Ministerium für Schule und Bildung NRW BI LK NT 2 (GG) Seite 4 von 8 Die hohe Konzentration von JA bewirkt, dass sich JAR vom spezifischen Tran- skriptionsfaktor (TF) löst und abgebaut wird. Dadurch kommt es zur Aktivierung und demnach zur Transkription von Genen, die zur Abwehrreaktion beitragen. Als weitere Folge werden zum Beispiel Gene aktiviert, die etwa zur Bildung von Trypsin-Inhibitor (TI) führen. ● TI ist ein Protease-Inhibitor, der die Verdauungsaktivität der Raupen hemmt und so das Wachstum der Raupen erschwert. ● 3 fasst in diesem Zusammenhang die in den Abbildungen 3 und 4 dargestellten Ergeb- nisse zusammen (Material B), z. B.: Abbildung 3: ● Die GOX-Aktivität im Speichel wurde nach 6 Tagen bestimmt und ist bei nicht-pa- rasitierten Raupen etwa um ein Drittel höher als bei parasitierten Raupen. Abbildung 4: ● Die Trypsin-Inhibition ist im unverletzten Tomatenblatt (UB) sehr gering. Dagegen ist die Aktivität des Abwehrproteins in einer durch Blattfraß geschädigten Toma- tenpflanze deutlich höher. ● Die Aktivität der Abwehrproteine in einer Tomatenpflanze, die von M. croceipes parasitierten H. zea-Raupen geschädigt wird, ist höher als beim unverletzten Blatt, allerdings deutlich niedriger als bei Befall durch nicht-parasitierte Raupen. 6 4 wertet diese aus (Material B), z. B.: ● Die erhöhte TI-Aktivität der befallenen Tomatenpflanze belegt, dass der Blattfraß der H. zea-Raupen die Abwehrreaktion der Pflanze auslöst. ● Die Parasitierung von H. zea-Raupen durch M. croceipes senkt die GOX-Aktivität im Speichel der H. zea-Raupen. Aufgrund der geringeren GOX-Aktivität wird der GOX-abhängige Signalweg in der Tomatenpflanze in geringerem Umfang ausge- löst und daher wird die Abwehrreaktion der Tomatenpflanze niedriger ausfallen. 4 5 wertet diese aus (Material B), z. B.: ● Die Parasitierung durch die Brackwespen ermöglicht den H. zea-Raupen, sich effi- zienter von den Tomatenpflanzen zu ernähren. Parasitierte Raupen besitzen eine schnellere Wachstumsrate, weil zum Beispiel eine geringere Protease-Inhibition auftritt. Dadurch haben die M. croceipes-Larven bessere Entwicklungsmöglichkei- ten in der H. zea-Raupe. 2 6 erfüllt ein weiteres aufgabenbezogenes Kriterium. (2) Abiturprüfung 2019 – Nur für den Dienstgebrauch!

