ARBEITSBLATT 1 Ionenfalle

ARBEITSBLATT 1 Ionenfalle Lösungen1. Beschriften Sie in der Abbildung die verschiedenen Strukturen und Bereiche!Beschreiben Sie den Ablauf des Experimentes mit Neutralrot auf mikroskopischer Ebene!Neutralrot-LösungZellwandProtoplasmaVakuoleZellkernMan stellt zunächst ein Frischpräparat eines Zwiebelhäutchens her. Dann gibt man miteiner Pipette einen Tropfen in Leitungswasser gelösten Neutralrots neben das Deckglasund saugt den Farbstoff mit einem Streifen Filterpapier zum Zwiebelhäutchen hin.Sobald die gelbbraune Farbstofflösung eine Zelle erreicht, beginnt die Vakuole dieserZelle sich kirschrot zu färben. Die Färbung in den Vakuolen aller betroffener Zellen wirdimmer intensiver, während außen die gelbbraune Farbe verblasst.© 2005 Schroedel, Braunschweig Biomembranen

ARBEITSBLATT 1IonenfalleLösungen2. Man überschichtet in einem Reagenzglas eine Lösung von Neutralrot in Leitungswasser mitÖl. Die untere wässrige Phase zeigt eine gelblich-braune Farbe, die obere ist hellgelb gefärbt.Schüttelt man nun das Reagenzglas kräftig, so zeigt sich, wenn sich das Öl wieder abgesetzthat, dass die wässrige Phase nahezu entfärbt ist, während das Öl kräftig gelb gefärbt ist.Gibt man anschließend ein wenig verdünnte Salzsäure hinzu und schüttelt erneut, so ist nach derTrennung der Phasen das Öl wieder hellgelb, das Wasser aber kräftig kirschrot gefärbt.Ziehen Sie aus den Ergebnissen des Experimentes Schlussfolgerungen über die Eigenschaftendes Farbstoffes Neutralrot!Aus dem Ergebnis des ersten Teils des Experiments kann man schließen, dass Neutralrotin Leitungswasser gelöst lipophil ist, denn das Öl wird gefärbt, die wässrige Phaseentfärbt.Der zweite Teil des Experiments zeigt, dass nach Zugabe von Salzsäure, das heißt nachSenken des pH-Wertes, der Farbstoff hydrophil ist, denn er löst sich nun ausschließlichim Wasser, das Öl hat seine ursprüngliche Farbe.Insgesamt ergibt sich also, dass gelbbraune Neutralrot-Lösung lipophile Moleküle enthält,die im sauren Milieu Protonen aufnehmen und sich so in hydrophile Neutralrot-Ionen umwandeln, deren Lösung kirschrot ist.3. Beschriften Sie in der Abbildung die verschiedenen Strukturen und Bereiche!Erklären Sie anhand der Abbildung das Phänomen „Ionenfalle“ aufgrund der Eigenschaften vonBiomembranen und Neutralrot!ProtoplasmaVakuoleNeutralrot-MolekülWasserkanalNeutralrot-IonWassermolekül© 2005 Schroedel, Braunschweig Biomembranen

ARBEITSBLATT 1 Ionenfalle LösungenDas Grundgerüst einer Biomembran ist eine Lipid-Doppelschicht. Da das Neutralrot-Moleküllipophil ist, kann es sich durch diese Struktur hindurch lösen. So kann es – angetriebendurch das Konzentrationsgefälle zwischen außen und innen – durch Zellmembranund Tonoplast bis zur Vakuole vordringen.Der Zellsaft in der Vakuole hat einen niedrigen pH-Wert. Die gelbbraunen Neutralrot-Molekülenehmen hier Protonen auf und werden dadurch zu kirschroten Neutralrot-Ionen.Für geladene Teilchen ist die Biomembran aber höchst undurchlässig. Sie können nurdurch spezielle Ionenkanäle die Membran passieren. Für Wassermoleküle liegen zahlreicheWasserkanäle vor, die einen raschen Durchtritt von Wasser durch Biomembranenermöglichen. Da es solche Kanäle für Neutralrot-Ionen nicht gibt, sind diese Teilchen inder Vakuole gefangen.Weil sich in der Vakuole also keine Neutralrot-Moleküle befinden, bleibt das Konzentrationsgefällefür diese Teilchen bestehen. Daher werden – zumindest theoretisch – solange Neutralrot-Moleküle in die „Ionenfalle“ gelockt, bis ihre Konzentration außen aufNull gesunken ist.© 2005 Schroedel, Braunschweig Biomembranen

