskopischen untersuchung mit uv-licht beleuchtet die kurzwellige strahlung führt zu einem aufleuchten bestimmter moleküle in längerwelliger strahlung in rotem oder grünem licht einige natürlich vorkommende stoffe wie chlorophyll werden zum aufleuchten zur fluoreszenz angeregt zellen können jedoch auch mit fluoreszenzfarbstoffen behandelt werden als auflösungsvermögen unserer augen oder optischer geräte bezeichnet man den kleinsten abstand zweier bildpunkte die wir als zwei punkte getrennt wahrnehmen und die noch nicht zu einem punkt verschmelzen das auflösungsvermögen ist durch die beugung der lichtstrahlen begrenzt die lichtstrahlen werden am rand einer linse hornhaut glas gebeugt die ausbreitungsrichtung des lichtstrahls ändert sich ein punkt wird nicht als punkt sondern als unscharfer rand beugungsscheibchen abgebildet durch optische geräte wird der sehwinkel unseres auges vergrößert dadurch liegen die bildpunkte scheinbar weiter auseinander und werden getrennt wahrgenommen info-box auflösungsvermögen beugungsscheibchen bildpunkt beugungsscheibchen bildpunkt beugungsscheibchen bildpunkt

s161045451_g015_05 ingrid schobel fluoreszenzpunkt löschring löschung sichtbarer punkt nm µm elektronenmikroskop atome kleinere moleküle lipide submikroskopischer bereich durchmesser in sted-mikroskop mm proteine ribosomen viren mitochondrium menschliche nervenzelle menschliche eizelle grünalgen pflanzenzelle euglena froschei hühnerei paramecium coli-bakterium hefezelle lichtmikroskop auge -3 -4 -5 -6 -8 -9 -7 diese farbstoffe werden an antikörper gebunden die sich spezifisch an bestimmte zellmoleküle in der zelle anlagern an dna oder eiweiße durch diese fluoreszierenden sonden können gezielt strukturen bei mikroskopischen untersuchungen sichtbar gemacht werden da nur die fluoreszierenden moleküle aufleuchten die restliche umgebung jedoch nicht erscheinen die gefärbten objekte in leuchtenden farben vor einem schwarzen hintergrund das cytoskelett der zellen oder die bewegung der chromosomen während der mitose wurden mithilfe dieser methode untersucht fluoreszenz in laserstrahlen eine neue mikroskopiertechnik arbeitet mit laserstrahlen und setzt durch einen technischen trick die auflösungsgrenze der lichtmikroskopie um den faktor herab dadurch lassen sich in lebenden zellen molekulare strukturen und dynamische vorgänge die mitose wesentlich exakter darstellen die technik beruht auf einer kombination der fluoreszenzmikroskopie mit zwei laserstrahlen die punkt für punkt die strukturen in der zelle abscannen mit licht lässt sich eine fluoreszenzemission nicht nur anregen sondern auch löschen sted-mikroskopie stimulated emission depletion mit dem ersten laserstrahl wird punktartig der fluoreszenzfarbstoff angeregt durch die beugung an den linsenrändern leuchtet jedoch wie bei der lichtmikroskopie nicht nur ein scharfer punkt sondern auch ein unscharfer rand beugungsscheibchen mit einem zweiten laserstrahl der jedoch ringförmig licht aussendet wird die vom ersten laser angeregte emission gelöscht jedoch nur der unscharfe rand nicht der zentrale punkt abb man nimmt hierdurch nur den punkt nicht den unscharfen rand wahr a1 beschreiben sie die vorteile der fluoreszenzmikroskopie im vergleich zur herkömmlichen lichtmikroskopie a das menschliche haar hat einen durchmesser von ca mm bei roten blutzellen des menschen beträgt der durchmesser ca µm berechnen sie wie viele rote blutzellen nebeneinander gereiht den durchmesser des haares ergeben fluoreszenzmikroskopie cytoskelett größenordnungen prinzip der sted-technik

1 zellforschung objektiv grobtrieb feintrieb objektträger kondensor mit blende objekttisch okular tubus stativ lichtquelle beleuchtungsregler zellkern rund zellkern nicht sichtbar zellkern linsenförmig schärfebereich blickrichtung machen sie sich zu beginn der präparation mit allen technischen geräten vertraut die äußere untere zwiebelschuppenepidermis zwiebelschuppenhaut soll mikroskopisch untersucht werden material küchenzwiebel messer objektträger deckgläschen pipette mit gummihütchen präpariernadel rasierklinge pinzette glasgefäß mit wasser herstellen des präparates a1 mit einer rasierklinge wird ein kleines quadrat in die innenseite der zwiebelschuppe geritzt anschließend wird mit der pinzette das zwiebelhäutchen vorsichtig abgezogen und in einen wassertropfen auf einen objektträger gelegt a das deckgläschen wird nun langsam mithilfe der präpariernadel auf das objekt abgesenkt dabei sollten keine luftblasen mit eingeschlossen werden ist die fläche unter dem deckglas nicht vollständig benetzt so gibt man mit einer pipette noch etwas wasser an der seite des deckglases zu war der wassertropfen zu groß schwimmt das deckglas mit der pipette oder mit filterpapier wird etwas wasser abgesogen auf dem deckglas darf sich kein wasser befinden a3 das zwiebelhautpräparat wird auf den objekttisch gebracht und wenn möglich mit den klammern über der kondensormitte fixiert der weg zu einem guten bild a4 zunächst wird das kleinste objektiv maßstabszahl in den strahlengang geschwenkt das bild der zwiebelhaut mit dem grobtrieb scharfgestellt und in die mitte des gesichtsfeldes gebracht der feintrieb mit dem von nun an alle weiteren einstellungen erfolgen ermöglicht das genaue scharfstellen a5 nun wird das jeweils nächstgrößere objektiv über das präparat geschwenkt ohne an der scharfeinstellung etwas zu ändern die schärfe wird in der regel nur noch mit dem feintrieb geringfügig nachgestellt durch vorsichtiges verschieben des objektträgers wird dabei jeweils die zellgruppe bzw die zelle in die bildmitte gebracht die man genauer untersuchen möchte a überprüfen sie welche auswirkung das öffnen und schließen der kondensorblende bei den einzelnen objektiven hat und stellen sie jeweils ein kontrastreiches und scharfes bild ein die kondensorblende dient der regelung des bildkontrastes die bildhelligkeit sollte über den beleuchtungsregler eingestellt werden a um das objekt vertikal zu durchmustern dreht man den objekttisch mit dem feintrieb langsam nach oben und unten dies ist aufgrund der geringen schärfentiefe notwendig sie ist umso kleiner je größer die objektivvergrößerung ist weitere geeignete objekte für mikroskopische untersuchungen sind blattzellen der wasserpest elodea oder von laubmoosen bzw epidermiszellen der dreimasterblume tradescantia pallida protokollieren der beobachtungen a8 mikroskopieren sie bei mittlerer vergrößerung das zwiebelhäutchen verschaffen sie sich einen überblick über die gestalt und die lage der zellen fertigen sie eine umrissskizze von bis aneinanderliegenden zellen an a bringen sie eine in details gut erkennbare zelle in die gesichtsfeldmitte und untersuchen sie diese mit dem nächstgrößeren objektiv welche einzelheiten sind zu erkennen fertigen sie von dieser zelle eine möglichst genaue skizze an größe auf dem papier mindestens cm achten sie auf die richtigen größenverhältnisse von zelle und zellbestandteilen fehler beim mikroskopieren das bild ist kontrastarm bzw unklar die blende ist zu weit offen die linse ist verschmutzt mit linsenpapier reinigen oder es befindet sich wasser auf dem deckgläschen praktikum herstellung von mikroskopischen präparaten

1 okularmikrometer objektmikrometer linien im objekt erscheinen doppelt bei meist dunklem bild die blende ist zu weit geschlossen kreisförmige schwarze und in der mitte etwas hellere flecken verdecken das objekt das objekt enthält eingeschlossene luftblasen anfärben kontrastarmer präparate a10 mit einem holzspatel oder einem teelöffel schabt man vorsichtig aus der wangeninnenseite etwas material ab das mundschleimhautzellen enthält und bringt dieses in einen wassertropfen auf den objektträger bei der mikroskopischen untersuchung werden die einzelnen zellen nur schwer zu erkennen sein das liegt an der kontrastarmut des objekts es ist überall fast gleich hell in solchen fällen färbt man das präparat an um es besser sichtbar zu machen dazu wird entsprechend der abbildung eine wässrige methylenblaulösung unter dem deckgläschen hindurchgesaugt mikroskopieren sie das ungefärbte und das gefärbte präparat und vergleichen sie fertigen sie anschließend vom gefärbten präparat eine skizze an welche details sind besonders gut angefärbt warum zeigen die schleimhautzellen eine art faltenbildung welche unterschiede bestehen im vergleich zur zwiebelzelle die farbstoffe eosin und neutralrot färben in wässriger lösung verschiedene zellstrukturen an mit eosin färben sich das cytoplasma und der zellkern gut an während neutralrot sich vorzugsweise in der vakuole zellsaftraum ansammelt schneiden von objekten von dicken objekten müssen dünnschnitte hergestellt werden das betrifft wurzeln stängel und blätter von pflanzen flächenschnitt diese technik wird angewandt wenn man einzelne zellen eines dickeren blattes zellen von der sumpfschraube vallisneria einer wasserpflanze untersuchen will die abbildung zeigt die schneidetechnik vorsicht klinge ganz flach halten querschnitt häufiger jedoch werden querschnitte benötigt viele objekte sind relativ weich und lassen sich ohne hilfsmittel nur schlecht schneiden deshalb klemmt man das objekt wie in der abbildung zwischen zwei hälften aus holundermark oder styropor und schneidet entsprechend der abbildung ein dünnes scheibchen ab indem man eine scharfe rasierklinge bei nur leichtem druck durch das objekt zieht der erste schnitt wird verworfen da bei diesem die zellen meist stark beschädigt sind die folgenden möglichst dünnen schnitte werden mikroskopiert messen und zählen will man die tatsächliche größe eines mikroskopischen objektes oder seiner teile ermitteln benötigt man als hilfsmittel ein okularmikrometer dieses ist für jede gewählte vergrößerung mit dem objektmikrometer zu eichen a11 bestimmen sie den mikrometerwert die tatsächliche länge eines skalenteils des okularmikrometers indem sie die skala des okularmikrometers mit der des objektmikrometers zur deckung bringen abb und die sich entsprechenden skalenteile ins verhältnis setzen mikrometerwert skalenteile des objektmikrometers skalenteile des okularmikrometers für die abbildung ergibt sich mm 0,016 mm µm ein skalenteil des okularmikrometers besitzt bei der gewählten vergrößerung eine tatsächliche länge von µm folglich hat eine zelle die sich über fünf skalenteile erstreckt eine länge von µm stehen keine mikroskope mit okularund objektmikrometern zur verfügung kann eine grobbestimmung der zellgrößen auch mit einfachen anderen mitteln durchgeführt werden hierzu verwendet man millimeterpapier oder folien mit millimeterrasterung die anstelle eines präparats auf den objektträger gelegt werden die millimeterkästchen werden so lange verschoben bis eine senkrechte und waagerechte linie eines kästchens zu erkennen ist ist kein ganzes kästchen zu erkennen muss geschätzt werden hieraus erhält man den groben eichwert des sehfeldes legt man anschließend zellen bei der gleichen vergrößerung auf kann man deren ungefähre größe errechnen zum auszählen von zellen in einem bestimmten flüssigkeitsvolumen benutzt man eine zählkammer in die vertiefung dieser glasplatte ist ein zählnetz eingeätzt die quadrate des netzes haben definierte auf der zählkammer angegebene abmessungen die die berechnung des volumens erlauben routinemäßig werden solche zählkammern in medizinischen laboratorien zur ermittlung der anzahl von blutzellen verwendet in der schule empfiehlt es sich zellen der backhefe saccharomyces cerevisiae in einer suspension auszuzählen

zellforschung elektronenmikroskopie elektronenmikroskope werden für die strukturaufklärung der zelle und ihrer organellen eingesetzt wenn das auflösungsvermögen des lichtmikroskops nicht ausreicht elektronenmikroskope arbeiten mit zwei verschiedenen techniken man unterscheidet die transmissionselektronenmikroskope und die rasterelektronenmikroskope transmissionselektronenmikroskop mit dem transmissionselektronenmikroskop tem lässt sich eine vergrößerung von einer million erreichen das 1000-fache gegenüber einem sehr guten lichtmikroskop elektronenmikroskope nutzen zur optischen darstellung der objekte elektronen da die elektronen von luftteilchen abgebremst werden und auch glas nicht durchdringen können muss das elektronenmikroskop luftleer gepumpt werden in dem entstehenden vakuum lassen sich die elektronenstrahlen mithilfe elektromagnetischer felder ablenken und bündeln anstelle des in der lichtmikroskopie üblichen objektträgers benutzt man im elektronenmikroskop kleinmaschige metallnetze zur aufnahme der objekte das bild des untersuchten materials wird auf einem bildschirm betrachtet zur besseren verständlichkeit werden die schwarz-weiß-abbildungen häufig angefärbt abb herstellung von tem-präparaten für den einsatz im elektronenmikroskop müssen die objekte vorbereitet werden lebendbeobachtungen sind nicht möglich da die zellen fixiert werden müssen das kann durch chemikalien methanal oder durch gefrieren geschehen wichtig für die untersuchungen ist dass die zellstrukturen nicht zerstört werden bei der ultradünnschnitttechnik wird das präparat nach dem fixieren und entwässern in kunstharz eingebettet und dann mit einem ultramikrotom geschnitten dieses gerät ermöglicht es ultradünnschnitte in einer dicke von nm abzuschaben eine zelle von mm durchmesser wird in 2000 scheiben geschnitten eine seite dieses buches ist 1000-mal dicker als ein solches präparat das messer eines ultramikrotoms besteht aus einem diamantsplitter oder der kante von frisch gebrochenem glas beim schneiden wird das präparat auf einem wassertropfen aufgefangen und von dort mit einem feinen metallnetz abgefischt auf diesem wird das objekt in den strahlengang eingeführt kontrasterzeugung viele biologische strukturen sind schon im lichtmikroskop sehr kontrastarm dies gilt noch mehr für das elektronenmikroskop da die elektronen die zellmembranen fast ungehindert durchdringen des halb müssen die zellen kontrastiert werden das geschieht durch schwermetallsalze wie uranoder osmiumsalze die sich an tem-bilder weiße blutzelle und mitochondrium gefärbt rem-bild mitochondrium

1 abdruck reinigen +20 °c sublimieren sublimation des eises schräg bedampfen –100 °c kohleplatinschicht messer aufbrechen weg der messerkante bruchfläche zellwand vakuole zellkern gefrieren objekttisch platin vesikel tem vesikel 0,5µm den membranen anlagern auf dem bildschirm des elektronenmikroskops sieht man die angelagerten schwermetallsalze da sie keine elektronen hindurchlassen die dunklen linien in den tem-bildern sind die an der membran angelagerten schwermetallsalze abb das rasterelektronenmikroskop während mit der tem gewebedünnschnitte untersucht werden benutzt man die rasterelektronenmikroskopie rem zur untersuchung von zelloder organelloberflächen bei diesem verfahren tastet ein elektronenstrahl die mit einem sehr dünnen schwermetallfilm überzogene dreidimensionale probe ab die elektronen prallen an der dreidimensionalen oberfläche ab und werden gemessen die verschiedenen messpunkte werden von einem computer in helligkeitswerte umgesetzt man erhält auf einem bildschirm ein bild das einen räumlichen eindruck vermittelt abb mit dieser technik erreicht man eine ca 000-fache vergrößerung sie wird zur darstellung von zellorganellen oder zellgruppen genutzt gefrierbruchtechnik bei der gefrierbruchtechnik abb werden zellen fixiert indem sie auf –150 °c abgekühlt werden die tiefgekühlten zellen werden mit einem messer aufgebrochen besonders häufig verläuft die bruchfläche bei diesem vorgang im bereich der zellmembranen die bruchstellen bleiben tiefgekühlt offen liegen und das eis sublimiert hierbei entstehen dreidimensionale oberflächen die strukturdetails erkennen lassen die zellstrukturen lassen elektronen fast ungehindert hindurch daher werden sie mit einem platin-kohlenstoff-gemisch seitlich bedampft diese schicht wird elektronenmikroskopisch untersucht abb die gefrierbruchtechnik spielt bei der untersuchung von zellmembranen eine rolle a1 beschreiben und vergleichen sie die elektronenmikroskopischen bilder eines mitochondriums in abb und abb unter dem aspekt der temund rem-technik a erläutern sie anhand von abb wie man aus den ultradünnschnitten zu einer räumlichen darstellung gelangt räumliche darstellung der tem-bilder golgi-apparat präparationsschritte bei der gefrierbruchtechnik em-bild eines zellkerns nach gefrierbruch

0 zellforschung mitochondrium zellkern nucleolus ribosom er endoplasmatisches retikulum zellmembran dictyosom lysosom cytoplasma in der zelle tritt als wiederkehrendes bauelement die biomembran auf diese unterteilt das zellinnere in viele voneinander abgegrenzte räume sogenannte kompartimente in diesen getrennten kompartimenten können unterschiedliche stoffwechselreaktionen ablaufen ohne sich zu beeinflussen die faltung und stapelung der membranen bei den dictyosomen vergrößert gleichzeitig die inneren oberflächen stark membrangebundene stoffwechselprozesse können dadurch effektiver ablaufen zellorganellen funktionseinheiten der zelle der zellkern nucleus enthält den größten teil des genetischen materials der dna er steuert und kontrolliert die vorgänge in der zelle hier finden die verdopplung des genetischen materials und die ersten schritte der übertragung der genetischen information in das cytoplasma statt im inneren des zellkerns sind ein bis mehrere kernkörperchen nucleoli sie sind am zusammenbau von ribosomen beteiligt die doppelmembranhülle hat poren durch die stoffe mit dem cytoplasma und dem endoplasmatischen retikulum ausgetauscht werden das endoplasmatische retikulum ist ein membransystem das als kanalsystem das gesamte cytoplasma durchzieht das er kann mit anderen membranen wie der doppelmembranhülle des zellkerns in verbindung stehen der stofftransport innerhalb der zelle läuft über das er ab an den membranflächen befinden sich zum teil dicht nebeneinander ribosomen wodurch die membran ein raues aussehen erhält andere bereiche sind frei von ribosomen man unterscheidet daher raues und glattes er das glatte er spielt eine rolle bei der calciumversorgung der muskelzellen oder der entgiftung in den leberzellen manchmal schnüren sich von den membranen auch bläschen ab in denen stoffe transportiert werden drüsenzellen sind besonders stark vom er durchzogen im bereich des rauen er erhalten die eiweiße ihre spezifische struktur der bau tierischer und pflanzlicher zellen tierzelle schematisch große untereinheit kleine untereinheit ribosom

1 zellwand cytoplasma zellkern nucleolus glattes er raues er zellmembran chloroplast tüpfel mitochondrium dictyosom lysosom zellsaftvakuole tonoplast die innere membran ist stark gefaltet und bildet dicht gestapelte kreisrunde kompartimente die grana die flüssigkeit in der sich die grana im innenraum des chloroplasten befinden wird stroma genannt chloroplasten vermehren sich durch teilung sie enthalten dna die zellsaftvakuole nimmt in vielen pflanzenzellen mehr als des zellvolumens ein sie ist von einer membran dem tonoplasten umschlossen sie dient als speicherorgan für eiweiße oder mineralsalze in der zellsaftvakuole können auch schädliche stoffwechselprodukte abgelagert werden in blüten sind in manchen zellsaftvakuolen farbstoffe eingelagert die die charakteristischen farben der blütenblätter ausmachen durch die einlagerung von giftoder bitterstoffen sind einige pflanzen vor tierfraß oder befall durch mikroorganismen geschützt a1 ordnen sie die verschiedenen organellen nach gemeinsamen kriterien legen sie hierbei anhand der informationen im text ordnungskriterien selbst fest ribosomen sind der syntheseort der eiweiße in der zelle sie haben keine membran und bestehen zu aus ribonucleinsäuren rna und zu aus eiweißen sie können wie perlen an einer schnur im cytoplasma liegen oder an membranen angelagert sein dictyosomen sind flache durch membranen abgegrenzte hohlräume zisternen die gestapelt vorliegen können dicytosomen speichern verändern und verpacken eiweiße am rand der membranstapel können sich zum transport der inhaltsstoffe bläschen mit eiweißen abschnüren bei pflanzlichen zellen werden hier auch die baustoffe für die zellwand gebildet die gesamtheit der dictyosomen wird als golgi-apparat bezeichnet mitochondrien sind die energiewandler in der zelle die energie aus der glucose wird hier in eine für die zelle nutzbare form das atp umgewandelt besonders viele mitochondrien findet man daher in zellen mit einem hohen energiebedarf muskelzellen mitochondrien sind mit einer doppelmembranhülle umgeben es entstehen dadurch zwei kompartimente der intermembranraum zwischen der äußeren und der inneren membran und der innenraum die matrix die innere membran ist stark gefaltet diese einstülpungen führen zu einer vergrößerung der inneren membranoberfläche mitochondrien vermehren sich durch teilung sie enthalten dna lysosomen und vakuolen sind von einer einfachen membran umgeben sie beinhalten unterschiedliche stoffe die lysosomen enthalten vor allem verdauungsenzyme die überflüssige zellmaterialien oder große moleküle abbauen chloroplasten sind die orte der fotosynthese bei der lichtenergie in chemische energie umgewandelt wird die bei diesem vorgang gebildeten energiereichen moleküle sind die energiequelle für den überwiegenden teil der lebewesen chloroplasten sind von einer doppelmembranhülle umgeben dadurch entstehen zwei kompartimente zwischen der äußeren und der inneren membran und der innenraum pflanzenzelle schematisch äußere membran innere membran matrix intermembranraum mitochondrium cristae-typ chloroplast stroma thylakoide granastapel stärke zc4yz5

 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 einzeller neben den vielzelligen lebewesen findet man eine große vielfalt an einzellern einzeller sind in der lage mit einer einzigen zelle alle lebensprozesse wie ernährung fortpflanzung reizaufnahme oder bewegung durchzuführen der aufbau der zellen ist mit denen der vielzeller zu vergleichen einige einzeller besitzen chloroplasten andere ernähren sich von nährstoffen aus ihrer umgebung pantoffeltierchen paramecien werden wegen ihrer form auch pantoffeltierchen genannt sie leben im wasser von tümpeln in feuchten wiesen oder wasserpfützen und ernähren sich von bakterien algen oder anderen kleinstlebewesen auf der oberfläche der zelle befinden sich tausende wimpern die durch motorproteine rhythmisch schlagen und dadurch zu einer rotierenden fortbewegung führen auffällig sind die pulsierenden vakuolen die in rhythmischen abständen schrumpfen und wieder wachsen mit diesen vakuolen pumpen sie osmotisch eingeströmtes wasser aus der zelle augentierchen euglena wird wegen ihres roten augenflecks auch als augentierchen bezeichnet bei der anzucht im licht bildet sie chloroplasten aus bei der anzucht im dunkeln und mit nährstoffen jedoch nicht unter dem aspekt der ernährung steht euglena daher zwischen tier und pflanze die fortbewegung erfolgt über eine geißel mit der sie sich rotierend fortbewegt die bewegung erfolgt in richtung des lichts mithilfe des fotorezeptors am geißelschaft und der rotierenden bewegung orientiert sich die zelle die farbstoffe des augenflecks schirmen den lichteinfall auf den fotorezeptor einseitig ab beim rotieren fällt daher nicht immer licht auf den fotorezeptor die periodische verdunklung führt zu einem veränderten geißelschlag und dadurch zu einer gezielten bewegung zum licht a1 stellen sie mithilfe einer skizze den lichteinfall bei einer rotierenden euglena dar und erklären sie daran die ausrichtung zum licht paramecien unter dem mikroskop euglena unter dem mikroskop euglena schematisch paramecium schematisch

 fortpflanzungszelle körperzelle plasmabrücke vom einzeller zum vielzeller ein denkmodell eudorina gonium volvox einzeller besitzen alle zum leben notwendigen fähigkeiten dagegen kommt es bei vielzelligen organismen im laufe ihrer indi vidualentwicklung zu einer differenzierung der zellen und zur arbeitsteilung die einzelne zelle hat dann die fähigkeit verloren allein zu existieren da einzeller erdgeschichtlich älter sind geht man von einer entwicklung vom einzeller zum vielzeller hin aus die betrachtung heute lebender organismen gibt hinweise auf den evolutionären verlauf abb die mosaikgrünalge gonium besteht aus zellen von denen jede wie eine einzeller-zelle aussieht die zellen liegen in einer gallertplatte zusammen ein stoffaustausch zwischen ihnen ist dadurch möglich die einzelnen zellen zeigen keine differenzierung sie sind jedoch zu gemeinsamen leistungen fähig zum schwim men in eine richtung werden diese zellen voneinander getrennt ist jede einzelzelle für sich lebensfähig bei der zellkolonie eudorina ist die gallerthülle kugelförmig und enthält zellen geringfügige unterschiede in der größe des augenflecks innerhalb der einzelzellen deuten auf eine erste spezialisierung der zellen in der zellkolonie hin eine weitere stufe der entwicklung stellt die kugelalge volvox dar circa einzelzellen bilden eine hohlkugel die einzelzellen sind durch plasmabrücken miteinander verbunden zwischen ihnen kommt es zu einer arbeitsteilung die meisten zellen dienen der fortbewegung und der ernährung sie sind nicht teilungsfähig eine zweite zellsorte ist deutlich grö ßer und auf die fortpflanzung spezia lisiert sie allein kann sich teilen und auf ungeschlechtlichem weg im inneren der mutterkugel kleinere tochterkugeln bilden diese wachsen heran und gelangen ins freie wass er wenn die mutterkugel aufplatzt und zugrunde geht der tod der mutterkugel ist die konsequente folge der arbeitsteilung volvox ist auch zur geschlechtlichen fortpflanzung fähig da sich aus fortpflanzungszellen auch eizellen und spermien entwickeln können aus der befruchteten eizelle der zygote entsteht eine neue volvoxkugel a1 rklären sie warum es sich bei der im text beschriebenen reihung um eine modellvorstellung für die entwicklung von mehrzellern handelt algenarten unterschiedlicher entwicklungsstufen

8 zellforschung zelle der oberen epidermis zelle des palisadengewebes zelle des schwammgewebes schließzelle zelle der unteren epidermis meristematische zelle totipotente teilungsfähige undifferenzierte zelle des bildungsgewebes grundgewebe parenchym abschlussgewebe leitgewebe festigungsgewebe ausscheidungsgewebe zelle des palisadengewebes epidermiszelle trachee siebröhrenzelle steinzelle sklerenchymfaserzelle drüsenzelle determination mit differenzierung grundgewebe weitere determination mit differenzierung kutikula zelldifferenzierung bei pflanzlichen zellen differenzierung auseinanderentwicklung und spezialisierung determination festlegung der entwicklungsrichtung totipotent zur ent wicklung eines ganzen individiums fähig betrachtet man lichtmikroskopisch den querschnitt eines laubblattes so sieht man verschiedene gewebe die jeweils aus einem verband gleichartiger zellen bestehen sie erfüllen die komplexen aufgaben des blattes indem sie fotosynthese betreiben und den gasaustausch mit der atmosphäre regeln entsprechend ihrer aufgabe zeigen die zelltypen spezialisierungen die zellen der oberen epidermis verhindern unkontrollierte transpiration schützen das blatt vor austrocknung und mechanischen beschädigungen man erkennt sie an ihren dicken zellwänden die an der oberseite von einer wasserundurchlässigen schicht kutikula bedeckt sind die darunter liegenden palisadenzellen erreicht viel licht sie enthalten besonders viele chloroplasten und erbringen die größte fotosyntheseleistung so kann man bei zellen häufig schon anhand ihrer struktur auf ihre funktion schließen zellen die in einem mehrzelligen organismus eine bestimmte funktion haben bezeichnet man als differenziert sie sind in der regel nicht mehr teilungsfähig dagegen sind undifferenzierte zellen teilungsfähig und zeigen keine besonderen strukturellen ausprägungen zelldifferenzierung schon in einem sehr frühen stadium werden neu gebildete zellen auf ihre zukünftige aufgabe festgelegt die fortschreitende einengung der entwicklungsmöglichkeiten totipotenter zellen bezeichnet man als determination sie wird bestimmt durch cytoplasmatische faktoren die lage der zellen im organismus und ihre physiologischen beziehungen zueinander der determination folgt die zelldifferenzierung während der differenzierungsphase wird die zelle auf ihre zukünftigen aufgaben vorbereitet und mit den erforderlichen strukturen ausgestattet der grundbauplan der zelle bleibt dabei meist erhalten querschnitt durch ein laubblatt rem beispiele für die differenzierung pflanzlicher zellen

 embryonale zelle totipotente teilungsfähige undifferenzierte zelle füllgewebe parenchym bindegewebe epithelgewebe blut parenchymzelle bindegewebszelle knochenzelle blutzellen glatte muskelzelle knorpelgewebe knochengewebe muskelgewebe epithelzellen knorpelzellen determination und differenzierung zelldifferenzierung bei tierischen zellen bei geweben von tieren ist es nicht einfach zellgrenzen und -bestandteile zu sehen form und größe der zellen sind meist erst nach anfärbung zu erkennen tiere besitzen entsprechend den vielfältigen leistungen ihrer organe eine größere anzahl unterschiedlich differenzierter zelltypen als pflanzen jedoch ist auch hier der einheitliche grundbauplan der eucyte erkennbar im menschlichen körper gibt es nahezu zelltypen bei spielsweise besitzen nervenzellen viele zum teil sehr lange fortsätze die der informationsübertragung dienen drüsenzellen bil den stoffe die sie abgeben knorpelund knochenzellen scheiden substanzen ab die dem stützgewebe die festigkeit verleihen in der haut des menschen liegen die zellen des deckgewebes epithel mehrschichtig übereinander die äußeren hautzellen sind stark verhornt und schützen so tieferes gewebe das epithel der luftröhre abb dagegen besitzt fortsätze in form von flimmerhärchen die die luftwege von verunreinigungen säubern zelldifferenzierung wie bei pflanzen verlieren auch die zellen der tiere mit der differenzierung meist ihre teilungsfähigkeit jedoch sind in vielen organen gewebe vorhanden deren zellen zeitlebens teilungsfähig bleiben stammzellen sterben differenzierte zellen ab so entstehen in den bildungsgeweben im knochenmark durch teilung neue zellen aus stammzellen des roten knochenmarks können sich beispielsweise zeitlebens alle blutzelltypen entwickeln die kurzlebigen zellen des blutes werden auf diese weise ständig nachgeliefert a1 mehrere gewebetypen die sich untereinander ergänzen werden als organ bezeichnet informieren sie sich welche organe bei pflanzen unterschieden werden und welche funktionen sie erfüllen beispiele für die differenzierung tierischer zellen gewebeanordnung in der luftröhre links lichtmikroskopisch rechts rem

zellforschung kokken mikrokokken spirillen bazillen cyanobakterien oder den purpurbakterien sind hier auch fotosynthetisch aktive bereiche vorhanden das cytoplasma der bakterienzelle zeigt eine feine gekörnte struktur die auf die ca 1000 ribosomen zurückzuführen ist die proteinbiosynthese läuft an den ribosomen ab diese gehören bei den bakterien immer zum kleineren 70-s-typ gegenüber den 80-sribosomen der eukaryoten die meisten bakterien besitzen auf der zellmembran eine zellwand die als stützskelett dient diese enthält murein ein riesenmolekül aus zuckern und aminosäuren das die zelle umspannt zusätzlich liegt bei einigen bakterien eine schleimschicht kapsel vor die als schutz vor der immunabwehr dient die bewegung der zellen erfolgt ungerichtet durch die luft oder das wasser manche bakterien haben geißeln zur fortbewegung prokaryoten und eukaryoten die bakterien gehören zu den prokaryoten lebewesen die noch keinen zellkern haben alle anderen organismen wie pflanzen pilze oder tiere gehören zu den eukaryoten da deren zellen einen zellkern haben a1 vergleichen sie anhand des textes und der abb eine prokaryotische bakterienzelle mit einer eukaryotischen pflanzenzelle bakterien sind winzige einzellige lebewesen die nur unter dem mikroskop zu beobachten sind die größe der meisten bakterien beträgt ca bis m sie kommen in der luft im wasser und im boden vor und leben von der umsetzung organischer substanzen eine wichtige rolle spielen die bodenbakterien als destruenten manche bakterien dringen auch als krankheitserreger in andere lebewesen ein und lösen krankheiten aus aufbau der bakterienzelle bakterien sind sehr einfach gebaute lebewesen deren aufbau auf das notwendigste zum leben beschränkt ist die zellen der bakterien sind meistens kugelig kokken spiralförmig spirillen oder stäbchenförmig bazillen sie besitzen keine organellen und keinen zellkern die dna liegt offen im plasma in einem als kernäquivalent bezeichneten bereich hat jedoch keine zellkernhülle neben dem kernäquivalent liegen zusätzlich kleine ringförmige dna-stränge vor die plasmide diese können sehr verschieden sein und gene für außergewöhnliche stoffwechselwege tragen die zellmembran der bakterien hat nach innen gerichtete einstülpungen an diesen können energie umwandelnde reaktionen ablaufen die den vorgängen in den mitochondrien sehr ähnlich sind bei einigen formen den bakterien sind anders membraneinstülpung schleimhülle zellwand zellmembran cytoplasma ribosom kernäquivalent plasmid geißel vesikel tem-aufnahme einer bakterienzelle bakterium bakterienformen

atmende einzeller später tierische organismen und pilze prokaryotische vorformen entstehung eines echten zellkerns evtl auch durch endosymbiose zellkern endosymbiose eines bakteriums das zellatmung betreibt mitochondrium endosymbiose eines bakteriums das fotosynthese betreibt chloroplast fotosynthese betreibende einzeller später pflanzliche organismen endosymbiose endosymbiose prokaryoten eukaryoten mitochondrien/ chloroplasten ribosomen hülle einfache membran einfache membran doppelmembran informationsträger ein dna-molekül ring und plasmide chromosomen ein meist ringförmiges dnamolekül intern gesteuerte proteinbiosynthese ja ja ja vermehrung teilung teilung und fortpflanzungsmechanismen teilung membranauflagerungen dünn spezielle phospholipide dick dünn spezielle phospholipide isoliert begrenzt lebensfähig ja ja ja *sedimentationskoeffizient svedberg maß für die geschwindigkeit mit der sich partikel beim zentrifugieren absetzen vergleichsdaten zur endosymbiontentheorie sowohl mitochondrien als auch chloroplasten enthalten nicht wie die anderen zellorganellen eine einfache sondern eine doppelte zellmembran ferner besitzen sie eigene dna seite man nimmt an dass erste eukaryoten ureukaryoten vor langer zeit aus der verschmelzung endocytose seite ers ter kernhaltiger zellen mit ursprünglich selbstständig lebenden bakterienzellen hervorgegangen sind diese ureukaryoten nahmen bestimmte bakterien auf verdauten diese jedoch nicht es entwickelte sich eine beziehung mit gegenseitigem nutzen symbiose im verlauf der evolution entstand eine gegenseitige abhängigkeit dieser ursprünglich getrennt lebenden zellen endosymbiose betrachtet man den gesamten verlauf dieser symbiose spricht man von der endosymbiontentheorie die ersten eukaryotischen zellen wir wissen heute dass der sauerstoffanteil auf unserem planeten noch vor mrd jahren bei ca lag während er ca millionen jahre später schon auf angestiegen war in diesem zeitraum haben sich wahrscheinlich die ersten ureukaryotischen zellen aus der symbiose mit mitochondrialen bakterien entwickelt diese bakterien waren vermutlich im gegensatz zu den ureukaryoten in der lage energiereiche stoffe mithilfe des sauerstoffs vollständig zu oxidieren weitere ureukaryotische zellen heutige pflanzliche zellen enthalten sowohl mitochondrien als auch chloroplasten man geht davon aus dass sie aus ureukaryoten entstanden sind die cyanobakterien als vorläufer der chloroplasten in ihre zellen aufnahmen ursprünglich nahm man an dass die chloroplasten im laufe der evolution ihre gene an den zellkern verloren haben dies hat sich nicht bestätigt sowohl gene der chloroplasten als auch gene des zellkerns stellen die für die fotosynthese benötigten enzyme her diese gene haben einen cyanobakteriellen und eubakteriellen ursprung genetischer flickenteppich a1 prüfen sie die übereinstimmung zwischen aussagen der endosymbiontentheorie und den angaben in abb e7eq45

