NATURA. Lösungen. Qualifikationsphase Biologie für Gymnasien. Niedersachsen. Katharina Baack Roman Remé Gunter Sack Christian Steinert

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1 NATURA Qualifikationsphase Biologie für Gymnasien Katharina Baack Roman Remé Gunter Sack Christian Steinert Lösungen Niedersachsen Ernst Klett Verlag Stuttgart Leipzig

2 1 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 6 a UrhG: Weder das Werk noch seine Teile dürfen ohne eine solche Einwilligung eingescannt und in ein Netzwerk eingestellt werden Dies gilt auch für Intranets von Schulen und sonstigen Bildungseinrichtungen Fotomechanische oder andere Wiedergabeverfahren nur mit Genehmigung des Verlages Ernst Klett Verlag GmbH, Stuttgart 219 Alle Rechte vorbehalten wwwklettde Das vorliegende Material dient ausschließlich gemäß 6b UrhG dem Einsatz im Unterricht an Schulen Autorinnen und Autoren: Katharina Baack, Roman Remé, Gunther Sack, Christian Steinert Unter Mitarbeit von: Andrea Becker, Dr Detlef Eckebrecht, Dr Justine Kießling, Marco Koch, Alexander Maier, Dr Günter Roßnagel Redaktion: Dr Detlef Eckebrecht DIDACTIC CONCEPTIONS Mediengestaltung: Ingrid Walter Illustrationen: Wolfgang Herzig, Essen; Otto Nehren, Achern; Prof Jürgen Wirth, Dreieich A

3 Methoden Methode: Umgang mit wissenschaftlichen Daten (Seite 6/7) 1 Wählen Sie für folgende Untersuchungen einen Diagrammtyp und begründen Sie Ihre Wahl: a) Vergleich der Artenanzahlen bei Säugetieren, Vögeln und Reptilien in Deutschland und Ecuador b) Größe der Forellenpopulation eines Teiches im Zeitraum von (monatlich ermittelt) a) Es bietet sich ein Säulendiagramm an, da Daten verglichen werden, die nicht voneinander abhängig sind b) Es bietet sich ein Kurvendiagramm an, da der zeitliche Verlauf einer Messgröße untersucht wurde 2 Bewerten Sie die Abhängigkeit einer Gesetzmäßigkeit von der Anzahl der Messungen Genauigkeit und Aussagekraft hängen stark von der Anzahl der Messwerte ab Stichproben-Messungen sind sehr fehleranfällig und können Fehlinterpretationen verursachen Umfangreiche Messungen mit Wiederholungen sind genauer und weniger fehleranfällig 3 Erstellen Sie ein Diagramm zur Verteilung der Haarfarben in Ihrem Kurs Wählen Sie den Diagrammtyp selbst Vergleichen und bewerten Sie die Aussagekraft der unterschiedlichen gewählten Diagrammtypen Säulen- oder Balkendiagramm sind zur Darstellung der exakten Häufigkeit, Kreis- oder Stapeldiagramm zur Darstellung der prozentualen Häufigkeit geeignet Außerdem können Kriterien wie Achsenbeschriftung, Zuteilung von unabhängiger und abhängiger Variabler auf x- bzw y-achse, Überschrift etc betrachtet werden Methode: Aufgabenstellungen mit Operatoren (Seite 8/9) 1 Formulieren Sie die Aufgabenstellungen mit passenden Operatoren für die Antworten in Abb 1 Beschreiben Sie die Verdauung der Nährstoffe im Dünndarm Beschreiben Sie Ihre Beobachtungen des Versuchs und erläutern Sie die Ergebnisse Bewerten Sie das Vorgehen in der Forstwirtschaft, die gefällten Bäume vollständig aus dem Wald zu entfernen oder Leiten Sie die Folgen der Entfernung gefällter Bäume für das Ökosystem ab 2 Ordnen Sie den Aufgaben die Anforderungsbereiche zu Beschreiben Sie die Verdauung der Nährstoffe im Dünndarm (AFB I) Beschreiben Sie Ihre Beobachtungen des Versuchs und erläutern Sie die Ergebnisse (AFB II) Bewerten Sie das Vorgehen in der Forstwirtschaft, die gefällten Bäume vollständig aus dem Wald zu entfernen oder Leiten Sie die Folgen der Entfernung gefällter Bäume für das Ökosystem ab (AFB III) Methode: Klausurvorbereitung (Seite 1/11) 1 Beschreiben Sie die Vorbereitung auf Ihre letzte Klausur individuelle Lösung Mögliche Aspekte sind: Verschaffen eines thematischen Überblicks, Erstellen eines realistischen Zeitplans, Beschaffung von Lernmaterialien, Anwendung von Lerntechniken bzw Lernmedien (Mind-Map, Lernsoftware, Übungsklausuren, Lernkartensystem etc), Lernen in einer Lerngruppe 2 Erläutern Sie Optimierungsmöglichkeiten für Ihre kommenden Klausurvorbereitungen individuelle Lösung 3 Bewerten Sie mithilfe von Abb 3 die von Ihnen formulierten Optimierungsmöglichkeiten und leiten Sie ggf Alternativen ab individuelle Lösung Methode: Abiturklausuren bearbeiten (Seite 12/13) 1 Vergleichen Sie Ihr bisheriges Vorgehen bei schrift lichen Leistungskontrollen mit den Vorschlägen zum Vorgehen bei der Abiturklausur individuelle Lösung 2 Nennen Sie Verbesserungsmöglichkeiten beim Bearbeiten Ihrer nächsten Klausuren individuelle Lösung 3 Üben Sie die Vorgehensweise zur Bearbeitung von Klausuren, z B mithilfe der Abi-Training-Seiten am Ende der Kapitel in diesem Buch individuelle Lösung

4 Methode: Bioethisches und ökologisches Bewerten (Seite 14/15) 1 Nennen Sie möglichst alle Personen bzw Personengruppen, die von der Entscheidung im Beispiel betroffen wären Berufsgärtner, Arbeiter die bei der Torfgewinnung beschäftigt sind, Unternehmer und alle, die finanziell von diesen Personen abhängig sind, sowie Hobbygärtner 2 Nennen Sie weitere Handlungsoptionen für das Beispiel Eine weitere Handlungsoption bestünde darin, die bestehenden Nutzungsverträge zeitlich zu befristen, um dann nach diesem Moratorium vollständig aus der Torfgewinnung auszusteigen 3 Stellen Sie eine für Sie persönlich geltende Rangordnung der Werte dar individuelle Lösung Ernst Klett Verlag GmbH, Stuttgart 219 wwwklettde Alle Rechte vorbehalten Natura Qualifikationssphase Biologie

