NATURA. Lösungen. Oberstufe Biologie für Gymnasien

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1 NATURA Oberstufe Biologie für Gymnasien Katharina Baack Andrea Becker Detlef Eckebrecht Justine Kießling Marco Koch Alexander Maier Günter Roßnagel 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 52 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 Alle Rechte vorbehalten. Autorinnen und Autoren: Katharina Baack, Andrea Becker, Dr. Detlef Eckebrecht, Dr. Justine Kießling, Marco Koch, Alexander Maier, Dr. Günter Roßnagel Redaktion: Dr. Detlef Eckebrecht DIDACTIC CONCEPTIONS, Rolf Strecker Mediengestaltung: Marlene Klenk-Boock Illustrationen: Wolfgang Herzig, Essen; Jörg Mair, München A

3 Methoden Methode: Umgang mit wissenschaftlichen Daten (Seite 8/9) 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 10/11) 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 12/13) 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 14/15) 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 1 Die Zelle 1. 1 Die Zelle kleinste lebende Einheit Zelle, Gewebe, Organ (Seite 18/19) 0 1 Ordnen Sie den Bildern aus Abb. 2 die Begriffe Zelle, Gewebe, Organ, Organismus zu. Organismus: Wasserpest; Organ: Blatt, Gewebe: fotosynthetisch aktive Zellen des Blattgewebes. 2 Die extrazelluläre Matrix spielt in der medizinischen Forschung mittlerweile eine große Rolle. Erläutern Sie die Gründe für das besondere Interesse daran. Die extrazelluläre Matrix spielt z. B. eine wichtige Rolle bei der Erforschung der Wundheilung und der damit verbundenen Entwicklung von Materialien mit ähnlichen Eigenschaften (z. B. Barrieren für Erreger) für die Wundversorgung. Ein anderes Beispiel ist die Heilung nach Knochenbrüchen oder Sehnenrissen, die vielleicht beschleunigt werden kann. Praktikum: Mikroskopieren von Zellen (Seite 20/21) 1 Mikroskopieren Sie die beiden Präparate bei allen Vergrößerungen. Vergleichen Sie dabei die Zellstrukturen in pflanzlichen und menschlichen Zellen. pflanzliche Zellen: Zellwand, Chloroplasten, Zellplasma, Zellmembran; menschliche Zellen: Zellkern, Zellmembran, Zellplasma 2 Fertigen Sie beschriftete Skizzen der beiden Zelltypen bei maximaler Vergrößerung an. individuelle Lösung 3 Vergleichen Sie die Anordnung und Häufigkeit der Schließzellen in Ihrem Präparat mit der Epidermis in Abb. 1. Beim Alpenveilchen sind mehr Schließzellen vorhanden. Sie sind nicht regelmäßig parallel angeordnet wie bei der Tulpe. 4 Stellen Sie eine Hypothese auf, an welchen Standorten Pflanzen besonders viele Spaltöffnungen aufweisen. an trockenen Standorten: Mithilfe zahlreicher Spaltöffnungen ist ein maximaler Gaswechsel bei minimalem Wasserverlust gewährleistet. 5 Untersuchen Sie, welches Organell in der Zelle jeweils für die rote Farbe verantwortlich ist. Verwenden Sie hierfür die Abb. 2. Zwiebel: rote Farbe durch Vakuole, Paprika: rote Farbe durch Chromoplasten 6 Ermitteln Sie mithilfe des Millimeterpapiers die Größe der Zellen und der farbigen Organellen. Länge der Zwiebelzellen und der Vakuole: ca. 300 µm, Länge der Paprikazellen: ca. 100 µm (Chromoplasten: ca. 5 µm) 7 Berechnen Sie, wie groß die ganze Zwiebel bzw. die Paprika wäre, wenn sie dieselbe Vergrößerung erfahren würde wie die Zellen in Ihrem Präparat. Größe der Zwiebel bei 400-facher Vergrößerung: 28 m, Größe der Paprika bei 400-facher Vergrößerung: 48 m 8 Betrachten Sie die Zellen bei mittlerer Vergrößerung. Vergleichen Sie die Formen der Zellen und der Stärkekörner. Die Kartoffelzellen und ihre Stärkekörner haben eine rundliche Form, die Bananenzellen und ihre Stärkekörner haben eine ausgeprägt längliche Form. 9 Ordnen Sie die Stärkekörner Ihrer Präparate dem jeweils passenden Teilbild der Abb. 4 zu. Stärkekörner der Kartoffel: B; Stärkekörner der Banane: D. Die Unterschiede sind im Präparat gut zu erkennen. (A: Stärkekörner der Bohne, C: Stärkekörner des Maises) 10 Die rundliche Form der Stärkekörner spiegelt die Art ihrer Entstehung wider. Stellen Sie eine Hypothese auf, wie Stärkekörner entstehen. Um ein sogenanntes Bildungszentrum herum lagern sich die Stärkemoleküle radiärsymmetrisch in Schichten ab und bilden dabei rundliche Stärkekörner. Bei den länglichen Stärkekörnern der Banane lagern sich die Moleküle am Bildungszentrum der Länge folgend in Schichten ab. Lichtmikroskopie (Seite 22/23) 0 1 Erläutern Sie die Bedeutung von Farbstoffen für die Licht mikroskopie. Außer farbigen Vakuolen und Plastiden sind fast alle Zellstrukturen kontrastarm. Durch Anfärben werden manche Strukturen sicht- bzw. unterscheidbar. $ 2 Stellen Sie die Vorteile der Fluoreszenzmikroskopie im Ver gleich zur herkömmlichen Lichtmikroskopie dar. Gehen Sie dabei auch auf die Vorzüge der Laser- bzw. STED-Mikroskopie ein. Vorteil der Lichtmikroskopie allgemein: Meist können lebende Zellen betrachtet werden. Vorteil der Fluoreszenzmikroskopie: farblose Strukturen werden sichtbar Vorteil der Lasermikroskopie: bessere Auflösung durch Lochblenden Vorteil der STED-Mikroskopie: Ausschalten der Hintergrundfluoreszenz

5 Elektronenmikroskopie (Seite 24/25) 0 1 Vergleichen Sie die TEM- und die REM-Technik. Gemeinsam ist beiden Techniken die gute Auflösung. Der Vorteil der REM-Technik ist ihre Eignung zur Untersuchung von Oberflächenstrukturen, der Vorteil der TEM-Technik ist, dass mit deren Hilfe bei Ultradünnschnitten Einblicke in winzigste Strukturen im Inneren von Zellen und Zellorganellen möglich sind.. 2 Beurteilen Sie anhand der Präparationstechniken für die Elektronenmikroskopie die Aussagekraft der gewonnenen Bilder. Auch wenn mit der EM eine hohe Auflösung erzielt wird, muss anhand der zahlreichen Präparationsschritte (Fixieren, Entwässern, Behandlung mit Schwermetall-Ionen, Schneiden bzw. Gefrierbruchtechnik) mit Schädigungen der Zellen und daraus resultierenden Artefakten gerechnet werden. Methode: Gefrierbruchtechnik (Seite 25) Beschreiben Sie die Gefrierbruchtechnik mithilfe der Abb. 4. Das gefrorene Objekt wird zuerst mit einem Messer gebrochen. An der Bruchfläche lässt man dann Wasser sublimieren. Dadurch entsteht eine unregelmäßige