Ministerium für Schule und Bildung NRW BI LK NT 2 (GG) Seite 5 von 8 Teilaufgabe 3 Anforderungen Der Prüfling maximal erreichbare Punktzahl 1 stellt kurz die Versuchsergebnisse dar (Abbildungen 5 und 6), z. B.: ● Die GOX-Aktivität bei NPR-K ist etwa doppelt so hoch wie bei parasitierten Rau- pen und deutlich höher als bei den PDV-R (Abbildung 5). ● Der Fraß durch PDV-Raupen senkt die Aktivität des Trypsin-Inhibitors im Toma- tenblatt auf ein ähnliches Niveau wie beim Fraß durch parasitierte Raupen (Abbil- dung 6). (Alternative sachlogisch korrekte Ausführungen sind entsprechend zu werten.) 4 2 analysiert auf dieser Basis den möglichen Einfluss der Poly-DNA-Viren auf die pflanzliche Abwehrreaktion (Material C), z. B.: ● Die Injektion der Poly-DNA-Viren senkt die GOX-Aktivität im Speichel der H. zea-Raupen auf ein ähnliches Niveau wie bei den von M. croceipes parasitierten Raupen. ● Die Bildung von Abwehrproteinen in der Tomatenpflanze ist bei Fraß durch nicht- parasitierte Raupen (NPR-K) im Vergleich zum unverletzten Blatt hoch. ● Bei Fraß durch PDV-Raupen und P-Raupen ist die Produktion des Abwehrproteins TI auf einem annähernd gleichen, niedrigeren Niveau, erhöht im Vergleich zum un- verletzten Blatt (UB). (Alternative sachlogisch korrekte Ausführungen sind entsprechend zu werten.) 6 3 analysiert auf dieser Basis den möglichen Einfluss der Poly-DNA-Viren auf die pflanzliche Abwehrreaktion (Material C), z. B.: ● Die Poly-DNA-Viren sind für die geringere GOX-Bildung im Speichel der Raupen verantwortlich, indem sie bei Parasitierung durch M. croceipes in die Zellen der Speicheldrüsen der Raupen gelangen und durch ihre Genprodukte die GOX-Pro- duktion der Raupe hemmen. ● Folglich beeinflussen die Poly-DNA-Viren die Genexpression in den Speicheldrü- senzellen der Raupe, vermindern die GOX-Produktion, verringern die Ausmaße der Signalkaskade und hemmen so die pflanzliche Abwehrreaktion. (Die Möglichkeit der direkten Beeinflussung der pflanzlichen Genexpression durch die Genprodukte der Poly-DNA-Viren im Speichel der Raupe stellt ggf. ein weiteres aufgabenbezogenes Kriterium dar.) 4 4 erfüllt ein weiteres aufgabenbezogenes Kriterium. (2) Teilaufgabe 4 Anforderungen maximal erreichbare Punktzahl begründet auf Basis des gesamten Materials, ob die Poly-DNA-Viren Symbionten der Brackwespen sind, z. B.: ● Eine obligate Symbiose liegt zwischen zwei verschiedenen Organismen dann vor, wenn beide Organismen einen Vorteil aus dieser engen Wechselbeziehung haben und nicht ohne den Symbiosepartner überleben können. ● Wie die Versuchsergebnisse in Material C verdeutlichen, hat M. croceipes durch die gehemmte Abwehrreaktion aufgrund der Poly-DNA-Viren und die dadurch be- dingte schnellere Wachstumsrate der H. zea-Raupen bessere Entwicklungsbedin- gungen. 4 Der Prüfling 1 Abiturprüfung 2019 – Nur für den Dienstgebrauch!

Ministerium für Schule und Bildung NRW BI LK NT 2 (GG) Seite 6 von 8 2 begründet auf Basis des gesamten Materials, ob die Poly-DNA-Viren Symbionten der Brackwespen sind, z. B.: ● Die Poly-DNA-Viren, deren Genom stabil im Genom der heranwachsenden Larven von M. croceipes integriert ist, sichern das Überleben ihres Wirtes, der Brackwes- pen, und somit das auch eigene Überleben. Die Poly-DNA-Viren sind bei ihrer Vermehrung auf die Brackwespe angewiesen. ● Da die Virus-DNA der Poly-DNA-Viren stabil im Genom der jeweiligen Brack- wespe integriert ist, ist von einer obligaten Beziehung auszugehen. ● Zählt man Viren zu den Organismen bzw. Lebewesen, da sie eine Evolution durch- laufen können, so liegt eine obligate Symbiose zwischen Brackwespe und Poly- DNA-Virus vor. 6 3 entwickelt eine Hypothese, die die Integration des Genoms der Poly-DNA-Viren in das Genom der Brackwespen evolutionsbiologisch begründet (Material C), z. B.: ● Vor etwa 70 Millionen Jahren kam es zu einer zufälligen Integration der Virus- Stammform in das Genom der Stammform der Brackwespen. ● Diese Stammform hatte im Vergleich zu nicht infizierten Brackwespen einen Se- lektionsvorteil und eine höhere reproduktive Fitness, da sich ihre parasitoiden Lar- ven besser in herbivoren Wirtstieren entwickelten. Das Genom der Viren wurde so- mit an die nachfolgende Generation vererbt und ein vorteilhafter, fester Bestandteil des Genoms der Brackwespen. ● Die adaptive Radiation der Brackwespen und ihre Spezialisierung auf ihren jeweili- gen Wirt wurde durch die Poly-DNA-Viren erst ermöglicht, da jeweils spezifische Wechselwirkungen mit den parasitierten Wirten mithilfe der übertragenen Poly- DNA-Viren vermittelt worden sind. (Die Darstellung der Coevolution zwischen Brackwespen und Poly-DNA-Viren stellt ggf. ein weiteres aufgabenbezogenes Kriterium dar.) 6 4 erfüllt ein weiteres aufgabenbezogenes Kriterium. (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. Abiturprüfung 2019 – Nur für den Dienstgebrauch! maximal erreichbare Punktzahl 9