3 zellforschung acetabularia wettsteinii acetabularia acetabulum acetabularia acetabulum mm hut stiel rhizoid mikroskopisch war der zellkern in jeder zelle zu finden auch die teilung des zellkerns bei der zellteilung war bekannt die bedeutung des zellkerns ließ sich jedoch nicht unter dem mikroskop untersuchen sondern durch experimente an lebenden zellen vorteile von acetabularia für diese experimente eigneten sich besonders die großen zellen der einzelligen alge acetabularia diese kommt im mittelmeer und anderen südlichen meeren vor sie kann bis zu mm lang sein und ist gut zu präparieren die verschiedenen abschnitte der zelle hut stiel rhizoid lassen sich gut unterscheiden randspalte der zellkern befindet sich immer im rhizoid abb verschiedene arten lassen sich durch unterschiedliche formen des huts gut unterscheiden abb acetabularia-experimente der botaniker joachim hämmerling führte 1931 mit acetabularia experimente durch um die bedeutung des zellkerns in der zelle aufzuklären hämmerling untersuchte zuerst die einzelnen teile dieser zelle der größte teil des stiels wird von der vakuole eingenommen im plasma aller abschnitte befinden sich die chloroplasten hämmerling stellte fest dass der kernhaltige teil auf dauer überleben und sich fortpflanzen konnte während die kernlosen teile zwar über einige tage am leben gehalten werden konnten danach jedoch ihren stoffwechsel einstellten weitere experimente zeigten dass das obere stück des stiels einen hut bilden konnte das mittelstück dazu nicht in der lage war und das kernhaltige rhizoid sich zu einer ganzen fortpflanzungsfähigen zelle regenerieren konnte nach diesen voruntersuchungen führte hämmerling pfropfungsexperimente zu der fragestellung durch welchen einfluss der kern auf die hutform hat abb a1 beschreiben sie die experimente in abb und erläutern sie die ergebnisse unter bezug zur bedeutung des zellkerns die funktion des zellkerns wird erforscht die bedeutung des zellkerns pfropfungsexperimente bei acetabularia rhizoid von acetabularia mit zellkern acetabularia hut von acetabularia crenulata mm µm

crenulata ergebnis rhizoide werden vereinigt mediterranea hüte entfernt hüte erneut entfernt stiele und rhizoide getauscht ergebnis ergebnis zellkern entfernt zellkern übertragen mediterranea crenulata ergebnis viele verschiedene experimente wurden mit acetabularia durchgeführt die fragestellungen der wissenschaftler waren hierbei bezogen auf den zellkern bestimmt der zellkern welche merkmale des hutes ausgebildet werden gibt es substanzen die vom kern ins plasma wandern und die vorgänge in der zelle steuern experiment fragestellung der wissenschaftler was steuert die form des hutes vermutung der wissenschaftler etwas im stiel oder im rhizoid steuert das aussehen des hutes a1 beschreiben sie das experiment a erklären sie das versuchsergebnis berücksichtigen sie hierbei die fragestellung und vermutung der wissenschaftler experiment fragestellung der wissenschaftler steuert der stiel oder das rhizoid das aussehen des hutes vermutung der wissenschaftler etwas im rhizoid steuert das aussehen des hutes a3 beschreiben sie die experimente a4 erklären sie die versuchsergebnisse hinsichtlich der fragestellung und vermutung a5 erklären sie den unterschied zwischen dem und ergebnis unter dem aspekt dass substanzen vom kern abgegeben werden experiment fragestellung der wissenschaftler steuert der zellkern die form des hutes vermutung der wissenschaftler der zellkern steuert das aussehen des hutes a beschreiben sie die experimente a erklären sie das versuchsergebnis mit blick auf die fragestellung und vermutung material acetabularia-experimente experiment experiment experiment hutform mediterranea

zellforschung ch oh ch ch oh ch ch adenin nucleotid desoxyribose desoxyribose base pyrimidin purin wasserstoffbrücken zelle chromosom centromer chromatid dna doppel-helix schematisch oh hc ch nh phosphat dna eine nucleinsäure im zellkern der eukaryoten liegen die chromosomen die unter dem mikroskop gut sichtbar sind sie bestehen zum größten teil aus der dna desoxyribonucleinsäure in der die genetischen anweisungen gespeichert sind nucleotide die bausteine der dna die bausteine der dna sind die nucleotide diese werden zu langen fäden der dna verknüpft die nucleotide bestehen aus einem zucker desoxyribose einem phosphat das für den säurecharakter verantwortlich ist und einer stickstoffhaltigen base abb in der dna findet man vier verschiedene basen adenin thymin cytosin und guanin diese werden in zwei gruppen geordnet thymin und cytosin sind pyrimidin-basen deren atome zu einem sechseckigen molekül angeordnet sind adenin und guanin sind purin-basen deren moleküle aus einem fünfund sechseckigen gerüst bestehen abb mit der nahrung nehmen wir täglich bis zu mg nucleotide auf die für den aufbau der körpereigenen dna genutzt werden sie können vom körper aber auch selbst aus zuckern phosphat und aminosäuren aufgebaut werden aufbau der dna die zuckermoleküle der nucleotidbausteine werden über das phosphat miteinander verbunden das phosphat verbindet dabei das kohlenstoffatom 3‘ mit dem kohlenstoffatom 5‘ der folgenden desoxyribose abb durch die sich immer abwechselnde aneinanderreihung von phosphaten und zuckern entstehen lange ketten die nucleinsäuren jede kette hat an ihrem ende eine freie oh-gruppe der desoxyribose damit hat die dna eine leserichtung bei der verdopplung durch die reihenfolge der basen ist der genetische code festgelegt die dna ein doppelstrang die ketten liegen bei der dna nicht einzeln vor sondern sind mit einer zweiten kette gepaart das zusammenhaften erfolgt über wasserstoffbrücken zwischen den basen nicht jede base kann sich mit den anderen basen paaren man fand anmolekularer aufbau der dna

helicase freie nucleotide polymerase enzymkomplex 5' 3' 3' 5' hand von untersuchungen immer gleich viele moleküle von thyminund adeninbasen sowie cytosinund guaninbasen daraus folgerte man dass sich immer thyminund adeninbasen sowie cytosinund guaninbasen paaren diese basenpaare werden komplementäre basenpaare genannt die beiden einzelstränge sind zu einem doppelstrang verbunden und schraubenartig gegeneinander gedreht die beiden stränge der doppelhelix sind antiparallel ein strang verläuft von 3’ nach 5’ der andere von 5’ nach 3’ die dna wird verdoppelt replikation in einem chromatid ist jeweils eine dnadoppelhelix enthalten bevor sich eine zelle teilt muss dieses chromatid verdoppelt werden da sonst die erbinformation nicht weitergegeben werden kann diese verdopplung in der s-phase ist voraussetzung für die gleichmäßige verteilung der dna zwischen den bereits vorhandenen mutterzellen und den neu entstehenden tochterzellen seite die dna kann nur identisch verdoppelt werden wenn die beiden stränge voneinander getrennt sind und an jedem strang jeweils ein neuer strang aus den nucleotiden gebildet wird dieser vorgang wird replikation genannt an verschiedenen stellen trennt das enzym helicase die doppelhelix in die beiden stränge indem es die wasserstoffbrücken löst freie nucleotide im zellkern lagern sich nun an die jeweiligen basen des original-einzelstrangs an jeweils ein an ein oder ein an ein ein weiteres enzym die dna-polymerase gleitet in 3’ 5’-richtung und verknüpft die nucleotide wie der zipper eines reißverschlusses zu einem neuen durchgehenden strang dem tochterstrang in der doppelhelix sind die einzelstränge antiparallel gepaart der zweite strang kann in dieser leserichtung nicht kontinuierlich verdoppelt werden man findet an diesem kurze dna-abschnitte von bis nucleotiden die stückchenweise gelesen und anschließend miteinander verbunden werden a1 beschreiben sie das modell in abb und erklären sie welche vorgänge bei der replikation man hiermit erklären kann tem-aufnahme der dna-replikation modell der verdopplung eines dna-strangs replikation f4st7k

3 zellforschung s161045451_g034_02 ingrid schobel dna n-haltiger bakterien dna n-haltiger bakterien dna n-haltiger bakterien nach einer generation in dna n-haltiger bakterien nach zwei generationen in kontrollexperimente n-haltigem medium n-haltigem medium radioaktive tracer 2-chromatid-stadium mitose 1-chromatidstadium chromosomenverdopplung ohne radioaktives medium chromosomenverdopplungen in radioaktivem medium replikationsmechanismus konservativ semikonservativ dispers vor der zellteilung entstehen aus dem chromosom der mutterzelle jeweils zwei chromosomen der beiden tochterzellen da die dna-menge in beiden zellen gleich groß ist ist nicht nur eine teilung sondern auch eine verdopplung der dna erfolgt nachdem der aufbau der dna bekannt war stellte sich die wissenschaftliche frage wie die dna verdoppelt wird drei möglichkeiten der dna-verdopplung wurden in der wissenschaft diskutiert bei der konservativen teilung bleibt das ursprüngliche chromosom unversehrt erhalten und bildet eins der tochterchromosomen das andere tochterchromosom ist völlig neu bei der dispersiven teilung werden beide tochterchromosomen völlig neu synthetisiert hierbei handelt es sich um bauelemente aus dem vorhandenen chromosom und um neue bausteine bei der semikonservativen teilung bleibt jeweils eine hälfte des ausgangschromosoms unverändert in den tochterchromosomen diese dient als vorlage für den neuen strang das meselson-stahl-experiment atthew eselson und rank tahl gelang der nachweis für eine der drei möglichkeiten da man die vorhandene dna nicht von der neuen unterscheiden kann setzten eselson und tahl 1958 tracer ein die sie nach der verdopplung den verschiedenen dna-strängen zuordnen konnten hierzu verwendeten sie stickstoff-isotope isotope sind atome eines stoffes mit unterschiedlicher atommasse in der luft kommt hauptsächlich das leichte stickstoff-isotop vor man findet jedoch auch das schwerere n-isotop dieses hat einen atomkern mit einer größeren masse im experiment wurden bakterienzellen escherichia coli in einer kulturflüssigkeit die anstelle des in der umwelt vorherrschenden leichten stickstoff-isotops das schwerere nisotop enthielt bakterien bauen beide stickstoff-isotope in ihre dna ein die dna in die stickstoffhaltige basen mit anstelle von eingebaut wurden hat eine größere masse eselson und tahl ließen eine kultur von coli in anwesenheit von wachsen dann wurde das kulturmedium gewechselt und nur angeboten die neu synthetisierte dna konnte also nur enthalten den bakterien wurde zeit gegeben sich einmal zu teilen was bei coli rund min dauert einige zellen wurden der kultur entnommen um deren dna zu untersuchen nachdem die bakterien sich in der kultur ein zweites mal geteilt hatten wurde deren dna ebenfalls isoliert da die stickstoff-isotope nicht radioaktiv sind oder fluoreszieren sondern sich nur durch die masse unterscheiden benötigte man eine untersuchungsmethode die diese unterschiede deutlich macht mithilfe der dichtegradientenzentrifugation mit cäsiumchlorid wurden die dna-stränge getrennt bei diesem vorgang sammeln sich die verschiedenen dna-banden in der konzentrationsschicht an die ihrer eigenen dichte entspricht dna ist nicht mit bloßem auge erkennbar jedoch durch die fluoreszenz im uv-licht a1 beschreiben sie das experiment mit eigenen worten und erläutern sie ob die fragestellung eindeutig geklärt werden konnte a beschreiben sie wie die dichteverteilung bei einer konservativen verdopplung aussehen würde versuche von taylor herbert taylor führte zur gleichen zeit experimente mit dem radioaktiv markierten dna-nucleotid thymidin durch hierzu legte er zellen während der ersten replikation in die markierte substanz bei der folgenden replikation wurde nicht markiertes thymidin verwendet a3 vergleichen sie die aussagen der experimente von eselson -s tahl und aylor material wie verdoppelt sich die dna denkbare replikationsmechanismen die ergebnisse von meselson und stahl taylor-versuch wy36f5

3 anti-antikörper mit fluoreszenzfarbstoff markierter anti-antikörper antikörper zielstruktur die moderne zellbiologie erforscht nicht nur den aufbau der zellen sondern auch die vorgänge in den zellen auf der molekularen ebene diese untersuchungen können jedoch nicht direkt mit mikroskopen durchgeführt werden da die moleküle klein und nicht sichtbar sind die wissenschaftler verwenden daher hilfsstrukturen mit denen die moleküle der zu untersuchenden stoffe sichtbar gemacht werden können hierdurch besteht die möglichkeit moleküle in der zelle zu orten deren bewegung zu verfolgen und zu untersuchen mit welchen weiteren molekülen sie in verbindung treten auch das vorhandensein oder fehlen von bereichen auf der dna kann mit dieser methode nachgewiesen werden hierdurch können spezifische chromosomenstrukturen und fehler selektiv erkannt werden molekülerkennung mit leuchtstoffen zum gezielten auffinden von molekülen wie proteinen in der zelle dienen fluoreszierende farbstoffe abb die bei bestrahlung mit licht zum leuchten gebracht werden dieser effekt wird bei der fluoreszenszmikroskopie mithilfe von laserstrahlen genutzt seite die fluoreszierenden farbstoffe haften jedoch nicht gezielt an den jeweiligen gesuchten molekülen sondern verteilen sich über die gesamte zelle um dies zu verhindern werden die farbstoffe mit antikörpern verbunden die spezifisch an einzelne moleküle binden abb sie arbeiten nach dem gleichen antikörper-antigenprinzip wie in der immunabwehr seite der mit einem antikörper gekoppelte farbstoff wird als molekulare sonde oder tracer bezeichnet der aufenthaltsort der gesuchten moleküle in der zelle wird über diese tracer mit dem fluoreszenzmikroskop ermittelt proteine oder andere substanzen die auf oder in der zellmembran angeordnet sind wurden hierdurch nachgewiesen und deren bewegung in der membran erkannt die leuchtenden moleküle können über stunden und tage verfolgt werden hierdurch wurden viele transportmechanismen innerhalb der zelle und über membranen hinweg zwischen den zellen nachgewiesen erkenntnisse zum aufbau und zur funktion des cytoskeletts wurden mit dieser methode erst möglich radioaktive tracer für die untersuchung von stoffwechselwegen werden radioaktiv markierte tracer eingesetzt radioaktiv markierte glucosemoleküle beispielsweise können beim abbau im stoffwechsel untersucht werden hierbei findet man die radioaktivität in den beim abbau entstandenen molekülen wieder a1 erläutern sie anhand von abb welche vorteile die markierten anti-antikörper gegenüber markierten antikörpern haben tracer detektive in der zelle tracer schematisch fluoreszierender farbstoff

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 s161045451_g038_01 ingrid schobel kontrollsystem -kontrollpunkt m-kontrollpunkt interphase -kontrollpunkt zellen entstehen nur aus zellen dies ist eine zentrale aussage der zelltheorie beim wachstum aller organismen entstehen die notwendigen neuen zellen daher durch zellteilung abb nach der teilung entsprechen die entstandenen zellen in ihrer ausstattung den ausgangszellen in einem immer wiederkehrenden kreislauf dem zellzyklus wechseln sich die interphase -phase -phase und s-phase mit dem wachstum der zellen und die zellteilung die mitose miteinander ab der zellzyklus dauert beim menschen ca stunden dies kann je nach gewebe variieren die interphase ist dreigeteilt die gap-phase die -phase schließt direkt an die mitose an gap bedeutet im englischen lücke oder zwischenraum in dieser phase wächst die zelle und baut organellen und zellbestandteile wie enzyme oder membranen auf in der -phase liegt ein chromosomensatz mit einem chromatid vor in der synthesephase der s-phase werden die bausteine für die dna synthetisiert und im weiteren verlauf die dna verdoppelt hierdurch ist gewährleistet dass die genetische information in den vorhandenen und den folgenden neuen zellen identisch ist am ende der s-phase besteht jedes chromosom aus identischen chromatiden in der -phase lösen sich die zellkontakte zu den nachbarzellen die zelle vergrößert sich durch flüssigkeitsaufnahme kontrollpunkte zur sicherheit die zelle wächst und teilt sich durch eine planmäßige abfolge einzelner kontrollierter teilschritte abb der zyklus kann an verschiedenen kontrollpunkten angehalten oder die nächste phase gestartet werden sind in der zelle irreparable schäden vorhanden wird der programmierte zelltod eingeleitet am -kontrollpunkt wird überprüft ob eine ausreichende zellgröße erreicht ist und ob dna-schäden vorliegen der zeitpunkt der auf das wachstum folgenden zellteilung wird gesteuert die anzahl der teilungen in einem gewebe ist kontrolliert da ansonsten krankhafte gewebeveränderungen oder zu kleine zellen entstehen würden bei diesem vorgang spielen wachstumsfaktoren wie hormone eine rolle am -kontrollpunkt erfolgt die kontrolle ob die dna-verdopplung vollständig abgeschlossen und die reparatur von dna-schäden erfolgt ist am m-kontrollpunkt wird überprüft ob die kinetochore der chromosomen mit den mikrotubuli verbunden sind die mitosephase wird ansonsten herausgezögert bis der vorgang abgeschlossen ist zellzyklus kontrolle der zellverdopplung zellzyklus von einer befruchteten eizelle zu billionen von zellen

s161045451_g039_01 ingrid schobel darmzellen in kulturgefäß unbefruchtetes ei zerstörung des zellkerns mit uv-licht zellkern in einer pipette kaulquappe frosch zellen aus denen ein vollständiges individuum mit den verschiedenen differenzierten geweben entstehen kann sind totipotent die daraus entstehenden zellen in den verschiedenen organen des organismus darmoder augenzelle sind nicht gleich sondern verschieden differenziert seite verändert sich der zellkern im zellkern ist in den chromosomen die dna enthalten diese steuert bei der differenzierung in den geweben die strukturen und funktionen der zellen spezifisch verändert sich die dna im zellkern in den verschiedenen zellen oder ist sie weiterhin in der lage totipotente zellen zu erzeugen diese frage wurde 1958 mithilfe von experimenten an krallenfröschen untersucht abb der zellbiologe john bertrand gurdon entnahm mit einer mikropipette einen zellkern aus einer differenzierten darmgewebezelle eines krallenfrosches dieser wurde in ein ei eines anderen krallenfrosches dessen kern vorher mithilfe von uv-licht zerstört wurde überführt das ei entwickelte sich in den meisten fällen zu einer kaulquappe und einem lebensfähigen frosch durch dieses experiment konnte gurdon die ausgangsfrage beantworten die zelldifferenzierung ist reversibel der zellkern in den differenzierten zellen enthält noch alle funktionen da alle gewebe in dem vollständigen individuum wieder entstanden sind er ist totipotent menschliche stammzellen sind pluripotent bei der anwendung von stammzellen geht es darum bei schweren erkrankungen die jeweiligen organe oder gewebeanteile auszutauschen organspenden haben den nachteil dass die gewebe der spenderorgane genetisch nicht mit denen des patienten übereinstimmen und es zu immunreaktionen kommen kann die für die entwicklung der neuen gewebe notwendigen eigenen zellen aus verschiedenen geweben müssen nicht totipotent sein da sie sich zu keinem neuen organismus sondern zu verschieden differenzierten geweben entwickeln sollen pluripotenz a1 beschreiben sie die experimente in abb unter dem aspekt der totipotenz a erläutern sie welche bedeutung das experiment von urdon für die stammzellforschung hatte totipotent pluripotent stammzellen krallenfroschexperiment krallenfroschlarven

4 zellforschung lymphocyt kultur von tumorzellen tumorzelle hybridzelle monoklonale antikörper zellfusion injektion des antigens zellkultur der hybridzellen unbegrenzte vervielfältigung die medizinforschung klärt die zellulären zusammenhänge von krankheiten genauer auf um diese gezielter bekämpfen zu können einsatz gegen krankheiten um krankheiten zu bekämpfen wird experimentell nach bestimmten molekülen in zellen von erkrankten menschen gesucht an denen ein wirkstoff ansetzen und den krankheitsverlauf beeinflussen kann ist ein solches zielmolekül bekannt beginnt die genaue suche nach neuen wirkstoffen mit einem screening bei diesem werden tausende substanzen auf ihre wirksamkeit hin untersucht solche tätigkeiten werden von robotern durchgeführt die die vielen zu testenden substanzen auf ihre tauglichkeit untersuchen erfolgversprechend sind solche wirkstoffe die mit dem zielmolekül eine verbindung eingehen mithilfe von fluoreszenztracern weist man die erfolgversprechenden ansätze nach zellen für diagnose und therapie diese wirkstoffe werden in zellkulturen getestet durch chemische veränderungen und weitere tests in zellkulturen können sie optimiert werden antikörper könnten zur gezielten waffe gegen den krebs eingesetzt werden antikörper können gegen alle antigene hergestellt werden zunächst wurden sie in mäusen gebildet da dies jedoch zu allergischen reaktionen bei patienten führte wechselte man zu zellkulturen mit menschlichen zellen denn diese zeigen keine nebenwirkungen zellkulturen die zucht von zellen in glasoder plastikgefäßen wird als zellkultur bezeichnet die zellen werden aus lebendem gewebe isoliert die isolierten zellen in den zuchtbehältern benötigen nährmedien die salze glucose aminosäuren und vitamine enthalten auch wachstumsfaktoren oder hormone können zugesetzt werden zellen stellen wirkstoffe her für medizinische zwecke erfolgt die produktion von insulin blutgerinnungsfaktoren oder therapeutischen proteinen wie antikörpern mithilfe von zellkulturen die antikörper dienen der diagnostik von krebserkrankungen medizinischen standardtests wie der blutgruppenbestimmung und zur therapie mit chemischen methoden lassen sich diese substanzen nicht herstellen da für die jeweilige funktion nicht nur einzelne moleküle miteinander verbunden werden sondern in eine räumliche struktur überführt werden müssen randspalte zellen werden optimiert für die produktion der gewünschten stoffe in zellkulturen werden bakterienzellen hefezellen oder zellen von pflanzen tieren und menschen eingesetzt die menschlichen zellen stammen aus verschiedenen geweben aus bindegewebe nierenleberoder lungengewebe die lebensdauer solcher zellkulturen ist sehr kurz da die anzahl der zellteilungen eingeschränkt ist krebszellen aus den verschiedenen geweben teilen sich dagegen unbegrenzt normale zellen können ebenfalls in unsterbliche zellen umgewandelt werden durch die verschmelzung verschiedener zellen können sehr spezifische substanzen in großen mengen langfristig produziert werden abb a1 beschreiben sie den vorgang zur herstellung spezifischer antikörper in abb und erläutern sie die bedeutung der verschmelzung der beiden zellen zellkulturen retten menschenleben gewinnung monoklonaler antikörper antikörper strukturmodell

mithilfe der zellkulturen können viele prozesse in zellen untersucht werden ohne dass dafür tiere im klassischen tierversuch leiden und sterben müssen untersucht werden substanzen aus dem pharmazeutisch-medizinischen und kosmetischen bereich viele tierversuche in der forschung lassen sich ersetzen da untersuchungen zu wirkungen von substanzen auf den menschen direkt an zelllinien aus menschlichem gewebe durchgeführt werden können veränderungen im zellulären stoffwechsel lassen sich sofort nachweisen die zahl der tierversuche ist dadurch in diesem bereich deutlich zurückgegangen in klinischen studien werden sie zum teil noch eingesetzt ein weiterer vorteil von zellkulturen liegt in untersuchungen zur spezifischen vermehrung von viren bei menschen oder tieren hier sind schnell ergebnisse vorhanden da diese vorgänge in den zellen ablaufen bei der untersuchung ob substanzen krebs auslösen bieten zellkulturen einen vorteil da man immer die gleichen versuchsbedingungen vorgeben und standardisieren kann hierdurch sind die versuche vergleichbarer bei tierversuchen ist eine aussage wesentlich schwieriger da unterschiedliche stressfaktoren bei den tieren vorliegen können die vergleichbarkeit kann dadurch je nach test gering sein eignung von zellkulturen zellkulturversuche eignen sich nicht um wirkungen auf den gesamten organismus zu untersuchen bei gift oder krebserregenden substanzen muss berücksichtigt werden dass durch zellkulturen nicht untersucht werden kann wie schnell die substanzen in der leber innerhalb eines organismus abgebaut werden oder welche wirkung sie auf embryonen während einer schwangerschaft haben können hinzu kommt dass auch abbauprodukte der substanzen die in der leber entstehen folgewirkungen aufweisen können bei solchen untersuchungen kann die anzahl der tierversuche jedoch gesenkt werden da bereits voruntersuchungen mit den jeweiligen gewebezellen in zellkulturen durchgeführt werden tierversuche mit hohen belastungen für die tiere wie künstlich hervorgerufene hautoder schleimhautreizungen wurden durch zellkulturen ersetzt gesetzliche vorgaben neue eu-gesetze verbieten besonders im bereich der kosmetika den einsatz von versuchstieren im tierschutzgesetz von 2002 ist verankert dass tierversuche nur dann zulässig sind wenn sie alternativlos sind also keine anderen verfahren zur verfügung stehen gewinnung von zellen an die zellen aus menschlichem organgewebe gelangt man indem gewebestücke mit verdauungsenzymen wie trypsin zusammengebracht werden der kontrollierte verdauungsvorgang wird so lange durchgeführt bis sich das gewebe auflöst und die zellen einzeln vorliegen die zellen werden danach gewaschen abzentrifugiert und in ein nährmedium überführt die meisten tierischen zellen können sich jedoch nur ca 50-mal teilen danach sterben sie ab die spezifischen wirkungen auf den menschen können hierbei besser an menschlichen zellkulturen untersucht werden als an tierischen das gewebe wird menschen entnommen hierdurch wird die zahl der für zellkulturen getöteten tiere gesenkt a1 entnehmen sie dem text vorteile und nachteile von zellkulturen in der forschung und wägen sie diese gegeneinander ab material zellkulturen ein ersatz für tierversuche tierversuche zellkulturen in der forschung

zellforschung wasser organische verbindungen anorganische ionen 7% proteine und polypeptide nucleinsäuren kohlenhydrate lipide bei der chemischen untersuchung von zellen findet man als bestandteile wasser organische verbindungen und salze zu den organischen stoffen gehören proteine kohlenhydrate lipide sowie die nucleinsäuren abb die anteile sind je nach zelltyp unterschiedlich wasser ein lösungsmittel die eigenschaften des wassers beruhen auf dem aufbau und der ladungsverteilung des wassermoleküls die ladungen sind im wassermolekül ungleichmäßig verteilt das sauerstoffatom zieht aufgrund seiner höheren elektronegativität die bindenden elektronenpaare stärker zu sich hin als es die beiden wasserstoffatome vermögen hierdurch ergibt sich eine ungleiche ladungsverteilung und damit ein polares molekül das wassermolekül hat zwei pole es ist ein dipol abb moleküle mit dipolen liegen nicht einzeln vor sondern ziehen sich ständig gegenseitig an sodass kurzzeitig größere molekülverbände cluster entstehen der größte teil der lebenden zellen besteht aus wasser wasser ist ein wichtiges transportmedium und lösungsmittel für salze zucker und andere wasserlösliche moleküle die im stoffwechsel anfallen abb wassermoleküle haben durch ihre dipolwirkung besondere chemische und physikalische eigenschaften deren kenntnis voraussetzung für ein verständnis vieler stoffwechselvorgänge ist kohlenwasserstoffverbindungen verbindungen wie kohlenhydrate fette oder proteine enthalten hauptsächlich kohlenstoff und wasserstoff kohlenwasserstoffverbindungen im gegensatz zum wasser sind reine kohlenwasserstoffe unpolar da die ladungsverteilung im molekül ausgeglichen ist sie lösen sich daher gut in unpolaren substanzen wie fett und öl mit den polaren wassermolekülen entstehen jedoch keine wechselwirkungen reine kohlenwasserstoffverbindungen sind im fett löslich jedoch nicht im wasser in kohlenwasserstoffen gibt es auch hydrophile gruppen sie enthalten neben der kohlenwasserstoffkette sauerstoffoder stickstoffatome die unterschiedliche elektronegativität führt wie beim wasser zu einer unterschiedlichen ladungsverteilung diese kohlenwasserstoffverbindie zellmembran ein modell entwickelt sich chemische eigenschaften der zellinhaltsstoffe salzlöslichkeit in wasser biochemische zusammensetzung von zellen wassermoleküle hydrophil wasserliebend hydrophob wassermeidend

binden sie ist bestandteil aller aminosäuren die in pflanzen und tieren natürlich vorkommenden amine besitzen große bedeutung als gewebehormone oder im nervensystem aminosäuren verbindungen mit einer aminound einer carboxylgruppe heißen aminosäuren bei allen biologisch relevanten aminosäuren sind beide gruppen am ersten kohlenstoffatom gebunden sie sind die bausteine der proteine a1 wasserläufer abb sinken auf der wasseroberfläche nicht ein erklären sie wie es zu diesem phänomen kommt a beschreiben sie anhand von abb den lösungsvorgang eines salzes im wasser dungen beeinflussen die funktion der moleküle entscheidend und werden deshalb funktionelle gruppen genannt alkohole alkanole die funktionelle gruppe der alkohole ist die hydroxylgruppe abb beispiele sind ethanol oder glycerin durch das sauerstoffatom sind diese gruppen polarisiert also hydrophil der rest jedoch bleibt hydrophob je länger die unpolare kette ist desto mehr tritt der hydrophobe charakter beim gesamtmolekül in erscheinung kurzkettige alkanole sind gut mit wasser mischbar carbonylverbindungen zu ihnen zählen die alkanale und alkanone die carbonylgruppe ist hydrophil und reaktiv carbonylverbindungen kommen als zwischenprodukte in einigen stoffwechselwegen vor carbonsäuren die funktionelle gruppe der carbonsäuren st die carboxylgruppe diese ist hydrophil daher sind kurzkettige carbonsäuren wasserlöslich die carboxylgruppe kann -ionen abgeben mit zunehmender länge der kohlenwasserstoffkette sind carbonsäuren immer unpolarer und dadurch fettlöslich amine auch die aminogruppe -nh ist hydrophil im gegensatz zu den carbonsäuren kann sie als base reagieren also -ionen wasserläufer kohlenwasserstoffverbindungen ethanol oh glycerin 3propantriol ethylgruppe hydroxylgruppe formelschema oh 2n+2 alkane formelschema nh amine formelschema formelschema alkansäuren carbonsäuren aminosäuren formelschema cooh nh alkanole alkohole aminogruppe rn serin ch oh carboxylgruppe aminogruppe methan ch hexan essigsäure ethansäure c-cooh carboxylgruppe ch methylgruppe

4 zellforschung ch oh oh oh oh ch oh hoch oh oh saccharose lactose ch oh oh oh oh ch oh oh oh oh oh -glucose ch oh oh oh oh oh -glucose ch oh oh oh oh oh ribose ch oh oh ho fructose hoch hho oh ch oh oh cellulose bis zu -glucose-einheiten -amylose einige tausend -glucose-einheiten die kohlenhydrate kohlenhydrate saccharide kennen wir als bestandteile der nahrung stärke haushaltszucker oder traubenzucker sie sind wichtige energielieferanten für den orga nismus am beispiel des traubenzuckers glucose soll der aufbau eines kohlenhydra ts verdeutlicht werden seine chemische zusammensetzung wird durch die summenformel angegeben die strukturformel gibt die verknüpfung der einzelnen atome an damit kann man darstellen dass glucose in zwei formen existiert man unterscheidet -glucose und -glucose abb von anderen zuckern unterscheidet sich glucose vor allem durch die unterschiedliche anordnung der oh-gruppen monound disaccharide die glucose ist ein einfachzucker monosaccharid sie besteht aus einem einzigen zuckerbaustein durch verknüpfung zweier monosaccharide entstehen zweifachzucker disaccharide dabei reagiert eine hydroxylgruppe des einen zuckers mit einer hydroxylgruppe des anderen wobei ein molekül wasser abgespalten wird wichtige disaccharide abb sind der haushaltszucker saccharose und der milchzucker lactose die saccharose wird aus zuckerrohr oder zuckerrüben gewonnen monound disaccharide sind wegen mehrerer oh-gruppen und der geringen molekülgröße hydrophil polysaccharide stärke glykogen und cellulose sind wichtige vielfachzucker polysaccharide in ihnen sind jeweils viele glucosemoleküle zu einem makromolekül verbunden die bausteine des pflanzlichen reservestoffs stärke amylose sind die -glucosemoleküle glykogen wird als tierische stärke bezeichnet da es tierischen organismen als kohlenhydratspeicher dient unser körper kann ca gramm davon in leber und muskulatur speichern der pflanzliche gerüststoff cellulose hingegen besteht aus -glucosebausteinen die makromoleküle stellen sehr dünne fasern dar die sich zu dickeren fasern zusammenlagern a1 erklären sie anhand der wasserund zucker moleküle den lösungsvorgang von zucker zuckerrübe monosaccharide disaccharide polysaccharide

4 bildung eines fettmoleküls aus einem glycerinmolekül und drei fettsäuremolekülen unter abspaltung von drei wassermolekülen veresterung zum fett glycerin fettsäuren fett wasser orientierung von phospholipiden an grenzflächen luft wasser luft struktur des phospholipids lecithin oberflächenfilm micelle hydrophil hydrophob ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch die lipide fette lipide sind bei pflanzen und tieren die hauptenergiereserve lipide sind substanzen die sich in unpolaren lösungsmitteln gut in polaren jedoch schlecht lösen ein baustein ist der dreiwertige alkohol glycerin dazu kommen langkettige carbonsäuren die man wegen ihres vorkommens in fetten auch fettsäuren nennt drei verschiedene fettsäuren können an der bildung eines fettes beteiligt sein abb im darm werden die fette in glycerin und die fettsäuren gespalten fettsäuren sind im wässrigen darminhalt schlecht löslich durch die gallenflüssigkeit und die darmbewegung bilden sich kleine tröpfchen sie bilden eine emulsion häufig vorkommende fettsäuren sind stearinund palmitinsäure sie besitzen wie andere in organismen vorkommende fettsäuren auch eine gerade anzahl von kohlenstoffatomen stearinund palmitinsäure gehören zu den gesättigten fettsäuren da sie keine c–c-doppelbindungen haben ungesättigte fettsäuren ölsäure und linolsäure zeichnen sich durch das vorhandensein einer oder mehrerer c–cdoppelbindungen aus mehrfach ungesättigte fettsäuren sind für den menschen meist essenziell das bedeutet sie müssen mit der nahrung aufgenommen werden gesättigte und ungesättigte fettsäuren unterscheiden sich in ihrem schmelzpunkt fette mit einem hohen anteil an mehrfach ungesättigten fettsäuren sind flüssig wie sonnenblumenöl fette die fast nur gesättigte fettsäuren enthalten sind dagegen fest wie butter fette sind unpolare moleküle im bereich der esterbindungen sind sie schwach hydrophil während sich die langen kohlenwasserstoffketten hydrophob verhalten die in den zellmembranen enthaltenen phospholipide weisen ein polares und ein unpolares ende auf eine der drei fettsäuren ist durch eine hydrophile phosphatgruppe mit daran gebundenem rest ersetzt lecithin die hydrophilen eigenschaften werden so verstärkt abb ihr polarer teil orientiert sich zum wasser hin sodass sich die hydrophoben kohlenwasserstoffketten nebeneinander anordnen deshalb kann sich auf einer wasseroberfläche ein dünner phospholipidfilm ausbilden durch schütteln entstehen in wasser fein verteilte tröpfchen micellen abb es bildet sich eine emulsion a1 erklären sie weshalb fette in wasser durch schütteln leicht micellen bilden aufbau und eigenschaften von lipiden

zellforschung aufbau einer aminosäure aminosäuren werden durch peptidbindungen miteinander verknüpft die chemischen eigenschaften der restgruppen bestimmen die eigenschaften des polypeptids alanin ala asparaginsäure asp lysin lys serin ser ch ch ch ch +h ch ch restgruppe unpolar wechselwirkung nur mit unpolaren molekülen oder molekülteilen restgruppe polar und neutral wechselwirkung mit polaren molekülen oder molekülteilen ausbildung von wasserstoffbrücken restgruppe polar und sauer starke wechselwirkung mit polaren molekülen oder molekülteilen restgruppe polar und basisch starke wechselwirkung mit polaren molekülen oder molekülteilen arginin arg lysin lys histidin his asparaginsäure asp glutaminsäure glu serin ser asparagin asn cystein cys methionin met glutamin gln threonin thr tyrosin tyr tryptophan trp glycin gly alanin ala leucin leu phenylalanin phe valin val isoleucin ile prolin pro restgruppe polar oder unpolar aminogruppe nh carboxylgruppe cooh dieser molekülteil ist bei den verschiedenen aminosäuren gleich peptidbindung cooh alle lebewesen enthalten über tausend verschiedene eiweiße proteine zu ihren vielfältigen funktionen gehören folgende als enzyme steuern proteine den stoffwechsel als hormone übertragen proteine informationen als membranrezeptoren nehmen proteine informationen aus der umgebung auf proteine transportieren sauerstoff hämoglobin als antikörper verklumpen proteine krankheitserreger proteine bilden gerüststoffe für zellen und gewebe proteine ermöglichen die bewegung muskelfasern motorproteine die funktion eines proteins hängt von seiner dreidimensionalen gestalt ab aminosäuren die bausteine proteine sind aus bausteinen den aminosäuren aufgebaut dabei kommen verschiedene aminosäuren besonders häufig vor kennzeichnende merkmale sind die saure carboxylgruppe und die basische aminogruppe als funktionelle gruppen sie sind immer am endständigen c-atom des aminosäuremoleküls dem -c-atom gebunden dieses ist außerdem noch mit einem h-atom und einem organischen rest verknüpft nur in diesem rest unterscheiden sich die aminosäuren er kann unpolar polar sauer oder basisch sein der menschliche organismus kann nicht alle aminosäuren selbst synthetisieren die sogenannten essenziellen aminosäuren müssen mit der nahrung aufgenommen werden peptide proteine entstehen durch verknüpfung vieler aminosäuren zu einem makromolekül dabei reagiert die carboxylgruppe der einen aminosäure unter wasserabspaltung mit der aminogruppe einer zweiten aminosäure die entstehende bindung nennt man peptidbindung aus zwei aminosäuren entsteht ein dipeptid durch kettenverlängerung entstehen oligopeptide in denen bis aminosäuren miteinander verknüpft sind polypeptide haben mehr als aminosäuren polypeptide mit mehr als aminosäuren nennt die proteine primärstruktur 8d64h2