Oberfläche, aus der feste Strukturen herausragen. Danach wird das Objekt seitlich mit Platin bedampft und mit Kohlenstoff beschichtet. Eukaryotische Zellen (Seite 26/27) 0 1 Vergleichen Sie Tier- und Pflanzenzellen miteinander. Gemeinsamkeiten: Zellkern, ER, Golgi-Apparat, Ribosomen, Zellmembran, Cytoplasma, Mitochondrien Unterschiede: Pflanzenzellen besitzen zusätzlich eine Zellwand, i. d. R. eine Vakuole und Chloroplasten im fotosynthetisch aktiven Gewebe; Tierzellen verfügen über Lysosomen. $ 2 Erläutern Sie auch anhand von Abb. 1 den Begriff Organell. Ein Organell ist an die Erfüllung einer bestimmten Aufgabe in der Zelle angepasst, ähnlich wie ein Organ in einem Organismus. $ 3 Tierische Zellen besitzen keine Zellwand. Recherchieren Sie die Ursachen der Stabilität bei Tierzellen. Tierische Zellen besitzen keine Zellwand. Vielzellige Tiere erhalten Stabilität durch ein Bindegewebe, ein Endoskelett aus Knochen oder Knorpel oder ein Exoskelett aus Chitin. Mitochondrien und Chloroplasten (Seite 28) 0 1 Vergleichen Sie Chloroplasten und Mitochondrien in einer Tabelle. Gemeinsamkeiten: von zwei Membranen begrenzt, eigenes genetisches Material in Form ringförmiger DNA, eigene Ribosomen, starke Faltungen der inneren Membran Unterschiede: Mitochondrien Kraftwerke der Zelle; Orte der Zellatmung; kleiner und i. d. R. häufiger in der Zelle als Chloroplasten Chloroplasten: Orte der Fotosynthese; größer als Mitochondrien; in Algen z. T. nur ein Chloroplast pro Zelle Material: Plastiden (Seite 29) 0 1 Vergleichen Sie in tabellarischer Form die unterschiedlichen Plastidentypen. Chloroplasten: Fotosynthese, Chromoplasten: Anlocken der Bestäuber oder Samenverbreiter, Leukoplasten: Speicherort (z. B. Amyloplasten: Speicherung von Stärke) $ 2 Ordnen Sie den unterschiedlichen Organen einer Kartoffelpflanze die zugehörigen Plastidentypen zu. Knolle: Amyloplasten, Blütenblätter: Chromoplasten, Laubblätter: Chloroplasten $ 3 Zur Bildung der Chloroplasten aus Proplastiden wird Licht benötigt. Erläutern Sie, inwiefern dies von Vorteil ist. Die Umwandlung erfolgt erst, wenn das für die Fotosynthese notwendige Licht auch vorhanden ist. Bei Lichtmangel können aus den Proplastiden andere Plastidentypen gebildet werden. 0 4 Benennen Sie die in Abb. 3 dargestellten Plastidentypen und erläutern Sie deren unterschiedliche Funktion. Chloroplasten: Fotosynthese; Chromoplasten: Anlocken von Tieren für die Ausbreitung der Samen 0 5 Ordnen Sie die mikroskopischen Aufnahmen der Abb. 3 einer Phase der Fruchtreife zu. links: reife Tomate (rote Färbung durch Chromoplasten); rechts: unreife Tomate (grüne Färbung durch Chloroplasten). 6 Stellen Sie eine Hypothese auf, warum die schnelle Verfärbung der Frucht erst am Ende der Fruchtreife erfolgt. Erst mit der Reifung der Samen erfolgt die Umwandlung der Chloroplasten in Chromoplasten. Dadurch wird gewährleistet, dass ein Verzehr der Früchte und deren Verbreitung nicht zu früh stattfindet.

6 Prokaryotische Zellen (Seite 30/31) 0 1 Vergleichen Sie prokaryotische und eukaryotische Zellen in einer Tabelle miteinander. Prokaryoten: kein von Membranen umhüllter Zellkern, geringe bis keine Kompartimentierung innerhalb der Zelle Gemeinsamkeiten: Zellmembran, Zellplasma $ 2 Stellen Sie das Wachstum weniger Bakterien in einer Kultur grafisch dar. Sie sollen zunächst optimale Bedingungen vorfinden, aber nur zu Beginn der Kultur mit Nahrung versorgt werden. Die Darstellung sollte drei Phasen zeigen: die Anlaufphase mit exponentiellem Wachstum, die stationäre Phase und den Rückgang in der Sterbephase.. 3 Nehmen Sie Stellung zur Aussage: Bakterien sind primitiv. Die Aussage trifft einerseits zu, weil prokaryotische Zellen einfach strukturiert sind. Sie trifft andererseits nicht zu, weil Bakterien Hochleistungszellen sind, enorme Wachstums- und Vermehrungsraten aufweisen können, sich schnell anpassen können und weil es unter den Bakterien eine große Stoffwechselvielfalt gibt. Material: Zellforschung (Seite 32) 0 1 Nennen Sie die Anwendungsgebiete von Zell kulturen. Mögliche Anwendungsgebiete sind Untersuchungen in der biologischen und medizinischen Forschung, z. B. bei der Herstellung von Medikamenten etc. Außerdem können Zellkulturen als Testsysteme für Toxizitätsstudien eingesetzt werden. $ 2 In Kulturen menschlicher Zellen werden Medi kamente bezüglich der Wirksamkeit und der Toxizität untersucht. Diskutieren Sie die Vor- und Nachteile dieser Testmethode. Vorteile: schnell, billig, Tierversuche können verhindert werden; Nachteile: Die Ergebnisse können nur begrenzt auf die Wirksamkeit und Toxizität in Lebewesen übertragen werden.. 3 Erläutern Sie die Toxizitätskurven in Abb. 1. Gehen Sie dabei auf die unterschiedliche Giftigkeit der beiden Stoffe ein. Stoff 1 hat eine höhere Toxizität als Stoff 2 (geringerer LD50-Wert). Bei Stoff 2 erkennt man einen weiteren Bereich, in dem dieser Stoff bis zu einer LD100 führt. 0 4 Bei einer Dichtegradienten-Zentrifugation von Pflanzenzellen ohne Zellwand ergibt sich eine weitere Zellfraktion. Stellen Sie eine Hypothese auf, um welche Zellfraktion es sich handeln muss. Die grüne Bande entsteht durch Chloroplasten. $ 5 Erklären Sie die Funktionsweisen der beiden Arten der Zellfraktionierung. Differenzielle Zentrifugation: Auftrennung in mehreren Zentrifugationsschritten aufgrund unterschiedlicher Sedimentationsgeschwindigkeiten der einzelnen Zellbestandteile; Dichtegradienten-Zentrifugation: Auftrennung in einem Dichtegradienten (Zellbestandteile reichern sich im Gradienten an Stellen mit ähnlicher Dichte an.) Material: Endosymbiontentheorie (Seite 33) 0 1 Beschreiben Sie mithilfe von Abb. 1 die Entstehung der Ur-Tierzelle und der Ur-Pflanzenzelle. Ur-Tierzelle: Bildung eines Zellkerns durch Einstülpungen der Zellmembran, die das genetische Material umschließen/aufnahme eines aeroben Prokaryoten durch Einstülpung der Zellmembran (Endocytose) und dessen stabile Integration in die Zelle Evolution eines aeroben Eukaryoten; Ur-Pflanzenzelle: zusätzliche Aufnahme eines fotosynthetisch aktiven Prokaryoten durch Einstülpung der