Name: Kurs: Datum: Klausur: Zelle

Zellulärer Aufbau und Enzymatik der BauchspeicheldrüseBearbeitungszeit 90 Min.

Die Bauchspeicheldrüse (Pankreas), ein quer hinter dem Magen liegendes Drüsenorgan, spielt bei der Verdauung eine wichtige Rolle.Ein Teil der Bauchspeicheldrüse produziert Verdau-ungsenzyme für den Dünndarm. Der Bauchspeichel-drüsengang mündet gemeinsam mit dem Hauptgal-lengang in den Dünndarm. Pro Tag werden bis zu 2,5 l Sekret in den Dünndarm abgegeben. Dieses Sekret beinhaltet neben Lipasen und Amylasen auch Enzymvorstufen für Peptidasen (Enzyme, die Amino-säureketten/Peptide spalten). Zudem liefern die Aus-führungsgänge der Bauchspeicheldrüse Hydrogen-carbonat-Ionen zur Neutralisation des vom Magen angesäuerten Speisebreis.

Bauchspeicheldrüse mit angrenzenden Strukturen

1 Benennen Sie die in Material 1 mit Ziffern bezeichneten Strukturen. Nennen Sie die Funktionen der Strukturen 1 und 3. Erklären Sie das gehäufte Auftreten der Strukturen 4 und 5 in einer Bauch-speicheldrüsenzelle. 13 BE

2 Nennen Sie drei wichtige Kennzeichen von Enzymen. Erläutern Sie ausgehend von der Amino-säuresequenz, wie die räumliche Struktur des Trypsins (Material 2) zustande kommt und stabili-siert wird. 14 BE

3 Stellen Sie den Ablauf der Enzymaktivierung sowie die Aufgabe des Trypsins (Material 2) in einer beschrifteten Schemazeichnung unter Verwendung aussagekräftiger Symbole dar (mind. ½ Seite). 11 BE

4 Zeichnen Sie das Produkt nach der Spaltung des Proteinausschnitts durch das Enzym Trypsin (Material 3). Stellen Sie Hypothesen auf, weshalb Trypsin nicht Trypsin spaltet. 10 BE

5 Nennen Sie die Ansätze aus der Versuchsreihe (Material 4), aus denen sich Aussagen zur pH-Abhängigkeit des Trypsins ableiten lassen, und begründen Sie Ihre Wahl. Begründen Sie außer-dem, welcher der Ansätze kein aussagekräftiges Ergebnis zur pH-Abhängigkeit liefert, und verbes-sern Sie diesen. 8 BE

6 Entwerfen Sie einen Therapieansatz zur Behandlung einer chronischen Bauchspeicheldrüsen-entzündung, wie sie in Material 5 geschildert wird. 4 BE

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Illustration: Andrea Ulrich, Descience, Luzern S 7

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Material 1: Strukturen einer Bauchspeicheldrüsenzelle

Elektronenmikroskopisches Bild einer Bauchspeicheldrüsenzelle (Ausschnitt)

Material 2: Bauchspeicheldrüsenenzym TrypsinUm die Bauchspeicheldrüse vor Selbstverdauung zu schützen, wird die Protease Trypsin nicht als fertiges Enzym in der Bauchspeicheldrüse produziert. Vielmehr wird sie als ihre enzymatisch inaktive Vorstufe Trypsinogen aus den Bauchspeicheldrüsenzellen in den Dünndarm abgesondert. Durch das an die Dünndarmwand gebundene Enzym Enteropeptidase wird die Aktivierung zum fertigen Enzym Trypsin gesteuert. Die Aktivierung erfolgt durch Abspaltung eines Hexapeptides (6 Aminosäuren). Sobald Trypsin vorhanden ist, ist es in der Lage, weitere Trypsinogenmoleküle zu aktivieren, also die inaktive Vorstufe in weitere Trypsinmoleküle umzuwandeln. Diese spalten dann die langkettigen Polypeptide in kürzere Oligo- und Dipeptide, die dann durch die Dünndarmwand ins Blut resorbiert werden können.

Bändermodell des Enzyms Trypsin (Ausschnitt)

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Bildquellen: Getty Images (Science Source/Don W Fawcett), München; Markl, Julia, Gau-Bischofsheim S 8

Lys+–

Asp

Cys

Gln

AsnS

S

Cys

O

H

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Material 3: Wirkungsweise von TrypsinTrypsin spaltet Peptidbindungen selektiv nach basischen Aminosäuren wie Arginin und Lysin. Dadurch ist bei der Proteinverdauung nicht für jedes Eiweißmolekül ein eigenes Enzym zur Spaltung notwendig.

