ARBEITSBLATT 1 Ionenfalle Lösungen

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1 ARBEITSBLATT 1 Ionenfalle 1. Beschriften Sie in der Abbildung die verschiedenen Strukturen und Bereiche! Beschreiben Sie den Ablauf des Experimentes mit Neutralrot auf mikroskopischer Ebene! Neutralrot-Lösung Zellwand Protoplasma Vakuole Zellkern Man stellt zunächst ein Frischpräparat eines Zwiebelhäutchens her. Dann gibt man mit einer Pipette einen Tropfen in Leitungswasser gelösten Neutralrots neben das Deckglas und saugt den Farbstoff mit einem Streifen Filterpapier zum Zwiebelhäutchen hin. Sobald die gelbbraune Farbstofflösung eine Zelle erreicht, beginnt die Vakuole dieser Zelle sich kirschrot zu färben. Die Färbung in den Vakuolen aller betroffener Zellen wird immer intensiver, während außen die gelbbraune Farbe verblasst. 1

2 ARBEITSBLATT 1 Ionenfalle 2. Man überschichtet in einem Reagenzglas eine Lösung von Neutralrot in Leitungswasser mit Öl. Die untere wässrige Phase zeigt eine gelblich-braune Farbe, die obere ist hellgelb gefärbt. Schüttelt man nun das Reagenzglas kräftig, so zeigt sich, wenn sich das Öl wieder abgesetzt hat, dass die wässrige Phase nahezu entfärbt ist, während das Öl kräftig gelb gefärbt ist. Gibt man anschließend ein wenig verdünnte Salzsäure hinzu und schüttelt erneut, so ist nach der Trennung der Phasen das Öl wieder hellgelb, das Wasser aber kräftig kirschrot gefärbt. Ziehen Sie aus den Ergebnissen des Experimentes Schlussfolgerungen über die Eigenschaften des Farbstoffes Neutralrot! Aus dem Ergebnis des ersten Teils des Experiments kann man schließen, dass Neutralrot in Leitungswasser gelöst lipophil ist, denn das Öl wird gefärbt, die wässrige Phase entfärbt. Der zweite Teil des Experiments zeigt, dass nach Zugabe von Salzsäure, das heißt nach Senken des ph-wertes, der Farbstoff hydrophil ist, denn er löst sich nun ausschließlich im Wasser, das Öl hat seine ursprüngliche Farbe. Insgesamt ergibt sich also, dass gelbbraune Neutralrot-Lösung lipophile Moleküle enthält, die im sauren Milieu Protonen aufnehmen und sich so in hydrophile Neutralrot- Ionen umwandeln, deren Lösung kirschrot ist. 3. Beschriften Sie in der Abbildung die verschiedenen Strukturen und Bereiche! Erklären Sie anhand der Abbildung das Phänomen Ionenfalle aufgrund der Eigenschaften von Biomembranen und Neutralrot! Protoplasma Vakuole Neutralrot-Molekül Wasserkanal Neutralrot-Ion Wassermolekül

3 ARBEITSBLATT 1 Ionenfalle Das Grundgerüst einer Biomembran ist eine Lipid-Doppelschicht. Da das Neutralrot-Molekül lipophil ist, kann es sich durch diese Struktur hindurch lösen. So kann es angetrieben durch das Konzentrationsgefälle zwischen außen und innen durch Zellmembran und Tonoplast bis zur Vakuole vordringen. Der Zellsaft in der Vakuole hat einen niedrigen ph-wert. Die gelbbraunen Neutralrot-Moleküle nehmen hier Protonen auf und werden dadurch zu kirschroten Neutralrot-Ionen. Für geladene Teilchen ist die Biomembran aber höchst undurchlässig. Sie können nur durch spezielle Ionenkanäle die Membran passieren. Für Wassermoleküle liegen zahlreiche Wasserkanäle vor, die einen raschen Durchtritt von Wasser durch Biomembranen ermöglichen. Da es solche Kanäle für Neutralrot-Ionen nicht gibt, sind diese Teilchen in der Vakuole gefangen. Weil sich in der Vakuole also keine Neutralrot-Moleküle befinden, bleibt das Konzentrationsgefälle für diese Teilchen bestehen. Daher werden zumindest theoretisch so lange Neutralrot-Moleküle in die Ionenfalle gelockt, bis ihre Konzentration außen auf Null gesunken ist. 3