5 1 Stoffwechsel 1 1 Stoffwechsel und Energiehaushalt Lebewesen als offene Systeme (Seite 24/25) 1 Leiten Sie aus den Angaben in Abb 2 ab, dass der Habicht Stoffwechsel betreibt Der Habicht gibt andere Stoffe an die Umgebung ab als er aufnimmt Dies ist ein Anzeichen für den Stoffwechsel im Inneren des Vogels Ein weiteres Indiz ist die Wärmeabgabe 2 Erläutern Sie, inwiefern die Zellmembran als Systemgrenze bezeichnet werden kann Eine Systemgrenze hält die Teile des Systems zusammen und grenzt sie gegen die Umgebung ab Dennoch ermöglicht sie die Aufnahme und Abgabe von Stoffen und Energie Alle diese Eigenschaften treffen für die Zellmembran zu 3 Grünalgen und Urzeitkrebse können in einer mit Wasser gefüllten, verschlossenen Glaskugel an einem hellen Standort lange Zeit überleben Begründen Sie, ob das Gesamtsystem aus Glaskugel und Inhalt (Algen, Krebse, Wasser) als offenes System bezeichnet werden kann Die autotrophen Grünalgen nehmen Licht von außen und Kohlenstoffdioxid aus dem Wasser auf, erzeugen mithilfe der Fotosynthese Nährstoffe und geben Sauerstoff ab Sie sind ein offenes System Die Krebse nehmen Sauerstoff und Grünalgen auf und geben Kohlenstoffdioxid ab Sie sind ebenfalls ein offenes System Das Gesamtsystem tauscht keine Stoffe mit der Umgebung aus Es ist kein offenes System Energiebereitstellung und Energienutzung bei Lebewesen (Seite 26/27) 1 Wir verbrauchen ständig ATP, auch wenn wir uns ausruhen Nennen Sie Beispiele für Vorgänge, die dafür die Ursache sind Beispiele sind die Tätigkeit von Herz und Nervensystem sowie die Herstellung von Stoffen im Baustoffwechsel 2 Erläutern Sie die Aussage, dass wir die Stabilität unserer körpereigenen Substanzen der Aktivierungsenergie verdanken Der Abbau aller Nährstoffe in unserem Körper besteht aus exergonischen, also freiwillig ablaufenden Reaktionen Ohne die Gegenwart von entsprechenden Enzymen ist die Aktivierungsenergie so hoch, dass der Abbau nicht spontan erfolgt Daraus resultiert die Stabilität Lebewesen als Energiewandler (Seite 28) 1 Nennen Sie anhand von Abb 1 drei Formen von Energieumwandlungen in Lebewesen, die im Text nicht genannt sind Unter Ausnutzung der chemischen Energie aus der ATP-Umsetzung können Teilchen durch die Biomembran transportiert werden und einen Konzentrationsunterschied erzeugen Molekülspannungen in Muskeln können zur Kontraktion des Muskels genutzt werden Bei der Muskelkontraktion aufgrund der Bereitstellung chemischer Energie aus dem ATP-Abbau wird thermische Energie frei 2 Erklären Sie die Beobachtung, dass meist der erste Schnee im Winter auf Komposthaufen schmilzt, im übrigen Garten aber nicht Bakterien und andere Lebewesen im Kompost setzen innerhalb ihres Energie- und Baustoffwechsels thermische Energie frei, was zur Erwärmung des Komposts führt Material: Energieumwandlungen (Seite 29) 1 Leiten Sie aus den Informationen in Abb 1 und 2 die Funktionsweise und den Nutzen eines Pumpspeicherkraftwerks ab In Zeiten geringer Stromnutzung durch Verbraucher wird Strom zum Pumpen von Wasser in den oberen Speichersee verwendet Die potenzielle Energie wird in Zeiten der Spitzenlast zur Stromerzeugung verwendet 2 Wenden Sie das Verständnis des Pumpspeicherkraftwerks modellhaft auf den Energiehaushalt des menschlichen Körpers an, insbesondere auf das Ernährungsverhalten und mögliche sportliche Aktivitäten Die Nahrungsaufnahme erfolgt in unregelmäßigen Intervallen Der Körper nimmt energetisch nutzbare Nährstoffe auf und speichert (noch) nicht benötigte Anteile Diese werden kontinuierlich nach Bedarf zur Energiebereitstellung genutzt, z B bei sportlichen Aktivitäten 3 Erläutern Sie in diesem Zusammenhang die Funktionsweise einer Diät zur Reduktion des Körper gewichts Durch die verminderte Nahrungsaufnahme kommt es zur Leerung von Speichern energetisch nutzbarer Stoffe (z B aus Fettzellen), da die Zufuhr geringer ist als der Bedarf 4 Erläutern Sie die Entstehung von thermischer Energie (Wärme) bei der Keimung Energie- und Baustoffwechsel-Reaktionen im Keimling setzen auch thermische Energie frei, die sich als Wärme zeigt 5 Entwickeln Sie eine Versuchsanordnung, mit der sich nachweisen lässt, dass in den Erbsensamen bei der Keimung Energieumwandlungen statt finden Man kann die dabei frei werdende Wärme durch Temperaturmessung registrieren, wenn die Keimung in einem wärmegedämmten Gefäß stattfindet

6 1 2 Stoffwechselreaktionen und Enzyme Die Vielfalt der Stoffwechselreaktionen (Seite 3/31) 1 Erläutern Sie mithilfe von Abbildung 1, dass sich Wasser und Ethanol gut ineinander lösen Da im Wasser und im Ethanol polare Bindungen vorliegen, wirken Anziehungskräfte zwischen den Molekülen Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Wassermolekülen lösen sich und neue Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Wasser und Ethanol entstehen Aufgrund der Teilchenbewegung werden ständig Bindungen gelöst und neu gebildet Die Moleküle der beiden Stoffe vermischen sich 2 Erläutern Sie, dass es sich bei der Hydrolyse einer Peptidbindung (Abb 5) weder um eine Redoxreaktion noch um eine Säure- Base-Reaktion handelt Bei der Reaktion findet weder ein Übergang von Elektronen noch ein Übergang von Wasserstoff-Ionen statt 3 Erklären Sie an zwei Beispielen die Bedeutung von Wasser im Zellstoffwechsel Wasser tritt z B bei der Reaktion mit Carboxygruppen in Aminosäuren in Säure-Base-Reaktionen auf Wird eine Peptidbindung zwischen zwei Aminosäuren gelöst, ist Wasser bei dieser Hydrolyse Reaktionspartner Struktur und Funktion von Enzymen (Seite 32/33) 1 Nennen Sie die Merkmale eines Biokatalysators Ein Biokatalysator ist ein Stoff, der meist ganz oder überwiegend aus einem Protein besteht und die Aktivierungsenergie einer biochemischen Reaktion herabsetzt und dadurch die Reaktion beschleunigt Er liegt nach der Reaktion unverändert vor 2 Erläutern Sie die Bedeutung von Enzymen für den Stoff wechsel von Organismen Durch Enzyme wird die Aktivierungsenergie chemischer Reaktionen gesenkt; so laufen Stoffwechselreaktionen bei Körpertemperatur hinreichend schnell ab 3 Der Austausch einer Aminosäure im Enzymmolekül kann Auswirkungen auf dessen Funktion haben Begründen Sie Der Austausch kann einen anderen Enzymaufbau zur Folge haben Das bewirkt ein anders geformtes aktives Zentrum, sodass die Bindung des Substrats nicht mehr möglich ist und damit keine Reaktion erfolgt Eigenschaften von Enzymen (Seite 34) 1 Erklären Sie die Wirkungsspezifität des Lactasemoleküls Lactase bindet immer das Substrat Lactose auf die gleiche Weise, auch werden immer die gleichen Bindungen gelöst, es wird immer die Reaktion (Hydrolyse zu Galactose und Glucose) katalysiert 2 Im menschlichen Körper gibt es mehrere Tausend verschiedene Enzyme Leiten Sie die Notwendigkeit so vieler Enzyme ab Durch die Substrat- und Wirkungsspezifität benötigt ein Organismus viele verschiedene Enzyme; nur so ist kontrollierter Stoffwechsel möglich Praktikum: Geschwindigkeit enzymkatalysierter Reaktionen (Seite 35) 1 Stellen Sie die Mittelwerte der Ergebnisse in einem Liniendiagramm dar individuelle Lösung Das Diagramm zeigt die Zunahme der Reaktionsgeschwindigkeit bei höherer Enzymkonzentration Die Dauer des Aufsteigens entspricht der Reaktionsgeschwindigkeit 2 Erläutern Sie den Zusammenhang zwischen der Enzymkonzentration und der Reaktionsgeschwindigkeit anhand Ihrer Versuchsergebnisse Je höher die Enzymkonzentration ist, desto höher ist auch die Reaktionsgeschwindigkeit Übersteigt die Enzym- die Substratkonzentration, nimmt die Reaktionsgeschwindigkeit nicht mehr zu 3 Stellen Sie die Mittelwerte der Ergebnisse in einem Diagramm dar individuelle Lösung Das Diagramm zeigt die lineare Zunahme der Reaktionsgeschwindigkeit mit zunehmender Substratkonzentration bei geringen Substratkonzentrationen Bei höheren Substratkonzentrationen nimmt die Reaktionsgeschwindigkeit langsamer zu und nähert sich einem Maximalwert 4 Erläutern Sie den Zusammenhang von Substratkonzentration und Reaktionsgeschwindigkeit Solange die aktiven Zentren der Enzyme noch nicht komplett belegt sind, steigt die Reaktionsgeschwindigkeit mit zunehmender Substratkonzentration Ab einer bestimmten Substratkonzentration sind die aktiven Zentren aller Enzyme belegt Die maximale Reaktionsgeschwindigkeit der Enzyme (vmax) ist erreicht