Zellmembran und dessen stabile Integration $ 2 Erläutern Sie das Zustandekommen von zwei Membranen, die Chloroplasten und Mitochondrien begrenzen. Die innere Membran stammt vom ursprünglichen Prokaryoten ab/äußere Membran stammt von der Urzelle ab, die durch eine Einstülpung den Prokaryoten aufgenommen hat.. 3 Der einzellige Erreger der Malaria (Plasmodium) besitzt ein Organell (Apicoplast), das von vier Membranen umgeben ist. Stellen Sie eine Hypothese zur Entstehung des Apicoplasten auf. Er ist durch Aufnahme einer eukaryotischen Zelle entstanden, die einen einzigen Chloroplasten enthielt (sekundäre Endosymbiose). $ 4 Begründen Sie mithilfe von Abb. 2 die Richtigkeit der Endosymbiontentheorie. Diese beiden Organellen gehen auf Prokaryoten zurück, weil sie ein ähnliches genetisches Material aufweisen, über eine eigene Proteinbiosynthese mit 70-S-Ribosomen verfügen, sich wie Prokaryoten mithilfe von mikrotubuliähnlichen Strukturen teilen und ihre innere Membran einen ähnlichen Bau wie prokaryotische Membranen aufweist.. 5 Im Laufe der Evolution wurden viele ursprünglich prokaryotische Gene aus den Organellen in den Zellkern übertragen. Stellen Sie eine Hypothese auf, wie dies die Integration der Prokaryoten in die Zelle begünstigte. Durch den Transfer von Genen in den Zellkern wurde eine Abhängigkeit der ursprünglich frei lebenden Prokaryoten von der sie umgebenden Zelle geschaffen. Eine Koordination und Feinabstimmung zwischen der Zelle und den ursprünglichen Prokaryoten wurde dadurch möglich.

7 Der Zellkern (Seite 34/35) 0 1 Beschreiben Sie die Versuche mit Acetabularia und stellen Sie Schlussfolgerungen dar, die man aus diesen Versuchen ziehen kann. Versuch oben: Einer entkernten Alge der Art Acetabularia mediterranea wird der arttypische Hut abgetrennt. Anschließend wird der entkernten Alge ein Zellkern der Art Acetabularia crenulata ins Rhizoid übertragen. Die Alge regeneriert einen neuen Hut, der nun typisch für die Art Acetabularia crenulata ist. Versuch unten: Einer Alge der Art Acetabularia crenulata und einer der Art Acetabularia mediterranea wird jeweils der Hut abgetrennt. Anschließend werden die beiden Rhizoide mit Zellkernen vereinigt. Die beiden Rhizoide regenerieren zusammen einen Hut, der einer Mischform der beiden arttypischen Hutformen entspricht. Aus beiden Versuchen kann man schließen, dass die Form des Hutes und damit Wachstumsprozesse durch den Zellkern gesteuert werden. $ 2 Entgegen früherer Annahmen ist das genetische Material auch außerhalb der Zellteilung in einem geordneten Zustand (Abb. 4). Dieser kann jedoch zwischen Zelltypen innerhalb eines Organismus variieren. Erläutern Sie dies. Auch außerhalb der Zellteilung nehmen Chromosomen bestimmte Positionen im Zellkern ein. Chromosomen im Zentrum des Kerns sind weniger dicht gepackt und ihr genetisches Material ist folglich aktiver als in Chromosomen des Randbereichs. In den unterschiedlichen Zelltypen eines Lebewesens (z. B. Muskel-, Nerven-, Knorpelzellen etc.) befinden sich jeweils v. a. diejenigen Chromosomen weniger dicht gepackt im Zentrum des Zellkerns, deren genetisches Material für den jeweiligen Zelltypus erforderlich ist. Dadurch ist es unter anderem möglich, dass in den unterschiedlichen Zellen desselben Organismus das jeweils für den Zelltyp erforderliche genetische Material aktiv ist. Zellzyklus Mitose und Interphase (Seite 36/37) 0 1 Ordnen Sie die in Abb. 1 dargestellten Zellzyklus-Stadien den zugehörigen Phasen in Abb. 2 zu. A frühe Metaphase, B Telophase, C Prophase, D Interphase, E frühe Metaphase, F Anaphase. 2 Stellen Sie eine Hypothese auf, welcher Teilschritt der Mitose am M-Kontrollpunkt überprüft wird. Am M-Kontrollpunkt wird überprüft, ob die Einzelchromosomen mit dem Spindelapparat verbunden sind. Vom Einzeller zum Vielzeller (Seite 38) $ 1 Beschreiben Sie anhand von Abb. 1 b, wie die Evolution der Schwämme stattgefunden haben könnte. Aus einzelligen Kragengeißelflagellaten könnten sich Kolonien bildende Formen entwickelt haben. Große Kolonien könnten Hohlkörper gebildet haben, die in der weiteren Entwicklung Gewebe entstehen ließen und mit den Kragengeißelzellen durch Koordination einen kontinuierlichen Wasserstrom erzeugten. $ 2 Stellen Sie dar, warum Gonium kein echter Vielzeller ist. Kolonie aus gleichartigen Zellen, keine Arbeitsteilung bzw. Differenzierung (alle Zellen erfüllen die gleiche Funktion: Ernährung, Fortbewegung, Fortpflanzung, ) Praktikum: Heuaufguss (Seite 39) 1 Vergleichen Sie die Kleinstlebewesen aus Ihren Präparaten mit Abb. 1 und bestimmen Sie die Lebewesen, wenn möglich. individuelle Lösung 2 Erklären Sie den bevorzugten Aufenthaltsort der gefundenen Lebewesen. Direkt an der Oberfläche befinden sich viele Bakterien, die den Sauerstoff für ihren Stoffwechsel aus der umgebenden Luft beziehen. Je nach Trübung des Aufgusses sind die fotosynthetisch aktiven Grünalgen und Geißelträger an der Oberfläche und inmitten des Gefäßes zu finden, um an genügend Licht für die Fotosynthese zu gelangen. Im freien Wasser befinden sich auch viele Wimpertierchen und tierische Geißelträger, die sich v. a. von den Bakterien an der Oberfläche ernähren. Amöben und Bakterien sind v. a. im Bodensatz zu finden, in dem sie sich von abgestorbenen Kleinstlebewesen ernähren können. 3 Vergleichen Sie Ihre Ergebnisse zur Sukzession mit den Angaben in Abb. 2. individuelle Lösung 4 Diskutieren Sie, inwiefern sich die Umweltbedingungen im Heuaufguss mit der Zeit verändern. Zu Beginn vermehren sich im sauerstoffreichen Aufguss v. a. Bakterien, die hohe Vermehrungsraten aufweisen. Bakterien und deren Abfälle sind die Nahrungsgrundlage von anderen Kleinstlebewesen, die sich nun auch stark vermehren können. Durch fotosynthetisch aktive Kleinstlebewesen wird im Heuaufguss zusätzlich Biomasse aufgebaut. Diese kann von anderen Lebewesen wiederum als Nahrung genutzt werden. Durch diese Zunahme an Biomasse im Aufguss kann sich die anfangs gute Sauerstoffversorgung jedoch schnell durch den Abbau von abgestorbenen Lebewesen in eine schlechte Sauerstoffversorgung im Aufguss ändern.