4 -faltblatt atommodell -faltblatt bändermodell -helix atommodell -helix bändermodell cooh nh man proteine im prinzip können alle aminosäuren in beliebiger reihenfolge verknüpft werden sodass eine fast unbegrenzte anzahl verschiedener proteinmoleküle möglich ist die abfolge oder sequenz der einzelnen aminosäuren wird primärstruktur des proteins genannt sie bestimmt die eigenschaften des proteinmoleküls die hintereinander folgenden aminosäuren bilden eine molekülkette die einzelnen reste ragen seitlich aus der achse heraus ein ende der kette trägt eine freie nh -gruppe das andere eine freie coohgruppe räumliche struktur der proteine bedingt durch die nicht drehbaren peptidbindungen entstehen nebeneinander in einzelnen abschnitten des proteins räumliche strukturen die einer rechtsschraube -helix oder einem gefalteten blatt -faltblattstruktur ähneln wasserstoffbrückenbindungen innerhalb der peptidkette stabilisieren die spiralartige oder faltblattartige anordnung welche struktur in einem proteinmolekülabschnitt ausgebildet wird hängt von der aminosäuresequenz der primärstruktur ab die räumliche anordnung eines proteins nennt man sekundärstruktur abb oft wird eine tertiärstruktur ausgebildet indem sich das ganze molekül in charakteristischer weise faltet einzelne teile wie eine -helix oder ein -faltblatt sind durch unstrukturierte aminosäuresequenzen verbunden die geordneten bereiche wie helix oder faltblatt werden als strukturdomäne bezeichnet diese bestehen aus aminosäuren abb für die stabilität sind die anziehungskräfte zwischen den resten der einzelnen aminosäuren verantwortlich wenn bei der faltung die unpolaren reste in der mehrzahl zum molekülinneren orientiert sind und die polaren reste nach außen zeigen ist das proteinmolekül meist wasserlöslich durch die faltung liegen einzelne abschnitte innerhalb des moleküls nebeneinander deren lage durch wechselwirkungen zwischen verschiedenen resten stabilisiert wird die tertiärstruktur bestimmt die funktion eines proteins entscheidend diese eigenschaft geht verloren wenn die tertiärstruktur durch hitze säure oder auch alkohol zerstört wird denaturierung in einigen fällen bilden mehrere proteinmoleküle eine funktionsfähige einheit quartärstruktur ein beispiel dafür ist das hämoglobin der rote blutfarbstoff seite es besteht aus vier untereinheiten mit je einer nicht aus protein bestehenden hämgruppe a1 in lebewesen kommen regelmäßig verschiedene aminosäuren vor berechnen sie wie viele möglichkeiten es gibt wenn man aus diesen aminosäuren ein protein mit einer kettenlänge von oder aminosäuren herstellt sekundärstruktur oben und tertiärstruktur unten

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

5 zellforschung protein mit kohlenhydratkette peripheres protein integrales protein mit tunnel” lipiddoppelschicht lipidmolekül integrales protein cholesterol alle zellen werden von einer membran umhüllt die das innere der zelle von der umgebung abtrennt diese membranen in lebenden zellen werden als biomembranen bezeichnet sie schaffen sowohl eine räumliche trennung zu benachbarten zellen als auch innerhalb der zelle bei den zellorganellen chloroplasten mitochondrien es ergeben sich getrennte reaktionsräume in denen verschiedene reaktionsbedingungen herrschen wie ph-wert enzymausstattung substratangebot kompartimentierung kompartimentierungen ermöglichen es verschiedene konzentrationsgradienten aufzubauen gezielt können stoffe in bzw aus einem raum transportiert werden ferner finden an den biomembranen signalübertragungen nach dem schlüsselschloss-prinzip statt die unterschiedliche reaktionsfolgen in der entsprechenden zelle zur folge haben wie direkte indirekte änderung der genaktivität stimulierung bzw hemmung der zellteilung nur so ist ein geordneter ablauf unterschiedlicher stoffwechselvorgänge möglich je nach aufgabe unterscheiden sich die membrantypen im anteil und der zusammensetzung der proteine und weiterer makromoleküle deutlich der grundaufbau ist jedoch gleich abb grundaufbau der biomembran biomembranen bestehen aus lipiden und proteinen der anteil an lipidmolekülen ist ca 50-mal höher als der anteil an proteinmolekülen letztere sind allerdings deutlich größer die vorherrschenden lipide in zellen sind die phospholipide weitere lipide sind sterole das cholesterol und glykolipide der aufbau dieser lipide gliedert sich in einen kopfbereich und in einen schwanzbereich letzterer ist hydrophob und unpolar während der kopfbereich hydrophil und polar ist aufgrund dieser eigenschaften ordnen sich die biomembranlipide in wasser spontan zu einer phospho lipiddoppelschicht zusammen dabei zeigen die köpfe nach außen und die schwänze nach innen zur membranmitte die lipiddoppelschicht bildet die grundstruktur der membran und bestimmt deren eigenschaften wie stabilität und flexibilität ferner stellt sie eine barriere für moleküle dar bakterien verfügen nur über eine einzige biomembran während eukaryotische zellen noch zahlreiche innere biomembranen enthalten zweidimensionale flüssigkeitsschicht im jahr 1972 gelang es seymour singer und garth nicolson mithilfe der gefrierbruchtechnik seite ein membranmodell zu entwickeln das in seinen elektronenmikroskopisches bild und schema der biomembran aufbau und funktion einer biomembran

5 lipiddoppelschicht rezeptor carrierprotein enzym extrazellulärraum cytoplasma signal katalysierte reaktion grundzügen heute noch gültig ist danach hindert zwar die wässrige polare phase einer zelle die biomembran daran die lipiddoppelschicht kurzzeitig aufzugeben sie hält sie ständig zusammen nichts jedoch hält die lipide und proteine davon ab sich in ihrer jeweiligen ebene zu bewegen und ihre plätze mit anderen benachbarten molekülen zu tauschen dieser vorgang vollzieht sich in einer zelle sehr häufig daher wird das modell auch als fluid-mosaik-modell bezeichnet biomembranen verhalten sich also wie zweidimensionale flüssigkeiten mit häufigem plätzetausch der phospholipide und der proteine aufund umbau einer biomembran finden in lebenden zellen ständig statt proteine der biomembran obwohl die phospholipiddoppelschicht die grundstruktur einer biomembran ausmacht werden die meisten biomembranfunktionen von den proteinen bestimmt abb proteine besitzen hydrophobe und hydrophile bereiche viele membranproteine durchqueren die lipiddoppelschicht von innen nach außen dabei ragt jeweils ihr hydrophiler teil aus der membran unterschiedlich weit heraus während der hydrophobe proteinbereich sich in der doppelschicht innen befindet andere proteine ragen nur mit einer ihrer seiten aus der doppelschicht heraus das andere hydrophobe ende ist in der doppelschicht lokalisiert beide varianten werden als integrale proteine bezeichnet wieder andere membranproteine lagern nur locker auf der biomembran auf diese proteine werden als periphere proteine bezeichnet die beiden proteintypen kommen beispielsweise in den membranen der mitochondrien und der chloroplasten vor und erfüllen dort zentrale aufgaben seite mikroskopische biomembranbilder nur mit dem elektronenmikroskop lassen sich die einzelnen schichten einer biomembran erkennen bei entsprechender vergrößerung erkennt man drei schichten abb eine mittlere helle schicht ca nm wird von zwei dunkleren schichten jeweils nm umgeben abb alle biomembranen besitzen diese grundstruktur wird die dicke der membran gemessen so können sich unterschiede zeigen diese beruhen auf unterschiedlich vielen und verschieden großen makromolekülen auf der biomembranoberfläche a1 waschaktive substanzen in spülmitteln haben den gleichen grundaufbau wie phospholipide nämlich ein polares ende und eine lange unpolare kohlenwasserstoffkette folgender modellversuch kann ihnen helfen das verhalten solcher moleküle in wässriger umgebung zu verstehen füllen sie etwas wasser in eine flache schale oder einen teller und bestreuen sie es mit fein gemahlenem pfeffer geben sie dann einen tropfen spülmittel in die mitte der oberfläche erklären sie den auftretenden effekt auf molekularer ebene und stellen sie einen bezug zum bau von biomembranen her proteine in der biomembran auswahl typischer funktionen 9w8yr9

zellforschung die vorstellungen und erkenntnisse zur biomembran haben sich über einen langen zeitraum immer weiterentwickelt und führten zu einem besser werdenen verständnis über die bedeutung und funktion der biomembran die weiterentwicklung war abhängig von neuen untersuchungsverfahren erst sie ermöglichten antworten auf offene fragestellungen der wissenschaftler gefrierbruchtechnik das gültige modell der biomembran ging von einer lipiddoppelschicht aus auf der proteine aufgelagert sind untersuchungen mithilfe der gefrierbruchtechnik im bereich der elektronenmikroskopie sollten die fragestellung klären ob die proteine nur auf der oberfläche der biomembran liegen oder ob die proteine die membran auch durchdringen integrale proteine tiefgefrorene membranen werden bei diesem verfahren entlang der lipidschicht getrennt die hierbei erkennbare struktur von erhebungen und vertiefungen gibt auskunft über räumliche anordnungen a1 informieren sie sich auf seite über die gefrierbruchtechnik fassen sie das verfahren mit wenigen worten zusammen und erläutern sie welchen vorteil es für die klärung der wissenschaftlichen fragestellung hatte a beschreiben sie das elektronenmikroskopische foto in abb achten sie dabei auf die räumliche ausrichtung der proteine in der membran grünbrauner bereich und ordnen sie die jeweiligen beobachtungen dem schema in abb zu zellfusionsverfahren experimente mithilfe der molekularen sonden tracer ermöglichten es neue fragestellungen zu untersuchen und zu beantworten in den bisherigen modellen war die biomembran als statisches modell dargestellt worden die neuen methoden erlauben untersuchungen an lebenden zellen bei hoher vergrößerung die neue frage die wissenschaftler lösen wollten galt der bewegung in der membran sind die proteine in der membran unbeweglich oder sind sie in ständiger bewegung hierzu wurden die membranproteine von zwei zellen jeweils mit rot und grün fluoreszierenden farbstoffen markiert diese molekularen sonden tracer binden mithilfe von antikörpern spezifisch an die jeweiligen membranproteine die beiden zellen werden über spezielle techniken zu einer hybridzelle verschmolzen anschließend wird die membran über einen zeitraum von ca minuten unter dem fluoreszenzmikroskop beobachtet abb a3 informieren sie sich auf seite über molekulare sonden und fassen sie das verfahren kurz zusammen a4 beschreiben sie das versuchsergebnis und erläutern sie wie die fragestellung der wissenschaftler zur bewegung in der membran hiermit geklärt werden konnte material ein modell entwickelt sich gefrierbruchtechnik zellmembran em-bild gefrierbruch schematisch zellfusionsverfahren schematisch zelle zellfusion hybridzelle minuten nach zellfusion minuten nach zellfusion membranprotein fluorescein markiert membranprotein rhodamin markiert zelle

5 fotobleichverfahren das modell zur fluidität der biomembran in der die proteine wie in einem lipidmeer unbeschränkt dahintreiben konnte mithilfe des zellfusionsverfahrens entwickelt werden es fehlten jedoch präzisere angaben über die fluidität der biomembran die fluoreszenzmikroskopie ermöglichte genauere aussagen die integralen membranproteine wurden mithilfe von antikörpern spezifisch mit fluoreszierenden sonden tracern sichtbar gemacht unter dem fluoreszenzmikroskop wurde anschließend durch bestrahlung mit einem laser ein kleiner bereich des fluoreszierenden farbstoffs ausgebleicht sodass er nicht mehr fluoresziert danach wurde die zeit gemessen in der die leuchtenden proteine in den ausgebleichten kreis zurückkehren a5 erklären sie das experiment in abb und vergleichen sie die messergebnisse mit denen aus dem experiment in abb arbeiten sie hierbei entscheidende unterschiede zwischen den experimenten heraus cytoskelett und biomembran die biomembran ist sehr dünn und leicht zerstörbar die fluidität der biomembran ist daher nicht unbegrenzt untersuchungen zum cytoskelett an der inneren biomembran auf der cytoplasmaseite zeigen die anheftung eines cytoskeletts über ankerproteine diese stellen eine verbindung zwischen den filamenten des cytoskeletts und der membran dar a beschreiben sie das schema in abb und erläutern sie den zusammenhang zur elektronenmikroskopischen aufnahme a stellen sie zusammenhänge zwischen den ergebnissen des fotobleichverfahrens abb und den befunden zum cytoskelett dar erläutern sie anhand dieser daten die veränderungen in der modellvorstellung in bezug auf die fluidität fotobleichverfahren schematisch cytoskelett und biomembran schematisch und als elektronenmikroskopische aufnahme fotobleichverfahren messergebnis proteine werden mit fluoreszenzfarbstoff markiert bleichen des fluoreszenzfarbstoffs mit einem laserstrahl rückkehr der fluoreszenz membran integrale proteine verbindungsproteine nm verbindungskomplex cytoskelettfilamente fluoreszenzintensität rel einheit 3000 2000 1000 zeit fluoreszenz vor dem bleichen bleichen 50% unbeweglich 50% beweglich cytoskelettfilament aktin in verbindungskomplex verbindungsproteine

0 zellforschung außen innen passiver transport aktiver transport hohe konzentration niedrige konzentration energie cytoplasma kanalvermittelte diffusion carriervermittelte diffusion einfache diffusion große moleküle und ionen carrierprotein lipiddoppelschicht konzentrationsgefälle kleine moleküle erleichterte diffusion symport antiport biomembranen haben keinen rand sie sind immer in sich geschlossen und begrenzen einen raum stoffe die zwischen zellen oder organellen ausgetauscht werden müssen daher die membran überwinden biomembranen sind jedoch selektiv permeabel nicht alle stoffe können sie passieren molekülaustausch der durchtritt durch biomembranen erfolgt durch passive oder aktive transportmechanismen unpolare moleküle wie sauerstoff können sie leicht durchdringen auch kleine polare wassermoleküle gelangen hindurch der austausch von größeren molekülen oder von ionen die von einer hydrathülle umgeben sind setzt jedoch integrale membranproteine voraus die als kanäle translokatoren carrier oder pumpen fungieren der transport in richtung des konzentrationsgefälles ist energieunabhängig während beim transport gegen das konzentrationsgefälle energie aufgewendet werden muss abb passiver transport kanäle sind integrale tunnelproteine sie können ständig geöffnet sein oder sie werden durch elektrische oder chemische signale geöffnet bzw geschlossen durch elektrische felder spezielle überträgerstoffe und auch durch hormone kann das öffnen von ionenkanälen ausgelöst werden ein beispiel für einen passiven transport über carrier ist die glucoseaufnahme aus dem blutplasma in die erythrocyten im blutplasma ist die glucosekonzentration höher als in den erythrocyten glucosemoleküle werden an den carrier in der erythrocytenmembran gebunden und in richtung des konzentrationsgradienten ins zellinnere transportiert man spricht hier von einer erleichterten diffusion durch die biomembran weil hier der transport bedingt durch ein jeweiliges kanalprotein spezifisch ist während die einfache diffusion unspezifisch erfolgt der glucoseeinstrom erfolgt nur solange bis die glucosekonzentrationen angeglichen sind schneller wassertransport aquaporine sind integrale proteinkanäle die selektiv für wassermoleküle durchlässig sind randspalte sie ermöglichen einen schnellen wassertransport in richtung des konzentrationsgefälles beim menschen regulieren sie den wasserhaushalt in der niere der augenlinse und im gehirn in der niere gibt es den aquaporinen ähnliche moleküle die den durchtritt von harnstoff erleichtern bei pflanzen sind aquaporine wichtig bei der hohen wasseraufnahme während der keimung und dem wassertransport im gewebe außerhalb der leitungsbahnen obwohl diese kanäle sehr feinporig sind erreichen sie eine hohe wasserleitfähigkeit von bis zu drei milliarden wasser molekülen pro sekunde und kanal transportvorgänge durch biomembranen schematische darstellung der transportmechanismen gekoppelter transport aquaporin mit wasserteilchen je367y

1 zellmembran dictyosom mitochondrium zellkern nucleolus lysosom ribosom endoplasmatisches retikulum cytoplasma exocytose endocytose aktiver transport beim aktiven transport gibt es zwei varianten primär aktiv und sekundär aktiv der primär aktive transport ist direkt verbunden mit energetischen vorgängen die benötigte energie stammt entweder aus dem energiereichen atp-molekül aus redoxreaktionen oder aus der lichtenergie ein beispiel für durch lichtenergie getriebene carrier besitzen in salzseen lebende halobakterien durch die energie des sonnenlichts werden -ionen aus dem inneren des bakteriums in das außenmedium gepumpt der entstehende -ionen-konzentrationsunterschied ist die basis für den energiestoffwechsel der halobakterien sekundär aktiver transport beim sekundär aktiven transport wird das zu transportierende molekül zusammen mit einem anderen molekül in die gleiche richtung symport oder in die entgegengesetzte richtung transportiert antiport das zu transportierende molekül wird gegen das konzentrationsgefälle transportiert der zweite stoff jedoch immer in die richtung des konzentrationsgefälles hierzu wird das molekül an eine spezifische stelle des carriers gebunden durch diese bindung ändert sich die konformation des proteins hierdurch gelangt das gebundene molekül auf die andere seite der membran ein beispiel für einen symport ist die glucoseaufnahme die konzentration der bei der verdauung angefallenen glu cose ist im darminhalt niedriger als in den darm zellen ein transport kann über die carrier nur erfolgen weil natriumionen im darminhalt in sehr viel höherer konzentration als in den darmzellen vorkommen bei dem freiwilligen konzentrationsausgleich der natrium-ionen werden die glucosemole küle huckepack mittransportiert die form des beteiligten proteinkomplexes in der biomembran ist exakt an diese funktion angepasst um den konzentrationsgradienten für die natrium-ionen aufrechtzuerhalten sind jedoch atp-abhängige natriumpumpen in den darmzellen notwendig von antiport spricht man bei der natrium-kaliumpumpe in nervenzellen die unter ständigem verbrauch von atp na und -ionen gekoppelt in entgegengesetzter richtung transportiert dadurch wird eine ungleiche verteilung von ionen aufrechterhalten die zur funktion der nervenzelle notwendig ist endocytose und exocytose größere partikel werden in membranumschlossenen bläschen vesikeln durch endocytose aufgenommen durch exocytose abgegeben oder durch zellen hindurch transportiert abb sie können aber auch nach verschmelzen mit lysosomen seite abgebaut werden vesikel können mit dictyosomen und endoplasmatischem retikulum verschmelzen oder von ihnen abgeschnürt werden membranfluss abb a1 vergleichen sie in tabellarischer form die folgenden transportmechanismen hinsichtlich der kriterien richtung spezifität und energiebedarf miteinander diffusion erleichterte diffusion aktiver transport membranfluss endocytose

 zellforschung zuckeraufnahme in die zelle versuchsdauer min mit natrium-ionen mit kalium-ionen bindungswahrscheinlichkeit von glucose an protein mit natrium-ionen ohne natrium-ionen darmlumen zelle der dünndarmwand blutkapillare protein protein glucose mikrovilli energie tight junction na na mit der nahrung nehmen wir ständig kohlenhydrate in form von stärke und verschiedenen zuckern auf im mund und im dünndarm wird die stärke enzymatisch in glucose zerkleinert die glucose wird im dünndarm aus dem nahrungsbrei in das blut aufgenommen glucose im tauschverfahren die aufnahme der glucose erfolgt nicht über die diffusion nur eine gezielte und gerichtete aufnahme von glucose in die darmzellen und den körper gewährleistet dass dieser für den organismus wertvolle stoff nicht zum teil wieder ausgeschieden wird der gerichtete transport der glucose durch die zelle kann nur dann zustande kommen wenn die aufnahme in die zelle und die abgabe aus der zelle in das blut durch unterschiedliche mechanismen erfolgt die zwischenräume zwischen den zellen werden durch barrieren die tight junctions verschlossen dadurch wird der diffusionsvorgang ausgeschlossen die vorgänge beim transport wurden mithilfe von experimenten untersucht hierbei wurde die glucoseaufnahme unter verschiedenen bedingungen mit natriumionen oder kalium-ionen gemessen in einem versuch wurden den darmzellen nur kalium-ionen angeboten und die aufgenommene glucosemenge gemessen im anderen fall nur natrium-ionen die glucoseaufnahme ist energieabhängig nur wenn die natrium-ionenkonzentration in der darmzelle geringer ist als im darmlumen funktioniert der mechanismus da hierdurch der konzentrationsunterschied für die natrium-ionen festgelegt ist die natrium-ionen diffundieren verstärkt in die zelle a1 beschreiben sie mithilfe von abb den aufbau des darms und erläutern sie den vorteil der darmzotten und der mikrovilli für die aufnahme der nährstoffe a erläutern sie anhand von abb unter welchen bedingungen die glucose aus dem darmlumen in die darmzellen aufgenommen wird a3 stellen sie mithilfe von abb dar welche aussage für den glucosetransport durch diesen versuch geklärt werden konnte und bringen sie dieses ergebnis in verbindung zum versuch in abb a4 erläutern sie weshalb ein effektiver glucosetransport aus dem darmlumen in das blut nur über unterschiedliche transportmechanismen möglich ist und stellen sie diese mechanismen anhand des textes und der abb vor material membrantransport glucosetransport ins blut zucker in der nahrung darmlumen mit darmzotten glucoseaufnahme in darmzellen glucosebindung an das protein glucosetransport aus dem darm ins blut darmzotten zwölffingerdarm darmwand schleimhautfalten arterie lymphgefäß darmzelle vene darmzotte

3 pflanzen benötigen neben der lichtenergie als lebensgrundlage wasser und kohlenstoffdioxid lichtenergie und kohlenstoffdioxid nehmen sie über die blätter auf das wasser in den meisten fällen über die wurzel durch die wasserverdunstung entsteht eine sogwirkung auf das wasser im spross in den wurzeln entsteht ein zusätzlicher wasserdruck wurzel die aufgaben der wurzel sind es die pflanze im boden zu verankern sowie wasser und mineralsalze aus dem boden aufzunehmen abb diese stoffe werden in der gesamten pflanze bis zu den blättern verteilt die wurzel wird von den blättern über den stängel mit glucose versorgt die wasseraufnahme erfolgt nicht über alle wurzelabschnitte sondern hauptsächlich über die wurzelhaare abb diese sind einzellig sie kommen nur an den letzten bis cm der wurzel vor beim weiteren wachstum der wurzel in den boden sterben die älteren wurzelhaare ab und an den gewachsenen wurzelspitzen bilden sich neue eine getreidepflanze kann bis zu milliarden wurzelhaare haben deren oberfläche entspricht ca der fläche eines handballfelds wasseraufnahme die dünnen wurzelhaare wachsen zwischen den bodenpartikeln hindurch und nehmen aus den zwischenräumen im boden wasser und gelöste mineralsalze auf sie befinden sich an den jüngsten verzweigungen des wurzelsystems die älteren weiter hinten liegenden verkorkten wurzelteile dienen der wasserleitung das wasser kann zwischen den zellen in den interzellularräumen oder durch das cytoplasma der zellen bis zur endodermis fließen abb der caspary‘sche streifen der caspary‘sche streifen in den endodermiszellen stellt ein hindernis für den weiteren transport des wassers im interzellularraum dar die zwischenräume zwischen den zellen sind durch eine wasserundurchlässige substanz abgedichtet diese konnte mithilfe von tracern rote zone und der fluoreszenzmikroskopie nachgewiesen werden abb die endodermiszellen mit dem caspary‘schen streifen haben die aufgabe die wasserund mineralstoffaufnahme zu kontrollieren und zu verhindern dass wasser aus den leitbündeln der wurzel wieder zurückfließt in den zellen des caspary‘schen streifens erfolgt ein aktiver ionentransport der zur wasseraufnahme in die leitbündelzellen führt abb der anschließende transport des wassers aus den wurzeln in die blätter erfolgt durch den transpirationssog der durch die verdunstung des wassers in den blättern erzeugt wird a1 beschreiben sie anhand der abb und und des textes den aufbau der wurzel erläutern sie die bedeutung der wurzelhaare und ihrer großen anzahl pro pflanze a beschreiben sie abb und und erklären sie die wasseraufnahme vom caspary‘schen streifen in das leitbündel erläutern sie hierbei die bedeutung der wasserundurchlässigen substanz für die wasserversorgung der pflanze abb a3 wird der stoffwechsel in den endodermiszellen der pflanze unterbunden wird nach einiger zeit kaum wasser in die leitzellen aufgenommen erklären sie diesen zusammenhang material membrantransport wasseraufnahme in der wurzel pflanzenaufbau über und unter der erde wurzelhaare wassertransport in der wurzel aktiver transport schematisch zellwände mit caspary‘schen streifen wurzelhaarzelle zellwand cytoplasma endodermis caspary'scher streifen rinde leitbündelzellen wasserweg durch die zellen wasserweg zwischen den zellen leitbündelzelle endodermiszelle aktiver transport energie wasser chlorid caspary'scher streifen

4 zellforschung kohlenhydrate glykokalyx zellmembran glykolipid lipide proteine 1µm alle biomembranen besitzen die gleiche grundstruktur die oberfläche ist trotzdem sehr unterschiedlich zuckermantel ausweis der zellen zellmembranen besitzen an ihrer nach außen gerichteten seite ketten aus kohlenhydraten die die zelle wie ein dünner zuckermantel überziehen abb die gesamtheit dieser schicht auf der zelloberfläche wird als glykokalyx bezeichnet sie lässt sich nicht nur chemisch sondern auch mit dem elektronenmikroskop nachweisen abb bei den kohlenhydraten handelt es sich hauptsächlich um verschiedene zucker mit einer unterschiedlichen kettenlänge und verzweigungen die zucker haften an der äußeren lipidschicht über eine verbindung mit den lipiden glykolipide oder den proteinen in der biomembran die zusammensetzung der verschiedenen zucker in der glykokalyx ist genetisch bedingt sie ist daher bei jedem menschen unterschiedlich die blutgruppen und sind zum beispiel durch die spezifische zusammensetzung der glykokalyx auf der zellmembran der roten blutzellen festgelegt und werden als körpereigen erkannt dies ist sehr wichtig zu wissen denn bekommt ein mensch nach einem unfall blut mit der falschen blutgruppe kann dies zu einer gefährlichen verklumpung der blutzellen führen auch die zelloberflächen der organe und gewebe sind sehr spezifisch aus diesem grund müssen bei organtransplantationen gewebe erst auf ihre verträglichkeit getestet werden werden die nicht körpereigenen zelloberflächen im körper des organempfängers erkannt führt dies zur aktivierung der zellulären immunantwort und damit zur zerstörung des transplantierten gewebes antigen antikörper die kennzeichnung der zelloberfläche als körpereigen ist vor allem bei der abwehr von körperfremden erregern antigenen von bedeutung nicht nur zellen von menschen und tieren sondern auch bakterien und viren haben glykolipide dadurch werden sie von den weißen blutzellen phagocyten oder fresszellen als körperfremd erkannt und abgetötet die erkennung erfolgt über begrenzte bereiche der glykokalyx auf der bakterienmembran die die antigene darstellen abb die phagocyten besitzen bestimmte rezeptoren mit denen sie auf bestimmte antigene reagieren nachdem eine phagocyte ein bakterium als körperfremd erkannt hat stülpt sie sich über die bakterien nimmt sie in ihre zelle auf und baut sie mithilfe der lysosomen ab phagocytose diese unspezifische immunabwehr ist angeboren hat jedoch den nachteil dass nur für einige antigene rezeptoren vorhanden sind dadurch werden nicht alle krankheitserreger erkannt zellen werden erkannt oberfläche der zellmembran hier rote blutzelle glykokalyx tem-aufnahme glykokalyx

5 auslösen antikörper sind proteine mit zwei bindungsstellen für antigene die zwei bindungsstellen ermöglichen die verklumpung der krankheitserreger randspalte diese erworbene oder spezifische immunabwehr ermöglicht die anpassung an verschiedene krankheitserreger a1 beschreiben sie anhand der unterpunkte in abb und und des textes die vorgänge der zellerkennung bei bakterien und viren kommen viele variationen der zellmembranoberfläche vor dendritische zellen erkennen diese neuen krankheitserreger mit antigenrezeptoren dendritische zellen sind stark verzweigte weiße blutzellen im körpergewebe abb hier kontrollieren sie ständig das vorhandensein von krankheitserregern die sie durch die wechselwirkung von antigenen und antigenrezeptoren erkennen die krankheitserreger werden phagocytiert und mithilfe der lysosomen in ihre bausteine zerlegt diese werden anschließend in vesikeln zur oberfläche der biomembran transportiert und mithilfe von bestimmten membranproteinen präsentiert die so aktivierten dendritischen zellen verlassen das infizierte gewebe und haben im lymphsystem kontakt zu t-helferzellen die in verschiedenen immunzellen die bildung von passenden antikörpern krankheitserreger werden als fremd erkannt hautgewebe dendritische zelle dendritische zelle glykokalyx antigen antikörper t-helferzelle antigenrezeptor antigen antigen protein lymphknoten protein immunzelle vesikel bakterium binden fresszelle lysosomen auflösen einschließen antigen glykokalyx phagosom unspezifische immunabwehr antigen antikörper verklumpung der antigene

 zellforschung erkennungsregion stabilisierendes protein im er trans-golgi cis-golgi vorstufe proinsulin proinsulin insulin exocytose exocytose endocytose endocytose zellmembran zellkern enzyme lysosom proteine endoplasmatisches retikulum mit ribosomen innerhalb einer zelle werden ständig stoffe aufgebaut umgewandelt oder abgebaut damit dies kontrolliert abläuft finden diese prozesse in membran umschlossenen räumen statt kompartimente oft findet zwischen den kompartimenten ein stoffaustausch statt indem teile der membranen als bläschen abgeschnürt werden und diese mit einem anderen kompartiment verschmelzen produktionsräume in der zelle das endoplasmatische retikulum er ist ein kompartiment es besteht aus untereinander verbundenen membranen abb teile des er sind mit ribosomen besetzt weswegen es als raues er bezeichnet wird am rauen er werden proteine für die zellmembran und die abgabe aus der zelle hergestellt das raue er gibt membranumschlossene bläschen sogenannte vesikel in denen sich die proteine befinden an den golgi-apparat ab der golgi-apparat verändert proteine der golgi-apparat ist ein weiteres kompartiment er besteht aus abgeflachten membranbegrenzten säckchen die zu stapeln angeordnet sind er verändert die proteine spezifisch für die jeweilige funktion und leitet sie an ihren bestimmungsort der golgi-apparat hat eine bestimmte ausrichtung die membranstapel die sich in der nähe des er befinden nennt man cis-golgi den membranstapel der der zellmembran zugewandt ist nennt man trans-golgi vesikel mit neu produzierten proteinen werden immer an der cis-seite aufgenommen ab hier durchlaufen diese proteine die einzelnen stapel bis zur trans-seite in jedem stapel wird das protein weiterverarbeitet sodass es für seine spezifische aufgabe fertiggestellt ist und in vesikeln weitertransportiert wird im mittleren teil des golgi-apparats werden zum beispiel die proteine neu gefaltet mit verschiedenen kohlenhydraten glykosiliert oder mit anderen proteinen verknüpft im trans-golgi-netzwerk entscheiden sich die weiteren wege der vesikel die spezifischen vesikel werden für ihren bestimmungsort markiert werden die proteine in vesikeln zur zellmembran transportiert und aus der zelle heraus in die zellumgebung abgegeben exocytose hierbei verschmelzen vesikelmembran und zellmembran die abgegebenen substanzen können hormone wie insulin oder antikörper sein werden die proteine nach dem umbau als membranproteine gezielt zu den verschiedenen stellen der zellmembran transportiert und dort durch die verschmelzung mit der vesikelmembran in der zellmembran verankert der golgi-apparat stoffverteiler der zelle vesikeltransport in der zelle synthese des insulins schematisch

 zellkern mikrotubuli vesikel aktin motorprotein zellkern zellmembran zellmembranproteine golgi-apparat die enzyme sind in vesikeln den lysosomen verpackt bakterien werden durch einstülpung der zellmembran in die zelle als vesikel aufgenommen endocytose abb an diese werden die lysosomen gezielt angedockt und geben die enzyme frei die bakterien oder zellbestandteile werden durch diese enzyme in ihre bausteine zerlegt diese werden für die synthese neuer substanzen verwertet schneller transport die transportgeschwindigkeit der vesikel spielt für die vorgänge innerhalb der zelle eine große rolle die ungerichtete diffusionsgeschwindigkeit seite beträgt für glucose nur m pro sekunde bei großen molekülen oder vesikeln ist sie wesentlich geringer hormone oder antikörper müssen schnell an den richtigen ort transportiert werden abb dies wird über das cytoskelett ermöglicht seite die transportgeschwindigkeit liegt hier bei bis zu m pro sekunde der transport über große strecken erfolgt innerhalb der zelle über motorproteine auf den mikrotubuli wie auf eisenbahnschienen werden die vesikel auf dem festgelegten weg vom golgi-apparat zum jeweiligen bestimmungsort transportiert abb dies können verschiedene regionen der zellmembran oder verschiedene organellen sein a1 beschreiben sie die beiden vorgänge in abb mithilfe eines kurzen textes ergänzen sie dabei die informationen zum cytoskelett aus dem text verharren die proteine als abbauende enzyme in vesikeln als lysosomen gr lyse auflösen insulin entsteht im golgi-apparat in spezifischen zellen der bauchspeicheldrüse den langerhans’schen inseln wird das hormon insulin gebildet und direkt in die blutbahn abgegeben insulin reguliert den glucosehaushalt im blut die für das insulin notwendigen kurzen proteinketten werden an den ribosomen gebildet und mithilfe einer erkennungsregion in das er aufgenommen es entsteht jedoch nicht sofort das insulin sondern eine vorstufe die noch nicht die für die hormonfunktion notwendige räumliche struktur besitzt das proinsulin wird in vesikeln aus dem er zum golgi-apparat transportiert im golgi-apparat erfolgt die umwandlung in die funktionsfähige struktur abb hierzu werden die erkennungsregion und ein stabilisierendes stück des proteins entfernt das funktionsfähige insulin wird in vesikeln über die mikrotubuli zur oberfläche der zellen transportiert und aus den zellen abgegeben exocytose das insulin gelangt sofort über die blutkapillaren in das blut gezielter abbau ist lebensnotwendig im golgi-apparat entstehen aus proteinvorstufen gezielt abbauende enzyme die überflüssige gealterte zellbestandteile oder krankheitserreger abbauen können stoffverteilung in der zelle über das cytoskelett stoffsortierung in der zelle

