Bio Abi 2006

Abitur 2006 – Biologie Haupttermin

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Aufgabe I

1. Entwickeln Sie anhand des Textes ein Schema, welches die Zusammenhänge für die Bildung der typischen Geschmacksstoffe sowie des Tränenfaktors übersichtlich verdeutlicht. 3 VP Durch Anschneiden der Zwiebel werden deren Zellen teilweise zerstört. 2.1 Zeichnen Sie ein Schema des elektronenmikroskopischen Bildes einer Pflanzen- zelle und beschriften Sie dieses (Größe der Zeichnung etwa ½ Seite). 3 VP 2.2 Beschreiben Sie den Aufbau einer Elementarmembran und erläutern Sie daran Struktur- und Funktionszusammenhänge. 3 VP


2

2.3 Erläutern Sie unter Zuhilfenahme Ihrer Zeichnung, weshalb erst nach dem Anschneiden der Tränenfaktor auftritt. 2 VP 3. Geben Sie jeweils eine mögliche Erklärung für das Funktionieren der beiden Haushaltstricks gegen das Brennen in den Augen. 2 VP Züchter streben an, Zwiebeln zu erhalten, die beim Schneiden keinen Tränenfluss verursachen. 4.1 Begründen Sie, an welcher Stelle man in die Reaktionswege eingreifen muss, um

einerseits den typischen Zwiebelgeschmack zu erhalten und andererseits den Tränenfaktor zu unterbinden. Nennen Sie eine mögliche Methode.

4.2 Welchen weiteren wahrnehmbaren Effekt müsste der Koch aus Leipzig an der

veränderten Zwiebel feststellen? Erläutern Sie. 4 VP Viele Frühblüher vermehren sich ungeschlechtlich (zum Beispiel über Brutzwiebeln). Küchenzwiebeln können auf geschlechtlichem oder ungeschlechtlichem (vegetativem) Weg vermehrt werden. 5. Stellen Sie Vor- und Nachteile beider Wege der Fortpflanzung vergleichend gegenüber. 3 VP _____ 20 VP Aufgabe II

Die marine Schnecke Aplysia californica (kalifornischer Seehase) gehört mit ungefähr 40 cm Körper-länge zu den größten Seehasen. Sie besitzt Riesenneurone und eignet sich gut für neurophysio-logische und molekulargenetische Untersuchungen. Ein Schwerpunkt bei diesen Unter-suchungen ist die Reaktion von Aplysia auf einen Berührungsreiz an ihrer Atemröhre (Siphon) – siehe Abbildung 1.


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Wird der Siphon durch leichtes Berühren mit einem Stab gereizt, so werden die empfindlichen Kiemen weit in die Mantelhöhle zurückgezogen. Kommt es jedoch innerhalb weniger Minuten zu zehn bis fünfzehn Berührungsreizen, so zeigt das Tier die Rückziehreaktion nicht mehr; erst nach einer Stunde tritt diese Rückziehreaktion wieder in abgeschwächter Form auf. Genauere neurophysiologische Untersuchungen ergaben für die Abnahme der Rück-ziehreaktion während dieser ersten Versuchsserie u.a. eine Inaktivierung eines Großteils der Ca2+-Kanäle in den synaptischen Endigungen der am Rückziehreflex beteiligten sensorischen Siphon-Neurone. In einer zweiten Versuchsserie wurde beobachtet, dass eine Berührung des Siphons und eine gleichzeitige elektrische Reizung am Schwanz des Tieres eine verstärkte Rückzieh-reaktion zur Folge hat. Wird diese gekoppelte Reizung mehrfach durchgeführt, kommt es anschließend auch bei alleiniger Reizung des Siphons zu einer verstärkten Rückzieh-reaktion. Je nach Intensität der durchgeführten Koppelungsreize hält diese verstärkte Reaktion Minuten, Tage oder gar Wochen an. Ursache für diese Reaktion ist eine In-aktivierung der K+-Kanäle der sensorischen Siphon-Neurone (siehe Abbildungen 2 und 3). 1.1 Beschreiben Sie die wesentlichen Prozesse, die bei der Erregungsübertragung an einer Synapse ablaufen. 3 VP 1.2 Erläutern Sie unter Zuhilfenahme der Abbildungen 2 und 3 die verstärkte Rück-

ziehreaktion der Kiemen bei gleichzeitiger Reizung von Schwanz und Siphon. 4 VP


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2.1 Die Abbildung 4 zeigt die Messergebnisse von drei neurophysiologischen Experi-

menten. Hierbei wurde die Membranspannung (das Membranpotenzial) an der postsynaptischen Membran am Motoneuron gemessen, das die Rückziehreaktion der Kiemen bewirkt. Ordnen Sie den Kurven 1 bis 3 folgende Experimente zu: a) ohne Reizung (Ausgangssituation) b) bei erstmaliger Reizung des Siphons c) bei der 16. Reizung des Siphons innerhalb kurzer Zeit. Begründen Sie Ihre Zuordnung.


