BI19_x_G_HT_GG.pdf
Dieses Dokument ist Teil der Anfrage „Abiturklausuren“
BI GK HT 1 (GG) Seite 1 von 4 Name: _______________________ Abiturprüfung 2019 Biologie, Grundkurs Aufgabenstellung: Thema: Neues Gift zur Blattlausbekämpfung 1. Erklären Sie den in Abbildung 1A gezeigten Verlauf eines Aktionspotenzials. Fassen Sie die Ergebnisse mit Pyrethroid-Zugabe (Abbildung 1B) zusammen und deuten Sie diese im Hinblick auf die neurophysiologische Wirkung der Pyrethroide und auf die Folgen für das Insekt (Material A). (20 Punkte) 2. Ermitteln Sie den bei der L1014F-Mutation vorliegenden Mutationstyp (Materialien B und D) und erläutern Sie die Auswirkungen der Mutation auf das gebildete Polypeptid (Materialien A, B und D). Stellen Sie in einem Fließschema die mögliche Entstehung einer erhöhten Anzahl resistenter Grüner Pfirsichläuse innerhalb einer Population dar (Material B). (18 Punkte) 3. Werten Sie die in Abbildung 4 gezeigten Ergebnisse unter Berücksichtigung der neuro- physiologischen Wirkungsweise des Toxins Hv1a aus (Material C). Bewerten Sie den Einsatz des Hv1a/GNA-Fusionsproteins in der Landwirtschaft (Materialien A bis C). (16 Punkte) Zugelassene Hilfsmittel: ● ● GTR (Grafikfähiger Taschenrechner) oder CAS (Computer-Algebra-System) Wörterbuch zur deutschen Rechtschreibung Abiturprüfung 2019 – Nur für den Dienstgebrauch!
BI GK HT 1 (GG) Seite 2 von 4 Name: _______________________ Material A: Blattlausbekämpfung mit klassischen Insektiziden Blattläuse sind Schädlinge, die auch bedeutende Agrarpflanzen befallen. Sie ernähren sich von Pflanzensäften, die sie mit ihrem Saugrüssel aus den Pflanzen saugen. Zur Bekämpfung der Blattläuse werden in der Landwirtschaft klassischerweise Insektizide eingesetzt. Dabei kommen auch Insektizide aus der Gruppe der Pyrethroide zum Einsatz. + Na -Ionenkanäle Pyrethroide binden an spannungsabhängige in Nervenzellen. In einem Ex- periment wurden die Auswirkungen von Pyrethroiden auf Nervenzellen von Insekten unter- sucht: Abbildung 1 Bildung von Aktionspotenzialen nach einmaliger überschwelliger Depolarisation der Axonmembran. A ohne Pyrethroid-Zugabe; B mit Pyrethroid-Zugabe Material B: Pyrethroid-Resistenzen in Blattlaus-Populationen Mittlerweile sind bei vielen Blattlaus- und anderen Insektenarten Mutationen in dem für den + spannungsabhängigen Na -Ionenkanal codierenden Gen nachgewiesen, die zu einer verminder- ten Wirksamkeit der Pyrethroide führen. Diese Mutationen breiten sich innerhalb der einzelnen Populationen aus. Eine weit verbreitete Mutation trägt die Bezeichnung L1014F (Abbildung 2). Diese Mutation tritt auch bei der Grünen Pfirsichlaus (Myzus persicae) auf. Wildtyp L1014F-Mutante 5ʹ→ 1011 ATT ATT Triplett-Nummer 1012 1013 1014 1015 GGT AAC CTC GTG 1016 →3ʹ GTC GGT GTC AAC TTC GTG Abbildung 2 Ausschnitt aus dem nicht-codogenen Strang des Gens, das für den spannungsabhängigen Na+-Ionenkanal codiert. Abiturprüfung 2019 – Nur für den Dienstgebrauch!
