Antworten zur Erarbeitung der Dokumentation: "Die Reise ins Innere der Zelle"

Roland Heynkes, 6.2.2021

Diese Seite dient der Selbstkontrolle für diejenigen, die das Arbeitsblatt zur Dokumentation: "Die Reise ins Innere der Zelle" selbständig bearbeitet haben und nun ihre Antworten überprüfen wollen.

Meine Lösungsvorschläge zu den Klausur-ähnlichen Aufgaben sind teilweise länger und ausführlicher, als ich sie von Lernenden erwarten würde, damit sie möglichst verständlich sind.
1 Erkläre, wie sich Virus-infizierte Zellen automatisch als solche zu erkennen geben!
Virus-infizierte Zellen geben sich automatisch als solche zu erkennen, indem jede Zelle den Killerzellen des Immunsystems auf MHC-1-Präsentiertellern Bruchstücke aller Proteine präsentiert, die sie gerade produziert. Dazu werden die Peptide auf den Präsentiertellern in Vesikeln zur Zelloberfläche transportiert und durch Verschmelzung des Vesikels mit der Zellmembran auf die Außenseite der Zelloberfläche gebracht.
2 Entwickle eine Hypothese zur Erklärung der Tatsache, dass man mit Hilfe von Antikörpern verschiedene Zelltypen des Menschen unterscheiden kann!
Man kann mit Hilfe von Antikörpern verschiedene Zelltypen des Menschen unterscheiden, weil jede noch lebende Zelle von den Proteinen, die sie gerade produziert, Bruchstücke (Peptide) einer Stichprobe (einer relativ kleinen zufälligen Auswahl) auf ihre Präsentierteller legt und diese außen auf ihrer Oberfläche präsentiert (zeigt). Man kann Antikörper herstellen, die jeweils nur eines dieser vielen unterschiedlichen Peptide binden. Weil manche Eiweiße und damit auch ihre Bruchstücke (Peptide) nur in bestimmten Zelltypen vorkommen, markieren solche Peptide bindende Antikörper auch nur bestimmte Zelltypen.
3 Beschreibe die Rolle der T-Killerzellen bei der Virus-Bekämpfung!
Beschreibe die Rolle der T-Killerzellen bei der Virus-Bekämpfung! T-Killerzellen spielen eine wichtige Rolle bei der Virus-Bekämpfung. Wird eine Zelle von einem Virus zur Produktion viraler Proteine gezwungen, dann finden T-Killerzellen mit ihren langen Tentakeln auf den Präsentiertellern Eiweißbruchstücke, die in gesunden menschlichen Zellen nichts zu suchen haben. In solchen Fällen geben Killerzellen den infizierten Zellen den Befehl zur Selbstzerstörung (Apoptose).
4 Entwickle eine Hypothese zur Erklärung der Tatsache, dass T-Killerzellen auch Krebszellen bekämpfen!
T-Killerzellen können auch Krebszellen bekämpfen, weil Krebszellen ähnlich wie Virus-infizierte Zellen Proteine produzieren, die es in normalen Körperzellen nicht gibt.
5 Nenne sämtliche (4) Wirkungen der Antikörper im Kampf gegen Viren!
Antikörper können im Kampf gegen Viren:
  1. die Krankheitserreger miteinander vernetzen und verklumpen, indem sie mit ihren beiden Armen je zwei Viren binden,
  2. Viren auch einfach als bevorzugte Beute der großen Fresszellen markieren,
  3. Oberflächenstrukturen blockieren, die ein Virus zum Eindringen in Zellen benötigt,
  4. durch Bindung auf der Oberfläche eines Virus bewirken, dass dieses Virus von speziellen Verteidigungs-Proteinen entdeckt und für die Zerstörung durch ein Proteasom markiert wird.
6 Erkläre, wie ein Adenovirus die Barriere der Zellmembran überwindet!
Ein Adenovirus überwindet die Barriere der Zellmembran mit einem Trick. Seine Antennen funktionieren wie Schlüssel, die genau in Rezeptoren passen, die wie Schlösser wirken und dafür sorgen, dass die Zelle das Virus durch Endozytose durch die Zellmembran bringt.
7 Beschreibe die Entstehung, die Tätigkeit und das Ende eines Endosoms bei einer Schnupfen-Infektion!
Endosome werden gebildet, wenn spezielle Rezeptoren etwas gebunden haben, was tatsächlich oder vermeintlich in der Zelle gebraucht wird. Dann binden auf der Zellinnenseite dreiarmige, großen Greiffüßen ähnelnde dreiarmige, großen Greiffüße-Proteine an die Zellmembran. Sie bewirken, dass sich die Zellmembran immer stärker nach innen einbeult, bis sich schließlich ein Bläschen abschnürt. Man nennt den Vorgang Endozytose und das Bläschen Vesikel oder genauer Endosom. Endosomen können miteinander verschmelzen und Protonen in ihr Inneres pumpen. Später fusionieren sie mit Verdauungsenzyme enthaltenden Lysosomen zu Endolysosomen, die der Verdauung all ihrer Inhalte dienen.