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2.2 Übertragen Sie die Abbildung 4 in Ihre Reinschrift und zeichnen Sie in dieses

Diagramm die Kurve, die Sie bei gleichzeitiger Reizung von Siphon (durch Berühren) und Schwanz (durch elektrische Reizung) bei einem zuvor ungereizten Tier erwarten. Erläutern Sie. 4 VP

Weitergehende molekularbiologische Untersuchungen zur zweiten Versuchsserie ergaben, dass verstärkte Freisetzung von Serotonin zu hohen cAMP-Konzentrationen führt (vergleiche Abbildungen 2 und 3). In der Folge gelangt schließlich mehr aktivierte Proteinkinase A in den Zellkern des sensorischen Neurons. Im Zellkern verursacht diese Proteinkinase A die Bildung des Proteins U-Hydrolase. Die U-Hydrolase wiederum baut in den synaptischen Endigungen die hemmende Untereinheit der Proteinkinase A ab. Infolgedessen bleibt die Proteinkinase A länger aktiv. 3.1 Stellen Sie in einem Schema ausgehend von Serotonin den Ablauf dar, der dazu

führt, dass die Proteinkinase A länger aktiv bleibt (Größe ca. ½ Seite). 4 VP


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3.2 Entwickeln Sie aufgrund Ihrer Kenntnisse zur Kontrolle bzw. Regulation der Gen- expression eine Modellvorstellung darüber, in welcher Weise die Proteinkinase A im sensorischen Siphon-Neuron die Bildung des Enzyms U-Hydrolase steuern könnte. 3 VP

3.2 Welche biologische Bedeutung könnte die verstärkte und länger anhaltende

Rückziehreaktion für Aplysia haben? Erläutern Sie. 2 VP _____ 20 VP

Aufgabe III Der Übergang vom Landleben zum Leben im Wasser vollzog sich bei den Vorfahren der heutigen Wale im frühen Tertiär vor etwa 50 Millionen Jahren und dauerte nur rund 8 Millionen Jahre. In dieser „kurzen“ Zeit erfolgten Anpassungen an das Leben im Wasser. Heute kennt man mehr als 80 Walarten. 1.1 Nennen Sie unter Zuhilfenahme der Abbildungen 1 und 2 ausgehend vom Urhuftier

sechs Veränderungen, die als Anpassungen an die Lebensweise im Wasser zu verstehen sind. 3 VP


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1.2 Entwickeln Sie eine Hypothese, wie sich eines der von Ihnen unter 1.1 genannten

Merkmale im Verlauf der Evolution verändert haben könnte. Benutzen Sie dabei die Begriffe Mutation, Selektion, Gendrift und Isolation. 4 VP

Die mehr als 80 verschiedenen Walarten lassen sich auf eine Stammform zurückführen. Heute sind Wale über alle Ozeane verbreitet und unterscheiden sich nicht nur in der Größe, sondern auch in der Art der Ernährung. 1.3 Geben Sie eine Erklärung für die Entstehung so vieler unterschiedlicher Walarten

in relativ kurzer Zeit. 3 VP


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Der Fund eines nahezu voll-ständigen Ambulocetusskeletts veranlasste einen Forscher zu der Aussage, dieser Fund sei für die Erforschung der Walevolution ebenso bedeutend, wie der Archeopteryx für die Evolution der Vögel. Abbildung 3 zeigt Arche-opteryx. Er ist deshalb so be-deutend, weil er als Brückentier Merkmale zweier Wirbeltier-klassen aufweist. 2.1 Nennen Sie diese Wirbel-

tierklassen und entnehmen Sie aus der Abbildung 3 je zwei Merkmale, welche für diese Wirbeltierklassen typisch sind.

2.2 Diskutieren Sie unter Verwendung der Abbildung 1 und 2, ob auch Ambulocetus

als Brückentier angesehen werden kann. 3 VP In einem Museum ist der hypothetische Stammbaum der Walartigen dargestellt (Abbildung 5, siehe Blatt 4). Abbildung 4 zeigt verschiedene heute lebende und ausgestorbene Vertreter der Wale, die in diesem Stammbaum vorkommen. Neben Zahnwalen sind auch Bartenwale abgebildet.


