B – GK 2015-1 Grundkurs Biologie (Berlin

Grundkurs Biologie (Berlin): Abituraufgaben 2015
Aufgabe A1: Physiologische Grundlagen ausgewählter Lebensprozesse
Thema: Stofftransport an Synapsen
Wie erfolgt innerhalb einer menschlichen Zelle die Steuerung des Transportes von
Stoffen genau zum richtigen Zeitpunkt? Diese Frage beantworteten die Medizinnobelpreisträger von 2013 mit ihren Forschungsarbeiten zum vesikulären Transportsystem. Versagt dieses, z. B. durch die Einwirkung von Giftstoffen, sind gesundheitliche Folgen unvermeidlich.
Quelle: Osterkamp, J.: Wie Zellen Moleküle von A nach B versenden, In: Spektrum der Wissenschaft,
Dezember (2013), S. 14 –16
Aufgaben
1 Skizzieren und beschriften Sie eine tierische Zelle mit mindestens sechs
Zellbestandteilen. Geben Sie deren Funktionen an.
Erklären Sie die Bedeutung der Kompartimentierung.
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2 Erklären Sie den Stofftransport bei der Erregungsübertragung an Synapsen
mit Hilfe von M 1 und Ihren Kenntnissen der neurobiologischen Vorgänge.
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3 Stellen Sie mit Hilfe der Materialien die Wirkungsweise des Tetanus-Giftes
in einem Fließschema dar.
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4 Vergleichen Sie tabellarisch die Wirkungsweise des Tetanus-Giftes mit
dem Gift der schwarzen Witwe anhand von drei Kriterien.
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5 Prüfen Sie mithilfe von M 1 die Behauptung, dass der Transportmechanismus im Inneren eukaryotischer Zellen evolutionär sehr alt ist.
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Material 1: Nobelpreis für Physiologie und Medizin 2013
Der Nobelpreis für Medizin 2013 ging an die beiden Amerikaner JAMES E. ROTHSCHEKMAN sowie an den aus Göttingen stammenden
MAN und RANDY W.
THOMAS C. SÜDHOF.
RANDY SCHEKMAN hat 23 Gene identifiziert, die jeweils an verschiedenen Stadien
des Vesikeltransports in der Hefezelle beteiligt sind. Er experimentierte dazu mit der
Bäckerhefe, einem einfach gebauten und deshalb vergleichsweise leicht zu handhabenden einzelligen Pilz. Solche einzelligen Pilze gehören mit zu den evolutionsbiologisch ältesten Organismen.
JAMES ROTHMAN arbeitete mit Zellen von Säugetieren. Er konnte zeigen, dass die
Transportvesikel ihren Bestimmungsort über die Erkennung zueinander passender
Proteine finden. Die Vesikel tragen ein Protein auf der Oberfläche, das zu genau
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einem Eiweiß am Zielort passt. Die beiden Proteine greifen wie die Teile eines Reißverschlusses ineinander. Nur wenn die eine Seite zur anderen Seite passt, hat das
Vesikel die richtige Andockstelle gefunden. In der Zelle gibt es mehrere zueinander
passende Kombinationen, über die der Transport gesteuert wird. Die von ROTHMAN
entdeckten Proteine werden durch Erbgutabschnitte kodiert, die mit den von
SCHEKMAN gefundenen Genen der Hefe fast identisch sind.
THOMAS SÜDHOF hat untersucht, auf welches Signal hin Nervenzellen ihre Botenstoffe in den synaptischen Spalt abgeben. SÜDHOF hat gezeigt, dass die Zelle das
Signal für das Freisetzen der Neurotransmitter über den Einstrom von Calcium-Ionen
erhält. Die Calcium-Ionen docken an das Protein Synaptotagmin an, welches sich
dann an die reißverschlussähnliche Fusionsstelle zwischen Neuronenmembran und
Vesikelmembran bindet. Die Membranen der Vesikel verschmelzen erst auf dieses
Signal hin mit der präsynaptischen Membran. Daraufhin öffnet sich der Reißverschluss zwischen Vesikel und Membran und die Botenstoffe werden in den Spalt entlassen.
Quelle: Osterkamp, J.: Wie Zellen Moleküle von A nach B versenden, In: Spektrum der Wissenschaft,
Dezember (2013), S. 14 –16
Stofftransport aus Vesikeln
Quelle: picture-alliance/ dpa-Grafik
Material 2: Die Wirkung von Giften
Manche Krankheitserreger, wie z. B. Tetanus-Bakterien, produzieren Gifte, die in das
Zentralnervensystem gelangen können. Dort greift das Tetanus-Toxin das Protein
Synaptotagmin in hemmenden Synapsen von Motoneuronen an und blockiert es, wodurch die Freisetzung hemmender Neurotransmitter gestört ist. Dadurch kommt es
zur unkontrollierten Aktivierung der Motoneuronen und zu andauernden und zuckenden Verkrampfungen der Skelettmuskulatur.
