Kernlehrplan Biologie Oberstufe
Aktueller Kernlehrplan Biologie Oberstufe SII NRW, gültig für die EF im Schuljahr 2014/15
Kennzeichen des Lebendigen
Hier ist eine etwas ausführlichere Zusammenstellung.
Das Lichtmikroskop ist auch heute noch ein wichtiges Werkzeug zur Untersuchung von Objekten.
Bild: Aufbau des Lichtmikroskops (Wikipedia)
Artikel über das Lichtmikroskop (Wikipedia)
Wo das Lichtmikroskop an seine Grenzen stößt, kommt das Elektronenmikroskop zum Einsatz. Dieses Verfahren ist erheblich aufwendiger als die Lichtmikroskopie. Nachteil der Elektronenmikroskopie ist auch, dass nur abgetötete Objekte betrachtet werden können, somit keine Lebensvorgänge wie z.B. Chloroplastenbewegungen.
Hier ist ein gut verständlicher Artikel über das Elektronenmikroskop
Alle Lebewesen sind aus Zellen aufgebaut.
Hier ist ein ausführlicher Artikel über die Zelle mit Abbildungen.
Hier ist ein Film aus der Reihe "Schulfilme im Netz"
Die "Organe" einer Zelle nennt man Organelle.
Organellen sind beispielsweise:
Endosymbiontentheorie
Nach der Endosymbiontentheorie sind Mitochondrien und Plastiden dadurch entstanden, dass prokaryotische Vorläuferorganismen (Bakterien) in die Zelle aufgenommen wurden (durch Phagocytose) und eine Symbiose mit ihr eingegangen sind.
Hinweise auf die Endosymbiontentheorie:
Mitochondrien und Chloroplasten…
· vermehren sich selbstständig durch Teilung
· haben eigene ringförmige DNS wie Bakterien.
· haben kleinere 70S-Ribosomen, wie man sie sonst nur bei Bakterien findet
· haben eine Doppelmembran, von denen die innere einer Bakterienmembran ähnelt, die äußere aber eine typische Eukaryontenmembran ist
Hier ist ein Film zur Endosymbiontentheorie (Mitochondrien, Chloroplasten)
Das Pantoffeltierchen als Beispiel für einen Einzeller
Aus einem Prototyp entstehen viele Varianten - Zelldifferenzierung
Schon in einem sehr frühen Stadium werden neu gebildete Zellen auf ihre künftige Aufgabe festgelegt. Die fortschreitende Einengung der Entwicklungsmöglichkeiten totipotenter Zellen bezeichnet man als Determination. Sie wird bestimmt durch cytoplasmatische Faktoren, die Lage der Zellen und ihre physiologischen Beziehungen zueinander.
Hier sind weitere Informationen
1. Einzeller: Grünalge
Chlamydomonas
2. Übergangsformen
A) Pandorina – einfache Zellkultur in gemeinsamer Gallerte
· 8-16 gleichartige (omnipotente) Zellen
· Vermehrung durch Teilung
· alle Zellen potentiell unsterblich
B) Eudorina – Beginn einer Differenzierung
· 32 Zellen in Gallertkugel
· leichte Unterschiede im Bau der Zellen
C) Volvox – Vielzelliges Individuum (?)
· bis zu 1000 Zellen (insgesamt 1mm!)
· verbunden mit Plasmabrücken => Stoff- und Informationsaustausch
·
Arbeitsteilung:
vegetative Zellen betreiben Photosynthese, Fortbewegung
generative Zellen dienen der Fortpflanzung (bilden Geschlechtszellen für geschlechtliche und Tochterkugeln für ungeschlechtl.
Fortpflanzung)
1. Einzeller: Grünalge
Chlamydomonas
2. Übergangsformen
A) Pandorina – einfache Zellkultur in gemeinsamer Gallerte
· 8-16 gleichartige (omnipotente) Zellen
· Vermehrung durch Teilung
· alle Zellen potentiell unsterblich
B) Eudorina – Beginn einer Differenzierung
· 32 Zellen in Gallertkugel
· leichte Unterschiede im Bau der Zellen
C) Volvox – Vielzelliges Individuum (?)
· bis zu 1000 Zellen (insgesamt 1mm!)
· verbunden mit Plasmabrücken => Stoff- und Informationsaustausch
·
Arbeitsteilung:
vegetative Zellen betreiben Photosynthese, Fortbewegung
generative Zellen dienen der Fortpflanzung (bilden Geschlechtszellen für geschlechtliche und Tochterkugeln für ungeschlechtl.