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3. Übertragen Sie den Stammbaum (Abbildung 5) in Ihre Reinschrift. Ordnen Sie unter Angabe der Ziffern die einzelnen Vertreter in den Stammbaum ein. Benennen Sie die Kriterien für diese Zuordnung. Begründen Sie Ihre Zuordnung. 4 VP


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Im Spektrum der Wissenschaft (7/2002) kann man lesen: „Bis kurz vor Ende des 20. Jahrhunderts schien der weitere Weg der Wal-Paläontologie vorgezeichnet: Immer neue Fossilien würden immer mehr Details zu einer in wesentlichen Zügen endlich bekannten Stammesgeschichte liefern, die ihren Ursprung einstmals bei Urhuftieren genommen hatte. Doch dann erschütterten genetische Tests in den USA, Frankreich und Japan das so sicher geglaubte Gedankengebäude. Anders als die immunologischen Untersuchungen aus den 1960er Jahren legten DNA-Vergleiche nahe: Wale sind nicht nur mit den Paarhufern näher verwandt als mit allen anderen Säugern – Wale sind Paarhufer. Kein Urhuftier stand am Anfang ihrer Entwicklung, sondern ein Urpaarhufer, vermutlich ein Urflusspferd.“ 4. Immunologische Methoden (z.B. der Präzipitintest) sind heute weitgehend durch molekularbiologische Methoden abgelöst worden. Erläutern Sie eine solche molekularbiologische Methode zur Verwandtschaftsanalyse. 3 VP _____ 20 VP


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Aufgabe IV Mukoviszidose (Cystische Fibrose – CF) ist eine weit verbreitete, erbliche Erkrankung des Menschen. Molekular beruht sie auf der Mutation des CFTR-Gens, welches ein Chloridionen transportierendes Kanalprotein kodiert. Bei dieser Krankheit kommt es u.a. zur Bildung von zähflüssigem Schleim in den Lungen, wodurch das Atmen erschwert wird. 1.1 Beschreiben Sie den Aufbau eines Proteins unter Verwendung von Fach-

ausdrücken! 2 VP 1.2 Stellen Sie dar, warum Genmutationen zu Funktionsstörungen von Proteinen

führen können. 2 VP Um maßgeschneiderte Medikamente gegen genetisch bedingte Krankheiten wie die Mukoviszidose entwickeln zu können, ist die Kenntnis der Basensequenz der betroffenen Gene von großer Bedeutung. Experimentell kann diese Sequenzanalyse nach der Abbruchmethode von Frederick Sanger durchgeführt werden. Hierbei wird der zu sequenzierende DNA-Abschnitt zunächst in Einzelstränge aufgetrennt. In vier verschiedenen experimentellen Ansätzen (Abbildung 3) werden diese Einzelstränge dann repliziert. Jeder Ansatz enthält neben den notwendigen Enzymen auch kurze Primerstücke, welche den Start der Replikation ermöglichen. Allen Ansätzen werden weiterhin alle vier (radioaktiv markierten) Nukleotide sowie jeweils ein spezifisches Nukleotidanalogon zugefügt, welches in Konkurrenz zu den normalen Nukleotiden statistisch in die DNA eingebaut wird und dann zum Abbruch der Replikation führt. 2. Erläutern Sie anhand der Strukturformeln in den Abbildungen 1 und 2, worauf die Abbruchmethode molekularbiologisch beruht. 2 VP


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Folgender Genabschnitt soll anhand der Sanger-Methode sequenziert werden: ~~~~~~~ T-A-G-A-A-A-C-C-A ~~~~~~~ PRIMER 3. Welche DNA-Abbruchstränge sind für die Ansätze 3 und 4 zu erwarten? 3 VP


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Um die Unterschiede zwischen dem normalen und mutierten CFTR-Gen zu untersuchen, werden entsprechende Teilabschnitte der beiden Gene mit der Sanger-Methode sequenziert. Die vier verschiedenen Ansätze, in denen jeweils verschieden lange Ab-bruchstränge enthalten sind, werden im Anschluss gelelektrophoretisch neben-einander aufgetrennt. Bei diesem Ver-fahren erfolgt eine Trennung des ent-standenen DNA-Gemischs nach der Größe der Stränge. Kleine Moleküle wandern im elektrischen Feld sehr weit, große Moleküle legen nur eine geringe Strecke zurück und können aufgrund ihrer radioaktiven Markierung sichtbar gemacht werden. Aus dem erhaltenen Auftrennungsmuster (Abbildung 4) kann anhand der Laufstrecken indirekt die Basensequenz des untersuchten Ab-schnitts abgelesen werden.