ARBEITSBLATT 2Plasmolyse/DeplasmolyseLösungen1. Beschriften Sie in der Abbildung die verschiedenen Strukturen und Bereiche! Welcher Zustandder Zelle ist dargestellt?Beschreiben Sie den Ablauf von Plasmolyse und Deplasmolyse auf mikroskopischer Ebene!Glucose-LösungZellwandProtoplasmaVakuoleZellkernIn der Abbildung ist der Endzustand einer Plasmolyse dargestellt.Ausgangsmaterial ist ein Frischpräparat eines Zwiebelhäutchens, dass mit Neutralrotangefärbt wurde. Saugt man nun Glucose-Lösung unter das Deckglas, so beginnt dasProtoplasma sich von der Zellwand zu lösen: Die Plasmolyse setzt ein. Dies geschiehtzunächst in den Ecken, schließlich auf allen Seiten. Ursache für diesen Vorgang istoffenbar ein Schrumpfen der Vakuole, die nun intensiver kirschrot gefärbt ist als vordem Experiment.Führt man nun dem Präparat Aqua dest. zu, so ist zu beobachten, dass sich die Vakuoleausdehnt und dadurch das Protoplasma wieder an die Zellwand gedrückt wird. Am Endedieser Deplasmolyse sehen die Zellen genau so aus wie vor Beginn des Plasmolyse-Experimentes.© 2005 Schroedel, Braunschweig Biomembranen

ARBEITSBLATT 2Plasmolyse/DeplasmolyseLösungen2. Beschriften Sie in der Abbildung die verschiedenen Strukturen und Bereiche!Erklären Sie anhand der Abbildung die Vorgänge bei Plasmolyse und Deplasmolyse aufgrundder Eigenschaften von Biomembranen!ProtoplasmaWassermolekülWasserkanalNeutralrot-IonVakuoleWenn man zu dem Präparat des Zwiebelhäutchens Glucose-Lösung gibt, so dringtdiese infolge der Omnipermeabilität der Zellwand bis zur Zellmembran vor. Es bestehtnun ein Gradient für Glucose-Moleküle zwischen dem Außenmedium und dem Zellsaftin der Vakuole. Gleichzeitig entsteht ein Konzentrationsgefälle von innen nach außen fürWassermoleküle. Da Biomembranen für hydrophile Teilchen wie Glucose-Moleküle inpermeabelsind und auch keine speziellen Carrier für Glucose vorliegen, kann kein Konzentrationsausgleichdurch Diffusion der Glucose-Moleküle erfolgen. Dagegen enthaltendie Biomembranen für Wassermoleküle spezielle Kanäle, die diesen Teilchen einen raschenDurchtritt ermöglichen. Daher führt das Konzentrationsgefälle für Wassermolekülezwischen Zellsaft und Außenmedium zu einem Wasserausstrom aus der Vakuole.Gibt man nun Aqua dest. hinzu, so erzeugt man ein starkes Konzentrationsgefälle fürWassermoleküle zwischen dem Außenmedium und dem Zellsaft. Da Wassermoleküledie Biomembranen passieren können, strömen zum Ausgleich des Gradienten raschWassermoleküle von außen in die Vakuole und füllen diese wieder auf.© 2005 Schroedel, Braunschweig Biomembranen

