Zellbiologie und Stoffwechsel
Der Bereich Zellbiologie und Stoffwechsel prüft, ob du Strukturen und Reaktionen vom Organell bis zur Reaktionskinetik verknüpfen kannst: Biomembranen und Transport, Enzyme und ihre Hemmung, Zellatmung, Fotosynthese und die ATP-Bilanz. Typisch ist ein Versuchsaufbau oder eine Messreihe, die du mit dem Modell erklären und quantitativ auswerten musst.
Biomembran und Transport
- Fluid-Mosaik-Modell: Phospholipiddoppelschicht, integrale und periphere Proteine, Cholesterin als Temperaturpuffer, Glykokalyx für Zellerkennung.
- Einfache Diffusion (O₂, CO₂), erleichterte Diffusion über Kanäle und Carrier (GLUT, Aquaporine), primär aktiver Transport über ATP-Pumpen (Na⁺/K⁺-ATPase), sekundär aktiv über Symport, Vesikeltransport bei Endo- und Exozytose.
- Kompartimentierung trennt Reaktionsräume; Mitochondrien und Chloroplasten erklärt die Endosymbiontentheorie (eigene DNA, Doppelmembran, 70S-Ribosomen).
Enzyme und Kinetik
- Enzyme senken die Aktivierungsenergie, verändern aber weder ΔG noch die Gleichgewichtslage.
- Michaelis-Menten: K_M ist die Substratkonzentration bei halbmaximaler Geschwindigkeit und Maß für die Affinität (kleiner K_M = hohe Affinität); v_max hängt von der Enzymmenge ab.
- Kompetitive Hemmung: K_M steigt, v_max bleibt. Allosterisch/nichtkompetitive Hemmung: v_max sinkt. Temperatur und pH wirken über Denaturierung bzw. Ladungsänderung im aktiven Zentrum.
Energiestoffwechsel
- Glykolyse (Cytosol): 2 ATP netto, 2 NADH; oxidative Decarboxylierung: 2 NADH; Citratzyklus: 2 ATP, 6 NADH, 2 FADH₂; Atmungskette: Protonengradient und Chemiosmose über die ATP-Synthase.
- Fotosynthese: Lichtreaktion (Photosystem II, Wasserspaltung, Plastochinon, Cytochromkomplex, Photosystem I, NADPH) und Calvin-Zyklus (Rubisco; 3 CO₂ pro Triosephosphat).
Durchgerechnetes Beispiel
Aufgabe: Netto-ATP-Ausbeute der vollständigen Oxidation eines Glucose-Moleküls, mit NADH = 2,5 und FADH₂ = 1,5 ATP. Lösung: 4 ATP aus Substratkettenphosphorylierung + 10 NADH × 2,5 = 25 ATP + 2 FADH₂ × 1,5 = 3 ATP, zusammen 32 ATP. Begründung: Für die zwei cytosolischen NADH wird der Malat-Aspartat-Shuttle mit 2,5 ATP angesetzt; über den Glycerinphosphat-Shuttle ergäben sich nur 1,5 ATP und damit 30 ATP. Entscheidend ist, die Bezugsgröße (pro Glucose) und die getroffene Annahme offenzulegen.
Typische Fehlerquellen
- Brutto- und Nettobilanz der Glykolyse verwechseln (4 ATP brutto, 2 ATP netto).
- NADH (Atmungskette) und NADPH (Fotosynthese) gleichsetzen.
- Calvin-Zyklus als lichtabhängig bezeichnen: Er läuft weiter, solange ATP und NADPH verfügbar sind.
- K_M als Geschwindigkeit statt als Konzentration lesen.
- Bei Hemmungstypen die Achsen im Lineweaver-Burk-Diagramm (1/v gegen 1/[S]) ignorieren.