4. Geben Sie anhand der Abbildung 4 die Basenabfolge der beiden radioaktiv markierten „Sanger-Stränge“ an. Leiten Sie daraus die Basenfolge des hierzu komplementären Strangs ab und übertragen Sie diese mithilfe der Abbildung 5 in eine Aminosäuresequenz. Vergleichen Sie die Sequenzen. 5 VP


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Heutzutage versucht man die Erkrankung mithilfe der Gentherapie zu behandeln. Zur Behandlung der Lungensymptome verwendet man Inhalationssprays, die das intakte CFTR-Gen in Form von DNA-Lipid-Vesikeln (Liposomen) enthalten. 5.1 Begründen Sie, weshalb man in Liposomen verpackte Gene in Zellen einschleusen

kann. 5.2 Geben Sie eine Erklärung, weshalb diese Therapie laufend wiederholt werden muss. 3 VP 5.3 Um die Mukoviszidose bei nachfolgenden Generationen auszuschließen, ist auch

eine Keimbahntherapie denkbar. Schildern Sie eine mögliche Vorgehensweise. 3 VP _____ 20 VP

Abitur 2006 – Biologie Haupttermin – Lösungshinweise

Bearbeitet von Hans-Jürgen Staudenmaier

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Aufgabe I 1. Enzym 1 Zucker

Alliin Thiosulfinat scharf-süßlicher Geschmack Enzym 2 Wasser (Tränenflüssigkeit) Propanthialsulfoxid (Gas) Schwefelsäure

3 VP

2.1 Schemazeichnung des elektronenmikroskopischen Bildes einer Pflanzenzelle

mit Zellkern, Mitochondrien, rauem ER (ER als Ausläufer der äußeren Kernmembran), Lysosomen; äußere Begrenzung durch Zellwand und Zellhaut, Vakuole und Chloroplasten fakultativ. 3 VP

2.2 Beschreibung des Aufbaus einer Elementarmembran: Die hydrophilen Kopfteile der Phospho- und Glykolipide (Phosphat,

Glucose) orientieren sich zum wässrigen Medium hin, die lipophilen Schwanzteile der Phospho- und Glykolipide (Fettsäurereste) werden von den Kopfteilen gegen das wässrige Medium abgeschirmt. So entsteht ein Bilayer.

Tunnelproteine durchziehen den Bilayer, integrale Proteine sind in ihn eingelagert, periphere Proteine liegen ihm auf.

Gelegentlich ragen Polysaccharidketten (Glykokalix) nach außen und tragen u.a. mit zur Spezifität einer Membran bei (z.B. unterschiedliche Zuckerketten bei den vier Blutgruppen).

Die Biomembran besteht also im wesentlichen aus einer flüssigen Lipid-Doppelschicht, in welcher Proteine schwimmen, und ist nicht starr, sondern ständig in Bewegung (Flüssig-Mosaik-Modell, fluid mosaic model).

Erläuterung der Struktur-Funktions-Zusammenhänge: - Hydrophobe Lipidbereiche sind für große, hydrophile Teilchen und

Ionen (Ladung, Hydrathülle!) nicht zu durchdringen, jedoch leicht für lipophile Teilchen. Kleinere Ionen und kleine, neutrale Moleküle (H2O, CO2) können durch die Wasserporen diffundieren.

Größere hydrophile Teilchen, voluminösere Ionen und große Moleküle (Glucose) werden durch die Tunnelproteine geschleust. Dies kann durch Diffusion oder durch aktiven Transport (ATP-Verbrauch) geschehen. Bei Transportvorgängen entgegen dem Konzentrationsgefälle ist nur ein aktiver Transport möglich, kein Transport durch Diffusion oder Osmose.

Die Membran entscheidet durch ihre Eigenschaft der Semipermeabilität, was hindurchtreten darf und was nicht: Sie selektiert (Osmose).



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- Die integralen Proteine regeln nicht nur, welche Teilchen permeieren dürfen, sondern oft auch, wann dies geschehen darf. Na+-Ionen können beispielsweise nur durch die Axonmembran treten, wenn sich an der Membranoberfläche eine bestimmte Spannungsänderung ergeben hat, durch die postsynaptische Membran kommen sie nur nach Anlagerung eines spezifischen Transmittermoleküls.

- Die Membran regelt nicht nur den Transport, sie grenzt auch die Zelle nach außen und die Kompartimente gegeneinander ab.

- Das Flüssig-Mosaik-Modell gestattet die Abschnürung von Vesikeln, die Transport- und Speicheraufgaben übernehmen (Endocytose, [Phago-cytose, Pinocytose], Exocytose [z.B. Sekretausschüttung durch Drüsenzellen]).

- Membranproteine sind oft Rezeptorproteine (Neurotransmitter, Hor-mone, Signalstoffe des Immunsystems).