8 Zelldifferenzierung (Seite 40/41) 0 1 Benennen Sie die in Abb. 3 dargestellten Gewebetypen. Ganz außen befindet sich das Abschlussgewebe (Epidermis) des Kürbisstiels. Eingebettet im Grund- und Stützgewebe (Parenchym) befindet sich das Leitgewebe (Leitbündel) für den Stofftransport. $ 2 Erläutern Sie die unterschiedliche Zusammensetzung einer jungen und einer ausdifferenzierten Blattzelle (Abb. 4). In jungen Pflanzenzellen nehmen v. a. der Zellkern und das Zellplasma einen großen Raum ein, weil sich die Zelle noch in einem Wachstumsprozess befindet, in dem das genetische Material sehr aktiv ist. Es sind auch relativ viele Mitochondrien vorhanden, die Energie für Wachstumsprozesse bereitstellen. In ausdifferenzierten Blattzellen verleiht meist eine sehr große Vakuole der Zelle Festigkeit und dient als Speicherort von Stoffen. Hingegen sind nun weniger Mitochondrien vorhanden, weil für das Zellwachstum keine Energie mehr benötigt wird. Auch das Volumen des Zellkerns und des ER sind geringer, weil die Wachstumsphase mit hoher Stoffwechselaktivität beendet ist. Die Zelle verfügt nun über mehr Chloroplasten, um eine maximale Fotosyntheseleistung im Blatt zu erzielen. Cytoskelett (Seite 42) $ 1 Taxol wird als Tumorhemmstoff in der Krebstherapie verwendet. Er behindert die Bildung des Spindelapparats. Leiten Sie die Folgen für die Zellteilung in gesundem und krankem Gewebe ab. Sowohl in kranken als auch in gesunden Zellen kann der Spindelapparat aus Mikrotubuli nicht aufgebaut werden. Die Chromosomen können bei der Zellteilung nicht bewegt werden. Es sind keine weiteren Zellteilungen möglich. Endomembransystem (Seite 43) 0 1 Stellen Sie die Abläufe im Endomembransystem dar, die zum Abbau eines eingedrungenen Bakteriums führen. An den Ribosomen des rauen ERs werden Enzyme hergestellt und im ER verpackt und verändert. Über Vesikel gelangen sie in den Golgi-Apparat, in dem sie weiter verändert werden. Die fertiggestellten Enzyme werden über Vesikel (Lysosomen) vom Golgi-Apparat abgeschnürt. Diese Lysosomen können mit Vesikeln verschmelzen, in denen sich eingedrungene Bakterien befinden. Mithilfe der Enzyme können die eingedrungenen Bakterien abgebaut werden. Wasser und Ionen in Lebewesen (Seite 44/45) 0 1 Erklären Sie den Zusammenhang zwischen der Wasserlöslichkeit eines Stoffs und der Struktur seiner Moleküle. Je polarer die Moleküle eines Stoffes sind, desto besser ist der Stoff in Wasser löslich. Pole entstehen in Molekülen, wenn Ladungen oder Teilladungen vorliegen, sodass Anziehungskräfte zwischen den gelösten Teilchen und Wasser wirken können. $ 2 Erklären Sie, dass rohe Eier beim Einfrieren aufplatzen (Wassergehalt: Eiklar 86 %, Eigelb 50 %). Durch den hohen Wassergehalt des Eiklars findet beim Gefrieren eine Ausdehnung statt, die die feste Kalkschale sprengt. Ursache ist die Dichteanomalie des Wassers. $ 3 Leiten Sie aus Abb. 5 ab, um welchen Faktor im Magensaft mehr H3O + -Ionen vorliegen als in reinem Wasser. Reines Wasser hat den ph-wert 7, bei Magensaft beträgt der Wert 1. Die Oxonium-Ionen-Konzentrationen betragen 10 7 bzw Die Differenz der Exponenten beträgt 6, der Faktor für den Unterschied beträgt Im Magensaft beträgt die Oxonium-Ionen- Konzentration also das 1-Mio.-fache des reinen Wassers. Proteine (Seite 46/47) $ 1 Berechnen Sie die theoretisch mögliche Anzahl der Peptide mit einer Kettenlänge von 7 Aminosäuren = Beschreiben Sie den strukturellen Unterschied zwischen den Tripeptiden Ser Ala Asp und Asp Ala Ser. Im Tripeptid Ser Ala Asp hat Serin eine freie Aminogruppe, Asp hat eine freie Carboxygruppe. Im Asp Ala Ser hat Asp eine freie Aminogruppe und Ser eine freie Carboxygruppe.

