BI BIL E GK ?? 1 BI LK HT 2 Seite 4 von 4 Name: _______________________ Material C: Wirkung des Skorpiongiftes auf die Erregungsleitung in den Nozizeptoren der Grashüpfermaus Abbildung 4: Spannungsmessung an Nozizeptoren der Grashüpfermaus bei langsamer künstlicher Depolarisation in Abhängigkeit von der Konzentration des Skorpiongiftes [μg/ml] Material D: Ausschnitt aus der Aminosäuresequenz des Nav1.8-Ionen- kanals der Hausmaus und der Grashüpfermaus und Wirkung des Skorpiongiftes auf die Nozizeptoren + Spannungsabhängige Na -Ionenkanäle bestehen aus vier Protein-Untereinheiten. Jede Unter- einheit besteht aus sechs sogenannten Transmembran-Segmenten, die die Membran durch- ziehen (vgl. Abbildung 5a). Zwischen den Transmembran-Segmenten fünf und sechs bildet die Aminosäurekette eine Schleife, die an der Ausbildung der Kanalpore beteiligt ist. Ein extrazellulär liegender Teil dieser Schleife wird als Linker () bezeichnet. Untersuchungen haben gezeigt, dass der Linker entscheidend für die Wirkung des Giftes bei der Grashüpfer- maus ist. Abbildung 5a: Modellhafte Darstellung einer Untereinheit des Nav1.8-Ionenkanals und Ausschnitt aus der Aminosäuresequenz des zugehörigen Proteins von Grashüpfermaus (O. torridus) und Hausmaus (M. musculus) (Die Buchstaben bezeichnen die einzelnen Aminosäuren.) Nur für den Dienstgebrauch! Abbildung 5b: + Na -Einstrom durch Nav1.8-Ionen- kanäle in Abhängigkeit von der Konzentration des Skorpiongiftes

Ministerium für Schule und Weiterbildung NRW BI LK HT 2 Seite 1 von 10 Unterlagen für die Lehrkraft Abiturprüfung 2015 Biologie, Leistungskurs 1. Aufgabenart Bearbeitung fachspezifischen Materials mit neuem Informationsgehalt 2. 1 Aufgabenstellung Thema: Das Gift des Texas-Sandskorpions II.1 Fassen Sie die Ergebnisse der Untersuchungen zum Schmerzempfinden der Hausmaus und der Grashüpfermaus zusammen (Material A). Leiten Sie für beide Nagetierarten Schlussfolgerungen zur Wirkung des Skorpiongiftes im Vergleich zu den anderen Substanzen ab und begründen Sie, weshalb die Grashüpfermaus den Skorpion als Beute nutzen kann. (18 Punkte) II.2 Beschreiben Sie den Ablauf eines Aktionspotenzials und die zugrunde liegenden Vor- gänge an der Axonmembran nach künstlicher Reizung eines Axons. Erklären Sie dar- über hinaus, wie die Nav1.7- und die Nav1.8-Ionenkanäle bei der Auslösung von Ak- tionspotenzialen in den Nozizeptoren der Schmerzbahn zusammenwirken (Materi- al B). (18 Punkte) II.3 Erklären Sie anhand von Material B, Tabelle 1, und Material C, Abbildung 4, differen- ziert die neurobiologischen Ursachen der Wirkung des Skorpiongiftes auf die Gras- hüpfermaus. (14 Punkte) II.4 Vergleichen Sie die in Material D, Abbildung 5a, dargestellten Aminosäuresequenzen des Nav1.8-Ionenkanalproteins von Grashüpfermaus und Hausmaus und erklären Sie zusammenfassend die unterschiedliche Wirkung des Skorpiongiftes bei den beiden Na- getierarten (Materialien A bis D). Entwickeln Sie eine Hypothese, weshalb es nur wenige Beispiele für Räuber gibt, die resistent gegenüber schmerzauslösenden Sub- stanzen sind. (16 Punkte) 1 Die Aufgabenstellung deckt inhaltlich alle drei Anforderungsbereiche ab. Nur für den Dienstgebrauch!