- In den Chloroplasten sind die Chlorophyllmoleküle, in den Mito-chondrien die Atmungsenzyme membrangebunden. Die Entwicklung einer großen Oberfläche durch die innere Membran vervielfacht die Effektivität dieser Organellen. 3 VP

2.3 Substrat (Alliin) und Enzyme (E1, E2) müssen einen Enzym-Substrat-Kom-

plex bilden, damit Thiosulfinat bzw. Propanthialsulfoxid entstehen kann. Substrat und Enzyme werden jedoch in verschiedenen Kompartimenten ge-trennt voneinander aufbewahrt. Erst bei der mechanischen Zerstörung dieser Kompartimente (z.B. durch Anschneiden) können Alliin und die Enzyme austreten und zusammenkommen. 2 VP

3. Kühlung der Zwiebel im Eisfach:

- Gemäß der RGT-Regel arbeiten die Enzyme erheblich langsamer, - ferner ist das entstehende Propanthialsulfoxid bei tieferen Tempera-

turen erheblich weniger flüchtig; Schneiden unter Wasser:

- Propanthialsulfoxid löst sich bereits im Wasser und nicht erst in der Tränenflüssigkeit. 2 VP

4.1 Die Züchtungsmaßnahme muss das Enzym E2 ausschalten (unter Erhaltung

des Enzyms E1). Als Maßnahmen kommen Mutationszüchtung (Erhöhung der Mutationsrate durch energiereiche Strahlung, mutagene Stoffe oder Temperaturschocks) oder Zugabe eines Hemmstoffs für E2 in Betracht.

4.2 Durch Ausfall des Enzyms E2 entfällt für das Enzym E1 der Konkurrent um

das Substrat Alliin. Somit kann mehr Thiosulfat gebildet werden, der Ge-schmack intensiviert sich dabei. 4 VP



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5. geschlechtliche Fortpflanzung ungeschlechtliche Fortpflanzung nur möglich, wenn funktioniert auch - Bestäubung und - ohne Bestäubung und - Befruchtung erfolgen - ohne Befruchtung hohe genetische Variabilität genetische Variabilität nur durch durch Rekombination, somatische Mutationen, rasche Evolution keine Rekombination, Artkonstanz weite Ausbreitung nur geringe Ausbreitung

3VP20VP

Aufgabe II 1.1 APs laufen am synaptischen Endknöpfchen ein,

→ spannungsabhängige Ca2+-Kanäle öffnen sich, → synaptische Vesikel wandern zur präsynaptischen Membran, → Transmittermoleküle werden in den synaptischen Spalt ausgeschüttet, → Transmittermoleküle docken an spezifische Rezeptoren der postsynap-

tischen Membran an, → Na+-Kanäle (erregende Synapse) bzw. K+-Kanäle (hemmende Synapse)

öffnen sich, → Na+ strömt ein bzw. K+ strömt aus, → EPSP bzw. IPSP entsteht. 3 VP

1.2 Abb 2:

APs laufen am synaptischen Endknöpfchen des sensorischen Siphon-Neurons ein, → spannungsabhängige Ca2+-Kanäle öffnen sich, → synaptische Vesikel wandern zur präsynaptischen Membran, → Transmittermoleküle werden in den synaptischen Spalt ausgeschüttet, → Transmittermoleküle docken an spezifische Rezeptoren der postsynap-

tischen Membran des Motoneurons für die Kiemen an, → Na+-Kanäle öffnen sich, → Na+ strömt ein, → EPSP entsteht.



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Gleichzeitig: - G-Protein blockiert Adenylcyclase, deshalb keine Aktivierung des die K+-Kanäle blockierenden Proteins, → K+-Kanäle im synaptischen Endknöpfchen des Siphon-Neurons bleiben geöffnet / öffnen sich, → K+ strömt aus,

→ Membran des synaptischen Endknöpfchens bleibt im hyperpolarisierten Zustand.

Abb. 3: APs laufen am synaptischen Endknöpfchen des Schwanz-Neurons ein,

→ Serotonin wird ausgeschüttet, → Serotonin dockt an die spezifischen Rezeptoren der Membran des

Endknöpfchens des sensorischen Siphon-Neurons an, → Blockade der Adenylatcyclase durch das G-Protein wird dadurch

aufgehoben, → cAMP bildet sich aus ATP, → die inaktive Vorstufe des die K+-Kanäle blockierenden Proteins (=Protein-

kinase A, gehemmt) wird durch cAMP aktiviert (=Proteinkinase A, aktiv) [Näheres siehe Aufgabenteil 3.1],

→ K+-Kanäle schließen sich, → Membran der synaptischen Endknöpfchen wird nicht mehr durch aus-

strömendes K+ hyperpolarisiert, → die in Abb. 2 dargestellten Effekte (Einstrom von Ca2+, Transmitteraus-

schüttung, EPSP-Bildung) laufen stärker und länger ab, → stärkere EPSPs sind verantwortlich für verstärkte Rückziehreaktion der

Kiemen. 4 VP 2.1 Zuordnung:

a) Kurve 3 / b) Kurve 1 / c) Kurve 2. Begründung:

- Ohne Reizung des Siphons läuft am synaptischen Endknöpfchen kein AP ein, Ca2+ strömt nicht ein, Transmitter werden nicht ausgeschüttet, Na+-Kanäle nicht geöffnet, die postsynaptische Membran nicht depolarisiert (Potential bleibt bei ca. –90 mV).