8 Erkläre, warum das Virus die Fusion "seines" Endosoms mit einem (primären) Lysosom nicht abwarten darf!
Das Virus darf die Fusion "seines" Endosoms mit einem (primären) Lysosom nicht abwarten, weil es nach einer Vereinigung des Endosoms mit einem Lysosom durch Säure und Verdauungsenzyme zerstört würde.
9 Nenne das Problem, das jedes aus einem Endosom entkommene Virus hat!
Jedes aus einem Endosom entkommene Virus hat das Problem, sich nicht selbst durch die Zelle bewegen zu können, weil es keinen Antrieb besitzt.
10 Beschreibe, unter welchen Umständen und wodurch ein Virus im Zytoplasma vernichtet werden kann!
Ein Virus kann auch noch im Zytoplasma einer Zellevernichtet werden, wenn auf seiner Oberfläche irgendwo ein Antikörper gebunden ist. Denn dann kann dieser von speziellen Verteidigungs-Proteinen entdeckt und markiert werden. Diese Markierung leitet die Zerstörung des Virus durch ein Proteasom ein. Eindrucksvoll wird gezeigt, wie tunnelförmige Proteasome defekte oder unerwünschte und als solche markierte Proteine oder sogar ganze Viren in einzelne Aminosäuren zerlegen.
11 Erkläre, warum man auch Proteasome als Organellen bezeichnen kann und warum sie wichtig für die Translation sind!
  1. Man kann auch Proteasome als Organellen bezeichnen, weil der Besitz einer eigenen Membran für die Definition des Organells weniger wichtig ist, als dass es eine vom Rest der Zelle abgegrenzte strukturelle und funktionelle Einheit ist. Obwohl es keine Membran besitzt, sind die potentiell gefährlichen Verdauungsenzyme durch die Tunnelform im Inneren des Proteasoms vom Cytoplasma abgegrenzt.
  2. Proteasome sind wichtig für die Translation, weil sie defekte oder unerwünschte und als solche markierte Proteine in einzelne Aminosäuren zerlegen.
12 Nenne 3 Rollen, die das Zytoskelett spielt!
Das Zytoskelett spielt in unseren Zellen folgende 3 Rollen:
13 Charakterisiere den Trick, mit dem das Adenovirus aus der Peripherie zum Zellkern kommt und sich dort die Unterstützung der Kernporenarme erschleicht!
Der Trick, mit dem das Adenovirus aus der Peripherie zum Zellkern kommt, besteht darin, dass es zellinterne Bindungsstellen für die Motorproteine imitiert. Ganz ähnlich erschleicht es sich die Unterstützung der Kernporenarme, indem ein Teil seiner Oberfläche genau in die Bindungsstellen der Kernporenarme passt.
14 Erkläre, warum ein Virus mehr als nur ein Motorprotein braucht!
Ein Virus braucht mehr als nur ein Motorprotein, weil Motorproteine nur in eine Richtung laufen können. Für Ausweichmanöver werden deshalb zwei Motorproteine benötigt.
15 Erkläre, warum der Transport von Proteinen zum Golgi-Apparat Energie verbraucht und wie diese bereitgestellt wird!
  1. Der Transport von Proteinen zum Golgi-Apparat verbraucht chemische Energie, weil jeder Schritt der Motorproteine ATP verbraucht. Denn zum Golgi-Apparat werden Proteine in Vesikeln transportiert, die vom endoplasmatischen Retikulum abgeschnürt und von Motorproteinen über das Cytoskelett gezogen werden.
  2. ATP wird in den Mitochondrien produziert und in die Zelle abgegeben.
16 Erkläre, warum man Mitochondrien als Kraftwerke der Zelle bezeichnet!
Man bezeichnet Mitochondrien als Kraftwerke der Zelle, weil sie wie technische Kraftwerke eine Energieform - die chemische Energie unserer Nährstoffbausteine - in eine für die Zelle universell nutzbare Energieform umwandeln, nämlich die chemische Energie des ATP-Moleküls.
17 Nenne einen im Film erkennbaren sowie einen weiteren Unterschied zwischen den dicken Chromatinfäden und einem gerade transkribierten Gen!
Ein im Film erkennbarer Unterschied zwischen den dicken Chromatinfäden und einem gerade transkribierten Gen besteht darin, dass ein gerade transkribiertes Gen viel dünner war als die Chromatinfäden. Man konnte bei dem gerade transkribierten Gen auch die typische Strickleiterform erkennen. Im Gegensatz dazu war die DNA in den 30 nm dicken Chromatinfäden verpackt. Sie ist um die Histon-Proteine gewickelt und zusätzlich mehrfach verdrillt.