Ministerium für Schule und Weiterbildung NRW BI LK HT 2 Seite 2 von 10 3. Materialgrundlage  Material A: Abbildung 1 verändert nach: Rowe et al. 2013 Abbildung 2 verändert nach: Rowe et al. 2013  Material B: Abbildung 3 verändert nach: Sacerdote (o. J.) Tabelle 1 verändert nach: Cummins et al. 2007  Material C: Abbildung 4 verändert nach: Rowe et al. 2013  Material D: Abbildung 5 verändert nach: Rowe et al. 2013  Cummins, T. R., Sheets, P. L. & Waxman S. G. (2007). The Roles of sodium channels in nociception: Implications for mechanisms of pain. Pain 131, 243 – 257  Rowe, A. H., Xiao, Y., Rowe, M. P., Cummins, T. R. & Zakon, H. H. (2013): Voltage- Gated Sodium Channel in Grasshopper Mice defends against Bark Scorpion Toxin. Science 342, 441 – 446  Rowe, A. H., Xiao, Y., Scales, J., Linse, K. D., Rowe, M. P. & Cummins, T. R. (2011). Isolation and Characterization of CvIV4: A Pain inducing -scorpion toxin. PLoS ONE 6 e23520 verfügbar unter: http://www.plosone.org/article/info%3Adoi%2F10.1371%2Fjournal.pone.0023520 (Zugriff: 04.07.2014)  Sacerdote, P. (o. J.): About inflammatory pain. Anatomy, physiology and pharmacology of acute inflammatory pain. verfügbar unter: http://www.nimesulide.net/Institutional.aspx?Pagina=220&SM=173&Lingua=EN (Zugriff: 04.07.2014) 4. Bezüge zu den Vorgaben 2015 1. Inhaltliche Schwerpunkte Steuerungs- und Regulationsmechanismen im Organismus  Molekulare und cytologische Grundlagen mit den Schwerpunkten – Bau und Funktion des Neurons – Erregungsentstehung, Erregungsleitung, Synapsenvorgänge einschließlich mole- kularer Grundlagen – Synaptische Verschaltung und Verrechnung Evolution der Vielfalt des Lebens in Struktur und Verhalten  Evolutionshinweise und Evolutionstheorie – Vergleich und Beurteilung der Ergebnisse unterschiedlicher Analysemethoden; bei der Analyse bzw. Erstellung eines Stammbaums sind Übereinstimmungen in DNA-Sequenz und Aminosäuresequenz von Proteinen einzubeziehen 2. Medien/Materialien  entfällt Nur für den Dienstgebrauch!

Ministerium für Schule und Weiterbildung NRW BI LK HT 2 Seite 3 von 10 5. Zugelassene Hilfsmittel  Wörterbuch zur deutschen Rechtschreibung 6. Vorgaben für die Bewertung der Schülerleistungen Teilleistungen – Kriterien a) inhaltliche Leistung Teilaufgabe II.1 Anforderungen Der Prüfling maximal erreichbare Punktzahl 1 fasst die Ergebnisse der Untersuchungen zum Schmerzempfinden der Hausmaus und der Grashüpfermaus zusammen (Material A, Abbildung 1), z. B.:  Bei der Hausmaus führt die Injektion einer Kochsalzlösung innerhalb eines Zeit- rahmens von 15 min zu einer Leckdauer der Pfoten von ca. 15 s, bei Formalin zu ca. 65 s und nach Injektion des Skorpiongiftes zu einer Leckdauer von ca. 220 s.  Bei der Grashüpfermaus führt die Injektion einer Kochsalzlösung in dem glei- chen Zeitrahmen zu einer Leckdauer von ca. 25 s, bei Formalin zu ca. 45 s und nach Injektion des Skorpionsgiftes zu einer Leckdauer von nur ca. 10 s. 3 2 fasst die Ergebnisse der Untersuchungen zum Schmerzempfinden der Hausmaus und der Grashüpfermaus zusammen (Material A, Abbildung 2), z. B.:  Die Injektion von Formalin nach vorheriger Injektion des Skorpiongiftes führt bei der Hausmaus zu einer Leckdauer von ca. 210 s im Vergleich zu ca. 40 s bei Injektion von Kochsalzlösung und Formalin.  Die Grashüpfermaus leckt sich die Pfote nach vorheriger Injektion des Skorpion- giftes und anschließender Injektion von Formalin nur ca. 15 s im Vergleich zu ca. 25 s bei Injektion von Kochsalzlösung und Formalin. 3 3 leitet für beide Nagetierarten Schlussfolgerungen zur Wirkung des Skorpiongiftes im Vergleich zu den anderen Substanzen ab, z. B.:  Das Skorpiongift löst bei der Hausmaus deutlich stärkere Schmerzen aus als Formalin.  Die Grashüpfermaus reagiert im Schmerztest auf Einstiche und die Injektion von Formalin, ist also auch schmerzempfindlich.  Das Skorpiongift verursacht bei der Grashüpfermaus weniger Schmerzen als eine Kochsalzlösung oder Formalin.  Das Skorpiongift vermindert bei der Grashüpfermaus durch Einstiche oder For- malin verursachte Schmerzen. 8 4 begründet, weshalb die Grashüpfermaus den Skorpion als Beute nutzen kann, z. B.:  Da das Skorpiongift Schmerzen bei der Grashüpfermaus vermindert, d. h. schmerz- lindernd wirkt, lösen auch die Stiche bei ihr kaum Schmerzen aus, und sie kann die Skorpione ohne Beeinträchtigung fressen. 4 5 erfüllt ein weiteres aufgabenbezogenes Kriterium. (2) Nur für den Dienstgebrauch!

