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Mecklenburg-Vorpommern Abitur Biology: Biologische Systeme, Struktur und Funktion: Zellbiologie, Stoff- und Energiewechsel, Neurobiologie

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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.