9 Kohlenhydrate (Seite 48/49) 0 1 Mono- und Disaccharide sind sehr gut wasserlöslich, Poly saccharide sind nahezu wasserunlöslich. Stellen Sie eine Hypo these auf, mit der sich diese Beobachtung erklären lässt. Mono- und Disaccharide können mit vielen Wassermolekülen Wasserstoffbrückenbindungen ausbilden und sind aufgrund ihrer geringen Größe in Lösung gut beweglich. $ 2 Begründen Sie, warum die Struktur von Glykogen sowohl eine schnelle Speicherung von Glucose als auch deren Bereitstellung ermöglicht. Glucose wird zur Speicherung an Kettenenden des Glykogens gebunden und bei Bedarf werden Kettenenden wieder abgespalten. Aufgrund der vielen Verzweigungen gibt es viele Kettenenden, an denen Abspaltung und Anlagerung von Glucose möglich sind.. 3 Stellen Sie mithilfe von Abb. 3 und 4 die Struktur von Lactose dar. HO HOCH O O H HOCH OH O H OH H OH H OH H H Glucose OH Galactose Lipide (Seite 50/51) 0 1 Recherchieren Sie im Internet oder in Fachbüchern, was man unter essenziellen Fettsäuren versteht, in welchen Nahrungsmitteln sie enthalten sind und welche Bedeutung sie für eine gesunde Ernährung haben. individuelle Lösung. Essenzielle Fettsäuren muss der Mensch mit der Nahrung aufnehmen, da er sie nicht selbst herstellen kann.. 2 Zerteilt man eine auf dem Wasser schwimmende Ölschicht in kleine Tropfen, fließen diese nach kurzer Zeit wieder zu einer Fläche oder zu großen Tropfen zusammen. Gibt man zuvor Gallensalze oder Phospholipide hinzu, bleiben die Öltropfen klein. Erklären Sie beide Beobachtungen. Hydrophobe Teilchen schließen sich zusammen, da dann im Wasser mehr Wasserstoffbrückenbindungen entstehen können (energetisch günstigerer Zustand) und sich die großen Fettmoleküle durch Van-der-Waals-Kräfte anziehen. Gallensalze sind amphiphil und legen sich als vermittelnde Schicht um die Öltröpfchen, die sich dann nicht mehr verbinden. Grafik: Wolfgang Herzig, Essen

10 1. 2 Biomembranen Barrieren der Zelle Bau und Funktion einer Biomembran (Seite 52/53) 0 1 Beschreiben Sie mithilfe des Flüssig-Mosaik-Modells die Struktur und Funktion einer Biomembran. Biomembranen bestehen aus einer zähflüssigen Lipid-Doppelschicht, in der Membranproteine mosaikartig verteilt sind und sich innerhalb der Lipid-Doppelschicht wie Eisberge in der See mehr oder weniger frei bewegen können. Die Funktionen einer Biomembran sind einerseits Stabilisierung der Zelle und elastische Abgrenzung zur Umgebung. Andererseits ist über Membranproteine ein gezielter Stoffaustausch mit der Umgebung und auch die Bindung von Stoffen möglich. $ 2 Lipidmoleküle sind innerhalb ihrer Membranschicht mehr oder weniger frei beweglich. Ein Austausch von Lipidmolekülen zwischen den Membranschichten einer Lipid-Doppelschicht ist jedoch schwieriger. Begründen Sie. Wechselwirkungen zwischen den hydrophoben Fettsäureresten ermöglichen eine mehr oder weniger freie Beweglichkeit der Lipidmoleküle innerhalb einer Membranschicht. Ein Austausch von Membranlipiden zwischen den Membranschichten ist jedoch schwieriger, weil beim Wechseln der Schicht hydrophile und hydrophobe Bereiche der Lipidmoleküle aufeinandertreffen: Eine Abstoßung ist die Folge.. 3 Bei Mikroinjektionen werden experimentell mit feinsten Nadeln Substanzen in eine Zelle eingebracht. Erläutern Sie den Ablauf und die Eigenschaften von Zell memb ranen, die eine Zerstörung der Zelle hierbei verhindern. Bei einer kleinen Verletzung der Membran wird die Lücke durch nachfließende Lipidmoleküle durch die Wechselwirkungen zwischen den Fettsäureresten schnell wieder geschlossen. Material: Modelle der Biomembran (Seite 54/55) 0 1 Erläutern Sie das in Abb. 1 dargestellte Verhalten von Lecithinmolekülen. Lecithinmoleküle bestehen aus einem hydrophilen und einem hydrophoben Bereich. Der hydrophile Bereich kann mit den Wassermolekülen wechselwirken und taucht deshalb in die Wasseroberfläche ein. Der hydrophobe Bereich des Lecithinmoleküls kann mit Wassermolekülen nicht wechselwirken und ragt deshalb aus der Wasseroberfläche heraus.. 2 An der Grenzfläche Wasser Lecithin bilden sich innerhalb von Sekunden sogenannte Myelinfiguren (Abb. 2). Leiten Sie anhand der Struktur eines Phospholipids (s. Seite 51) die Anordnung der Phospholipidmoleküle in den Myelinfiguren ab. Beachten Sie dabei, dass die Moleküle zahlreiche Schichten übereinander bilden. Die Lecithinmoleküle ordnen sich so an, dass ihre hydrophoben Bereiche miteinander wechselwirken und die hydrophilen Bereiche wie in einer Biomembran nach außen zeigen. Viele solcher Lipid-Doppelschichten lagern sich aufeinander und bilden diese mikroskopisch sichtbaren Myelinfiguren. $ 3 Ermitteln Sie mit den Angaben aus Abb. 3 die bedeckte Wasseroberfläche pro Erythrocyt. Vergleichen Sie Ihr Ergebnis mit der bekannten durchschnittlichen Oberfläche eines Erythrocyten (ca. 0, cm 2 ). Leiten Sie aus Ihren Ergeb nissen die Schlussfolgerungen Gorters und Grendels zum Bau der Biomembran ab. Die bedeckte Wasseroberfläche pro Erythrocyt beträgt 2, cm 2 /Zelle. Dabei handelt es sich um ca. die doppelte Fläche verglichen zur durchschnittlichen Oberfläche eines Erythrocyten (ca. 0, cm 2 ). Daraus konnten Gorter und Grendel schließen, dass die Zellmembran der Erythrocyten aus einer doppelten Schicht von Phospholipiden besteht. $ 4 Vergleichen Sie die Aussagen des Sandwich-Modells mit der elektronenmikroskopischen Darstellung einer Biomembran im Querschnitt (Abb. 5, links). Aus der elektronenmikroskopischen Darstellung (Abb. 5, links) könnte man tatsächlich eine Zusammensetzung der Biomembran annehmen, wie sie im Sandwich-Modell vorgeschlagen wird. Die hier grün dargestellte Linie würde dann der Lipid-Doppelschicht entsprechen. Die beiden braunen Linien würden dann den auf der Lipidschicht aufgelagerten Proteinschichten entsprechen.. 