ARBEITSBLATT 2Plasmolyse/DeplasmolyseLösungen3. Nachdem bei der Plasmolyse zunächst ein starker Wasserverlust der Vakuole auftritt, stellt sichallmählich ein Gleichgewichtszustand ein, bei dem sich Ausstrom und Einstrom von Wassermolekülendie Waage halten. Entsprechend wird bei der Deplasmolyse der zunächst starke Einstromvon Wasser in die Vakuole schließlich durch einen Gleichgewichtszustand abgelöst.Stellen Sie dar, welche Kräfte zu diesen Gleichgewichtszuständen führen!Wenn bei der Plasmolyse Wasser die Vakuole verlässt, nimmt dort die Konzentrationgelöster Teilchen zu: Das osmotische Potenzial des Zellsaftes erhöht sich. Gleichzeitignimmt im Außenmedium durch den Zufluss von Wasser die Konzentration gelöster Teilchenab, das osmotische Potenzial der Lösung wird geringer. Dies führt schließlich dazu,dass die osmotischen Potenziale von Zellsaft und Außenmedium gleich sind, sodasssich ein Gleichgewicht zwischen Einstrom und Ausstrom einstellt.Führt man einer plasmolysierten Zelle Aqua dest. zu, so steht nun dem hohen osmotischenPotenzial des Zellsaftes im Außenmedium ein ganz geringes osmotisches Potenzialgegenüber. Dies führt zu einem lebhaften Einstrom von Wasser, der aber diesmalnicht zu einem Gleichstand der osmotischen Potenziale führen kann, da dieses außenniedrig bleibt. Die Kraft, die dem Wassereinstrom entgegenwirkt und schließlich die Deplasmolysebeendet, ist der Wanddruck. Wenn das Protoplasma sich bis zur Zellwandausgedehnt hat, erhöht sich der Wanddruck. Sobald der Wert des Wanddruckes demdes osmotischen Potenzials des Zellsaftes entspricht – die Vorzeichen sind entgegengesetzt– ist kein weiterer Wassereinstrom in die Vakuole mehr möglich. Ein- und Ausstromvon Wassermolekülen sind nun im Gleichgewicht.© 2005 Schroedel, Braunschweig Biomembranen

ARBEITSBLATT 2Plasmolyse/DeplasmolyseLösungen1. Beschriften Sie in der Abbildung die verschiedenen Strukturen und Bereiche! Welcher Zustandder Zelle ist dargestellt?Beschreiben Sie den Ablauf von Plasmolyse und Deplasmolyse auf mikroskopischer Ebene!Glucose-LösungZellwandProtoplasmaVakuoleZellkernIn der Abbildung ist der Endzustand einer Plasmolyse dargestellt.Ausgangsmaterial ist ein Frischpräparat eines Zwiebelhäutchens, dass mit Neutralrotangefärbt wurde. Saugt man nun Glucose-Lösung unter das Deckglas, so beginnt dasProtoplasma sich von der Zellwand zu lösen: Die Plasmolyse setzt ein. Dies geschiehtzunächst in den Ecken, schließlich auf allen Seiten. Ursache für diesen Vorgang istoffenbar ein Schrumpfen der Vakuole, die nun intensiver kirschrot gefärbt ist als vordem Experiment.Führt man nun dem Präparat Aqua dest. zu, so ist zu beobachten, dass sich die Vakuoleausdehnt und dadurch das Protoplasma wieder an die Zellwand gedrückt wird. Am Endedieser Deplasmolyse sehen die Zellen genau so aus wie vor Beginn des Plasmolyse-Experimentes.© 2005 Schroedel, Braunschweig Biomembranen