4 ARBEITSBLATT 2 Plasmolyse/Deplasmolyse 1. Beschriften Sie in der Abbildung die verschiedenen Strukturen und Bereiche! Welcher Zustand der Zelle ist dargestellt? Beschreiben Sie den Ablauf von Plasmolyse und Deplasmolyse auf mikroskopischer Ebene! Glucose-Lösung Zellwand Protoplasma Vakuole Zellkern In der Abbildung ist der Endzustand einer Plasmolyse dargestellt. Ausgangsmaterial ist ein Frischpräparat eines Zwiebelhäutchens, dass mit Neutralrot angefärbt wurde. Saugt man nun Glucose-Lösung unter das Deckglas, so beginnt das Protoplasma sich von der Zellwand zu lösen: Die Plasmolyse setzt ein. Dies geschieht zunächst in den Ecken, schließlich auf allen Seiten. Ursache für diesen Vorgang ist offenbar ein Schrumpfen der Vakuole, die nun intensiver kirschrot gefärbt ist als vor dem Experiment. Führt man nun dem Präparat Aqua dest. zu, so ist zu beobachten, dass sich die Vakuole ausdehnt und dadurch das Protoplasma wieder an die Zellwand gedrückt wird. Am Ende dieser Deplasmolyse sehen die Zellen genau so aus wie vor Beginn des Plasmolyse- Experimentes.

5 ARBEITSBLATT 2 Plasmolyse/Deplasmolyse 2. Beschriften Sie in der Abbildung die verschiedenen Strukturen und Bereiche! Erklären Sie anhand der Abbildung die Vorgänge bei Plasmolyse und Deplasmolyse aufgrund der Eigenschaften von Biomembranen! Protoplasma Wassermolekül Wasserkanal Neutralrot-Ion Vakuole Wenn man zu dem Präparat des Zwiebelhäutchens Glucose-Lösung gibt, so dringt diese infolge der Omnipermeabilität der Zellwand bis zur Zellmembran vor. Es besteht nun ein Gradient für Glucose-Moleküle zwischen dem Außenmedium und dem Zellsaft in der Vakuole. Gleichzeitig entsteht ein Konzentrationsgefälle von innen nach außen für Wassermoleküle. Da Biomembranen für hydrophile Teilchen wie Glucose-Moleküle inpermeabel sind und auch keine speziellen Carrier für Glucose vorliegen, kann kein Konzentrationsausgleich durch Diffusion der Glucose-Moleküle erfolgen. Dagegen enthalten die Biomembranen für Wassermoleküle spezielle Kanäle, die diesen Teilchen einen raschen Durchtritt ermöglichen. Daher führt das Konzentrationsgefälle für Wassermoleküle zwischen Zellsaft und Außenmedium zu einem Wasserausstrom aus der Vakuole. Gibt man nun Aqua dest. hinzu, so erzeugt man ein starkes Konzentrationsgefälle für Wassermoleküle zwischen dem Außenmedium und dem Zellsaft. Da Wassermoleküle die Biomembranen passieren können, strömen zum Ausgleich des Gradienten rasch Wassermoleküle von außen in die Vakuole und füllen diese wieder auf. 2

6 ARBEITSBLATT 2 Plasmolyse/Deplasmolyse 3. Nachdem bei der Plasmolyse zunächst ein starker Wasserverlust der Vakuole auftritt, stellt sich allmählich ein Gleichgewichtszustand ein, bei dem sich Ausstrom und Einstrom von Wassermolekülen die Waage halten. Entsprechend wird bei der Deplasmolyse der zunächst starke Einstrom von Wasser in die Vakuole schließlich durch einen Gleichgewichtszustand abgelöst. Stellen Sie dar, welche Kräfte zu diesen Gleichgewichtszuständen führen! Wenn bei der Plasmolyse Wasser die Vakuole verlässt, nimmt dort die Konzentration gelöster Teilchen zu: Das osmotische Potenzial des Zellsaftes erhöht sich. Gleichzeitig nimmt im Außenmedium durch den Zufluss von Wasser die Konzentration gelöster Teilchen ab, das osmotische Potenzial der Lösung wird geringer. Dies führt schließlich dazu, dass die osmotischen Potenziale von Zellsaft und Außenmedium gleich sind, sodass sich ein Gleichgewicht zwischen Einstrom und Ausstrom einstellt. Führt man einer plasmolysierten Zelle Aqua dest. zu, so steht nun dem hohen osmotischen Potenzial des Zellsaftes im Außenmedium ein ganz geringes osmotisches Potenzial gegenüber. Dies führt zu einem lebhaften Einstrom von Wasser, der aber diesmal nicht zu einem Gleichstand der osmotischen Potenziale führen kann, da dieses außen niedrig bleibt. Die Kraft, die dem Wassereinstrom entgegenwirkt und schließlich die Deplasmolyse beendet, ist der Wanddruck. Wenn das Protoplasma sich bis zur Zellwand ausgedehnt hat, erhöht sich der Wanddruck. Sobald der Wert des Wanddruckes dem des osmotischen Potenzials des Zellsaftes entspricht die Vorzeichen sind entgegengesetzt ist kein weiterer Wassereinstrom in die Vakuole mehr möglich. Ein- und Ausstrom von Wassermolekülen sind nun im Gleichgewicht.