7 Geschwindigkeit enzymkatalysierter Reaktionen (Seite 36/37) 1 Beantworten Sie die eingangs gestellte Frage zur Ursache unterschiedlicher Alkoholverträglichkeit Durch die unterschiedlichen Wechselzahlen der Isoenzyme der Alkoholdehydrogenase wird Alkohol unterschiedlich schnell abgebaut und wirkt entsprechend unterschiedlich stark 2 Entwickeln Sie zu den Punkten 2 und 3 in Abb 3 mit Punkt 1 vergleichbare modellhafte Darstellungen und begründen Sie Es ist eine Darstellung mit fünf Enzymen und z B bei (2) vier Substratmolekülen und bei (3) sechs Substratmolekülen denkbar 3 Erläutern Sie den Zusammenhang zwischen vmax und kcat Die maximale Reaktionsgeschwindigkeit vmax wird durch die Wechselzahl kcat des Enzyms bestimmt Regulation enzymkatalysierter Reaktionen (Seite 38/39) 1 Vergleichen und erläutern Sie die Ergebnisse in Abb 1 blau: Mit steigender Substratkonzentration nimmt die Reaktionsgeschwindigkeit zu Zunehmend mehr aktive Zentren werden besetzt, bis die Enzyme gesättigt sind und vmax erreicht ist rot: Mit steigender Substratkonzentration nimmt die Reaktionsgeschwindigkeit zu, bis vmax erreicht ist Die Reaktionsgeschwindigkeit steigt allerdings langsamer, da die Hemmstoffe (kompetitive Hemmung) erst durch das Substrat verdrängt werden müssen grün: Mit steigender Substratkonzentration nimmt die Reaktionsgeschwindigkeit zu, erreicht jedoch nicht vmax, da ein Teil der Enzyme inaktiviert ist Der Inhibitor kann durch das Substrat nicht verdrängt werden, da er an eine Bindungsstelle außerhalb des aktiven Zentrums gebunden ist 2 Durch eine Gesetzesänderung sind Hausbesitzer verpflichtet, Leitungswasserrohre aus Blei auszutauschen Nehmen Sie zu dieser Maßnahme Stellung Die Maßnahme erscheint sinnvoll zur Vermeidung von Bleivergiftungen: Die Schwermetall-Ionen des Bleis reagieren mit SH-Gruppen von Enzymmolekülen und inaktivieren sie (nicht-kompetitive Hemmung teils irreversibel durch hohe Bindungsaffinität der Schwermetalle) Der Funktionsausfall der Enzyme kann Stoffwechselstörungen zur Folge haben 3 Ordnen Sie das Beispiel der Blutzuckerregulation der Sub stratinduktion oder der Endprodukthemmung zu und begründen Sie Es handelt sich um eine Endprodukthemmung, da das Produkt Glucose dafür sorgt, dass das Enzym Phosphorylase a gehemmt wird und kein Glykogen mehr zu Glucose abgebaut wird Einflüsse auf die Enzymaktivität (Seite 4/41) 1 Erläutern Sie den Temperatureinfluss auf die Enzymaktivität am Beispiel der Brenztraubensäurekinase in der Forelle (Abb 3) Das Temperaturoptimum bzw der Maximalwert liegt bei etwa 15 C Zwischen C und 37 C steigt die Enzymaktivität bis zum Maximalwert gleichmäßig an bzw nimmt gleichmäßig ab Darüber und darunter zeigt sich keine Enzymaktivität Die Zunahme der Enzymaktivität lässt sich durch die RGT-Regel erklären: Eine Erhöhung der Temperatur bewirkt die Zunahme der Reaktionsgeschwindigkeit Die Abnahme der Enzymaktivität entsteht durch die Denaturierung des Enzyms: Die Sekundär-, Tertiär- und Quartärstruktur des Enzyms verändern sich bis zur irreversiblen Inaktivierung 2 Vergleichen Sie die Enzymaktivität der beiden Proteasen Pepsin und Trypsin (Abb 4) Pepsin zeigt entsprechend seinem Wirkort (Magen) ein ph-optimum von ph 2, wobei die Enzymaktivität von ph bis 4 reicht Die Enzymaktivität von Trypsin reicht von ph 3,5 bis 11,5 Das ph-optimum liegt bei ph 8 Dies entspricht dem ph-wert im Dünndarm 3 Das Leben mit Lactoseintoleranz wird durch Lactase-Präparate erleichtert, die im Dünndarm wirken Nennen Sie Schwierigkeiten bezüglich der Wirksamkeit, die bei der Einnahme von Lactase-Präparaten bestehen Entwickeln Sie Lösungsansätze Das Enzym Lactase wird durch den niedrigen ph-wert der Magensäure denaturiert und hat somit im Dünndarm keine Wirkung mehr Lösungsansatz: Isoenzyme der Lactase verwenden oder Lactase in säureresistenter Kapsel zu sich nehmen, die sich erst im Dünndarm auflöst

8 1 3 Stoffaufnahme und Stoffumsatz Äußere Atmung (Seite 42/43) 1 Beschreiben Sie den Übertritt der Atemgase in Lunge und Gewebe Aufgrund der in Lunge herrschenden höheren Sauerstoffpartialdrucke als im Blut diffundiert Sauerstoff aus der in der Lunge enthaltenen Luft ins Blut Bei Kohlenstoffdioxid ist es umgekehrt Im Gewebe hingegen ist der Kohlenstoffdioxidpartialdruck im Gewebe höher als im Blut, was zur Diffusion dieses Gases ins Blut führt Bezüglich des Sauerstoffs ist es hier umgekehrt 2 Nennen Sie die besonderen Angepasstheiten des Hämoglobin-Moleküls Die Affinität zu Sauerstoff ist so groß, dass eine vollständige Sättigung bei den in der Lunge herrschenden Sauerstoffpartialdrucken auftritt, im Gewebe jedoch eine schnelle Abgabe des Sauerstoffs aus dem Blut möglich ist, da das Sauerstoffbindungsvermögen bei den hier herrschenden Partialdrucken steil abfällt 3 Das Hormon EPO (Erythropoetin) regt die Bildung von Roten Blutzellen an Erläutern Sie den Vorteil von Hochleistungssportlern bei Ausdauersportarten (Doping) Durch EPO wird für eine höhere Zahl an Erythrocyten pro mm 3 Blut gesorgt und dadurch die Sauerstoffversorgung der Muskeln verbessert Anmerkung: Allerdings kann es bei solchem Blutdoping zu so hohen Erythrocyten-Werten kommen, dass die Fließfähigkeit des Blutes in den Kapillaren nicht mehr gewährleistet ist Der Tod der Sportler kann die Folge sein Resorption und Transport von Nährstoffen (Seite 44/45) 1 Erläutern Sie den Begriff erleichterte Diffusion Dabei handelt es sich um eine dem Konzentrationsunterschied folgende Diffusion mit erhöhter Durchtrittswahrscheinlichkeit von Teilchen, die durch Carrier in der Biomembran hervorgerufen wird 2 Erklären Sie den sekundär aktiven Transport am Beispiel der Glucoseaufnahme Primär aktiver Transport liegt bezüglich der Ionen Na + und K + vor Der dadurch entstehende Na + -Konzentrationsgradient ist der Antrieb für den folgenden sekundär aktiven Transport der Glucose 3 Erklären Sie die Bedeutung der starken Durchblutung der Darmwand für die Nährstoffresorption Die starke Durchblutung der Darmwand bedeutet, dass relativ viel Blut durch die Darmwand fließt Durch den raschen Abtransport der Nährstoffe wird der Konzentrationsunterschied Blut Darmepithelzelle erhalten und damit auch der Konzentrationsunterschied Zelle Darmlumen Energiebereitstellung und Aktivität (Seite 46) 1 Nennen Sie Faktoren, die den Grundumsatz beeinflussen Der Grundumsatz wird beeinflusst durch Geschlecht, Alter und Körpermasse 2 Leiten Sie aus den Angaben in Abb 2 Aussagen zum Nährstoffbedarf homoiothermer und poikilothermer Tiere ab Bei niedrigen Temperaturen ist der Stoffwechsel homoiothermer Tiere wesentlich intensiver Sie benötigen mehr Nährstoffe zur Aufrechterhaltung der Körpertemperatur, bei deren Abbau Wärme frei wird Bei hohen Umgebungstemperaturen wird Aufwand für die Wärmeabgabe erkennbar Die sehr viel niedrigere Stoffwechselgeschwindigkeit des poikilothermen Tiers deutet auf einen sehr viel geringeren Nährstoffbedarf hin Er steigt mit der Umgebungstemperatur stetig an Material: Der Energiehaushalt von Tieren (Seite 47) 1 Berechnen Sie aus den Daten in Abb 1 den Sauerstoffverbrauch pro Gramm Körpergewicht und Stunde und tragen Sie ihn gegen die logarithmierten Angaben zur Körpermasse auf siehe Tabelle Säugetierarten Masse (g) lg Sauerstoffverbrauch (ml O/h) lg Herzfrequenz (1/ min) Maus 22 1,3 36 1,6 6 2,8 Meerschweinchen 9 3, 65 2,8 28 2,5 Zwergziege 7 3, , ,2 Mensch 76 4, ,2 72 1,9 Pferd 5 5, ,8 44 1,6 Elefant , ,4 26 1,4 lg