BI GK HT 1 (GG) Seite 3 von 4 Name: _______________________ Material C: Alternativer Ansatz der Blattlausbekämpfung mit einem Spinnentoxin Zur Bekämpfung pyrethroid-resistenter Insekten versu- chen Forscher u. a. die Toxine giftiger Spinnen zu nut- zen. Forscher untersuchten dazu die Eignung eines aus den beiden Proteinen Hv1a und GNA zusammengesetz- ten Fusionsproteins (Abbildung 3). Abbildung 3 Aufbau des Fusions- proteins Hv1a/GNA Hv1a ist ein Toxin der Australischen Trichternetzspinne 2+ (Hadronyche versuta), das spezifisch spannungsabhängige Ca -Ionenkanäle an Synapsen von vielen Insektenarten hemmt, jedoch keinen Effekt auf Säugetiere zeigt. Das Protein GNA der Schneeglöckchen-Pflanze dient als Trägerprotein, indem es das Hv1a-Toxin nach oraler Auf- nahme aus dem Darm zum zentralen Nervensystem der Insekten führt. In Experimenten konnte gezeigt werden, dass das Hv1a/GNA-Fusionsprotein nur in einem sehr geringen Maß giftig auf Honigbienen wirkt. Um die Auswirkung des Fusionsproteins auf die Sterblichkeit von Grünen Pfirsichläusen zu ermitteln, wurde das Fusionsprotein dem Futter die- ser Insekten beigemischt und die Überlebensrate über einen Zeitraum von elf Tagen bestimmt (Abbildung 4). Dabei wurden sowohl der Wildtyp als auch solche Grünen Pfirsichläuse unter- sucht, welche eine L1014F-Mutation trugen. Abbildung 4 Überlebensrate von Wildtyp und L1014F-Mutante der Grünen Pfirsichlaus mit und ohne Zugabe von Hv1a/GNA-Futter. Die Messwerte der L1014F-Mutante ohne Zugabe von Hv1a/GNA entspra- chen den Werten des Wildtyps ohne Hv1a/GNA-Zugabe und sind in der Abbildung nicht gezeigt. Abiturprüfung 2019 – Nur für den Dienstgebrauch!
BI GK HT 1 (GG) Seite 4 von 4 Name: _______________________ Material D: Codesonne und Tabelle zum genetischen Code Erste Base 5′ U C A G U Phe Phe Leu Leu Leu Leu Leu Leu Ile Ile Ile ►Met Val Val Val Val Zweite Base C A Ser Tyr Ser Tyr Ser ■ Ser ■ Pro His Pro His Pro Gln Pro Gln Thr Asn Thr Asn Thr Lys Thr Lys Ala Asp Ala Asp Ala Glu Ala Glu G Cys Cys ■ Trp Arg Arg Arg Arg Ser Ser Arg Arg Gly Gly Gly Gly Dritte Base 3′ U C A G U C A G U C A G U C A G Abiturprüfung 2019 – Nur für den Dienstgebrauch!
Ministerium für Schule und Bildung NRW BI GK HT 1 (GG) Seite 1 von 9 Unterlagen für die Lehrkraft Abiturprüfung 2019 Biologie, Grundkurs 1. Aufgabenart Bearbeitung einer Aufgabe, die fachspezifisches Material enthält 2. Aufgabenstellung 1 Thema: Neues Gift zur Blattlausbekämpfung 1. Erklären Sie den in Abbildung 1A gezeigten Verlauf eines Aktionspotenzials. Fassen Sie die Ergebnisse mit Pyrethroid-Zugabe (Abbildung 1B) zusammen und deuten Sie diese im Hinblick auf die neurophysiologische Wirkung der Pyrethroide und auf die Folgen für das Insekt (Material A). (20 Punkte) 2. Ermitteln Sie den bei der L1014F-Mutation vorliegenden Mutationstyp (Materialien B und D) und erläutern Sie die Auswirkungen der Mutation auf das gebildete Polypeptid (Materialien A, B und D). Stellen Sie in einem Fließschema die mögliche Entstehung einer erhöhten Anzahl resistenter Grüner Pfirsichläuse innerhalb einer Population dar (Material B). (18 Punkte) 3. Werten Sie die in Abbildung 4 gezeigten Ergebnisse unter Berücksichtigung der neurophysiologischen Wirkungsweise des Toxins Hv1a aus (Material C). Bewerten Sie den Einsatz des Hv1a/GNA-Fusionsproteins in der Landwirtschaft (Materialien A bis C). (16 Punkte) 3. Materialgrundlage Material A Abbildung 1 verändert nach: Shafer et al., 2005, Abb. 3, S. 126 ● Material B Abbildung 2 verändert nach: Martinez-Torres et al., 1999, Abb. 1, S. 341 ● Material C Abbildung 3 verändert nach: Pyati et al., 2014, Abb. 1a, S. 1239 Abbildung 4 verändert nach: Yang, Fitches et al., 2014, Abb. 3A, S. 955 ● 1 Die Aufgabenstellung deckt inhaltlich alle drei Anforderungsbereiche ab. Abiturprüfung 2019 – Nur für den Dienstgebrauch!