7 ARBEITSBLATT 2 Plasmolyse/Deplasmolyse 1. Beschriften Sie in der Abbildung die verschiedenen Strukturen und Bereiche! Welcher Zustand der Zelle ist dargestellt? Beschreiben Sie den Ablauf von Plasmolyse und Deplasmolyse auf mikroskopischer Ebene! Glucose-Lösung Zellwand Protoplasma Vakuole Zellkern In der Abbildung ist der Endzustand einer Plasmolyse dargestellt. Ausgangsmaterial ist ein Frischpräparat eines Zwiebelhäutchens, dass mit Neutralrot angefärbt wurde. Saugt man nun Glucose-Lösung unter das Deckglas, so beginnt das Protoplasma sich von der Zellwand zu lösen: Die Plasmolyse setzt ein. Dies geschieht zunächst in den Ecken, schließlich auf allen Seiten. Ursache für diesen Vorgang ist offenbar ein Schrumpfen der Vakuole, die nun intensiver kirschrot gefärbt ist als vor dem Experiment. Führt man nun dem Präparat Aqua dest. zu, so ist zu beobachten, dass sich die Vakuole ausdehnt und dadurch das Protoplasma wieder an die Zellwand gedrückt wird. Am Ende dieser Deplasmolyse sehen die Zellen genau so aus wie vor Beginn des Plasmolyse- Experimentes.

8 ARBEITSBLATT 2 Plasmolyse/Deplasmolyse 2. Beschriften Sie in der Abbildung die verschiedenen Strukturen und Bereiche! Erklären Sie anhand der Abbildung die Vorgänge bei Plasmolyse und Deplasmolyse aufgrund der Eigenschaften von Biomembranen! Protoplasma Wassermolekül Wasserkanal Neutralrot-Ion Vakuole Wenn man zu dem Präparat des Zwiebelhäutchens Glucose-Lösung gibt, so dringt diese infolge der Omnipermeabilität der Zellwand bis zur Zellmembran vor. Es besteht nun ein Gradient für Glucose-Moleküle zwischen dem Außenmedium und dem Zellsaft in der Vakuole. Gleichzeitig entsteht ein Konzentrationsgefälle von innen nach außen für Wassermoleküle. Da Biomembranen für hydrophile Teilchen wie Glucose-Moleküle inpermeabel sind und auch keine speziellen Carrier für Glucose vorliegen, kann kein Konzentrationsausgleich durch Diffusion der Glucose-Moleküle erfolgen. Dagegen enthalten die Biomembranen für Wassermoleküle spezielle Kanäle, die diesen Teilchen einen raschen Durchtritt ermöglichen. Daher führt das Konzentrationsgefälle für Wassermoleküle zwischen Zellsaft und Außenmedium zu einem Wasserausstrom aus der Vakuole. Gibt man nun Aqua dest. hinzu, so erzeugt man ein starkes Konzentrationsgefälle für Wassermoleküle zwischen dem Außenmedium und dem Zellsaft. Da Wassermoleküle die Biomembranen passieren können, strömen zum Ausgleich des Gradienten rasch Wassermoleküle von außen in die Vakuole und füllen diese wieder auf. 2