9 2 Beschreiben Sie das experimentelle Ergebnis aus Aufgabe 1 Mit steigender Masse der Tiere nimmt der Sauerstoffverbrauch zu, jedoch mit geringerem Faktor Dagegen nimmt die Herzfrequenz mit steigender Körpermasse ab 3 Erläutern Sie anhand der Darstellung aus Aufgabe 1, dass es kaum ein homoiothermes Tier geben kann, das kleiner ist als eine Maus Je kleiner ein homoiothermes Tier, desto größer ist sein relativer Energieverbrauch Dies liegt daran, dass ein wesentlich größerer Anteil der Energieproduktion benötigt wird, um die Körpertemperatur unabhängig von der Umgebungstemperatur aufrecht zu erhalten, da die Körperoberfläche in Bezug zum Körpervolumen immer größer wird, was eine Auskühlung zunehmend begünstigt 4 Erläutern Sie das Verhalten der Pinguine im arktischen Winter Stellen Sie eine Analogie zu den großen Ohren der afrikanischen Elefanten her Das enge Aneinanderstellen der Pinguine verringert die Oberfläche jedes einzelnen Tieres, die der kalten Umgebungsluft ausgesetzt wird Dieses Verhalten ist für alle Pinguine energiesparend Beim afrikanischen Elefanten helfen die großflächigen Ohren hingegen, Wärme effektiv an die Umgebung abzuführen Diese können daher beim Kühlen helfen 5 Erläutern Sie die biologische Bedeutung, die der beobachtbare Effekt für die Frösche hat Die Frösche suchen den Bereich auf, der für ihr Überleben die besten Ausgangsbedingungen bietet Durch dieses Verhalten suchen sie sich die optimale Umgebungstemperatur aus, auf die ihr Körper erwärmt wird 6 Erläutern Sie die Bedeutung des Vergleichsversuches Da die Temperatur der einzige Faktor ist, der zwischen diesen beiden Experimenten verändert wurde, kann nur durch die unterschiedlichen Beobachtungen der beiden Versuche die Aussage aus Aufgabe 5 getroffen werden Messung des Energieumsatzes (Seite 48) 1 Erläutern Sie die Bezeichnungen direkte bzw indirekte Kalorimetrie Die Zu- bzw Abnahme der gemessenen Wärmemenge lässt einen direkten Schluss auf den Stoffwechsel zu Bei der indirekten Kalorimetrie erfolgt eine nährstoffspezifische Umrechnung, um indirekt zum gleichen Wert zu kommen Sie beruht auf der Messung der Sauerstoffaufnahme 2 Vergleichen Sie die Brennwerte und kalorischen Äquivalente der Nährstoffe und erklären Sie das relativ niedrige kalorische Äquivalent für Fette Fette haben einen hohen Brennwert, aber auch einen hohen Sauerstoffbedarf bei der energetischen Nutzung, sodass das kalorische Äquivalent mit dem der anderen Nährstoffe vergleichbar ist Praktikum: Stoffwechsel und Energie (Seite 49) 1 Stellen Sie die Messwerte grafisch dar und erläutern Sie die Wahl des Diagrammtyps individuelle Lösung (Anmerkung: Das Punktdiagramm bzw das Liniendiagramm ist eine geeignete Diagrammform) 2 Erklären Sie die Versuchsergebnisse Nennen Sie mögliche Ursachen für unterschiedliche Messwerte Der Embryo in keimenden Erbsen erzeugt im Rahmen seines Stoffwechsels Wärme, die die Temperatur im Gefäß ansteigen lässt Trockene Samen ruhen Der Stoffwechsel ist so gering, dass kein Temperaturanstieg gemessen wird 3 Entwickeln Sie einen Versuch zur Erkennung möglicher Fehlerquellen mit den zur Verfügung stehenden Mate rialien Hinweis: Wärmekapazität Eisen:,452 kj/kg K, Wärmekapazität Wasser: 4,182 kj/kg K Mögliche Fehlerquellen sind: Wärmeabgabe trotz Isolierung, Wärmeaufnahme durch das Isoliergefäß und das Thermometer, Behinderung des Stoffwechsels durch Sauerstoffmangel im Gefäß mit keimenden Samen, Messungenauigkeit beim Wiegen bzw Temperaturmessen Die drei ersten Fehlerquellen können untersucht werden, indem man durch die erhitzte Schraube eine definierte Wärmemenge einer definierten Wassermenge in der Versuchsanordnung zuführt und den Temperaturverlauf misst 4 Führen Sie den von Ihnen entwickelten Versuch durch und stellen Sie die Messwerte grafisch dar Versuchsdurchführung: Wassermenge abmessen und in das Isoliergefäß füllen, Schraube wiegen und erwärmen (Temperatur messen), heiße Schraube in das Gefäß geben und Temperatur messen 5 Erklären Sie die Ergebnisse des Versuchs Nennen Sie Schlussfolgerungen für den Versuch mit Erbsensamen Das Produkt aus Temperaturdifferenz und Wärmekapazität der Schraube muss dem entsprechenden Wert für das Wasser gleichen Die Abweichung ergibt die Wärmekapazität der Anordnung, die Abkühlungskurve den Wärmeverlust durch Wärmeabgabe Die Wärmeabgabe durch die Erbsensamen ist also etwas höher, als die gemessene Temperaturerhöhung anzeigt

