Organisation und Funktion der Zelle Halbjahr 11/1 Stoffübersicht Wichtige Organellen der eukaryotischen Zelle: Zellkern: Steuerungszentrum, Erbinformation auf Chromosomen, Doppelmembran mit Kernporen Endoplasmatisches Reticulum (ER): Membrannetzwerk (raues und glattes ER), u. a. Synthese, Speicherung, Austausch von Stoffen Golgi-Apparat: Membransystem (ein Membranstapel: Dictyosom), u. a. Synthese sekretorischer Vesikel und von Membranen Mitochondrien: Organellen mit Doppelmembran, ATP-Synthese Chloroplasten: Organellen mit Doppelmembran, Fotosynthese Zellsaftvakuole (pflanzliche Zellen): Großer Zellsaftraum, Stabilität, Regulation des Wasserhaushalts, Stoffspeicherung Lysosomen: Membranvesikel, Verdauung von Stoffen Peroxisomen: Membranvesikel, u. a. Entgiftung von Stoffen Ribosomen: Membranlose Organellen im Zytoplasma bzw. an Membran des rauen ER, 80S-Ribosomen, Orte der Translation Wichtige Merkmale der prokaryotischen Zelle: Kein echter Zellkern Keine membranbegrenzten Organellen 70S-Ribosomen Ringförmige DNA Biomembran: Merkmale und Aufbau: – Phospholipiddoppelschicht, Lipide mit hydrophilen polaren Köpfchen und hydrophoben Fettsäureschwänzen – Integrale und der Membran aufliegende (periphere) Proteine – Flüssigmosaikmodell: Einbettung der Proteine in zähflüssige Doppellipidschicht 1 Übungsreferat 2: Regulation von Enzymen In der Zelle werden nahezu alle Stoffwechselreaktionen durch Biokatalysatoren, die sogenannten Enzyme, beschleunigt. In Abb. 1 ist die enzymatisch katalysierte Herstellung von Stoffwechselprodukt P dargestellt. Abb. 1: Abfolge verschiedener Enzymreaktionen von Substrat 1 zu Produkt P Abb. 2: Detailabbildungen von Enzym 2 und Enzym 3 1 Charakterisieren Sie Enzyme hinsichtlich ihrer Stoffnatur sowie ihrer Wirkungsweise. 2 Erläutern Sie die Herstellung von Produkt P ausgehend von Substrat 1. 3 Erklären Sie eine Möglichkeit zur Regulation der Enzymaktivität von Enzym 1 und stellen Sie die daraus resultierende Veränderung in Abhängigkeit von der Substratkonzentration grafisch dar. 2 Zusatzfragen: Organisation und Funktion der Zelle 1 Skizzieren und beschriften Sie den Bau einer Prozyte und nennen Sie den Hauptunterschied zur Euzyte. 2 Identifizieren Sie auf der folgenden Skizze nach einer elektronenmikroskopischen Aufnahme drei Zellorganellen und nennen Sie kurz deren Funktionen. Skizze einer pflanzlichen Zelle 3 Erläutern Sie anhand einer beschrifteten Skizze den Aufbau einer Biomembran. 4 Unterscheiden Sie die Begriffe „aktiver“ und „passiver“ Transport durch Biomembranen. 5 Einige Bakterien, z. B. Cyanobakterien, ernähren sich autotroph. Erklären Sie diesen Begriff kurz. (…) 3 Erwartungshorizont – Übungsreferat 2 1 Charakterisierung von Enzymen: – Sie sind meist Proteine und wirken als Biokatalysatoren. – Sie setzen die für eine Reaktion erforderliche Aktivierungsenergie herab. – Sie werden nicht verbraucht und wirken bereits in geringer Konzentration. – Sie setzen substratspezifisch meist nur bestimmte Verbindungen um. – Sie können wirkungsspezifisch nur eine bestimmte Reaktion katalysieren. r 2 Zur vollständigen Beantwortung muss auch Abb. 2 berücksichtigt und in die Err läuterung einbezogen werden. Herstellung von Produkt P: – Substrat 1 bindet an das aktive Zentrum von Enzym 1 und wird zu den Zwischenprodukten 1 gespalten. Das aktive Zentrum ist die Enzymregion, an die ein spezifisches Substrat nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip bindet. Es reagiert infolgedessen zu einem bestimmten Produkt (Wirkungsspezifität). – Je ein Teil von Zwischenprodukt 1 und Substrat 2 binden an das aktive Zentrum von Enzym 2; das Zwischenprodukt 2 wird synthetisiert. Effektor 1 (= allosterischer Hemmstoff) bindet an das allosterische Zentrum von Enzym 2, es kommt zur Konformationsänderung des Enzyms, sodass Substratmoleküle nicht mehr an das aktive Zentrum binden können. Es liegt eine Regulation durch allosterische Hemmung vor. – Zwischenprodukt 2 bindet an das aktive Zentrum von Enzym 3 und Produkt P entsteht. Effektor 2 (allosterischer Aktivator, Cofaktor) bindet an das allosterische Zentrum von Enzym 3; es kommt zur Konformationsänderung von Enzym 3, das dadurch seine volle katalytische Wirkung erreicht. Es handelt sich um eine Regulation durch allosterische Aktivierung. 3 Möglichkeiten zur Regulation: – Nicht kompetitive oder allosterische Hemmung: Enzym 1 besitzt kein allosterisches Zentrum, sodass diese Art der Hemmung nicht infrage kommt. – Kompetitive Hemmung: Kompetitive Hemmstoffe ähneln dem Substrat und binden in Konkurrenz zum Substrat an das aktive Zentrum, das so für das Substrat blockiert wird. Die Reaktion ist reversibel; durch eine Erhöhung der Substratkonzentration wird die Hemmung bei gleicher Hemmstoffmenge geringer. Diese Art der Regulation ist für Enzym 1 denkbar. 4 Erwartungshorizont – Zusatzfragen 1 Die Prozyte besitzt keinen echten Zellkern. Die Erbsubstanz liegt frei im Zytoplasma. 2 Zellorganellen (drei sind erwartet): – Chloroplasten: Umwandlung von Lichtenergie in chemische Energie bei der Fotosynthese; aus CO2 und H2O wird energiereiche Glucose aufgebaut. – Mitochondrien: Anaerober Abbau energiereicher Glucose bei der Zellatmung; die frei werdende Energie wird als ATP gespeichert. – Golgi-Apparat: Bildung, Lagerung und Abgabe verschiedenster Stoffe – Zellkern: Speicherort der DNA und damit der genetischen Information, Steuerung von Stoffwechselvorgängen, Wachstum und Entwicklung – Endoplasmatisches Reticulum: Transportaufgaben, Bildung von Membranmaterial – Vakuole: Sammlung verschiedener Stoffe, Beitrag zur Festigkeit der Zelle – Ribosomen: Aufbau der Proteine durch Translation der mRNA 5 3 4 Unter aktivem Transport versteht man die Bewegung einer Substanz durch eine Biomembran gegen das Konzentrationsgefälle. Sie wird unter Verbrauch von Energie von spezifischen Proteinmolekülen vermittelt. Als passiven Transport bezeichnet man alle Transportmechanismen, die ohne Energieaufwand ablaufen, wie etwa die Diffusion. Durch eine semipermeable bzw. selektiv permeable Membran wird dieser Vorgang als Osmose bezeichnet. 5 Autotrophe Organismen besitzen die Fähigkeit, energiereiche organische Stoffe aus energieärmeren anorganischen Stoffen selbst herzustellen. (…) 6