Lösungen zur Unterrichtseinheit Verdauung

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1 Lösungen zur Unterrichtseinheit Verdauung 1 Das Grundprinzip Aufgabe mechanische und chemische Zerkleinerung Mechanische Zerkleinerung: durch Zähne, peristaltische Bewegungen der Speiseröhre, des Magens und des Darms Chemische Zerkleinerung: durch Enzyme in der Mundhöhle, im Magen und im Darm 2 Übersicht über die Verdauung und die Organe des Verdauungssystems Aufgabe Übersicht Organe des Verdauungssystems A) Beschriften Sie mit Hilfe der aufliegenden Bücher die Organe des Verdauungssystems (Abb. 1). C) Mit Schnur sind die Originallängen der Organe des Rumpfteils dargestellt. Benennen Sie die einzelnen Teile und entwickeln Sie ein Gefühl für die Längenverhältnisse. Speiseröhre, ca. 25 cm Magen, ca. 20 cm Dünndarm, ca cm, als erster Abschnitt davon der Zwölffingerdarm, ca cm Dickdarm, ca. 130 cm Enddarm, ca. 25 cm 1 KST HAT

2 Zähne Unterzungenspeicheldrüse Ohrspeicheldrüse Zunge Unterkieferspeicheldrüse Speiseröhre Leber Gallenblase Zwölffingerdarm Magen Bauchspeicheldrüse Dickdarm Dünndarm Blinddarm Wurmfortsatz Enddarm Abb. 1: Organe des Verdauungssystems After, Anus 2 KST HAT

3 3 Der Kopfteil des Verdauungssystems 3.1 Mundhöhle und Speicheldrüsen Mundschleimhaut Aufgabe Mundschleimhaut-Ausstrich Zellmembran Zellkern Zellplasma Bakterien Eine Mundschleimhautzelle hat einen Durchmesser von ca mm = 80 µm. (Lösungsweg: Der Gesichtsfelddurchmesser beträgt bei 600-facher Vergrösserung 0.3 mm, eine die Länge einer Mundschleimhautzelle beträgt schätzungsweise einen Viertel des Gesichtsfelddurchmessers, also 0.08 mm.) Die Bakterien weisen eine Länge von ca. 3 µm auf. (Lösungsweg: Die Länge einer Bakterienzelle beträgt schätzungsweise einen Dreissigstel der Länge einer Mundschleimhautzelle. Somit beträgt die Länge der Bakterienzelle ca. 3 µm Zunge Aufgabe Zungenmuskeln Unten abgebildet finden Sie drei Aussenmuskeln der Zunge. Nennen Sie für jeden Muskel die Richtung, in welche er die Zunge bei Kontraktion (= sich zusammenziehen) zieht. nach vorne, unten nach hinten, unten nach hinten, tendenziell oben 3 KST HAT

4 Experiment Geschmackssinn Diese Aufgabe lösen Sie zu zweit. Der Versuchsperson werden die Augen verbunden. Zu Beginn jedes Durchganges hält sich die Versuchsperson die Nase zu. Nun wird der Versuchsperson jeweils mit dem Löffelstil wenig (!!!) der zu testenden Stoffe in beliebiger Reihenfolge gereicht. Die Versuchsperson muss nun innerhalb von 10 Sekunden angeben, um welchen Stoff es sich handelt. Sie soll dazu das Gemisch aus Stoff und Speichel über die ganze Zungenoberfläche rollen lassen. Nach 10 Sekunden soll die Versuchsperson die Nase öffnen. Halten Sie die Resultate tabellarisch fest. Bevor die Versuchsperson das nächste Gewürz testet, muss sie vorgängig ihre Zunge mit Wasser neutralisieren. Wie können Sie die Stoffe besser identifizieren mit geschlossener oder offener Nase? Gelten Ihre Beobachtungen für alle Stoffe gleichermassen? Wie interpretieren Sie Ihre Resultate? Wir erwarten, dass Zucker und Salz auch bei geschlossener Nase identifiziert werden können, da bestimmte Sinneszellen der Geschmacksknospen süss resp. salzig feststellen können. Bei Zimt und Pfeffer sind keine Sinneszellen in den Geschmacksknospen vorhanden, welche Bestandteile dieser Gewürze feststellen könnten. Wird die Nase hingegen geöffnet, gelangen flüchtige Stoffe via Rachen zum Geruchssinnesorgan der Nase, worauf wir die Gewürze identifizieren können. Aromat enthält Salz und Natriumglutamat, welche von bestimmten Sinneszellen der Geschmacksknospen festgestellt werden können. Als Aromat kann das Stoffgemisch erst identifiziert werden, nachdem via Luftzirkulation flüchtige Stoffe zum Geruchssinnesorgan der Nase emporsteigen konnten. Fazit: Der typische Gesamteindruck einer Speise entwickelt sich durch die gleichzeitige Reizung des Geschmacks- und Geruchssinnesorgans Zähne Aufgaben Zähne A) Zahnformel eines Erwachsenen Menschen: (2 Schneidezähne, 1 Eckzahn, 2 Vorbackenzähne, 3 Backenzähne ) x 4 = 32 Zähne Kurzform: (2, 1, 2, 3) x 4 = 32 Bemerkung: Der hinterste Backenzahn wird als Weisheitszahn bezeichnet und zeigt oft Rückbildungserscheinungen: Häufig ist er gar nicht vorhanden oder erst im Erwachsenenalter ausgebildet. B) Zahnformel eines fünfjährigen Kindes. (2 Milch-Schneidezähne, 1 Milch-Eckzahn, 2 Milch-Backenzähne) x 4 = 20 Die Vorbackenzähne fehlen! Bemerkung: In den noch sehr kleinen Kiefern eines Babys oder Kleinkindes fänden die vergleichsweise wesentlich größeren bleibenden Zähne keinen Platz, weder hinsichtlich der Zahnbreite noch hinsichtlich der Wurzellänge. Aus diesem Grunde entsteht zunächst 4 KST HAT

