Führe ein Modellexperiment zum enzymatischen Abbau von Stärke in Getreidekörnern mit Stärke-Lösung durch.
Der Nachweis der Enzymwirkung ist durch die Abnahme der Substratmenge möglich. Fordere die für das Experiment notwendigen Geräte, Materialien und Chemikalien schriftlich an.
Fertige ein ausführliches Protokoll, welches eine Vorbetrachtung enthält, an. Die Qualität des experimentellen Arbeitens wird mit bewertet.

Werte Material 8 zur Entwicklung von Getreidesamen aus.

Stelle ein Quetschpräparat vom Fruchtfleisch der Tomate her.
Mikroskopiere dein Präparat.
Fertige eine beschriftete mikroskopische Zeichnung von zwei zusammenhängenden Zellen an. Nach Fertigstellung der Zeichnung ist das Präparat unter dem Mikroskop der Aufsicht führenden Fachlehrkraft vorzuweisen.

Beschreibe den Bau eines Chloroplasten.

Erläutere mit Hilfe von Material 9 die Ursachen der Entstehung der Laubfärbung im Herbst.

Kurzprotokoll zum Experiment: Vorbetrachtung: Eine effiziente Energiegewinnung ist während der Keimung wichtig, da der Embryo viel Energie für die Zunahme an Masse und sein Wachstum benötigt. Der Embryo hat noch keine Blätter und ist daher darauf angewiesen, gespeicherte Kohlenhydrate abzubauen. Der Abbau von Stärke in Weizenkörnern wird durch das Enzym Amylase katalysiert. Amylase spaltet das Substrat Stärke wodurch einfache Zucker entstehen, die die Pflanze zur Energiegewinnung nutzen kann. Die Enzymaktivität ist dabei proportional zur Menge der abgebauten Stärke. Benötigte Geräte, Materialien und Chemikalien:

• Stärkelösung
• Enzymlösung (Amylase)
• Destilliertes Wasser
• Reaktionsgefäße wie Reagenzgläser oder Eppendorfgefäße
• Lugolsche Lösung
• Pipetten
• Thermoblock oder Wasserbad
• Behältnis für flüssigen bzw. festen Abfall

Durchführung: Es werden verschiedene Reaktionsgefäße vorbereitet.

1. Referenz ohne Enzymlösung
2. Stärkelösung und Enzym (mindestens 1 Gefäß)
3. Referenz ohne Substrat

In das erste Gefäß wird eine definierte Menge Stärkelösung gegeben. Dazu wird ein bestimmtes Volumen destilliertes Wasser gegeben. In das zweite Gefäß wird die gleiche Menge Stärkelösung, wie in Glas 1 gegeben. Anschließend wird die gleiche Menge an Amylase-Lösung zugegeben, wie Wasser in das erste Glas gegeben wurde. Hier können auch mehrere Reagenzgläser verwendet werden, die mit einer unterschiedlichen Enzymkonzentration versetzt werden. In das dritte Reagenzglas wird Wasser (in der gleichen Menge wie die Stärkelösung zuvor) und Enzymlösung gegeben. Die Reagenzgläser werden bei Raumtemperatur etwa 10 Minuten inkubiert. Durch einen Hitzeschock wird die Reaktion abgestoppt. Im Anschluss wird in jedes Reaktionsgefäß die gleiche Menge Lugolscher Lösung getropft, und die Farbreaktion beobachtet. Auswertung und Interpretation: Zur Auswertung wird die Intensität der Farbreaktion der Gefäße mit Enzymlösung mit den Referenzproben verglichen. In Glas 1 wurde kein Enzym hinzugegeben. Daher ist hier die Substratkonzentration am höchsten. Die Farbe dieser Probe ist am intensivsten. In Reagenzglas 3 wurde kein Substrat hinzugegeben. Die Zugabe der Lösung sollte also keine Farbreaktion mit sich führen. In dem oder den Gefäßen, in denen sowohl Stärkelösung als auch Enzym vorhanden war, konnte das Enzym Amylase Stärke abbauen. Damit lässt die Substratkonzentration nach. Je mehr Substrat abgebaut wurde, desto weniger intensiv ist die Farbe. So kann eine Aussage über den enzymatischen Abbau der Stärke getroffen werden. Hinweis: Die aufgeführten Ergebnisse und deren Interpretation sind Erwartungswerte. Je nach Versuchsdurchführung können diese von der Erwartung abweichen. Es sind auch alternative Versuchsdurchführungen denkbar. Zum Beispiel kann die Dauer der Inkubation oder die Menge des eingesetzten Enzyms variiert werden. Auch mit Hilfe einer photometrischen Messung kann über das Lambert-Beersche-Gesetz eine Aussage über die Enzymaktivität getroffen werden.

Auswertung von Material 8:
In Material 8 ist die Zunahme der Masse in Prozent gegen die Zeit in Tagen während der Keimung der Getreidesamen dargestellt. Dabei ist zu erkennen, dass sich die Masse nach den ersten zwei Tagen verdoppelt hat (Zunahme um 100 %). In den darauffolgenden Tagen (2-8) nimmt die Masse nur leicht zu. Ab Tag 6 ist wieder eine kontinuierliche Zunahme zu beobachten. Nach 10 Tagen hat die Masse um etwa 275 % im Vergleich zum Anfangszustand zugenommen. Die rasche Zunahme am Anfang des Beobachtungszeitraums ist vermutlich auf die Aufnahme von Wasser, und den damit verbundenen Vorgang des Quellens zurückzuführen. Der gequollene Keimling benötigt nun etwas Zeit, um die Expression der Enzyme zum Wachstum und Stärkeabbau einzuleiten. Danach kann die gespeicherte Stärke rasch abgebaut werden, und die Energie steht dem Keimling zum Wachsen zur Verfügung, und die Masse des Keimlings steigt weiter.

Quetschpräparat von Fruchtfleischzellen der Tomate: Hinweis: Es handelt sich hier um eine schematische Zeichnung. Größe und Form können je nach Präparat abweichen.

Beschreibung des Baus eines Chloroplasten:

• Doppelte Membran: Chloroplasten sind von einer inneren und einer äußeren Membran umgeben.
• Thylakoide: Im Inneren der Chloroplasten befinden sich Thylakoidmembranen, die zu Stapeln (Grana) organisiert sind. In ihnen ist Chlorophyll enthalten.
• Stroma: Der flüssigkeitsgefüllte Raum innerhalb der inneren Membran enthält Enzyme für die lichtunabhängige Reaktion der Fotosynthese.
• DNA und Ribosomen: Chloroplasten besitzen eigene DNA und Ribosomen zur Synthese einiger Proteine.

Ursachen der Entstehung der Laubfärbung im Herbst:

• Rückzug von Nährstoffen:
  Vor dem Laubfall ziehen Bäume Nährstoffe wie Magnesium-Ionen aus den Blättern in Speicherorgane zurück, um sie für das nächste Frühjahr zu nutzen.
• Abbau von Chlorophyll:
  Der Abbau von Chlorophyll, welches das grüne Pigment der Blätter ist, wird eingeleitet, da Magnesium als zentraler Bestandteil fehlt.
• Sichtbarwerden anderer Pigmente:
  Durch den Abbau des Chlorophylls werden Carotinoide (gelb-orange) und Anthocyane (rot) sichtbar, die zuvor vom grünen Pigment überdeckt wurden.