ARBEITSBLATT 2Plasmolyse/DeplasmolyseLösungen2. Beschriften Sie in der Abbildung die verschiedenen Strukturen und Bereiche!Erklären Sie anhand der Abbildung die Vorgänge bei Plasmolyse und Deplasmolyse aufgrundder Eigenschaften von Biomembranen!ProtoplasmaWassermolekülWasserkanalNeutralrot-IonVakuoleWenn man zu dem Präparat des Zwiebelhäutchens Glucose-Lösung gibt, so dringtdiese infolge der Omnipermeabilität der Zellwand bis zur Zellmembran vor. Es bestehtnun ein Gradient für Glucose-Moleküle zwischen dem Außenmedium und dem Zellsaftin der Vakuole. Gleichzeitig entsteht ein Konzentrationsgefälle von innen nach außen fürWassermoleküle. Da Biomembranen für hydrophile Teilchen wie Glucose-Moleküle inpermeabelsind und auch keine speziellen Carrier für Glucose vorliegen, kann kein Konzentrationsausgleichdurch Diffusion der Glucose-Moleküle erfolgen. Dagegen enthaltendie Biomembranen für Wassermoleküle spezielle Kanäle, die diesen Teilchen einen raschenDurchtritt ermöglichen. Daher führt das Konzentrationsgefälle für Wassermolekülezwischen Zellsaft und Außenmedium zu einem Wasserausstrom aus der Vakuole.Gibt man nun Aqua dest. hinzu, so erzeugt man ein starkes Konzentrationsgefälle fürWassermoleküle zwischen dem Außenmedium und dem Zellsaft. Da Wassermoleküledie Biomembranen passieren können, strömen zum Ausgleich des Gradienten raschWassermoleküle von außen in die Vakuole und füllen diese wieder auf.© 2005 Schroedel, Braunschweig Biomembranen

ARBEITSBLATT 2Plasmolyse/DeplasmolyseLösungen3. Nachdem bei der Plasmolyse zunächst ein starker Wasserverlust der Vakuole auftritt, stellt sichallmählich ein Gleichgewichtszustand ein, bei dem sich Ausstrom und Einstrom von Wassermolekülendie Waage halten. Entsprechend wird bei der Deplasmolyse der zunächst starke Einstromvon Wasser in die Vakuole schließlich durch einen Gleichgewichtszustand abgelöst.Stellen Sie dar, welche Kräfte zu diesen Gleichgewichtszuständen führen!Wenn bei der Plasmolyse Wasser die Vakuole verlässt, nimmt dort die Konzentrationgelöster Teilchen zu: Das osmotische Potenzial des Zellsaftes erhöht sich. Gleichzeitignimmt im Außenmedium durch den Zufluss von Wasser die Konzentration gelöster Teilchenab, das osmotische Potenzial der Lösung wird geringer. Dies führt schließlich dazu,dass die osmotischen Potenziale von Zellsaft und Außenmedium gleich sind, sodasssich ein Gleichgewicht zwischen Einstrom und Ausstrom einstellt.Führt man einer plasmolysierten Zelle Aqua dest. zu, so steht nun dem hohen osmotischenPotenzial des Zellsaftes im Außenmedium ein ganz geringes osmotisches Potenzialgegenüber. Dies führt zu einem lebhaften Einstrom von Wasser, der aber diesmalnicht zu einem Gleichstand der osmotischen Potenziale führen kann, da dieses außenniedrig bleibt. Die Kraft, die dem Wassereinstrom entgegenwirkt und schließlich die Deplasmolysebeendet, ist der Wanddruck. Wenn das Protoplasma sich bis zur Zellwandausgedehnt hat, erhöht sich der Wanddruck. Sobald der Wert des Wanddruckes demdes osmotischen Potenzials des Zellsaftes entspricht – die Vorzeichen sind entgegengesetzt– ist kein weiterer Wassereinstrom in die Vakuole mehr möglich. Ein- und Ausstromvon Wassermolekülen sind nun im Gleichgewicht.© 2005 Schroedel, Braunschweig Biomembranen

