Zellbiologie und Stoffwechsel
Die Domäne Zellbiologie und Stoffwechsel prüft, ob du Struktur und Funktion von Zellen, Membrantransport, Enzymregulation sowie Energieumwandlung in Atmung und Photosynthese als Kausalketten erklären kannst. Erwartet werden Verknüpfungen vom Molekül zur Zellleistung, nicht isolierte Einzelfakten.
Biomembranen und Transport
- Das Fluid-Mosaik-Modell beschreibt eine Phospholipid-Doppelschicht mit eingelagerten Proteinen, Cholesterol und Glykokalyx; hydrophobe Kernzone und hydrophile Kopfgruppen erklären selektive Permeabilität.
- Diffusion folgt dem Konzentrationsgefälle; Osmose ist Wasserdiffusion durch eine semipermeable Membran. Wasser bewegt sich zur Seite mit höherer gelöster Teilchenkonzentration.
- Primär aktiver Transport verbraucht ATP direkt, etwa die Na+/K+-ATPase: drei Na+ hinaus, zwei K+ hinein. Sekundär aktiver Transport nutzt den entstandenen Gradienten, z. B. bei der Glucoseaufnahme.
- Endocytose und Exocytose verschieben Membranmaterial und ermöglichen Stoffaufnahme bzw. Sekretion.
Enzymatik
- Enzyme senken die Aktivierungsenergie, ohne das Gleichgewicht zu verschieben. Das aktive Zentrum passt sich dem Substrat im Induced-Fit-Modell an.
- Km ist die Substratkonzentration bei halber Maximalgeschwindigkeit; ein niedriger Km bedeutet hohe Affinität. Vmax hängt von der Enzymmenge ab.
- Kompetitive Hemmung ist durch mehr Substrat verdrängbar und erhöht Km bei gleichbleibendem Vmax. Nichtkompetitive Hemmung senkt Vmax, weil funktionsfähige Enzymmoleküle fehlen.
- Temperatur und pH verändern Tertiärstruktur; Denaturierung ist meist irreversibel.
Energiestoffwechsel
- Glykolyse im Cytosol: Glucose wird zu zwei Pyruvat, netto zwei ATP und zwei NADH. Danach folgen oxidative Decarboxylierung, Citratzyklus und Atmungskette in den Mitochondrien.
- Chemiosmose: Der Protonengradient an der inneren Mitochondrienmembran treibt die ATP-Synthase. Die Lehrbuchausbeute liegt je nach Zählweise bei etwa 30–32 ATP pro Glucose.
- Photosynthese: Die Lichtreaktion an der Thylakoidmembran erzeugt ATP und NADPH; der Calvin-Zyklus im Stroma fixiert CO2 mit RuBisCO und bildet Triosephosphat.
Arbeitsbeispiel
Ein kompetitiver Hemmstoff der Succinat-Dehydrogenase wird zugesetzt. Bei niedriger Succinatkonzentration sinkt die Reaktionsrate stark, bei sehr hoher Substratkonzentration nähert sie sich dem ungehemmten Vmax; Km steigt. Die Begründung: Der Inhibitor besetzt das aktive Zentrum reversibel und wird durch Substrat verdrängt, sodass genügend freie Enzyme für die Maximalrate bleiben.
Typische Fehlerquellen
- Osmose falsch herum angeben: Wasser folgt dem Potential, nicht den gelösten Teilchen selbst.
- Aktiven Transport mit Diffusion verwechseln, obwohl ATP oder ein Gradient nötig ist.
- Bei der Photosynthese behaupten, die Lichtreaktion produziere direkt Glucose; tatsächlich liefert sie ATP und NADPH für den Calvin-Zyklus.
- Enzymhemmung und Denaturierung gleichsetzen: Beide senken die Rate, haben aber verschiedene Mechanismen.