9 ARBEITSBLATT 2 Plasmolyse/Deplasmolyse 3. Nachdem bei der Plasmolyse zunächst ein starker Wasserverlust der Vakuole auftritt, stellt sich allmählich ein Gleichgewichtszustand ein, bei dem sich Ausstrom und Einstrom von Wassermolekülen die Waage halten. Entsprechend wird bei der Deplasmolyse der zunächst starke Einstrom von Wasser in die Vakuole schließlich durch einen Gleichgewichtszustand abgelöst. Stellen Sie dar, welche Kräfte zu diesen Gleichgewichtszuständen führen! Wenn bei der Plasmolyse Wasser die Vakuole verlässt, nimmt dort die Konzentration gelöster Teilchen zu: Das osmotische Potenzial des Zellsaftes erhöht sich. Gleichzeitig nimmt im Außenmedium durch den Zufluss von Wasser die Konzentration gelöster Teilchen ab, das osmotische Potenzial der Lösung wird geringer. Dies führt schließlich dazu, dass die osmotischen Potenziale von Zellsaft und Außenmedium gleich sind, sodass sich ein Gleichgewicht zwischen Einstrom und Ausstrom einstellt. Führt man einer plasmolysierten Zelle Aqua dest. zu, so steht nun dem hohen osmotischen Potenzial des Zellsaftes im Außenmedium ein ganz geringes osmotisches Potenzial gegenüber. Dies führt zu einem lebhaften Einstrom von Wasser, der aber diesmal nicht zu einem Gleichstand der osmotischen Potenziale führen kann, da dieses außen niedrig bleibt. Die Kraft, die dem Wassereinstrom entgegenwirkt und schließlich die Deplasmolyse beendet, ist der Wanddruck. Wenn das Protoplasma sich bis zur Zellwand ausgedehnt hat, erhöht sich der Wanddruck. Sobald der Wert des Wanddruckes dem des osmotischen Potenzials des Zellsaftes entspricht die Vorzeichen sind entgegengesetzt ist kein weiterer Wassereinstrom in die Vakuole mehr möglich. Ein- und Ausstrom von Wassermolekülen sind nun im Gleichgewicht.

10 ARBEITSBLATT 3 Darmepithelzelle 1. Beschriften Sie in der Abbildung die verschiedenen Strukturen und Bereiche! tight junction Mikrovilli K + -Ion K + -Kanal Na + -Glucose-Symporter Na + -Ion Glucose-Carrier Transportproteine Glucose- Molekül Na + -K + -Pumpe Darmlumen Darmepithel extrazelluläre Flüssigkeit 2. Stellen Sie die Bedeutung der Transportproteine dar, die nicht unmittelbar am Transport der Glucose beteiligt sind! Die Natrium-Kalium-Ionenpumpen sind nicht unmittelbar am Transport der Glucose beteiligt. Ihre Aktivität liefert aber die Energie für den Eintransport der Glucose aus dem Darmlumen über den Natriumionen-Glucose-Symporter, indem sie unter ATP-Verbrauch einen Natriumionen-Gradienten aufbauen. Auch die Kalium-Ionenkanäle sind nicht unmittelbar beteiligt. Sie ermöglichen aber den Kalium-Ionen, die von den Natrium-Kalium-Ionenpumpen im Austausch gegen Natrium-Ionen eingeschleust werden, die Darmepithelzelle zu verlassen. Nur so bleiben die Konzentrationen der Kalium-Ionen im Cytosol und in der extrazellulären Flüssigkeit im Gleichgewicht.

11 ARBEITSBLATT 3 Darmepithelzelle 3. Die Bilder B bis F zeigen Phasen des Arbeitszyklus einer Natrium-Kalium-Ionenpumpe. Ordnen Sie diese Bilder in den Zyklus ein, indem Sie den entsprechenden Buchstaben in den passenden Kreis eintragen! Beschreiben Sie anhand der Abbildungen den Arbeitszyklus des Carriers! B A E D F C F B C D E Eine Natrium-Kalium-Ionenpumpe, die zum Cytosol hin geöffnet ist, weist drei Bindungsstellen für Natrium-Ionen auf. Sind diese besetzt (D), so erfolgt eine Phosphorylierung des Transportproteins unter Spaltung von ATP (A). Dies führt zu einer Konformationsänderung mit Öffnung des Carriers zur extrazellulären Flüssigkeit hin (F). Hier verlassen die Natrium-Ionen das Transportprotein, das anschließend zwei Bindungsstellen für Kalium-Ionen aufweist. Sind beide besetzt (C), so wird der Carrier dephosphoryliert (E). Dies bewirkt eine Konformationsänderung zu einer Form, in der der Carrier zum Cytosol hin geöffnet ist (B). Die Kalium-Ionen verlassen nun den Carrier. Anschließend liegt dieser wieder in der Ausgangskonformation vor. 2