ARBEITSBLATT 3DarmepithelzelleLösungen1. Beschriften Sie in der Abbildung die verschiedenen Strukturen und Bereiche!tight junctionMikrovilliK + -IonK + -KanalNa + -Glucose-SymporterNa + -IonGlucose-CarrierTransportproteineGlucose-MolekülNa + -K + -PumpeDarmlumenDarmepithelextrazelluläreFlüssigkeit2. Stellen Sie die Bedeutung der Transportproteine dar, die nicht unmittelbar am Transport derGlucose beteiligt sind!Die Natrium-Kalium-Ionenpumpen sind nicht unmittelbar am Transport der Glucose beteiligt.Ihre Aktivität liefert aber die Energie für den Eintransport der Glucose aus demDarmlumen über den Natriumionen-Glucose-Symporter, indem sie unter ATP-Verbraucheinen Natriumionen-Gradienten aufbauen.Auch die Kalium-Ionenkanäle sind nicht unmittelbar beteiligt. Sie ermöglichen aber denKalium-Ionen, die von den Natrium-Kalium-Ionenpumpen im Austausch gegen Natrium-Ioneneingeschleust werden, die Darmepithelzelle zu verlassen. Nur so bleiben dieKonzentrationen der Kalium-Ionen im Cytosol und in der extrazellulären Flüssigkeit imGleichgewicht.© 2005 Schroedel, Braunschweig Biomembranen

ARBEITSBLATT 3DarmepithelzelleLösungen3. Die Bilder B bis F zeigen Phasen des Arbeitszyklus einer Natrium-Kalium-Ionenpumpe.Ordnen Sie diese Bilder in den Zyklus ein, indem Sie den entsprechenden Buchstaben in denpassenden Kreis eintragen!Beschreiben Sie anhand der Abbildungen den Arbeitszyklus des Carriers!BAEDFCFBCDEEine Natrium-Kalium-Ionenpumpe, die zum Cytosol hin geöffnet ist, weist drei Bindungsstellenfür Natrium-Ionen auf. Sind diese besetzt (D), so erfolgt eine Phosphorylierungdes Transportproteins unter Spaltung von ATP (A). Dies führt zu einer Konformationsänderungmit Öffnung des Carriers zur extrazellulären Flüssigkeit hin (F).Hier verlassen die Natrium-Ionen das Transportprotein, das anschließend zwei Bindungsstellenfür Kalium-Ionen aufweist. Sind beide besetzt (C), so wird der Carrier dephosphoryliert(E). Dies bewirkt eine Konformationsänderung zu einer Form, in der derCarrier zum Cytosol hin geöffnet ist (B). Die Kalium-Ionen verlassen nun den Carrier.Anschließend liegt dieser wieder in der Ausgangskonformation vor.© 2005 Schroedel, Braunschweig Biomembranen

ARBEITSBLATT 4Chemische SynapseLösungen1. Beschriften Sie in der Abbildung die verschiedenen Strukturen und Bereiche!Ca 2+ -PumpeZellmembranMitochondriumAxonVesikel mitAcetylcholinpostsynaptischesNeuronAcetylcholinesterasesynaptischerSpaltK + -IonCa 2+ -KanäleCa 2+ -Ionpräsynaptische Membranpostsynaptische MembranNa + -IontransmittergesteuerteKationenkanäle2. Calcium-Ionen stellen als second messenger zwischen dem elektrischen Signal des Aktionspotenzialsund dem chemischen Signal der Transmitter die Verbindung her. Erläutern Sie!Stellen Sie in diesem Zusammenhang die Bedeutung der Calcium-Ionenpumpe heraus!Auf das elektrische Signal des Aktionspotenzials hin öffnen sich die spannungsgesteuertenCalcium-Ionenkanäle. Aufgrund ihres Gradienten strömen daraufhin Calcium-Ionenins Cytosol der Nervenzelle. Der Anstieg der Calcium-Konzentration im Neuron ist nundas Signal für synaptische Vesikel, zur präsynaptischen Membran zu wandern, sich dortzu integrieren und so per Exocytose Transmitter in den synaptischen Spalt zu entlassen.Diese wiederum tragen das Signal über den synaptischen Spalt zur postsynaptischenMembran.Die Bedeutung der Calcium-Ionenpumpe besteht darin, die eingedrungenen Calcium-Ionenrasch wieder aus dem Cytosol der Nervenzelle zu entfernen. Nur so kann ein neuesAktionspotenzial erneut das Signal eines hohen Calcium-Spiegels auslösen und so dennächsten Transmitterausstoß bewirken.© 2005 Schroedel, Braunschweig Biomembranen