BI LK NT 2 (GG) Ministerium für Schule und Bildung NRW Seite 7 von 8 7. Bewertungsbogen zur Prüfungsarbeit Name des Prüflings: Kursbezeichnung: Schule: a) inhaltliche Leistung Teilaufgabe 1 Anforderungen Lösungsqualität maximal erreichbare Punktzahl Der Prüfling 1 erläutert … 4 2 vergleicht … 6 3 erfüllt ein weiteres aufgabenbezogenes Kriterium: (2) ………………………………………………………………… ………………………………………………………………… Summe 1. Teilaufgabe EK 2 ZK DK 10 Teilaufgabe 2 Anforderungen Lösungsqualität maximal erreichbare Punktzahl Der Prüfling 1 stellt kurz dar … 6 2 erklärt … 8 3 fasst zusammen … 6 4 wertet aus … 4 5 wertet aus … 2 6 erfüllt ein weiteres aufgabenbezogenes Kriterium: (2) ………………………………………………………………… ………………………………………………………………… Summe 2. Teilaufgabe EK ZK DK 26 Teilaufgabe 3 Anforderungen maximal erreichbare Punktzahl Der Prüfling 1 2 Lösungsqualität stellt kurz dar … 4 EK = Erstkorrektur; ZK = Zweitkorrektur; DK = Drittkorrektur Abiturprüfung 2019 – Nur für den Dienstgebrauch! EK ZK DK

BI LK NT 2 (GG) Ministerium für Schule und Bildung NRW Seite 8 von 8 2 analysiert … 6 3 analysiert … 4 4 erfüllt ein weiteres aufgabenbezogenes Kriterium: (2) ………………………………………………………………… ………………………………………………………………… Summe 3. Teilaufgabe 14 Teilaufgabe 4 Anforderungen Lösungsqualität Der Prüfling maximal erreichbare Punktzahl 1 begründet … 4 2 begründet … 6 3 entwickelt eine Hypothese … 6 4 erfüllt ein weiteres aufgabenbezogenes Kriterium: (2) ………………………………………………………………… ………………………………………………………………… Summe 4. Teilaufgabe 16 Summe der 1., 2., 3. und 4. Teilaufgabe 66 EK ZK DK b) Darstellungsleistung Anforderungen maximal erreichbare Punktzahl Der Prüfling ● ● ● ● Lösungsqualität führt seine Gedanken … strukturiert seine Darstellung … verwendet eine differenzierte … gestaltet seine Arbeit … EK ZK 9 Summe Darstellungsleistung 9 Summe insgesamt (inhaltliche und Darstellungsleistung) 75 Die Festlegung der Gesamtnote erfolgt auf dem Auswertungsbogen in LK NT 1. Abiturprüfung 2019 – Nur für den Dienstgebrauch! DK

