![\"Schwarz-weißes](\"/images/biologie/howard-mitochondrien-tem.webp\")
\nQuelle: Louisa Howard, Dartmouth College, „Mitochondria, mammalian lung – TEM“. Gemeinfrei. Wikimedia Commons
WissenZelle · Membran
\nIn der Prüfung bekommst du ein Modell der Biomembran oder einen Transportversuch und sollst erklären, was hindurchkommt und warum; Punkte gibt es für die Begründung mit dem Bau der Membran, nicht fürs Aufzählen. Jede Zelle ist von einer Biomembran umgeben, einer Doppelschicht aus Fettmolekülen mit eingelagerten Eiweißen. Weil die Mitte der Membran wasserabweisend ist, kommen kleine ungeladene Moleküle wie Sauerstoff leicht hindurch, Ionen und Zucker aber nur durch besondere Eiweiße. Passiver Transport läuft mit dem Konzentrationsgefälle und braucht keine Energie, aktiver Transport läuft dagegen und braucht ATP. Osmose ist die Bewegung von Wasser durch die Membran; an Pflanzenzellen sieht man sie unter dem Mikroskop als Plasmolyse.
Q1 (Stoffwechsel und Informationsverarbeitung auf zellulärer Ebene), GK und LK: Stofftransport zwischen Kompartimenten auf zellulärer Ebene; Fachbegriffe unter anderem Kompartimentierung, Biomembran, Diffusion, Osmose, Plasmolyse, Deplasmolyse, aktiver und passiver Transport, Endo- und Exocytose. Als Experiment nennt der Rahmenlehrplan, Osmose mikroskopisch und makroskopisch zu beobachten.
Eine Zelle muss Stoffe hereinholen (Zucker, Sauerstoff), Abfall loswerden und manches drinnen behalten. Dafür hat sie eine Hülle, die nicht alles durchlässt, aber auch keine Mauer ist: die Biomembrandie etwa fünf bis zehn Millionstel Millimeter dünne Hülle aus Fettmolekülen und Eiweißen um jede Zelle und um viele Zellbestandteile. Membranen trennen auch innerhalb der Zelle Räume ab, etwa den Zellkern oder die Mitochondrien. Diese Aufteilung in getrennte Räume heißt Kompartimentierungdie Zelle ist in abgetrennte Räume (Kompartimente) gegliedert, in denen verschiedene Vorgänge gleichzeitig ablaufen können.
\nZwei Begriffe brauchst du für alles Weitere. DiffusionTeilchen verteilen sich durch ihre Eigenbewegung von selbst gleichmäßig, also von hoher zu niedriger Konzentration ist das Wandern von Teilchen von viel nach wenig, wie ein Tropfen Tinte im Wasser. Das Konzentrationsgefälleder Unterschied der Konzentration zwischen zwei Orten; je größer, desto schneller die Diffusion ist der Unterschied, der sie antreibt. Alles, was gegen dieses Gefälle läuft, kostet Energie.
\nAufbau der Biomembran · Du siehst die Doppelschicht aus Phospholipiden und drei Wege hindurch: Diffusion, Kanal und Pumpe.
\n\nDieses Bild heißt Flüssig-Mosaik-Modelldas Modell der Membran von Singer und Nicolson (1972): eine bewegliche Lipiddoppelschicht mit eingelagerten Proteinen. Weil die Mitte hydrophob ist, ist die Membran selektiv permeabel: O₂ und CO₂ kommen leicht durch, Ionen und Glucose nur über Proteine.
\n\nGorter und Grendel (1925) lösten die Lipide aus roten Blutkörperchen heraus und breiteten sie auf Wasser als Schicht aus, die nur ein Molekül dick war. Diese Schicht war etwa doppelt so groß wie die Oberfläche der Zellen. Ihr Schluss: Die Membran besteht aus zwei Lipidschichten. Später zeigte sich, dass die Messung Fehler hatte, die sich aber gegenseitig aufhoben.
\nFrye und Edidin (1970) markierten Membranproteine einer Mauszelle und einer Menschenzelle mit verschiedenen Leuchtfarbstoffen und verschmolzen die Zellen. Kurz nach der Verschmelzung lagen die beiden Farben getrennt auf je einer Hälfte. Nach etwa 40 Minuten bei 37 °C waren sie bei über 90 % der Zellen gleichmäßig gemischt. Stoffe, die den Energiestoffwechsel hemmen, verhinderten das nicht. Schluss: Die Proteine bewegen sich in der Membran von selbst, durch Diffusion. Die Membran ist flüssig.
\nGorter und Grendel: Journal of Experimental Medicine 1925. Frye und Edidin: Journal of Cell Science 7 (1970), S. 319 bis 335.
\n\n| Weg | Richtung und Energie | Beispiel |
|---|---|---|
| einfache Diffusion | mit dem Gefälle direkt durch die Lipidschicht, keine Energie | O₂, CO₂ |
| erleichterte Diffusion | mit dem Gefälle über Kanal- oder CarrierproteineTransporter, die ihr Teilchen binden, ihre Form ändern und es auf der anderen Seite abgeben, keine Energie | K⁺ durch Kaliumkanäle, Glucose über Carrier, Wasser durch AquaporineKanalproteine, die nur Wasser schnell durchlassen |
| primär aktiver Transport | gegen das Gefälle, ATP direkt | Natrium-Kalium-Pumpe: 3 Na⁺ hinaus, 2 K⁺ hinein |
| sekundär aktiver Transport | ein Stoff gegen sein Gefälle, gekoppelt an einen zweiten, der mit seinem Gefälle fließt; das Gefälle des zweiten hat vorher eine Pumpe aufgebaut | Glucose zusammen mit Na⁺ in Darmzellen |
| Endo- und Exocytose | große Teilchen in Bläschen hinein oder hinaus, mit Energie | Ausschüttung von Transmitter an der Synapse |
OsmoseDiffusion von Wasser durch eine Membran, die Wasser durchlässt, die gelösten Teilchen aber nicht ist die Diffusion von Wasser durch eine selektiv permeable Membran. Wasser strömt netto dorthin, wo mehr gelöste Teilchen sind, denn dort ist weniger „freies“ Wasser.
\nDer Versuch im Unterricht: Rote Zwiebelhaut unter dem Mikroskop, dann konzentrierte Salz- oder Zuckerlösung vom Rand her durchziehen. Der rote Zellsaft zieht sich zusammen und löst sich zuerst an den Ecken von der Wand. Danach Wasser durchziehen: Der Protoplast legt sich wieder an. Osmose an Pflanzengewebe und das Mikroskopieren gehören zu den Fertigkeiten, die in praktischen Prüfungsteilen verlangt werden können.
\n\nWelche Punkte dein Kurs braucht, steht im Kasten deines Landes oben.
\nThema: Wie Forscher die Membran entschlüsselten. M 1 ist der Versuch von Gorter und Grendel, M 2 der Versuch von Frye und Edidin (beide oben beschrieben).
\n1 Leiten Sie aus M 1 den Aufbau der Membran ab. Erklären Sie dabei, warum sich Phospholipide in Wasser so anordnen. (6 BE)
\n2 Erläutern Sie, welche Eigenschaft der Membran M 2 belegt, und begründen Sie, warum die Hemmung des Energiestoffwechsels für die Deutung wichtig ist. (6 BE)
\n3 Beurteilen Sie, ob das Sandwich-Modell (Lipiddoppelschicht zwischen zwei geschlossenen Eiweißschichten) mit M 2 vereinbar ist. (4 BE)
\nVon uns erstellt nach dem Muster der Abituraufgaben, mit den Ergebnissen der beiden echten Versuche. BE heißt Bewertungseinheiten.
\nZu 1 (AFB II): Die Lipidschicht auf dem Wasser ist eine Moleküllage dick und doppelt so groß wie die Zelloberfläche → in der Membran liegen zwei Lipidschichten übereinander. Erklärung: Phospholipide haben hydrophile Köpfe und hydrophobe Schwänze → im Wasser zeigen die Köpfe zum Wasser, die Schwänze voneinander abgeschirmt nach innen → Doppelschicht mit hydrophober Mitte.
\nZu 2 (AFB II): Die Proteine verteilen sich in etwa 40 Minuten über die ganze Zelle → sie sind in der Membran seitlich beweglich, die Membran ist flüssig. Weil Hemmstoffe des Energiestoffwechsels die Durchmischung nicht verhindern, braucht sie kein ATP → es ist Diffusion und kein aktiver Transport durch die Zelle.
\nZu 3 (AFB III): Kriterium: Erklärt das Modell den Befund? Im Sandwich-Modell lägen die Proteine als geschlossene Schichten auf der Membran. Eine Durchmischung zweier Proteinsorten in einer geschlossenen Schicht ist damit schwer vereinbar, Proteine, die die Membran durchziehen und in einer flüssigen Lipidschicht schwimmen, erklären sie dagegen. Urteil: Das Sandwich-Modell ist mit M 2 nicht gut vereinbar, das Flüssig-Mosaik-Modell erklärt den Befund besser.
\nWas die Korrektur erwartet: Befund aus dem Material mit Zahl, dann Fachwissen, dann Schluss. Beim Beurteilen ein Kriterium nennen und am Ende ein klares Urteil. Andere richtige Lösungen zählen genauso.
\nKartoffelstücke gleicher Größe liegen eine Stunde in Zuckerlösungen. Massenänderung: 0,0 mol/l: +12 %; 0,2 mol/l: +4 %; 0,4 mol/l: −3 %; 0,6 mol/l: −9 %.
\na) Erkläre die Werte. b) Schätze ab, bei welcher Konzentration die Masse gleich bliebe, und deute diesen Wert.
\na) In verdünnter Lösung ist außen weniger gelöst als im Zellsaft: Wasser strömt durch Osmose in die Zellen, die Masse steigt. In konzentrierter Lösung strömt Wasser hinaus, die Masse sinkt.
\nb) Der Nulldurchgang liegt zwischen 0,2 und 0,4 mol/l. Linear dazwischen: 0,2 + 0,2 · 4/7 ≈ 0,31 mol/l. Bei etwa dieser Konzentration ist die Lösung zum Zellsaft isotonisch: Es strömt gleich viel Wasser hinein wie hinaus.