Fortpflanzung)
Chemie der Biomoleküle
Kohlenhydrate
Kohlenhydrate haben die allg. Formel: Cm(H2O)n [oft vereinfacht: Cn(H
2O)n]
die bekanntesten Kohlenhydraten sind die Zucker.
Hier geht es zu einem Wiki-Book zum Thema Kohlenhydrate.
Hier ist ein kurzes Erklärvideo
Glucose- (bzw. Aldehyd-) Nachweis durch die Fehlingprobe
Fette
Fette sind chemisch gesehen Ester als Glycerin und Fettsäuren.
Hier gibt es weitere Informationen zum Thema Fette.
Hier ein Video von the simple club
Proteine
Proteine bestehen aus ihren Bausteinen, den Aminosäuren.
Diese sind in einer bestimmten Reihenfolge miteinander verbunden (Aminosäuresequenz). Daraus ergibt sich die sogenannte Primärstruktur des Proteins.
Der räumliche Bau resultiert aus der Sekundär- und der Tertiärstruktur.
Einige Proteine bestehen aus mehreren Untereinheiten. Dann spricht man noch von einer Quartärstruktur des Proteins.
Hier geht es weiteren Informationen zum Thema Proteine.
Hier ist ein Video von the simple club
Transportvorgänge durch Biomembranen
einfache Diffusion
kleine Moleküle wie Wasser und einige Ionen können die Membran einfach durchdringen
Passiver Transport
· durch Kanalproteine: kanalvermittelte (erleichterte) Diffusion
· durch Carrier: carriervermittelte (erleichterte) Diffusion (z.B. Glucose)
Aktiver Transport
· primär aktiver Transport (unter Energieverbrauch)
·
sekundärer aktiver Transport: Transport mit einem weiteren Molekül:
Symport: in eine Richtung
Antiport: in unterschiedliche Richtungen
Aufnahme und Abgabe von größeren Partikeln
· Endocytose (Aufnahme) Die Partikel werden dabei in Membranbläschen (Vesikel) gepackt.
· Exocytose (Abgabe)
In ein Schälchen gibt man etwas Wasser und einen Tropfen konzentrierte Farbstofflösung.
Beob.: Im Laufe der Zeit ist der Farbstoff gleichmäßig verteilt.
Deutung:
Diffusion: Durch die Eigenbewegung der Teilchen (Brownsche Molekularbewegung) kommt es zu einer Durchmischung der Teilchen bis hin zu einer ganz gleichmäßigen Verteilung.
Die Diffusionsgeschwindigkeit ist abhängig von der Art des Stoffes, der Tempertatur und dem Konzentrationsunterschied.
Osmose:
Eine gerichtete Diffusion durch eine teildurchlässige (semipermeable) Membran nennt man Osmose. Sie erfolgt immer entgegen dem Konzentrationsgradienten.
Den entstehenden Druck nennt man osmotischen Druck.
Diffusion und Osmose finden auch beim passiven Stofftransport in Lebewesen statt!
Hypertonisch - hypotonisch - isotonisch
Eine isotonische Lösung besitzt die gleiche Konzentration an gelösten Teilchen wie das Zellinnenmedium (0,9%).
Eine hypertonische Lösung ist höher konzentriert, eine hypotonische Lösung ist niedriger konzentriert.
Plasmolyse und Deplasmolyse
Unter Plasmolyse versteht man bei pflanzlichen Zellen die Schrumpfung des plasmatischen Inhalts einer Zelle, wobei sich die Zellmembran von der Zellwand löst.
Hier gibt es weitere Informationen.
Hier gibt es einen Film der die Plasmolyse in Echtzeit zeigt auf you tube.
Hier ist ein Film von Plasmolyse und Deplasmolyse am Beispiel der roten Zwiebel
Die Mitose oder mitotische Teilung ist die Teilung einer Zelle in zwei Tochterzellen. Dabei entstehen zwei identische Kopien dieser Tochterzelle.
Um dies zu erreichen werden alle Chromosomen (Mensch: 2*23) in ihre Schwesterchromatiden ("halbe Chromosomen") aufgeteilt.
Das Ergebnis sind zwei Tochterzellen mit je einem vollständigen diploiden (doppelten) Chromosomensatz an Ein-Chromatid-Chromosomen.