5 Informieren Sie sich auf Seite 25 über die Gefrierbruchtechnik. Überprüfen Sie die Richtigkeit des Sandwich-Modells mithilfe von Abb. 5, rechts. Beachten Sie dabei, dass sich beim Gefrierbruch häufig Lipid-Doppelschichten trennen. Anhand der elektronenmikroskopischen Darstellung (Abb. 5, rechts) ist zu erkennen, dass durch den Gefrierbruch Vertiefungen und Erhebungen in der Lipid-Doppelschicht des Zellkerns zu erkennen sind. Diese Vertiefungen können nicht mithilfe des Sandwich- Modells erklärt werden. Sie können nur durch Membranproteine entstanden sein, die die Lipid-Doppelschicht durchdringen. $ 6 Beschreiben Sie Abb. 6. In einer Lipid-Doppelschicht sind Proteine mosaikartig verteilt. Dabei befinden sich hydrophobe Bereiche der Proteine innerhalb des hydrophoben Bereichs der Lipid-Doppelschicht. Hydrophile Bereiche der Proteine befinden sich im hydrophilen Bereich der Lipid- Doppelschicht bzw. ragen aus der Lipid-Doppelschicht heraus. $ 7 Beurteilen Sie das Flüssig-Mosaik-Modell anhand der Untersuchungsergebnisse aus Abb. 7 und 8. Das Flüssig-Mosaik-Modell besagt, dass sich Proteine in der Lipid-Doppelschicht frei bewegen können. Das Fotobleichverfahren (Abb. 8) zeigt jedoch, dass nur ca. 50 % der Fluoreszenz nach dem Bleichen mit einem Laser nach einer gewissen Zeit an einer be - stimmten Stelle wieder festgestellt werden kann. Die Rückkehr der Fluoreszenz zu ca. 50 % der Ausgangsfluoreszenz ist auf bewegliche Membranproteine zurückzuführen, die sich in den untersuchten Bereich hineinbewegen (Abb. 7). Da nach dem Bleichen nur ca. 50 % der Ausgangsfluoreszenz erreicht wird, kann man daraus auf eine verminderte Beweglichkeit der Membranproteine z. B. in Lipidflößen schließen. Dies spricht gegen eine komplett freie Beweglichkeit der Membranproteine laut Flüssig-Mosaik-Modell.

11 . 8 Stellen Sie eine Hypothese zur biologischen Funktion der Lipidrafts auf. Über Lipidrafts könnte das Cytoskelett stabil in der Zelle verankert sein. Außerdem könnte es sich bei Lipidrafts um Funktionseinheiten in der Membran handeln, die nur in einer Einheit also als Proteinkomplexe ihre Funktion erfüllen können, wie z. B. das Einschleusen von Stoffen. Diffusion und Osmose (Seite 56/57) 0 1 Vergleichen Sie die Diffusion mit der Osmose und stellen Sie für beide Prozesse einen Bezug zum Alltag her. Eine Gemeinsamkeit dieser beiden Prozesse ist die Gleichverteilung von Teilchen durch deren Eigenbewegung. Im Unterschied zur Diffusion ist die Osmose an Lebewesen gebunden. Bei der Osmose erfolgt die Diffusion von Molekülen außerdem über eine selektiv permeable Membran, die nur bestimmte Stoffe hindurchlässt. Ein Beispiel aus dem Alltag zur Diffusion ist die Verteilung eines Parfüms in einem Raum. Ein Beispiel zur Osmose sind die Zellen von Salatblättern, die in einer hypertonischen Salatsoße Wasser verlieren. $ 2 Erläutern Sie die Bedingungen, die zu einer Plasmolyse bei Zwiebelzellen führen können (Abb. 3). Sowohl Wassermangel als auch eine hypertonische Umgebung führen zu Deplasmolyse. $ 3 Im Osmometer werden hoch und niedrig konzentrierte Zuckerlösungen getestet (Abb. 2). Erläutern Sie die zu erwartenden Ergebnisse. Bei niedrig konzentrierten Zuckerlösungen (geringerer osmotischer Druck) ergibt sich eine niedrigere Wassersäule im Steigrohr verglichen zu höher konzentrierten Zuckerlösungen (höherer osmotischer Druck).. 4 Reife Kirschen platzen im Regen. Leiten Sie die zugrunde liegenden Ursachen unter Verwendung von Fachbegriffen ab. Das Regenwasser ist im Vergleich zum hypertonischen Inneren der Kirschzellen hypotonisch: Wasser strömt ins Kirschengewebe ein, bis dies zum Platzen der Kirschen führen kann. Material: Einfluss der Temperatur auf Biomembranen (Seite 58) 0 1 Definieren Sie den Begriff Übergangstemperatur mithilfe von Abb. 1. Die Übergangstemperatur ist die Temperatur, bei der ein Übergang vom festen Zustand einer Membran zum flüssigen Zustand stattfindet. $ 2 Leiten Sie aus Abb. 1 und 2 den Einfluss unter schiedlicher Fettsäuren auf die Beweglichkeit in der Membran ab. Je länger die C-Ketten der Fettsäuren sind, desto starrer ist die Membran. Je mehr C C-Doppelbindungen sich in den Fettsäuren befinden, desto flüssiger ist die Membran.. 3 Stellen Sie eine Hypothese auf, welche Fettsäurereste in pflanzlichen Membranen bei Kälte ver stärkt eingebaut werden. Der Anteil an ungesättigten Fettsäuren wird erhöht, um eine Fluidität zu gewährleisten. Öle aus kälteren Regionen enthalten folglich mehr ungesättigte Fettsäuren. $ 4 Leiten Sie aus dem Bau des Cholesterinmoleküls ab, warum es sich in die Phospholipidschicht gut integrieren lässt. Das Cholesterinmolekül weist sowohl einen hydrophilen Bereich (OH-Gruppe) auf, der mit dem hydrophilen Bereich der Phospholipidmoleküle wechselwirken kann, als auch einen hydrophoben Bereich (restliches Molekül), der mit dem hydrophoben Bereich der Phospholipidmoleküle wechselwirken kann. Ein ähnlicher Bau wie Phospholipidmoleküle ermöglicht die Integration. $ 5 Wechselwarme Tiere müssen die Zusammensetzung ihrer Membran häufig anpassen. Erläutern Sie begründet mögliche Änderungen in der Membran. Sie müssen aufgrund der Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur durch eine veränderte Zusammensetzung der Membran die Fluidität der Membran erhalten. Bei hohen Temperaturen findet z. B. ein vermehrter Einbau von Cholesterin statt: Die Stabilität der Membran kann erhalten werden. Kürzere Fettsäurereste erhöhen bei niedrigen Temperaturen die Beweglichkeit (z. B. C12, C14 Fettsäuren mit nur 12 bzw. 14 Kohlenstoffatomen bei Insekten). Praktikum: Osmose (Seite 59) 1 Beobachten Sie die Zellen für einige Minuten bei mittlerer Vergrößerung. Zeichnen Sie die Zellen vor und nach der Behandlung mit der Zuckerlösung. Vor der Behandlung ist die Zentralvakuole prall gefüllt. Nach der Behandlung mit Zuckerlösung schrumpft die Vakuole (Plasmolyse). 2 Erläutern Sie Ihre Beobachtungen. Die Zuckerlösung (hypertonisch) in der Umgebung der Zellen bewirkt einen Netto-Wasserausstrom aus der hypotonischen Zelle/ Vakuole (Plasmolyse). 3 Ersetzen Sie anschließend die Zuckerlösung im Präparat, indem Sie mehrmals mit dem Filterpapier destilliertes Wasser durch das Präparat hindurchsaugen. Erläutern Sie den nun beobachtbaren Vorgang. Aufgrund der hypotonischen Umgebung (destilliertes Wasser) findet ein Netto-Wassereinstrom in die hypertonische Zelle/Vakuole statt (Deplasmolyse), bis die Zelle/Vakuole wieder prall mit Wasser gefüllt ist.