\nWissenStoffwechsel
\nIn der Prüfung bekommst du zu Enzymen einen Versuch oder ein Diagramm und sollst erklären und auswerten; Punkte gibt es für Fachbegriffe am richtigen Platz und eine begründete Erklärung, nicht fürs Aufzählen. Enzyme sind Proteine, die chemische Reaktionen in der Zelle beschleunigen, ohne dabei verbraucht zu werden. Sie senken die Aktivierungsenergie, also den Energieberg, den eine Reaktion am Anfang überwinden muss. Das Substrat bindet in einer passenden Tasche des Enzyms, dem aktiven Zentrum, deshalb setzt jedes Enzym nur bestimmte Stoffe um. Mit mehr Substrat wird die Reaktion schneller, bis alle Enzyme besetzt sind; der KM-Wert zeigt, wie leicht ein Enzym sein Substrat bindet.
Q1 (Stoffwechsel und Informationsverarbeitung auf zellulärer Ebene), GK und LK: Stoffwechselregulation auf Enzymebene; Fachbegriffe Substratspezifität, Wirkspezifität, Enzymhemmung. Nur LK: die Michaelis-Menten-Konstante.
\nIn jeder Zelle laufen tausende chemische Reaktionen ab: Zucker wird abgebaut, Eiweiße werden gebaut, Gifte werden entschärft. Bei 37 °C würden die meisten davon viel zu langsam laufen. Man könnte sie durch Hitze beschleunigen, aber das würde die Zelle zerstören. Die Lösung sind EnzymeProteine, die eine bestimmte Reaktion beschleunigen und danach unverändert wieder bereitstehen.
\nDer Stoff, den ein Enzym umsetzt, heißt Substratder Ausgangsstoff, an dem das Enzym arbeitet, was dabei entsteht, heißt Produkt. Enzyme sind BiokatalysatorenStoffe aus Lebewesen, die eine Reaktion beschleunigen und selbst unverändert bleiben: Ein einziges Enzymmolekül kann nacheinander sehr viele Substratmoleküle umsetzen.
\nEin Enzym ist eine lange Kette aus Aminosäuren, die sich zu einer festen räumlichen Form faltet. Die Abfolge der Aminosäuren heißt Primärstrukturdie Reihenfolge der Aminosäuren in der Kette. Daraus ergeben sich Schrauben und Faltblätter (Sekundärstruktur) und die ganze dreidimensionale Form (Tertiärstrukturdie räumliche Gesamtform einer Proteinkette, gehalten von Bindungen zwischen den Seitenketten). Auf diese Form kommt es an: Geht sie verloren, arbeitet das Enzym nicht mehr.
\nEnergiediagramm mit und ohne Enzym · Du siehst zwei Wege über einen Berg. Mit Enzym ist der Berg niedriger, Anfang und Ende bleiben gleich.
\n\nDamit eine Reaktion startet, müssen die Teilchen erst einen Energieberg überwinden, die Aktivierungsenergiedie Energie, die man hineinstecken muss, damit eine Reaktion überhaupt anläuft. Das Enzym senkt diesen Berg, sodass bei Körpertemperatur viel mehr Teilchen darüberkommen. Anfang und Ende der Reaktion bleiben gleich, also auch die Energie, die insgesamt frei wird. Ein Enzym macht keine Reaktion möglich, die ohne es nie ablaufen würde. Es macht sie nur schneller.
\n\nDas Substrat bindet an eine bestimmte Stelle des Enzyms, das aktive Zentrumeine Tasche im Protein, deren Form und Ladungen genau zum Substrat passen. Es entsteht der Enzym-Substrat-KomplexEnzym und Substrat für kurze Zeit aneinander gebunden, das Substrat wird umgesetzt, das Produkt löst sich, und das Enzym ist wieder frei. Kurz: E + S → ES → E + P.
\nViele Enzyme brauchen einen Helfer, der kein Protein ist, einen Cofaktorein Nicht-Protein-Teil, den ein Enzym zum Arbeiten braucht, zum Beispiel ein Metall-Ion. Ist der Helfer ein organisches Molekül, das Stoffe überträgt, heißt er Coenzymein kleines organisches Molekül, das bei der Reaktion etwas aufnimmt oder abgibt, etwa NAD⁺ Wasserstoff und Elektronen, zum Beispiel NAD⁺. Den Proteinteil allein nennt man Apoenzym.
\n\nGeschwindigkeit und Substratkonzentration · Die Kurve steigt erst steil und läuft dann auf einen Höchstwert zu. Du liest daran vmax und KM ab.
\n\nBei wenig Substrat steigt die Geschwindigkeit fast im gleichen Maß: doppelt so viel Substrat, fast doppelt so schnell. Bei viel Substrat sind alle aktiven Zentren besetzt. Mehr Substrat bringt dann nichts mehr, die Kurve nähert sich der Höchstgeschwindigkeit vmax. Das heißt Sättigungalle Enzyme arbeiten gleichzeitig, mehr Substrat kann nicht schneller umgesetzt werden. Nur mehr Enzym würde vmax erhöhen.
\nDie Michaelis-Konstante KMdie Substratkonzentration, bei der das Enzym genau halb so schnell arbeitet wie maximal ist die Substratkonzentration bei halber Höchstgeschwindigkeit. Kleines KM heißt: Das Enzym bindet sein Substrat leicht und arbeitet schon bei wenig Substrat schnell. Großes KM heißt: Es braucht viel Substrat. Die Formel dazu: v = vmax · S : (KM + S).
\n\nDer erste Schritt im Zuckerabbau ist immer gleich: Glucose bekommt eine Phosphatgruppe angehängt. In den Muskeln erledigt das die Hexokinase, in der Leber vor allem die Glucokinase. Beide setzen dasselbe Substrat um, aber mit ganz anderen Kennwerten.
\n\nHexokinase und Glucokinase im Vergleich · Zwei Kurven über der Glucosekonzentration. Du siehst, wie sie sich unterscheiden und wo der Bereich des Blutzuckers liegt.
\n\nKennwerte: Hexokinase I bis III mit KM unter 1 mmol/l, Glucokinase halb gesättigt bei etwa 8 mmol/l, also bei rund hundertmal mehr Glucose; Glucokinase wird anders als die Hexokinase nicht von ihrem Produkt gehemmt.
\n\nThema: Wie die Leber den Blutzucker abpuffert. Material ist die Abbildung oben. Nach einer Mahlzeit steigt der Blutzucker von etwa 5 auf bis zu 8 mmol/l.
\n1 Beschreiben Sie die beiden Kurven und vergleichen Sie die Glucose-Konzentration, bei der jedes Enzym seine halbe Höchstgeschwindigkeit erreicht. (6 BE)
\n2 Erklären Sie die unterschiedliche Form der Kurven mit dem Modell der Enzym-Substrat-Bindung. (5 BE)
\n3 Erläutern Sie die Bedeutung der Kennwerte für die Aufgaben von Muskel und Leber. (6 BE)
\nVon uns erstellt nach dem Muster der Abituraufgaben, Kurven berechnet aus Kennwerten der Fachliteratur. BE heißt Bewertungseinheiten.
\nZu 1 (AFB I): Hexokinase: steiler Anstieg schon bei sehr wenig Glucose, ab etwa 1 mmol/l fast vmax, halbe Höchstgeschwindigkeit bei 0,1 mmol/l. Glucokinase: flacher, S-förmiger Anstieg, halbe Höchstgeschwindigkeit erst bei 8 mmol/l, bei 20 mmol/l noch nicht gesättigt. Bei 5 mmol/l arbeitet die Hexokinase mit etwa 98 %, die Glucokinase mit etwa 31 % von vmax.
\nZu 2 (AFB II): Die halbe Sättigung zeigt, wie leicht das Substrat ins aktive Zentrum bindet. Die Hexokinase bindet Glucose leicht (kleines KM): schon wenige Moleküle besetzen fast alle aktiven Zentren, Sättigung früh. Die Glucokinase bindet schlecht: Es braucht viel Glucose, bis die Hälfte der Zentren besetzt ist.
\nZu 3 (AFB II): Muskel: Die Hexokinase ist schon bei sehr wenig Glucose fast gesättigt → Glucose, die in die Muskelzelle gelangt, wird sofort umgesetzt, auch wenn wenig da ist → der Muskel kann Glucose für seinen eigenen Energiebedarf nutzen, unabhängig davon, ob gerade viel oder wenig Zucker im Blut ist. Leber: Die Geschwindigkeit der Glucokinase ändert sich zwischen 5 und 8 mmol/l stark (von etwa 31 auf 50 %) → nach einer Mahlzeit setzt die Leber deutlich mehr Glucose um und speichert sie, bei niedrigem Blutzucker wenig → so bleibt Glucose für Gehirn und Muskeln übrig, der Blutzucker wird abgepuffert.
\nWas die Korrektur erwartet: Werte mit Einheit aus der Abbildung ablesen, Fachbegriffe (aktives Zentrum, Sättigung, KM), am Ende der Bezug zur Frage (Blutzucker). Andere richtige Lösungen zählen genauso.
\nWie Temperatur, pH-Wert und Hemmstoffe die Enzymaktivität verändern und wie Zellen damit ganze Stoffwechselwege steuern, steht auf dem Lernzettel zu Temperatur und pH-Wert und dem Lernzettel zur Enzymhemmung.
\n\nZwei Enzyme setzen dasselbe Substrat um. Enzym A hat KM = 0,5 mmol/l, Enzym B hat KM = 5 mmol/l, beide dasselbe vmax. Wie viel Prozent von vmax erreicht jedes bei 0,5 mmol/l Substrat? Rechne mit v = vmax · S : (KM + S).
\nEnzym A: 0,5 : (0,5 + 0,5) = 0,5, also 50 %. Enzym B: 0,5 : (5 + 0,5) ≈ 0,091, also etwa 9 %.
\nA bindet sein Substrat viel leichter (kleineres KM) und arbeitet deshalb schon bei wenig Substrat schnell.
\nWissenStoffwechsel
\nIn der Prüfung bekommst du eine Kurve zur Enzymaktivität bei Temperatur oder pH-Wert und sollst sie deuten; Punkte gibt es für die Begründung am Enzym selbst, nicht nur für die Beschreibung der Kurve. Wie schnell ein Enzym arbeitet, hängt von Temperatur und pH-Wert ab. Bis zum Temperaturoptimum wird es mit jeder Erwärmung schneller, weil Enzym und Substrat häufiger zusammenstoßen; als Faustregel bei 10 °C mehr etwa zwei- bis dreimal so schnell. Oberhalb des Optimums verliert das Enzym seine Raumform, das aktive Zentrum passt nicht mehr, und die Aktivität bricht ein: Es denaturiert, meist dauerhaft. Beim pH-Wert ändern sich die Ladungen im Protein, deshalb hat jedes Enzym sein eigenes pH-Optimum, passend zu dem Ort, an dem es arbeitet.