8 zellforschung s161045451_g068_03 ingrid schobel pigmentkörnchen pigmente melanophore mikrotubuli zellmembran zellkern und zellorganellen der aufbau des zellkerns ist in abb zu sehen a1 stellen sie in einer übersicht zellorganellen mit doppelmembran und einfacher membran bzw ohne membran sowie deren funktionen zusammen nennen sie dabei auch die funktionen einer biomembran a beschreiben sie den bau des zellkerns anhand der strukturen die auf dem em-bild der abb zu erkennen sind a3 beschreiben sie das prinzip der oberflächenvergrößerung am beispiel des zellorganells mitochondrium biomembran phospholipide stellen den hauptteil der biomembran verschiedene untersuchungen zeigen aber dass die biomembran nicht nur eine lipiddoppelschicht ist a4 erklären sie anhand der abb wes halb phospholipide in der biomembran zwei wässrige bereiche voneinander trennen können übungen zellforschung der krallenfrosch tarnt sich bei tintenfischen einigen fischen wie der scholle und bei amphibien wie dem krallenfrosch sind in der haut zellen mit pigmenten melanophore vorhanden die pigmente können in verschiedenen farben auftreten wie braun-orange schwarz oder auch leuchtend blau mit diesen verschiedenen farben können sich die frösche je nach lebensraum durch einen farbwechbleiben pflanzenzellen totipotent auch bei pflanzenzellen lassen sich experimente durchführen bei denen aus differenzierten zellen wieder ganze pflanzen entstehen die zellen aus der wurzelscheibe einer möhre werden zuerst mit pflanzenhormonen behandelt die wuchernden zellen auf dem wurzelgewebe werden in einem nährmedium getrennt und entwickeln sich zu gewebestückchen aus denen junge möhrenpflanzen entstehen sel an ihre umgebung anpassen hierdurch sind sie gut getarnt und vor fressfeinden besser geschützt a5 beschreiben sie die abb a erklären sie die vorgänge beim farbwechsel mithilfe des cytoskeletts auf zellulärer und molekularer ebene a erläutern sie den begriff der totipotenz a8 beschreiben sie das experiment in abb unter dem aspekt der totipotenz a vergleichen sie dieses experiment mit dem experiment am krallenfrosch auf seite zellkern biomembran farbwechsel beim krallenfrosch gewebestück aus einer möhre wuchernde zellen auf gewebestück getrennte zellen in nährmedium einzelne zelle nach mehreren zellteilungen junge möhrenpflanze möhre möhrenzellen im experiment

 a13 stellen sie bei der phagocytose und der fortbewegung der zellen die bedeutung des cytoskeletts und des golgi-apparats dar kompartimentierung die kompartimentierungsregel von schnepf 1965 besagt dass eine biologische membran stets eine nicht cytoplasmatische phase von einer cytoplasmatischen phase trennt a10 wie abgeschnürte vesikel oder sich teilende mitochondrien zeigen ist in der aktiven zelle das membransystem in ständiger bewegung begründen sie weshalb die kompartimentierungsregel trotzdem nicht verletzt wird in der tabelle in abb ist der anteil verschiedener zellbestandteile in einer leberzelle einer ratte dargestellt a11 deuten sie das datenmaterial gehen sie dabei nur auf die zentral bedeutsamen zellbestandteile ein phagocytose immunsystem die endocytose ist die aktive form substanzen aufzunehmen die aufnahme größerer teilchen oder kleinerer zellen bakterien wird als phagocytose zelluläres fressen bezeichnet über rezeptorproteine auf der zelloberfläche erkennen die weißen blutzellen bausteine die von bakterien stammen die bewegung der weißen blutzellen erfolgt dann in diese richtung hierzu wird das aktin-cytoskelett ständig umorganisiert durch die verlängerung der aktinfilamente auf der ausstülpenden seite und den gleichzeitigen abbau an anderer stelle verändert sich die form der phagocytierenden zelle gleichzeitig verändert sich die netzstruktur der aktinfilamente die die zellmembran verstärkt verknüpfungen zwischen den aktinfilamenten werden gelöst und die zellmembran wird dadurch verformbar die von der membran eingeschlossenen bakterien liegen in form kleiner bläschen den vesikeln im inneren der zelle vor lysosomen mit abbauenden enzymen lagern sich an die vesikel an die bakterien werden zu den grundbausteinen abgebaut diese werden für den stoffwechsel der weißen blutzellen genutzt a1 beschreiben sie in form eines sachtextes den vorgang der phagocytose anhand von abb verwenden sie hierbei die begriffe umschließen verdauen absorbieren und einfangen begründen sie ihre zuordnung anteil verschiedener komponenten in einer typischen säugetierzelle vorgänge bei der phagocytose fresszelle umschließt bakterien zellbestandteile absolutes volumen µm anteil am zellvolumen anzahl der strukturen absolutwerte oberflächen µm gesamte zelle 4940 1740 zellkern cytoplasma grundplasma und restl komponenten peroxisomen mitochondrien 4640 2656 1070 53,8 21,7 1665 große innere oberfläche endoplasmatisches retikulum er raues er rer rer-gebundene ribosomen glattes er 15,4 ca 1,27 dictyosomen golgi-stapel mehrere lysosomen ca bakterium weiße blutzelle lysosom

0 energiestoffwechsel 0 energiestoffwechsel ruhe und aktivität tiere und menschen benötigen ständig energie die sie aus den nährstoffen beziehen selbst beim schlaf für die atmung den blutkreislauf oder die funktion der organe sauerstoff in den zellen reagiert sauerstoff mit nährstoffbausteinen hierdurch wird die lebensnotwendige energie zur verfügung gestellt

1 1 alle zellen unseres körpers benötigen energie um ihre spezifischen aufgaben muskelarbeit erfüllen zu können nährstoffe und sauerstoff müssen daher im ganzen körper verteilt werden enzyme ermöglichen den notwendigen stoffumsatz bei den energie liefernden stoffwechselprozessen sie ermöglichen auch den effektiven aufbau körpereigener substanzen mitochondrien sie sind die kraftwerke aller zellen der größte teil der für den körper notwendigen energie wird hier zur verfügung gestellt nahrung unsere nahrung besteht aus verschiedenen nährstoffen die nährstoffbausteine sind energiereich

 energiestoffwechsel energiegehalt der ausgangsstoffe aktivierungsenergie frei werdende energie energiegehalt der reaktionsprodukte reaktionsweg ohne katalysator mit katalysator die weibchen der glühwürmchen haben an ihrem hinterleib leuchtorgane mit denen sie lichtblitze aussenden um die männchen zur paarung anzulocken abb diese biolumineszenz gibt es auch bei tieren in der tiefsee in den zellen der leuchtorgane findet man das enzym luciferase das die reaktion der leuchtsubstanz luciferin mit sauerstoff katalysiert beschleunigt bei dieser reaktion wird die chemisch gebundene energie aus den energiereichen nährstoffen in lichtenergie umgewandelt die biolumineszenz ohne das enzym luciferase wäre nicht möglich da die reaktion zu langsam ablaufen würde die bedeutung von biokatalysatoren enzyme ermöglichen den aufund abbau von stoffen in allen zellen sie haben daher eine große bedeutung beim energiehaushalt und beim aufbau komplexer moleküle als baustoffe für die zelle nach jeder zellteilung müssen die zellen wachsen und viele baustoffe synthetisieren für die bewegung oder sinnesleistungen beispielsweise ist die schnelle bereitstellung von energie notwendig ohne enzyme wären diese vorgänge nicht zu leisten wir und andere lebewesen wären nicht lebensfähig alle zellen verwenden hauptsächlich proteine als enzyme enzyme sind biokatalysatoren zur reaktion von molekülen benötigen diese eine bestimmte energiemenge auch reaktionen bei denen energie als licht bewegungsoder wärmeenergie frei wird laufen nicht spontan ab damit eine reaktion ablaufen kann muss eine energieschwelle überwunden werden diese schwelle wird von enzymen gesenkt wie bei den katalysatoren in chemischen reaktionen abb die katalysatoren gehen dabei unverändert aus der reaktion heraus man bezeichnet enzyme daher auch als biokatalysatoren sie senken die energieschwelle und damit die notwendige aktivierungsenergie hierdurch besitzen schon bei körperwärme genügend viele teilchen die notwendige energie um zu reagieren würde man den abbau von 1000 proteinmolekülen untersuchen wäre die hälfte der moleküle nach jahren zu aminosäuren abgebaut bei zugabe des entsprechenden enzyms ist dieser umsatz innerhalb weniger sekunden erfolgt die herabsetzung der aktivierungsenergie ist auf eine wechselwirkung zwischen dem enzym und dem umzusetzenden stoff substrat zurückzuführen dadurch kommt es zu einer lockerung der zu spaltenden bindungen eine erhöhung der körpertemperatur zur beschleunigung der reaktionen ist in zellen nicht möglich da die proteine sehr temperaturempfindlich sind und zerstört denaturiert würden a1 beschreiben und vergleichen sie die vorgänge in abb in form eines textes bau und funktion von enzymen enzyme sind biokatalysatoren ablauf einer enzymkatalysierten reaktion glühwürmchen biolumineszenz

3 naturwissenschaftliche modelle haben in der forschung und im verständnis von zusammenhängen eine große bedeutung viele vorgänge besonders auf der zellulären oder molekularen ebene die wir nicht direkt sehen können sind sehr komplex man kann sich die abläufe und zusammenhänge besser vorstellen wenn man bildhafte vorstellungen entwickelt an diesen können die abläufe vereinfacht erarbeitet werden durch solche vereinfachungen können nicht immer alle zusammenhänge dargestellt werden sondern nur teilaspekte hierdurch haben modelle jedoch auch grenzen sie können nicht die gesamte komplexität des naturwissenschaftlichen vorgangs erklären hierzu sind mehrere modelle notwendig die vorgänge bei den chemischen umsetzungen in der zelle die an enzymen ablaufen muss man daher an modellen nachvollziehbar und erklärbar machen ein see und ein berg als modell in den lebenden zellen sind enzyme die voraussetzung für einen effizienten stoffwechsel enzyme ermöglichen jedoch keine reaktionen die ohne sie nicht ablaufen würden sondern sie senken die energieschwelle hierdurch können auch weniger energiereiche teilchen reagieren die bedeutung der enzyme als biokatalysatoren kann man mit modellen besser verständlich machen a1 beschreiben sie abb und abb erläutern sie ob diese schematischen abbildungen zur modellvorstellung für die bedeutung von enzymen genutzt werden können a vergleichen sie abb mit abb unter dem aspekt der enzymfunktion stellen sie hierbei heraus welche zusammenhänge mit den jeweiligen modellen erklärt werden können a3 geben sie die grenzen zum erklären von enzymen für beide modelle an feuer ohne funken wasserstoff )ist ein sehr reaktionsfähiges gas strömt es aus einem vorratsbehälter entzündet es sich jedoch nicht die reaktion mit dem luftsauerstoff und die damit erkennbare flammenbildung erfolgt erst durch einen kleinen heißen funken hält man jedoch platindraht in das ausströmende wasserstoffgas entzündet sich dieses sofort an der luft auch ohne funken abb dieses chemische experiment verwendet zwar keine enzyme kann aber trotzdem als modellexperiment für enzymatische vorgänge genutzt werden a4 erklären sie mithilfe von begriffen auf seite den beschriebenen vorgang und erläutern sie diesen unter dem aspekt der enzyme a5 erläutern sie welche aspekte bei diesem modellexperiment deutlich werden und wo grenzen und unterschiede vorliegen material modelle zur biokatalyse schematisches enzymmodell schematisches enzymmodell wasserstoffgas und platin deich platin-asbest im sieblöffel zur -gasflasche

4 energiestoffwechsel leber magen dickdarm dünndarm speiseröhre gallenblase bauchspeicheldrüse enzyme bei allen stoffwechselprozessen blumenwiese verdauungssystem tausende von reaktionen laufen ständig in allen lebenden zellen von pflanzen tieren oder menschen ab jede reaktion wird durch ein spezifisches enzym mit einer bestimmten räumlichen struktur katalysiert die summe dieser verschiedenen reaktionen macht den stoffwechsel einer zelle aus und ist dadurch voraussetzung für alle lebensgrundlagen fehlen spezifische enzyme kann dies zu krankheiten oder zum tode führen viele aufgaben viele enzyme die blütenfarben der pflanzen haben eine große bedeutung bei der anlockung von insekten oder anderen bestäubern abb die zellen der blütenblätter enthalten in ihren zellen die entsprechenden farbstoffe rote blüten enthalten einen roten weiße blüten keinen farbstoff die zellen der roten blüten beinhalten enzyme die den roten blütenfarbstoff aufbauen bei weißen blüten fehlen diese enzyme diese unterschiede sind genetisch festgelegt stärke ist ein wichtiger bestandteil unserer nahrung sie ist in getreideprodukten und anderer pflanzlicher nahrung enthalten die schwer löslichen makromoleküle der stärke können von unserem körper nur dann genutzt werden wenn sie durch spaltung in leicht lösliche di und monosaccharide glucose zerlegt werden der dünndarm abb gibt die gelösten stoffe in die blutbahn ab fehlende enzyme führen zu stoffwechselstörungen die krankheiten auslösen können lactoseintoleranz ist eine unverträglichkeit gegenüber lactose milchzucker betroffene personen können das enzym lactase in den darmzellen nur unzureichend oder gar nicht herstellen die nicht verdaute lactose gelangt aus dem dünndarm in den dickdarm abb dort wirkt sie abführend weil durch den osmotischen effekt wasser aus den dünndarmwänden in den darm einströmt zusätzlich bauen darmbakterein die lactose zu fettsäuren und gasen um diese verursachen mit den flüssigkeitsmengen beschwerden wie völlegefühl bauchschmerzen blähungen und durchfall die wirkung der enzyme ist spezifisch daher können auch vorhandene enzyme nicht die funktion von fehlenden enzymen übernehmen substratund wirkungsspezifität der bau des enzymmoleküls ist voraussetzung für die wechselwirkung zwischen enzym und substrat am beispiel des chymotrypsins eines proteinspaltenden enzyms des bauchspeichels soll dies erläutert werden chymotrypsin besteht wie alle enzyme aus einem proteinmolekül und besitzt aufgrund seiner eiweißnatur eine ganz charakteristische räumliche gestalt tertiärstruktur die moleküloberfläche hat in einem bereich eine oberflächenstruktur in die das substrat ganz genau wie ein schlüssel ins schloss hineinpasst schlüssel-schloss-prinzip

5 enzym maltase falsches substrat saccharose substrat maltose zweifachzucker enzym-substratkomplex aktives zentrum bindungszentrum produkt glucose einfachzucker schema zur substratund wirkungsspezifität enzymmoleküle sind in der regel wesentlich größer als ihre substratmoleküle das substrat besteht in diesem fall aus einem eiweißbruchstück die wie eine passform konstruierte bindungsstelle im enzymmolekül bindungszentrum enthält das aktive oder katalytische zentrum an diesem entstehen am substrat kurzfristig elektrische ladungen die die reaktion des substrats erleichtern das ist der eigentliche ort für die katalysierte reaktion andere moleküle können in der regel nicht gebunden und in der entsprechenden weise umgesetzt werden nach der umsetzung wird das enzym wieder frei und steht erneut für eine reaktion zur verfügung das enzym maltase kann ausschließlich maltose zweifachzucker binden und zu glucose einfachzucker abbauen abb enzyme sind also spezifisch für ein bestimmtes substrat substratspezifität aufgrund der eigenschaften des aktiven zentrums katalysiert ein enzym nur eine von mehreren möglichen reaktionen des substrats es entstehen nur ganz bestimmte produkte enzyme besitzen also außerdem die eigenschaft der wirkungsspezifität eine enzymreaktion kann mit folgendem schema beschrieben werden es enzym substrat es enzym-substrat-komplex produkt(e von der art der chemischen reaktion hängt auch ab mit welcher geschwindigkeit enzyme ihre substrate umsetzen je nach enzym zwischen und substratmoleküle pro sekunde systematik von enzymen die meisten enzyme sind reine proteine andere bestehen aus einem komplex von protein und einer besonderen wirkgruppe das protein wird dann als apoenzym bezeichnet zusammen bilden apoenzym und die wirkgruppe das holoenzym die wirkgruppen die an manchen reaktionen auch als enzymbestandteile beteiligt sind werden als cofaktoren bezeichnet sie sind keine proteine viele cofaktoren sind locker an das jeweilige enzym gebunden man spricht dann von einer prosthetischen gruppe bei den co faktoren handelt es sich meistens um kleine moleküle die sich aus den vitaminen ableiten viele der cofaktoren übertragen molekülgruppen von einem substrat auf ein anderes die übertragenen molekülgruppen können protonen phosphate oder kleine kohlenstoffmoleküle sein andere cofaktoren sind metall-ionen aus der nahrung wichtige metall-ionen sind die kupfer-ionen für die vorgänge in den mitochondrien bei der energieumwandlung oder zinkionen für die alkoholdehydrogenase beim alkoholabbau die benennung von enzymen erfolgt in der regel so dass der erste teil des namens aus dem jeweils umgesetzten substrat besteht der zweite teil des namens gibt über die wirkung des enzyms auskunft vielfach sind auch noch trivialnamen in gebrauch so bezeichnet ptyalin die mundspeichelamylase und chymotrypsin eine proteinhydrolase des bauchspeichels der name proteinhydrolase bedeutet dass erstens ein protein umgesetzt wird und zweitens das protein unter wasseranlagerung gespalten wird hydrolyse bezieht man sich nur auf das substrat so nennt man proteinspaltende enzyme proteasen a1 erläutern sie das schlüssel-schlossprinzip am beispiel enzym substrat

praktikum enzyme  energiestoffwechsel ml harnstofflösung tropfen bromthymolblau ml ureaselösung messpipette tropfpipette enzyme sind die werkzeuge des stoffwechsels sie senken die aktivierungsenergie vieler reaktionen sodass diese bei körpertemperatur überhaupt ablaufen können die eigenschaften von enzymen kann man experimentell ermitteln eigenschaften von enzymen materialien lehrerversuch reagenzgläser mit ständer sand reibschale mit pistill kartoffel oder leber wasserstoffperoxidlösung braunsteinpulver mno verd salzsäure verd natronlauge kupfer(iii)-sulfatlösung holzspan schutzbrille zu beginn wird die kartoffel bzw die leber in der reibschale mit etwas sand zerrieben das homogenat stellt das katalasepräparat für die versuche dar versuch in drei reagenzgläser werden je ml wasserstoffperoxidlösung gegeben geben sie dann in das erste etwas sand in das zweite etwas braunstein und in das dritte etwas katalasepräparat halten sie einen glimmenden holzspan in die reagenzgläser versuch in zwei reagenzgläser wird etwas katalasepräparat gegeben in das erste wird anschließend ml salzsäure gegeben in das zweite ml natronlauge lassen sie die lösungen min einwirken und geben sie dann je ml wasserstoffperoxidlösung hinzu versuch in ein reagenzglas wird etwas katalasepräparat gegeben anschließend werden wenige tropfen kupfer(iii)-sulfatlösung hinzugegeben lassen sie das reagenzglas min stehen und geben sie dann ml wasserstoffperoxidlösung dazu a1 deuten sie die ergebnisse der versuche versuche mit amylase materialien reagenzgläser ständer wasserbäder reibschale gerstenkörner stärkelösung iod-kaliumiodidlösung die amylase-lösung stellt man wie folgt her etwa gers tenkörner werden zwei tage vor dem versuchstag in einer petrischale ca min in wasser eingeweicht und dann auf einem feuchten filterpapier ausgebreitet am tag des versuchs werden die gerstenkörner in der reibschale mit etwas sand und ml wasser zerrieben der erhaltene extrakt wird min zentrifugiert der überstand wird verdünnt und stellt die amylaselösung dar kühl aufbewahren die stärkelösung wird vorsichtig mit so vielen tropfen iod-kaliumiodidlösung versetzt bis eine deutliche blaufärbung zu sehen ist zu viel iod behindert den versuch versuchsablauf in den versuchen wird die zeit bis zur entfärbung bei verschiedenen temperaturen bestimmt die vorhandenen wasserbäder werden auf verschiedene temperaturen im bereich von °c bis °c eingestellt in jedes wasserbad werden zur temperaturangleichung zwei reagenzgläser mit folgendem inhalt gestellt ml blaue stärkelösung ml amylaselösung nach angleichung der temperaturen ca min wird der versuch gestartet und die entfärbungszeit ermittelt a tragen sie die entfärbungszeit gegen die temperatur auf a3 erklären sie wie man aus der entfärbungszeit auf die reaktionsgeschwindigkeit schließen könnte versuche mit urease materialien reagenzgläser mit ständer tropfpipetten ureaselösung mg in ml wasser harnstofflösung mg in ml wasser thioharnstofflösung mg in ml wasser indikatorlösung bromthymolblau messpipetten und pipettierhilfe achtung nie mit dem mund pipettieren stets mit einer pipettierhilfe arbeiten ohne pipettierhilfe besteht verätzungsund vergiftungsgefahr versuch zu ml harnstofflösung wird tropfen indikator gegeben dann wird ml urease hinzugegeben versuch vier reagenzgläser werden wie folgt befüllt stoff ml reagenzglas nr harnstoff wasser etwas indikator wird hinzugefügt anschließend werden die vier versuchsansätze möglichst gleichzeitig durch hinzugabe von je ml ureaselösung gestartet versuch drei reagenzgläser werden wie folgt befüllt stoff ml reagenzglas-nr harnstoff thioharnstoff wasser nach zugabe von tropfen indikatorlösung und schütteln werden die versuchsansätze möglichst gleichzeitig mit je ml ureaselösung gestartet a4 protokollieren sie die ergebnisse und deuten sie sie iod-kaliumiodidlösung zusammengießen temperatur angleichen entfärbungszeit messen amylaselösung stärkelösung

material enzyme  hefezellen dialyseschlauch aqua dest co -entwicklung ausgangslösung keine co -entwicklung nach ende der dialyse wasser sand stromquelle amperemeter ma leitfähigkeitsprüfer urease und harnstoff wasserbad magnetrührer thermometer co entwicklung keine co entwicklung co entwicklung rel einheiten umsatz versuchsdauer 5° 20° 30° 40° 50° 60° enzyme sind unabhängig von der zelle funktionsfähig bereits 1892 hatten experimente ergeben dass hefeextrakte glucose zu kohlenstoffdioxid und ethanol umwandeln auf dieser grundlage führten harden und young im jahre 1905 folgende experimente durch hefezellen wurden zerrieben und die größeren zellbestandteile vom zellsaft durch filtration getrennt filtrat ein teil des so gewonnenen filtrates wurde stunden dialysiert es wurde in einen schlauch mit einer membran gegeben die für kleinere moleküle durchlässig ist aber nicht für größere dieser schlauch wurde in ein gefäß mit destilliertem wasser gegeben danach wurden aus dem außenme dium und dem dialyseschlauch proben entnommen diese wurden wie das filtrat nach zugabe von glucoselösung auf kohlenstoffdioxidentwicklung untersucht versuchsreihe oder wie in versuchsreihe weiterbehandelt a1 ziehen sie rückschlüsse auf den aufbau und die wirkung des hier eine rolle spielenden enzyms begründen sie ihre schlussfolgerungen konkret anhand der einzelnen experimente die wirkung von katalase katalase ist ein enzym welches wasserstoffperoxid zu und zersetzt man hat die aktivität der katalase in abhängigkeit von der -konzentration untersucht und dabei die nachfolgenden ergebnisse erhalten a setzen sie die werte der tabelle in eine grafik um achten sie dabei auf eine sinnvolle achsenwahl und die beschriftung a3 erläutern sie das experimentelle ergebnis ziehen sie allgemeine rückschlüsse auf die wirkungsweise von enzymen und erläutern sie diese auch hinsichtlich der versuchsbedingungen temperatur und ureasewirkung urease spaltet harnstoff hydrolytisch in kohlenstoffdioxid und ammoniak co und nh reagieren mit wasser in einer säure-base-reaktion bei der ionen entstehen in einer wässrigen lösung leiten sie im gegensatz zum ungeladenen harnstoff den elektrischen strom setzt man harnstofflösung mit urease um so kann man die änderung der leitfähigkeit pro zeiteinheit als relatives maß für die aktivität der urease benutzen für eine solche messung benutzt man die in der abbildung dargestellte apparatur nacheinander werden bei verschiedenen temperaturen 5° 15° 35° 50° und °c jeweils ml harnstofflösung und ml en zym lösung zusammengegeben und die änderung der leitfähigkeit über einen zeitraum von minuten gemessen dabei wird in abständen von sekunden die leitfähigkeit abgelesen das ergebnis dieses versuchs zeigt abbildung versuchsaufbau abhängigkeit der enzymaktivität von der temperatur a4 begründen sie dass bei allen versuchen mit jeweils derselben menge harnstoffund ureaselösung gearbeitet werden muss a5 erläutern sie anhand der grafik die ergebnisse der versuche einzeln und im vergleich pro ml reaktionslösung ml -entwicklung in min versuchsreihe versuchsreihe

8 energiestoffwechsel geschwindigkeit des substratumsatzes konst enzymmenge max 1/2 max rel einheiten grenzwert grafisch ermittelt substratkonzentration substrat enzym rel einheiten reaktionsgeschwindigkeit einer chemischen reaktion temperatur °c stabilität eines enzymmoleküls rel einheiten enzymaktivität substratkonzentration bei niedrigen substratkonzentrationen ist die geschwindigkeit der substratumsetzung gering diese lässt sich durch erhöhung der konzentration steigern bis schließlich weitere erhöhungen der substratkonzentration zu keiner weiteren steigerung der geschwindigkeit führen abb jedes enzym hat daher eine maximalgeschwindigkeit der substratumsetzung da sich die sättigungskonzentration des substrates zur maximalgeschwindigkeit aus dem ergebnis schlecht ablesen lässt ermittelt man bei welcher substratkonzentration die halbmaximale geschwindigkeit erreicht wird die substratkonzentration bei halbmaximaler reaktionsgeschwindigkeit bezeichnet man als michaelis-menten-konstante ist die substratkonzentration gering so sind nicht alle enzyme mit einem substratteilchen beladen weil die wahrscheinlichkeit dass enzym und substrat sich treffen gering ist mit zunehmender anzahl der substratteilchen steigt die wahrscheinlichkeit auf das enzym zu treffen daher steigt die reaktionsgeschwindigkeit bei hohen konzentrationen ist die wahrscheinlichkeit des zusammentreffens zwar sehr hoch jedoch können die substratmoleküle das aktive zentrum nicht besetzen da sich dort das produkt der vorigen reaktion erst langsam vom enzym trennt in lebenden zellen wird der maximalwert nie erreicht da andere stoffe die reaktion behindern der einfluss der temperatur gleichwarme tierarten haben eine konstante körpertemperatur egal ob sie in der wüste oder der antarktis leben wechselwarme tiere wie amphibien oder insekten bewegen sich bei tiefen temperaturen in der regel träge bzw fallen in eine kältestarre erst bei höheren temperaturen werden sie wieder aktiv die chemischen reaktionen des stoffwechsels in einem organismus sind temperaturabhängig diese zusammenhänge zeigen sich auch bei isoliert ablaufenden enzymatischen reaktionen untersucht man die aktivität eines enzyms experimentell so stellt man zunächst bei steigenden temperaturen eine starke erhöhung der reaktionsgeschwindigkeit fest abb blaue linie bei einer bestimmten temperatur wird die reaktionsbedingungen bestimmen die enzymaktivität reaktionsgeschwindigkeit und substratkonzentration siehe aufgabe rgt-regel und enzymaktivität

 enzym inaktiv enzym inaktiv enzym aktiv einfluss des ph-wertes auf die enzymaktivität spezifisches ph-optimum bei vielen enzymen liegt es im neutralen ph-bereich bei deutlich höheren oder niedrigeren phwerten sinkt die aktivität immer stärker ab ursache ist wie bei hohen temperaturen eine denaturierung des enzyms da durch säuren bzw basen an bestimmte reste der einzelnen aminosäurebausteine -ionen angelagert oder von ihnen abgespalten werden können so wird die für die passform wichtige ladungsverteilung im enzymmolekül verändert sodass die spezifische molekülfaltung verloren geht abb randspalte a1 erklären sie anhand der modellhaften teilchendarstellung in abb den kurvenverlauf im diagramm a informieren sie sich über die lebensweise des in abb dargestellten tieres und stellen sie den zusammenhang zur enzymaktivität her a3 nähert sich die körpertemperatur bei hohem fieber dem wert von °c besteht für den menschen lebensgefahr erläutern sie mögliche gründe dafür mit bezug zu den genannten eigenschaften von enzymen a4 der einfluss des ph-wertes auf die enzyme kann an der verdauung des menschen deutlich gemacht werden informieren sie sich über die jeweiligen ph-werte und enzyme der einzelnen verdauungsschritte und erläutern sie schließlich ein maximum erreicht dieses liegt bei vielen enzymen zwischen °c und °c danach nimmt die geschwindigkeit der enzymkatalysierten reaktion sehr schnell ab bis schließlich überhaupt keine wirkung des enzyms mehr erkennbar ist höhere temperaturen bewirken eine stärkere teilchenbewegung sodass enzym und substrat mit einer größeren wahrscheinlichkeit aufeinander treffen zudem werden die bindungen zwischen atomen reaktiver die folge ist ein höherer stoffumsatz bei enzymkatalysierten reaktionen erhöht sich die reaktionsgeschwindigkeit bei einer temperaturerhöhung um °c exponentiell um das 2bis 4fache rote linie dieser zusammenhang heißt reaktionsgeschwindigkeits-temperatur-regel kurz rgt-regel bei eiweißen und damit auch bei enzymen haben hohe temperaturen noch eine andere wirkung sie verändern und zerstören schließlich die tertiärstruktur die räumliche anordnung der aminosäurekette wird irreversibel verändert diesen vorgang bezeichnet man als denaturierung da die funktion des enzyms von der tertiärstruktur abhängt wird die abnahme der enzym aktivität ab einer bestimmten temperatur verständlich grüne linie enzyme sind meist nur bis zu temperaturen zwischen °c und °c stabil abb höhere temperaturen liefern so viel energie dass die geringen bindungskräfte welche die räumliche faltung des proteins aufrechterhalten überwunden werden die passform des enzymmoleküls für das substrat geht verloren das enzym ist inaktiv nur wenige enzyme werden erst bei höheren temperaturen denaturiert die von bakterien aus heißen quellen °c und mehr deren enzyme sind an diese extremen lebensbedingungen angepasst indem bei ihnen die passform im wesentlichen durch besonders stabile disulfidbrücken und ionische anziehungskräfte aufrechterhalten wird der einfluss des ph-wertes untersucht man die enzymaktivität in abhängigkeit vom ph-wert konzentration von -ionen experimentell so ergibt sich ein optimum jedes enzym hat sein eisfisch in der antarktis qm7g6n

energiestoffwechsel nicht kompetitive hemmung substrat hemmstoff kompetitive hemmung konkurrenz von substrat und hemmstoff um das aktive zentrum enzym max geschwindigkeit der substratumsetzung substratkonzentration ohne hemmstoff mit hemmstoff kompetitiv mit hemmstoff nicht kompetitiv bindungsstelle für allosterischen hemmstoff hemmstoff enzym enzym substrat substrat reaktion relative einheiten keine reaktion max ein beispiel dafür ist die anwendung des medikaments allopurinol gegen gicht diese krankheit äußert sich infolge der einlagerung von harnsäurekristallen in einer schmerzhaften veränderung der gelenke die unbehandelt bis zu deren zerstörung fortschreiten kann harnsäure entsteht im organismus beim abbau von nucleinsäuren wobei die verbindung hypoxanthin als zwischenprodukt entsteht hypoxanthin wird mithilfe des enzyms xanthinoxidase zu harnsäure abgebaut die bei gesunden über die nieren ausgeschieden wird entsteht aber infolge einer stoffwechselschwäche oder infolge von fehlernährung zu viel harnsäure so wird sie nicht mehr vollständig ausgeschieden sondern lagert sich bevorzugt in gelenken in kristalliner form ab eine mögliche medikamentöse behandlung ist die verabreichung von allopurinol das dem hypoxanthin chemisch sehr ähnlich ist aber von der xanthinoxidase nicht umgesetzt werden kann die dadurch bedingte hemmung des enzyms die zur verminderung der harnsäureeinlagerung in die gelenke führt ist abhängig von der menge des eingenommenen medikaments diese hemmung endet nach dem absetzen des medikaments sie ist reversibel allosterische effekte bestimmte enzyme haben nicht nur eine bindungsstelle für das umzusetzende substrat sondern eine weitere bindungsstelle an der ein ganz anders aufgebautes molekül binden kann die pass form eines solchen enzyms hängt davon ab ob an dieser stelle ein hemmstoff gebunden ist oder nicht dadurch kann das enzym zwei verschiedene räumliche strukturen annehmen in der einen form kann es das substrat binden und umsetzen in der anderen form also mit hemmstoff ist das bindungszentrum für das substrat so verändert dass es nicht mehr gebunden werden kann diese durch die veränderung der räumlichen struktur bedingte hemmung nennt man nicht kompetitive hemmung oder allosterische hemmung abb sie spielt bei der regulation vieler stoffwechselprozesse eine wichtige rolle der einfluss des bindungspartners auf die enzymaktivität hemmung der enzymaktivität wenn außer dem eigentlichen substrat andere stoffe an das enzymmolekül binden kann die enzymaktivität beeinträchtigt werden kompetitive hemmung konkurrieren zwei chemisch ähnliche stoffe um das bindungszentrum eines enzyms beeinflusst dies die enzymaktivität wenn einer das substrat ist und der andere als hemmstoff wirkt der hemmstoff kann zwar an das enzym gebunden aber nicht umgesetzt werden er verdrängt somit das eigentliche substrat verdrängungshemmung oder kompetitive hemmung abb die wirkung solcher hemmstoffe ist umso größer je höher die konzentration im vergleich zum eigentlichen substrat ist

relative umsatzgeschwindigkeit rel einh substratkonzentration rel einh an aus allosterische effekte sind aber nicht in jedem fall hemmend manche enzyme erreichen erst durch allosterische veränderungen ihre volle katalytische wirkung sie werden allosterisch aktiviert bei zu hohem blutzuckerspiegel wird durch aktivierte glucose ein enzym allosterisch aktiviert das den aufbau des speicherstoffs glykogen aus glucose bewirkt abb irreversible hemmung die giftigkeit bestimmter metall-ionen beruht da rauf dass sie bei enzymen veränderungen ihrer passform bewirken die nicht rückgängig zu machen sind die hemmung ist irreversibel besonders giftig für den menschen sind die schwermetalle quecksilber und blei sie zerstören die disulfidbrücken da sie mit schwefel eine äußerst stabile verbindung bilden bioindikatoren einige organismen lassen sich als bioindikatoren einsetzen da sie enzyme besitzen die auf schwermetalle sehr empfindlich reagieren so wird die gäraktivität von hefezellen bereits von geringen schwermetallmengen deutlich gehemmt hefezellen vergären zu cker zu kohlenstoffdioxid bringt man eine info-box vitamine cofaktoren von enzymen zahlreiche enzyme bestehen aus einem proteinanteil und aus einem cofaktor dabei handelt es sich um ein hilfsmolekül das für sich alleine keine katalysatorfunktion hat der cofaktor kann aus bestimmten metallionen wie fe 2+ mn 2+ bestehen oder aus größeren molekülen die cofaktoren verleihen den enzymen besondere katalytische fähigkeiten und können leicht von ihnen getrennt werden ein besonders wichtiger cofaktor ist das nad nicotinamid-adenin-dinucleotid das bei der enzymatischen elektronenübertragung von einer substanz auf eine andere eine entscheidende rolle spielt viele cofaktoren können vom körper des menschen nicht selbst synthetisiert werden sie müssen vollständig oder als halbfertige vorstufe mit der nahrung aufgenommen werden und sind als vitamine von großer bedeutung thiamin vitamin thiamin ist eine vorstufe von thiaminpyrophosphat das für den körper als cofaktor wichtig ist es bindet und aktiviert kleine molekülbausteine sodass diese von enzymen übertragen oder verändert werden können pantothensäure pantothensäure ist bestandteil und damit gleichzeitig vorstufe von coenzym dieses wiederum besitzt eine wichtige funktion bei der zellatmung und den reaktionen des fettstoffwechsels bestimmte menge der probe belasteter boden mit zucker und einer hefeaufschwemmung zusammen so zeigt die geringere kohlenstoffdioxidentwicklung die belastung mit schwermetallionen an a1 erläutern sie folgende aussage kompetitiv wirkende hemmstoffe verlieren bei hoher substratkonzentration ihre wirkung nicht kompetitiv wirkende jedoch nicht allosterischer effekt beim glykogenaufbau pyridoxin vitamin pyridoxin bindet und aktiviert aminosäuren es ist ein wichtiger cofaktor von enzymen des aminosäurestoffwechsels und an vielen biochemischen reaktionen beteiligt biotin vitamin biotin dient in vielen enzymen als überträger von carboxylgruppen es ist über eine elektronenpaarbindung fest mit dem enzym verbunden