12 4 Übertragen Sie Ihre Erkenntnisse auf die Vorgänge beim Gießen einer welken Pflanze. Bei einer welken Pflanze besteht ein geringer Turgor aufgrund von Wassermangel (entspricht dem Zustand der Plasmolyse). Durch Wasseraufnahme wird die Zelle/Vakuole wieder gefüllt (entspricht dem Zustand der Deplasmolyse). 5 Protokollieren Sie die Änderungen in der Länge der Kartoffelstreifen nach 30 Minuten Inkubationszeit und vergleichen Sie die Ergebnisse. individuelle Lösung (Anmerkung: Die ungekochten Streifen vergrößern sich im destillierten Wasser und schrumpfen im Salzwasser. Die gekochten Streifen verändern nur geringfügig ihre Größe.) 6 Erklären Sie die Versuchsergebnisse mithilfe Ihrer Kenntnisse von der Osmose. Gehen Sie dabei auf die Auswirkungen des Kochens ein. Das destillierte Wasser ist hypotonisch verglichen zum Zellinhalt. Dies bewirkt einen Netto-Wassereinstrom in die Kartoffelzellen: Die Streifen vergrößern sich. Die NaCl-Lösung ist ein hypertonisches Medium und bewirkt einen Netto-Wasserausstrom aus den Zellen: Die Streifen verkleinern sich. Das Kochen bewirkt eine Denaturierung/Zerstörung der Membran- und Kanalproteine. Dadurch ist der Ein- und Ausstrom von Wasser durch Kanalproteine nicht mehr möglich: Die Streifen ändern nur geringfügig ihre Länge. Stoffdurchtritt durch Biomembranen (Seite 60/61) 0 1 Vergleichen Sie einfache und erleichterte Diffusion. Gemeinsamkeit: Bei beiden Diffusionsprozessen erfolgt der Transport durch Diffusion in Abhängigkeit vom Konzentrationsunterschied. Unterschiede: Die einfache Diffusion erfolgt unspezifisch durch die Lipid-Doppelschicht und ist abhängig von der Molekülgröße und vom lipophilen Charakter des Stoffs. Die erleichterte Diffusion ist hingegen spezifisch: Membranproteine, die nur bestimmte Stoffe hindurchlassen, ermöglichen den Diffusionsprozess. $ 2 Im Darmbakterium E. coli ist Lactose 2000-mal höher kon zentriert als in der Umgebung. Erläutern Sie die Anreicherung von Lactose in E. coli mithilfe von Abb. 3. Mithilfe einer Wasserstoff-Ionenpumpe werden H + -Ionen unter Energiezufuhr nach außen gepumpt. Der dadurch entstehende Konzentrationsunterschied der H + -Ionen zwischen innen und außen dient dazu, beim Rückstrom der Wasserstoff-Ionen Lactosemoleküle im Symport entgegen des Konzentrationsgefälles ins Innere der Bakterienzelle zu befördern.. 3 Stellen Sie in allgemeiner Form die Transportgeschwindigkeit bei einfacher Diffusion und beim aktiven Transport bei steigender Konzentration grafisch dar. Transportgeschwindigkeit aktiver Transport einfache Diffusion Stoffkonzentration Einfache Diffusion: linearer Verlauf; aktiver Transport: Sättigungskurve Grafik: Wolfgang Herzig, Essen

13 1. 3 Enzyme Struktur und Funktion von Enzymen (Seite 62/63) 0 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. 0 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 64/65) 0 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. 0$ 2 Entscheiden Sie begründet, welches der Substratmoleküle in Abb. 1 vom Enzymmolekül gebunden werden kann. Substrat 3 und 5 können aufgrund der Ladungen bzw. chemischen Struktur mit dem aktiven Zentrum binden, obwohl Strukturen des Substrats variieren (Gruppenspezifität). Diese liegen im nicht-katalytischen Bereich. $ 3 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. Geschwindigkeit enzymkatalysierter Reaktionen (Seite 66/67) $ 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. 0 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. Nomenklatur und Klassifizierung der Enzyme (Seite 68) $ 1 Erläutern Sie, welche Reaktion das Enzym Glykogensynthase katalysiert. Es synthetisiert als Ligase Glykogen durch das Anhängen von Glucosemolekülen. $ 2 Stellen Sie eine Hypothese auf, in welche Enzymklassen Enzyme einzuordnen sind, die die Ver dauung von Fetten und Proteinen katalysieren. Da die Moleküle bei der Verdauung (hydrolytisch) gespalten werden, gehören sie zu den Hydrolasen. Praktikum: Geschwindigkeit enzymkatalysierter Reaktionen (Seite 69) 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.

14 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. Regulation enzymkatalysierter Reaktionen (Seite 70/71) $ 1 Vergleichen und erläutern Sie die Kurvenverläufe 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 72/73) 0 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 0 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. 5). Pepsin zeigt entsprechend seinem Wirkort (Magen) ein ph-optimum von ph 2, wobei die Enzymaktivität von ph 0 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. Material: Verderben von Lebensmitteln (Seite 74) 0 1 Beschreiben Sie die Versuchsergebnisse. Der abgekochte Apfel (b) zeigt nahezu keine Verfärbung und ähnelt farblich dem frisch geriebenen Apfel (a). Bei der Lagerung unter Luftabschluss (c) zeigt sich eine geringe Braunfärbung. Der unbehandelte Apfel (d) ist braun gefärbt. $ 2 Werten Sie die Versuchsergebnisse aus Abb. 1 aus und erläutern Sie die konservierende Wirkung der im Text genannten Vorgehensweisen. Die Hitzeeinwirkung des Kochens (b) zerstört die räumliche Struktur der Enzymmoleküle. Die Polyphenoloxidase wird denaturiert. Die Polyphenole werden nicht zu braunfarbenen Polymeren oxidiert. Der Sauerstoffabschluss (c) verhindert die Oxidation der Polyphenole. Die minimale Braunfärbung entsteht durch den Sauerstoffkontakt während der Verarbeitung. Ohne konservierende Maßnahmen (d) katalysiert die Polyphenoloxidase die Oxidation der Polyphenole. Es entsteht eine starke oxidative Bräunung. 0 3 Stellen Sie die Daten aus Abb. 2 und 3 grafisch dar. Darstellung der Diagramme mit korrekter Achsenbeschriftung und Optimumskurven mit einem Temperaturoptimum bei etwa 20 C und einem ph-optimum etwa bei ph 7.