Q1 (Stoffwechsel und Informationsverarbeitung auf zellulärer Ebene), nur LK: als Experiment „die Abhängigkeit enzymatischer Reaktionen von verschiedenen Faktoren untersuchen, z. B. Temperatur, pH-Wert und Enzymgiften“.
\nEnzyme sind Proteine, die Reaktionen beschleunigen. Damit das klappt, muss das Substratder Stoff, den ein Enzym umsetzt in eine passende Tasche des Enzyms binden, das aktive Zentrumdie Stelle im Enzym, deren Form und Ladungen genau zum Substrat passen. Diese Tasche entsteht nur, wenn die lange Aminosäurekette richtig gefaltet ist. Gehalten wird die Faltung von schwachen Bindungen zwischen den Seitenketten der Aminosäuren, zum Beispiel Wasserstoffbrückenschwache Anziehung zwischen Molekülteilen; viele davon halten ein Protein in seiner Form und Anziehung zwischen Ladungen.
\nDie Enzymaktivitätwie viel Substrat ein Enzym in einer bestimmten Zeit umsetzt misst man als umgesetzte Menge Substrat pro Zeit. Alles, was die Bewegung der Teilchen oder die Form des Enzyms verändert, verändert auch die Aktivität. Zwei Faktoren prüft fast jede Abituraufgabe zu Enzymen: Temperatur und pH-Wert.
\nEnzymaktivität und Temperatur · Du siehst die Aktivität über der Temperatur: Sie steigt bis zum Optimum und fällt dann wieder ab.
\n\nKälte und Hitze sind verschieden: Kälte bremst nur die Bewegung, das Enzym bleibt heil und arbeitet nach dem Aufwärmen wieder normal. Hitze zerstört die Form, das bleibt meist so.
\n\nDrei Enzyme und ihr pH-Optimum · Du siehst drei Kurven, jede mit eigenem Gipfel. So erkennst du, dass jedes Enzym dort am besten arbeitet, wo es vorkommt.
\n\nDie Seitenketten der Aminosäuren tragen je nach pH-Wert Ladungen oder nicht. Diese Ladungen halten die Raumform zusammen und binden das Substrat im aktiven Zentrum. Weicht der pH-Wert vom Optimum ab, ändern sich die Ladungen: Erst bindet das Substrat schlechter, bei starker Abweichung denaturiert das Enzym. Jedes Enzym ist an seinen Arbeitsort angepasst: Pepsin verdaut Eiweiß im sauren Magensaft und ist zwischen pH 1,5 und 2,5 am aktivsten, Trypsin arbeitet im leicht basischen Dünndarm.
\n\nSiamkatzen sind hell, nur Ohren, Gesicht, Pfoten und Schwanz sind dunkel. Die Kätzchen kommen fast weiß zur Welt, und erst nach einigen Tagen färben sich diese Stellen. Erwachsene Siamkatzen in warmen Gegenden sind meist heller als solche in kühlen, und mit dem Alter werden sie oft dunkler. Die Ursache ist eine Mutation im Gen für das Enzym TyrosinaseEnzym, das am ersten Schritt der Bildung des dunklen Farbstoffs Melanin beteiligt ist, das den dunklen Farbstoff Melanin bildet. Die veränderte Tyrosinase arbeitet bei höheren Temperaturen nicht.
\nQuellen: Imes und andere, Animal Genetics 37 (2006), zur Tyrosinase-Mutation; Beschreibungen der Rasse in Lexika.
\n\nThema: Fellfarbe der Siamkatze. Material ist der Text zur Siamkatze oben. Die Körpertemperatur liegt bei Katzen im Rumpf bei etwa 38 bis 39 °C, an Ohren, Pfoten und Schwanz ist sie niedriger.
\n1 Beschreiben Sie das Fellmuster der Siamkatze und seine Veränderung von der Geburt bis zum Alter. (3 BE)
\n2 Erklären Sie das Muster mit den Eigenschaften der veränderten Tyrosinase. (6 BE)
\n3 Stellen Sie eine begründete Vorhersage auf, was mit dem Fell passiert, wenn man an einer Stelle am Rücken das Fell entfernt und die Haut dort beim Nachwachsen kühlt. (3 BE)
\nVon uns erstellt nach dem Muster der Abituraufgaben. BE heißt Bewertungseinheiten.
\nZu 1 (AFB I): Der Körper ist hell, Ohren, Gesicht, Pfoten und Schwanz sind dunkel. Neugeborene sind fast weiß, die dunklen Stellen färben sich erst nach einigen Tagen. Mit dem Alter wird das Fell dunkler, in kühlem Klima dunkler als in warmem.
\nZu 2 (AFB II): Die Mutation verändert die Aminosäuresequenz der Tyrosinase → die Raumform des Enzyms ist weniger stabil → schon bei der Temperatur des Rumpfs verliert das aktive Zentrum seine Form, das Enzym ist dort kaum aktiv → kein Melanin, helles Fell. An Ohren, Pfoten und Schwanz ist es kühler → dort behält die Tyrosinase ihre Form und arbeitet → Melanin, dunkles Fell. Im Mutterleib ist es überall warm, deshalb sind Neugeborene fast weiß. Das Gen ist überall dasselbe, nur die Temperatur entscheidet, ob das Enzym arbeitet.
\nZu 3 (AFB III): Vorhersage: An der gekühlten Stelle wächst dunkles Fell nach. Begründung: Bei niedriger Temperatur bleibt die veränderte Tyrosinase intakt und bildet Melanin.
\nWas die Korrektur erwartet: die Kette von der Mutation über die Raumform des Enzyms bis zum Merkmal, der Unterschied zwischen Kälte (Enzym arbeitet) und Wärme (Enzym inaktiv) hier ausdrücklich umgekehrt zum gewohnten Bild, eine Vorhersage mit Begründung. Andere richtige Lösungen zählen genauso.
\nEin Enzym liegt 10 Minuten bei 5 °C, ein zweites 10 Minuten bei 70 °C. Danach misst du beide bei 37 °C. Was misst du jeweils, und warum? Und um wie viel schneller arbeitet das Enzym nach der RGT-Regel bei 30 °C als bei 20 °C?
\n5 °C: normale Aktivität. Kälte bremst nur die Bewegung, das Enzym bleibt heil.
\n70 °C: kaum Aktivität. Das Enzym ist denaturiert, das aktive Zentrum hat seine Form verloren, und das bleibt so.
\nRGT: 10 °C mehr, also etwa zwei- bis dreimal so schnell, sofern 30 °C noch unter dem Optimum liegt.
\nWissenStoffwechsel
\nIn der Prüfung bekommst du Messwerte oder ein Diagramm mit und ohne Hemmstoff und sollst die Art der Hemmung bestimmen; Punkte gibt es für eine Begründung mit dem aktiven Zentrum, nicht fürs bloße Benennen. Hemmstoffe bremsen Enzyme auf zwei Arten. Ein kompetitiver Hemmstoff ähnelt dem Substrat und besetzt das aktive Zentrum; mit viel Substrat wird er verdrängt, und das Enzym erreicht fast wieder seine Höchstgeschwindigkeit. Ein nicht-kompetitiver Hemmstoff bindet an einer anderen Stelle und verformt das aktive Zentrum; mehr Substrat hilft dann nicht, die Höchstgeschwindigkeit sinkt. Zellen nutzen Hemmung, um ihre Stoffwechselwege zu steuern: Oft bremst das Endprodukt das erste Enzym seines eigenen Weges.
Q1 (Stoffwechsel und Informationsverarbeitung auf zellulärer Ebene), GK und LK: Enzymhemmung und Regulation der Enzymaktivität. Nur LK als Basiskonzept: positive und negative Rückkopplung am Beispiel der Enzyme.
\nEin Enzym setzt sein Substrat um, wenn das Substrat ins aktive Zentrumdie Tasche im Enzym, deren Form und Ladungen genau zum Substrat passen passt. Stoffe, die das verhindern, heißen Hemmstoffeauch Inhibitoren: Stoffe, die ein Enzym bremsen oder ausschalten. Viele Gifte und viele Medikamente wirken genau so.
\nHemmung ist aber nicht nur ein Unfall. Die Zelle braucht von jedem Stoff gerade so viel, wie sie verbraucht. Sie regelt das, indem sie Enzyme gezielt bremst oder wieder freigibt. Um zu erkennen, wie ein Hemmstoff wirkt, misst man die Geschwindigkeit des Enzyms bei verschiedenen Substratmengen, einmal mit und einmal ohne Hemmstoff, und vergleicht die Kurven.
\nKompetitive und nicht-kompetitive Hemmung · Zwei Hemmkurven neben der ungehemmten Kurve. Du erkennst, wo sich die Höchstgeschwindigkeit ändert und wo nicht.
\n\nDer kompetitive Hemmstoffein Hemmstoff, der dem Substrat ähnelt und mit ihm um das aktive Zentrum konkurriert ähnelt dem Substrat und bindet im aktiven Zentrum, ohne umgesetzt zu werden. Substrat und Hemmstoff konkurrieren um denselben Platz. Bei viel Substrat gewinnt meist das Substrat: Die Höchstgeschwindigkeit wird fast wieder erreicht, man braucht nur mehr Substrat dafür (KM steigt).
\n\nDer nicht-kompetitive Hemmstoffein Hemmstoff, der außerhalb des aktiven Zentrums bindet und dessen Form verändert bindet an einer anderen Stelle des Enzyms. Dadurch ändert sich die Form des aktiven Zentrums, das Enzym arbeitet nicht oder kaum. Mehr Substrat hilft nicht, weil der Hemmstoff nicht verdrängt wird. Es ist, als wären weniger Enzyme da: vmax sinkt.
\nReversibel oder irreversibel: Beide Hemmungen oben sind umkehrbar, der Hemmstoff löst sich wieder. Manche Gifte binden dagegen fest, oft mit einer echten chemischen Bindung, und schalten das Enzym dauerhaft aus. Das Nervengift Sarin zum Beispiel blockiert so die Acetylcholinesterase an den Synapsen.
\n\nZellen nutzen Hemmung, um Stoffwechselwege zu steuern. Häufig hemmt das Endprodukt eines Weges das erste Enzym dieses Weges, die Endprodukthemmungdas Endprodukt eines Stoffwechselwegs hemmt das erste Enzym dieses Wegs und bremst so seine eigene Herstellung. Ist genug Produkt da, wird die Herstellung gebremst; sinkt die Menge, löst sich der Hemmstoff, und das Enzym arbeitet wieder. Das ist eine negative Rückkopplungeine Wirkung bremst ihre eigene Ursache, so pendelt sich ein Wert ein.
