Biologische Systeme, Struktur und Funktion: Zellbiologie, Stoff- und Energiewechsel, Neurobiologie
Der Bereich Biologische Systeme, Struktur und Funktion umfasst Zellbiologie, Stoff- und Energiewechsel sowie Neurobiologie. Typische Aufgaben verlangen, Strukturen aus ihrer Funktion zu begründen, Enzym- und Photosyntheseversuche auszuwerten und die Kette Reiz–Erregung–Transmitter–Reaktion lückenlos darzustellen.
Struktur und Funktion
- Biomembranen sind Phospholipiddoppelschichten mit eingelagerten Proteinen (Fluid-Mosaik); amphiphile Lipide bilden die Barriere, Transmembranproteine leisten Transport, Rezeption und Adhäsion.
- Kompartimentierung schafft Reaktionsräume: Cristae der inneren Mitochondrienmembran und Thylakoide der Chloroplasten vergrößern die Oberfläche für Atmungskette bzw. Lichtreaktion; das Stroma enthält die Enzyme des Calvin-Zyklus.
- Enzyme senken die Aktivierungsenergie, ohne umgesetzt zu werden. Das aktive Zentrum passt zum Substrat (Schlüssel-Schloss, induced fit); Temperatur, pH und Substratkonzentration bestimmen die Rate, extreme Bedingungen denaturieren.
Stoff- und Energiewechsel
- Photosynthese: In der Thylakoidmembran wird Wasser gespalten, Elektronen laufen über die Photosysteme, ein Protonengradient treibt die ATP-Synthase; NADPH und ATP versorgen den Calvin-Zyklus, in dem RuBisCO CO₂ fixiert.
- Zellatmung: Glykolyse im Cytoplasma, Citratzyklus in der Matrix, Atmungskette an der inneren Membran; NADH und FADH₂ liefern Elektronen, Chemiosmose koppelt den Protonengradienten an die ATP-Bildung.
Neurobiologie
- Das Ruhepotential (etwa −70 mV) entsteht, weil die K⁺-Permeabilität die Membranspannung nahe am K⁺-Gleichgewichtspotential hält; die Na⁺/K⁺-ATPase hält die Gradienten aufrecht (3 Na⁺ hinaus, 2 K⁺ hinein).
- Das Aktionspotential folgt dem Alles-oder-nichts-Prinzip: Schwellenwert, Öffnung spannungsgesteuerter Na⁺-Kanäle, Depolarisation, Inaktivierung, K⁺-Ausstrom, Hyperpolarisation, Refraktärzeit.
- An der Synapse lässt Ca²⁺-Eintritt Vesikel fusionieren; der Transmitter erzeugt EPSP oder IPSP, die am Axonhügel summiert werden.
Durchgerechnetes Beispiel
Ein Enzymversuch liefert ohne Inhibitor Km = 2 mmol/l und Vmax = 100 U/mg; mit Inhibitor bleibt Vmax = 100 U/mg, Km steigt auf 6 mmol/l. Da die maximale Geschwindigkeit unverändert bleibt und die Substrataffinität sinkt, liegt eine kompetitive Hemmung vor: Inhibitor und Substrat konkurrieren um dasselbe aktive Zentrum, steigende Substratkonzentration verdrängt den Inhibitor. Bei nichtkompetitiver Hemmung wäre Vmax gesunken.
Typische Fehler
- „Enzyme werden verbraucht“ – falsch; sie gehen unverändert aus der Reaktion hervor.
- Ruhepotential als „keine Ionenbewegung“ deuten; tatsächlich herrscht ein dynamisches Gleichgewicht.
- Photosynthese und Zellatmung als bloße Umkehrungen behandeln; Orte, Enzyme und Cofaktoren unterscheiden sich.
- Exakte ATP-Zahlen als Dogma lernen; prüfungsrelevant ist die Bilanzierung des Rechenwegs.
- Osmose über „Wasserkonzentration“ statt über das Wasserpotential erklären.