5 ein Milchgebiss, das dann mit wachsender Kiefergröße nach und nach durch das bleibende Gebiss ersetzt wird. C) Was geht bei einer Karieserkrankung des Zahns vor sich? Bei einer Karieserkrankung wird der Zahnschmelz und in einem späteren Stadium auch das Dentin abgebaut. Menschen erkranken an Karies, wenn fünf Hauptfaktoren zusammenwirken: o Wirtsfaktoren (Zähne, Mineralqualität, Speichelfaktoren, Verhalten) o Plaque o kariogene Bakterien o niedermolekulare Kohlenhydrate (besonders in Zucker und gezuckerten Speisen enthalten) o genügend Zeit In der Plaque siedeln sich Laktobazillen und verschiedene Streptokokkenarten an. Herausragend ist Streptococcus mutans. Diese Mikroorganismen produzieren aus niedermolekularen Kohlenhydraten organische Säuren, die den Zahn angreifen, indem sie die in der Zahnhartsubstanz vorhandenen Mineralien herauslösen. Zucker aus der Nahrung wird dabei zu Milchsäure abgebaut. Bemerkung: Von grosser Wichtigkeit für die Zahngesundheit sind ausreichende Pausen zwischen den Mahlzeiten (oder dem Trinken zuckerhaltiger Getränke), in denen der Speichel die Säuren neutralisieren und die angegriffene Zahnsubstanz remineralisieren kann. Es kommt also nicht so sehr auf die Menge des konsumierten Zuckers an, sondern vor allem auf die Häufigkeit und Dauer des Zuckerkonsums. Eine über den Tag verteilte Dosis eines zuckerhaltigen Erfrischungsgetränkes erhöht das Kariesrisiko beträchtlich, da dadurch dem Zahnschmelz die Regenerationsphasen genommen werden. Bemerkung: Übernehmen Sie in Ihre Unterlagen lediglich die Ihrer Ansicht nach wichtigsten Punkte der Lösung. Weshalb können bei Nichtbehandlung Zahnschmerzen die Folge sein? Wenn der Abbau von Dentin vorgeschritten ist, können bspw. durch süsse Speisen die Nerven der Zahnhöhle in Kontakt. Auch eine Entzündung der Nerven der Zahnhöhle können Schmerzen verursachen. 5 KST HAT

6 3.1.4 Die Speicheldrüsen Aufgabe Speicheldrüsen A) Schreiben Sie mit Hilfe des untenstehenden Textes die Speicheldrüsen an. Ohrspeicheldrüse Unterzungenspeicheldrüse Unterkieferspeicheldrüse B) Welcher Vorteil hat es, die sauren Nahrungsbestandteile im Mund zu neutralisieren, wenn sie im Magen doch wieder mit dem sehr sauren Magensaft vermischt werden? Tipp: Die Antwort hat mit den Werkzeugen im Mund zu tun. Säuren greifen das Dentin und den Zahnschmelz der Zähne an. Damit dies möglichst verhindert werden kann, werden saure Nahrungsbestandteile durch den Speichel neutralisiert. C) Erläutern Sie, woher die Stärke und das Glykogen stammen, welche mit der Nahrung aufgenommen wird. Stärke stammt von pflanzlicher, Glykogen von tierischer und pilzlicher Nahrung. Experiment Brotstück Überlegen Sie sich: Was kann man feststellen, wenn man ein Brotstück sehr lange im Mund kaut? Halten Sie Ihre Vermutungen schriftlich fest und probieren Sie s nachher selber aus. Durch die Aktivität der Speichel-Amylase werden Maltosemoleküle von den Stärkemolekülen abgespalten, wodurch Brot nach längerem Kauen süsslich schmeckt. 6 KST HAT