\nEin wichtiges Beispiel ist die Phosphofructokinase, ein Schlüsselenzym der Glykolyse. Viel ATP in der Zelle bindet an eine zweite Stelle dieses Enzyms und bremst es. Hat die Zelle genug Energie, läuft der Zuckerabbau langsamer. Solche Enzyme mit einer zusätzlichen Bindestelle für Regulatoren heißen allosterischmit einer zweiten Bindestelle außerhalb des aktiven Zentrums, über die ein Stoff die Form und damit die Aktivität ändert.
\n\nMethanol wirkt zunächst ähnlich berauschend wie Trinkalkohol. Richtig gefährlich wird es, weil die Leber es mit dem Enzym AlkoholdehydrogenaseEnzym, das Alkohole zu Aldehyden umsetzt, Ethanol zu Acetaldehyd, Methanol zu Formaldehyd abbaut: Methanol wird zu Formaldehyd und weiter zu Ameisensäure. Diese Abbauprodukte schädigen den Sehnerv und können zu Blindheit, Nierenversagen und Tod führen. Vergiftungen entstehen meist durch gepanschte alkoholische Getränke. Als Gegenmittel gibt man Fomepizol, einen kompetitiven Hemmstoff der Alkoholdehydrogenase, oder, wenn das fehlt, Ethanol, also Trinkalkohol.
\n\nThema: Behandlung einer Methanolvergiftung. Material ist der Text oben. Zusatzinformation: Ethanol und Methanol werden von demselben Enzym umgesetzt. Fomepizol bindet etwa 500- bis 1000-mal stärker an die Alkoholdehydrogenase als Ethanol. Nicht umgesetztes Methanol scheidet der Körper über die Nieren aus.
\n1 Erklären Sie, warum die Gabe von Ethanol eine Methanolvergiftung abschwächen kann. (5 BE)
\n2 Begründen Sie, warum Fomepizol als Gegenmittel besser geeignet ist als Ethanol. (3 BE)
\n3 Beurteilen Sie, ob die Behandlung auch dann noch hilft, wenn der Patient erst nach mehr als einem Tag in die Klinik kommt. (3 BE)
\nVon uns erstellt nach dem Muster der Abituraufgaben, Sachinformationen aus der Fachliteratur. BE heißt Bewertungseinheiten.
\nZu 1 (AFB II): Ethanol und Methanol sind beide Substrate der Alkoholdehydrogenase → sie konkurrieren um das aktive Zentrum → bei viel Ethanol ist das aktive Zentrum meist mit Ethanol besetzt → Methanol wird viel langsamer umgesetzt → es entstehen weniger Formaldehyd und Ameisensäure → das Methanol wird unverändert langsam ausgeschieden, bevor sich viel Gift bildet. Das ist kompetitive Hemmung.
\nZu 2 (AFB II): Fomepizol bindet viel stärker an das Enzym → schon eine kleine Menge hemmt die Alkoholdehydrogenase fast vollständig → man braucht keine großen Mengen eines Stoffs, der selbst berauscht und das Nervensystem beeinträchtigt wie Ethanol.
\nZu 3 (AFB III): Die Hemmung verhindert nur die weitere Bildung der giftigen Abbauprodukte. Was schon zu Ameisensäure umgesetzt ist, macht sie nicht rückgängig. Kommt der Patient spät, ist ein großer Teil des Methanols schon abgebaut, der Nutzen ist kleiner. Ist noch Methanol im Blut, lohnt sich die Behandlung trotzdem, weil sie weitere Schäden verhindert.
\nWas die Korrektur erwartet: die Begriffe aktives Zentrum, Substrat, kompetitive Hemmung, eine lückenlose Kette bis zur geringeren Giftbildung, beim Beurteilen ein klares Urteil mit Begründung. Andere richtige Lösungen zählen genauso.
\nAusgedachte Messung: Mit Stoff X erreicht ein Enzym bei sehr hoher Substratkonzentration 98 % seiner normalen Höchstgeschwindigkeit, bei niedriger Konzentration nur 30 %. Mit Stoff Y erreicht es bei jeder Substratkonzentration nur etwa 40 %. Leite ab, welche Hemmung jeweils vorliegt.
\nX, kompetitiv: Bei viel Substrat wird fast die volle Geschwindigkeit erreicht, der Hemmstoff wird also verdrängt. Er bindet demnach im aktiven Zentrum und konkurriert mit dem Substrat.
\nY, nicht-kompetitiv: Mehr Substrat ändert nichts, die Höchstgeschwindigkeit ist gesunken. Y bindet woanders und verformt das aktive Zentrum.
\nWissenStoffwechsel
\nIn der Prüfung bekommst du zu ATP ein Schema einer Membran und sollst erklären, wie daraus Energie für die Zelle wird; Punkte gibt es für den Weg vom H⁺-Gefälle bis zum ATP, nicht fürs Auswendigwissen einzelner Namen. ATP ist der Energieträger der Zelle: Spaltet sie eine Phosphatgruppe ab, wird Energie frei, mit der sie Muskeln bewegt, Stoffe aufbaut oder Ionen pumpt. Neues ATP entsteht vor allem an Membranen, in Mitochondrien und Chloroplasten. Dort fließen Elektronen durch eine Transportkette und pumpen dabei H⁺-Ionen auf eine Seite der Membran. Das entstehende H⁺-Gefälle treibt ein Enzym an, die ATP-Synthase, die aus ADP und Phosphat ATP baut. Dieses Prinzip heißt chemiosmotische ATP-Bildung.
Q1 (Stoffwechsel und Informationsverarbeitung auf zellulärer Ebene), GK und LK: chemiosmotische ATP-Bildung; Redoxreaktionen, Energieumwandlung, Energieentwertung, ATP-/ADP-System; Stofftransport zwischen Kompartimenten.
\nZellen brauchen Energie für fast alles: für Bewegung, für den Aufbau von Proteinen, für Pumpen in der Membran. Sie können dafür aber nicht direkt Zucker „verbrennen“. Sie nutzen ein Zwischenmolekül, das Energie in kleinen, passenden Portionen liefert: ATPAdenosintriphosphat: ein Molekül mit drei Phosphatgruppen, der Energieträger der Zelle.
\nATP trägt drei Phosphatgruppen. Spaltet die Zelle eine davon ab, entstehen ADPAdenosindiphosphat: ATP mit nur noch zwei Phosphatgruppen und Phosphat, und Energie wird frei. Aus ADP und Phosphat wieder ATP zu bauen, kostet Energie. ATP wird nicht gespeichert, sondern ständig auf- und abgebaut. Der Vorrat in einem Muskel reicht bei voller Anstrengung nur wenige Sekunden. Ein Erwachsener baut am Tag etwa 40 bis 50 kg ATP auf und wieder ab.
\nWoher kommt die Energie für neues ATP? Aus Elektronen, die von einem Stoff zum nächsten wandern. Gibt ein Stoff Elektronen ab, heißt das OxidationAbgabe von Elektronen, nimmt einer sie auf, heißt das ReduktionAufnahme von Elektronen. Beides passiert immer gemeinsam, als Redoxreaktioneine Reaktion, bei der ein Stoff Elektronen abgibt und ein anderer sie aufnimmt. Elektronen wandern in der Zelle oft zusammen mit H⁺, getragen von NAD⁺/NADH + H⁺ (Zellatmung) und NADP⁺/NADPH + H⁺ (Fotosynthese).
\nATP-Bildung an der Membran · Du siehst, wie ein H⁺-Gefälle die ATP-Synthase antreibt. Das gilt für Chloroplast und Mitochondrium.
\n\n| Mitochondrium | Chloroplast | |
|---|---|---|
| Membran | innere Mitochondrienmembran | Thylakoidmembran |
| Elektronen kommen von | NADH und FADH₂ aus dem Abbau von Glucose | Wasser, angetrieben vom Licht |
| H⁺ werden gepumpt in den | Zwischenmembranraum | Thylakoidinnenraum |
| ATP entsteht | in der Matrix | im Stroma |
Das Prinzip ist in beiden gleich, nur die Quelle der Elektronen und die Räume sind verschieden. Die Trennung in Räume durch Membranen heißt Kompartimentierung: Ohne sie gäbe es kein Gefälle. Die Idee stammt von Peter Mitchell, der dafür 1978 den Nobelpreis für Chemie bekam.
\n\n1966 prüften André Jagendorf und sein Mitarbeiter Uribe, ob ein H⁺-Gefälle allein reicht, um ATP zu bilden. Sie legten isolierte Chloroplasten aus Spinat im Dunkeln für etwa 15 Sekunden in eine saure Lösung mit pH 4. Die Thylakoide in den Chloroplasten füllten sich innen mit H⁺. Dann überführten sie sie in eine Lösung mit pH 8, der sie ADP und Phosphat zugaben. Außen war jetzt pH 8, innen noch pH 4. Ergebnis: Die Chloroplasten bildeten ATP, obwohl es dunkel war und kein Elektronentransport lief.
\n\nThema: Der Nachweis der chemiosmotischen ATP-Bildung. Material ist der Versuch von Jagendorf und Uribe oben.
\n1 Beschreiben Sie das Vorgehen und das Ergebnis des Versuchs. (3 BE)
\n2 Erklären Sie das Ergebnis mithilfe des chemiosmotischen Modells. (5 BE)
\n3 Erläutern Sie, warum der Versuch im Dunkeln durchgeführt wurde, und schlagen Sie einen Kontrollansatz vor. (4 BE)
\nVon uns erstellt nach dem Muster der Abituraufgaben, Versuch nach Jagendorf und Uribe 1966. BE heißt Bewertungseinheiten.
\nZu 1 (AFB I): Isolierte Chloroplasten werden im Dunkeln in eine Lösung mit pH 4 gelegt, dann in eine Lösung mit pH 8, die ADP und Phosphat enthält. Nach dem Wechsel bilden sie ATP.
\nZu 2 (AFB II): pH 4 heißt hohe H⁺-Konzentration → H⁺ gelangen in den Thylakoidinnenraum, innen ebenfalls pH 4. Nach dem Wechsel ist außen pH 8, also viel weniger H⁺ → ein H⁺-Gefälle von innen nach außen über die Membran. Die Membran ist für H⁺ sonst undurchlässig → die H⁺ strömen durch die ATP-Synthase nach außen → die Energie des Rückstroms verknüpft ADP und Phosphat zu ATP. Das Gefälle allein reicht also für die ATP-Bildung.