Ministerium für Schule und Bildung NRW BI GK HT 1 (GG) Seite 2 von 9 ● ● ● ● ● ● ● ● Bass, C., Puinean, A. M., Zimmer, C. T., Denholm, I., Field, L. M., … Williamson, M. S. (2014). The evolution of insecticide resistance in the peach potato aphid, Myzus persicae. Insect Biochemistry and Molecular Biology, 51, 41–51. https://doi.org/10.1016/j.ibmb.2014.05.003 Fitches, E. C., Pyati, P., King, G. F. & Gatehouse, J. A. (2012). Fusion to Snowdrop Lectin Magnifies the Oral Activity of Insecticidal ω-Hexatoxin-Hv1a Peptide by Enabling Its Delivery to the Central Nervous System. PLOS ONE, 7(6), e39389. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0039389 Martinez-Torres, D., Foster, S. P., Field, L. M., Devonshire, A. L. & Williamson, M. S. (1999). A sodium channel point mutation is associated with resistance to DDT and pyrethroid insecticides in the peach-potato aphid, Myzus persicae (Sulzer) (Hemiptera: Aphididae). Insect Molecular Biology, 8(3), 339–346. https://doi.org/10.1046/j.1365- 2583.1999.83121.x Nakasu, E. Y. T., Williamson, S. M., Edwards, M. G., Fitches, E. C., Gatehouse, J. A., … Gatehouse, A. M. R. (2014). Novel biopesticide based on a spider venom peptide shows no adverse effects on honeybees. Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences, 281(1787), 20140619. https://doi.org/10.1098/rspb.2014.0619 Pyati, P., Fitches, E. & Gatehouse, J. A. (2014). Optimising expression of the recombinant fusion protein biopesticide ω-hexatoxin-Hv1a/GNA in Pichia pastoris: sequence modifications and a simple method for the generation of multi-copy strains. Journal of Industrial Microbiology & Biotechnology, 41(8), 1237–1247. https://doi.org/10.1007/s10295-014-1466-8 Shafer, T. J., Meyer, D. A. & Crofton, K. M. (2005). Developmental Neurotoxicity of Pyrethroid Insecticides: Critical Review and Future Research Needs. Environmental Health Perspectives, 113(2), 123–136. https://doi.org/10.1289/ehp.7254 Yang, S., Fitches, E., Pyati, P. & Gatehouse, J. A. (2014). Effect of insecticidal fusion proteins containing spider toxins targeting sodium and calcium ion channels on pyrethroid-resistant strains of peach-potato aphid (Myzus persicae). Pest Management Science, 71(7), 951–956. https://doi.org/10.1002/ps.3872 Yang, S., Pyati, P., Fitches, E. & Gatehouse, J. A. (2014). A recombinant fusion protein containing a spider toxin specific for the insect voltage-gated sodium ion channel shows oral toxicity towards insects of different orders. Insect Biochemistry and Molecular Biology, 47, 1–11. https://doi.org/10.1016/j.ibmb.2014.01.007 Abiturprüfung 2019 – Nur für den Dienstgebrauch!
Ministerium für Schule und Bildung NRW BI GK HT 1 (GG) Seite 3 von 9 4. Bezüge zum Kernlehrplan und zu den Vorgaben 2019 Die Aufgaben weisen vielfältige Bezüge zu den Kompetenzerwartungen und Inhaltsfeldern des Kernlehrplans bzw. zu den in den Vorgaben ausgewiesenen Fokussierungen auf. Im Folgenden wird auf Bezüge von zentraler Bedeutung hingewiesen. 1. Inhaltsfelder und inhaltliche Schwerpunkte Neurobiologie ● Aufbau und Funktion von Neuronen ● Neuronale Informationsverarbeitung und Grundlagen der Wahrnehmung Genetik ● Proteinbiosynthese ● Gentechnik Evolution ● Grundlagen evolutiver Veränderungen Ökologie ● Mensch und Ökosysteme 2. Medien/Materialien ● entfällt 5. ● ● Zugelassene Hilfsmittel GTR (Grafikfähiger Taschenrechner) oder CAS (Computer-Algebra-System) Wörterbuch zur deutschen Rechtschreibung Abiturprüfung 2019 – Nur für den Dienstgebrauch!