10 6 Fertigen Sie ein Versuchsprotokoll inklusive Deutung an Das Versuchsprotokoll enthält eine Skizze der Versuchsanordnung, die Messwerte und eine Deutung Der Kohlenstoffdioxidgehalt in der ausgeatmeten Luft ist nach den Kniebeugen höher als vorher, da im Körper durch die Muskelarbeit mehr Kohlenstoffdioxid im Stoffwechsel entsteht 7 Diskutieren Sie, ob Sie die Genauigkeit der Messmethode beurteilen können, indem Sie Ihre Mess ergebnisse mit denen Ihrer Mitschüler vergleichen Die Werte bei verschiedenen Personen zeigen zwar dieselbe Tendenz, sind aber nicht quantitativ vergleichbar, da sie z B von der Körpermasse abhängen Die Muskelkontraktion benötigt Energie (Seite 5/51) 1 Stellen Sie den Ablauf der Muskelkontraktion in einem Verlaufsschema dar Nervensignal trifft ein Calcium-Ionen werden freigesetzt Myosinbindungsstellen am Actin werden freigegeben Myosinköpfe lagern sich an Bindungsstellen am Actin Myosinköpfe knicken ab Actin- und Myosinmolekül verschieben sich gegeneinander der Muskel verkürzt sich 2 Regelmäßiges Krafttraining kann zu einer Verdickung der trainierten Muskeln führen Erklären Sie die Auswirkungen auf die Muskelkraft Durch das Training werden mehr parallel angeordnete Muskelfasern gebildet, deren Kraft sich bei der Kontraktion addiert 3 Nach Eintritt des Todes findet im Körper keine ATP-Synthese mehr statt Nach einigen Stunden verlieren viele Proteine ihre ursprüngliche Struktur Stellen Sie eine Hypothese zur Ursache der nach dem Tod eintretenden Totenstarre und deren Abklingen nach einigen Stunden auf Erläutern Sie Ihre Annahme Ohne ATP kann die Verbindung zwischen Actin und Myosin nicht gelöst werden Erst wenn die Actin- und/oder Myosinfilamente ihre Struktur verändern, löst sich die Totenstarre Sport und Energiebereitstellung (Seite 52/53) 1 Beschreiben Sie die Energiebereitstellung beim 8 m-lauf In wenigen Sekunden sinkt der ATP-Vorrat, dann der von Kreatinphosphat Dabei steigt die Milchsäurekonzentration zuerst, sinkt dann aber bei zunehmender Zellatmung 2 Leiten Sie aus Abb 2 die im Muskel vorkommenden energetisch nutzbaren Stoffe bzw Stoffkombinationen ab Es handelt sich um ATP/ ADP, Kreatinphosphat/ ADP, Glucose, Glucose/ Sauerstoff 3 Erläutern Sie die Rolle des Kreatinphosphats bei der Energiebereitstellung Diese Möglichkeit zur ATP-Bereitstellung ohne Sauerstoffbedarf verzögert das Einsetzen der energetisch wenig ergiebigen Milchsäuregärung 4 Formulieren Sie eine Hypothese zur Ursache der Milchsäuregärung und begründen Sie diese Dieser anaerobe Abbauweg der Glucose tritt bei Sauerstoffmangel auf, der vermutlich dadurch entsteht, dass der Sauerstofftransport durch das Blut nicht zum oxidativen Glucose-Abbau ausreicht Extra: Regulation der Atmung (Seite 53) Erstellen Sie mithilfe der Abbildung einen Regelkreis zur Atemaktivität Störgröße: zb sportliche Betätigung Regelgröße: Partialdruck der Atemgase im Blut Messfühler: Sensoren für Kohlenstoffdioxid im verlängerten Rückenmark, für Sauerstoff in der Halsschlagader Istwert: jeweiliger Messwert Regler: Neuronen im verlängerten Rückenmark Führungsglied: Atemzentrum Stellwert: vorgegebenen Partialdrucke der Atemgase im Blut Stellglied: Atemmuskulatur Stellgröße: Art bzw Intensität, mit der die Atemmuskulatur arbeitet

11 Mitochondrien als Atmungsorganellen (Seite 54) 1 Informieren Sie sich über Isotope und erläutern Sie diese am Beispiel von 14 C Isotopie bedeutet, dass im Atomkern eines Elements unterschiedliche Anzahlen von Neutronen vorkommen können Das natürlicherweise am häufigsten vorkommende Isotop des Kohlenstoffs ist das Isotop 12 C Es besteht im Kern aus sechs Protonen und sechs Neutronen Beim Isotop 14 C befinden hingegen neben den sechs Protonen acht Neutronen im Zellkern 2 Erläutern Sie die in Abb 2 erkennbaren Zusammenhänge In Muskelzellen werden viele energetisch nutzbare Stoffe umgesetzt, da dabei ein Teil der in den Nährstoffen chemisch gebundenen Energie in Bewegungsenergie umgewandelt wird In Leberzellen hingegen werden viele Stoffe, die dem Körper zugeführt werden, in andere Stoffe umgewandelt Mitochondrien sind die zentralen Stoffwechselorganellen im Körper Von daher ist es nicht verwunderlich, dass die Daten einen Zusammenhang zwischen Zellen mit hoher Stoffwechselaktivität und Anteil der Mitochondrien am Gesamtvolumen der Zelle aufzeigen Material: Befunde zum Ort der Zellatmung (Seite 55) 1 Beschreiben Sie die Ergebnisse der beiden Versuche Wenn die Probe nur Mitochondrien enthält, bleibt der Sauerstoffgehalt der Probe konstant hoch Nur bei einer Probe, die Mitochondrien und Zellplasma enthält, sinkt der Sauerstoffgehalt unmittelbar nach Glucosezugabe innerhalb der ersten drei bis vier Minuten stark ab In den darauf folgenden fünf Minuten steigt er jedoch wieder und erreicht die Ausgangskonzentration 2 Formulieren Sie verschiedene Hypothesen zum Beginn des Glucose-Abbaus, die sich aus den Daten ergeben können Hypothesen: Das Zellplasma allein ist der Ort der Zellatmung und enthält also die gesamten dafür notwendigen Enzyme Die Zellatmung findet in mehreren Schritten statt, teils im Zellplasma, teils in den Mitochondrien (alternativ andere Hypothese zur Reihenfolge) (Hinweis: Die Hypothesen sind durch einen weiteren Versuch zu überprüfen, bei dem die Probelösung nur Zellplasma enthält) 3 Erklären Sie die Messergebnisse zur Radioaktivität Da Glucose sich nicht in Silikonöl löst, kann sie nicht in die unterste wässrige Phase gelangen Bei b) und c) ist dort dennoch Radioaktivität nachweisbar Radioaktive Stoffe müssen sich in den Zellen (b) bzw in den Mitochondrien (c) befinden Mitochondrien allein (a) führen nicht zur Anreicherung von Radioaktivität in der untersten Phase Isolierte Mitochondrien nehmen also keine Glucose auf Glucose wird erst in andere radioaktive Stoffe umgewandelt, die wiederum innerhalb der Mitochondrien in die unterste Phase gelangen Diese Umwandlung von Glucose findet wohl im Zellplasma statt 4 Glucose wird in mehreren Schritten an verschiedenen Orten der Zelle abgebaut Erläutern Sie anhand der Messergebnisse sowohl die Reihenfolge als auch die Orte des jeweiligen Abbauschrittes Die ersten Schritte der Zellatmung finden nicht in den Mitochondrien statt, sondern im Zellplasma Ein Produkt dieser Reaktionen gelangt in die Mitochondrien und reagiert dort weiter (Hinweis: Die geringe Radioaktivität in der Silikonphase hängt mit der Radioaktivität natürlicher Stoffe zusammen, was ein Kontrollversuch nur mit Silikon bestätigt Die Glykolyse der erste Schritt der Zellatmung (Seite 56/57) 1 Beschreiben Sie das Prinzip der Aktivierung Aktivierung bedeutet die Erhöhung der Reaktionsfreudigkeit von Molekülen durch Herabsetzung der notwendigen Aktivierungsenergie für Folgereaktionen 2 Erläutern Sie, wie die Bildung von Glucose-6-phosphat eine Steigerung der Glucose-Aufnahme bewirkt Durch die Reaktion von Glucose mit ATP zu Glucose-6-phosphat wird der weitere Glucoseabbau eingeleitet Dadurch sinkt die Glucosekonzentration Dies begünstigt die weitere Glucoseaufnahme 3 Das Enzym Phosphofructokinase katalysiert die Reaktion von Fructose-6-phosphat mit ATP (Abb 2) Es wird durch viel ATP im Zellplasma gehemmt, eine hohe ADP-Konzentration fördert seine Aktivität Formulieren Sie eine Hypothese zur biologischen Bedeutung dieser Befunde Die Hemmung bzw Förderung der Enzymwirkung in Abhängigkeit von der ATP- bzw ADP-Konzentration beeinflusst die Geschwindigkeit der Glykolyse so, dass sie bei ATP-Mangel schneller abläuft bzw bei Vorhandensein von viel ATP langsamer abläuft Dadurch ist es möglich, dass die Abbaurate der Glucose an den ATP-Bedarf angepasst wird