BI LK NT 3 (GG) Seite 1 von 5 Name: _______________________ Abiturprüfung 2019 Biologie, Leistungskurs Aufgabenstellung: Thema: Schlafphasensyndrom – Wenn die innere Uhr aus dem Takt gerät 1. Beschreiben Sie den dargestellten Vorgang der Genregulation in Abbildung 1 auch unter Berücksichtigung von Material A und erläutern Sie, wie hierdurch eine tageszeitliche Rhythmik im Nucleus suprachiasmaticus entsteht (Material A). (16 Punkte) 2. Ermitteln Sie die molekulargenetischen Ursachen für ASPS anhand von Tabelle 1 (Materialien B und E). Geben Sie Unterschiede bei der Genregulation bei Personen mit ASPS an (Materialien A und B) und erklären Sie diese mithilfe der Veränderungen im Exon 17 (Materialien A und B). Entwickeln Sie eine Hypothese, wie die Ausbildung des Phänotyps bei Personen mit ASPS auf genregulatorischer Ebene erklärt werden könnte (Materialien A bis B). (22 Punkte) 3. Erklären Sie die wesentlichen Einflüsse von hemmenden und erregenden Synapsen auf die postsynaptische Erregungsentstehung und erläutern Sie die Wirkung der Neurotransmitter GABA und Glutamat auf die Melatoninproduktion in der Zirbeldrüse (Material C). (16 Punkte) 4. Erläutern Sie die Einsatzmöglichkeiten der Lichttherapie bei ASPS-Betroffenen und beurteilen Sie die Erfolgsaussichten (Materialien A bis D). (12 Punkte) Zugelassene Hilfsmittel: ● ● GTR (Grafikfähiger Taschenrechner) oder CAS (Computer-Algebra-System) Wörterbuch zur deutschen Rechtschreibung Abiturprüfung 2019 – Nur für den Dienstgebrauch!

BI LK NT 3 (GG) Seite 2 von 5 Name: _______________________ Material A: Steuerung der „inneren Uhr“ bei Säugern Eine besondere Angepasstheit an das Wechselspiel zwischen Umwelt und Lebewesen ist die circadiane Uhr, mit der Organismen sich auf den 24-stündigen Tag/Nacht-Rhythmus der Erd- umdrehung einregeln. In Säugerhirnen steuert der Nucleus suprachiasmaticus (SCN) als zentra- ler Schrittmacher die Schlaf-Wach-Rhythmik, wird aber dabei durch äußere Faktoren wie etwa Licht beeinflusst. Der SCN ist ein Zellhaufen aus etwa 10 000 Neuronen beim Menschen und liegt im Hypothalamus. Neuere Forschungsergebnisse haben gezeigt, dass verschiedene regula- torische Proteine im SCN von besonderer Bedeutung sind, die je nach Lichtintensität und Ta- geszeit in unterschiedlichen Mengen gebildet werden. Dabei können die Proteine als genregula- torische Schalter wiederum selbst verschiedene Gene an- und abschalten, deren Genprodukte unter anderem für die Signalweitergabe an andere Zellen verantwortlich sind. Eine besondere Rolle spielt bei dieser Regulationskette das Protein PER (abgeleitet vom engli- schen Wort period). Die Genregulation des für PER codierenden Gens, des per-Gens, ist in ei- nem vereinfachten Modell grafisch dargestellt (Abbildung 1). PER hemmt auch die Expression von vielen anderen Genen, deren Genprodukte im Verlauf einer Signalkette für die Weitergabe sich rhythmisch ändernder Signale an andere Zellen verantwortlich sind. Abbildung 1 Vereinfachtes Modell der Regulation des per-Gens in Neuronen des Nucleus suprachias- maticus. Die dargestellten Abläufe gehen fließend ineinander über. Abiturprüfung 2019 – Nur für den Dienstgebrauch!