ARBEITSBLATT 4Chemische SynapseLösungen3. Stellen Sie dar, wie sich die Situation an der postsynaptischen Membran ändert, wenn statt einzelnerAktionspotenziale viele Aktionspotenziale in dichter Folge das Endknöpfchen des präsynaptischenNeurons erreichen!Wenn einzelne Aktionspotenziale in lockerer Folge das Endknöpfchen eines Neuronserreichen, so werden auch in entsprechend großen Abständen Neurotransmitter in densynaptischen Spalt ausgeschüttet. Es ist dann relativ unwahrscheinlich, dass genügendviele Transmittermoleküle die postsynaptische Membran erreichen, um dort eine Erregungauszulösen, da viele, wenn nicht sogar alle, von dem Transmitter zerstörendenEnzym zerlegt werden, bevor sie an ihre Rezeptoren binden können.Erreichen dagegen Aktionspotenziale in dichter Folge das Endknöpfchen, so folgen auchAusschüttungen von Neurotransmitter dicht hintereinander. Dadurch befinden sich dann– bei gleichbleibender Anzahl von Transmitter abbauenden Enzymen – viel mehr Transmittermolekülegleichzeitig im synaptischen Spalt. Dies führt dazu, dass in diesem Fallgenügend viele Transmittermoleküle zu den entsprechenden Rezeptoren der postsynaptischenMembran gelangen, um die postsynaptische Zelle zu erregen.4. Nervengifte wie das Pflanzenschutzmittel E 605 blockieren die Acetylcholinesterase. Erläutern Siedie Folgen einer Vergiftung mit E 605!Wenn die Acetylcholinesterase gehemmt wird, so gelangen bei jedem Aktionspotenzialdie Neurotransmitter ungehindert an die Rezeptoren der postsynaptischen Membran.Die transmittergesteuerten Kationenkanäle sind dann dauerhaft offen, sodass es zu einerÜberreizung und Verkrampfung des betreffenden Muskels kommt. Ist dadurch beispielsweisedie Atemmuskulatur betroffen, so kommt es zum Atemstillstand.© 2005 Schroedel, Braunschweig Biomembranen

ARBEITSBLATT 5SignaltransduktionLösungen1. Beschriften Sie in der Abbildung die verschiedenen Strukturen und Bereiche!Von Rezeptorproteinen und Enzymen gehen aktivierende beziehungsweise inaktivierende Wirkungenauf andere Enzyme aus. Charakterisieren Sie diese durch grüne beziehungsweise rotePfeile!Extrazelluläre FlüssigkeitAdrenalinAdrenalin-RezeptorGlucose-CarrierInsulinInsulin-RezeptorG-ProteinProteinkinaseAcAMPSynthasekinaseProteinkinaseBVesikel mitGlucose-CarriernGlykogensynthaseAdenylatcyclasePhosphorylasekinasePhosphorylaseCytosol einer MuskelzelleGlucoseGlykogen2. Beschreiben Sie Schritt für Schritt die Signalkette, die bei hohem Zuckergehalt im Blut eine Absenkungdes Blutzuckerspiegels bewirkt!Bei Menschen, die an Diabetes mellitus leiden, fehlt das Insulin oder die Signalweitergabe in derZelle ist gestört. Nennen Sie das Kennzeichen von Diabetes und führen Sie es auf die angegebeneStörung zurück!In der Bauchspeicheldrüse wird der Glucose-Gehalt des Blutes bestimmt. Wird ein hoherBlutzuckerspiegel festgestellt, so sezernieren die β-Zellen als primären Boten dasHormon Insulin. Gelangt ein Insulin-Molekül zu einer Zielzelle, beispielsweise einer Muskel-oder Leberzelle, so besetzt es ein spezielles Rezeptorprotein, das sich in der Zellmembrandieser Zellen befindet und aktiviert es. Der aktivierte Insulin-Rezeptor, der als© 2005 Schroedel, Braunschweig Biomembranen