Nach: Wikipedia, Die freie Enzyklopädie. Artikel „Tetanus“. Lizenziert unter cc-by-sa-3.0
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Das Gift der Schwarzen Witwe, einer Netzspinne, erzeugt bei den Beutetieren eine
Lähmung der Muskulatur. Die wirksamste Substanz des Witwengiftes ist das αLatrotoxin. Es bindet sich an ein Protein (Neurexine) auf der präsynaptischen Membran erregender Synapsen, wodurch sich Kanäle für Calcium-Ionen öffnen. Das Gift
verursacht auch dann eine Transmitterfreisetzung, wenn keine Calcium-Ionen in die
Synapse einströmen. Nach Gifteinwirkung kommt es durch die Entstehung sog. Fusionsporen zur gleichzeitigen und irreversiblen Entleerung aller synaptischen Vesikel
in den Spalt. Die folgende Abbildung zeigt die Wirkung von α-Latrotoxin auf eine
Synapse.
Quelle: verändert nach: Krull, H., Bickel, H., Beyer, I.: Spinnengift als molekulare Sonde
(Kopiervorlage), In: Natura Themenheft Neurobiologie, Lehrerband, Ernst Klett Verlag GmbH,
Stuttgart 2007, S. 29
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Lösungsvorschläge
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Hier geht es im Wesentlichen darum, gelerntes biologisches Grundwissen grafisch und textlich übersichtlich und strukturiert darzustellen.
Zunächst soll eine beschriftete Skizze einer tierischen Zelle angefertigt werden,
die nicht zu detailliert und anspruchsvoll sein sollte, sie sollte aber die Elemente
enthalten, die zur Erläuterung der Funktion der Zellorganellen und der Kompartimentierung absolut notwendig sind.
Die Skizze sollte für das Erreichen der vollen BE-Zahl mindestens die Benennung folgender Strukturen enthalten:
Zellmembran (Zeichnung als Doppelschicht ist nicht notwendig), Zellkern, Mitochondrium, Endoplasmatisches Retikulum (ER), Dictyosom / Golgi-Vesikel, Ribosomen.
Skizze:
Angabe der Funktionen:
– Zellmembran: Abgrenzung gegenüber der Außenwelt, Ermöglichung eines gezielten Stofftransports
– Zellkern: Speicher für DNA und über die DNA Steuerung sämtlicher Stoffwechselvorgänge in der Zelle
– Mitochondrium: Ort der Zellatmung, Gewinnung von Stoffwechselenergie in
Form von ATP
– ER: Stofftransport
– Dictyosomen / Golgi-Vesikel: Stoffwechsel und Stofftransport
– Ribosomen: Umsetzung der genetischen Information in Eiweißmoleküle (Proteinbiosythese)
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Bedeutung der Kompartimentierung:
Die einzelnen Kompartimente sind gegenüber dem Zytoplasma durch Membranen abgegrenzt (= kompartimentiert), damit die darin stattfindenden Stoffwechselprozesse ähnlich wie in einem Reagenzglas in einem geschlossen Raum stattfinden können. So können auch gegenläufige Prozesse gleichzeitig ablaufen, die
Zelle ist dadurch leistungsfähiger.
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Hier geht es um die Verknüpfung von eigenen Grundkenntnissen mit neuen, vertiefenden Informationen aus dem Material 1.
Die Anfertigung einer Skizze der Synapse ist in der Aufgabenstellung nicht gefordert und sollte daher unterbleiben, zumal in Material 2 eine Skizze enthalten ist,
die als Erinnerungshilfe genutzt werden kann.
Es muss im Text deutlich werden, dass hier die elektrische Erregungsleitung auf
dem Axon durch eine chemische Übertragung unterbrochen wird. Es ist dabei
unbedingt der häufig gemachte Fehler zu vermeiden, dass von Reizleitung statt
von Erregungsleitung gesprochen wird. Die Entstehung und Weiterleitung eines
Aktionspotenzials muss hier nicht detailliert beschrieben werden, da die Aufgabenstellung dies nicht fordert.
Erklärung der chemischen Übertragung der Erregung und der Stofftransporte:
– Ankunft eines Aktionspotenzials (AP) am Axonendknöpfchen
– Öffnung der spannungsgesteuerten Ca2+-Kanäle, Einstrom von Ca2+-Ionen in
das synaptische Endknöpfchen
– Andocken der Ca2+-Ionen an das Protein Synaptotagmin, dieses Protein bindet
sich an die reißverschlussähnliche Struktur zwischen präsynaptischer Membran und Vesikelmembran
– Verschmelzung der beiden Membranen, dadurch Öffnung der Vesikel zum
synaptischen Spalt
– Ausschüttung von Transmitter-Molekülen (z. B. Acetylcholin ACh) aus den
synaptischen Bläschen in den synaptischen Spalt
– Diffusion der Transmitter-Moleküle durch den synaptischen Spalt und Anlagerung an die Transmitter-Rezeptoren an den Na+-Kanälen
– Öffnen der Na+-Kanäle und Einstrom von Na+-Ionen
– Auslösung einer neuen Depolarisation (postsynaptisches Potenzial)
– Ablösen der Transmitter von den Rezeptoren, Transmitter werden von Enzym
gespalten und wieder in synaptische Bläschen aufgenommen
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