Ministerium für Schule und Bildung NRW BI GK HT 1 (GG) Seite 4 von 9 6. Vorgaben für die Bewertung der Schülerleistungen Teilleistungen – Kriterien a) inhaltliche Leistung Teilaufgabe 1 Anforderungen maximal erreichbare Punktzahl 1 erklärt den in Abbildung 1A gezeigten Verlauf eines Aktionspotenzials, sinngemäß: ● Wird das Axon bis über einen bestimmten Wert (Schwellenwert) hinaus depolari- + siert, öffnen sich spannungsabhängige Na -Ionenkanäle. + ● Aufgrund des Konzentrationsgradienten und des Ladungsgefälles diffundieren Na - Ionen aus dem umgebenden Medium in das Axon, wodurch es zu einer Depolarisa- tion der Membran in den positiven Messbereich kommt (+30 mV). + ● Die Na -Ionenkanäle schließen sich nach 1–2 ms wieder und bleiben für eine kurze Zeit inaktiv. + ● Aufgrund der Depolarisation öffnen sich langsam spannungsabhängige K -Ionen- kanäle. + ● Der Ausstrom von K -Ionen bewirkt die Repolarisation, d. h. die Rückkehr des Membranpotenzials zum Ruhepotenzial. + ● Da sich die K -Ionenkanäle langsam schließen, entsteht eine Hyperpolarisation der Membran, d. h., das Membranpotenzial nimmt kurzzeitig negativere Werte an als das Ruhepotenzial. 8 2 fasst die Ergebnisse mit Pyrethroid-Zugabe (Abbildung 1B) zusammen, sinngemäß: ● Nach Pyrethroid-Zugabe bewirkt eine einmalige überschwellige Depolarisation mehrere Aktionspotenziale, wobei nach jedem Aktionspotenzial die Zellmembran weniger stark repolarisiert und die Amplituden bei jedem neuen Aktionspotenzial dementsprechend geringer werden. ● Nach dem dritten Aktionspotenzial erfolgt kein weiteres. Das Membranpotenzial bleibt konstant, jedoch deutlich über dem Wert des Ruhepotenzials. 4 3 deutet diese im Hinblick auf die neurophysiologische Wirkung der Pyrethroide und auf die Folgen für das Insekt (Material A), z. B.: ● Dies lässt darauf schließen, dass Pyrethroide eine andauernde Depolarisation der A- xonmembran bewirken. + ● Pyrethroide binden an spannungsabhängige Na -Ionenkanäle und bewirken eine längere Öffnung bzw. eine verlangsamte Inaktivierung der Kanäle. + ● Dadurch strömen dauerhaft Na -Ionen in das Axon und das Membranpotenzial bleibt konstant positiver als das Ruhepotenzial (allmählicher Zusammenbruch des elektrochemischen Gradienten). (Alternative sachlogische Lösungen werden entsprechend gewertet.) 4 4 deutet diese im Hinblick auf die neurophysiologische Wirkung der Pyrethroide und auf die Folgen für das Insekt (Material A), z. B.: ● Durch den Zusammenbruch des Ruhepotenzials ist das Axon nicht mehr erregbar. ● Die Erregungsweiterleitung an den Neuronen wird somit unterbunden, was letztlich zum Tod des Insekts führt. 4 5 erfüllt ein weiteres aufgabenbezogenes Kriterium. (2) Der Prüfling Abiturprüfung 2019 – Nur für den Dienstgebrauch!
Ministerium für Schule und Bildung NRW BI GK HT 1 (GG) Seite 5 von 9 Teilaufgabe 2 Anforderungen maximal erreichbare Punktzahl 1 ermittelt den bei der L1014F-Mutation vorliegenden Mutationstyp (Materialien B und D), sinngemäß: ● Bei der L1014F-Mutante hat an der ersten Position des 1014. Tripletts ein Basen- austausch (T anstelle von C) stattgefunden. ● Dies führt zum Einbau der Aminosäure Phenylalanin anstelle von Leucin in das Po- lypeptid. Es handelt sich daher um eine Missense-Mutation. 4 2 erläutert die Auswirkungen der Mutation auf das gebildete Polypeptid (Materialien A, B und D), z. B.: ● Der Einbau einer anderen Aminosäure hat Einfluss auf die verschiedenen Struktur- ebenen (Primär-, Sekundär- und Tertiärstruktur) sowie auf die Funktion des gebil- deten Polypeptids (hier: spannungsabhängiger Na+-Ionenkanal). ● Da die Mutation eine Resistenz gegenüber Pyrethroiden vermittelt, könnte die Mu- tation die Bindung der Insektizide an den Kanal verringern, sodass diese wirkungs- los bleiben. (Geht der Prüfling z. B. darauf ein, dass die Mutation offenbar nicht mit einer Funkti- onseinschränkung des Kanals verbunden ist, da die L1014F-Mutation bei Grünen Pfirsichläusen keine Fitnesseinschränkungen mit sich bringt, so stellt dies ggf. ein weiteres aufgabenbezogenes Kriterium dar.) 6 3 stellt in einem Fließschema die mögliche Entstehung einer erhöhten Anzahl resistenter Grüner Pfirsichläuse innerhalb einer Population dar (Material B), z. B.: 8 Der Prüfling Entstehung resistenter Grüner Pfirsichläuse durch eine zufällige Mutation Einsatz von Pyrethroiden Absterben wildtypischer (nicht-resistenter) Grüner Pfirsichläuse Selektionsvorteil der Träger des L1014F-Allels vermehrte Weitergabe des Allels Erhöhte Anzahl an resistenten Grünen Pfirsichläusen (Alternative fachlich korrekte Lösungen sind zu akzeptieren. Die volle Punktzahl darf nur vergeben werden, wenn der Prüfling ein im Umfang vergleichbares Fließschema darstellt. Überlegungen zu Fitness und Allelfrequenzen stellen ggf. ein weiteres aufga- benbezogenes Kriterium dar.) 4 erfüllt ein weiteres aufgabenbezogenes Kriterium. (2) Abiturprüfung 2019 – Nur für den Dienstgebrauch!