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 enzyme werden bereits seit jahrhunderten eingesetzt die käseherstellung mit dem labferment enzym aus kälbermägen wurde schon vor christi geburt genutzt beim bierbrauen wurde die keimende gerste über 3000 jahre chr in ägypten zum vergären genutzt die gärprozesse bei fruchtsäften und honig stammen ebenfalls aus diesem zeitalter den menschen waren die enzymatischen vorgänge nicht bewusst durch zufällige beobachtungen von phänomenen wurden verfahren entwickelt in klöstern wurden verschiedene rezepte und verschiedene erfahrungen gesammelt und die weiterentwicklung dadurch vorangetrieben enzyme und lebensmittel das labferment enzym für die käseproduktion abb stammt in den meisten fällen nicht aus dem kälbermagen sondern aus spezifisch gezüchteten hefezellen dies ist durch den hohen bedarf an labferment in der käseindustrie zu erklären in der milchindustrie wird die weiterverarbeitung der milch durch den enzymatischen lactoseabbau in produkten für lactoseempfindliche personen weiterentwickelt in der fleischproduktion ist das enzymatische kleben von fleischresten zu einem zusammenhängenden stück fleisch wie kochschinken oder formfleisch stark umstritten bei diesem verfahren werden die proteine der fleischreste durch bestimmte enzyme vernetzt ein wichtiger einsatz von enzymen in der lebensmittelindustrie ist auch die verzuckerung von stärke aus mais kartoffeln oder weizen enzyme spalten die stärke in verschiedene zucker die für bestimmte anwendungsbereiche weiterverarbeitet werden können die produktion der unterschiedlichen zucker und sirupe ist hierdurch billiger geworden sie können daher kostengünstig vielen produkten zugesetzt werden grundsätzlich können fast alle nahrungsmittelbestandteile enzymatisch hergestellt werden im functional food-bereich versucht man neben künstlichen aromen auch stoffe wie enzymatisch gewonnene vitamine mineralstoffe oder naturfasern für eine gesundheitliche unterstützung den nahrungsmitteln beizumengen diese müssen jedoch gesundheitlich unbedenklich sein citronensäure für die lebensmittelreinigungsmittelund waschmittelproduktion wird enzymatisch in schimmelpilzen produziert die jährliche menge beträgt über million tonnen weltweit auch apfelsäure als säuerungsmittel in marmeladen wird nicht aus äpfeln sondern ebenfalls enzymatisch gewonnen in den backbetrieben werden enzyme seit langem eingesetzt um eine gleichmäßige teigmasse zu erhalten die in automatisierten betrieben maschinell und bei gleichbleibender fertigungsqualität weiterverarbeitet werden kann diese rohlinge abb können zentral kostengünstig produziert und anschließend in die läden verteilt werden die anschließende gleichmäßige bräunung krustenstabilität und das volumen werden ebenfalls durch enzyme im teig beeinflusst enzyme beim waschvorgang waschmittel enthalten enzyme die ein bestimmtes temperaturoptimum haben die meisten waschmittel entwickeln bereits zwischen 30° und °c ihre volle waschkraft was zu einem deutlich geringeren stromverbrauch führt insbesondere eiweißhaltige verschmutzungen waren früher schwer zu beseitigen dies wird nun durch verschiedene spezifische enzyme die verschmutzungen auf den kleidungsfasern gezielt abbauen ermöglicht proteasen für eiweiße amylasen für stärke cellulasen für cellulose lipasen für fette durch die enzyme konnte der anteil der waschprogramme bei 90° um ca gesenkt werden die eingesetzten waschmittelmengen konnten auch verringert werden da die enzyme bei den reaktionen nicht verbraucht werden ein nachteil ist dass bei einer fehlenden vollwäsche bei 90° pilze in der wäsche nicht vollständig abgetötet werden aber die suche nach neuen enzymen geht weiter diese werden in verschiedenen bodenbakterien destruenten oder anderen organismen gesucht und anschließend verändert die überprüfung der wirksamkeit erfolgt über ein enzym-screening abb bei diesem werden verschiedene enzyme in einem systematischen testverfahren auf ihre spezifische wirksamkeit untersucht auf diesem wege versucht man die waschtemperatur auf 20° zu senken enzyme in der körperpflege der speichel säubert schützt und regeneriert die zähne zahnpasten können das schutzsystem unterstützen sie enthalten enzyme die zur bildung von antibakteriellen substanzen beitragen und die vermehrung von bakterien im mundraum erschweren abb material enzyme im einsatz käseherstellung teigrohlinge verbesserte zahnhygiene enzym-screening

diese enzyme werden im verdauungstrakt abgebaut in der kosmetikindustrie werden in einigen hautcremes enzyme eingesetzt um verunreinigungen auf der haut oder in talgdrüsen abzubauen enzyme in der medizin beim einsatz von enzymen im bereich der medizin muss man unterscheiden zwischen anwendungen in der diagnose und der therapie bei der diagnose wird das vorhandensein von bestimmten enzymen im blut symptomen zugeordnet und sie können dadurch als indikatoren von krankheiten genutzt werden enzymatische reaktionen helfen auch beim schnellen nachweis bestimmter substanzen im blut wie glucose harnstoff oder cholesterin bei diesen schnellen nachweisverfahren reagieren spezifische enzyme mit den substanzen in den medizinischen proben ein physikalisches messsystem ist nachgeschaltet dieser physikalische transducer reagiert auf temperaturänderung biolumineszenz oder fluoreszenz die bei dem enzymatischen nachweisverfahren entstehen können eine messanzeige zeigt direkt den errechneten wert der konzentration in der probe an abb der bekannteste biosensor ist der glucocesensor für diabetiker für den einsatz in der therapie wird gezielt die enzymatische produktion von wirkstoffen oder enzymen in zellkulturen genutzt zum beispiel können bestimmte enzyme verklumpungen im blut verhindern dies geschieht durch den gezielten abbau von fibrin das die verklumpung auslöst sie kommen daher bei herzinfarkten und schlaganfällen zum einsatz um die durchblutung der betroffenen gewebe wieder zu gewährleisten für antibakterielle medikamente werden die abbauenden enzyme aus lysosomen eingesetzt da sie die bakterienmembran auflösen enzyme für futtermittel im gegensatz zu kühen können schweine und geflügel das in der pflanzlichen nahrung enthaltene lebensnotwendige phosphat nicht verwerten durch den zusatz des enzyms phytase kann das im futter vorhandene phosphat genutzt werden und muss nicht zugefüttert werden hierdurch wird die phosphatbelastung der umwelt bei der düngung mit gülle reduziert enzyme in der zukunft biologen erforschen mikroorganismen auf ihre enzymzusammensetzung mithilfe der informatik sind die gewonnenen ergebnisse in datenbanken gespeichert und schnell abrufbar enzyme können dadurch für gezielte einsätze ausgewählt werden durch kleine veränderungen in der aminosäuresequenz der enzyme wird getestet ob gewünschte eigenschaften noch besser erreicht werden können sekundäre pflanzenstoffe wie carotinoide oder duftstoffe aus citrusfrüchten können die gesunderhaltung des körpers unterstützen sie können helfen den blutdruck zu regulieren oder das immunsystem zu stärken oder antibakteriell und entzündungshemmend wirken nahrungsmittel sollen daher in zukunft nicht nur schmecken sondern auch die gesundheit unterstützen die isolierung dieser substanzen aus früchten ist technisch sehr aufwendig und großtechnisch nicht ergiebig für chemische produktionsverfahren werden viel energie wasser und erdölrohstoffe benötigt nachhaltiger wäre eine biologische produktion hierzu werden in einem screening mehr als tausend bakterien und pilze auf ihre enzymzusammensetzung getestet um wiederum diese aufwendigen screeningverfahren zu verkürzen will die synthetische biologie\" organismen gezielt entwickeln die eine produktion verschiedener substanzen ermöglichen hier werden nicht die enzyme gesucht sondern die genabschnitte auf der dna die für die enzyme zuständig sind alle gene von mikroorganismen werden radikal verändert sodass neue eigenschaften eingeführt werden zusätzlich werden auch gene entfernt sodass diese organismen nur unter eng definierten bedingungen überleben können somit entstehen maßgeschneiderte organismen mit minimalgenomen der prozess des entfernens und reorganisierens von erbgut wird auch top-downansatz genannt demgegenüber steht die komplette neusynthese von genomen was als bottom-up-ansatz gilt mit dnasynthese-robotern ist es heute möglich kleine genome komplett zu synthetisieren diese künstlichen zellen die sich teilen können werden als protozellen bezeichnet auf diesem weg könnten impfstoffe arzneimittel chemikalien oder wasserstoff als treibstoff in großen mengen gewonnen werden auch die vernichtung von umweltgiften könnte gezielt durchgeführt werden kritiker dieser forschungsrichtung weisen darauf hin dass keine anderen schädlichen folgen durch neu gestaltete organismen entstehen dürfen und ein missbrauch der synthetischen biologie verhindert werden muss a1 stellen sie die verschiedenen anwendungen für enzyme tabellarisch dar a fassen sie vorteile und nachteile des heutigen enzymeinsatzes in den verschiedenen anwendungsbereichen aus ihrer sicht zusammen a3 erläutern sie kritisch welche bedeutung enzyme in unserem leben und der gesellschaft gewonnen haben und welche bedeutung sie noch erlangen können stellen sie ihre ergebnisse in form eines zeitungsartikels dar probe biosensor biologischer rezeptor physikalischer transducer messwertanzeige mg/l biosensor schematisch protozelle gülle mit weniger belastung

8 energiestoffwechsel alle lebensvorgänge von tieren wie das wachstum die zellteilungen der stofftransport im körper oder der wärmehaushalt brauchen energie diese wird über die nährstoffe in der nahrung dem körper zur verfügung gestellt stoffwechsel und herzschlag man unterscheidet den ruhestoffwechsel bei dem das tier keine muskelarbeit verrichtet und den leistungsstoffwechsel bei körperlichen aktivitäten auch beim ruhestoffwechsel wird energie umgesetzt deren menge man als grundumsatz bezeichnet vergleicht man den ruhestoffwechsel von maus und elefant so ist dieser beim elefanten ca 000-mal so groß wie bei der maus dies ist bei dem extremen größenunterschied nicht erstaunlich nimmt man als maß für die stoffwechselintensität jedoch die herzschlagfrequenzen so schlägt das herz des elefanten nur 22das der maus 690-mal pro minute energie wird abgegeben maus und elefant sind homoiotherme tiere bei unterschiedlichen umgebungstemperaturen halten sie ihre körperkerntemperatur konstant somit ist gewährleistet dass die lebensfunktionen unabhängig vom klima auf unverändert hohem niveau ablaufen können da die körperkerntemperatur meist oberhalb der temperatur der umgebung liegt geben die homoiothermen ständig energie ab abb und diese wird durch den abbau energiereicher stoffe dissimilation in den zellen ersetzt hierzu benötigen die zellen sauerstoff und nährstoffe das blut gleicht aus den unterschiedlichen herzschlagfrequenzen entsprechend werden die nährstoffbausteine und der sauerstoff über den blutkreislauf zu den zellen transportiert gleichzeitig wird viel warmes blut aus dem kernbereich zur körperoberfläche transportiert und die wärmeverluste werden ausgeglichen frösche sind sparsam poikilotherme tiere wie frösche eidechsen oder insekten haben im vergleich zu den homoiothermen eine niedrigere stoffwechselintensität und somit eine geringere energieabgabe an die umgebung ihre körpertemperatur entspricht weitgehend der umgebungstemperatur bei niedrigen temperaturen sinken die stoffwechselrate und die enzymaktivität durch das angleichen der körpertemperatur an die umgebungstemperatur wird die benötigte energie gesenkt poikilotherme können daher mit weniger nahrung länger überleben a1 fledermäuse sind homoiotherme tiere im winter fallen sie in einen winterschlaf bei dem sie die körpertemperatur stark herabsenken erklären sie den biologischen vorteil dieses vorgangs energieumsatz säugetiere haben unterschiedliche herzschlagfrequenzen homoiotherm direkte regulation der körperwärme poikilotherm keine direkte regulation der körperwärme thermografie eines elefanten wärmeabgabe thermografie einer maus

8 maus löwe meerschweinchen orang-utan zwergziege mensch pferd elefant sauerstoffverbrauch ml /g pro körpermasse logar skalierung säugetierart herzfrequenz 1/min masse sauerstoffverbrauch ml /h maus meerschweinchen zwergziege orang-utan mensch löwe pferd elefant cm kleine homoiotherme tiere wie mäuse haben bezogen auf ihre körpermasse einen höheren energieumsatz und damit eine höhere stoffwechselrate als große messwerte können diese hypothese bestätigen a1 stellen sie die zusammenhänge körpermasse sauerstoffverbrauch und körpermasse herzfrequenz in form eines textes dar fassen sie die aussagen des diagramms zusammen a erläutern sie anhand von abb dass es kaum homoiotherme tiere geben kann die kleiner als eine maus sind erläutern sie in diesem zusammenhang dass dies bei poikilothermen tieren wie insekten oder kleinen fröschen nicht zutrifft a3 berechnen sie anhand von abb die oberfläche das volumen und die relative oberfläche verhältnis oberfläche volumen für verschieden große würfel beginnen sie bei cm kantenlänge und halbieren sie sie immer weiter bis zu einer länge von cm stellen sie die ergebnisse in einer tabelle zusammen und formulieren sie die grundaussage a4 wenden sie die aussagen aus aufgabe auf den wärmeverlust die wärmeproduktion und die stoffwechselintensität gleichwarmer tiere verschiedener größe an a5 je größer ein tier desto problematischer die wärmeableitung begründen sie diese aussage a erklären sie die biologische bedeutung des verhaltens von pinguinen die sich bei eisigen stürmen in engen gruppen dicht gedrängt aufstellen abb material körpergröße und energiehaushalt sauerstoffverbrauch gleichwarmer tiere säugetiere im vergleich oberfläche und volumen von würfeln pinguine bei eisigen stürmen

energiestoffwechsel leistungsumsatz angegeben als das x-fache gegenüber dem grundumsatz energieumsatz alter mann frau grundumsatz in kj pro körperoberfläche und im vergleich 3400 3190 3910 3570 4950 4870 liegen gehen schwimmen bäume fällen 14,5 thermometer thermometer zündstromleitung rührwerk wassermantel kalorimeterwasser einsatz aus wärmeisolierendem werkstoff kalorimeterbombe kalorimetergefäß messen des energieumsatzes beispiel einer messung eingeatmetes atemvolumen l/min eingeatmete sauerstoffkonzentration ausgeatmete sauerstoffkonzentration die differenz von ergibt einen sauerstoffverbrauch von 0,48 l/min für eine gesunde lebensweise ist es notwendig die tägliche ernährung und bewegung aufeinander abzustimmen auf vielen lebensmittelverpackungen finden wir eine nährwertkennzeichnung diese angaben erfolgen in kilojoule kj der energiebedarf des menschen lässt sich ebenfalls in kilojoule bestimmen nahrung liefert bauund energiestoffe die aufgenommene nahrung setzt sich neben ballaststoffen vitaminen und mineralstoffen hauptsächlich aus den energiereichen kohlenhydraten fetten und proteinen zusammen diese energiereichen substanzen werden unter sauerstoffverbrauch zu energiearmem kohlenstoffdioxid und wasser abgebaut soweit sie nicht in den baustoffwechsel fließen die hauptenergielieferanten sind kohlenhydrate und fette bei deren abbau wird energie frei sie wird zu einem kleineren teil im baustoffwechsel zum aufbau körpereigener stoffe verwendet der hauptanteil dient dazu im betriebsstoffwechsel den energiebedarf des körpers zu decken überschüssige energie wird in form von reservefetten gespeichert direkte kalorimetrie für die messung des energieumsatzes wird bei diesem verfahren die wärmeabgabe eines in vollkommener ruhe befindlichen körpers bei einer vollständigen wärmeisolierung bestimmt in der chemischen forschung wird dazu in einem gefäß das die gesamte wärme eines verbrennungsvorgangs aufnimmt abb die reaktionsenergie von verschiedenen nährstoffen bestimmt von kohlenhydraten fetten oder eiweißen als brennwert bezeichnet man die verbrennungswärme bezogen auf ein gramm der jeweiligen substanz indirekte kalorimetrie das verfahren der indirekten kalorimetrie ist beim menschen nicht nur einfacher durchzuführen sondern ermöglicht es auch bei verschiedenen körperlichen aktivitäten die höhe des leistungsstoffwechsels leistungsumsatz zu bestimmen da der körper zur energieumwandlung sauerstoff benötigt kann man bei einer getesteten person über den sauerstoffverbrauch den energieverbrauch berechnen bei diesem verfahren wird also der sauerstoffverbrauch als maß für den energieumsatz herangezogen technisch wird die differenz zwischen dem sauerstoffgehalt des eingeatmeten und des ausgeatmeten luftvolumens gemessen kalorisches äquivalent bei der auswertung der indirekten kalorimetrie nutzt man die chemische gleichung zur reaktion der glucose mit sauerstoff bei dieser reaktion werden pro mol glucose mol sauerstoff benötigt da mol sauerstoff bei und normaldruck ein volumen von 22,4 litern einnimmt kann man das messung des sauerstoffverbrauchs aufbau eines kalorimeters

8 brennwert 2836 kj 15,8 kj/g tripalmitin fett 72,5 co molare masse pro mol energieumsatz kj pro mol co mol 134,4 mol energieumsatz pro mol glucose 2836 kj kalorisches äquivalent 2836 kj 134,4 21,1 kj/l rq für glucose mol co mol mol 134,4 respiratorischer quotient reaktionsgleichung kalorisches äquivalent und brennwert angaben zu tripalmitin rq kal äquivalent kj pro liter 0,71 19,62 0,80 20,10 0,84 20,30 0,90 20,61 1,00 21,13 beziehung zwischen rq und kalorischem äquivalent bei mischkost für proteine sind die verhältnisse komplexer da beim abbau auch harnstoff entsteht der rq-wert ist für sie ca grasfresser haben rq-werte um fleischfresser um 0,75 beim normal ernährten menschen liegt der wert bei etwa kann in hungerphasen aber auf zurückgehen wenn hauptsächlich reservestoffe veratmet werden aus dem rq-wert schließt man auf die zusammensetzung der veratmeten stoffe mithilfe ihres kalorischen äquivalents auf die umgesetzte energie pro liter verbrauchtem sauerstoff zu jedem rq-wert zwischen und gehört ein bestimmtes kalorisches äquivalent daraus kann man auch den ener gieumsatz bei mischkost bestimmen nährstoff brennwert kj/g kalor äquivalent kj/l kohlenhydrate 17,2 21,15 fette 38,9 19,60 proteine 17,2 18,75 a1 berechnen sie den energieumsatz eines sportlers anhand der angegebenen daten randspalte seite bei normaler ernährung und in einer hungerphase a berechnen sie wie viel gramm stärke den gleichen brennwert haben wie fett volumen des verbrauchten sauerstoffs in litern pro mol glucose berechnen für die reaktion von einem mol glucose verbraucht man daher 22,4 134,4 liter sauerstoff aus den messungen der direkten kalorimetrie kennt man den brennwert von mol glucose 2836 kj da bei der indirekten kalorimetrie nicht der glucoseverbrauch sondern das volumen des benötigten sauerstoffs gemessen wird bezieht man den energiewert auf liter sauerstoff 2836 kj 134,4 liter 21,1 kj/liter sauerstoff dieser wert von 21,1 kj ist das kalorische äquivalent beim glucoseabbau respiratorischer quotient bei mischkost werden substanzen aus allen drei nährstoffgruppen abgebaut ihr jeweiliges verhältnis muss in der aufgenommenen nahrung bei der berechnung des energieumsatzes berücksichtigt werden man kann es aus dem respiratorischen quotienten rq-wert bestimmen er ist das verhältnis aus abgegebener kohlenstoffdioxidund aufgenommener sauerstoffmenge rq v(co abgegeben v(o aufgenommen aus den chemischen gleichungen für die oxidationsvorgänge kann man schließen dass der rq-wert für kohlenhydrate wie glucose beträgt für fette ca siehe randspalte respiratorischer quotient und kalorisches äquivalent energiegehalt verschiedener nahrungsmittel kj/100

0 energiestoffwechsel körpervenen körperarterien co einatmungsluft po hpa pco hpa lungenarterie po hpa pco hpa ausatmungsluft po hpa pco hpa lungenvene po hpa pco hpa gewebe po hpa pco hpa lungenalveolen po hpa pco hpa sauerstofftransport im blut bergsteiger brauchen normalerweise ein atemgerät mit druckluft wenn sie sehr hohe berge wie den mount everest erklimmen wollen sonst ist die sauerstoffversorgung des körpers nicht ausreichend die atemluft ist ein gemisch an der prozentualen zusammensetzung der luft liegt es nicht denn diese ist in meereshöhe wie auf dem mount everest gleich stickstoff sauerstoff kohlenstoffdioxid 0,04 und edelgase mit der höhe ändert sich aber die dichte der gase und damit der luftdruck alle gasbestandteile der luft ergeben in höhe einen gesamtluftdruck von 1013 hpa jeder gasbestandteil der luft trägt entsprechend seinem prozentualen anteil zum gesamtluftdruck bei partialdruck so beträgt der partialdruck teildruck des sauerstoffs am gesamtluftdruck hpa in meereshöhe jedoch nur hpa auf dem mount everest daher benötigen bergsteiger in dieser höhe ein atemgerät atmung ein konzentrationsausgleich vergleicht man die in abb dargestellten sauerstoffpartialdruckwerte im menschlichen körper so erkennt man dass ein konzentrationsunterschied von der lunge bis zur muskelzelle vorliegt die treibende kraft der diffusion ist die bewegung der sauerstoffmoleküle in dem konzentrationsunterschied zwischen lunge und blut sowie blut und gewebe dem gefälle entsprechend diffundiert der sauerstoff durch die membran der lungenbläschen die alveolen in das blut von dem er im blutkreislauf zum gewebe transportiert wird hier diffundiert er auf die gleiche weise durch die kapillarund zellmembran in die einzelnen gewebezellen eine gesetzmäßigkeit der diffusion ist je größer die konzentrationsdifferenz ist desto höher ist die diffusionsgeschwindigkeit die diffusionsvorgänge in der lunge und im gewebe werden daher besonders effektiv wenn eine möglichst große partialdruckdifferenz aufrechterhalten wird dieses ermöglicht sowohl die atembewegung die für sauerstoffreiche luft in der lunge sorgt als auch die ständige zirkulation des blutes durch die kontinuierlich sauerstoffarmes blut zu den alveolen und sauerstoffreiches blut in das gewebe transportiert wird im gewebe wird der sauerstoff durch die stoffwechselprozesse ständig verbraucht a1 erläutern sie anhand der abb die triebkräfte für den sauerstoffund kohlenstoffdioxid-austausch in der lunge und im gewebe a erklären sie warum die zahl der erythrocyten pro ml blut bei bewohnern von hohen gebirgen erheblich höher ist als bei bewohnern der meeresküste a3 erklären sie welchen sinn das höhentraining von ausdauersportlern hat a4 berechnen sie die sauerstoffpartialwerte in der lunge und im gewebe am mount everest und erläutern sie weshalb die bergsteiger atem geräte benötigen bergsteiger mit atemgerät in extremer höhe partialdruckwerte im menschlichen körper a3v9g4

1 häm globin sauerstoffsättigung sauerstoff-partialdruck hpa hämoglobin myoglobin gewebe lunge sauerstoffabgabe des hämoglobins im gewebe fe hc ch ch ch ch ch cooh ch ch ch cooh ch 2+ rasterelektronenmikroskopische aufnahme von erythrocyten erythrocyten rote blutzellen binden sauerstoff und transportieren ihn mit dem blut zu allen körperteilen in einem liter blut werden ca ml sauerstoff transportiert entfernt man die erythrocyten aus dem blut lösen sich nur noch ml sauerstoff hämoglobin bindet sauerstoff erythrocyten bestehen zu aus hämoglobin hämoglobin ist das trägermolekül beim sauerstofftransport es besteht aus eiweiß globin und farbstoffkomponenten häm das häm enthält ein eisen(ii)-ion welches von vier porphyrin-ringsystemen eingeschlossen wird vier sauerstoffmoleküle können nacheinander an die vier eisen(ii)-ionen des hämoglobins lose gebunden werden dabei entsteht aus dem dunkelroten hämoglobin das hellrote oxihämoglobin das sauerstoffbindungsvermögen die sauerstoffsättigung des hämoglobins ist unmittelbar abhängig vom sauerstoffpartialdruck der umgebung abb im bereich der lunge ist der sauerstoffpartialdruck mit ca hpa hoch hier wird das hämoglobin fast vollständig mit sauerstoff beladen in den geweben herrscht aber wegen des sauerstoffverbrauchs ein niedriger partialdruck je weiter das blut durch die kapillarnetze in das gewebe transportiert wird desto mehr gibt es an der großen oberfläche sauerstoff ab bei einem partialdruck von ca hpa wie er oft in den muskeln herrscht werden bereits ca des sauerstoffs an die zellen abgegeben da das bindungsvermögen in diesem partialdruckbereich recht steil verläuft wird schon bei einem geringen weiteren abfall des partialdrucks relativ viel sauerstoff freigesetzt so ist die versorgung der gewebe auch bei hohem sauerstoffverbrauch gesichert im muskelgewebe wird der sauerstoff nicht an hämoglobin sondern an myoglobin gebunden es ist ähnlich aufgebaut wie das hämoglobin besteht aber nur aus einer statt vier untereinheiten es kann den vom hämoglobin freigesetzten sauerstoff fester binden abb es stellt eine sauerstoffreserve für den fall eines hohen verbrauchs dar erythrocyten transportieren den sauerstoff hämoglobinmolekül porphyrin-ringsystem des häms sauerstoffbindungsvermögen des hämoglobins und des myoglobins muskeln die große ausdauerleistungen erbringen wie der herzmuskel haben auch einen besonders hohen myoglobingehalt a1 kohlenstoffmonooxid entsteht bei unvollständigen verbrennungsvorgängen wie beim zigarettenrauchen und bindet ca 200-mal fester an hämoglobin als sauerstoff begründen sie warum raucher weniger leistungsfähig sind a erythropoetin epo ist ein hormon welches hauptsächlich in der leber und den nieren gebildet wird es regt die bildung von erythrocyten an erklären sie weshalb epo beim doping von ausdauersportlern eine große rolle spielt

 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

4 energiestoffwechsel resorption aufnahme von substanzen durch eine zellschicht tiere und menschen nehmen sauerstoff und nährstoffe auf der sauerstoff gelangt hierbei über die haut oder spezifische atmungsorgane aus der umgebung in den körper hier wird er bei mehrzelligen lebewesen verteilt um zu allen zellen zu gelangen im gewebe wird der sauerstoff an die zwischen den zellen vorhandene gewebsflüssigkeit abgegeben und von den zellen aufgenommen atmungsorgane der gasaustausch erfolgt über eine dünnwandige oberfläche eine verbesserung des gasaustauschs wird durch eine oberflächenvergrößerung und die bewegung der transportflüssigkeit im körperinneren erreicht tiere mit haut atmung sind meistens wasserbewohner da der sauerstoff über die feuchte haut besser aufgenommen wird als über die trockene bei größeren tieren findet man oberflächenvergrößerungen für den besseren gasaustausch nach innen oder nach außen dies betrifft bei im wasser lebenden tieren die kiemen und bei auf dem land lebenden tieren die alveolen in der lunge aufnahme der nährstoffe nährstoffe gelangen über den verdauungstrakt in den körper und werden wie auch der sauerstoff zu den zellen transportiert hierzu werden sie zu kleinen wasserlöslichen stoffen abgebaut von der darmwand werden diese in das blut transportiert resorbiert die nicht wasserlöslichen bestandteile der fette werden an transportmoleküle gebunden und zunächst durch die lymphe später erst im blut weiterbefördert aus den kapillaren gelangt durch den blutdruck lymphe mit den gelösten stoffen in die gewebsflüssigkeit und zu den zellen dissimilation in den zellen reagieren der sauerstoff und die nährstoffbausteine miteinander nährstoffe sind energiereiche organische moleküle durch die reaktion mit dem sauerstoff wird die chemisch gebundene energie der nährstoffe für alle vorgänge in der zelle nutzbar gemacht diesen vorgang nennt man dissimilation a1 beschreiben sie abb und erklären sie die veränderungen der blutbestandteile mithilfe des textes sauerstoff und nährstoffe der weg der atemgase und der nährstoffe lebewesen geben ständig wärmeenergie an ihre umgebung ab und benötigen energie für stoffwechselprozesse für wachstum und den erhalt von zellstrukturen die zum leben notwendige energie ist immer an energiereiche stoffe gebunden pflanzen können diese moleküle selbstständig mithilfe der sonnenenergie aufbauen tiere nutzen nur über die nahrung aufgenommene nährstoffe die energie geht bei den stoffwechselprozessen niemals verloren sondern sie geht in andere energieformen über wie wärme oder das leuchten der glühwürmchen energie wird auch benötigt für die muskelbewegung und den aufbau körpereigener substanzen info-box stoffund energieumwandlung

5 kalilauge kalkwasser keimlinge kalkwasser wasserstrahlpumpe luft samen thermosbehälter messsonde stopfen nach ca std °c keimend nicht keimend °c sperrhahn stopfen manometer erlenmeyerkolben filter wasserbad porzellantiegel kalilauge kressesamen pflanzen benötigen wie alle anderen lebewesen auch energie zur aufrechterhaltung ihrer lebensvorgänge sie betreiben ebenfalls zellatmung kresse atmet beim keimen material tag lang vorgekeimte kressesamen oder tage lang vorgekeimte weizenkörner waschflaschen kurze schläuche wasserstrahlpumpe kalkwasser kalilauge durchführung die versuchsanordnung wird aufgebaut wie in der abbildung gezeigt in die dritte waschflasche wird feuchte watte mit etwa leicht vorgekeim ten kressesamen locker eingebracht die waschflaschen werden miteinander verbunden und mit der wasserstrahlpumpe wird langsam luft durchgesaugt a1 beschreiben sie die veränderungen während des versuchs a erläutern sie die funktion der verschiedenen waschflaschen a3 formulieren sie die chemischen reaktionsgleichungen für die waschflaschen und a4 formulieren sie das versuchsergebnis keimlinge erzeugen wärme material je ein päckchen ungekeimte und tage lang vorgekeimte erbsensamen kleine thermosflaschen thermometer styroporstopfen wärmeschrank durchführung die thermosflaschen sowie die gekeimten und ungekeimten samen werden im wärmeschrank auf ca °c vortemperiert in die eine thermosflasche werden die trockenen in die andere die vorgekeimten samen gefüllt jede flasche wird mit einem thermometer versehen und mit einem styroporstopfen verschlossen die temperatur wird zunächst alle min später in größeren zeitintervallen bis zu tagen abgelesen und protokolliert a5 vergleichen und erklären sie die temperaturverläufe in den versuchsansätzen bestimmung des rq-wertes material tag lang vorgekeimte kressesamen oder tage lang vorgekeimte weizenkörner 20%ige kalilauge schlifffett weithalserlenmeyerkolben ml kleiner porzellantiegel doppelt durchbohrte stopfen manometer sperrhähne faltenfilter wärmeschrank stativ durchführung jeder kolben wird mit feuchtem filterpapier ausgelegt darauf gibt man keimlinge in einen der beiden kolben wird ein porzellantiegel mit ca ml kalilauge gestellt er wird mit einem faltenfilter versehen damit eine große absorptionsoberfläche entsteht die kolben werden im wärmeschrank offen auf ca °c vortemperiert die stopfen werden aufgesetzt wasser in die manometer pipettiert die sperrhähne verschlossen und die kolben in den wärmeschrank zurückgestellt nach ca minuten werden die beiden gefäße aus dem wärmeschrank genommen dann wird der wasserstand an den manometern abgelesen dabei muss man darauf achten dass die temperatur im gefäß der temperatur beim manometerbefüllen entspricht a berechnen sie aus den gemessenen wasserständen und der querschnittsfläche der manometerröhrchen die volumenänderung in jedem der beiden kolben a vergleichen sie die volumenveränderungen und begründen sie diese a8 einer der beiden versuchsansätze liefert das volumen des verbrauchten sauerstoffs der andere das des produzierten kohlenstoffdioxids ordnen sie begründet zu a berechnen sie aus den volumenveränderungen die volumina des verbrauchten sauerstoffs und des produzierten kohlenstoffdioxids a10 berechnen sie den rq-wert seite der samen beim keimen a11 deuten sie die ergebnisse hinsichtlich der in den samen veratmeten reservestoffe a1 deuten sie die im folgenden versuch gemessenen ergebnisse kolben mit feuchtem papier koh/ tiegel/ faltenfilter ja nein ja nein kresse volumenänderung ml –1,2 –0,1 –0,01 0,00 praktikum auch pflanzen atmen

 energiestoffwechsel elektron licht c-glucose szintillator cristae-typ sacculi-typ tubuli-typ betrachtet man zellen verschiedener ge webe mit dem elektronenmikroskop findet man unterschiedlich viele mitochondrien randspalte zum beispiel enthalten die herzmuskelzellen einer ratte sehr viele mitochondrien während in den muskelzellen ihres zwerchfells wesentlich we niger zu finden sind abb da der energiebedarf dieser gewebe sehr unterschiedlich ist kann man vermuten dass zwischen der mitochondrienanzahl und dem energiehaushalt ein zusammenhang besteht die energie welche durch die vorgänge in den mitochondrien zur verfügung gestellt wird stammt aus den reaktionen des abbaus der energiereichen glucose diesen vorgang bezeichnet man als dissimilation bei der dissimilation wird die in der glucose chemisch gespeicherte energie bei der reaktion mit sauerstoff nutzbar die untersuchung der stoffwechselvorgänge in den mitochondrien oder anderen teilen der zelle setzt messmethoden voraus mit denen die wissenschaftler die glucose oder deren abbauweg im stoffwechsel verfolgen können die schwierigkeit besteht darin geringste mengen dieser substanzen in der zelle oder ihren organellen wiederzufinden die am häufigsten angewandte methode ist die markierung der zu untersuchenden substanzen mithilfe radioaktiver atome auf diese weise fand man zwei wesentliche ergebnisse glucose wird nicht in einem schritt abgebaut sondern in mehreren teilschritten die in verschiedenen kompartimenten ablaufen man teilt den abbau in glykolyse citronensäurezyk lus und endoxidation ein nicht alle teilreaktionen laufen in den mitochondrien ab a1 informieren sie sich über die funktion der in der randspalte angegebenen organe und erklären sie in diesem zusammenhang die unterschiedlichen mitochondrienvolumina anteil des mitochondrienvolumens in am zellvolumen bei verschiedenen zellen einer maus leber 16,0 hypophyse herzmuskel kammer 47,7 herzmuskel vorhof 34,9 blutzellen weiße mitochondrien energiekraftwerke gewebe vom herzmuskel einer ratte gewebe vom zwerchfell einer ratte beim element kohlenstoff kommen atome mit einer unterschiedlichen neutronenzahl im atomkern vor kohlenstoffisotope und haben gleiche chemische eigenschaften das isotop mit der atommasse hat aber einen instabilen atomkern der beim zerfall radioaktive strahlung aussendet radioisotope dieser art strahlen elektronen ab gibt man zu isolierten zellen oder zellorganellen diese c-markierte glucose so können auch geringste mengen der abbaustufen die ja ebenfalls die c-atome enthalten nachgewiesen und quantitativ bestimmt werden der nachweis dieser stoffe erfolgt in den meisten fällen mithilfe der flüssig-szintillationsmessung die mit dem radioaktiven kohlenstoff oder wasserstoff markierten substanzen werden hierzu mit einem flüssigen leuchtstoff szintillator vermischt der aufleuchtet wenn er von einem elektron aus einem radioaktiven zerfall eines c-atoms getroffen wird das leuchten wird von einer fotozelle in einer völlig verdunkelten messkammer registriert aus der anzahl der impulse kann man auf die konzentration der stoffe schließen info-box forscher verfolgen die glucose radioaktive tracer mitochondrientypen

 dichte g/ml ca 1,05 glucoselösung zusatz silikonöl salzlösung zentrifuge radioaktivität isolierte mitochondrien radioaktivität intakte zellen radioaktivität cytoplasma mitochondrien glucoselösung probelösung messgerät magnetrührer mitochondrien sind der ort der zellatmung sind aber diese organellen allein an der zellatmung beteiligt oder spielen andere zellbestandteile auch eine rolle experiment zerkleinert man leberzellen so schonend dass die organellen intakt bleiben erhält man eine homogene suspension aus dieser können die verschiedenen zellbestandteile isoliert werden sie dienen als grundlage für verschiedene probelösungen die probelösungen werden in ein offenes becherglas gegeben dazu wird glucoselösung gegeben der sauerstoffgehalt der lösung wird gemessen a1 deuten sie die ergebnisse und formulieren sie möglichst verschiedene hypothesen zum ablauf der zellatmung experiment eine wässrige probelösung enthält mit markierte glucose sowie isolierte gereinigte mitochondrien nach min inkubationszeit wird diese lösung in ein zentrifugenröhrchen pipettiert das eine kon zentrierte salzlösung und darüber in einer gesonderten phase silikonöl enthält silikonöl mischt sich nicht mit wässrigen lösungen und löst auch keine glu cose dieses röhrchen mit den drei phasen wird nun so lange zentrifugiert bis sich die mitochondrien in der unteren salzlösung befinden anschließend wird die radioaktivität der drei phasen gemessen statt der mitochondrien werden nun ganze intakte zellen verwendet der versuchsaufbau entspricht dem von experiment 2a die probelösung enthält hier jedoch cytoplasma mitochondrien sowie mit markierte glucose zwei minuten nach dem ansetzen dieser suspension inkubationszeit wird sie auf das silikonöl pipettiert und anschließend so zentrifugiert dass sich nur die mitochondrien in der unteren salzlösung ansammeln a deuten sie die ergebnisse a3 erläutern sie anhand der ergebnisse wo der glucoseabbau durch die zellatmung erfolgt a4 ermitteln sie wo die ersten sowie die späteren abbauschritte erfolgen material befunde zum ort der zellatmung sauerstoffgehalt zeit min versuch die probelösung enthält isolierte und gereinigte mitochondrien glucosezugabe zeit min sauerstoffgehalt versuch die probelösung enthält mitochondrien und cytoplasma glucosezugabe