Ausschnitt der Primärstruktur eines Proteins: Tripeptid Ala-Arg-Gly

Material 4: Untersuchung zur Aktivität von TrypsinTrypsin arbeitet im Dünndarm in einem pH-Bereich von ca. pH 8. In einer Versuchsreihe wurde die Aktivität von Trypsin untersucht. Bei den Versuchen in Reagenzgläsern wurden jeweils gleiche Enzym- und Substratmengen eingesetzt.

Nr. Versuchsansatz enthält Versuchsbedingungen Enzymaktivität1 Wasser, Proteine, Trypsin pH 8 37°C hoch2 Wasser, Proteine, Trypsin pH 8 75°C keine3 Wasser, Proteine, Trypsin pH 8 15°C gering4 Wasser, Proteine, Trypsin pH 2 37°C keine5 Wasser, Proteine, Trypsin, Kupfer(II)-sulfat pH 2 37°C keine6 Wasser, Proteine pH 8 37°C keine7 Wasser, Proteine, Trypsin pH 5 37°C gering

Versuchsreihe mit dem Enzym Trypsin

Material 5: Exokrine PankreasinsuffizienzDie häufigste Ursache für eine chronische Bauchspeicheldrüsenentzündung (exokrine Pankreasinsuffizienz) ist ein jahrelanger exzessiver Alkohol- oder Zigarettenkonsum. Durch anhaltende, wiederkehrende Entzün-dungen kommt es zur Zerstörung der Drüsenzellen in der Bauchspeicheldrüse. Die Patienten leiden meist unter heftigen Schmerzen. Da keine Verdauungsenzyme mehr produziert werden können, kommt es zu Durchfällen mit einem hohen Fettanteil im Stuhl sowie zu Mangelerscheinungen und Gewichtsverlust. Bei der Entzündung treten Pankreas-Enzyme direkt ins Blut und können im Serum nachgewiesen werden.

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Illustration: Andrea Ulrich, Descience, Luzern S 9

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Nr. Bewertung/Lösungshinweise AB I AB II AB III1

2.22.5

Benennen: Strukturen: Kernplasma (Zellkern; Chromatin); Kernhülle (Kernmembran); Mitochondrium; raues endoplasmatisches Retikulum (rER); Vesikel oder Liposom; Golgi-Apparat.

6

Nennen: Funktion Zellkern : Weitergabe von Erbinformation, Steuerung der Stoffwechselprozesse; Funktion Mitochondrium : Atmungskette zur Energieumwandlung (ATP).

2

Erklären: Viel rER, viele Vesikel: Hinweis auf hohe Proteinproduktion, hier: Enzyme, die für die Verdauung im Dünndarm benötigt werden.

5

2

1.3

Nennen: Proteine, Biokatalysator, Beschleunigung einer chemischen Reaktion. 3Erläutern: Drei verschiedene Strukturebenen des Trypsin-Moleküls: 2 4Primärstruktur: Verknüpfung von Aminosäuren durch Peptidbindungen; Sekundärstruktur: Wasserstoffbrücken zwischen den Peptidgruppen (Helix, Faltblatt); Tertiärstruktur: Atombindungen der Disulfidbrücken, elektrostatische Anziehungskräfte zwischen gegensätzlichen Ladungen, Wasserstoffbrücken, Van- der-Waals-Kräfte → 3-D-Struktur, Schlüssel-Schloss-Prinzip.

5

3

4.4

Darstellen: (Schlüssige Skizze mit allen geschilderten Vorgängen)

11

4

1.1

Zeichnen:

Spaltung durch Trypsin: zwischen Arg und Gly(Reaktionstyp: Hydrolyse; H2O wird benötigt)

6

Hypothesen aufstellen: Mögliche Hypothesen: besteht selbst nur aus wenigen basischen Aminosäuren (potenzielle Schnittstellen) oder diese sind durch ter-tiäre Struktur geschützt.

4

5

4.6

Nennen, begründen: Ansätze: 1 (optimale Bedingungen), 4 (sehr niedriger pH, keine Aktivität), 7 (niedriger pH, wenig Aktivität) + Ansatz 6 (Kontrollversuch); pH-Abhängigkeit somit bewiesen.

2 4

Begründen: Ansatz 5, da 2 Variablen verändert: Hemmung durch Schwermetalle auch bei pH 8 untersuchen. 2

6 Ermitteln: Kein Alkohol- und Tabakkonsum; Schmerzmittel; Gabe von Enzym-präparaten (müssen Magen passieren); Gabe von bereits aufgespaltenen Polypeptiden (Dipeptide, einzelne Aminosäuren) und Fetten (→ Fettsäuren) oder Stärkeketten (Monomere wie Glucose/Dimere wie Maltose).

4

Verteilung der Bewertungseinheiten auf die AnforderungsbereicheProzentuale Verteilung der Bewertungseinheiten auf die Anforderungsbereiche

2033 %

3050 %

1017 %

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Illustration: Andrea Ulrich, Descience, Luzern S 10