Ministerium für Schule und Bildung NRW BI GK HT 1 (GG) Seite 6 von 9 Teilaufgabe 3 Anforderungen maximal erreichbare Punktzahl 1 wertet die in Abbildung 4 gezeigten Ergebnisse unter Berücksichtigung der neurophy- siologischen Wirkungsweise des Toxins Hv1a aus (Material C), z. B.: ● Ohne die Zugabe von Hv1a/GNA überlebten die meisten der Wildtyp-Läuse. Bei Zugabe des Fusionsproteins Hv1a/GNA waren nach 6 Tagen alle Wildtyp-Läuse tot. Dies spricht für eine zeitverzögerte, effektive toxische Wirkung des Fusions- proteins. ● Das Fusionsprotein zeigte ebenfalls eine tödliche Wirkung auf die L1014F-Mutan- ten, wobei die Überlebensrate erst nach 9 Tagen auf 0 % sank. 2+ ● Das Toxin Hv1a hemmt spezifisch spannungsabhängige Ca -Ionenkanäle an che- 2+ mischen Synapsen von vielen Insektenarten und verhindert so den Ca -Ionen- einstrom in die Präsynapse und die Neurotransmitterausschüttung in den synapti- schen Spalt. ● Dadurch wird die Erregungsweiterleitung unterbunden. Dies kann z. B. Lähmungs- erscheinungen bewirken, die zum Tod führen können. ● GNA befördert das Toxin Hv1a an seinen Wirkort im zentralen Nervensystem. Ohne GNA wäre Hv1a vermutlich wirkungslos. (Eine vertiefte Erläuterung der Synapsenprozesse ist nicht erforderlich und stellt ggf. ein weiteres aufgabenbezogenes Kriterium dar.) 10 2 bewertet den Einsatz des Hv1a/GNA-Fusionsproteins in der Landwirtschaft (Materia- lien A bis C), z. B.: ● Das Hv1a/GNA-Fusionsprotein wirkt auch bei solchen Grünen Pfirsichläusen, die eine L1014F-Mutation tragen, sehr effektiv und könnte daher die Schädigungen durch diese Läuse verringern und die landwirtschaftlichen Erträge steigern. ● Da Hv1a kaum giftig für bestäubende Honigbienen ist, könnte das Protein in für die Bienen unschädlichen Konzentrationen auch breiter eingesetzt werden. ● Hierfür spricht auch, dass Hv1a nicht auf Säugetiere wirkt. Eine Auswirkung z. B. auf den Menschen ist somit wahrscheinlich auszuschließen. ● Allerdings müsste auch für andere ökologisch bedeutende Insektenarten eine ent- sprechende Ungefährlichkeit nachgewiesen werden, um negative Folgen für die be- troffenen Ökosysteme auszuschließen. ● Zudem ist es möglich, dass sich auch gegen das Hv1a/GNA-Fusionsprotein Resis- tenzen entwickeln. (Zur Vergabe der vollen Punktzahl wird eine differenzierte Bewertung des Fusions- protein-Einsatzes anhand von drei Aspekten erwartet. Alternative sachlogische Lö- sungen sind zu akzeptieren.) 6 3 erfüllt ein weiteres aufgabenbezogenes Kriterium. (2) Der Prüfling b) Darstellungsleistung Anforderungen Der Prüfling ● ● ● ● führt seine Gedanken schlüssig, stringent und klar aus. strukturiert seine Darstellung sachgerecht. verwendet eine differenzierte und präzise Sprache. gestaltet seine Arbeit formal ansprechend. Abiturprüfung 2019 – Nur für den Dienstgebrauch! maximal erreichbare Punktzahl 6