18 Beschreibe, wie der Bauplan eines Adenovirus aus seiner Hülle in den Zellkern einer infizierten Zelle gelangt!
Der Bauplan eines Adenovirus gelangt aus seiner Virushülle in den Zellkern einer infizierten Zelle, indem Motorproteine und die Tentakeln einer Kernpore die Virushülle zerreißen.
19 Entwickle eine Hypothese zur Erklärung des aufwändigen Transports von Virus-Proteinen in den Zellkern!
Die Virus-DNA kann vermutlich nur im Zellkern vervielfacht werden, weil es nur dort DNA-Polymerasen für die DNA-Replikation, also die Verdopplung des Bauplans vor einer Zellteilung gibt. Deshalb findet die DNA wohl schneller und leichter ihre leeren Virushüllen, wenn die im Zellkern und nicht im vollgestopften Zytoplasma warten. Sicher gibt es außerdem im Zellkern viel weniger Proteine als im Zytoplasma, sodass sich die Hüllproteine viel leichter zu Virushüllen zusammenfinden. Denkbar wäre zudem, dass es im Zytoplasma Enzyme geben könnte, die fremde DNA zerstören.
20 Charakterisiere die Strategie, mit der das Adenovirus aus dem Zellkern in den Interzellularraum kommt!
Die Strategie, mit der das Adenovirus aus dem Zellkern in den Interzellularraum kommt, heißt Sabotage. Das Adenovirus benutzt Sabotage-Proteine, um die Zellkernhülle und das Zytoskelett zu zerlegen, sodass die ganze Zelle zerfällt und die neuen Viren nicht mehr zurückhalten kann.
21 Fasse zusammen, wie es steht im Kampf zwischen der Menschheit und ihren viralen Angreifern!
Im Kampf zwischen der Menschheit und ihren viralen Angreifern steht es unentschieden. Viren und Menschen können einzelne Schlachten gewinnen, aber insgesamt gibt es zwischen beiden keinen Sieger. Beide Seiten passen sich immer besser aneinander an.
22 (nur für die Jahrgangsstufe 10)
Stelle die Aufgabe der Proteasomen dar, entwickle eine Arbeitshypothese zu der Frage, was sie dafür benötigen und leite daraus mögliche Experimente zu ihrer Überprüfung ab!
Die Aufgabe der Proteasome besteht darin, defekte oder nicht mehr benötigte Proteine in einzelne Aminosäuren zu zerlegen. Dafür müssen sie im Inneren Enzyme haben. Daher sollten sich für Enzym typische Abhängigkeiten der Aktivität von der Temperatur, dem pH-Wert, dem Salzgehalt und anderen Parametern beobachten lassen. Möglicherweise lässt nach einer Auflösung von Proteasomen bei einem seiner Proteine eine Protease-Aktivität nachweisen.
23 (nur für die Jahrgangsstufe 10)
Diskutiere, was für und was gegen die Anerkennung des Proteasoms als Organell spricht!
Für eine Anerkennung des Proteasoms als Organell spricht seine besondere Aufgabe. Es ist eine funktionelle Einheit. Andererseits verlangt eine von vielen Biologen akzeptierte Definition, dass ein Organell durch eine Membran vom Rest der Zelle getrennt sein muss. Davon könnte man aber in diesem Fall absehen, weil das Proteasom auch ohne Membran durch seine Tunnelform vom Zytoplasma abgeschirmt ist. Außerdem ist die Definition der Organellen ohnehin nicht unumstritten.
24 (nur für die Jahrgangsstufe 10)
Erkläre, warum die RNA-Polymerase ein Enzym sein muss!
Die RNA-Polymerase muss ein Enzym sein, weil sie die Polymerisation der Nukleotide zu einer RNA katalysiert.
25 (nur für die Jahrgangsstufe 10)
Entwickle eine Hypothese zu der Frage, warum eigentlich Aminosäureketten zu Proteinen gefaltet werden müssen!
Wären die Aminosäureketten in Proteinen nicht gefaltet, dann wäre ihre Form beliebig und veränderlich. So könnten sie keine spezifischen Aufgaben erfüllen.
26 (nur für die Jahrgangsstufe 10)
Beschreibe mit möglichst vielen Details die Vorgänge bei der Zerstörung eines Bakteriums durch eine Fresszelle!
Fresszellen ziehen Bakterien durch Endozytose in sich hinein. Nachdem das Bakterium von einem Rezeptor gebunden wurde, beult sich die Zellmembran mit dem Bakterium nach innen, bis sich ein Vesikel mit dem Bakterium abschnürt. Mit mindestens einem anderen Vesikel verschmilzt es zu einem Endosom, indem es durch Pumpen immer saurer wird. Die Verschmelzung mit einem Lysosom bringt Verdauungsenzyme in das Endosom, das man nun sekundäres Lysosom nennt. Nur sehr wenige Bakterien können diese Kombination aus Säure und Verdauungsenzymen überstehen.

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Roland Heynkes, CC BY-NC-SA 4.0