Lebewesen als offene oder geschlossene thermodynamische Systeme

Material 1:
Physiker und Biologen nennen thermodynamische Systeme offen, wenn sie mit ihren Umgebungen Stoffe UND Energie austauschen können. Geschlossene thermodynamische Systeme können mit ihren Umgebungen nur Energie, aber keine Materie austauschen. Da es keine hundertprozentigen Isolierungen gibt, existieren abgeschlossene thermodynamische Systeme nur theoretisch, denn sie könnten definitionsgemäß mit ihren Umgebungen weder Materie noch Energie austauschen.

• I.A. Erkläre mit Hilfe von Material 1, wie man menschliche Eizellen von offenen in geschlossene thermodynamische Systeme und wieder zurück in offene verwandelt!
• I.B. Erkläre, warum annähernde Fließgleichgewichte das lebende System Zelle vom technischen System Uhr unterscheiden!
• I.C. Entwickle eine Hypothese als Antwort auf die Frage, was angesichts des im Verlauf einiger Jahre praktisch vollständigen Austausches aller seiner Stoffe einen Menschen eigentlich ausmacht!

Aktivierungsenergie und Enzyme

Material 2: Diagramm 1

• II.A. Beschrifte das Diagramm 1 in Material 2!
• II.B. Skizziere und beschrifte ein Diagramm 2 mit je einer Kurve für eine exotherme und eine endotherme chemische Reaktion!
• II.C. Skizziere und beschrifte ein Diagramm 3 das zeigt, wie mit steigender Substrat-Konzentration die Reaktionsgeschwindigkeit einer chemischen Reaktion zunimmt!
• II.D. Erkläre den Verlauf der Kurve in Diagramm 3!
• II.E. Definiere die Begriffe Aktivierungsenergie und Enzym!
• II.F. Definiere die Begriffe Enzym-Substrat-Komplex, Substratspezifität und Wirkungsspezifität!
• II.G. Beschreibe Funktion und zwei Mechanismen der energetischen Kopplung!

Substratspezifität

Material 3:
Im Cytoplasma unserer Zellen enthalten die Ribosomen eine ribosomale RNA (28S-rRNA), die zu den sogenannten Ribozymen gehört. Das sind RNAs, die genau wie viele Proteine als Enzyme wirken. Die 28S-rRNA katalysiert während der Translation genannten Protein-Entstehung die Verknüpfung zweier Aminosäuren über eine Peptidbindung. Aufgrund dieser Funktion nennt man sie auch Peptidyltransferase.

III.A. Lies Material 3 und versuche zu erklären, was diese für Dich neue Information im Hinblick auf die Substratspezifität von Enzymen bedeutet!

Einflüsse von Temperatur und pH-Wert auf die Enzymaktivität

Material 4:

• IV.A. Skizziere ein Diagramm 4 zur Darstellung der Temperaturabhängigkeit menschlicher Enzyme!
• IV.B. Erkläre im Detail die Form des Kurvenverlaufs von ganz tiefen bis zu hohen und zurück zu ganz tiefen Temperaturen!
• IV.C. Skizziere mit Pfeilen, welche Teile der Kurve reversibel bzw. irreversibel sind!
• IV.D. Entwickle eine Hypothese zur Erklärung des Unterschieds zwischen der bei allen menschlichen Enzymen nahezu gleichen Temperaturabhängigkeit und der in Material 4 gezeigten Unterschiedlichkeit der pH-Abhängigkeiten!

Homöostase und die Regulation der Stoffwechselwege

• V.A. Definiere die Begriffe Homöostase, Stoffwechselweg und Schlüsselenzym!
• V.B. Erkläre die Notwendigkeit der Regulation unserer Stoffwechselwege!
• V.C. Erkläre die Unterschiede zwischen a) reversibler und irreversibler, b) isosterischer und allosterischer, c) Aktivierung und Inhibition!
• V.D. Nenne zwei Ebenen, auf denen Stoffwechselwege kurz- bzw. langfristig ausgeschaltet oder erst bei Bedarf aktiviert werden können!
• V.E. Skizziere mit jeweils einer Zeichnung eine kompetitive und eine nichtkompetitive Hemmung eines Enzyms und nenne wesentliche Unterschiede!
• V.F. Skizziere in Dein Diagramm 3 noch die Kurven für eine reversible und eine irreversible kompetitive Hemmung!
• V.G. Erkläre den Zweck der Zellatmung!
• V.H. Entwickle eine Hypothese zur Erklärung der Möglichkeit einer irreversiblen, isosterischen und nicht kompetitiven Aktivierung!