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

energiestoffwechsel ch oh oh ho oh oh die stoffe liegen überwiegend nicht als freie säuren sondern als dissoziierte salze vor statt von citronensäure müsste man also korrekter von citrat sprechen da die untersuchung der reaktionsschritte leichter mit den formeln der freien säuren möglich ist werden diese hier verwendet cooh glucose adp bts brenztraubensäure adp glucose-6-phosphat atp atp fructose1,6-bisphosphat -c phosphoenolbrenztraubensäure phosphoenolpyruvat pep cytoplasma -c pga phosphoglycerinaldehyd atp adp nadh nad -c pgs phosphoglycerinsäure glucose brenztraubensäure blutkapillare kohlenstoffdioxid wasser sauerstoff glucose glykolyse essigsäure co wasserstoff brenztraubensäure atmungskette mitochondrium zelle 2h decarboxylierung essigsäure citronensäurezyklus co co glucose ist ein energiereicher stoff die zellen machen die darin chemisch gebundene energie für den organismus verfügbar indem sie die glucose in mehreren schritten zu den energiearmen stoffen wasser und kohlenstoffdioxid verarbeiten bei diesen exergonischen reaktionen wird energie in form von atp gespeichert die ersten reaktionen laufen im cytoplasma ab die folgenden in den mitochondrien abb glucose wird aktiviert und gespalten glucosemoleküle sind energiereich aber reaktionsträge durch die übertragung einer phosphatgruppe von einem atp-molekül wird das glucosemolekül aktiviert also energie zugeführt das entstandene glucose-6-phosphat ist bereits reaktiver wird aber erst in zwei kleinere moleküle gespalten wenn auch am anderen ende eine phosphatgruppe angehängt wird es entsteht fructose-1,6-bisphosphat und daraus zwei -körper die phosphatreste werden wieder entfernt und daraus atp zurückgewonnen in diesem prozess der glykolyse genannt wird entstehen zwei zusätzliche atp und reduzierte elektronenüberträger nadh energieausbeute bei der vollständigen reaktion der glucose zu kohlenstoffdioxid und wasser werden 2836 kj mol freigesetzt der bisherige glucoseabbau bis zur brenztraubensäure bts setzt jedoch nur kj/mol glucose frei allerdings ist an der reaktion bisher auch kein sauerstoff beteiligt die glykolyse verläuft auch anaerob also ohne sauerstoff die weiteren abbauschritte laufen nicht mehr im cytoplasma ab sondern in den mitochondrien in denen die brenztraubensäure weiterreagiert a1 stellen sie eine bilanz der glykolyse in form eines reaktionsschemas auf geben sie dabei verbrauchte und neu entstandene stoffe an a erklären sie welche teilreaktionen der glykolyse exergonisch und welche endergonisch sind stellen sie dabei heraus welcher teilschritt für die atp-bildung verantwortlich ist glucose wird zerlegt glykolyse schema von glykolyse und citronensäurezyklus schema der zellatmung 7rj499

o-s-coa aktivierte essigsäure brenztraubensäure h-s-coa citronensäure nad oxalessigsäure nad co co nadh nad nadh nad nadh -ketoglutarsäure äpfelsäure co h-s-coa fumarsäure bernsteinsäure -s-coa bernsteinsäure-coa adp fadh nadh fad atp mitochondrienmatrix der citronensäurezyklus erste kohlenstoffdioxid-abspaltung die bts-moleküle werden in die matrix der mitochondrien transportiert an der inneren mitochondrienmembran werden sie an einen riesigen multienzymkomplex aus mehreren enzymen angelagert bei der folgenden reaktion wird kohlenstoffdioxid abgespalten sie wird daher auch als decarboxylierung bezeichnet diese exergonische reaktion ist mit der endergonischen reaktion gekoppelt bei der die entstandenen -körper mit coenzym reagieren die dabei entstandene aktivierte essigsäure ist sehr energiereich und reaktionsfreudig abbau im zyklischen prozess der folgende reaktionsweg ist ein zyklischer prozess dies bedeutet dass der stoff der mit der aktivierten essigsäure reagiert wieder am ende des prozesses entsteht die aktivierte essigsäure lagert sich an oxalessigsäure an es entsteht ein -körper die citronensäure abb diese säure hat dem zyklus ihren namen gegeben citronensäurezyklus die beiden in den zyklus eingeschleusten brenztraubensäuremoleküle werden in zwei stufen zu kohlenstoffdioxid abgebaut am ende der chemischen reaktionen entsteht wieder die oxalessigsäure bilanz des glucoseabbaus die sechs kohlenstoffatome und die sauerstoffatome des glucosemoleküls sind nun vollständig zu kohlenstoffdioxid abgebaut worden die elektronenüberträger fad und nad liegen reduziert vor und haben den wasserstoff gebunden als gewinn aus beiden molekülen brenztraubensäure sind atp nadh und fadh entstanden da pro mol atp ca 30,5 kj verwertbare energie gebunden sind kommen aus allen hier vorliegenden reaktionen der beiden brenztraubensäuremoleküle ca kj zu den kj aus der glykolyse hinzu der restliche energiegehalt der glucose von 2836 kj/mol muss daher in dem an den elektronenüberträgern gebundenen wasserstoff liegen die weiteren reaktionen erfolgen in der atmungskette die in der inneren mitochondrienmembran liegt seite drehscheibe citronensäurezyklus die bedeutung des zyklischen prozesses liegt in der vielfalt der beteiligten moleküle diese können zur synthese verschiedener baustoffe wie aminosäuren oder fettsäuren verwendet werden gleichzeitig können auch aus dem abbau der fette und proteine die entstandenen bausteine im citronensäurezyklus abgebaut werden deshalb wird er auch als drehscheibe des stoffwechsels bezeichnet a1 formulieren sie die bilanzgleichung für den glucoseabbau durch glykolyse decarb oxylierung und citronensäurezyklus

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

energiestoffwechsel atp-produktion aus mol glucose milchsäuregärung alkoholische gärung co oh atmung co aktivierte essigsäure mitochondrium cytoplasma citronensäurezyklus brenztraubensäure glucose milchsäure mol atp mol atp mol atp mol atp mit ohne atp nadh nad adp sieht sich ein säugetier einer plötzlichen gefahr gegenüber so flieht es unter einsatz aller verfügbarer körperreserven die intensive muskelarbeit führt jedoch schnell zu einem sauerstoffmangel eine weitere flucht wäre unmöglich wenn der organismus nicht andere möglichkeiten der atp-produktion hätte alle wirbeltiere sind in der lage atp zu bilden ohne dass sauerstoff zur verfügung steht diese form der dissimilation nennt man gärung wenig nad wenig atp der sauerstoffmangel führt in der endoxidation primär zu einem elektronenstau in der mitochondrienmembran die elektronenüberträger liegen in reduzierter form vor und werden nicht mehr oxidiert da sauerstoff als elekt ronenakzeptor fehlt dies gilt besonders für nadh ohne nad kann aber weder die glykolyse noch der citronensäurezy lus ablaufen milchsäuregärung eine große zahl von organismen besitzt im cytoplasma ein enzym das die übertragung von zwei wasserstoffatomen des nadh auf brenztraubensäure ermöglicht dabei entsteht milchsäure und nad ist so weit regeneriert dass die glykolyse ablaufen kann der atp-gewinn ist allerdings sehr gering er beträgt nur ca des atp-gewinns der atmung die milchsäuregärung findet sich als möglichkeit der energiebereitstellung bei allen wirbeltieren und vor allem bei milchsäurebakterien mit deren hilfe werden joghurt und käse aus milch sauerkraut und sauerteigbrot produziert alkoholische gärung die bekannteste form der gärung ist die alkoholische gärung bei hefen der gattung sac charomyces durch zugabe dieser hefen zu zuckerhaltigem traubensaft kann wein hergestellt werden mit vorgekeimter gerste und mit hopfen entsteht aus dem zuckerhaltigen malz bier das enzym decarb oxylase spaltet von brenztraubensäure kohlenstoffdioxid ab das dabei entstehende ethanal lagert den wasserstoff des nadh an und wird reduziert es entsteht ethanol und das zur aufrechterhaltung der atp-produktion notwendige nad wird regeneriert ethanol ist auch für die hefepilze ein giftiger stoff bei ca ethanolgehalt im medium sterben sie an ihrem eigenen stoffwechselprodukt hefen können bei anwesenheit von sauerstoff auch atmen sie sind akultative anaerobier obligate anaerobier wie der tetanusbazillus oder schwefelbakterien können nur unter sauerstofffreien bedingungen leben a1 entwickeln sie wie in abb mithilfe der textinformation ein reaktionsschema zur alkoholischen gärung unter berücksichtigung aller zwischenprodukte gärung es geht auch ohne sauerstoff schematische darstellung der gärung j5q6i2

die gärungsprozesse werden nicht nur zur alkoholgewinnung und milchverarbeitung genutzt sondern auch beim backvorgang zur auflockerung des teigs untersuchung von sauerteig material roggenmehl oder käufliche backmischung roggenbrot dest wasser phteststreifen glaswolle geräte backschüssel becherglas liter kleiner teller zum abdecken kleiner löffel kleine reagenzgläser großes reagenzglas becherglas ml hoch drahtnetz dreifuß brenner durchführung roggenmehl möglichst frisch und nicht zu fein gemahlen werden in der backschüssel mit so viel leitungswasser ca ml bei ca °c gründlich vermischt dass der teig gerade noch fließfähig ist zwei kleine proben von ca werden abgenommen probe wird mit ca ml wasser aufgeschwemmt man lässt den teig sich absetzen und misst den ph-wert probe wird im großen mit glaswolle verschlossenen reagenzglas ca min im kochenden wasserbad erhitzt der restliche teig wird in ein hohes becherglas gefüllt mit einem teller abgedeckt und etwa eine woche lang an einem dunklen warmen ort nicht unter °c zusammen mit probe stehen gelassen a1 nach ablauf der zeit wird in beiden proben wie bei probe der ph-wert ermittelt deuten sie das ergebnis backen eines sauerteigbrotes material versuchsansatz aus versuch roggenmehl speisesalz geräte backschüssel rührlöffel kastenbackform sauberes handtuch backofen oder trockenschrank durchführung dem teig aus versuch werden das roggenmehl salz und wasser zugegeben unter rühren wird so viel wasser dazugegeben dass der teig klebrig aber nicht fließfähig ist er wird in der mit einem tuch abgedeckten backschüssel ca einen tag an einem warmen ort aufbewahrt danach wird der teig in die backform gefüllt und nochmals mit einem tuch abgedeckt ca eine stunde gehen gelassen dann wird der teig bei ca °c ca eine stunde lang gebacken alkoholische gärung material backhefe glucose calciumhydroxidlösung spülmittel geräte wasserbäder °c große reagenzgläser gaswaschflaschen sprudelsteine gummischläuche aquarienpumpen destillierapparatur oder doppelt durchbohrter gummistopfen mit breitem steigrohr ca cm hoch thermometer durchführung für einen hefeansatz werden glucose in ml wasser gelöst dazu kommen bäckerhefe oder ein beutel trockenhefe der ansatz wird im wasserbad vorgewärmt gut geschüttelt und gleichmäßig auf reagenzgläser verteilt die beiden versuchsansätze werden gemäß der abbildung aufgebaut nur einer wird mittels aquarienpumpe belüftet a beobachten sie die lösungen in den waschflaschen und deuten sie ihre beobachtungen a3 lassen sie die ansätze ohne weitere heizung einen weiteren tag stehen destillieren sie dann getrennt den inhalt der beiden reagenzgläser vergleichen sie dabei die siedetemperaturen begründen sie den unterschied a4 versuchen sie die ersten tropfen des destillats zu entzünden begründen sie unterschiede zwischen den beiden ansätzen alternative einfachere durchführung geben sie in jedes reagenzglas je einen tropfen spülmittel um zu starkes schäumen zu verhindern verschließen sie jedes reagenzglas nach befüllen wie oben mit einem doppelt durchbohrten stopfen setzen sie in die eine öffnung des stopfens ein thermometer in die andere ein ca cm langes steigrohr ca cm a5 erhitzen sie und vergleichen sie die siedetemperaturen a wenn dampf aus dem steigrohr strömt versuchen sie mehrmals ihn zu entzünden welchen stoff weisen sie damit nach a vergleichen sie beide ansätze in bezug auf siedetemperatur und brennbarkeit begründen sie praktikum versuche zur gärung

10 energiestoffwechsel der citronensäurezyklus hat neben der energieumwandlung im körper noch eine zweite bedeutung als drehscheibe des stoffwechsels es können nicht nur fette eiweiße oder kohlenhydrate aus der nahrung abgebaut sondern bausteine aus diesem zyklus für den aufbau körpereigener substanzen genutzt werden die bausteine sind vorstufen zur synthese wichtiger stoffe wie glucose oder aminosäuren stoffaufbau im citronensäurezyklus aus -ketoglutarsäure oder der oxalessigsäure können aminosäuren gebildet werden die citronensäure dient als ausgangsstoff für den fettsäureaufbau bernsteinsäure ist der ausgangspunkt für die bausteine des hämoglobins myoglobins und cytochroms abb die bedeu tung des citronensäurezyklus beim aufund abbau liegt in der regulationsmöglichkeit bei verschiedenen nahrungsgrundlagen oder unterschiedlicher körperlicher leistung der energiehaushalt muss stimmen wird im körper bei hoher körperlicher leistung sehr viel energie benötigt wird zuerst der glucosestoffwechsel aktiviert reicht die über die verdauung in den körper aufgenommene glucose jedoch nicht aus abb werden die körpereigenen fette abgebaut je nach größe der fettvorräte werden anschließend die körpereigenen eiweiße muskeln oder antikörper für die energieversorgung genutzt bei fehlender glucose können zwar die zellen in den meisten körperteilen weiterarbeiten nicht jedoch das gehirn denn die bausteine die durch den fettund eiweißabbau entstehen können nicht über die blutschranke zum gehirn gelangen und daher dort nicht genutzt werden nur glucose kann die blutschranke passieren der aufbau von körpereigener glucose aus fetten oder proteinen in mangelsituationen über den citronensäurezyklus ist daher lebensnotwendig solche mangelsituationen kommen durch lang andauernde hungersituationen in dürreoder kältezeiten oder auch durch einseitige diäten zustande citronensäurezyklus drehscheibe des stoffwechsels schematische darstellung der nährstoffwege s161045451_g106_01 ingrid schobel citronensäurezyklus fettsäuren aminosäuren glucose eiweiße fette kohlenhydrate aktivierte essigsäure aminosäuren porphyrine hämoglobin verdauung und aufnahme der nährstoffe ins blut darmlumen stärke rohrzucker fette eiweiße aminosäuren aminosäuren fettsäuren fettsäuren fructose fructose glucose glucose glucose darmzelle blutkapillare

10 fette dienen im körper der tiere und des menschen als energiereserven in längeren belastungssituationen werden diese energiereserven zum überleben genutzt kompakte energiereserven rubinkehl-kolibris sind sehr kleine vögel die sich hauptsächlich vom nektar verschiedener blüten ernähren ihr sommerquartier sind wälder oder obstplantagen im osten der usa sie überwintern in mittelamerika dazu legen sie ca km über den golf von mexiko zurück abb während dieser zeit haben sie keine möglichkeit nahrung aufzunehmen vor dem abflug wiegen sie ca nach der überquerung noch ca die notwendige energie wird nicht über glucose sondern über fett bereitgestellt beim abbau eines fettmoleküls werden atpmoleküle aufgebaut ein fettmolekül hat die molmasse von beim abbau von glucose werden atp-moleküle gebildet glucose hat die molmasse von a1 berechnen sie die atp-produktion für fett a berechnen sie die atp-produktion für glucose a3 erläutern sie anhand des materials den biologischen vorteil der fettspeicherung für die kolibris lachswanderung lachse leben mehrere jahre im meer in dieser zeit legen sie einen energiespeicher besonders in form von fetten an diesen benötigen sie für die wanderung zu ihren laichplätzen in den flüssen hierbei wandern einige lachse ca 1000 km gegen eine starke strömung zu den quellgebieten der flüsse obwohl der energiebedarf der lachse sehr hoch ist nehmen sie auf dieser wanderung keine nahrung zu sich unterschiedliche energiereserven in ihrem körper werden bei der wanderung genutzt als proteine dienen die des verdauungssystems und der muskeln zum laichen benötigt der lachs für die bildung der geschlechtszellen gameten sehr viel glucose die in form des glykogens tierische stärke gespeichert ist a4 beschreiben sie abb und erläutern sie die verschiedenen messwerte a5 erläutern sie mithilfe des citronensäurezyklus weshalb immer eine kleine menge glykogen erhalten bleibt a erklären sie wie es zu dem hohen glykogenanteil vor dem laichen kommt obwohl keine nahrung mehr aufgenommen wird a nehmen sie stellung zu der aussage der lachs hat sich auf seiner wanderung selbst material drehscheibe citronensäurezyklus rubinkehl-kolibri lachswanderung und energieausgaben s161045451_g107_03 ingrid schobel fraser river british columbia pazifischer ozean usa wanderrichtung energieausgaben glykogen protein fett flugroute der kolibris mexiko usa

energiestoffwechsel glucose atp-synthese atp adp nadh energie glykolyse und citronensäurezyklus nad endoxidation co matrix intermembranraum co protein aminosäuren fett fettsäuren glycerin co glucose brenztraubensäure aktivierte essigsäure citronensäurezyklus atp atp atp atp atp atp endoxidation fadh nadh nadh nadh atp glykolyse bisheriges vorläufiges reaktionsschema co neues erweitertes reaktionsschema co im verlauf der dissimilation werden pro glucosemolekül moleküle atp gebildet moleküle entstehen durch die oxidation von wasserstoff des elektronenüberträgers nadh in der atmungskette während die glykolyse wasserstoffatome pro glucosemolekül liefert werden in der oxidativen decarboxylierung und vor allem im citronensäurezyklus insgesamt wasserstoff atome an elektronenüberträger gebunden davon stammen aus dem wasser der rest aus der glucose insgesamt werden also in der zellatmung wasserstoffatome an elektronenüberträger gebunden deren oxidation liefert moleküle wasser insgesamt ergibt sich also das erweiterte reaktionsschema co die vorgänge bei der atmungskette an der mitochondrienmembran bauen einen protonengradienten auf wenn diese protonen -ionen durch den kanal der atp-synthase fließen wird energie frei die zur atp-synthese genutzt wird pro nadh reicht die energie zum aufbau von atp-molekülen pro fadh für atp-moleküle insgesamt entstehen in der atmungskette also mole küle atp pro glucosemolekül pro mol atp sind ca 30,5 kj verwertbare energie gebunden die aus einem mol glucose gewonnenen mol atp speichern also eine gesamtenergie von 1159 kj die oxidation der glucose im kalorimeter liefert pro mol 2872 kj der wirkungsgrad der dissimilation beträgt damit ca der rest der energie wird in form von wärme abgegeben zentrale drehscheibe des stoffwechsels nicht nur kohlenhydrate sondern auch fette und proteine werden zur energieumwandlung genutzt fette werden in fettsäuren und glycerin gespalten die fettsäuren werden in bruchstücke mit c-atomen acetyl-coa gespalten und in den citronensäurezyklus eingeschleust proteine werden im darm in die einzelnen aminosäuren gespalten sie dienen in erster linie als baustoffe für körpereigene proteine können aber auch abgebaut werden der citronensäurezyklus ist an allen nährstoffabbauprozessen beteiligt und stellt stoffe für synthesewege bereit bilanz der dissimilation energiefluss in der dissimilation schema zur dissimilation

10 atp adp protonen energiereiche elektronen energiearme elektronen innere membran modelle im vergleich in den abbildungen und sind schematisch die komplexen zusammenhänge der energieumwandlung aus glucose dargestellt schemata sind eine form von modellvorstellungen modelle haben in der wissenschaft eine große bedeutung um komplexe zusammenhänge bearbeiten veranschaulichen erklären oder beurteilen zu können a1 beschreiben sie die beiden schemata in abb und abb a erläutern sie welche der beiden modellvorstellungen die zusammenhänge der energieumwandlung besser verdeutlichen kann stellen sie hierbei die jeweiligen grenzen der beiden modelle dar atp-synthese in den mitochondrien wird der größte teil des atps synthetisiert hierbei spielt vor allem der aufbau der mitochondrien eine entscheidende rolle in abb ist ein modell der atp-synthese dargestellt a3 erläutern sie anhand der abb den dargestellten vorgang unter den folgenden aspekten in der ordnung steckt energie\" und energieträger a4 beschreiben sie woher die energiereichen elektronen im mitochondrium stammen sauerstoffmangel die sauerstoffversorgung spielt bei allen tierischen organismen eine große rolle eine sauerstoffunterversorgung führt wegen der verringerung des energiestoffwechsels zu einer verminderten leistung von organen und geweben die zum tode führen kann die gärung ermöglicht es über einen begrenzten zeitraum den energiehaushalt aufrechtzuerhalten erythrocyten die roten blutzellen binden den sauerstoff mithilfe des hämoglobins der erythrocytenmasse macht das hämoglobin aus erythrocyten verlieren bei ihrer entstehung alle organellen wie den zellkern oder die mitochondrien ihre lebensdauer beträgt ca tage den größten teil ihres energiehaushalts benötigen sie um ständig den ionenhaushalt zwischen blut und innenraum auszugleichen in ihrem innenraum findet man verstärkt milchsäure diese wird ins blut abgegeben und in der leber wieder zu glucose umgebaut a5 erklären sie mithilfe der stoffwechselvorgänge wie die erythrocyten ihren atp-haushalt aufrechterhalten a erstellen sie eine skizze in der sie die zusammenhänge der vorgänge in der leber und in den erythrocyten darstellen material glucoseabbau energieumwandlung modell energieumwandlung modell aktivierte essigsäure glucose mitochondrion bts-abbau bts-abbau glykolyse atp atp atp atp-synthese bts atmungskette atp-synthase citronensäurezyklus modell der atp-synthese rote blutzellen atp innere membran äußere membran aus der nahrung atmungskette atp-synthase fettsäuren bts fettsäuren citronensäurezyklus aktivierte essigsäure bts adp nad nadh adp+ co co

energiestoffwechsel spezifisches membranprotein thermogenin atpasekomplex intermembranraum matrix adp atp normaler weg in braunen fettzellen wärme zeit min sauerstoffverbrauch in der eingeatmeten luft körpertemperatur 37,6 °c körpertemperatur 14,8 °c wecksignal außentemperatur °c tiefe lethargie erwachen einschlafen einschlafen mitochondrium fettvakuole zellkern marklose nervenfaser weiße fettzelle braune fettzelle kollagenfasern mitochondrium fettvakuole zellkern kollagenfasern 16:49 17:31 fledermäuse sind flugfähige säugetiere die sich durch ultraschallortung orientieren sie ernähren sich unabhängig vom licht von fluginsekten mit sinkender außentemperatur im herbst nimmt das nahrungsangebot ab gleichzeitig steigt der energieaufwand durch erhöhte wärme abgabe winterschlaf fledermäuse fallen bei gesunkener umgebungstemperatur in den winterschlaf die herzfrequenz nimmt ab die stoffwechselrate wird reduziert und die körpertemperatur sinkt auf den wert der umgebungstemperatur bei °c beginnen die fledermäuse wärme zu produzieren a1 beschreiben sie anhand der thermografien die erwärmung der fledermäuse beim aufwachen erklären sie welche rolle dieser vorgang bei der temperaturregulation spielen kann a ordnen sie den dargestellten sauerstoffverbrauch abb unten links den thermografien zu und begründen sie ihre entscheidungen material winterschläfer nutzen mitochondrien braunes fettgewebe fledermäuse und andere winterschläfer haben ein sogenanntes braunes fettgewebe es befindet sich im inneren des körpers und nicht wie normales weißes fettgewebe unter der haut oder auf inneren organen es ist wesentlich stärker durchblutet und wird im gegensatz zum weißen fettgewebe nicht über hormone sondern über das nervensystem angeregt a3 beschreiben sie anhand der nebenstehenden abbildungen den unterschied zwischen den zellen des weißen und des braunen fettgewebes welche vermutungen lassen sich unter dem aspekt des energiestoffwechsels aufstellen begründen sie diese a4 vergleichen sie anhand der abbildung unten rechts die vorgänge an der inneren mitochondrienmembran in den mitochondrien des braunen fettgewebes mit denen im weißen fettgewebe a5 fledermäuse haben eine ungünstige relative oberfläche seite muskelzittern erzeugt wärme die von den an der oberfläche liegenden muskeln schnell abgegeben wird erläutern sie den biologischen vorteil des braunen fettgewebes

anteil des gespeicherten gesamt-sauerstoffs lunge blut hämoglobin muskeln myoglobin übrige gewebe mensch wale atemgase vol.% milchsäure mg/100 ml zeit min –10 –5 milchsäure co arterielles blut gaswechsel ml/min 1000 1250 zeit min ventilation l/min –10 –5 tauchphase keine atmung co ventilation atmung pulsfrequenz herzschläge/min zeit min –10 –5 pulsfrequenz material der stoffwechsel tauchender säugetiere wale und robben sind im meer lebende säugetiere die weit unter der meeresoberfläche ihre beute jagen sie sind an lange tauchzeiten und große meerestiefen auf mehrfache weise angepasst wale sind sehr gute taucher pottwale tauchen auf ihren beutezügen bis zu 1100 tief die dauer eines tauchgangs kann bis zu einer stunde betragen beim abtauchen der wale wird die luft aus der lunge in die kaum durchbluteten durch knorpelringe versteiften bronchien und die luftröhre gepresst a1 vergleichen sie die sauerstoffspeicher des menschen und des wales beim tauchen erklären sie in diesem zusammenhang die bedeutung und die funktion des myoglobins bei langen tauchgängen gehen sie von der 10-fachen myoglobinmenge bei den walen aus a menschen können nach längeren tauchgängen nur langsam mit mehreren pausen auftauchen um die taucherkrankheit zu umgehen bei dem hohen druck in der tiefe löst sich eine große menge der luft in der blutflüssigkeit bei zu schnellem druckabfall können luftbläschen ausperlen und durch verstopfung und zerreißen der kapillaren zu bewusstlosigkeit oder zum tode führen leiten sie aus der abbildung oben und den informationen gründe ab warum die taucherkrankheit bei walen nicht auftritt stoffwechsel der weddell-robbe die weddell-robbe im antarktischen eismeer jagt ihre beute in bis zu tiefe in ihren muskeln haben die robben einen myoglobingehalt von bis pro kg körpermasse ein mensch hat ca myoglobin während des tauchens werden die arterien zum darm und zum genitalsystem stark verengt die zum herz und zum gehirn bleiben weit geöffnet nach dem auftauchen wird das sauerstoffdefizit wieder ausgeglichen und die milchsäure in der leber wieder zu glucose umgewandelt a3 beschreiben sie die veränderungen der konzentrationen von sauerstoff kohlenstoffdioxid und milchsäure im blut der weddell-robbe während eines tauchganges abb unten erklären sie diese im zusammenhang mit den stoffwechselvorgängen in den zellen a4 erklären sie die starken unterschiede der atmung vor und nach dem tauchen berücksichtigen sie hierbei die veränderung der pulsfrequenz während des tauchvorganges a5 erläutern sie dass die muskeln trotz dieser senkung der pulsfrequenz nicht unter versorgungsproblemen leiden a zum beginn des tauchganges atmet die robbe vollständig aus erläutern sie die vorteile die dieses verhalten bietet

11 energiestoffwechsel aktin myosin z-scheibe muskel muskelfaserbündel muskelfaser myofibrille sarkomer aktin myosinköpfchen myosin atp ist die universelle energiewährung der zelle und wird für die verschiedensten lebensprozesse benötigt auch für bewegungen unserer muskeln dabei wird chemische energie in mechanische arbeit umgewandelt bau des muskels muskeln sind deutlich sichtbar in einzelne muskelbündel gegliedert sie wiederum sind aus vielen von bindegewebe umhüllten muskelfaserbündeln aufgebaut die auch nerven und blutgefäße enthalten jedes dieser bündel enthält auch eine größere zahl von ca m dicken parallel geordneten muskelfasern es sind ungewöhnlich große zellgebilde aus vielen miteinander verschmolzenen einzelzellen jede muskelfaser enthält mehrere zellkerne und viele mitochondrien die fasern der skelettmuskeln erscheinen im mikroskop quergestreift da im inneren jeder muskelfaser viele bis m dicke myofibrillen exakt parallel gelagert sind jede besteht aus einer vielzahl von hintereinander liegenden sarkomeren von gleichartigem aufbau jedes sarkomer wird von quer gelagerten z-scheiben begrenzt darin fest verankert ist eine große zahl paralleler aktinfilamente seite zwischen diesen sind regelmäßig die dickeren myosinfilamente ca 0,01 m durchmesser eingelagert gleitfilamenttheorie der kontraktion muskeln verkürzen und verdicken sich bei der kontraktion das gleiche gilt für jedes einzelne sarkomer aktinund myosinfilamente schieben sich ineinander und ziehen so die z-scheiben aufeinander zu die myosinköpfe eines myosinmoleküls binden je ein atp sie bilden in dieser form mit ihren hälsen einen winkel von 90° bei hoher intrazellulärer ca 2+ -konzentration verbinden sich die myosinköpfe mit dem aktin aktin aktiviert dabei die atpase des myosinkopfes sodass das an ihn gebundene atp gespalten wird atp adp es entsteht also ein komplex a-m-adp-p löst sich anorganisches phosphat aus diesem komplex kippen die myosinköpfe aus ihrer 90°-stellung in eine 50°-stellung was dazu führt dass die aktinund myosinfilamente aneinander vorbeigleiten die abgabe von adp bringt schließlich die myosinköpfe in ihre endstellung 45° was das gleiten beendet der übrig gebliebene a-m-komplex ist stabil und kann nur durch erneute bindung von atp an die myosinköpfe wieder gelöst werden dieser vorgang kann immer von neuem erfolgen solange der muskel durch nervenimpulse aktiviert ist a1 bei zu starker ungewohnter dauerbelas tung eines muskels verkrampft er er wird steif und hart erläutern sie mögliche ursachen die muskelkontraktion ablauf der muskelkontraktion vr834i

myosinkopf atpbindungsstelle flexible molekülteile des myosins myosin aktin atp atp adp atp adp aktin/myosin endoplasmatisches retikulum er cytoplasma motorische endplatte zellmembran ca ca ca ca ca ca ca ca ca material die rolle des atp bei der muskelkontraktion eine vielzahl von einzelbefunden ermöglichte es eine theorie zu den molekularen mechanismen bei der muskelkontraktion aufzustellen in muskelzellen findet man eine besondere form des endoplasmatischen retikulums er die als ca 2+ -speicher dient in der membran dieses er befinden sich spezielle ionenpumpen die ca 2+ in das er transportieren gelangen nervenimpulse an die motorische endplatte die nerven endigung an der membran erhöht sich schlagartig die permeabilität der membran des muskelzellen-ers für calciumionen darauf erhöht sich die ca 2+ -konzentration im cytoplasma der muskelzelle um ca das 1000fache das myosinmolekül weist flexible teile auf die änderungen seiner räumlichen struktur ermöglichen nur in einer dieser räumlichen strukturen hat der myosinkopf kontakt mit aktin vladimir engelhardt und seine mitarbeiter stellten schon 1939 fest dass der myosinkopf atp-bindungsstellen aufweist adp und phosphat dagegen werden vom myosinkopf nicht gebunden der myosinkopf kann bei anwesenheit von aktin atp schnell zu adp und phosphat spalten der myosinkopf wirkt also wie eine atpase eine änderung der räumlichen struktur von myosin erfolgt unter verschiedenen bedingungen hohe ca 2+ -konzentrationen verändern die struktur von myo sin und aktin so dass das myosin in kontakt mit aktin tritt die anlagerung von atp an die atpbindungsstelle des myosinkopfes führt zu einer 90°-einstellung des myosinkopfes zum myosinstiel diese räumliche struktur des myosins bleibt nur bestehen solange atp gebunden ist bei niedriger ca 2+ -konzentra tion binden zwei weitere proteine so an aktin dass sie den zugang für den myosinkopf blockieren bei höheren ca 2+ -konzentrationen verändern diese beiden proteine ihre lage geringfügig sodass myosin an aktin binden kann und die kontraktion erfolgt a1 ermitteln sie mithilfe der obigen versuchsergebnisse die richtige reihenfolge der schemata in der nebenstehenden abbildung a stirbt ein wirbeltier so tritt nach einigen stunden totenstarre ein alle muskeln werden starr und hart gehetztes wild zeigt nach dem tode eine extrem kurze zeit bis zum einsetzen der totenstarre erklären sie diese phänomene überlegen sie in welcher phase der nebenstehenden abbildung sich ein muskel in toten starre befindet erläutern sie a3 die zugabe von atp auf einen frisch isolierten muskel führt nicht wie man zuerst vermuten könnte zu einer kontraktion überlegen sie möglichkeiten eine kontraktion auszulösen

energiestoffwechsel anteil an der energiebereitstellung belastungsdauer kreatinphosphat-zerfall atpzerfall zellatmung milchsäuregärung stoffwechselvorgänge beim sport die individuelle sportliche leistungsfähigkeit eines menschen beruht hauptsächlich auf dem umsatz von energie in den muskeln und der koordination der bewegungsabläufe durch gezieltes training wird der bewegungsablauf automatisiert und dadurch präziser die leistung wird deutlich gesteigert ein ungeübter schwimmer setzt nur der aufgewandten stoffwechselenergie in bewegungsenergie um ein trainierter das vierfache der energieumsatz ist an physiologische prozesse wie die dissimilation im körper gekoppelt energieversorgung muskeln beziehen ihre energie ausschließlich aus dem atp allerdings sind die atp-vorräte in den muskeln so gering dass sie bei schwerer arbeit wie einem 800-meter-lauf nur sekunden reichen um den bedarf zu decken abb gelbe strecke atp muss erneut bereitgestellt werden messungen haben ergeben dass drei stoffwechselprozesse nacheinander für eine ausreichende atp-versorgung im muskel sorgen in den ersten bis sekunden wird das verbrauchte atp sofort mithilfe von kreatinphosphat regeneriert abb rote strecke kreatinphosphat ist eine energiereiche substanz die in den muskelzellen vorliegt sie reagiert mit dem adp zu atp und kreatin die biologische bedeutung des kreatinphosphats liegt als kurzzeitspeicher in der sofortigen verfügbarkeit glucose wird als eigentlicher energieträger in form des glykogens in den muskeln und in der leber gespeichert glykogen ist ähnlich wie die stärke aus vielen glucosemolekülen zusammengesetzt calciumionen die bei der muskelkontraktion im muskel frei werden aktivieren die enzyme zum glykogenabbau dadurch wird in den muskeln viel glucose für den anaeroben und den aeroben stoffwechsel zur verfügung gestellt sauerstoffversorgung aus der dissimilation lässt sich der hohe energiebedarf zunächst nicht decken weil die kapazität der mitochondrien und ihre sauerstoffversorgung so kurzfristig nicht ausreicht daher stammt die energie zum großen teil aus der milchsäuregärung bei der milchsäuregärung wird im vergleich zur dissimilation nur wenig atp gebildet trotzdem liefert der anaerobe abbau der glucose in den ersten minuten eines laufes den entscheidenden beitrag zur atp-versorgung der muskeln milchsäure häuft sich im muskel an innerhalb von bis sekunden erhöht sich der puls eines trainierten läufers auf bis zu schläge pro minute und die sauerstoffaufnahme steigt um das 8bis 10fache dadurch kann atp zum ende des laufs wieder über die dissimilation bereitgestellt werden energiereserven der muskeln sportlerinnen beim 800-meter-lauf