12 Der Abbau der Brenztraubensäure (Seite 58/59) 1 Erläutern Sie die Funktion der Oxal essigsäure im Citronensäurezyklus Die Oxalessigsäure dient als Akzeptor für Acetyl-CoA, das dadurch in den Citronensäurezyklus gelangt und dort abgebaut wird 2 Erstellen Sie für den Abbau von Brenztraubensäure in Aktivierung und Citronensäurezyklus die Reaktions gleichung CH3-CO-COOH + 2 H2O + 3 NAD + + FAD + ADP + Phosphat 3 CO2 + 3 NADH + H + + FADH2 + ATP 3 Erklären Sie mithilfe von Abb 2, wie aus Acetyl-CoA ohne die Aufnahme von Sauerstoff aus der Luft Kohlen stoffdioxid entstehen kann Der Sauerstoff für die CO2-Bildung stammt aus dem Wasser, wobei der Wasserstoff zur Bildung von Reduktionsäquivalenten führt Die Atmungskette der letzte Schritt der Zellatmung (Seite 6/61) 1 Erläutern Sie das Basiskonzept Kompartimentierung am Beispiel Mitochondrium und Atmungskette Die Trennung von Intermembranraum und Matrix ist die Voraussetzung für die Erzeugung eines Konzentrationsunterschieds durch die Atmungskette Die Energie dieses Unterschieds stellt die Energie für die endergonische ATP-Synthese bereit 2 Erklären Sie die Bedeutung der Oberflächenvergrößerung an der inneren Membran der Mitochondrien Die Auffaltung der inneren Mitochondrienmembran erlaubt die Platzierung von mehr Wasserstoff-Ionen transportierenden Proteinkomplexen und ATP-Synthasen Dadurch steigt die Leistungsfähigkeit des Mitochondriums 3 In einem Experiment wurden isolierte Mitochondrien in eine Lösung mit dem ph-wert 8 gegeben (Abb 4) Es fand keine ATP-Synthese statt Nach Überführung in eine Lösung mit ph 4 wurde ATP gebildet Erklären Sie die Versuchsergebnisse unter Einbeziehung des Hinweises, dass die äußere Mitochondrienmembran durchlässig für H + -Ionen ist Bei ph 8 liegt kein bzw kein hinreichend großer Konzentrationsunterschied an H + -Ionen zwischen Intermembranraum und Matrix für die Funktion der ATP-Synthese vor Bei einem ph-wert von 4 im Intermembranraum reicht der Konzentrationsunterschied zur ATP-Synthese aus Der oxidative Glucoseabbau im Überblick (Seite 62) 1 Erklären Sie, weshalb in der Reak tionsgleichung zum Glucoseabbau Wasser als Edukt und als Produkt vorkommt (Abb 1) C6H12O6 + 6 H2O + 6 O2 6 CO H2O Im Citronensäurezyklus werden Wassermoleküle an Kohlenstoffgerüste gebunden, der Wasserstoff wird dann zur Bildung von Reduktionsäquivalenten verwendet Auf der Produktseite steht Wasser, da Wassermoleküle in der Atmungskette entstehen 2 Manche Hefepilze können Glucose oxidativ abbauen, aber auch Gärung betreiben Erläutern Sie die biolo gische Bedeutung dieser Fähigkeit Die Hefepilze nutzen bei Anwesenheit von Sauerstoff den effektiveren Stoffwechselweg, können aber auch bei Sauerstoffmangel ihren Energiestoffwechsel und damit auch ihren Baustoffwechsel betreiben Praktikum: Glucoseabbau (Seite 63) 1 Nennen Sie Ihre Beobachtungen und deuten Sie diese unter Beachtung der Angaben in Abb 2 Die Schnittfläche ist blau gefärbt, in der Nähe des Embryos weniger intensiv als auf der übrigen Fläche Der Stärkenachweis ist also positiv In der Nähe des Embryos ist weniger Stärke vorhanden als außen Der Embryo hat für seinen Stoffwechsel Stärke abgebaut 2 Erläutern Sie die Zusammenstellung der Proben in Abb 2 Wasser dient als Kontrollansatz; die übrigen Stoffe sind die für die Ernährung des Embryos infrage kommenden Nährstoffe 3 Unter Sauerstoffentzug keimen die Bohnensamen nicht Erklären Sie dies Der Embryo benötigt die Energie aus dem oxidativen Glucoseabbau für seinen Energie- und Baustoffwechsel 4 Erläutern Sie anhand von Abb 3, welches der beiden Moleküle des Methylenblaus die oxidierte bzw die reduzierte Form darstellt Die farblose Form ist die reduzierte Form, sie hat Elektronen aufgenommen Die blaue Form ist die oxidierte Form, sie hat Elektronen abgegeben 5 Führen Sie das Experiment durch und beschreiben Sie Ihre Beobachtungen Es erfolgt eine langsame Entfärbung nach Zugabe des Methylenblaus Beim Schütteln tritt wieder die Blaufärbung ein, wie auch bei erneutem Schütteln nach erfolgter Entfärbung 6 Erklären Sie den ersten Farbumschlag unter Verwendung des Hinweises, dass dabei Glucose oxidiert wird Durch die Redox-Reaktion mit Glucose wird diese oxidiert und Methylenblau geht in die reduzierte farblose Form über

13 7 Erklären Sie die Beobachtung nach dem Schütteln Luftsauerstoff oxidiert die farblose Methylenblauform 8 Übertragen Sie das Ergebnis des Modellversuchs auf Vorgänge beim oxidativen Glucoseabbau Methylenblau steht in der Mitte einer Redox-Kette wie NAD + zwischen C-Körper und Proteinkomplex I in der Atmungskette Regulation im Stoffwechsel (Seite 64) 1 Beschreiben Sie die Versuchsergebnisse und erklären Sie diese mithilfe des Modells (Abb 1 und 3) Je höher die Substratkonzentration ist, desto schneller läuft die Reaktion ab Insbesondere bei mittleren Enzymkonzentrationen steigert ADP die Enzymwirkung, bei ATP-Zugabe sinkt sie ADP bzw ATP bewirken als Aktivator bzw Hemmstoff eine Veränderung der Enzymform und damit der katalytischen Wirkung 2 Phosphofructokinase wird durch Citronensäure ebenfalls gehemmt Beschreiben Sie ein Experiment, mit dessen Hilfe man diese Aussage bestätigen kann In Anlehnung an das in Abb 1 dargelegte Experiment könnte man den Umsatz von Fructose-6-phosphat in Gegenwart von und in Abwesenheit von Citrat untersuchen 3 Erklären Sie die biologische Bedeutung der Hemmung der Phosphofructokinase durch Citronensäure Eine hohe Konzentration von Citronensäure bedeutet, dass ständig viel Oxalessigsäure mit Acetyl-CoA zu Citrat umgesetzt wird, weil der Citronensäurezyklus vermehrt abläuft Ist dies der Fall, so liegt auch viel ATP vor Citrat führt ebenfalls zur allosterischen Hemmung der Phosphfructokinase Dies ist biologisch bedeutend, da nicht unnötigerweise Nährstoffe durch die Glykolyse und dann durch den CItronensäurezyklus geschleust werden Lebewesen sparen Ressourcen in Situationen, wenn sie nicht gebraucht werden Material: Regulation der Zellatmung (Seite 65) 1 Gehen Sie die Reaktionsschemata für die beiden Abbauwege der Glucose (Abb 1) an aerob: C 6 H 12 O H 2 O + 6 O 2 6 CO H 2 O anaerob: C 6 H 12 O 6 2 C 2 H 5 OH + 2 CO 2 2 Erklären Sie die in Abb 2 dargestellten Versuchsergebnisse unter Verwendung des in Abb 3 dargestellten Modells NADH + H + wirkt allosterisch hemmend auf die BTS-Dehydrogenase 3 Erläutern Sie die Regulationsmöglichkeiten bei der Glykolyse und beim Citronensäurezyklus und deren biologische Bedeutung Die Glykolyse kann bei der Umsetzung von Fructose-6-phoshat zu Fructose-1,6-bisphosphat reguliert werden Dann setzt eine Regulation bei der Umsetzung von Brenztraubensäure zu Acetyl-Coenzym A ein Im Citronensäurezyklus wird bei der Umsetzung von Acetyl Coenzym A zu Citronensäure und bei der Umsetzung von Isocitronensäure zu a-ketoglutarsäure reguliert Liegt viel ATP und Citronensäure vor, wird sie gehemmt, liegt viel ADP vor, wird sie aktiviert Bedeutung: Wenn wenig energetisch nutzbare Stoffe benötigt werden, erfolgt der Abbau von ATP nur in geringem Ausmaß, ebenso wird Citronensäure im Citronensäurezyklus nicht weiter umgesetzt, sondern häuft sich an Ein weiterer Abbau von Nährstoffen käme einem nicht effektiven Umgang mit Nährstoffen gleich, was in Zeiten des Mangels einen Nachteil bedeuten kann Wird viel ATP benötigt, ist zeitgleich die Menge an ADP hoch, sodass die Beschleunigung des Abbaus von Nährstoffen einen Vorteil bedeuten kann In diesem Fall ist wegen des vermehrt ablaufenden Citronensäurezyklus die Menge an Citronensäure gering Liegt viel NADH+H +, ATP und Acetyl Coenzym A vor, so werden wenig energetisch nutzbare Stoffe benötigt, da diese Stoffe nicht umgesetzt werden In diesem Fall läuft der Citronensäurezyklus weniger intensiv ab, sodass sich Acetyl Coenzym A anhäuft Ein weiterer Abbau von Nährstoffen wäre daher nicht effektiv Energie- und Baustoffwechsel (Seite 66/67) 1 Beschreiben Sie unter Verwendung von Abb 1, wie Aminosäuren zur Bildung von Fettsäuren beitragen können Zuerst erfolgt eine Desaminierung Aus der entstehenden organischen Säure kann Acetyl-CoA gebildet werden Solche Bausteine können durch Verknüpfung zum Fettsäuremolekül werden 2 Der Citronensäurezyklus wird als Drehscheibe des Stoff wechsels bezeichnet Erläutern Sie diesen Ausdruck Aus allen Nährstoffgruppen können Moleküle zur Energiebereitstellung oder zum Aufbau von Nährstoffen aus der eigenen Gruppe oder aus anderen Gruppen genutzt werden Extra: Einseitige Diäten (Seite 67) Entwickeln Sie einen Vorschlag, der auf gesundem Wege zu einer Gewichtsreduzierung führen kann, und begründen Sie ihn Wenig, aber ausgewogene Nahrung ist eine Alternative zu einseitiger Ernährung oder einer Crashdiät So kann man eine langsame Leerung der Fettspeicher bewirken, ohne den Stoffwechsel einseitig zu belasten