\nZu 3 (AFB II): Im Licht würde die Elektronentransportkette selbst H⁺ pumpen. Dann könnte man nicht unterscheiden, ob das ATP vom künstlichen Gefälle oder vom Licht kommt. Im Dunkeln bleibt das künstliche Gefälle die einzige mögliche Energiequelle. Kontrollansatz: Chloroplasten werden von pH 8 in pH 8 mit ADP und Phosphat überführt. Ohne Gefälle sollte kein ATP entstehen.
\nWas die Korrektur erwartet: die Richtung des Gefälles (innen viele H⁺), der Weg durch die ATP-Synthase, beim Kontrollansatz nur eine Variable geändert. Andere richtige Lösungen zählen genauso.
\nDer Stoff 2,4-Dinitrophenol (DNP) trägt H⁺ durch die innere Mitochondrienmembran, an der ATP-Synthase vorbei. In den 1930er-Jahren wurde er als Schlankheitsmittel verkauft, Überdosen führten zu tödlichem Fieber. Erkläre die Wirkung mit dem chemiosmotischen Modell.
\nDNP lässt die gepumpten H⁺ an der ATP-Synthase vorbei zurück in die Matrix → das Gefälle bricht zusammen → kaum noch ATP. Die Atmungskette läuft weiter oder sogar schneller, aber ihre Energie wird jetzt als Wärme frei statt im ATP gespeichert.
\nUm genug ATP zu bekommen, baut der Körper mehr Nährstoffe ab → Gewichtsverlust. Bei zu viel DNP entsteht so viel Wärme, dass die Körpertemperatur lebensgefährlich steigt. Man nennt solche Stoffe Entkoppler, weil sie Elektronentransport und ATP-Bildung voneinander trennen.
\nWissenStoffwechsel
\nIn der Prüfung bekommst du zur Fotosynthese ein Schema oder eine Messreihe und sollst erklären und auswerten; Punkte gibt es für Fachbegriffe am richtigen Platz und eine begründete Erklärung, nicht fürs Aufzählen. Bei der Fotosynthese bauen Pflanzen aus Kohlenstoffdioxid und Wasser Zucker auf und nutzen dafür die Energie des Lichts. Das passiert in den Chloroplasten, in zwei Teilen: Die lichtabhängigen Reaktionen an den Thylakoidmembranen spalten Wasser, setzen Sauerstoff frei und erzeugen ATP und NADPH + H⁺. Diese beiden Stoffe treiben danach im Stroma den Calvin-Zyklus an, der aus CO₂ Zucker baut. Chlorophyll nutzt vor allem blaues und rotes Licht, grünes wird kaum absorbiert, deshalb sehen Blätter grün aus.
Die Fotosynthese steht in Berlin in Q2 (Lebewesen in ihrer Umwelt). GK und LK: Blattaufbau, Feinbau des Chloroplasten, Absorptionsspektrum von Chlorophyll, Wirkungsspektrum, Zusammenhang von Primär- und Sekundärreaktionen. Nur LK: Lichtsammelkomplex und energetisches Modell der Lichtreaktionen.
Tiere und Menschen müssen Nährstoffe essen. Pflanzen bauen ihre Nährstoffe selbst auf, aus Kohlenstoffdioxid (CO₂) aus der Luft und Wasser aus dem Boden. Die Energie dafür liefert das Licht. Das heißt FotosyntheseAufbau von Zucker aus CO₂ und Wasser mit der Energie des Lichts; dabei wird Sauerstoff frei (auch Photosynthese geschrieben). Als Abfall entsteht Sauerstoff, den wir atmen.
\nGesamtgleichung: 6 CO₂ + 12 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ + 6 H₂O. Links steht doppelt so viel Wasser wie rechts, weil der Sauerstoff aus dem Wasser stammt und dabei neues Wasser entsteht. Chemisch ist das eine Redoxreaktioneine Reaktion, bei der ein Stoff Elektronen abgibt (Oxidation) und ein anderer sie aufnimmt (Reduktion): Wasser gibt Elektronen ab, CO₂ nimmt sie auf.
\nDie Fotosynthese läuft in zwei Teilen. Die lichtabhängigen Reaktionenauch Primärreaktionen: wandeln Lichtenergie in die chemische Energie von ATP und NADPH + H⁺ um fangen das Licht ein und speichern seine Energie in zwei Stoffen: ATPAdenosintriphosphat, der Energieträger der Zelle und NADPH + H⁺ein Überträger, der Elektronen und Wasserstoff für den Aufbau von Zucker liefert. Der Calvin-Zyklusauch Sekundärreaktion oder lichtunabhängige Reaktion: baut mit ATP und NADPH + H⁺ aus CO₂ Zucker auf verbraucht beide, um aus CO₂ Zucker zu bauen.
\nIm Blatt liegt unter der oberen Haut das Palisadengewebe mit vielen Chloroplasten, darunter das lockere Schwammgewebe mit Lufträumen. Durch die Spaltöffnungen, meist an der Blattunterseite, gelangt CO₂ hinein und Sauerstoff hinaus.
\nDer ChloroplastZellbestandteil der Pflanzenzelle, in dem die Fotosynthese abläuft ist von einer Doppelmembran umgeben. Innen liegt die Grundsubstanz, das Stromadie flüssige Grundsubstanz im Chloroplasten; hier läuft der Calvin-Zyklus, mit eigener DNA, Ribosomen und oft Stärkekörnern. Darin liegen flache Membransäckchen, die Thylakoideflache Membransäckchen im Chloroplasten; in ihrer Membran sitzen Chlorophyll und die Lichtreaktionen, zum Teil wie Geldrollen gestapelt (Grana). In ihrer Membran sitzen das Chlorophyll und alle Proteine der Lichtreaktionen.
\nAbsorption, Wirkung und Engelmanns Versuch · Du vergleichst zwei Kurven mit dem Bakterienversuch. So siehst du, bei welchen Farben viel Fotosynthese läuft.
\n\nDas Absorptionsspektrumzeigt, wie stark ein Farbstoff Licht jeder Wellenlänge schluckt zeigt, welche Farben ein Pigment schluckt. Chlorophyll a absorbiert stark im Blau und im Rot, im Grün kaum. Grünes Licht wird zurückgeworfen oder durchgelassen, deshalb sehen Blätter grün aus. Das Wirkungsspektrumzeigt, wie stark die Fotosynthese bei Licht jeder Wellenlänge abläuft zeigt dagegen, wie gut die Fotosynthese bei jeder Farbe läuft. Es ähnelt dem Absorptionsspektrum, ist aber breiter: Weitere Pigmente wie Chlorophyll b und Carotinoide schlucken Licht in den Lücken und geben die Energie an das Chlorophyll a weiter.
\nEchtes Experiment: Theodor Wilhelm Engelmann beleuchtete 1882 einen Faden der Grünalge Cladophora unter dem Mikroskop mit einem Lichtspektrum, das ein Prisma erzeugte. Im Wasser waren Bakterien, die zum Sauerstoff hin schwimmen. Sie sammelten sich vor allem an den blau und rot beleuchteten Stellen des Fadens, im Grün kaum. Dort, wo sich viele Bakterien sammeln, entsteht viel Sauerstoff, dort läuft also viel Fotosynthese. Die Bakterien zeigten Engelmann also das Wirkungsspektrum.
\n\nATP und NADPH + H⁺ entstehen auf der Stroma-Seite der Membran, genau dort, wo der Calvin-Zyklus sie braucht. Fehlt Licht, entstehen sie nicht, und auch der Calvin-Zyklus kommt nach kurzer Zeit zum Stillstand. Wie die ATP-Synthase genau arbeitet, steht auf dem Lernzettel zu ATP und Chemiosmose.
\n\nAbituraufgabe „Cyanobakterien als Fotosynthesespezialisten“ (erhöhtes Niveau). Die erste Teilaufgabe kommt ohne Material aus.
\n1 Fertigen Sie eine beschriftete Skizze des elektronenmikroskopisch erkennbaren Aufbaus eines Chloroplasten an. Erläutern Sie am Beispiel der Thylakoide in Chloroplasten von Pflanzen den Zusammenhang zwischen Struktur und Funktion anhand von zwei Aspekten. (9 BE)
\nAufgabentext wörtlich aus der Abituraufgabe 2025 (IQB). BE heißt Bewertungseinheiten.
\nSkizze (5 BE, AFB I): beschriftet mit Doppelmembran, Stromathylakoiden und Granathylakoiden, Stroma, DNA, Ribosomen und Stärkekorn.
\nErläutern (4 BE, AFB I): Erstens: Die Thylakoide vergrößern die Oberfläche der inneren Membran um ein Vielfaches → viele eingelagerte Pigmente → größere Fläche zum Absorbieren von Licht → bessere Lichtausbeute. Zweitens: Kompartimentierung → der Thylakoidinnenraum ist vom Stroma getrennt → Primär- und Sekundärreaktion können im Chloroplasten nebeneinander ablaufen.
\nWas die Korrektur erwartet: eine saubere Skizze mit Linien zu den Beschriftungen, nicht zu klein; beim Erläutern zu jedem Aspekt die Struktur, die Funktion und die Verbindung dazwischen. Andere richtige Lösungen zählen genauso.
\nDie ganze Aufgabe mit Material und Erwartungshorizont: „Cyanobakterien als Fotosynthesespezialisten“ (PDF, IQB).
\n\nIn den meisten Ländern brauchst du das energetische Modell nur im Leistungskurs oder auf erhöhtem Niveau, in einzelnen Ländern auch im grundlegenden Niveau. Was für dich gilt, steht im Kasten deines Landes oben.
\n\nDas Z-Schema der Lichtreaktion · Die Elektronen werden zweimal vom Licht angehoben und fallen dazwischen ab. Du siehst, wo ATP und NADPH entstehen.
\n\nSchau dir die Abbildung zu Engelmanns Versuch an. Bei etwa 480 nm läuft die Fotosynthese noch recht gut, obwohl Chlorophyll a dort kaum Licht absorbiert. Erkläre das. Und warum sammeln sich im grünen Bereich kaum Bakterien?
\nBei 480 nm absorbieren andere Pigmente, Chlorophyll b und Carotinoide. Sie geben die Energie an das Chlorophyll a im Reaktionszentrum weiter, deshalb wird auch dieses Licht für die Fotosynthese genutzt.
\nGrünes Licht wird von allen Pigmenten kaum absorbiert → wenig Lichtenergie für die Lichtreaktionen → wenig Wasserspaltung → wenig Sauerstoff → die Bakterien, die zum Sauerstoff schwimmen, sammeln sich dort kaum.