Ministerium für Schule und Weiterbildung NRW BI LK HT 2 Seite 4 von 10 Teilaufgabe II.2 Anforderungen Der Prüfling maximal erreichbare Punktzahl 1 beschreibt den Ablauf eines Aktionspotenzials und die zugrunde liegenden Vorgänge an der Axonmembran nach künstlicher Reizung eines Axons, sinngemäß:  Eine künstliche Reizung des Axons durch eine Reizelektrode führt zu lokaler Depolarisation der Zellmembran.  Die Depolarisation erhöht die Öffnungswahrscheinlichkeit spannungsabhängiger + Na -Ionenkanäle.  Wird das Axon bis über einen bestimmten Wert (Schwellenwert) hinaus depola- + risiert, öffnen sich weitere spannungsabhängige Na -Ionenkanäle.  Aufgrund des Konzentrationsgradienten und des Ladungsgefälles diffundieren + Na -Ionen aus dem umgebenden Medium in das Axon, wodurch es zu einer De- polarisation 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. (Spannungswerte können je nach Literaturquelle differieren.) 10 2 erklärt darüber hinaus, wie die Nav1.7- und Nav1.8-Ionenkanäle bei der Auslösung von Aktionspotenzialen in den Nozizeptoren der Schmerzbahn zusammenwirken (Material B), z. B.:  Schmerzreize (noxische Reize) verursachen in den Nozizeptoren eine Depolari- sation.  Dies führt zur Öffnung von Nav1.7-Ionenkanälen, die bereits auf Depolarisationen unterhalb des Schwellenwertes reagieren. +  Der Einstrom von Na -Ionen führt zu weiterer Depolarisation der Membran.  Bei Erreichen des Schwellenwertes öffnen sich die Nav1.8-Ionenkanäle. +  Der Einstrom von Na -Ionen führt zur Depolarisation der Membran bis auf +30 mV und damit zum Aktionspotenzial. 8 3 erfüllt ein weiteres aufgabenbezogenes Kriterium. (2) Nur für den Dienstgebrauch!