0,75 0,25 -aufnahme l/min zeit ruhe belastung erholung abgetragene -schuld eingegangene -schuld start ziel bei sprints oder zwischenspurts ist diese form der energiebereitstellung ausreichend bei längeren belastungen wie langlauf oder skifahren genügt sie jedoch nicht am ende eines laufes müssen sportler noch längere zeit intensiv atmen so wird die sauerstoffschuld abgetragen die zu beginn des laufes während der milchsäuregärung entstanden ist die milchsäure wird über die blutbahn zur leber transportiert hier wird die milchsäure zu glucose umgebaut kreatinphosphat wird regeneriert verschiedene muskeltypen bei der skelettmuskulatur werden zwei faserarten unterschieden langsame und schnelle muskelfasern die langsamen dunkelroten muskelfasern haben einen hohen myoglobingehalt und sind reich an mitochondrien diese fasern sind vorteilhaft bei dauerleistungen und relativ langsamen bewegungen sie werden durch ein dichtes blutkapillarnetz besser mit sauerstoff versorgt die energie wird aerob bereitgestellt die schnellen hellroten fasern haben einen geringen myoglobingehalt und sind reich an enzymen der glykolyse sodass anaerob schnell energie bereitgestellt werden kann diese anaerobe energiebereitstellung ist bei den bewegungsmuskeln sinnvoll das mengenverhältnis der beiden faserarten zueinander kann durch training kaum verändert werden es ist genetisch festgelegt sauerstoffaufnahme während eines 800-meter-laufs laufbahn mit zuordnung der energiebereitstellung 800-m-lauf 400-m-bahn a1 untersuchungen zeigen dass ein sportlerherz bis zu ml das herz eines untrainierten bis ml blut pro herzschlag in die aorta pumpt die anzahl der kapillaren in den muskeln nimmt bei sportlern ebenfalls zu erklären sie die bedeutung des trainings für die stoffwechselvorgänge a überfordern sich läufer in der anaeroben phase wird sehr viel milchsäure gebildet die das blut stark ansäuert durch den bohr-effekt kommt es zu einer veränderten bindefähigkeit des sauerstoffs an das hämoglobin seite erklären sie anhand der bindungskurven zu welchen veränderungen es kommt und wie sich diese auf den läufer auswirken können

11 energiestoffwechsel als training bezeichnet man eine gezielte körperliche tätigkeit die ständig wiederholt wird in der anfangsphase ist der kraftzuwachs am größten ausdauer beweglichkeit oder koordination werden danach gezielt verbessert beim sport wird zwischen krafttraining und ausdauertraining unterschieden krafttraining kraftsport wird oft mit bodybuilding gleichgesetzt zum kraftsport gehören auch kugelstoßen diskuswurf oder intensive belastungsphasen des radsports es geht beim krafttraining nicht nur um den gezielten muskelaufbau sondern auch um die maximalkraft das training erfolgt meist durch übungen mit hanteln oder anderen gewichten mit verschiedenen belastungsintensitäten der muskel entwickelt einen größeren querschnitt und eine höhere muskelspannung ausdauertraining das ausdauertraining ist ein aerobes training durch die verbesserung der sauerstoffzufuhr im muskel wird mehr energie aerob und weniger über die milchsäuregärung bereitgestellt ausdauertraining erhöht auch das schlagvolumen des herzens daher haben gut trainierte personen in der ruhephase eine niedrigere herzfrequenz auch der blutfluss im muskel wird durch die höhere kapillardichte verbessert doping doping ist im sport definiert als die verwendung von substanzen und methoden die im sport anhand der dopingliste verboten sind diese liste ist im leistungssport bezogen auf den bereich der fairness und chancengleichheit doping hat jedoch auch gesundheitliche risiken weil es die leistungssteigerung unkritisch in den vordergrund stellt doping ist nicht nur im bereich des leistungssports sondern auch im fitnessbereich zu finden muskelaufbauende präparate beim kraftsport wie anabolika oder leistung mobilisierende mittel im ausdauersport wie adrenalinähnliche substanzen sind auch im freizeitsport verbreitet neben den wirkstoffen gibt es auch dopingmethoden wie das blutdoping dies kann durch höhentraining erfolgen hierbei wird in der niere verstärkt erythropoetin gebildet das im knochenmark die bildung roter blutzellen fördert seite dieses beim höhentraining gewonnene blut kann als eigenblut bei wettkämpfen dem körper wieder zugeführt werden manche junge menschen haben keine ambitionen zum sport wollen jedoch ihren körper verändern um in freundesgruppen besser integriert zu sein der wunsch nach der ständigen perfektionierung und leistungsoptimierung des körpers ist weit verbreitet designerdrogen kommen ins spiel wenn es um gesteigerte leistung oder lebensgefühle geht studien zeigen dass alltagsdoping und drogenproblematik drei gemeinsame hintergründe haben schwierigkeiten mit enttäuschungen und niederlagen umzugehen die unmöglichkeit dem hochgesteckten ideal gerecht zu werden unangenehme situationen zu vermeiden gesundheitliche probleme können dem doping folgen im freizeitbereich ist der erfolg von anabolika schnell eine schädigung der inneren organe gelenkerkrankungen und impotenz können die schleichenden folgen sein a1 fassen sie gründe für ein sinnvolles training zusammen und erörtern sie wie es dabei zum doping kommen kann training ja doping nein fußball ein ausdauersport

11 regelmäßiges training verändert den körper diese veränderung ist nicht nur im aussehen wie dem muskelaufbau oder dem körperfettanteil zu erkennen sondern auch durch veränderungen im gewebe und im zellulären bereich rote und weiße muskulatur jeder muskel setzt sich aus verschiedenen muskelfasern zusammen den roten langsamen und den weißen schnellen diese sind funktionell sehr unterschiedlich die zusammensetzung der muskulatur ist beim menschen individuell verschieden daher ergeben sich auch individuelle trainingspläne die rote farbe der muskulatur ist auf einen hohen myoglobingehalt und eine hohe dichte von mitochondrien zurückzuführen die energieumwandlung ist hauptsächlich aerob die fasern arbeiten langsam und ermüden nicht schnell in der weißen mäßig durchbluteten muskulatur kann die energieumwandlung auch anaerob erfolgen sie besitzt weniger mitochondrien aber viele enzyme der glykolyse das leistungsvermögen ist anaerob größer als aerob die weiße muskulatur leistet schnelle arbeit ist aber schnell ermüdet sie besitzt einen hohen glykogenspeicher training wissenschaftlich gesehen ein ausdauerndes training mit gezielten wiederholungen der übungen zum beispiel im bereich des schwimmsports führt zur gewünschten leistungssteigerung diese ist auf veränderungen im körper zurückzuführen sportler wurden über einen längeren zeitraum wissenschaftlich begleitet und sowohl medizinisch als auch biologisch in verschiedenen trainingsabschnitten untersucht a1 beschreiben sie die daten zur roten und weißen muskulatur in abb erklären sie anhand der abbildung und des textes den zusammenhang mit der jeweiligen sportart a filmanalysen von fußballspielen zeigten dass fußballspieler während eines spiels ca km auf dem spielfeld zurücklegen ca im bereich der maximalen geschwindigkeit der glykogenspeicher verändert sich in dieser zeit von g/ kg muskulatur auf kg erläutern sie diesen zusammenhang anhand des textes a3 beschreiben und erläutern sie abb die rote kurve bezieht sich auf einen versuchsansatz bei dem während einer intensiven trainingsphase der nahrung aus kohlenhydraten bestand bei der blauen kurve waren es kohlenhydrate a4 beschreiben sie die abb bis und erklären sie die daten in den jeweiligen abbildungen a5 erläutern sie welche bedeutung die veränderungen in der muskulatur durch das ausdauertraining für den energiehaushalt des körpers haben material training verändert den körper schwimmtraining rote und weiße muskulatur training und blutkapillaren kapillaren pro muskelfaser untrainierte person sportliche untrainierte person ausdauertrainierte person glykogengehalt der muskeln mitochondrien in der muskulatur training und mitochondrienvolumen cytochrom in der muskulatur 102030405060708090 sprinter kugelstoßer weitund hochspringer mittelstreckenläufer und 10km halbmarathon marathon weiße muskulatur rote muskulatur muskelglykogen mmol·kg zeit trainingszeit mitochondrienvolumen in des muskelfaservolumens untrainierte person sportliche untrainierte person ausdauertrainierte person aktivität in des kontrollwertes wochen schwimmtraining cyt gehalt in des kontrollwertes wochen schwimmtraining mitochondrienprotein gesamtprotein

energiestoffwechsel insekten sind poikilotherm nach kühlen nächten kann man in der morgensonne insekten beobachten die noch sehr träge sind mit zunehmender temperatur schlagen insekten vor dem abflug längere zeit kräftig mit ihren flügeln bevor sie losfliegen a5 beschreiben sie die grafik in abb und erläutern sie den zusammenhang mit dem im text genannten phänomen a erklären sie den unterschied zwischen poikilothermen und homoiothermen tieren anhand des genannten phänomens auch unter dem aspekt der enzymatik mitochondrien die bedeutung der atp-synthase wurde in mehreren experimenten untersucht hierzu wurden künstlich kleine kugeln aus der biomembran hergestellt und isolierte protonenpumpen eingebaut abb man konnte einen protonengradienten nachweisen jedoch keine atp-synthese wurden zusätzlich moleküle der atpsynthase in die membran eingebaut bildete sich atp a1 beschreiben sie aufbau und durchführung des versuchs a erläutern sie das ergebnis unter dem aspekt des protonengradienten fliegenfallen der aronstab ist eine pflanze die im inneren von laubwäldern wächst in diesen lichtarmen bereichen werden die bestäuber selten durch die blütenfarbe angelockt zuerst reifen die weiblichen blüten am blütenstand danach öffnet sich das hochblatt die im kolben vorhandene wärme und ein kotartiger geruch der blüte locken fliegen und käfer aus der umgebung an die temperatur des kolbens kann bis zu 15º über der außentemperatur liegen landen die insekten auf dem hochblatt rutschen sie an der glatten oberfläche in den trichter an einigen dieser insekten haftet noch der pollen anderer aronstabblüten so werden die weiblichen blüten bestäubt an den weiblichen blüten befindet sich nektar die sperrborsten verhindern jedoch dass die insekten die blüte verlassen können in der kommenden nacht öffnen sich die pollensäcke der männlichen blüten und gleichzeitig welken die sperrborsten die insekten können nun an den pollen der männlichen blüten vorbeikrabbeln und weitere aronstabblüten anfliegen untersuchungen am kolben ergaben dass viel stärke in ihm gespeichert ist deren konzentration sinkt wenn sich die temperatur im kolben erhöht im kolben ist die anzahl der mitochondrien sehr hoch diese mitochondrien zeigen ähnlich wie die der winterschläfer eine erhöhte stoffwechselaktivität an besondere proteine in der inneren membran der mitochondrien führen dazu dass kein atp gebildet sondern sehr viel wärme produziert wird a3 beschreiben sie die beiden diagramme in abb a4 erklären sie in zusammenhang mit dem text die ergebnisse aus den diagrammen und erörtern sie die biologische bedeutung der vorgänge für den aronstab übungen energiestoffwechsel adp atp adp atp versuch zur atp-synthase blüte des aronstabs körpertemperatur °c umgebungstemperatur °c hinterleib brust insekten im winter co -abgabe g/h kolben außenluft 8ºº tageszeit 12ºº 16ºº 20ºº temperatur °c 8ºº tageszeit 12ºº 16ºº 20ºº temperaturverlauf und co -produktion zitronenfalter im winter blütenstand hüllblatt kolben reusenhaare blüten blüten

11 hämoglobin das hämoglobin des fetus fetales hämoglobin im mutterleib hat eine etwas andere struktur als das der erwachsenen der mütterliche kreislauf übernimmt die versorgung des fetus über die plazenta a deuten sie den kurvenverlauf in abb und erläutern sie die biologische bedeutung dass fetales hämoglobin eine andere struktur hat als das der erwachsenen gärung viele organismen die in sauerstofffreier oder sauerstoffarmer umgebung leben können trotzdem atp gewinnen indem sie energiereiche stoffe vergären a8 beschreiben sie abb und deuten sie sie versuch zur enzymwirkung wässrige lösungen von proteinen sind recht zähflüssig wie man am eiklar des hühnereis erkennen kann die zähflüssigkeit einer probe kann man messen indem man die zeit stoppt in der eine probe in einem dünnen senkrechten rohr eine bestimmte strecke zurücklegt mit dieser versuchsanordnung kann die wirkung von enzymen untersucht werden a zeichnen sie den im text beschriebenen versuchsaufbau mit dem die untersuchungen durchgeführt wurden a10 erklären sie anhand der gemessenen daten aus abb welche aussagen zur wirkungsweise der enzyme gemacht werden können sättigung partialdruck kpa mütterliches hämoglobin-o fetales hämoglobin-o sauerstoffbindungskurven messergebnisse zur gärung energieversorgung bei langfristigen belastungen relative konzentration zeit nad zeitpunkt ab dem kein sauerstoff mehr zugegen ist nadh anteil der verfügbaren energie stunden intensiver arbeit stunden glykogenabbau in der leber muskelglykogen fettsäuren glucoseneubildung messergebnisse zur enzymwirkung versuch einwirkzeit des jeweiligen enzyms auf die probe ausfließzeit der blindprobe ohne enzym ausfließzeit mit pepsin ausfließzeit mit amylase energiereserven im ausdauersport bei langzeitbelastungen werden energiereserven in verschiedenen energiedepots des körpers genutzt energiereserven im körper sind fette und die tierische das glykogen fettgewebe ist an vielen stellen des körpers verteilt glykogen hauptsächlich in der muskulatur und der leber beim abbau der fettdepots entstehen fettsäuren die auch für den energiestoffwechsel zur verfügung stehen die glucosekonzentration im blut darf trotz des langfristigen bedarfs nicht unter einen schwellenwert sinken da ansonsten das gehirn nicht ausreichend mit glucose versorgt wird um einen funktionsausfall des gehirns zu verhindern muss glucose im körper neu gebildet werden a11 beschreiben sie die daten in abb und erläutern sie die zusammenhänge zur energieversorgung des körpers bei langfristigen belastungen a1 erklären sie welche rolle der citronensäurezyklus bei der bereitstellung der jeweiligen energiequellen spielt glykogen wird im muskel gespeichert

10 basiskonzept die zelle ein system alle zellen haben eine zellmembran diese trennt das innere der zelle von der umgebung einzeller leben in feuchten umgebungen die ihnen eine aufnahme von nährstoffen und eine abgabe von abfallstoffen ermöglichen auch reize wie der zuckeroder säuregehalt der umgebung oder lichtverhältnisse werden als information von einzellern aufgenommen bei körperzellen ist ein überleben der einzelnen zellen unter natürlichen bedingungen nicht möglich diese zellen sind spezialisiert und mit ähnlich spezialisierten zellen zu einem gewebe verbunden hier sind sie von benachbarten zellen und gewebeflüssigkeit umgeben organellen als system organellen haben meist eine membran die sie von dem umgebenden cyto plasma trennt über diese membran werden stoffe ausgetauscht bei mitochondrien sind diese stoffe die -bausteine der glucose diese werden aus der umgebung dem cytoplasma in die mitochondrien aufgenommen aus den mitochondrien wird kohlenstoffdioxid und wasser an die umgebung abgegeben die mitochondrien setzen sich aus unterschiedlichen komponenten zusammen diese unterschiedlichen komponenten des systems mitochondrium stehen in einer ständigen wechselwirkung systemebenen lebende systeme gehören verschiedenen systemebenen an diese sind die systemebene der ökosysteme der organismen der zellen oder die molekulare ebene jede ebene baut auf der darunterliegenden auf organellen sind beispielsweise die untereinheiten der zellen diese wiederum untereinheiten eines organs ein besseres verständnis der organismen ist nur dann möglich wenn man die vorgänge auf allen systemebenen kennt ein gegenstand der biologie sind lebendige systeme zu den biologischen systemen gehören zum beispiel zellbestandteile wie organellen die zelle selbst und organe lebendige systeme sind von einer definierten umgebung abgegrenzt und bestehen aus unterschiedlichen elementen die miteinander in wechselwirkung stehen so besteht die zelle aus zellorganellen der organismus aus organen biologische systeme besitzen spezifische eigenschaften solche eigenschaften sind bei zelle und organismus stoffund energieumwandlung steuerung und regelung informationsverarbeitung bewegung sowie die weitergabe und ausprägung genetischer information zelle und organismus stehen wiederum in wechselwirkung zu ihrer umwelt basiskonzepte system information energie stoffe umgebung system die zelle ein system austausch mit einem system organismus organ zelle organell systemebenen äußere membran innere membran matrix intermembranraum

11 a1 erläutern sie weshalb die pinguine in abb als system betrachtet werden können welche aspekte des systemgedankens spielen hierbei eine rolle a beschreiben sie die regulation in dem system organismus am beispiel eines sportlers bei unterschiedlicher körperlicher anstrengung a3 erläutern sie die gemeinsamen aspekte für einen sportler und einen pinguin und erklären sie welche vorteile eine vernetzung unter dem aspekt des systems bringt a4 erläutern sie ob der zellkern ebenfalls ein system darstellt seite a5 bakterien sind prokaryoten beschreiben sie die unterschiede zwischen pround eukaryoten erläutern sie ob bakterien auch als ein system gesehen werden können und begründen sie ihre entscheidung a betrachten sie das darmsystem unter dem aspekt der umgebung eines systems und stellen sie dar welche spezifischen eigenschaften hier im vordergrund stehen seite lebewesen in extremen lebensräumen lebewesen in extremen lebensräumen wie pinguine in der antarktis geben ständig wärmeenergie an die umgebung ab diese energie muss über die nahrung dem system wieder zugeführt werden das überleben ist gesicherter wenn durch eine gute isolierung und die relative körpergröße weniger energie an die umgebung abgegeben wird organismus und umgebung jeder organismus kann als ein system betrachtet werden ein mensch beispielsweise ist ein system das energie in form von nährstoffen aufnimmt die energie wird innerhalb des körpers in den zellen umgebaut sie wird für die bewegung der verschiedenen muskeln während der sportlichen aktivität benötigt ein teil der energie wird auch in wärme umgewandelt diese wird an die umgebung abgegeben organe teile des organismus organe sind bestandteile eines organismus jedoch auch selbst ein system dessen umgebung die verschiedenen bereiche des organismus sind die lunge hat sowohl die außenluft über die atemwege als umgebung als auch den brustkorb als innenraum des organismus der stoffaustausch ist hier ein entscheidender aspekt die lunge ein organ sportler als system pinguine in der antarktis energie nährstoffe umgebung

1 basiskonzept oberflächenvergrößerung über oberflächen von zellen organen oder organismen erfolgt ein stoffaustausch oder eine wärmeabgabe durch eine vergrößerung der oberfläche wird ein erhöhter stoffaustausch ermöglicht oft sind diese austauschflächen räumlich begrenzt aber durch einfaltungen oder feinste verästelungen können diese flächen pro volumeneinheit deutlich erhöht werden zum beispiel ist die innere membran der mitochondrien stark gefaltet dadurch wird nicht nur der austausch erhöht sondern es erfolgen auch mehr reaktionen zur energieumwandlung die zelle eine funktionseinheit die strukturelle und funktionelle grundbaueinheit des lebendigen ist die zelle die zelle ist unterteilt in kleinere funktionseinheiten die organellen diese kleinen räume ermöglichen viele verschiedene reaktionen nebeneinander die für die differenzierten funktionen der zelle notwendig sind die biomembranen sind hierfür die strukturelle grundlage die funktionen von zelle und organismus haben stets strukturelle grundlagen strukturen haben für die verschiedenen aufgaben in den zellen und organismen eine große bedeutung funktionen des stoffwechsels und der energieumwandlung wären ohne diese jeweiligen strukturen nicht möglich basiskonzepte struktur und funktion adp atpsynthasekopf atp zelle mit verschiedenen kompartimenten atp-synthase mitochondrium geöffnet zellmembranen zellmembranen teilen nicht nur die zelle auf sondern ermöglichen auch einen gezielten transport dieser ist auf molekularer ebene an ionenkanäle gebunden die die membran durchqueren die ionenkanäle haben durch ihre unterschiedlichen strukturen unterschiedliche funktionen sie können spezifisch wasser ionen organische substanzen oder protonen transportieren die atp-synthase übernimmt durch ihre struktur die synthese des atp aquaporine transportieren große mengen wasser gezielt durch die biomembran und ermöglichen dadurch ein schnelles wachstum von zellen

13 s161049111_g217_01 ingrid schobel beuger strecker a1 betrachten sie die struktur des golgiapparates seite unter dem prinzip der oberflächenvergrößerung und stellen sie die ergebnisse strukturiert zusammen a fluoreszenzfarbstoffe werden mit antikörpern verbunden und ermöglichen den mikroskopischen nachweis verschiedener substanzen beschreiben und erklären sie diese untersuchungsmethode unter dem aspekt des schlüssel-schloss-prinzips seite a3 erläutern sie die bedeutung der oberfläche in bezug auf das körpervolumen bei organismen in kalten und warmen lebensräumen seite a4 der protonengradient ermöglicht erst die atp-synthese erstellen sie eine zeichnung mit deren hilfe sie das konzept von struktur und funktion verdeutlichen schlüssel-schloss-prinzip in den zellen ermöglichen enzyme einen effizienten stoffumsatz ein substrat passt nur zu der spezifischen struktur eines bestimmten enzyms wie ein schlüssel zum schloss auch zwischen den zellen gibt es spezifische passungen wie zum beispiel beim immunsystem antikörper binden nur an bestimmten oberflächenstrukturen in der forschung nutzt die immunfluoreszenz-mikroskopie dieses prinzip mit spezifischen mit fluoreszenzfarbstoff markierten antikörpern cytoskelett bei allen vorgängen wie veränderung der zellform bewegung von zellen intrazellulärer transport von vesikeln oder chromosomen ist das cytoskelett die grundlage der bewegung durch seine strukturen ist die ständige veränderung als funktion erst möglich auch die muskelbewegung ist auf das cytoskelett zurückzuführen da aktin und myosin die bewegung ermöglichen fluoreszenzmarkierung gegenspielerprinzip bei den muskeln mit fluoreszenzfarbstoff markierter anti-antikörper zielstruktur myosinkopf atpbindungsstelle flexible molekülteile des myosins myosin aktin aktin und myosin prinzip der gegenspieler muskeln können nur kontrahieren ein zweiter muskel muss den kontrahierten muskel wieder dehnen dieses prinzip der gegenspieler ist in allen organismen vorhanden am oberarm sind die gegenspieler der beuger und der strecker das prinzip der gegenspieler findet man auch auf der molekularen ebene das hormon insulin senkt den blutzuckerspiegel während ihn glukagon erhöht

14 basiskonzept zelldifferenzierung organe ein organismus besteht aus verschiedenen zellen mit spezifischen aufgaben während bei den einzellern eine zelle sehr viele verschiedene aufgaben übernehmen muss ist bei den vielzellern eine spezialisierung in den verschiedenen organen vorhanden bei der entwicklung eines lebewesens aus der befruchteten eizelle entstehen verschiedene gewebe mit den jeweils spezifischen zellen diese spezialisierten zellen können sich oft nicht mehr teilen sie gehen in eine -phase in der die funktion des stoffwechsels im vordergrund steht bei verringerung der zellzahl nach einer operation können manche tierischen zellen wieder in die -phase und damit den zellzyklus eintreten mitose die mitose ist innerhalb des zellzyklus der abschnitt in dem der zellkern geteilt wird durch die teilung der zweichromatid-chromosomen zu einchromatid-chromosomen ist die grundlage geschaffen eine zelle in zwei zellen mit dem jeweils gleichen genom zu teilen die zweite grundlage ist jedoch der stoffwechsel der die bausteine für die bildung der neuen zellmembran und der neuen organellen bereitstellt er ist auch voraussetzung für das funktionieren des cytoskeletts das die trennung der chromatiden und der zellbestandteile ermöglicht die replikation der dna erfolgt vor der mitose in der s-phase des zellzyklus das basiskonzept entwicklung beschäftigt sich mit den zeitlichen veränderungen von systemen veränderungen können auf den verschiedenen systemebenen ablaufen in der systemebene der zelle findet man die entwicklung in form der zellteilung des zellwachstums oder der zelldifferenzierung in der systemebene des organismus geht es um das wachstum bei pflanzen tieren oder menschen oder die differenzierung durch besondere beanspruchung wie beim sport neben dieser individualentwicklung spielt auch die stammesgeschichtliche entwicklung eine rolle veränderungen im laufe der evolution spielen bei der angepasstheit von zellen und lebewesen die entscheidende rolle basiskonzepte entwicklung zellzyklus zellteilung bei paramecium leber zelle während der mitose zellzyklus und zellteilung zellen wachsen und teilen sich dies ist die grundlage für das wachstum von lebewesen aber auch zum erhalt des gewebes da ständig zellen absterben innerhalb eines zellzyklus ist nicht nur die teilung der zelle entscheidend sondern auch der zellstoffwechsel dieser ist die voraussetzung für den aufbau der neuen zelle aus den nährstoffbausteinen wie fetten proteinen oder anderen molekülen werden neues cytoplasma neue organellen und eine neue zellmembran gebildet auch die verdopplung der dna im laufe des zellzyklus benötigt nucleotide als grundbausteine der stoffwechsel ist daher auch die grundlage der verdopplung der dna s161045451_g038_01 ingrid schobel kontrollsystem

15 individuelles wachstum endosymbiose atmende einzeller später tierische organismen und pilze prokaryotische vorformen entstehung eines echten zellkerns evtl auch durch endosymbiose zellkern endosymbiose eines bakteriums das zellatmung betreibt mitochondrium endosymbiose eines bakteriums das fotosynthese betreibt chloroplast fotosynthese betreibende einzeller später pflanzliche organismen a1 stellen sie tabellarisch entwicklungsvorgänge auf verschiedenen systemebenen zusammen erläutern sie weshalb nur die betrachtung auf den verschiedenen systemebenen sinnvoll ist a vergleichen sie die vorgänge bei der individuellen und der evolutionären entwicklung wachstum der organismen organismen haben verschiedene organe mit verschiedenen spezifischen zellen ein wachstum der organismen setzt eine erhöhung der zellzahl voraus diese entwicklung von einem jugendstadium zur ausgewachsenen adulten lebensform ist im genom vorgegeben diese genetischen vorgaben steuern die entwicklung der zellgröße zellanzahl und die funktion der einzelnen zelle in den organismen endosymbiose die evolutionäre entwicklung ist daran gekoppelt welche genetischen veränderungen vorteile in der jeweiligen lebensumgebung bringen diese bessere angepasstheit ist auch bei zellen zu finden deren stoffwechsel durch die endosymbiose von spezifischen bakterien optimiert wurde hierdurch kann sowohl eine höhere leistungsfähigkeit als auch die erschließung neuer lebensformen in verschiedenen lebensräumen ermöglicht werden wachstum training muskelentwicklung innerhalb des genetisch bedingten wachstums gibt es individuelle unterschiede die durch unterschiedliche lebensweisen bedingt sind die muskeln entwickeln sich beispielsweise in abhängigkeit vom training dies kann durch berufliche tätigkeiten oder sport erfolgen

1 lösungen zu den übungsseiten lösungen zu seite 8/ a1 siehe tabelle a erkennbar sind kernplasma/cytoplasma des zellkerns chromatin im kernplasma doppelmembran nucleolus kernkörperchen kernpore a3 mitochondrien erreichen durch ihre zahlreichen tiefen einfaltungen der innenmembran cristae eine sehr große oberfläche diese fläche wäre deutlich kleiner wenn es diese tiefen einfaltungen nicht gäbe die oberfläche der innenmembran hätte dann annähernd die fläche der außenmembran in diesem fall wäre auch der intermembranraum entsprechend klein a4 die polaren hydrophilen köpfe der moleküle können mit dem ebenfalls polaren wasser beiderseits der lipiddoppelschicht in wechselwirkung treten die unpolaren hydrophoben schwänze bilden im inneren eine wasserabweisende schicht damit werden zwei komponenten getrennt a5 in der abb sind zwei krallenfrösche zu sehen die eine unterschiedliche färbung haben auf der zellulären ebene machen die pigmente in den zellen des hellen frosches nur einen kleinen prozentanteil aus bei dem dunkleren frosch die gesamte zelle im dritten teil der abbildung sieht man mikrotubuli die an der zellmembran ansetzen a die hautfarbe hängt von der verteilung der pigmente in den hautzellen den melanophoren ab liegen die pigmente gehäuft an einer stelle sieht die haut hell aus die mikrotubuli werden als gleise für den transport von vesikeln von der mitte der zelle bis zur zellmembran eingesetzt die pigmente werden auf den mikrotubuli durch die zelle verteilt hierdurch werden die melanophoren und die haut dunkler lösungen zu den übungsseiten membrantyp funktion zellorganellen mit doppelter membran zellkern dna-replikation transkription damit steuerung und regelung der zentralen zellulären prozesse mitochondrien zellatmung energiegewinnung kraftwerke der zelle chloroplasten ort der fotosynthese zellorganellen mit einfacher membran er synthese von eiweißen transport dictyosom golgi-apparat speicherung und transport von eiweißen fetten etc peroxisomen speicherung von enzymen von peroxidasen die der zellentgiftung dienen der name stammt daher zellsaftvakuole abbau ablagerung speicherung von stoffen lysosomen speicherung von enzymen die zellmaterial abbauen lysieren der name stammt daher zellorganellen ohne membran ribosomen ort der proteinsynthese biomembran aufgaben allgemein selektiver durchlass von stoffen kompartimentierung osmoregulation barrierefunktion

1 a zellen aus denen ein vollständiges individuum mit den verschiedenen differenzierten geweben entstehen kann sind totipotente zellen a8 aus dem gewebe einer möhre werden stücke entnommen die zellen in diesen gewebestücken sind differenziert in einer geeigneten nährlösung wuchern zellen auf dem differenzierten gewebe die zellen werden getrennt und leben in einem nährmedium weiter einzelne zellen vermehren sich durch zellteilungen aus denen möhrenpflanzen mit verschiedenen geweben entstehen diese gewebe bestehen aus unterschiedlich differenzierten zellen dies stimmt mit der definition der totipotenz überein a bei dem möhrenexperiment werden differenzierte zellen aus einem gewebestück entnommen und vereinzelt aus jeder dieser zellen entstehen die verschiedenen gewebe einer möhre beim krallenfroschexperiment wurde keine zelle sondern der zellkern einer zelle verwendet der zellkern wurde in eine kernlose eizelle eingepflanzt die sich wie eine normale befruchtete eizelle zu einem krallenfrosch entwickelte bei der möhre handelt es sich um eine körperzelle beim krallenfrosch um den zellkern einer körperzelle in beiden fällen lag jedoch eine totipotenz vor a10 die grundsubstanz der mitochondrien oder chloroplasten bleibt bei einer teilung immer vom cytoplasma getrennt durch phagocytose entstehende vesikel können mit lysosomen verschmelzen wodurch unterschiedliche kompartimente verschmelzen trotzdem bleibt in beiden fällen die kompartimentierungsregel erhalten stets grenzt eine membran eine plasmatische phase von einer nicht plasmatischen phase ab a11 die mitochondrien der leberzellen der ratte weisen einen hohen anteil am zellvolumen auf auch das raue und glatte er ist relativ stark ausgeprägt die leberzelle hat demzufolge einen hohen energiestoffwechsel mitochondrien und eine hohe proteinaktivität er-gebundene ribosomen a1 weiße blutzellen können ihre form ständig verändern sie bewegen sich durch diese veränderung zu bakterien die sie als körperfremd erkennen in abb und umfließt die weiße blutzelle das bakterium indem sie durch eine formveränderung armartige ausstülpungen entwickelt die das bakterium umschließen in abb und abb wird das bakterium in ein bläschen eingeschlossen und der verdauungsvorgang beginnt hierzu lagern sich in abb lysosomen an das bläschen an in abb ist das bakterium bereits verdaut und die bausteine werden vom bakterium absorbiert a13 bei der phagocytose spielt das cytoskelett eine rolle da die einstülpung der zelloberfläche durch verkürzungen und verlängerungen des cytoskeletts erfolgt durch das verlängern der cytoskelettfilamente wachsen die armartigen ausstülpungen durch die verkürzung der filamente zieht sich die oberfläche der zelle ein im golgi-apparat sind abbauende enzyme die krankheitserreger abbauen können die enzyme sind in vesikeln den lysosomen verpackt die sich vom golgi-apparat abschnüren bakterien werden durch endocytose in die zelle als vesikel aufgenommen an diese werden die lysosomen gezielt angedockt und geben die enzyme frei durch die enzyme werden die bakterien in ihre bausteine zerlegt

18 lösungen zu den übungsseiten lösungen zu seite 118/11 a1 in künstliche kleine biomembrankugeln wurden isolierte ionenpumpen eingebaut dann wurde die atpproduktion gemessen und ebenso die protonenkonzentration also der phwert im innenraum der kugeln und im außenmedium im zweiten schritt wurde in die kugeln das enzym atpsynthase eingebaut und die ph-werte wurden wiederum gemessen a der protonengradient zwischen kugelinnenraum und umgebung führt allein nicht zu einer atp-produktion erst der protonengradient und das enzym atp-synthase zusammen führen dazu dass atp aus adp und phosphat gebildet wird mit diesem experiment konnte die bedeutung der atp-synthase verdeutlicht werden a3 im linken diagramm ist die co abgabe in gramm pro stunde gegen die tageszeit aufgetragen gegen 8:00 uhr liegt die abgabe bei ca g/h die co -abgabe steigt steil an und erreicht gegen 16:00 uhr ihr maximum bei ca /h danach fällt die co -abgabe bis 20:00 uhr auf den ausgangswert von ca g/h zurück im rechten diagramm ist die kolbentemperatur und lufttemperatur in gegen die tageszeit aufgetragen die kolbentemperatur liegt um 8:00 uhr bei ca °c die temperatur der luft ebenfalls die kolbentemperatur steigt bis 16:00 uhr steil auf ca °c an die lufttemperatur hingegen nur auf °c nach 16:00 uhr sinkt die kolbentemperatur rapide bis 20:00 uhr auf ca °c die lufttemperatur ebenfalls a4 der aronstab wächst im schattigen wald und hat daher andere bestäuber als pflanzen in sonnigen biotopen durch das verströmen von kotartigem geruch werden käfer und fliegen angelockt die erhöhung der kolbentemperatur im tagesverlauf erhöht die verbreitung des geruchs und daher die anlockungserfolge die temperaturerhöhung geht parallel mit der stoffwechselrate im kolben die co -abgabe verläuft parallel zur temperatur im kolben die aktivität in den mitochondrien und die möglichkeit anstelle der atp-produktion die temperatur zu erhöhen machen diesen vorgang möglich einen einfluss der lufttemperatur auf die kolbentemperatur kann man ausschließen da die lufttemperatur wesentlich niedriger bleibt a5 in der grafik ist die körpertemperatur in °c von insekten im brustbereich und im hinterleib gegen die umgebungstemperatur in °c aufgetragen die temperatur im brustbereich liegt bei einer außentemperatur von °c bei ca °c und steigt bis auf ca °c bei einer außentemperatur von °c die temperatur im hinterleib liegt bei einer außentemperatur von °c bei ca °c und steigt mit zunehmender außentemperatur kontinuierlich bis °c bei °c außentemperatur an insekten haben im brustbereich durch die vielen muskeln eine hohe stoffwechselrate die zu einer erhöhung der körpertemperatur führt hierdurch können die poikilothermen die temperatur auch bei niedrigen außentemperaturen erhöhen im bereich des hinterleibs in dem wenig muskeln und organe mit stoffwechselaktivitäten vorliegen ist die körpertemperatur an die außentemperatur gebunden a das phänomen zeigt dass die körpertemperatur an die außentemperatur gekoppelt ist und nur gezielte muskelaktivitäten zu einer punktuellen erhöhung der körpertemperatur führen bei homoiothermen ist durch die gleichbleibend hohe stoffwechselrate der leber ein einfluss durch die umgebungstemperatur auf die körpertemperatur nicht vorhanden a bei allen partialdrücken ist das fetale hämoglobin stärker mit sauerstoff gesättigt als das mütterliche es hat also eine höhere affinität zu sauerstoff und kann dem mütterlichen blut dadurch sauerstoff entziehen dies ist gerade in der phase von wachstum und entwicklung überlebenswichtig a8 sauerstoff oxidiert in der endoxidation nadh zu nad dabei wird energie freigesetzt ohne sauerstoff kann diese reaktion allerdings nicht stattfinden daher steht dem organismus zunehmend weniger nad zur verfügung und nadh reichert sich an nad wird aber in der glykolyse zwingend zur oxidation benötigt ohne nad kann daher die glykolyse und damit der erste teil der glucose-zerlegung nicht ablaufen die versorgung des körpers mit energiereichen stoffen wäre dann nicht mehr gewährleistet die gärung ist eine angepasstheit daran da durch bildung von ethanol oder milchsäure nad regeneriert wird dazu reagiert brenztraubensäure mit dem vorhandenen nadh lösungen zu den übungsseiten