BI LK NT 3 (GG) Seite 3 von 5 Name: _______________________ Material B: Ursachen bei Betroffenen mit ASPS Das Vorverlagerte Schlafphasensyndrom (ASPS, englisch: Advanced Sleep Phase Syndrome) ist eine Schlafstörung, bei der es bei Betroffenen zu einer Verschiebung des Schlaf-/Wach- rhythmus um etwa vier Stunden kommt. In der Regel erwachen Betroffene besonders früh, bereits ab 3 Uhr morgens; das Einschlafen erfolgt ebenfalls vorzeitig, etwa gegen 18 Uhr. Bei ASPS-Betroffenen wurden genetische Analysen des per-Gens durchgeführt und Veränderungen im Exon 17 entdeckt (Tabelle 1). Das per-Gen besteht aus 23 Exons, die für insgesamt 1255 Aminosäuren codieren. Das PER-Protein besitzt Bindungsstellen für verschiedene Proteine, mit denen es Wechselwirkungen eingeht. Im Bereich der Aminosäuresequenz, die von Exon 17 codiert wird, liegt zum Beispiel die Bindungs- und Phosphorylierungsstelle einer Kinase. Ausgehend von diesen Ergebnissen wurde ein Modell zur Erklärung der ASPS-Symptomatik auf molekularer Ebene entwickelt (Abbildung 2). Tabelle 1 DNA-Sequenzausschnitt aus dem Exon 17 (Nukleotidposi- tion 2103 bis 2111) aus dem codogenen Strang des per-Gens. Gesunde Person 3ʹ ··· CTC TCA CAC ··· 5ʹ ASPS-Betroffener 3ʹ ··· CTC CCA CAC ··· 5ʹ Abbildung 2 Vereinfachtes Modell der Regulation des per-Gens in Neuronen des Nucleus suprachias- maticus bei Personen mit ASPS. Die dargestellten Abläufe gehen fließend ineinander über. Abiturprüfung 2019 – Nur für den Dienstgebrauch!

BI LK NT 3 (GG) Seite 4 von 5 Name: _______________________ Material C: Lichtabhängige Regulation des Schlafhormons Melatonin Der Nucleus suprachiasmaticus (SCN) sitzt beim Menschen knapp drei Zentimeter hinter den Augäpfeln im Hypothalamus. Die SCN-Neuronen sind mit der Netzhaut und anderen Hirnarea- len neuronal verbunden (Abbildung 3). Die Lichtsinneszellen in der Netzhaut erfassen die Än- derungen der Lichtverhältnisse bei Tagesanbruch und Dämmerung und leiten sie an den SCN weiter. In Abhängigkeit von der Lichtintensität geben Neuronen des SCN die Neurotransmitter GABA und Glutamat an die synaptisch verknüpften Neuronen des Nucleus paraventricularis (PVN) ab. GABA hat hier eine hemmende Wirkung auf die postsynaptische Zelle, während Glutamat eine erregende Wirkung hat. Die Wirkung beider Neurotransmitter auf den PVN reguliert so die lichtabhängige Signalweiter- gabe und folglich die Produktion des Schlafhormons Melatonin in der Zirbeldrüse, die nur bei Dunkelheit erfolgt. Verteilt über den Blutkreislauf begünstigt Melatonin die Schlafphase. Abbildung 3 Neuronales Modell zur lichtabhängigen Regulation der Melatoninproduktion Material D: Lichttherapie bei ASPS Neben der lichtabhängigen Regulation des Schlafhormons Melatonin aktiviert Licht in den Zel- len des SCN über eine Signalkaskade die Bildung von PER. Bei einer Lichttherapie werden Personen mit Licht von einer Speziallampe über einen bestimmten Zeitraum täglich ca. 40 Mi- nuten bestrahlt. Die erwünschte Wirkung im Organismus wird nur durch das vom Auge emp- fangene Licht erzeugt. Bei Personen mit ASPS soll die Lichttherapie zum frühen Abend erfol- gen. Die empfohlene und überwiegend durchgeführte Behandlung bei der Lichttherapie ist eine ambulante häusliche Form. Abiturprüfung 2019 – Nur für den Dienstgebrauch!

BI LK NT 3 (GG) Seite 5 von 5 Name: _______________________ Material E: 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!