Ministerium für Schule und Weiterbildung NRW BI LK HT 2 Seite 5 von 10 Teilaufgabe II.3 Anforderungen Der Prüfling maximal erreichbare Punktzahl 1 erklärt anhand von Material B, Tabelle 1, und Material C, Abbildung 4, differenziert die neurobiologischen Ursachen der Wirkung des Skorpiongiftes auf die Grashüpfer- maus, sinngemäß:  Bei künstlicher langsamer Depolarisation der Nozizeptoren wird in Abwesenheit des Skorpiongiftes der Schwellenwert erreicht, und es werden Aktionspotenziale ausgelöst.  Bei steigender Dosis des Skorpiongiftes werden trotz Depolarisation bis zum glei- chen Wert weniger (Giftdosis: 2 g/ml) bzw. gar keine (Giftdosis: 10 g/ml) Aktionspotenziale mehr ausgelöst.  Offensichtlich öffnen sich die Nav1.8-Ionenkanäle, die nach Erreichen des Schwellenwertes für die Auslösung von Aktionspotenzialen verantwortlich sind, nicht mehr.  Das Skorpiongift blockiert vermutlich die Nav1.8-Ionenkanäle, wodurch kein + Na -Einstrom und somit keine vollständige Depolarisation erfolgt.  Es werden keine Erregungen mehr zum Gehirn weitergeleitet, so dass kein Schmerz mehr empfunden wird. 10 2 erklärt anhand von Material B, Tabelle 1 und Material C, Abbildung 4, differenziert die neurobiologischen Ursachen der Wirkung des Skorpiongiftes auf die Grashüpfer- maus, sinngemäß:  Ob die Nav1.7-Ionenkanäle ebenfalls durch das Gift blockiert werden, kann an- hand des Materials nicht entschieden werden, da im Experiment langsam künst- lich depolarisiert wird.  Die Blockierung der Ionenkanäle verhindert auch die Weiterleitung anderer schmerzauslösender Reize (z. B. Formalin), so dass das Gift schmerzhemmende Wirkung hat. (Andere schlüssige Hypothesen zur Giftwirkung sind zu akzeptieren.) 4 3 erfüllt ein weiteres aufgabenbezogenes Kriterium. (2) Nur für den Dienstgebrauch!

Ministerium für Schule und Weiterbildung NRW BI LK HT 2 Seite 6 von 10 Teilaufgabe II.4 Anforderungen Der Prüfling 1 2 3 4 5 vergleicht die in Material D, Abbildung 5a, dargestellten Aminosäuresequenzen des Nav1.8-Ionenkanalproteins von Grashüpfermaus und Hausmaus, sinngemäß:  Im Bereich des Linkers zeigen sich vier Unterschiede in der Aminosäuresequenz zwischen Hausmaus und Grashüpfermaus.  In den benachbarten Regionen findet sich vor bzw. nach dem Linker jeweils nur ein Austausch einer Aminosäure. erklärt zusammenfassend die unterschiedliche Wirkung des Skorpiongiftes bei den beiden Nagetierarten (Materialien A bis D), sinngemäß:  Die im Vergleich zu den Nachbarregionen deutlich unterschiedliche Aminosäure- sequenz im Bereich des Linkers ist für die unterschiedliche Wirkung des Giftes bei Grashüpfermaus und Hausmaus verantwortlich. +  Im Gegensatz zur Grashüpfermaus wird der Na -Einstrom durch die Nav1.8-Ionen- kanäle bei der Hausmaus mit zunehmender Konzentration des Skorpiongiftes nur geringfügig beeinträchtigt (Abbildung 5b). erklärt zusammenfassend die unterschiedliche Wirkung des Skorpiongiftes bei den beiden Nagetierarten (Materialien A bis D), sinngemäß:  Das Skorpiongift blockiert bei der Grashüpfermaus die Nav1.8-Ionenkanäle durch Bindung an die Sequenz des Linkers, der im extrazellulären Bereich der Membran liegt und damit zugänglich für das Gift ist.  Bei der Hausmaus bindet das Skorpiongift nicht oder nur schwach an die Sequenz + des Linkers, weshalb der Na -Einstrom nicht bzw. kaum blockiert wird.  Da das Skorpiongift bei der Hausmaus auch keine aktivierende Wirkung auf die Nav1.8-Ionenkanäle hat (Abbildung 5b), beruht die schmerzauslösende Wirkung des Giftes bei der Hausmaus möglicherweise auf einer Aktivierung der Nav1.7- Ionenkanäle. (Für die Vergabe der vollen Punktzahl sind die Überlegungen zur schmerzauslösenden Wirkungsweise des Giftes bei der Hausmaus erforderlich.) entwickelt eine Hypothese, weshalb es nur wenige Beispiele für Räuber gibt, die resistent gegenüber schmerzauslösenden Substanzen sind, z. B.:  Mutationen in der für das Ionenkanalprotein codierenden DNA der Nozizeptoren dürfen nicht dazu führen, dass die Ionenkanäle in ihrer Funktionsweise beein- trächtigt werden und das Schmerzempfinden insgesamt herabgesetzt wird, da dies die Überlebensfähigkeit des Individuums gefährden würde. (Andere sinnvolle Überlegungen sind entsprechend zu werten.) erfüllt ein weiteres aufgabenbezogenes Kriterium. (2) maximal erreichbare Punktzahl 4 4 6 2 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. Nur für den Dienstgebrauch! maximal erreichbare Punktzahl 9