ARBEITSBLATT 5SignaltransduktionLösungenTransmembranprotein die Zellmembran durchdringt, aktiviert nun seinerseits im Innernder Zelle das Enzym Proteinkinase B. Die Proteinkinase B wirkt hemmend auf die Synthasekinase.Dadurch entfällt die inaktivierende Wirkung dieses Enzyms auf die Glykogensynthaseund die Bildung von Glykogen aus Glucose kann beginnen.Die Proteinkinase B hat aber noch eine weitere wichtige Funktion: Auf ihr Signal hinintegrieren sich Vesikel mit Glucose-Carriern in die Zellmembran und verstärken dadurchdie Aufnahme von Glucose in die Zelle.Bei Menschen, die an Diabetes mellitus leiden, ist der Glucose-Gehalt des Blutes, auchlange nach einer kohlenhydratreichen Nahrung, ungewöhnlich hoch. Fehlt Insulin oderist die Signalweiterleitung in der Zelle gestört, so unterbleibt die Einlagerung der Glucose-Carrieraus den Reserve-Vesikeln. Daher erfolgt trotz hohen Blutzuckerspiegelskeine verstärkte Aufnahme in entsprechende Gewebe.3. Das vom Adrenalin-Molekül ausgehende Signal wird dadurch enorm verstärkt, dass die Mehrzahlder Signalüberträger Enzyme sind. Ermitteln Sie die Anzahl der Glucose-Moleküle, die durch einAdrenalin-Molekül freigesetzt werden, wenn Sie annehmen, dass zunächst zehn Moleküle derProteinkinase A aktiviert werden und dieses Enzym und alle folgenden jeweils wiederum zehnUmsetzungen an ihren Substraten vornehmen!Wenn aufgrund der Aktivierung durch ein Adrenalin-Molekül ein Adrenalin-Rezeptorzehn Moleküle der Proteinkinase A aktiviert, so mobilisiert dieses Enzym – wenn mandie genannten Annahmen akzeptiert – einhundert Moleküle Phosphorylasekinase. Dieseeinhundert Moleküle Phosphorylasekinase aktivieren nun ihrerseits eintausend MolekülePhosphorylase, die dann schließlich zehntausend Moleküle Glucose durch Spaltung vonGlykogen freisetzen.© 2005 Schroedel, Braunschweig Biomembranen

ARBEITSBLATT 6 Präsentation Lösungen1. Benennen Sie das dargestellte Molekül sowie seine verschiedenen Bausteine und Bereiche!Lecithin-MolekülÖlsäurePalmitinsäureCholin Phosphat Glycerinhydrophiler Bereichhydrophober Bereich2. Beschriften Sie in der Abbildung die verschiedenen Strukturen und Bereiche!Beschreiben Sie die unterschiedliche Verteilung der Ionen in der extrazellulären Flüssigkeit undim Cytosol!Stellen Sie dar, wie das Ruhepotenzial zustande kommt und wie es aufrechterhalten wird!Kalium-IonChlorid-Ionextrazelluläre FlüssigkeitNatrium-IonZellmembranKalium-Ionen-SickerkanalPATPNatrium-Kalium-IonenpumpeADPProtein-AnionCytosol© 2005 Schroedel, Braunschweig Biomembranen