12 ARBEITSBLATT 4 Chemische Synapse 1. Beschriften Sie in der Abbildung die verschiedenen Strukturen und Bereiche! Ca 2+ -Pumpe Zellmembran Mitochondrium Axon Vesikel mit Acetylcholin postsynaptisches Neuron Acetylcholinesterase synaptischer Spalt K + -Ion Ca 2+ -Kanäle Ca 2+ -Ion präsynaptische Membran postsynaptische Membran Na + -Ion transmittergesteuerte Kationenkanäle 2. Calcium-Ionen stellen als second messenger zwischen dem elektrischen Signal des Aktionspotenzials und dem chemischen Signal der Transmitter die Verbindung her. Erläutern Sie! Stellen Sie in diesem Zusammenhang die Bedeutung der Calcium-Ionenpumpe heraus! Auf das elektrische Signal des Aktionspotenzials hin öffnen sich die spannungsgesteuerten Calcium-Ionenkanäle. Aufgrund ihres Gradienten strömen daraufhin Calcium-Ionen ins Cytosol der Nervenzelle. Der Anstieg der Calcium-Konzentration im Neuron ist nun das Signal für synaptische Vesikel, zur präsynaptischen Membran zu wandern, sich dort zu integrieren und so per Exocytose Transmitter in den synaptischen Spalt zu entlassen. Diese wiederum tragen das Signal über den synaptischen Spalt zur postsynaptischen Membran. Die Bedeutung der Calcium-Ionenpumpe besteht darin, die eingedrungenen Calcium-Ionen rasch wieder aus dem Cytosol der Nervenzelle zu entfernen. Nur so kann ein neues Aktionspotenzial erneut das Signal eines hohen Calcium-Spiegels auslösen und so den nächsten Transmitterausstoß bewirken.

13 ARBEITSBLATT 4 Chemische Synapse 3. Stellen Sie dar, wie sich die Situation an der postsynaptischen Membran ändert, wenn statt einzelner Aktionspotenziale viele Aktionspotenziale in dichter Folge das Endknöpfchen des präsynaptischen Neurons erreichen! Wenn einzelne Aktionspotenziale in lockerer Folge das Endknöpfchen eines Neurons erreichen, so werden auch in entsprechend großen Abständen Neurotransmitter in den synaptischen Spalt ausgeschüttet. Es ist dann relativ unwahrscheinlich, dass genügend viele Transmittermoleküle die postsynaptische Membran erreichen, um dort eine Erregung auszulösen, da viele, wenn nicht sogar alle, von dem Transmitter zerstörenden Enzym zerlegt werden, bevor sie an ihre Rezeptoren binden können. Erreichen dagegen Aktionspotenziale in dichter Folge das Endknöpfchen, so folgen auch Ausschüttungen von Neurotransmitter dicht hintereinander. Dadurch befinden sich dann bei gleichbleibender Anzahl von Transmitter abbauenden Enzymen viel mehr Transmittermoleküle gleichzeitig im synaptischen Spalt. Dies führt dazu, dass in diesem Fall genügend viele Transmittermoleküle zu den entsprechenden Rezeptoren der postsynaptischen Membran gelangen, um die postsynaptische Zelle zu erregen. 4. Nervengifte wie das Pflanzenschutzmittel E 605 blockieren die Acetylcholinesterase. Erläutern Sie die Folgen einer Vergiftung mit E 605! Wenn die Acetylcholinesterase gehemmt wird, so gelangen bei jedem Aktionspotenzial die Neurotransmitter ungehindert an die Rezeptoren der postsynaptischen Membran. Die transmittergesteuerten Kationenkanäle sind dann dauerhaft offen, sodass es zu einer Überreizung und Verkrampfung des betreffenden Muskels kommt. Ist dadurch beispielsweise die Atemmuskulatur betroffen, so kommt es zum Atemstillstand. 2