In der anschließenden Interphase erfolgt dabei die Verdopplung zu vollständigen Chromosomen durch den Mechanismus der DNA-Replikation.
Phasen der Mitose:
Interphase - Prophase - Metaphase - Anaphase - Telophase (- Interphase)
Hier ist eine Abbildung dazu.
Hier ist ein kleiner Animationsfilm der Mitose auf you tube.
Hier geht es zum ausführlichen Wikipedia-Artikel.
G1
· Zellwachstum
· Bildung der Organellen
· Proteinbiosynthese
S
·
Synthesephase:Verdopplung der DNA
es wird das „fehlende“ Schwesterchromatid neu gebildet
G2
· Zelle vergrößert sich (Wasseraufnahme)
· Synthese von Proteinen für die Zellteilung
Kontrollpunkte: G1, G2, M
Hier ist ein Artikel zur Interphase mit Abbildung aus der Wikipedia.
Die Mitose oder mitotische Teilung ist die Teilung einer Zelle in zwei Tochterzellen. Dabei entstehen zwei identische Kopien dieser Tochterzelle.
Um dies zu erreichen werden alle Chromosomen (Mensch: 2*23) in ihre Schwesterchromatiden ("halbe Chromosomen") aufgeteilt.
Das Ergebnis sind zwei Tochterzellen mit je einem vollständigen diploiden (doppelten) Chromosomensatz an Ein-Chromatid-Chromosomen.
In der anschließenden Interphase erfolgt dabei die Verdopplung zu vollständigen Chromosomen durch den Mechanismus der DNA-Replikation.
Phasen der Mitose:
Interphase - Prophase - Metaphase - Anaphase - Telophase (- Interphase)
Hier ist eine Abbildung dazu.
Hier ist ein kleiner Animationsfilm der Mitose auf you tube.
Hier geht es zum ausführlichen Wikipedia-Artikel.
G1
· Zellwachstum
· Bildung der Organellen
· Proteinbiosynthese
S
·
Synthesephase:Verdopplung der DNA
es wird das „fehlende“ Schwesterchromatid neu gebildet
G2
· Zelle vergrößert sich (Wasseraufnahme)
· Synthese von Proteinen für die Zellteilung
Kontrollpunkte: G1, G2, M
Hier ist ein Artikel zur Interphase mit Abbildung aus der Wikipedia.
Hier geht es zum Wikipedia-Artikel über den Aufbau der DNA mit vielen Abbildungen.
Hier ist ein kurzes Erklärvideo
Bei jeder Zellteilung (Mitose) wird die DNA verdoppelt. Dies passiert über den Mechanismus der DNA-Replikation.
Hier gibt es einen deutschen You-tube-Film dazu.
Stammzellen
Stammzellen sind Körperzellen, die sich zu versch. Zelltypen differenzieren können.
Die Stammzellen im Darmepithel des Krallenfrosches sind totipotent, das heißt aus ihnen kann ein kompletter Organismus entstehen.
Dies gilt generell auch für embryonale Stammzellen.
Menschliche adulte Stammzellen sind pluripotent, aus ihnen können sich „nur“ verschieden differenzierte Gewebe entwickeln.
Erklärfilm über Stammzellen die Stammzellen
Enzyme
Hier geht es zum
Wikipedia-Artikel
Hier ist ein
recht umfangreicher Film mit Animationen auf you tube
Hier sind Informationen zur
kompetitiven Hemmung incl. einer Animation.
Enzyme
Enzyme
Organische Stoffe sind metastabil (Kohlenhydrate, Zucker, Fette, Eiweiße) = Stoffe, die EA zum freigeben ihrer Energie benötigen. (Nicht-metastabile Stoffe oxidieren und zerfallen an der Luft)
Enzyme katalysieren, setzen die Aktivierungsenergie (= Energie, die benötigt wird um die Energie in metastabilen Stoffen frei zu setzen) herab, schaffen daher isotherme Bedingungen (gleichbleibende Temperatur)
B) Wirkung von Enzymen
Enzyme sind substratspezifisch (können sehr fein zw.
einzelnen Substanzen unterscheiden. Substrat= der Stoff, der von einem spezifisch wirkendem Enzym chemisch umgesetzt wird.
Enzyme sind nicht nur substratspezifisch, sondern auch wirkungsspezifisch, d.h. von vielen
möglichen Katalysen, katalysiert ein Enzym nur ein Reaktion.