14 Material: Steuerung und Regelung im Stoffwechsel (Seite 68/69) 1 Stellen Sie die Messergebnisse aus Abb 2 grafisch dar Konzentration (mmol/l) Glucose Fettsäuren Ketonkörper normal ernährt 4 Stunden Hunger 7 Tage Hunger 2 Erklären Sie die Zusammenhänge zwischen den Messwerten unter dem Aspekt der kalorischen Homöostase Die sinkende Glucosefreisetzung in der Leber wird durch die Abgabe von Ketonkörpern und Fetten ausgeglichen Dadurch wird die Versorgung mit energetisch nutzbaren Stoffen aufrechterhalten 3 Erläutern Sie die in Abb 1 dargestellten Zusammenhänge Fette werden aus dem Fettgewebe mobilisiert und in der Leber zu Ketonkörpern, Glucose und unter Verwendung von in Muskeln durch Proteinabbau freigesetzten Aminogruppen auch zu Aminosäuren umgebildet So wird die Versorgung der Organe ermöglicht 4 Erläutern Sie kurz die Wasserbildung in den Mitochondrien normaler Körperzellen Wasserstoff aus den Reduktionsäquivalenten und aufgenommener Sauerstoff reagieren wie in der Knallgasreaktion zu Wasser 5 Erklären Sie mithilfe von Abb 3 die Auswirkungen von Thermogenin in der Mitochondrienmembran in Zellen des braunen Fettgewebes auf die Verteilung von H + -Ionen auf die ATP-Bildung Thermogenin senkt den Wasserstoff-Ionenkonzentrationsunterschied ohne ATP-Bildung und senkt dadurch die ATP-Produktion 6 Erklären Sie die intensive Wärmefreisetzung durch das braune Fettgewebe mit Bezug zur guten Durchblutung dieses Gewebes und seiner Lage im Körper Weniger ATP führt zu weniger gehemmtem Abbau der Fette und damit zur vermehrten Produktion von Reduktionsäquivalenten Die starke Durchblutung bringt genug Sauerstoff heran, sodass die Knallgasreaktion verstärkt ablaufen kann Dadurch wird mehr Wärme freigesetzt 7 Entwickeln Sie eine Versuchsanleitung, die zu den Ergebnissen in Abb 5 führen kann In einem Gefäß befindet sich eine Glucose-Lösung, in die Sauerstoff geleitet oder in der die Sauerstoffzufuhr unterbunden werden kann (Ein Rührer sollte für Durchmischung sorgen) Durch einen Abfluss mit Hahn können Proben entnommen werden, die auf ihren Glucosegehalt untersucht werden Ein Thermometer erlaubt die Bestimmung der Temperatur 8 Erklären Sie die Versuchsergebnisse (Abb 5) Die Temperatur steigt langsam, obwohl der Glucosegehalt schnell abnimmt, weil die Hefe anaerob durch Gärung nur wenig ATP für den Stoffwechsel bereitstellen kann Aerob betreibt sie mit weniger Glucose intensiver Stoffwechsel 9 Erläutern Sie, welchen Vorteil der Hefepilz als fakultativer Gärer besitzt Aerob wächst und vermehrt sich die Hefe schnell, da sie Glucose optimal energetisch nutzen kann Ohne Sauerstoff kann sie durch alkoholische Gärung hinreichend Energie für langsames Wachstum bereitstellen 1 In Gärtanks wird bei der Alkoholherstellung zu Beginn Sauerstoff zugeführt, später nicht mehr Erklären Sie die Vorteile dieses Vorgehens Unter aeroben Bedingungen vermehrt sich die Hefe schneller, unter anaeroben setzen die Hefezellen dann Alkohol durch Gärung frei Grafik: Wolfgang Herzig, Essen