14 ARBEITSBLATT 5 Signaltransduktion 1. Beschriften Sie in der Abbildung die verschiedenen Strukturen und Bereiche! Von Rezeptorproteinen und Enzymen gehen aktivierende beziehungsweise inaktivierende Wirkungen auf andere Enzyme aus. Charakterisieren Sie diese durch grüne beziehungsweise rote Pfeile! Extrazelluläre Flüssigkeit Adrenalin Adrenalin-Rezeptor Glucose-Carrier Insulin Insulin-Rezeptor G-Protein Proteinkinase A camp Synthasekinase Proteinkinase B Vesikel mit Glucose-Carriern Glykogensynthase Adenylatcyclase Phosphorylasekinase Phosphorylase Cytosol einer Muskelzelle Glucose Glykogen 2. Beschreiben Sie Schritt für Schritt die Signalkette, die bei hohem Zuckergehalt im Blut eine Absenkung des Blutzuckerspiegels bewirkt! Bei Menschen, die an Diabetes mellitus leiden, fehlt das Insulin oder die Signalweitergabe in der Zelle ist gestört. Nennen Sie das Kennzeichen von Diabetes und führen Sie es auf die angegebene Störung zurück! In der Bauchspeicheldrüse wird der Glucose-Gehalt des Blutes bestimmt. Wird ein hoher Blutzuckerspiegel festgestellt, so sezernieren die β-zellen als primären Boten das Hormon Insulin. Gelangt ein Insulin-Molekül zu einer Zielzelle, beispielsweise einer Muskel- oder Leberzelle, so besetzt es ein spezielles Rezeptorprotein, das sich in der Zellmembran dieser Zellen befindet und aktiviert es. Der aktivierte Insulin-Rezeptor, der als

15 ARBEITSBLATT 5 Signaltransduktion Transmembranprotein die Zellmembran durchdringt, aktiviert nun seinerseits im Innern der Zelle das Enzym Proteinkinase B. Die Proteinkinase B wirkt hemmend auf die Synthasekinase. Dadurch entfällt die inaktivierende Wirkung dieses Enzyms auf die Glykogensynthase und die Bildung von Glykogen aus Glucose kann beginnen. Die Proteinkinase B hat aber noch eine weitere wichtige Funktion: Auf ihr Signal hin integrieren sich Vesikel mit Glucose-Carriern in die Zellmembran und verstärken dadurch die Aufnahme von Glucose in die Zelle. Bei Menschen, die an Diabetes mellitus leiden, ist der Glucose-Gehalt des Blutes, auch lange nach einer kohlenhydratreichen Nahrung, ungewöhnlich hoch. Fehlt Insulin oder ist die Signalweiterleitung in der Zelle gestört, so unterbleibt die Einlagerung der Glucose-Carrier aus den Reserve-Vesikeln. Daher erfolgt trotz hohen Blutzuckerspiegels keine verstärkte Aufnahme in entsprechende Gewebe. 3. Das vom Adrenalin-Molekül ausgehende Signal wird dadurch enorm verstärkt, dass die Mehrzahl der Signalüberträger Enzyme sind. Ermitteln Sie die Anzahl der Glucose-Moleküle, die durch ein Adrenalin-Molekül freigesetzt werden, wenn Sie annehmen, dass zunächst zehn Moleküle der Proteinkinase A aktiviert werden und dieses Enzym und alle folgenden jeweils wiederum zehn Umsetzungen an ihren Substraten vornehmen! Wenn aufgrund der Aktivierung durch ein Adrenalin-Molekül ein Adrenalin-Rezeptor zehn Moleküle der Proteinkinase A aktiviert, so mobilisiert dieses Enzym wenn man die genannten Annahmen akzeptiert einhundert Moleküle Phosphorylasekinase. Diese einhundert Moleküle Phosphorylasekinase aktivieren nun ihrerseits eintausend Moleküle Phosphorylase, die dann schließlich zehntausend Moleküle Glucose durch Spaltung von Glykogen freisetzen. 2

16 ARBEITSBLATT 6 Präsentation 1. Benennen Sie das dargestellte Molekül sowie seine verschiedenen Bausteine und Bereiche! Lecithin-Molekül Ölsäure Palmitinsäure Cholin Phosphat Glycerin hydrophiler Bereich hydrophober Bereich 2. Beschriften Sie in der Abbildung die verschiedenen Strukturen und Bereiche! Beschreiben Sie die unterschiedliche Verteilung der Ionen in der extrazellulären Flüssigkeit und im Cytosol! Stellen Sie dar, wie das Ruhepotenzial zustande kommt und wie es aufrechterhalten wird! Kalium-Ion Chlorid-Ion extrazelluläre Flüssigkeit Natrium-Ion Zellmembran Kalium-Ionen-Sickerkanal P ATP Natrium-Kalium-Ionenpumpe ADP Protein-Anion Cytosol