7 Experiment Speichel und Mehl Hypothese individuell Was erwarte ich für Versuchsresultate? Wieso erwarte ich diese Resultate? Resultate Was sind die Versuchsresultate? Beschreiben Sie die Resultate genau. Verzichten Sie aber strikt auf die Interpretation/Angabe von Gründen! Die mit Speichel bestrichenen Bereiche bleiben nach Lugol-Zugabe hell, die nicht bestrichenen Bereiche färben sich nach Lugol-Zugabe dunkel. Interpretation Erklären Sie die Resultate. Was sind die Gründe für diese Resultate? Entsprechen die Resultate Ihrer Hypothese? Wenn nein, wieso nicht? Die Speichelamylase des Speichels spaltet Stärkemolekülen in Maltosemoleküle. Dieser Prozess läuft an Orten ab, auf welche Speichel gestrichen wurde. Lugol färbt Stärke an, nicht jedoch Maltose. Daher bleiben die mit Speichel bestrichenen Stellen hell. An den unbestrichenen Stellen wird die nach wie vor vorhandene Stärke dunkel angefärbt. 3.2 Rachen und Schluckvorgang Aufgabe Rachen A) Nummerieren Sie die Abbildung 8 entsprechend der Legende. 1) Zunge 2) Bolus 3) Rachen 4) Kehlkopfdeckel 5) offene Luftröhre 1) 3) 2) 4) 6) Luftröhre 7) Speiseröhre 8) zur Lunge 9) zum Magen 10) verschlossene Luftröhre 5) 6) 7) 8) 9) 4) 10) Abb. 2: Anatomie des Rachens und Schluckvorgang B) Zeichnen Sie in der linken Abbildung den Weg der Luft ein, wenn Sie einatmen, resp. ausatmen. Können Sie gleichzeitig Atmen und Schlucken? Begründen sie Ihre Antwort. Nein, wir können nicht gleichzeitig Atmen und Schlucken, da sich der Luftweg und der Speiseweg überkreuzen und in Bereichen des Rachens gemeinsam verlaufen. 7 KST HAT

8 4 Wirkungsweise und Bedeutung von Enzymen 4.1 Biokatalyse durch Enzyme Aufgaben Enzyme 1) Beschreiben Sie den chemischen Aufbau eines Stärkemoleküls. Verzweigte oder unverzweigte Ketten aus Glukose-Molekülen. 2) Beschreiben Sie den chemischen Aufbau eines Maltosemoleküls. Zweifachzucker aus 2 Glukose-Molekülen 3) Erklären Sie unter Bezugnahme der Abbildung, was man unter der Aktivierungsenergie versteht. Die Aktivierungsenergie ist die Energie, die zugeführt werden muss, damit eine Reaktion startet. 4) Definieren Sie den Begriff Enzym. Ein Enzym ist ein Wirkstoff, der eine chemische Reaktion durch Absenken der Aktivierungsenergie beschleunigt und unverändert aus der Reaktion hervorgeht. 5) Was versteht man unter den Begriffen Primär-, Sekundär- und Tertiärstruktur? Erklären anhand der Abbildung. A: Primärstruktur: Abfolge der Aminosäuren = Aminosäuresequenz B u. C: Sekundärstrukturen (B: α-helix, B: β-faltblatt). D: Tertiärstruktur. Dreidimensionale Form des Proteins. 6) Nennen Sie zentrale Eigenschaften von Enzymen: o Welche Umgebungsbedingungen sind für das Funktionieren eines Enzyms wesentlich? ph-wert und Temperatur Bei ungünstigen Bedingungen denaturiert das Enzym, d.h. die Tertiärstruktur und Sekundärstrukturen werden zerstört, was den Funktionsverlust des Enzyms zur Folge hat. 8 KST HAT