15 1 4 Fotosynthese und Stoffaufbau Ernährung von Tieren und Pflanzen (Seite 7/71) 1 Erklären Sie die Bedeutung der unterschiedlich farbigen Pfeile in Abb 1 Die unterschiedlich farbigen Pfeile deuten auf Vorgänge hin, die nur bei Pflanzen oder nur bei Tieren ablaufen Beispielsweise nehmen Tiere und Pflanzen Sauerstoff auf, aber nur Pflanzen geben auch Sauerstoff ab 2 Erläutern Sie die Begriffe heterotroph und autotroph am Beispiel von zwei selbst gewählten Organismen Nutzen Sie dazu auch Abb 1 Z B: Ein Apfelbaum stellt die benötigten Nährstoffe mithilfe von Licht selbst her Von außen nimmt er dazu Wasser, Kohlenstoffdioxid und Mineralstoffe auf Ein Hase kann die benötigten Nährstoffe nicht selbst herstellen und muss sie mit der Nahrung aufnehmen Ein Apfelbaum ist ein autotropher, ein Hase ein heterotropher Organismus 3 Erläutern Sie das Basiskonzept Stoff- und Energieumwandlung am Beispiel der Fotosynthese Pflanzen bilden mithilfe der Lichtenergie in den Fotosynthesereaktionen den energetisch nutzbaren Stoff Glucose Extra: Parasitierende Pflanzen (Seite 71) Stellen Sie Gemeinsamkeiten und Unterschiede von Voll- und Halbparasiten in einer Tabelle dar Gemeinsamkeiten: Voll- und Halbparasitenpflanzen benötigen eine Wirtspflanze; ein Teil der benötigten Stoffe wird der Wirtspflanze entzogen Unterschiede: Halbparasitenpflanzen nehmen von ihrer Wirtspflanze meist nur Wasser und Mineralstoffe auf, betreiben aber selbst Fotosynthese; Vollparasitenpflanzen entziehen ihrer Wirtspflanze auch Nährstoffe, betreiben also nicht selbst Fotosynthese Zusammenwirken der Pflanzenorgane (Seite 72/73) 1 Erstellen Sie eine Tabelle zu den Strukturen der Blätter und ihren jeweiligen Funktionen siehe Tabelle Struktur Epidermis mit Kutikula Palisadengewebe Schwammgewebe Spaltöffnungen Leitbündel Funktion Verdunstungsschutz enthält die meisten Chloroplasten, Hauptort der Fotosynthese Gasdiffusion (Kohlenstoffdioxid, Sauerstoff) zwischen Zellen der Gewebe Gasaustausch mit der Umgebung (Kohlenstoffdioxid, Sauerstoff, Wasserdampf) Transport zwischen Pflanzenorganen (Xylem: Wasser und Mineralstoffe, Phloem: Nährstoffe) 2 Stellen Sie eine Hypothese auf, weshalb ein Buchenblatt nur auf der Blattunterseite Stomata besitzt, nicht aber auf der Blattoberseite Aufgrund höherer Sonneneinstrahlung und Temperatur auf der Blattoberseite wäre der Wasserverlust durch Transpiration bei geöffneten Stomata auf der Blattoberseite wesentlich höher 3 Stellen Sie in einem Schema dar, welchen Einfluss die Faktoren Licht, Wasser und Versorgung mit Kohlenstoffdioxid auf die Öffnungsweite der Stomata haben mehrere Lösungen möglich, z B: je mehr Licht desto höher FS-Rate desto höher muss sein dann sinkt CO2-Versorgung desto größer desto geringer Öffnungsweite Stomata desto höher Transpiration desto kleiner Wasser Fotosynthese und Umweltfaktoren (Seite 74) 1 Erläutern Sie begrenzende Faktoren der Fotosyntheserate einer Pflanze an einem hellen Sommertag An einem hellen Sommertag sind die Lichtintensität und die Temperatur so hoch, dass annähernd optimale Bedingungen bezüglich dieser Faktoren erreicht sind Begrenzend wirkt die CO2-Versorgung der Pflanze, die erst mit eine CO2-Konzentration von ca,15 % optimal wäre 2 Erstellen Sie aus den Messwerten in Abb 2 ein Diagramm Erklären Sie den Verlauf der Kurve (s auch Seite 4) Diagramm ergibt Optimumkurve: Zunahme der Fotosyntheserate durch höhere Enzymaktivität (RGT-Regel), Optimum bei 35 C, höchste Enzymaktivität, Abnahme durch Denaturierung der Enzyme, Struktur des aktiven Zentrums verändert sich

16 Praktikum: Fotosynthese (Seite 75) 1 Protokollieren Sie die Versuchsergebnisse und werten Sie sie hinsichtlich der Kohlenstoffdioxidaufnahme und der Sauerstoffabgabe bei der Fotosynthese aus Im Ansatz mit Mineralwasser färbt sich die Lösung um die Pflanze herum sehr schnell und stark blau, im Ansatz mit destilliertem Wasser wesentlich langsamer und weniger stark Im Ansatz mit Mineralwasser ist wesentlich mehr Kohlenstoffdioxid im Wasser gelöst Durch Aufnahme ist die Fotosyntheserate hier wesentlich höher, es wird mehr Sauerstoff gebildet, die Lösung färbt sich schneller und stärker blau 2 Planen Sie einen Kontrollansatz, führen Sie ihn durch und werten Sie ihn aus Ein Kontrollansatz ist z B ohne Pflanze mit und ohne Ölschicht möglich So kann kontrolliert werden, ob die Blaufärbung durch die Sauerstoffabgabe der Pflanze entsteht 3 Werten Sie den ersten Versuchsteil hinsichtlich des Einflusses der Lichtintensität auf die Fotosynthese aus Je größer die Lichtintensität, desto mehr Gasblasen entstehen, desto höher ist die Fotosyntheserate 4 Leiten Sie aus den Ergebnissen des zweiten Versuchsteils Tipps für eine optimale Beleuchtung von Pflanzen ab Bei blauem und rotem Licht ist die Anzahl der Gasblasen und damit die Fotosyntheserate am höchsten, bei gelbem und grünem Licht am niedrigsten Pflanzen werden für optimales Wachstum am besten mit rotem und blauem Licht beleuchtet Licht Energiequelle für die Fotosynthese (Seite 76) 1 Theodor W Engelmann ( ) führte 1882 den in Abb 2 dargestellten Versuch mit einer Fadenalge und sauerstoffliebenden Bakterien durch Werten Sie die Versuchsergebnisse aus Die sauerstoffliebenden Bakterien sammeln sich hauptsächlich in den Bereichen des blauen und roten Lichts Die Fadenalge produziert also in diesen Bereichen mehr Sauerstoff, was auf eine höhere Fotosyntheserate zurückzuführen ist Blaues und rotes Licht zeigt die höchste Wirkung bezüglich der Fotosyntheserate (Wirkungsspektrum) 2 Erläutern Sie, inwiefern die Absorptions- und Wirkungsspektren belegen, dass die verschiedenen Blattfarbstoffe an der Fotosynthese beteiligt sind Die Maxima des Wirkungsspektrums liegen dort, wo die Absorptionsmaxima von Chlorophyll a liegen Die Wirkung im Bereich 6 nm bis 63 nm wird durch die Absorption von Chlorophyll b verursacht, Chlorophyll a absorbiert hier weniger Die Wirkung bei 5 nm bis 51 nm kommt durch die Absorption der Carotinoide zustande Praktikum: Trennung von Blattfarbstoffen (Seite 77) 1 Vergleichen Sie die genutzten Filterpapiere hinsichtlich der daran erkennbaren Blattfarbstoffe Es sind jeweils mehrere Farbstoffe in den Filterpapieren zu erkennen Grüne Blätter: grün, gelb; rote Blätter: rot, grün, gelb; gelbe Herbstblätter: gelb 2 Erläutern Sie das Prinzip der Trennung von Farbstoffen durch Dünnschichtchromatographie (Abb 1) In der Abbildung sind die Wechselwirkungen zwischen den unpolaren Molekülen von Stoff 1 und den wenig polaren Molekülen des Laufmittels größer, Stoff 1 wird schneller mit dem Laufmittel transportiert Die polaren Moleküle von Stoff 2 wechselwirken weniger mit den Laufmittelmolekülen, aber stärker mit den Molekülen des Kieselgels, Stoff 1 wird langsamer mit dem Laufmittel transportiert 3 Blätter der Blutbuche enthalten zusätzlich den Farbstoff Cyanidin, gelbe Herbstblätter den Farbstoff Anthocyan Identifizieren Sie die in grünen, roten und herbstlich gelben Blättern jeweils enthaltenen Stoffe in den Chromatogrammen Cyanidin ist nur im Chromatogramm der roten Blätter zu finden, Anthocyan nur in den gelben Herbstblättern Die gelben und grünen Banden, die auch im Chromatogramm der grünen Blätter zu finden sind, sind den Carotinoiden und Chlorophyllen zuzuordnen 4 Prüfen Sie anhand der Versuchsergebnisse, welche Blätter Chlorophyll enthalten, und stellen Sie eine Hypothese auf, wie die Herbstfärbung entsteht Die grünen und roten Blätter enthalten Chlorophylle, die gelben Herbstblätter nicht Die Chlorophylle werden im Herbst vermutlich abgebaut, sie absorbieren dann nicht mehr im blauen und roten Bereich des Lichts Die Carotinoide absorbieren im blauen Lichtbereich Der im Herbst gebildete Farbstoff Anthocyan absorbiert vermutlich im grünen Lichtbereich Werden grünes und blaues Licht absorbiert, erscheinen die Blätter gelb, orange, rot