15 . 4 Erläutern Sie den Verlauf beider Kurven und leiten Sie Methoden zur Konservierung von verarbeitetem Obst und Gemüse ab. Begründen Sie. Die Zunahme der Enzymaktivität bis 20 C lässt sich mit der RGT-Regel erläutern, da mit zunehmender Temperatur die Reaktionsgeschwindigkeit steigt. Bei Temperaturen über 20 C nimmt die Aktivität ab, da die räumliche Struktur der Enzymmoleküle zerstört wird sie denaturieren. Durch die Kühlung von verarbeitetem Obst und Gemüse wird die Reaktionsgeschwindigkeit der Oxidation reduziert und die enzymatische Bräunung verlangsamt. Durch Abkochen zerstört man die Polyphenoloxidase und verhindert die Bräunung. Ober- und unterhalb des ph-optimums von etwa ph 7 wird die räumliche Struktur des Enzymmoleküls zerstört. Eine Konservierung ist durch das Einlegen in Essigsäure (z. B. Gurken), Versetzen mit Ascorbinsäure (z. B. Obst-, Gemüsekonserven) oder Citronensäure (z. B. Limonaden, Fruchtsäfte) möglich, da die Enzyme denaturiert werden. $ 5 Begründen Sie die geringere Anfälligkeit für mikrobiellen Verderb bei Lebensmitteln mit niedrigem ph-wert (z. B. Joghurt, Sauerkraut) gegenüber den Lebensmitteln mit neutralem ph-wert (z. B. Milch, Mais). Der niedrige ph-wert von Lebensmitteln bewirkt eine geringere Enzymaktivität vieler Bakterien, die meist ein ph-optimum zwischen ph 6 und ph 8 besitzen. Der mikrobielle Verderb ist verlangsamt. Lebensmittel mit einem ph-wert in diesem Bereich verderben schneller. $ 6 Formulieren Sie eine Hypothese zur konservierenden Wirkung von Einsalzen/Pökeln (Fleisch-, Wurstwaren), Trocknen (Obst, Gemüse, Fleisch, Gewürze) und Einzuckern (Obst). Alle drei Konservierungsmethoden entziehen dem Lebensmittel Wasser. Der verringerte Wassergehalt und damit hohe osmotische Druck reduziert das Wachstum der Mikroorganismen. 0 7 Begründen Sie, weshalb die Haltbarkeit von tief gefrorenen Lebensmitteln weitaus höher ist als von Lebensmitteln im Kühlschrank. Je geringer die Temperaturen sind, desto langsamer laufen die Stoffwechselreaktionen der Mikroorganismen ab. Wachstum und Vermehrung kommen weitgehend zum Erliegen. Praktikum: Experimente mit Urease (Seite 75) 1 Stellen Sie Ihre Ergebnisse in einem Liniendiagramm grafisch dar. Die Leitfähigkeit bei der reinen Urease-Lösung steigt bis zu einem Maximalwert an. Mit der Zugabe der Kupfersulfat-Lösung springt die Leitfähigkeit schlagartig auf den Maximalwert. Bei der Zugabe der Methylharnstoff-Lösung verläuft die Reaktion deutlich langsamer. 2 Werten Sie die Ergebnisse aus. Die Zunahme der Leitfähigkeit bestätigt die Bildung von Ionen durch die enzymkatalysierte Reaktion. Da immer mehr Urease umgesetzt wird, nimmt die Leitfähigkeit ab einem bestimmten Wert nicht mehr zu. Die Zugabe der Kupfersulfat-Lösung erhöht die Ionenkonzentration der Lösung und damit die Leitfähigkeit. Der Maximalwert verändert sich jedoch nicht mehr, da alle Enzyme durch irreversible Hemmung inhibiert sind. Die Zugabe der Methylharnstoff-Lösung verlangsamt die Reaktion durch kompetitive Hemmung. Methylharnstoff besetzt aufgrund der ähnlichen chemischen Struktur das aktive Zentrum der Urease. 3 Planen Sie je ein Experiment zur Abhängigkeit der Enzymaktivität von der Temperatur bzw. vom ph-wert. Das Experiment muss so aufgebaut sein, dass Enzym- und Substratkonzentration in einer Versuchsreiche gleich bleiben und nur die Temperatur oder der ph-wert variiert wird. 4 Führen Sie die Experimente durch. Befolgen Sie dafür die Hinweise zur Planung und Durchführung. Erstellen Sie ein Protokoll. Mögliche Fragestellung: Hängt die Enzymreaktion der Urease von der Temperatur/dem ph-wert ab? ; mögliche Hypothesen: Da Urease ein Protein ist, ist eine Abhängigkeit zu erwarten. Da Urease in bodenlebenden Bakterien vorkommt, ist ein Optimum bei einer bestimmten Temperatur zu erwarten. Es sollten drei Versuchsansätze sowie ein Kontrollansatz berücksichtigt werden. 5 Stellen Sie Ihre Ergebnisse grafisch dar. Werten Sie Ihre Versuchsergebnisse aus. Bewerten Sie dabei Ihre Hypothesen. Urease zeigt ein ph-optimum von etwa ph 7. Die katalytische Aktivität liegt zwischen ph 2 und ph 12. Darüber und darunter ist die räumliche Struktur (Sekundär- und Tertiärstruktur) des Enzymmoleküls zerstört und das Enzym dauerhaft inaktiviert. Bis etwa 60 C nimmt die Enzymaktivität zu, da entsprechend der RGT-Regel die Reaktionsgeschwindigkeit mit zunehmender Temperatur zunimmt. Darüber nimmt die Enzymaktivität ab, da die räumliche Struktur des Enzymmoleküls zerstört wird. 6 Diskutieren Sie mögliche Fehlerquellen der Mess methode und leiten Sie daraus Verbesserungsmöglichkeiten ab. Diskutierbare Fehlerquellen können Ungenauigkeiten aufgrund der Untersuchungsobjekte, Messgeräte, Messmethoden oder des Ablesens sein.