BI LK HT 2 Ministerium für Schule und Weiterbildung NRW Seite 7 von 10 7. Bewertungsbogen zur Prüfungsarbeit Name des Prüflings:____________________________________ Kursbezeichnung:____________ Schule: _____________________________________________ Teilaufgabe II.1 Anforderungen Lösungsqualität Der Prüfling maximal erreichbare Punktzahl 1 fasst die Ergebnisse … 3 2 fasst die Ergebnisse … 3 3 leitet für beide … 8 4 begründet, weshalb die … 4 5 erfüllt ein weiteres aufgabenbezogenes Kriterium: (2) …………………………………………………………….. …………………………………………………………….. Summe II.1 Teilaufgabe EK 2 ZK DK 18 Teilaufgabe II.2 Anforderungen Lösungsqualität Der Prüfling 1 beschreibt den Ablauf … 10 2 erklärt darüber hinaus … 8 3 erfüllt ein weiteres aufgabenbezogenes Kriterium: (2) …………………………………………………………….. …………………………………………………………….. Summe II.2 Teilaufgabe 2 maximal erreichbare Punktzahl 18 EK = Erstkorrektur; ZK = Zweitkorrektur; DK = Drittkorrektur Nur für den Dienstgebrauch! EK ZK DK

BI LK HT 2 Ministerium für Schule und Weiterbildung NRW Seite 8 von 10 Teilaufgabe II.3 Anforderungen Lösungsqualität Der Prüfling maximal erreichbare Punktzahl 1 erklärt anhand von … 10 2 erklärt anhand von … 4 3 erfüllt ein weiteres aufgabenbezogenes Kriterium: (2) …………………………………………………………….. …………………………………………………………….. Summe II.3 Teilaufgabe EK ZK DK 14 Teilaufgabe II.4 Anforderungen Lösungsqualität Der Prüfling maximal erreichbare Punktzahl 1 vergleicht die in … 4 2 erklärt zusammenfassend die … 4 3 erklärt zusammenfassend die … 6 4 entwickelt eine Hypothese … 2 5 erfüllt ein weiteres aufgabenbezogenes Kriterium: (2) …………………………………………………………….. …………………………………………………………….. Summe II.4 Teilaufgabe 16 Summe der II.1, II.2, II.3 und II.4 Teilaufgabe 66 EK ZK DK Darstellungsleistung Anforderungen Lösungsqualität Der Prüfling     führt seine Gedanken … strukturiert seine Darstellung … verwendet eine differenzierte … gestaltet seine Arbeit … Summe Darstellungsleistung maximal erreichbare Punktzahl 9 9 Summe insgesamt (inhaltliche und Darstellungsleistung) Nur für den Dienstgebrauch! 75 EK ZK DK

BI LK HT 2 Ministerium für Schule und Weiterbildung NRW Seite 9 von 10 Festlegung der Gesamtnote (Bitte nur bei der letzten bearbeiteten Aufgabe ausfüllen.) Lösungsqualität maximal erreichbare Punktzahl Übertrag der Punktsumme aus der ersten bearbeiteten Aufgabe 75 Übertrag der Punktsumme aus der zweiten bearbeiteten Aufgabe 75 Punktzahl der gesamten Prüfungsleistung 150 EK ZK DK aus der Punktsumme resultierende Note gemäß nachfolgender Tabelle Note ggf. unter Absenkung um bis zu zwei Notenpunkte gemäß § 13 Abs. 2 APO-GOSt Paraphe ggf. arithmetisches Mittel der Punktsummen aus EK und ZK: ___________ ggf. arithmetisches Mittel der Notenurteile aus EK und ZK: _____________ Die Klausur wird abschließend mit der Note: ________________________ (____ Punkte) bewertet. Unterschrift, Datum: Nur für den Dienstgebrauch!