C. Modell der Enzymwirkung nach Michaelis und Menten
1. Freies Enzym und Substrat: Nach dem Schlüssel-Schloß-Prinzip paßt das Substrat ins aktive Zentrum des Enzyms.
Als Affinität bezeichnet man die Wahrscheinlichkeit der Enzym- Substrat-Komplexbildung, abhängig von der "Paßform".
2. Enzym-Substrat-Komplex: Instabile Zwischenbindung, in der das Substrat seinen metastabilen Charakter verliert, und zum Produkt zerfällt.
3. Enzym und Produkt: Das Produkt verläßt das Enzym. Enzym ist frei.
E + S <==> [ES] ---> E + P
Hier ist eine Abbildung hierzu
Als Enzymaktivität (Wechselzahl/Umsetsungsgeschwindigkeit) bezeichnet man die Anzahl der umgesetzten Substratmoleküle pro min.
1. Kompetitive Hemmung:
Hat ein Stoff eine ähnliche Struktur wie das Substrat, kann er zwar ins aktive Zentrum, dort aber nicht umgesetzt werden. Die Reaktionsgeschwindigkeit des Enzyms nimmt daher nicht ab.
Ob ein Hemmstoff, oder ein Substrat das Enzym besetzt, hängt von der Konzentration und damit von der Affinität ab.
Diese Hemmung wird daher auch Verdrängungshemmung genannt, da sie durch Erhöhung der Substratkonzentration rückgängig gemacht werden kann.
Hier ist eine Erläuterung mit Animation dazu aus der Chemgapedia.
2. Nichtkompetitive Hemmung: Allosterische Regulation:
Einige Enzyme haben noch ein allosterisches Zentrum, an das Moleküle binden können, die keine strukturelle Ähnlichkeit mit dem Substrat haben.
Bindet eine Substanz an das allosterische Zentrum, so wird die räumliche Struktur des Enzyms beeinflußt, die katalytische Aktivität nimmt aufgrund der sinkenden Affinität ab.
Diese Hemmung dient zur Regulation des Stoffwechsels. Bei dieser Hemmung nimmt die Reaktionsgeschwindigkeit des Enzyms ab.
Endprodukthemmung: (negative Rückkopplung)
Wirkt ein Endprodukt einer Reaktionskette als Hemmstoff auf ein Enzym eines
Stoffwechselschrittes zu Anfang der Kette, so hat dies zur Folge, dass auch weniger von dem Endprodukt entsteht.
3. Nichtkompetitive Hemmung: Vergiftung
· ein Schwermetallion (z.B. Quecksilber Hg²+ oder Cu²+ )
· Cyanidionen (CN-), Fluoridionen (F-)
· einige organische Stoffe
Sie reagieren mit dem Enzym an einer bestimmten Stelle und bewirken eine Änderung der Konformation (räuml. Struktur).
Hier ist ein Erklärfilm über die verschiedenen Typen von Hemmung
E. Abhängigkeit der Enzyme von...
1. der Temperatur:
Enzyme haben ein Temperaturoptimum. Wird die Temperatur erhöht, steigt nach der RGT-Regel zwar die Reaktionsgeschwindigkeit von enzymkatalysierten Prozessen, wird dann aber durch die Temperaturempfindlichkeit des Enzyms begrenzt.
Wird diese zu hoch, denaturiert das Enzym, das heißt durch die hohe Temperatur wird de Tertiärstruktur des Enzyms zerstört.
Hier sind weitere Informationen
2. dem pH-Wert (Säure-Basen-Wert):
Der pH-Wert verändert die Tertiärstruktur und damit die Affinität, da die Säure (H-Ionen) die H-Brücken zerstört.
Hier sind weitere Informationen
3. Abhängigkeit der Enzyme von der Substratkonzentration
Mit steigender Substratkonzentration nimmt die Enzymaktivität zunächst stark dann immer weniger stark zu und nähert sich dann einem Maximumwert (Sättigungskurve).
Km = Michaelis-Menten-Konstante, sie bezeichnet die Substratkonzentration, die notwendig ist, um die Hälfte der vorhandenen Enzymmoleküle abzusättigen.
Ein kleiner Km-Wert bedeutet, daß bereits bei geringer Substratkonzentration eine große Reaktionsgeschwindigkeit erreicht wird, die Aktivität des Enzyms also hoch ist.