- Bei erstmaliger Reizung des Siphons laufen all diese Prozesse ab, die postsynaptische Membran wird auf ca. –20 mV depolarisiert, es entsteht ein EPSP.

- Nach der 16. Reizung innerhalb kurzer Zeit ist ein Großteil des Trans-mitters noch nicht regeneriert, wegen der erheblich geringeren Anzahl zur Verfügung stehender Transmittermoleküle werden entsprechend weniger Rezeptoren der postsynaptischen Membran besetzt, die Depolarisierung fällt mit ca. –60 mV deutlich schwächer aus.



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2.2 Neue Kurve (Kurve 4) verläuft mit breiterem Plateau oberhalb von Kurve 1 (evtl. sogar mit leichter Umpolarisation). Bei gleichzeitiger Reizung beider Neurone werden wesentlich mehr Transmitter ausgeschüttet, und das EPSP an der postsynaptischen Membran des Motoneurons der Kiemen dauert deshalb länger an (Plateau) und hat eine höheren Wert (größeres EPSP). 4 VP

3.1 Serotonin

cAMP Proteinkinase A Proteinkinase A hemmende (gehemmt) *) (aktiv) Untereinheit *) nur, wenn hemmende nur bei hohen Untereinheit inaktiviert Konzentrationen Zerstörung wurde infolge verstärkter Serotonin-Freisetzung Produktion von Zellkern U-Hydrolase

4 VP

3.2 Normalerweise ist das U-Hydrolase-Gen durch einen Repressor blockiert. Die

gebildete (aktive) Proteinkinase A schaltet ihre eigene Bildung quasi selbst ab, indem sie mit ihrem allosterischen Zentrum am Repressor des U-Hydrolase-Gens andockt und dadurch dessen sterische Konformation verändert. Dadurch löst sich der Repressor vom Operator ab.

In der Folge kann RNA-Polymerase am Promotor andocken und das U-Hydrolase-Gen ablesen.

Die (aktive) Proteinkinase führt also nach dem Operon-Modell eine End-produktrepression aus. 3 VP

3.3 Die Kiemen sind sehr empfindlich. Verstärkter Fremdkontakt (z.B. mit

Feinden) löst eine verstärkte und länger anhaltende Rückziehreaktion aus, welche letztendlich einen besseren Schutz für die Kiemen bedeutet. 2 VP

_____ 20 VP



20

Aufgabe III 1.1 - Vorderextremitäten: Laufbeine

→ Ruderbeine; - Hinterextremitäten: Laufbeine → Rudimente ohne Funktion; - Beckengürtel: Aufhängung und Widerlager für Hinterextremitäten → Rudimente ohne Funktion; - Schwanz: drehrund, spitz auslaufend → Verbreiterung am Ende; - Nasenöffnung: Nasenöffnung vorn → Nasenöffnung an der Oberseite des Kopfes (Nase muss nicht mehr aus dem Wasser gestreckt werden); geringerer Widerstand beim Schwimmen im Wasser durch - stromlinienförmig gewordene Körperform, - deutlich reduziertes Haarkleid, - rückgebildete Ohrmuscheln.

3 VP

1.2 Erklärung mittels der Synthetischen Evolutionstheorie, z.B.: Verschiedene Mutationen, z.B. im Hinblick auf die Extremitäten, Bewertung der Mutanten durch die Umwelt = Selektion, positiv bewertete Mutanten geben ihr Erbgut verstärkt weiter (survival of the fittest), dadurch Veränderung des Genpools = Gendrift, verstärkte Isolation durch Bildung unterschiedlicher ökologischer Nischen (Land / Wasser, Pflanzenfresser / Fleischfresser), zunehmende Divergenz, Artbildung. 4 VP 1.3 Erstbesiedlung eines geographischen Raumes

durch eine wenig spezialisierte oder unspezialisierte Pionierform als Grundform → starke Vermehrung infolge Fehlens jeglicher Konkurrenz, → Zunahme der intraspezifischen Konkurrenz, → Separation und Einnischung als Mechanismen der Konkurrenzvermeidung, → unterschiedliche Selektionsdrücke infolge unterschiedlicher Nischen, → zunehmende Unterschiede infolge Mutation, Rekombination, Selektion, → Rassenbildung, → Artbildung (Speziation); hohe Evolutionsgeschwindigkeit (nur 10 Mio. Jahre) erklärlich durch viele ökologische Nischen (adaptive Radiation). 3 VP



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2.1 Klasse Reptilien Archaeopteryx Klasse Vögel reptilienhafte und vogelhafte