ARBEITSBLATT 6PräsentationLösungenIn der extrazellulären Flüssigkeit befinden sich mehr Natrium- und Chlorid-Ionen undweniger Kalium-Ionen als im Cytosol der Nervenzelle. Protein-Anionen befinden sich nurim Cytosol.Da im Cytosol die Konzentration der Kalium-Ionen höher ist als in der extrazellulärenFlüssigkeit und Kalium-Ionen-Sickerkanäle das Durchdringen der Zellmembran ermöglichen,diffundieren einige Kalium-Ionen nach außen. Da sie dabei positive Ladungentransportieren, während die negativ geladenen Protein-Ionen zurückbleiben, baut sichein Membranpotenzial auf: Die Außenseite der Zellmembran wird positiv geladen gegenüberder Innenseite. Dies hindert schließlich weitere Kalium-Ionen daran, die Zellezu verlassen. Der dabei entstehende Gleichgewichtszustand zwischen dem chemischenund dem elektrischen Gradienten charakterisiert das Ruhepotenzial.Immer wieder dringen einzelne Natrium-Ionen durch die Zellmembran in die Nervenzelle.Dadurch wird der elektrische Gradient verringert. Dies erlaubt dann einer entsprechendenZahl von Kalium-Ionen, die Zelle zu verlassen. Die so entstehende Änderung inder Ionen-Verteilung wird durch Natrium-Kalium-Ionenpumpen korrigiert. Sie transportierenunter ATP-Verbrauch jeweils drei Natrium-Ionen nach außen und im Gegenzug zweiKalium-Ionen nach innen.© 2005 Schroedel, Braunschweig Biomembranen

ARBEITSBLATT 6PräsentationLösungen3. Beschriften Sie in der Abbildung die verschiedenen Strukturen und Vorgänge!Stellen Sie ausführlich die Vorgänge dar, die schließlich zu den beiden dargestellten Exocytosenführen!Ausscheidung vonSekretER-Transportvesikelraues ERGolgi-VesikelExocytoseDictyosomZellkernglattes ERAusscheidung vonnicht verwertbarenStoffensekundäres Lysosomprimäres LysosomEndosomZellmembranNahrungspartikelPhagocytosePinocytoseEndocytoseManche Zellen vermögen Nahrungspartikel aus der Umwelt aufzunehmen. Dazu stülptsich die Zellmembran bei Kontakt mit einem solchen Partikel lokal ein. Der eingestülpteMembranbereich schnürt sich ab und bildet ein so genanntes Endosom. Dieser Vorgangheißt Phagocytose.An den Ribosomen des rauen ER werden unter anderem Verdauungsenzyme synthetisiert.Diese werden zunächst in ER-Transportvesikel verpackt, die sich vom ER abschnüren,und zu den Dictyosomen des Golgi-Apparates gebracht. Dort können sie gespeichertoder auch noch modifiziert werden. Bei Bedarf werden sie in Golgi-Vesikelverpackt, die in diesem Fall Lysosomen heißen. Ein primäres Lysosom kann dann mit© 2005 Schroedel, Braunschweig Biomembranen

ARBEITSBLATT 6PräsentationLösungeneinem Endosom zu einem sekundären Lysosom verschmelzen. Dort werden die Nahrungspartikelverdaut. Die nicht verwertbaren Überreste werden dann zur Zellmembrantransportiert. Dort verschmilzt der Vesikel mit der Zellmembran, sodass die Überrestenach außen abgegeben werden. Man spricht von Exocytose.Im ER werden auch Proteine synthetisiert, die zur Sekretion bestimmt sind. Auch dieseProteine werden über ER-Transportvesikel zum Golgi-Apparat gebracht. Von dort gelangensie dann über Golgi-Vesikel, die in diesem Fall Sekret-Vesikel heißen, zur Zellmembran.Durch Exocytose wird schließlich das Sekret ausgeschieden.4. Beschriften Sie in der Abbildung die verschiedenen Moleküle und Bereiche!Geben Sie an, welcher Typ von Biomembran hier dargestellt ist, und benennen Sie die spezielleStruktur, die nur auf diesem Membrantyp zu finden ist!extrazelluläre FlüssigkeitOligosaccharidProteinGlykolipidCytosolGlykoproteidLipidmolekülEs ist die Zellmembran einer Eukaryoten-Zelle dargestellt. Nur auf ihr findet man dieabgebildete Schicht aus Oligosacchariden, die so genannte Glykokalix.© 2005 Schroedel, Braunschweig Biomembranen