9 o Wie zeichnet sich die Wirkung eines Enzyms aus? Enzyme sind substratspezifisch (Schlüssel-Schloss-Prinzip, aktives Zentrum) und reaktionsspezifisch (= wirkungsspezifisch, d.h. nur eine bestimmte Reaktion wird katalysiert). 7) Erläutern Sie den Begriff aktives Zentrum Das aktive Zentrum ist der eng umgrenzte Bereich, in dem die Reaktion stattfindet (siehe Abbildung). 8) Beschriften Sie die Abbildungen A, B, C und D auf Seite 9 (rechte Spalte). A Experiment zum Nachweis der Stärke spaltenden Speichel-Amylase. B ph-abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit eines Enzyms. C (Bänder-)Modell der Amylase (anhand des Bändermodells können die Sekundärstrukturen und die Tertiärstruktur dargestellt werden). D Enzymzyklus: Stärke wird im aktiven Zentrum gebunden, Maltose wird abgespalten, das Enzym geht unverändert aus der Reaktion hervor. 5 Der Rumpfteil des Verdauungssystems 5.1 Die Speiseröhre Experiment Trinken im Handstand? Kann man auch im Handstand trinken? Probieren Sie es aus! Erklären Sie danach das Resultat. Ja! Aufgrund der Zungenbewegung, welche die Flüssigkeit in der Mundhöhle nach hinten schiebt, und der peristaltischen Bewegungen der Rachen- und Speiseröhrenmuskulatur kann man auch im Handstand trinken. Aufgabe Strumpfmodell Erklären Sie die Peristaltik am Strumpf-Modell. Benutzen Sie dazu die Begriffe Ring- und Längsmuskulatur. Die Kontraktion der Ringmuskulatur drückt Speisebrocken weiter. Die Kontraktion der Längsmuskulatur erweitert die Speiseröhre. Ring- und Längsmuskulatur sind also Gegenspieler (Antagonismus-Prinzip). 9 KST HAT

10 5.2 Der Magen Aufbau des Magens Aufgabe Bau des Magens 1. Bindegewebe 2. Längsmuskeln 3. Ringmuskeln 4. Schleimhaut 5. Speiseröhre 6. Pförtner 7. Zwölffingerdarm Abb. 3: Bau des Magens. Der Magen ist eine Erweiterung des Verdauungskanals und zeigt den typischen vierschichtigen Bau Funktionen des Magens Aufgabe Funktionen des Magens Lesen Sie die Beschreibungen der vielfältigen Funktionen des Magens und setzen Sie zu jeder Nummer eine passende Überschrift. 1. Speicher 2. Verflüssigen 3. Schutzfunktion 4. Denaturierung von Proteinen 5. Proteinverdauung 6. Schleimbildung 7. Entleerung 8. Verweilzeit 10 KST HAT

11 Aufgabe Speichelamylase im Magen Die Speichel-Amylase spaltet im Magen keine Stärke und kein Glykogen mehr. Erklären Sie, weshalb dem so ist. Durch die Salzsäure des Magens wird die Speichel-Amylase denaturiert und ist somit funktionsunfähig. Experiment Proteinverdauung im Magen Wie funktioniert die Proteinverdauung im Magen? Zur Veranschaulichung geben Sie ein paar Tropfen Zitronensaft ins Reagenzglas mit Eiklar sowie einige Tropfen ins Reagenzglas mit Milch. Was kann anhand der Vorgänge in den Reagenzgläsern zur Proteinverdauung gesagt werden? Die Säure Zitronensaft lässt Proteine denaturieren (man spricht von Gerinnung). Ebenso führt Zitronensaft zur Denaturierung der Proteine im Eiklar. Dabei wird die übliche dreidimensionale Knäuelstruktur der Proteine (Tertiärstruktur und Sekundärstrukturen) zerstört. So haben proteinverdauende Enzyme besseren Zugang zur Aminosäurekette, was die Zerlegung in die einzelnen Aminosäuren beschleunigt. Aufgabe Magengeschwür' Lesen Sie den Text zum Magengeschwür und erläutern Sie in eigenen Worten, wie es zu einem Magengeschwür kommen kann. Ursachen: Störung des Gleichgewichts zwischen Magenschleimhaut schützenden Faktoren und Magenschleimhaut angreifenden Faktoren. Häufig ist eine durch das Bakterium Heliobacter pylori hervorgerufene Schleimhautentzündung Ursache eines Magengeschwürs. Bestimmte Medikamente wie Aspirin sowie Rauchen, Stress, Genetische Faktoren und Magenmotilitätsstörungen können auch dazu beitragen. 11 KST HAT