Merkmale von Archaeopteryx lange Schwanzwirbelsäule, Vorderextremitäten zu Flügeln Krallen an den Vorderextremitäten, umgebildet, Besitz von Federn, bezahnte Kiefer große Augenhöhlen

2.2 Urhuftier Ambulocetus (A) Dorudon

Hinterextremitäten deutl. ausgeprägt A Hinterextremitäten rudimentär Beckengürtel deutl. ausgeprägt A Beckengürtel rudimentär Schwanz A Fluke äußere Ohrmuschel A keine äußere Ohrmuschel Nasenöffnung vorn A Nasenöffnung oben Vorderextremitäten Laufbeine A Vorderextremitäten Ruderbeine Körperform nicht stromlinienförmig A Körperform stromlinienförmig Haarkleid deutlich ausgeprägt A(?) Haarkleid reduziert ( „A(?)“ bedeutet: aus Abb.2 nicht klar erkennbar )

Ein Vergleich der Tiere mittels Abb. 1 und Abb.2 ergibt , dass Ambulocetus kein Brückentier ist. Er steht dem Urhuftier deutlich näher als dem Dorudon. 3 VP

3.

Quartär 4 6 8 7 2 1 9 10 2 Mio 10 Mio Jung- tertiär 20 Mio 5 11 3 30 Mio Alt- tertiär 40 Mio



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Begründung der Zuordnung: - Wegen der Abstammung der Wale von den Huftieren müssen die Zahn-

wale die ältere Form sein. Die Abspaltung der jüngeren Bartenwale (3, 1, 9 und 10) erfolgte also später.

- Wegen des Besitzes einer Rückenflosse gehören 5, 4, 6 und 8 zusammen, wegen der Reduktion der Rückenflosse 11, 7 und 2 (2 und 11 als Sonder-formen mit unklarer Abspaltung). Bei 5, 4, 6 und 8 läuft außerdem der Schädel mehr oder weniger spitz zu, bei 2 und 7 ist die Schädelform stumpf.

4 VP

4. DNA-Sequenzanalyse:

Die zu untersuchende DNA muss zunächst angereichert werden. Dies kann in vivo durch Einschleusen in eine Bakterienzelle und an-schließende Replikation durch Zellteilungen geschehen (exponentielles Wachstum!) oder in vitro durch eine Polymerase-Kettenreaktion (PCR), während welcher die DNA vielfach kopiert wird (DNA-Klonierung). Hierzu benötigt man außer Nucleotiden auch Enzyme, u.a. DNAse zur Aufspaltung der DNA (Nucleotidgewinnung) und Polymerase zum Zusammenbau der semikonservativ identisch reduplizierten DNA-Moleküle. Ferner ist für optimale Bedingungen für die Enzyme zu sorgen (pH, Temperatur). Hat man genügend DNA angereichert, so erfolgt die DNA-Sequenzierung in sog. Sequenzierungsautomaten. Dies ist heute ein Standardverfahren, das routinemäßig durchgeführt wird. oder: DNA-Hybridisierung: Die DNA-Hybridisierung untersucht, wie sehr DNA-Einzelstränge verschie-dener Arten übereinstimmen. Bei hoher Übereinstimmung ist eine weitgehend komplementäre Basenpaa-rung der Einzelstränge möglich (Hybridisierung). Je größer / kleiner die Übereinstimmung ist, desto näher / weiter ist die Verwandtschaft, die Auf-spaltung in zwei unterschiedliche Linien liegt noch nicht sehr weit / schon sehr weit zurück (geringe / hohe Divergenz). Je stärker / schwächer die Hybridisierung ausfällt, desto mehr / weniger Wasserstoffbrücken bilden sich aus. Der Hybridisierungsgrad kann daher über die Schmelztemperatur der DNA ermittelt werden: je höher / niedriger die Schmelztemperatur, desto enger / weiter sind die verglichenen Arten miteinander verwandt.

oder: Aminosäure-Sequenzanalyse: Dieses Verfahren gibt weniger zuverlässige Auskünfte als die beiden ande-ren, weil Abweichungen in der Basensequenz der DNA nicht erkannt wer-den, falls diese wegen der Degeneration des genetischen Codes ohne Aus-wirkung bleiben.