\nMethodeStoffwechsel · Verfahren
\nIn der Prüfung bekommst du ein Chromatogramm und sollst daraus Rückschlüsse auf die Farbstoffe ziehen; Punkte gibt es, wenn du das Ergebnis mit dem Trennprinzip begründest, nicht fürs bloße Ablesen von Strecken. Mit der Dünnschichtchromatografie trennst du die Farbstoffe eines Blattes. Du trägst einen Blattextrakt auf eine Startlinie auf, und ein Laufmittel steigt durch die Schicht nach oben und nimmt die Farbstoffe verschieden weit mit: Was gut im Laufmittel löslich ist und wenig an der Schicht haftet, wandert weit. Wie weit ein Stoff gewandert ist, gibst du als Rf-Wert an, Laufstrecke des Stoffes geteilt durch Laufstrecke des Laufmittels. Das Chromatogramm zeigt, dass ein Blatt mehrere Pigmente hat, und das erklärt, warum die Fotosynthese mehr Wellenlängen nutzt, als Chlorophyll a allein absorbiert.
Q2 (Lebewesen in ihrer Umwelt), GK und LK: fachliches Verfahren Chromatografie, zusammen mit Absorptions- und Wirkungsspektrum.
\nChromatogramm der Blattfarbstoffe · So liegen die Banden auf der Platte, und so berechnest du den Rf-Wert aus den zwei Strecken.
\n\nTypisch sind drei Aufträge: das Verfahren beschreiben und sein Prinzip erklären, aus einem Chromatogramm Rf-Werte berechnen und die Banden zuordnen, und den Zusammenhang mit Absorptions- und Wirkungsspektrum erläutern. In manchen Ländern führst du die Chromatografie auch selbst durch, siehe Kasten oben.
\nEchte Geschichte: Das Verfahren stammt aus der Untersuchung genau dieser Farbstoffe. Der russische Botaniker Michail Tswett trennte Anfang des 20. Jahrhunderts Chlorophylle und Carotinoide in einer Säule und prägte 1906 den Begriff „Chromatographie“, wörtlich „Farbschreiben“.
\nJeder Stoff verteilt sich zwischen zwei Phasen: der stationären Phase (die Schicht auf der Platte, zum Beispiel Kieselgel) und der mobilen Phase (das Laufmittel). Ein Stoff, der stark an der Schicht haftet, bleibt zurück; einer, der sich gut im Laufmittel löst, wandert weit. Auf Kieselgel mit einem eher unpolaren Laufmittel gilt: je unpolarer, desto weiter.
\nMessen kannst du das mit dem Rf-WertRetentionsfaktor: wie weit ein Stoff im Verhältnis zum Laufmittel gewandert ist:
\nRf = Laufstrecke des Stoffes : Laufstrecke des Laufmittels (beide ab der Startlinie). Er liegt immer zwischen 0 und 1 und ist nur bei gleicher Platte, gleichem Laufmittel und gleicher Temperatur vergleichbar.
\n\nDas Absorptionsspektrum zeigt, welche Wellenlängen ein Farbstoff schluckt: Chlorophylle vor allem Blauviolett und Rot, kaum Grün (deshalb sehen Blätter grün aus); Carotinoide vor allem Blau bis Blaugrün. Das Wirkungsspektrum zeigt, wie stark die Fotosynthese bei jeder Wellenlänge läuft. Es ähnelt der Summe der Absorptionsspektren aller Pigmente: Die Chromatografie zeigt, dass mehrere Farbstoffe beteiligt sind, und erklärt, warum die Fotosynthese auch dort noch läuft, wo Chlorophyll allein kaum absorbiert.
\nEin klassischer Beleg ist der Versuch von Engelmann (1882): Er belichtete einen Algenfaden mit in Farben zerlegtem Licht. Bakterien, die zum Sauerstoff schwimmen, sammelten sich vor allem im roten und im blauen Bereich, dort also, wo am meisten Sauerstoff entstand. Mehr dazu auf dem Lernzettel zu den Lichtreaktionen.
\n\nAusgedachte Messwerte: Die Laufmittelfront liegt 8,0 cm über der Startlinie. Eine blaugrüne Bande liegt bei 4,4 cm, eine gelbgrüne bei 3,2 cm. Berechne beide Rf-Werte und ordne die Banden zu.
\nBlaugrün: 4,4 : 8,0 = 0,55. Gelbgrün: 3,2 : 8,0 = 0,40.
\nDie blaugrüne Bande mit dem größeren Rf-Wert ist Chlorophyll a, die gelbgrüne darunter Chlorophyll b. Chlorophyll b ist polarer und haftet stärker an der Schicht.
\nWissenStoffwechsel
\nIn der Prüfung bekommst du zum Calvin-Zyklus ein Schema oder einen Versuch und sollst erklären, wie aus CO₂ Zucker wird; Punkte gibt es für die Schritte mit den Stoffen, die in jedem Schritt gebraucht werden, nicht fürs Auswendiglernen. Im Calvin-Zyklus baut die Pflanze im Stroma der Chloroplasten aus CO₂ Zucker auf. Das Enzym Rubisco bindet CO₂ an einen Zucker mit fünf C-Atomen (Fixierung), mit ATP und NADPH + H⁺ aus den Lichtreaktionen entsteht daraus ein Zucker mit drei C-Atomen (Reduktion), und aus dem größten Teil davon wird der Ausgangsstoff zurückgebildet (Regeneration). Für ein Glucosemolekül braucht der Zyklus 6 CO₂, 18 ATP und 12 NADPH + H⁺. Wie schnell die Fotosynthese insgesamt läuft, hängt von Licht, CO₂ und Temperatur ab, und zwar immer von dem Faktor, der gerade am knappsten ist.
Q2 (Lebewesen in ihrer Umwelt), GK und LK: Calvin-Zyklus (Fixierung, Reduktion, Regeneration), Abhängigkeit der Fotosyntheserate von abiotischen Faktoren, Zusammenhang von aufbauendem und abbauendem Stoffwechsel. Nur LK: C₄-Pflanzen und Tracer-Methode.
\nDie Lichtreaktionen liefern Energie in Form von ATP und NADPH + H⁺, aber noch keinen Zucker. Den baut der Calvin-ZyklusKreislauf von Reaktionen im Stroma, der mit ATP und NADPH + H⁺ aus CO₂ Zucker aufbaut im Stromadie flüssige Grundsubstanz im Chloroplasten der Chloroplasten. Er heißt Zyklus, weil der Stoff, an den CO₂ gebunden wird, am Ende wieder entsteht.
\nCO₂ ist ein kleines, energiearmes Molekül. Damit daraus Zucker wird, muss man es erst an ein anderes Molekül binden und dann reduziereneinem Stoff Elektronen zuführen; hier liefert NADPH + H⁺ Elektronen und Wasserstoff, also mit Elektronen und Wasserstoff beladen. Dafür steckt die Pflanze die Energie aus dem ATP und die Elektronen aus dem NADPH + H⁺ hinein.
\nWie viel Zucker eine Pflanze bildet, hängt von ihrer Umgebung ab: von Licht, CO₂ in der Luft, Temperatur und Wasser. Diese Einflüsse heißen abiotische FaktorenEinflüsse der unbelebten Umwelt, etwa Licht, Temperatur, Wasser, CO₂.
\n| Für ein Glucosemolekül | Kohlenstoff | Verbrauch |
|---|---|---|
| Fixierung | 6 C₅ + 6 CO₂ → 12 C₃ | nichts |
| Reduktion | 12 C₃ → 12 C₃-Zucker | 12 ATP, 12 NADPH + H⁺ |
| Ausgang | 2 C₃-Zucker → 1 Glucose (C₆) | |
| Regeneration | 10 C₃-Zucker → 6 C₅ | 6 ATP |
Zusammen: 6 CO₂, 18 ATP und 12 NADPH + H⁺ für eine Glucose. Prüf die Kohlenstoffe: 6 · 5 + 6 = 36 = 12 · 3, und 10 · 3 = 30 = 6 · 5. Deshalb hängt der Calvin-Zyklus an den Lichtreaktionen: Im Dunkeln fehlen nach kurzer Zeit ATP und NADPH + H⁺, und er stoppt, obwohl er selbst kein Licht braucht.
\n\nLichtkurve der Netto-Fotosynthese · Du liest die CO₂-Aufnahme über der Beleuchtungsstärke ab und siehst, wo die Kurve flach wird.
\n\nDas ist das Prinzip des begrenzenden Faktorsder Faktor, der am knappsten ist, bestimmt die Geschwindigkeit; verbessert man einen anderen, ändert sich wenig: Die Rate steigt nur, wenn man den Faktor verbessert, der gerade knapp ist.
\nSonnen- und Schattenblätter: Blätter an der Sonnenseite eines Baums sind dicker und haben mehr Palisadengewebe. Sie erreichen die Sättigung erst bei starkem Licht. Schattenblätter sind dünner, atmen weniger und haben deshalb einen niedrigeren Kompensationspunkt: Sie kommen schon mit wenig Licht ins Plus.
\n\nRubisco kann statt CO₂ auch Sauerstoff binden. Dann entsteht kein Zucker, im Gegenteil, die Pflanze verliert dabei schon gebundenen Kohlenstoff. Das heißt FotorespirationRubisco bindet Sauerstoff statt CO₂; es wird kein Zucker gebildet, die Fotosynthese wird weniger effizient. Wie oft das passiert, hängt vom Verhältnis von CO₂ und O₂ in der Zelle ab. Gemessen an Tabakpflanzen:
\n| CO₂ in der Zelle | Rubisco bindet CO₂ : O₂ |
|---|---|
| 6 µmol/l (entspricht etwa 0,039 % CO₂ in der Luft) | 68 : 32 |
| 18 µmol/l | 89 : 11 |
| 60 µmol/l | 98 : 2 |
Werte aus der Abituraufgabe „Cyanobakterien als Fotosynthesespezialisten“ (IQB 2025, Material 3). Bei heutiger Luft bindet Rubisco also fast jedes dritte Mal Sauerstoff. Mehr CO₂ macht die Fotosynthese effizienter.