17 ARBEITSBLATT 6 Präsentation In der extrazellulären Flüssigkeit befinden sich mehr Natrium- und Chlorid-Ionen und weniger Kalium-Ionen als im Cytosol der Nervenzelle. Protein-Anionen befinden sich nur im Cytosol. Da im Cytosol die Konzentration der Kalium-Ionen höher ist als in der extrazellulären Flüssigkeit und Kalium-Ionen-Sickerkanäle das Durchdringen der Zellmembran ermöglichen, diffundieren einige Kalium-Ionen nach außen. Da sie dabei positive Ladungen transportieren, während die negativ geladenen Protein-Ionen zurückbleiben, baut sich ein Membranpotenzial auf: Die Außenseite der Zellmembran wird positiv geladen gegenüber der Innenseite. Dies hindert schließlich weitere Kalium-Ionen daran, die Zelle zu verlassen. Der dabei entstehende Gleichgewichtszustand zwischen dem chemischen und dem elektrischen Gradienten charakterisiert das Ruhepotenzial. Immer wieder dringen einzelne Natrium-Ionen durch die Zellmembran in die Nervenzelle. Dadurch wird der elektrische Gradient verringert. Dies erlaubt dann einer entsprechenden Zahl von Kalium-Ionen, die Zelle zu verlassen. Die so entstehende Änderung in der Ionen-Verteilung wird durch Natrium-Kalium-Ionenpumpen korrigiert. Sie transportieren unter ATP-Verbrauch jeweils drei Natrium-Ionen nach außen und im Gegenzug zwei Kalium-Ionen nach innen. 2

18 ARBEITSBLATT 6 Präsentation 3. Beschriften Sie in der Abbildung die verschiedenen Strukturen und Vorgänge! Stellen Sie ausführlich die Vorgänge dar, die schließlich zu den beiden dargestellten Exocytosen führen! Ausscheidung von Sekret ER-Transportvesikel raues ER Golgi-Vesikel Exocytose Dictyosom Zellkern glattes ER Ausscheidung von nicht verwertbaren Stoffen sekundäres Lysosom primäres Lysosom Endosom Zellmembran Nahrungspartikel Phagocytose Pinocytose Endocytose Manche Zellen vermögen Nahrungspartikel aus der Umwelt aufzunehmen. Dazu stülpt sich die Zellmembran bei Kontakt mit einem solchen Partikel lokal ein. Der eingestülpte Membranbereich schnürt sich ab und bildet ein so genanntes Endosom. Dieser Vorgang heißt Phagocytose. An den Ribosomen des rauen ER werden unter anderem Verdauungsenzyme synthetisiert. Diese werden zunächst in ER-Transportvesikel verpackt, die sich vom ER abschnüren, und zu den Dictyosomen des Golgi-Apparates gebracht. Dort können sie gespeichert oder auch noch modifiziert werden. Bei Bedarf werden sie in Golgi-Vesikel verpackt, die in diesem Fall Lysosomen heißen. Ein primäres Lysosom kann dann mit

19 ARBEITSBLATT 6 Präsentation einem Endosom zu einem sekundären Lysosom verschmelzen. Dort werden die Nahrungspartikel verdaut. Die nicht verwertbaren Überreste werden dann zur Zellmembran transportiert. Dort verschmilzt der Vesikel mit der Zellmembran, sodass die Überreste nach außen abgegeben werden. Man spricht von Exocytose. Im ER werden auch Proteine synthetisiert, die zur Sekretion bestimmt sind. Auch diese Proteine werden über ER-Transportvesikel zum Golgi-Apparat gebracht. Von dort gelangen sie dann über Golgi-Vesikel, die in diesem Fall Sekret-Vesikel heißen, zur Zellmembran. Durch Exocytose wird schließlich das Sekret ausgeschieden. 4. Beschriften Sie in der Abbildung die verschiedenen Moleküle und Bereiche! Geben Sie an, welcher Typ von Biomembran hier dargestellt ist, und benennen Sie die spezielle Struktur, die nur auf diesem Membrantyp zu finden ist! extrazelluläre Flüssigkeit Oligosaccharid Protein Glykolipid Cytosol Glykoproteid Lipidmolekül Es ist die Zellmembran einer Eukaryoten-Zelle dargestellt. Nur auf ihr findet man die abgebildete Schicht aus Oligosacchariden, die so genannte Glykokalix.