Große Km-Werte weisen auf geringe Enzymaktivität hin.
Cofaktoren und Coenzyme
Zur Ausübung ihrer katalytischen Tätigkeit benötigen manche Enzyme die Hilfe einer zusätzlichen Komponente. Diese kann entweder aus anorganischen Ionen wie Eisen Fe2+, Mangan Mn2+ oder Zink Zn2+, den Cofaktoren, oder aus komplexen, organischen Verbindungen, den so genannten Coenzymen, bestehen, die zusätzliche funktionelle Gruppen tragen. Wasserlösliche Vitamine sind die Ausgangsbasis für Coenzyme. Manche Enzyme benötigen sowohl ein oder mehrere Metallionen, als auch Coenzyme, um voll funktionsfähig zu sein.
Hier geht es weiter (Quelle): http://www.chemgapedia.de/vsengine/vlu/vsc/de/ch/8/bc/vlu/biokatalyse_enzyme/cofaktoren.vlu.html
Im Gegensatz ´zu den Pflanzen, die ihre Energie durch die Fotosynthese mit Hilfe der Sonne gewinnen, müssen wir Menschen wie alle Tiere energiereiche Nahrung zu uns nehmen.
Dabei sind die 3 Hauptnährstoffe Fette, Kohlenhydrate und Proteine.
Im Mund findet nur ansatzweise etwas Kohlenhydratverdauung durch die Amylase statt. Im Magen beginnt die Proteinverdauung durch das Pepsin.
Der wichtigste Ort der Verdauung ist der Dünndarm. Hier werden alle Nährstoffe in ihre Bestandteile zerlegt und diese dann in die Blutbahn aufgenommen.
Hier gibt es weitere Informationen aus der Wikipedia.
Hier ist ein kurzer Erklärfilm von the simple biology
Atmung und Gasaustausch
Äußere Atmung:
Weg der Atemluft:
Mund-Rachenraum
--> Luftröhre (Trachea)
--> Hauptbronchien
--> Nebenbronchien
--> Bronchiolen
--> Alveolen (Lungenbläschen)
Dort tritt der Sauerstoff aus der Luft in die Blutbahn über und bindet an das Hämoglobin der Roten Blutkörperchen (Erythrocyten).
Das sauerstoffreiche Blut gelangt dann zum Herz und danach in den Körperkreislauf.
Hier ist ein Video von the Simple Club und hier ein weiteres
Hier ist eine gut verständliche Seite dazu.
Hier ist ein Film "Das Wunder der Lunge" mit aufwändiger Animation
Bei der Zellatmung wird Traubenzucker (Glucose) in Kohlenstoffdioxid und Wasser umgewandelt. Die dabei freiwerdende Energie wird genutzt, um ATP zu synthetitisieren.
Es ist ein vielschrittiger Prozess, den man grob in folgende Abschnitte unterteilt:
Übersicht über die Zellatmung
Glycolyse (Ort: Cytoplasma)
Glucose wird umgewandelt in 2 Moleküle BTS (Brenztraubensäure).
Dabei gewinnt die Zelle 2 ATP und 2 NADH+H+
Aktivierung der Brenztraubensäure (Ort: Mitochondrium)
Jedes Molekül BTS wird jetzt aktiviert zu Acetyl-CoA (aktivierter Essigsäure).
Dabei wird ein Molekül CO2 abgegeben.
Gewinn: 1 NADH+H+
Citronensäurecyclus (Citratcyclus, Krebscyclus) (Ort: Mitochondrium)
Die aktivierte Essigsäure wird in einen Kreisprozess eingespeist und vollständig zu CO2 abgebaut.
Gewinn: 1 ATP 3 NADH+H+ 1 FADH+H+
Atmungskette (oxidative Phosphorylierung) (Ort: Mitochondrium)
Bei der Atmungskette werden jetzt aus jedem Molekül
NADH+H+ => 3 ATP
FADH+H+ => 2 ATP
Dazu wird ein sogenannter Protonengradient aufgebaut und aus dem Sauerstoff (O2) der Luft und den H+ der Reaktionspartner Wasser hergestellt H2O. Die Kraft des Protonengradienten wird dann benutzt, um aus ADP und P das gewünschte ATP herzustellen.
Hier erhält man aus den 10 NADH+H+ also 30 ATP und den und den
2 FADH+H+ noch 4 ATP.
Zusammen ergeben sich also 38 ATP pro Molekül Glucose.