\n\nAbituraufgabe „Kultivierung von Algen“ (grundlegendes Niveau). In Versuchen wurde in Algenkulturen Luft mit 0,04 % CO₂, Luft mit 9 % CO₂ oder Rauchgas aus einem Kraftwerk eingeleitet. Rauchgas enthält ebenfalls 9 % CO₂ und dazu weitere Stoffe. CO₂ bildet im Wasser Kohlensäure, deshalb wird das Kulturmedium bei ständiger Zufuhr immer saurer; die Algen wachsen am besten bei neutralem pH-Wert. Nach sechs Tagen hatten die Kulturen mit 9 % CO₂ und mit Rauchgas etwa 1,7 bis 1,8 g Biomasse pro Liter gebildet, die mit normaler Luft unter 0,2 g. Abbildung 2 zeigt den Anteil an Protein in der Biomasse:
\n| Eingeleitet | nach 3 Tagen | nach 6 Tagen |
|---|---|---|
| Luft, 0,04 % CO₂ | etwa 20 % | etwas weniger |
| Luft, 9 % CO₂ | etwa 30 % | etwa 20 % |
| Rauchgas | etwa 28 % | etwa 19 % |
4 Beschreiben Sie die in Abbildung 2 dargestellten Versuchsergebnisse und interpretieren Sie diese (M 3). … (13 BE, davon 8 für diesen Teil)
\nAufgabentext wörtlich aus der Abituraufgabe 2025 (IQB), ohne den anschließenden Diskussionsauftrag; Material in eigenen Worten, Werte nach dem Erwartungshorizont und aus der Abbildung abgelesen. BE heißt Bewertungseinheiten.
\nBeschreiben (2 BE, AFB I): Mit 0,04 % CO₂ steigt der Proteinanteil in den ersten drei Tagen auf etwa 20 % und geht bis zum sechsten Tag leicht zurück. Mit CO₂-reicher Luft und mit Rauchgas steigt er zunächst auf etwa 30 % bzw. 28 % und fällt bis zum sechsten Tag auf etwa 20 % bzw. 19 %.
\nInterpretieren (6 BE, AFB I und II): CO₂ wird in der Fotosynthese im Calvin-Zyklus fixiert und für Glucose und damit für Biomasse gebraucht. Bei normaler Luft ist CO₂ der begrenzende Faktor. Mit mehr CO₂ steigt die Fotosyntheseleistung und damit die Biomasse, weil CO₂ nicht länger begrenzt. Bei ständiger CO₂-Zufuhr sinkt aber der pH-Wert, und mit der Zeit wird der saure pH-Wert zum begrenzenden Faktor: Der Proteinanteil nimmt wieder ab. Beim Rauchgas sinkt der pH-Wert wegen der weiteren sauren Stoffe schneller.
\nWas die Korrektur erwartet: Werte mit Einheit und Zeitpunkt, beim Interpretieren das Prinzip des begrenzenden Faktors mit Fachbegriffen (Fixierung, Calvin-Zyklus) und der Wechsel des begrenzenden Faktors vom CO₂ zum pH-Wert. Andere richtige Lösungen zählen genauso.
\nDie ganze Aufgabe mit Abbildungen und Erwartungshorizont: „Kultivierung von Algen“ (PDF, IQB). Wie du Diagramme Schritt für Schritt beschreibst, steht auf dem Lernzettel zum Diagramme-Lesen.
\n\nMan stellt eine belichtete Algenkultur plötzlich ins Dunkle. Was passiert in den ersten Sekunden mit der Menge an 3-Phosphoglycerat und an Ribulose-1,5-bisphosphat? Begründe.
\n3-Phosphoglycerat steigt: Die Fixierung läuft zunächst weiter, sie braucht weder ATP noch NADPH + H⁺. Die Reduktion stoppt aber, weil ATP und NADPH + H⁺ fehlen. 3-Phosphoglycerat wird gebildet, aber nicht mehr verbraucht.
\nRibulose-1,5-bisphosphat sinkt: Es wird bei der Fixierung verbraucht, aber die Regeneration braucht ATP und kommt nicht nach.
\nWissenStoffwechsel
\nIn der Prüfung bekommst du zu Rubisco und den Anpassungen an Hitze ein Diagramm oder einen Versuch mit Markierung und sollst ihn auswerten; Punkte gibt es für eine begründete Erklärung, nicht fürs Beschreiben der Kurve. Das Enzym Rubisco bindet im Calvin-Zyklus CO₂, aber manchmal auch Sauerstoff, und dann verliert die Pflanze Kohlenstoff. Das passiert vor allem bei Hitze und Trockenheit, wenn die Spaltöffnungen geschlossen sind und wenig CO₂ ins Blatt kommt. C₄-Pflanzen wie Mais binden CO₂ zuerst in den Mesophyllzellen mit einem anderen Enzym, der PEP-Carboxylase, und pumpen es in die Bündelscheidenzellen, wo der Calvin-Zyklus bei hoher CO₂-Konzentration läuft. Mit der Tracer-Methode verfolgt man markierte Atome und findet so heraus, in welcher Reihenfolge ein Stoffwechselweg abläuft.
Q2 (Lebewesen in ihrer Umwelt), nur LK: C₄-Pflanze und das fachliche Verfahren Tracer-Methode; Fachbegriff C₃-Pflanzen.
\nPflanzen holen CO₂ durch die Spaltöffnungenkleine Poren meist an der Blattunterseite, durch die CO₂ hinein- und Wasserdampf hinausgelangt ins Blatt. Durch dieselben Öffnungen verlieren sie aber Wasser. Bei Hitze und Trockenheit stecken sie deshalb in einem Dilemma: Öffnungen auf, dann verdursten sie; Öffnungen zu, dann fehlt CO₂ für die Fotosynthese.
\nDie meisten Pflanzen, etwa Weizen, binden CO₂ direkt im Calvin-Zyklus. Das erste stabile Produkt hat drei C-Atome, sie heißen deshalb C₃-PflanzenPflanzen, bei denen das erste stabile Produkt der CO₂-Bindung ein Molekül mit drei C-Atomen ist (3-Phosphoglycerat). Manche Pflanzen heißer Standorte haben einen Umweg entwickelt, bei dem zuerst ein Molekül mit vier C-Atomen entsteht: die C₄-PflanzenPflanzen, die CO₂ zuerst mit PEP-Carboxylase zu einer C₄-Säure binden und es in die Bündelscheide pumpen.
\nC₃- und C₄-Pflanze im Vergleich · Oben der Weg ohne Umweg, unten der C₄-Weg, der das CO₂ erst in die Bündelscheide pumpt; daran erkennst du den Unterschied.
\n\nRubisco, das Enzym der CO₂-Fixierung im Calvin-Zyklus, kann statt CO₂ auch O₂ binden. Dann geht bereits gebundener Kohlenstoff wieder verloren (Fotorespiration„Lichtatmung“: ein Nebenweg, bei dem die Pflanze unter Lichteinfluss O₂ verbraucht und CO₂ abgibt, statt Zucker aufzubauen). Das passiert vor allem, wenn im Blatt wenig CO₂ und viel O₂ ist: bei Hitze und Trockenheit, wenn die Pflanze ihre Spaltöffnungen schließt, um Wasser zu sparen.
\n\nC₄-Pflanzen wie Mais, Zuckerrohr und Hirse trennen die Arbeit räumlich auf zwei Zelltypen:
\nDer Name kommt vom ersten stabilen Produkt: Bei C₃-Pflanzen ist es ein C₃-Körper (3-Phosphoglycerat), bei C₄-Pflanzen eine C₄-Säure.
\n| C₃-Pflanze (Weizen) | C₄-Pflanze (Mais) | |
|---|---|---|
| Vorteil | weniger Energie je gebundenem CO₂ | kaum Fotorespiration, kann Spaltöffnungen enger halten und spart Wasser, hohe Fotosyntheserate bei viel Licht |
| Nachteil | bei Hitze und Trockenheit viel Fotorespiration | zusätzlicher ATP-Bedarf für den Pumpweg |
| gut an | gemäßigte, eher kühle Standorte | heiße, helle, trockene Standorte |
Bei der Tracer-Methode„tracer“ heißt Spurensucher: Man markiert ein Atom und verfolgt, in welchen Stoffen es nacheinander auftaucht gibt man einen Stoff mit markierten Atomen, etwa radioaktivem ¹⁴C im CO₂ oder dem schweren Sauerstoff ¹⁸O im Wasser.
\nAbituraufgabe „C3-Pflanzen und Diversität bei C4-Pflanzen“ (erhöhtes Niveau). Material 1: C₄-Pflanzen sind im Bau ihrer Blätter und in ihrem Stoffwechsel an Standorte mit hohen Temperaturen und Trockenheit angepasst. Schematische Blattquerschnitte zeigen bei der C₄-Pflanze einen Kranz aus chloroplastenreichen Bündelscheidenzellen um die Leitbündel, umgeben von Mesophyllzellen. In den Mesophyllzellen fixiert PEPC das CO₂, in den Bündelscheidenzellen arbeitet Rubisco. Bei der C₃-Pflanze gibt es keine PEPC, Rubisco arbeitet in Palisaden- und Schwammgewebe.
\n2 Erläutern Sie die anatomischen und stoffwechselphysiologischen Angepasstheiten von C4-Pflanzen an ihre Standorte (M 1). Leiten Sie die Auswirkungen von hohen Temperaturen und Trockenheit auf das Wachstum von C3-Pflanzen ab (M 1). (9 BE)
\nAufgabentext wörtlich aus der Abituraufgabe 2026 (IQB), Material in eigenen Worten. BE heißt Bewertungseinheiten.
\nErläutern (6 BE, AFB II): Die Fotosynthese läuft bei C₄-Pflanzen in zwei verschiedenen Zelltypen ab. In den Mesophyllzellen wird CO₂ mithilfe der PEPC fixiert. Die PEPC bindet CO₂ sehr gut und kann deshalb pro Zeit mehr CO₂ fixieren und der Rubisco zur Verfügung stellen. Der Calvin-Zyklus läuft in den Bündelscheidenzellen ab. Bei hohen Temperaturen und Trockenheit ist so Fotosynthese trotz enger Spaltöffnungen möglich → weniger Wasserverlust durch Verdunstung.
\nAbleiten (3 BE, AFB II): Bei hohen Temperaturen und Trockenheit öffnen C₃-Pflanzen ihre Spaltöffnungen nur wenig → weniger CO₂ im Blatt → die Fotosynthese ist eingeschränkt → das Wachstum ist verringert bis gestoppt.
\nWas die Korrektur erwartet: zu jeder Angepasstheit die Struktur oder das Enzym und den Nutzen für den Standort, beim Ableiten eine Kette von den Spaltöffnungen bis zum Wachstum. Andere richtige Lösungen zählen genauso.
\nDie ganze Aufgabe mit Herbizid-Versuch: „C3-Pflanzen und Diversität bei C4-Pflanzen“ (PDF, IQB).