1 a individuelle lösung a10 die blindprobe läuft genauso schnell durch das versuchsgefäß wie die probe mit amylase dies bedeutet dass amylase das hühnereiweiß nicht zersetzen kann da das eiweiß allerdings bei zugabe von pepsin schneller durch das rohr läuft hat dieses die sperrigen proteinketten in kleinere einheiten zerlegt diese passen besser durch das röhrchen was den schnelleren durchstrom erklärt dieser zersetzungsvorgang verläuft in den ersten sekunden recht schnell verlangsamt sich dann aber von sekunde zu sekunde dies bedeutet dass das pepsin nahezu alle möglichkeiten ausgeschöpft hat die an schnittstellen durch das eiweiß angeboten werden eine weitere zersetzung ist nun nicht mehr möglich insgesamt belegt der versuch das schlüssel-schloss-prinzip demgemäß ein enzym nur ganz bestimmte substrate umsetzen kann pepsin kann eiweiße zerlegen amylase aber nicht a11 in der abbildung ist der anteil der verfügbaren energie in gegen den zeitraum einer intensiven arbeit in stunden aufgetragen der anteil des verfügbaren muskelglykogens sinkt vom beginn der arbeit über den zeitraum von einer stunde von auf nach ca minuten arbeit steigt der anteil des leberglykogenabbaus von auf ca und sinkt nach ca minuten langsam auf einen wert von ca der nach minuten erreicht ist nach stunden arbeit wird glucose neu gebildet und steigt von auf der anteil der fettsäuren steigt nach ca minuten von kontinuierlich auf ca die energiereserve in den muskeln in form der tierischen stärke glykogen dient als erste reserve bei langfristigen körperlichen leistungen bei anhaltender belastung wird das glykogen in der leber mobilisiert fette stehen im körper verteilt zur verfügung und stellen energiereiche reserven dar der glucoseanteil darf jedoch trotz der belastung nicht unter eine bestimmte schwelle sinken da hierdurch die versorgung des gehirns nicht gewährleistet ist sie muss daher bei sinkender kohlenhydratversorgung und stärkerer fettnutzung intensiviert werden a1 der citronensäurezyklus spielt bei diesen vorgängen eine rolle als protonenlieferant für die atp-synthese aber auch für die nutzung von fetten und die umwandlung von fetten in kohlenhydrate die für das gehirn genutzt werden

glossar glossar aerob werden stoffwechselprozesse genannt die nur in gegenwart von sauerstoff ablaufen bzw die lebensweise in sauerstoffhaltiger umgebung anaerob agglutination zusammenballung von blutzellen oder bakterien unter dem einfluss von brückenmolekülen antikörpern aktinfilamente fadenförmige proteine die bestandteil des cytoskeletts sind allosterisch fähigkeit eines moleküls reversibel mehrere stabile formen einnehmen zu können aminosäure organische säure die neben der carboxylgruppe eine aminogruppe enthält kommt in freier form und als baustein von peptiden und proteinen in der zelle vor anaerob werden stoffwechselprozesse genannt die ohne beteiligung von sauerstoff ablaufen bzw die lebensweise von organismen in sauerstofffreier umgebung aerob antigen substanz die eine antikörperproduktion durch das immunsystem auslöst antikörper moleküle in den körperflüssigkeiten der wirbeltiere die spezifisch andere moleküle antigene binden können archaebakterien archaea urtümliche an extreme lebensbedingungen angepasste prokaryoten im zellaufbau den echten bakterien eubacteria ähnlich assimilation bei stoffwechselvorgängen aufbau organischer substanzen aus anorganischen ausgangsstoffen auch umbau aufgenommener nährstoffe in körpereigene stoffe atmung äußere atmung sauerstoffund kohlenstoffdioxidaustausch mit der umgebung innere atmung bzw zellatmung aerobe stoffwechselvorgänge zur energiefreisetzung in zellen atmungskette kette von redoxreaktionen in mitochondrien bei der elektronen von wasserstoffhaltigen verbindungen auf sauerstoff übertragen werden aufgrund des entstehenden -konzentrationsunterschieds wird atp gebildet endoxidation atp adenosintriphosphat wichtigster energiespeicher und -überträger des stoffwechsels entsteht aus adp und phosphat unter energieaufnahme setzt beim zerfall 30,5 kj/mol frei und treibt dadurch endergonische reaktionen an oder macht durch übertragung von phosphat andere stoffe energiereicher und damit reaktionsfähiger autotrophie ernährungsweise bei der nur anorganische stoffe benötigt werden fotosynthese chemosynthese heterotrophie bakteriophage phage virus das bakterien befällt es nutzt den syntheseapparat der bakterienzelle zur eigenen vermehrung bakterium angehöriger einer systematischen gruppe von einzelligen zellkernlosen prokaryotischen kleinstlebewesen man unterscheidet echte bakterien eubacteria von den archaebakterien archaea befruchtung verschmelzung der zellkerne zweier keim zellen zur befruchteten eizelle zygote besamung eindringen der spermienzelle in die eizelle die besamung geht der befruchtung voraus biomembran doppelmembran mit einer immer gleichen grundstruktur die jede zelle umgibt bzw in kleinere räume aufteilt blotting basismethode der molekularbiologie mit der moleküle proteine nucleinsäuren aus elektrophorese-gelen zur weiteren bear beitung in gleicher anordnung auf membranen übertragen und so isoliert werden brown’sche molekularbewegung durch kollisionen und schwingungen in geschwindigkeit und richtung ständig wechselnde bewegungen kleinster teilchen calvinzyklus zyklische reaktionsfolge die der lichtabhängigen reaktion der fotosynthese nachgeschaltet ist bei der co fixiert und glucose gebildet wird carrier integrales protein in der biomembran das einen transport spezifischer substanzen durch die biomembran ermöglicht transportproteine translokatoren chemosynthese form der autotrophen lebensweise bei der anorganische verbindungen für die gewinnung von reduktions äquivalenten und atp oxidiert werden chloroplast fotosynthetisch aktives chlorophyll enthaltendes zellorganell plastid chromatographie auftrennen von stoffgemischen unter ausnutzung der unterschiedlichen beweglichkeit von stoffen in einem strom aus trägersubstanz flüssigkeit oder gas chromosom träger der erbinformation in einer zelle chromosomen enthalten gene in spezifischer anordnung und können identisch verdoppelt werden replikation bei eukaryoten werden sie vor allem bei der zellteilung lichtmikroskopisch sichtbar citronensäurezyklus wichtigste zyklisch verlaufende reaktionsfolge zum oxidativen endabbau von kohlenstoffverbindungen coenzym hilfsmolekül bei enzymen das elekt ronen protonen oder substratbestandteile bei enzymatischen reaktionen vorübergehend übernimmt auch cosubstrat genannt cytokinese zellteilung nach der kernteilung mitose cytoplasma von der zellmembran umgebener zellinhalt mit ausnahme des zellkerns in der grundsubstanz des cytoplasmas liegen die organellen cytoskelett netzwerk feiner proteinstrukturen die der zelle stabilität und festigkeit verleihen und transportaufgaben erfüllen

denaturierung durch hitze organische lösungsmittel phwert-änderungen oder salze verursachte konformationsänderung von nucleinsäuren oder proteinen in der regel mit funktionsoder aktivitätsverlust verbunden destruent organismus der sich von totem organischem material ernährt und es zu anorganischer substanz abbaut dictyosom zellorganell bestehend aus einem stapel flacher membranvesikel exportiert proteinsekrete die gesamtheit der dictyosomen einer zelle bildet den golgi-apparat diffusion konzentrationsausgleich durch vermischung verschiedener teilchen aufgrund der brown’schen molekularbewegung diploide zelle zelle mit zwei homologen chromosomensätzen 2n von denen einer von der mutter und einer vom vater stammt dissimilation gesamtheit aller abbauenden der energiefreisetzung dienenden stoffwechselwege dna dns desoxyribonuclein säure schraubig gewundene zweisträngige kette von nucleotiden besteht aus dem zucker desoxyribose phosphat und einer der basen adenin thymin guanin und cytosin die reihenfolge der nucleotidtypen in einem nucleinsäurestrang verschlüsselt die genetische information einer zelle elektronenmikroskopie vergrößerungsverfahren die in elektronenmikroskopen elektronenstrahlen statt licht benutzen wodurch feine strukturen viren und moleküle sichtbar gemacht werden können elektrophorese methoden mit denen moleküle in einem gleichspannungsfeld nach ihrer masse und ladung aufgetrennt werden endoplasmatisches retikulum er organell in eukaryotenzellen das aus einem membransystem besteht es wirkt bei synthese umwandlung und transport von stoffen mit endosymbiontentheorie theorie über den ursprung der eukaryotenzelle eucyte sie ist aus einer symbiotischen gemeinschaft von zellen hervorgegangen mitochondrien entstanden aus bakterienartigen zellen plastiden aus cyanobakterienartigen zellen endoxidation übertragung von elektronen im aeroben stoffwechsel von wasserstoffhaltigen verbindungen auf sauerstoff unter bildung von wasser in den mitochondrien zur gewinnung von atp atmungskette enzym protein das als biokatalysator wirkt und dadurch die chemische umsetzung bei stoffwechselprozessen beschleunigt epidermis abschlussgewebe bei pflanzen und tieren eucyte zelltyp grundbaustein aller eukaryo ten unterscheidet sich durch den besitz von zellkern nucleus mitochondrien und die kompartimentierung von der procyte eukaryoten auch eukaryonten lebewesen deren zelltyp die eucyte ist protisten pflanzen pilze und tiere evolution alle prozesse die zur entstehung des lebens in seiner heutigen vielfalt geführt haben fluoreszenz aufleuchten von stoffen bei bestrahlung mit licht wobei das ausgesandte licht eine größere wellenlänge aufweist als das absorbierte fortpflanzung kennzeichen des lebens wobei durch die weitergabe genetischer information artgleiche eigenständige individuen entstehen zur geschlechtlichen sexuellen fortpflanzung gehört die befruchtung von keimzellen bei der ungeschlechtlichen asexuellen fortpflanzung entstehen neue lebewesen aus einem teil des elternorganismus fortpflanzung ist meistens mit einer vermehrung verbunden gamet geschlechtszelle keimzelle haploide eioder spermienzelle die sich nach einer befruchtung zu einem mehrzelligen organismus weiterentwickelt in diploiden organismen entstehen gameten durch meiose in haploiden organismen durch mitose gärung anaerobe form der energiefreisetzung je nach gärungstyp entstehen endprodukte wie ethanol und co oder milchsäure gegenspielerprinzip prinzip nach dem ein zustand in einem organismus durch mindestens zwei gegeneinander wirkende steuermechanismen kontrolliert und geregelt wird antagonist glykolyse erster teil des glucoseabbaus bis zur brenztraubensäure golgi-apparat gesamtheit der dictyosomen in einer zelle modifiziert und speichert produkte des er grundumsatz minimaler energieumsatz eines homoiothermen tieres in ruhe setzt sich zusammen aus dem erhaltungsumsatz für die lebensvorgänge in zellen und der energie für die tätigkeitsbereitschaft des organismus gruppe prosthetische nichteiweißanteil eines proteids protein prosthetische gruppe der wichtig für dessen funktion ist als metallhaltiger molekülanteil eines enzymkomplexes hemmung allosterische durch die veränderung der räumlichen struktur des enzymmoleküls bedingte hemmung der enzymfunktion hemmung kompetitive hemmung der enzymfunktion durch mit dem substrat konkurrierende ähnlich strukturierte substanzen an der substratbindungsstelle heterotrophie ernährungsweise bei der organische nahrungsstoffe als energieund kohlenstoffquellen aufgenommen und in körpereigene verbindungen umgewandelt bzw abgebaut werden homoiotherm gleichwarm temperaturkonstanz von organismen die ihre körpertemperatur stoffwechselphysiologisch unabhängig von den außenbedingungen innerhalb enger grenzen regeln homoiotherm sind säugetiere und vögel

13 glossar glossar hydrophil wasserliebend in wasser löslich polare substanzen die wassermoleküle anziehen und locker binden wasserstoffbrückenbindungen gegensatz hydrophob lipophil hydrophob wasserabweisend wasserunlöslich unpolare substanzen die wassermoleküle nicht binden und daher von ihnen ausgegrenzt werden lipophil gegensatz hydrophil hypertonisch die konzentration der gelösten teilchen in der lösung ist höher als in einer vergleichslösung osmose hypotonisch die konzentration der gelösten teilchen in der lösung ist geringer als in einer vergleichslösung osmose isotonisch die konzentration der gelösten teilchen in der lösung ist identisch mit der in einer vergleichslösung osmose klonen vervielfältigung genetisch identischer zellen kohlenhydrat stickstofffreier biologischer baugerüstund reservestoff der allgemeinen chemischen zusammensetzung beispiele zucker stärke cellulose kompartimentierung unterteilung des zellinhaltes in reaktionsräume die durch membranen abgegrenzt sind kutikula von epidermiszellen der pflanze nach außen abgesonderte meist wenig durchlässige schutzschicht aus wachsartigen substanzen lipid unpolare chemische verbindung die sich schlecht in wasser löst fette und fettähnliche substanzen lipophil fettliebend unpolare substanzen die sich mit anderen unpolaren lipiden mischen hydrophob gegensatz hydrophil makrophage differenzierte zelle des immunsystems die auf phagocytose spezialisiert ist abbau meist körperfremder zellen und stoffe mikrotubulus röhrenförmige proteinstruktur die an der bildung des cytoskeletts der mitosespindel und von geißeln beteiligt ist mineralstoffe auch mineralsalze anorganische verbindungen die vom pflanzlichen und tierischen organismus für den aufbau von körpersubstanz und für einen geregelten stoffwechsel aufgenommen werden müssen mitochondrium in der eucyte vielfach vorhandenes organell mit einer doppelmembran in dem die zellatmung abläuft mitose kernteilung bei der die zwei chromatiden eines chromosoms auf die beiden neu entstehenden tochterzellen verteilt werden die chromosomenzahl bleibt erhalten der kernteilung folgt in der regel die zellteilung cytokinese nad nicotinamid-adenin-dinucleotid ein in allen zellen vorhandenes bei redoxreaktionen wasserstoff und elektronen übertragendes coenzym cosubstrat reduzierte form nadh nadp nicotinamid-adenin-dinucleotid-phosphat wasserstoff und elektronen übertragendes coenzym cosubstrat bei redoxreaktionen vor allem reduktion beim stoffaufbau in der fotosynthese reduzierte form nadph natrium-kalium-pumpe atp verbrauchender transportmechanismus in der zellmembran der auch gegen einen hohen konzentrationsunterschied na gegen -ionen austauschen kann wichtig für das ruhepotential vor allem an muskelund nervenzellen nucleinsäure aus nucleotiden aufgebautes makromolekül das als dna oder rna erbinformation speichert bzw überträgt nucleolus kernkörperchen syntheseort der ribosomalen rna im zellkern nucleotid aus zucker phosphat und einer stickstoffhaltigen base zusammengesetzter baustein der nucleinsäuren bzw der coenzyme adp nad und nadp nucleus zellkern enthält den größten teil der erbinformation steuerzentrum der zelle kommt nur in der eucyte vor oberflächenvergrößerung bei lebewesen zu beobachtendes und von ihnen genutztes strukturprinzip eine möglichst große oberfläche bei gegebenem volumen verbessert die funktion als austauschund reaktionsfläche organell abgrenzbare bauund funktionseinheit im cytoplasma der zelle osmose diffusion zwischen zwei durch eine semipermeable membran getrennten lösungen bei denen nur die lösungsmittelteilchen nicht aber die teilchen des gelösten stoffes die membran passieren können oxidation elektronenabgabe einer substanz in biologischen systemen meist einhergehend mit der abgabe von wasserstoff oder der aufnahme von sauerstoff reduktion peptidbindung chemischer bindungstyp zwischen zwei aminosäuren in peptiden und proteinen der die primärstruktur erzeugt phagocytose anlagerung einverleibung und verdauung körperfremder materialien insbesondere durch zellen des immunsystems alle weißen blutzellen phagocytieren makrophage plasmid ringförmiges dna-molekül plasmide kommen hauptsächlich in bakterien vor bakterien können sie an andere weitergeben plasmolyse abgabe von wasser aus der zellvakuole aufgrund osmotischer vorgänge bis sich der protoplast von der zellwand löst umkehrung deplasmolyse plastid in pflanzenzellen und verschiedenen algen vorkommendes von zwei membranen umgebenes zellorganell mit eigener dna und 70-s-ribosomen wichtigster typ sind die chloroplasten außerdem kommen chromoplasten und leukoplasten vor

poikilotherm wechselwarm organismen deren körpertemperatur weitgehend von der umgebungstemperatur abhängt procyte protocyte zelltyp der prokaryoten der keinen zellkern besitzt eucyte prokaryot auch prokaryont einzelliges aus einer procyte auch protocyte bestehendes lebewesen zu den prokaryoten gehören eubakterien und archaebakterien eukaryot protein eiweiß hochmolekulare kette aus verschiedenen aminosäuren mit einer dreidimensionalen struktur die eine große bedeutung in der zelle als gerüstsubstanz enzym bzw kontraktiles filament hat protisten eukaryotische einzeller bzw einfache mehrzeller die nicht zu den pilzen pflanzen und tieren gehören beispiele kieselalgen grünalgen amöben protonengradient unterschied in der protonenkonzentration zwischen zwei durch eine memb ran abgegrenzten räumen in zellen oder organellen in mitochondrien oder chloroplasten wichtig bei der atp-synthese rasterelektronenmikroskopie rem variante der elektronenmikroskopie bei der das präparat mit einem elektronenstrahl abgetastet wird für die darstellung von oberflächen besonders geeignet reduktion elektronenaufnahme durch eine substanz in biologischen systemen meist verbunden mit der anlagerung von wasserstoff bzw abgabe von sauerstoff oxidation regelung aufrechterhalten eines bestimmten zustandes gegenüber verändernd wirkenden einflüssen ausgleich von störungen und einstellung eines gleichgewichts erfolgen meist durch negative rückkopplung replikation identische verdopplung der dna die vor jeder zellteilung stattfindet der dnadoppelstrang wird getrennt und die elterlichen einzelstränge dienen jeweils als vorlage für einen tochterstrang resorption stoffaufnahme durch lebende zellen im allgemeinen aktiver transportprozess ins zellinnere bzw ins blut respiratorischer quotient rq-wert verhältnis von co -abgabe zu -aufnahme maß für art und anteil der nährstoffe die abgebaut werden restriktionsenzym enzym das doppelsträngige dna an einer spezifischen basensequenz schneiden kann rgt-regel zusammenhang zwischen reaktionsgeschwindigkeit einer chemischen reaktion und der umgebungstemperatur im allgemeinen steigt die reaktionsgeschwindigkeit bei einer temperaturerhöhung um °c auf das doppelte bis dreifache ribosom aus rna und proteinen aufgebautes organell an dem die proteinsynthese stattfindet rna ribonucleinsäure im vergleich zur dna kurze kette von nucleotiden bestehend aus dem zucker ribose einem phosphatrest und einer der vier basen adenin uracil guanin und cytosin man unterscheidet messengerrna transfer-rna und ribosomale rna rna ist bestandteil der ribosomen schlüssel-schloss-prinzip räumliches passen zweier moleküle zueinander enzym und substrat semipermeabel membraneigenschaft durchlässig für das lösungsmittel und undurchlässig für gelöste stoffe führt bei membrankontakt unterschiedlich konzentrierter lösungen zu osmose stammzelle nicht ausdifferenzierte teilungsfähige zelle im gewebe von mehrzellern die wachstum und erneuerung von geweben ermöglicht steuerung im unterschied zur regelung die beeinflussung der richtung oder intensität von größen oder vorgängen system einheit mit festgelegten grenzen bestehend aus teilen elementen und deren beziehungen relationen totipotenz fähigkeit bestimmter zellen durch teilung und differenzierung einen vollständigen organismus hervorzubringen vakuole mit flüssigkeit gefüllter von einer einfachen membran umgebener raum in der zelle vermehrung kennzeichen des lebens bei dem die anzahl der individuen vergrößert wird vermehrung ist stets mit fortpflanzung verbunden wasserstoffbrückenbindung wechselwirkung zwischen molekülgruppen mit einem partiell positiv geladenen wasserstoffatom und nachbarmolekülen mit einem freien elektronenpaar zellatmung energiefreisetzung in der zelle durch oxidation von energiereichen chemischen verbindungen unter sauerstoffaufnahme zelle kleinste mit allen merkmalen des lebens ausgestattete bauund funktionseinheit aller lebewesen zellen entstehen aus zellen die zelle kommt als procyte auch protocyte und eucyte vor aus eucyten bestehende lebewesen können einmehroder vielzellig sein zellzyklus regelmäßige abfolge von zellteilung sowie proteinund dna-synthese in einer zelle der zellzyklus wird in phasen untergliedert und sein ablauf durch verschiedene steuerund regelmechanismen kontrolliert zygote befruchtete eizelle produkt der verschmelzung von eizelle und spermium

register acetabularia adenosindiphosphat adenosintriphosphat atp aktin aktinfilament alkanal alkanol alkanon allopurinol allosterisch -helix alveole aminosäure aminosäure essenzielle amylase amylose anabolika anaerobier anaphase animalcules antigen antikörper antiport apoenzym aquaporin äquivalent kalorisches arbeitsteilung atmung atmungskette 102,108 atom radioaktives atp atpase atp-synthese auflösungsvermögen augenfleck ausdauertraining bakterium basenpaar komplementäres baustoffwechsel bazillus -faltblattstruktur betriebsstoffwechsel bild reelles bild virtuelles bildungsgewebe bindungszentrum bioindikator biokatalysator biolumineszenz biomembran biotin blutkapillarnetz bohr-effekt brennweite brenztraubensäure bts brown sche molekularbewegung carbonsäure carrier caspary scher streifen cellulose centromer centrosom chemorezeptor chloroplast cholesterol chromosom citronensäurezyklus cluster coenzym cofaktor cytochrom cytokinese cytoskelett daten wissenschaftliche decarboxylase decarboxylierung denaturierung deplasmolyse determination diagramm dialyse dichtegradient dichtegradientenzentrifugation dictyosom differentialzentrifugation differenzierung diffusion diffusion erleichterte dipeptid disaccharid dissimilation dna doping doppelhelix drüsenzelle register einzeller eizelle elektronenmikroskopie elodea emulsion endergonisch endocytose endoplasmatisches retikulum endosymbiontentheorie endosymbiose endoxidation endprodukthemmung energie energieausbeute energiehaushalt energiestoff energieumsatz energieversorgung ngelhardt ladimir enzym enzymaktivität enzymregulation epidermis epithel erythrocyt essigsäure aktivierte eudorina euglena eukaryot exergonisch exkretion exocytose exotherm fad fettgewebe braunes fettsäure essenzielle fettsäure gesättigte fettsäure ungesättigte filament flavin-adenin-dinucleotid fledermaus fluid-mosaik-modell fluoreszenz fluoreszenzmikroskopie flüssig-szintillationsmessung fortpflanzung geschlechtliche fortpflanzung ungeschlechtliche fotobleichverfahren fotorezeptor fragestellung furchung -phase -phase gärung gefrierbruchtechnik geißel gelelektrophorese genaktivierung gicht gleitfilamenttheorie globin glucose glykogen glykokalyx glykolipid glykolyse golgi-apparat gonium grundumsatz gruppe funktionelle gruppe prosthetische urdon ertrand häm ämmerling oachim hämocyanin hämoglobin hämoglobin fetales arden rthur hautatmung hautzelle hemmung allosterische hemmung irreversible hemmung kompetitive hemmung nicht kompetitive hemmung reversible holoenzym homogenat homoiothermie homöosmotisch homöostase hydrolyse hydrophil hydrophob hydroxylgruppe hypertonisch hyperventilation hypothese hypotonisch hypoxanthin

immunabwehr insekt insulin intermediärfilament intermembranraum interphase isotonisch istwert kalorimetrie direkte kalorimetrie indirekte kanal katalase katalysator keimling kiemen kinetochor knochenzelle knorpelzelle kohlenhydrat kohlenstoffdioxid kohlenstoffdioxidpartialdruck kohlenstoffisotop kohlenwasserstoffverbindung kokken kompartiment kompartimentierung körpergröße körperkerntemperatur krafttraining krallenfrosch kreatin kresse kutikula lactase lactose lactoseintoleranz laubblatt lecithin leistungsstoffwechsel lichtmikroskopie linse lipid lipiddoppelschicht luciferase lunge lupe lymphe lysosom membran membran selektiv permeable membran semipermeable membranfluss eselson atthew metaphase micelle michaelis-menten-konstante mikroskop mikrotubulus milchsäuregärung mitochondrium mitose modell molekülaustausch mollusk monosaccharid mosaikgrünalge motorische endplatte motorprotein multienzymkomplex murein muskel muskelbündel muskelfaser muskelfaserbündel muskelkontraktion muskeltypen myofibrille myoglobin myosin myosinfilament nad nervenzelle icolson arth nikotinamid-adenindinucleotid nucleinsäure nucleotid nucleus objektiv okular oligopeptid organismus vielzelliger osmoregulation osmose oxalessigsäure oxidation palisadenzelle pantoffeltierchen pantothensäure paramecium partialdruck asteur ouis peptid peptidbindung pflanzenatmung pflanzenzelle phagocytose phänomen phospholipid phosphorylierung ph-wert plasmabrücke plasmid plasmolyse pluripotenz poikiloosmotisch poikilothermie polypeptid polysaccharid präparat primärstruktur prokaryot prophase protease protein protein integrales protein peripheres protonengradient pyrodoxin quartärstruktur rasterelektronenmikroskop reaktionsgeschwindigkeitstemperatur-regel edi rancesco redoxreaktion reduktion replikation resorption respiratorischer quotient rgt-regel ribosom rq-wert rubisco ruhestoffwechsel saccharid saccharomyces saccharomyces cerevisiae saccharose salzmelde salzwiese sarkomer sauerstoff sauerstoffbindung sauerstoffkonzentration sauerstoffpartialdruck sauerstoffversorgung chleiden atthias schlüssel-schloss-prinzip chnepf berhard chwann heodor schwermetall screening sedimentation sekundärstruktur inger eymour sollwert sonde molekulare spermium s-phase spindelapparat spirille tahl rank stammzelle sted-mikroskopie stoffund energieumwandlung stoffwechsel strukturformel substratinduktion substratspezifität summenformel symport synthesephase szintillator taucher aylor erbert teilung dispersive teilung konservative teilung semikonservative telophase temperatur temperaturabhängig tertiärstruktur thiamin tierversuch tierzelle tonoplast totipotenz tracer

register transmissionselektronenmikroskop tem transport aktiver transport passiver transport sekundär aktiver tunnelprotein ubichinon ultradünnschnitttechnik ultramikrotom ultrazentrifuge urease urzeugung vakuole vakuole pulsierende vallisneria van eeuwenhoek ntony verdrängungshemmung vesikel irchow udolph volvox wasserstoffbrückenbindung wechselwarm wechselzahl wimper winterschlaf wirkungsspezifität 13 register xanthinoxidase oung illiam zellatmung zelldifferenzierung zelle differenzierte zelle pflanzliche zelle pluripotente zelle tierische zelle totipotente zelle undifferenzierte zellfusionsverfahren zellkern zellkolonie zellkultur zellsaftvakuole zelltheorie zelltod programmierter zellzyklus zentrifugation zentrum aktives zentrum katalytisches

13 bildnachweis u1.1 getty images rf glowimages münchen u1.2 corbis jeff kerr/science photo library düsseldorf u1.3 corbis andrew syred/science photo library düsseldorf klett-archiv aribert jung stuttgart focus thomas deerinck ncmir/spl hamburg avenue images gmbh photodisc hamburg shutterstock bikeriderlondon new york ny thinkstock istock/nikesidoroff münchen okapia nigel cattlin/holt studios frankfurt marcus sommer somso modelle gmbh coburg shutterstock elena ray new york ny 8.3a focus dr george chapman visuals unlimited/spl hamburg 8.3b focus dr kenneth miller/spl hamburg ©3b scientific gmbh 2014 hamburg 8.6a 8.6b klett-archiv jürgen markl stuttgart 10.1 ullstein bild gmbh imagebroker net/ michael weber berlin 10.2 klett-archiv aribert jung stuttgart 10.3 corbis dennis kunkel microscopy inc./visuals unlimited düsseldorf 11.1 shutterstock lebendkulturen.de new york ny 11.2 focus dr alexey khodjakov/science photo library hamburg 12.2 gemeinfrei 13.3a mauritius images microscan/phototake mittenwald 13.3b getty images de agostini picture library münchen 14.1 fotolia.com philipp sürth new york 14.2 klettarchiv ekkehard schmale stuttgart 14.3 klett-archiv aribert jung stuttgart 15.4 focus spl/dr alexey kodjakov hamburg 18.1a corbis visuals unlimited düsseldorf 18.1b corbis thomas deerinck/visuals unlimited düsseldorf 18.2 focus professors motta naguro/spl hamburg 19.3 getty images photo researchers/biophoto associates münchen 19.5 okapia nas/ dr fawcett frankfurt 23.5 focus pascal goetgheluck/ science photo library hamburg 25.4 diez prof dr stefan maxplanck-institute of molecular cell biology and genetics dresden aus biomolecular motors operating in engineered environments helenius diez howard in nanobiotechnology eds mirkin niemeyer.,hoboken usa,wiley 2004),185-199 ch 26.1 panthermedia gmbh martin kreutz münchen 26.3 klettarchiv aribert jung stuttgart 27.1a 27.1b gemeinfrei 27.1c focus spl/frank fox hamburg 28.1 focus andrew syred/spl hamburg 29.1a getty images visuals unlimited/dr gladden willis münchen 29.1b okapia cnri frankfurt 30.1 okapia kwangshin kim/nas frankfurt 32.2 32.3 berger-seidel prof dr sigrid heidelberg 33.1 berger-seidel prof dr sigrid heidelberg 35.3 focus dr gopal murti/spl hamburg 37.2 focus lawrence lawry/spl hamburg 38.1 38.2 38.3 38.4 38.5 focus pr gimenez-martin/spl hamburg 39.1 focus dr alexey khodjakov/ science photo library hamburg 40.2 shutterstock nejron photo new york ny 41.2 geoff gallice gainesville fl 42.rd glow images gmbh sciencephotolibrary münchen 43.1 getty images the image bank/siqui sanchez münchen 43.2 fraunhofer igb stuttgart 45.4 shutterstock optimarc new york ny 46.rd laif thorsten futh köln 50.1 ullstein bild gmbh grabowsky berlin 50.2 laif ronald frommann köln 51.3 shutterstock mamamiapl new york ny 51.4 klett-archiv nature science ag/mangler stuttgart 53.3 53.4 klett-archiv aribert jung stuttgart 54.1 klettarchiv horst bickel stuttgart 54.2 okapia konrad wothe frankfurt 54.3 shutterstock lebendkulturen.de new york ny 55.4a 55.4c corbis visuals unlimited düsseldorf 55.4b getty images custom medical stock photo münchen 55.6 keystone zick hamburg 56.1 getty images photo researchers/don fawcett münchen 58.1 okapia nas/dr fawcett frankfurt 59.6 timothy byers and daniel branton visualization of the protein associations in the erythrocyte membrane skeleton proc natl acad sci usa vol pp 6153-6157 1985 6155 fig 2a 61.rd corbis dennis kunkel microscopy inc./visuals unlimited düsseldorf 62.1 fotolia.com team new york 63.1 getty images national geographic/jim richardson münchen 63.2 okapia nigel cattlin/holt studios frankfurt 64.2 getty images photo researchers/don fawcett münchen 68.1 mauritius images biophoto associates/photo researchers inc mittenwald 69.7 focus eye of science meckes/ottawa hamburg 70.1 ullstein bild gmbh kpa berlin 70.2 thinkstock istockphoto münchen 70.3 thinkstock goodshoot münchen 71.1 focus thomas deerinck ncmir/spl hamburg 71.2 shutterstock and dudzinscy new york ny 72.2 shutterstock htu new york ny 74.1 fotolia.com marina lohrbach new york 79.3 picture-alliance wildlife frankfurt 81.i getty images rf photodisc münchen 84.1 das fotoarchiv knut mueller essen 84.2 picture-alliance dpa/nestor bachmann frankfurt 84.3 brain ag zwingenberg 84.4 bigstockphoto.com tomfreeze davis ca 85.6 shutterstock hjschneider new york ny 86.1 thermografie schlosser altenkirchen-fluterschen 86.2 getty images photo researchers/ edward kinsman münchen 87.4 corbis tim davis düsseldorf 88.1 your photo today phanie taufkirchen 90.1 getty images national geographic/barry bishop münchen 91.rd corbis visuals unlimited/dennis kunkel microscopy inc düsseldorf 93.1 panthermedia gmbh thomas lammeyer münchen 93.4 fotolia.com ozgur new york 96.1 corbis visuals unlimited düsseldorf 96.2 picture-alliance bsip/sercomi frankfurt 97.1 fotolia.com monkey business new york 98.1 shutterstock jason stitt new york ny 105.2 fotolia.com victoria new york 106.2 fotolia.com printemps new york 107.1 fotolia com steve byland new york 107.2 gemeinfrei 110.1 thinkstock istockphoto münchen 110.2 110.3 110.4 thermografie schlosser altenkirchen-fluterschen 111.1 shutterstock wim claes new york ny 114.1 imago chai v.d laage berlin 115.4 imago euroluftbild.de berlin 116.1 ullstein bild gmbh zöllner berlin 117.1 dreamstime.com yanlev brentwood tn 118.5 imago blickwinkel berlin 119.9 thinkstock istock/david lee münchen 121.3 thinkstock fuse münchen 122.1 corbis dennis kunkel microscopy inc./visuals unlimited düsseldorf 122.2 focus professors motta naguro/spl hamburg 124.1 mauritius images science source/michael abbey/photo researchers inc mittenwald 124.2 focus alexey khodjakov/science photo library hamburg 125.5 getty images visuals unlimited/adam jones münchen 125.6 die bildstelle rex features ltd hamburg sollte es in einem einzelfall nicht gelungen sein den korrekten rechteinhaber ausfindig zu machen so werden berechtigte ansprüche selbstverständlich im rahmen der üblichen regelungen abgegolten

natura biologie einführungsphase mit diesem buch erlernen sie inhalte und methoden der biologie auf vielfältige und spannende weise faszinierend und aktuell die inhalte zeigen den neuesten stand der forschung präzise die aufgaben helfen ihnen ihren wissensstand einzuschätzen und auszubauen effektiv mit natura können sie sich optimal auf klausuren vorbereiten isbn 3-12045451 -9