3VP20VP



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Aufgabe IV 1.1 Primärstruktur: Verknüpfung von Aminosäuren über Peptidbindungen; Primärstruktur ist die Reihenfolge der Aminosäuren; Sekundärstruktur: α-Helix (oder Faltblatt), ca. 3-4 Aminosäuren pro Helix-Windung; Tertiärstruktur: Raumstruktur. 2 VP 1.2 Genmutationen bedeuten eine Veränderung der Primärstruktur. Dadurch

verlieren viele Bindungspaare (Disulfidbrücken, Coulombsche Anziehungen, Wasserstoffbrücken, van-der-Waals-Kräfte) einen der Bindungspartner, wodurch die Raumstruktur genau so nicht mehr aufrecht erhalten werden kann. 2 VP

2. Die Veresterung der Desoxyribose mit der Phosphatgruppe der benachbar-

ten Desoxyribose erfolgt über die 3’-OH-Gruppe. Diese fehlt beim Nukleotid-analogon: „dd“ bedeutet „di-desoxy“. Wird ein solches Analogon eingebaut, kann wegen der nicht möglichen Verknüpfung die Replikation nicht mehr fort-gesetzt werden. 2 VP

3. Ansatz 3: ~~~T-A-G-A-A-A-C-C-A~~~

~~~A-T-C (Abbruch durch ddCTP)

Ansatz 4: ~~~T-A-G-A-A-A-C-C-A~~~ ~~~A-T (Abbruch durch ddTTP)

~~~T-A-G-A-A-A-C-C-A~~~ ~~~A-T-C-T (Abbruch durch ddTTP)

~~~T-A-G-A-A-A-C-C-A~~~ ~~~A-T-C-T-T (Abbruch durch ddTTP)

~~~T-A-G-A-A-A-C-C-A~~~ ~~~A-T-C-T-T-T (Abbruch durch ddTTP)

~~~T-A-G-A-A-A-C-C-A~~~ ~~~A-T-C-T T-T-G-G-T (Abbruch durch ddTTP)

3 VP



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4. Wichtige Vorbemerkung: Die Aufgabe ist mit der vorgegebenen Aufgabenstellung nicht lösbar, weil bei Abb.3 Beschriftungen vertauscht wurden und daher die Abb.3 und Abb.4 zueinander im Widerspruch stehen! Wenn in Abb.4 die Reihenfolge „Ansätze 1, 2, 3, 4“ und die Reihenfolge der Basen „G, A, T, C“ erhalten bleiben sollen, müssen folgende Änderungen in Abb.3 vorgenommen werden: Ansatz 1: lies „+ ddGTP“ statt „+ ddATP“, Ansatz 2: lies „+ ddATP“ statt „+ ddGTP“, Ansatz 3: lies „+ ddTTP“ statt „+ ddCTP“, Ansatz 4: lies „+ ddCTP“ statt „+ ddTTP“. Auswertung der Gelelektrophoresen:

Normales CFTR-Gen: „SANGER-Strang“: ATC ATC TTT GGT GTT TCC TAT GAT komplementärer Strang: TAG TAG AAA CCA CAA AGG ATA CTA m-RNA-Strang: AUC AUC UUU GGU GUU UCC UAU GAU AS-Sequenz: Ile Ile Phe Gly Val Ser Tyr Asp Mutiertes CFTR-Gen: „SANGER-Strang“: ATC ATT GGT GTT TCC TAT GAT GAA komplementärer Strang: TAG TAA CCA CAA AGG ATA CTA CTT m-RNA-Strang: AUC AUU GGU GUU UCC UAU GAU GAA AS-Sequenz: Ile Ile Gly Val Ser Tyr Asp Glu Vergleich der AS-Sequenzen beider Gene: Beim mutierten Gen ist das Triplett „TTT“ de facto ausgefallen, die Ami-

nosäure Phe wird damit nicht mehr codiert und fällt aus. Die übrige Ami-nosäuresequenz bleibt unverändert.

5 VP

5.1 Zellmembran und Liposomen sind beide aus Lipiden aufgebaut. Liposomen,

die das CFTR-Gen transportieren, werden daher problemlos in die Membranen der Zellen des Lungenepithels integriert.

5.2 Die Zellen des Lungenepithels haben nur eine begrenzte Lebensdauer und werden durch neue, nicht „dotierte“ Zellen ersetzt. Deshalb muss die Anwendung regelmäßig wiederholt werden. 3 VP

5.3 Eingriffe in die menschliche Keimbahn sind in Deutschland gesetzlich ver-

boten, es gibt demnach keine legale Vorgehensweise, um Nachkommen von an Mukoviszidose Erkrankten über eine Keimbahntherapie davor zu schützen, diese Krankheit vererbt zu bekommen. Vergleichbare Versuche mit Eingriffen in die Keimbahn von Mäusen sind teilweise gelungen, die Methode ist inzwischen Standard, aber schwierig durchzuführen.

Zur Durchführung einer solchen Keimbahntherapie müsste das normale CFTR-Gen kloniert und durch Injektion in Gametenzellkerne übertragen werden. Allerdings wird die Fremd-DNA nur zu einem sehr geringen Prozentsatz eingebaut. Selbst bei legaler Anwendung wäre das Verfahren mit sehr großen Unsicherheiten behaftet. 3 VP

20 VP

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