\n\nMaterial (ausgedacht): Zwei Grasarten bekommen 5 Sekunden lang ¹⁴CO₂. Bei Art A steckt danach die meiste Markierung in Malat, bei Art B in 3-Phosphoglycerat. Bei 35 °C und trockener Luft wächst Art A deutlich besser. Werte aus und erkläre.
\nDas erste markierte Produkt zeigt die erste Fixierung. Art A bindet CO₂ zuerst in eine C₄-Säure: eine C₄-Pflanze. Art B ist eine C₃-Pflanze.
\nBei Hitze und Trockenheit schließen beide ihre Spaltöffnungen weiter. In der C₃-Pflanze sinkt das CO₂ im Blatt, Rubisco bindet öfter O₂, Fotorespiration kostet Kohlenstoff. Die C₄-Pflanze fixiert CO₂ mit PEP-Carboxylase auch bei wenig CO₂ und reichert es in der Bündelscheide an. Sie verliert kaum Kohlenstoff und wächst besser.
\nWissenStoffwechsel
\nIn der Prüfung bekommst du ein Schema zur Zellatmung und sollst Abschnitte, Orte und Energieausbeute erklären; Punkte gibt es für den Weg der Stoffe durch die Stationen, nicht fürs Auswendiglernen einzelner Namen. Bei der Zellatmung baut die Zelle Glucose mit Sauerstoff zu CO₂ und Wasser ab und speichert einen Teil der frei werdenden Energie in ATP. Das passiert in vier Abschnitten: Die Glykolyse im Cytoplasma spaltet Glucose in zwei Pyruvat, im Mitochondrium folgen die oxidative Decarboxylierung und der Citratzyklus, die das CO₂ abspalten und Elektronen auf NAD⁺ und FAD laden. In der Atmungskette an der inneren Mitochondrienmembran landen diese Elektronen auf dem Sauerstoff, und die ATP-Synthase bildet fast alles ATP. Fehlt Sauerstoff, bleibt nur die Glykolyse, und die Gärung sorgt dafür, dass sie weiterlaufen kann.
Q1 (Stoffwechsel und Informationsverarbeitung auf zellulärer Ebene), GK und LK: Feinbau des Mitochondriums, Stoff- und Energiebilanz von Glykolyse, oxidativer Decarboxylierung, Tricarbonsäurezyklus und Atmungskette. Nur LK: energetisches Modell der Atmungskette, alkoholische Gärung und Milchsäuregärung.
Jede Zelle braucht ständig Energie: für Bewegung, für den Aufbau von Stoffen, für Ionenpumpen. Die Energie kommt aus der Nahrung, vor allem aus Zucker. Die Zelle verbrennt ihn aber nicht auf einmal wie ein Feuer, sondern in vielen kleinen Schritten. So kann sie einen Teil der Energie auffangen, statt alles als Wärme zu verlieren.
\nAufgefangen wird die Energie in ATPAdenosintriphosphat, der Energieträger der Zelle; gibt beim Abspalten einer Phosphatgruppe Energie ab, dem Energieträger, den die Zelle überall einsetzen kann. Dazwischen helfen Überträger wie NAD⁺ein Überträger, der Elektronen und Wasserstoff aufnimmt (dann NADH + H⁺) und an anderer Stelle wieder abgibt; FAD arbeitet ähnlich: Sie nehmen beim Abbau Elektronen auf und bringen sie zur Atmungskette.
\nGesamtgleichung: C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O. Das ist eine Redoxreaktion: Glucose wird oxidiert (gibt Elektronen ab), Sauerstoff wird reduziert (nimmt sie auf). Die meisten Schritte laufen im MitochondriumZellbestandteil mit Doppelmembran, in dem Citratzyklus und Atmungskette ablaufen; „Kraftwerk der Zelle“.
\nZellatmung im Überblick · Du siehst die Stationen von der Glucose bis zum ATP. Die Werte gelten je Glucosemolekül.
\n\n| Abschnitt | Ort | Was passiert (je Glucose) |
|---|---|---|
| GlykolyseSpaltung von Glucose in zwei Pyruvat, im Cytoplasma, ohne Sauerstoff | Cytoplasma | Glucose → 2 Pyruvat; 2 ATP werden eingesetzt, 4 gebildet, netto 2 ATP; 2 NADH + H⁺ |
| Oxidative Decarboxylierung | Mitochondrium (Matrix) | 2 Pyruvat → 2 Acetyl-CoA; 2 CO₂, 2 NADH + H⁺ |
| Citratzyklusauch Tricarbonsäurezyklus: Kreislauf in der Matrix, der den Acetylrest vollständig zu CO₂ abbaut und dabei Überträger belädt (Tricarbonsäurezyklus) | Mitochondrium (Matrix) | 2 Umläufe: 4 CO₂, 6 NADH + H⁺, 2 FADH₂, 2 ATP |
| AtmungsketteKette von Proteinen in der inneren Mitochondrienmembran, die Elektronen von NADH und FADH₂ auf Sauerstoff überträgt und dabei H⁺ pumpt | innere Mitochondrienmembran | NADH und FADH₂ geben Elektronen ab, H⁺ werden in den Zwischenmembranraum gepumpt, die ATP-Synthase bildet den Großteil des ATP; die Elektronen landen auf O₂, es entsteht H₂O |
Bilanz: Alle 6 Kohlenstoffatome der Glucose verlassen die Zelle als CO₂, 2 in der Decarboxylierung und 4 im Citratzyklus. Insgesamt entstehen etwa 30 bis 32 ATP je Glucose; ältere Bücher rechnen mit 36 bis 38. Nimm die Zahl, die ihr im Unterricht verwendet habt. Wichtig ist das Verhältnis: Nur 4 ATP entstehen direkt in Glykolyse und Citratzyklus, alle anderen erst in der Atmungskette. Wie die ATP-Synthase arbeitet, steht auf dem Lernzettel zu ATP und Chemiosmose.
\n\nDas Mitochondrium hat zwei Membranen. Die äußere ist glatt, die innere ist zu CristaeFalten der inneren Mitochondrienmembran, die ihre Fläche vergrößern gefaltet. Das vergrößert die Fläche für Atmungskette und ATP-Synthase: Struktur und Funktion. Der Raum innen ist die Matrixder Innenraum des Mitochondriums; hier laufen oxidative Decarboxylierung und Citratzyklus mit dem Citratzyklus. Zwischen den Membranen liegt der Zwischenmembranraum, in den die H⁺ gepumpt werden. Steht so ein Bild als Material in einer Aufgabe, erkennst du zuerst Membranen und Cristae und ordnest dann die Abschnitte zu.
\n\n\nIn vielen Ländern gehört die Gärung zum Leistungskurs oder erhöhten Niveau, in einigen auch zum Grundkurs; was für dich gilt, steht im Kasten oben.
\nFehlt O₂, staut sich die Atmungskette, NADH wird nicht mehr zu NAD⁺ oxidiert. Die Glykolyse braucht aber NAD⁺. Bei der GärungAbbau von Glucose ohne Sauerstoff; das NADH der Glykolyse gibt seine Elektronen an Pyruvat oder ein Folgeprodukt ab überträgt die Zelle die Elektronen des NADH auf Pyruvat oder ein Folgeprodukt und gewinnt so NAD⁺ zurück:
\nAusbeute: nur die 2 ATP der Glykolyse. Die Gärung selbst bildet kein zusätzliches ATP, sie hält nur die Glykolyse am Laufen. Im Endprodukt Lactat oder Ethanol steckt noch viel Energie.
\n\nThema: Woher der Körper seine Energie nimmt. Der Atmungsquotientkurz RQ: abgegebenes CO₂ geteilt durch aufgenommenen O₂; zeigt, welche Nährstoffe gerade abgebaut werden (RQ) ist das Verhältnis von abgegebenem CO₂ zu aufgenommenem O₂. Messwerte aus der Physiologie: Werden nur Kohlenhydrate abgebaut, ist der RQ 1,0, bei Fetten etwa 0,7, bei Eiweißen etwa 0,8. Bei gemischter Kost liegt er bei etwa 0,8 bis 0,85.
\n1 Leiten Sie aus der Gesamtgleichung der Zellatmung den RQ für den Abbau von Glucose ab. (3 BE)
\n2 Die Fettsäure Palmitinsäure wird nach der Gleichung C₁₆H₃₂O₂ + 23 O₂ → 16 CO₂ + 16 H₂O abgebaut. Berechnen Sie den RQ und vergleichen Sie mit dem Messwert. (3 BE)
\n3 Bei einem Läufer sinkt der RQ während eines mehrstündigen Laufs von etwa 0,95 auf etwa 0,8. Deuten Sie diesen Befund. (4 BE)
\nVon uns erstellt nach dem Muster der Abituraufgaben; RQ-Werte aus der Physiologie (Lehrbuchwerte), der Verlauf beim Läufer ist ausgedacht. BE heißt Bewertungseinheiten.
\nZu 1 (AFB I): C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O. Je Glucose werden 6 O₂ verbraucht und 6 CO₂ abgegeben: RQ = 6 : 6 = 1,0.
\nZu 2 (AFB II): RQ = 16 : 23 ≈ 0,70. Das stimmt mit dem Messwert für Fette überein. Fettsäuren enthalten im Verhältnis zum Kohlenstoff viel weniger Sauerstoff als Glucose, deshalb muss mehr O₂ von außen dazukommen.
\nZu 3 (AFB II): Am Anfang liegt der RQ nahe 1 → der Körper baut vor allem Kohlenhydrate ab. Der RQ sinkt in Richtung 0,7 → der Anteil der Fette am Energiestoffwechsel steigt, weil die Kohlenhydratspeicher mit der Zeit kleiner werden. Ein RQ von 0,8 zeigt eine Mischung aus beiden.
\nWas die Korrektur erwartet: der Ansatz aus der Gleichung mit Zahlen, das Ergebnis mit dem Messwert verglichen, beim Deuten der Bezug von Zahl zu Nährstoff. Andere richtige Lösungen zählen genauso.
\nWelche Punkte dein Kurs braucht, steht im Kasten deines Landes oben.
\nHefe wird einmal mit und einmal ohne Sauerstoff in Zuckerlösung gehalten. Ohne Sauerstoff verbraucht sie in derselben Zeit viel mehr Zucker. Erkläre. Rechne mit 2 ATP für die Gärung und 30 ATP für die Zellatmung je Glucose.
\nOhne Sauerstoff gewinnt die Hefe durch Gärung nur 2 ATP je Glucose, mit Sauerstoff durch Zellatmung etwa 30, also 15-mal so viel. Um denselben ATP-Bedarf zu decken, muss sie ohne Sauerstoff etwa 15-mal so viel Glucose abbauen.
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