Abitur Hessen Biologietechnik 2021 · LK

SARS-CoV-2 – Das neue Coronavirus

Die COVID-19-Pandemie (corona virus disease 2019) ist der Ausbruch einer neu aufgetretenen Atemwegserkrankung. Diese Erkrankung war erstmals Ende Dezember 2019 in der Millionenstadt Wuhan der chinesischen Provinz Hubei auffällig geworden. Sie entwickelte sich im Januar 2020 in China zur Epidemie und breitete sich schließlich weltweit aus. Der Ausbruch wurde durch das bis dahin unbekannte Coronavirus SARS-CoV-2 ausgelöst. SARS-CoV-2 ist ein RNA-Virus.

1.1

Erläutern Sie den Vermehrungszyklus des Coronavirus SARS-CoV-2 anhand von Material 1 und begründen Sie die Notwendigkeit von Schritt 5.

(12 BE)

1.2

Sie sind auf der Suche nach einem Medikament, das bei einer vorliegenden Corona-Infektion eingesetzt werden kann.

Leiten Sie auf Grundlage von Material 1 drei mögliche Ansatzpunkte für Medikamente ab und diskutieren Sie Wirkungsweise und mögliche Nebenwirkungen.

(8 BE)

1.3

Material 2 zeigt den zeitlichen Verlauf der Antikörperbildung eines Corona-Infizierten. Beschreiben und erläutern Sie die Kurvenverläufe.

(7 BE)

1.4

Als Impfstoffe kommen z. B. virale RNA oder abgeschwächte Viren in Betracht. Abgeschwächte Viren sind zwar noch vermehrungsfähig, haben aber einige ihrer Virulenzfaktoren verloren.

Erläutern Sie für die beiden Impfstoffe die Vorgänge in der Zelle, die dazu führen, dass schließlich die infizierte Zelle durch die Immunzellen angegriffen wird, und zeigen Sie Vor- und Nachteile der beiden Impfstoffe auf.

Hinweis: Die RNA wird mit bestimmten Lipidstoffen umhüllt, sodass sogenannte Lipidnanopartikel mit mRNA entstehen, die nach Injektion über Membranfusion in die Zelle gelangen.

(9 BE)

1.5

Menschen mit Defekten des Immunsystems sind besonders anfällig und müssen vor Infektionen geschützt werden. Material 3 zeigt drei verschiedene Immundefekte.

Diskutieren Sie, ob die Betroffenen mit Impfstoffen aus viraler RNA, mit Impfstoffen aus abgeschwächten Viren und / oder mit synthetisch gewonnenen Antikörpern gegen Corona-Viren geimpft werden können.

(12 BE)

Bezeichnung

T-Zellen

B-Zellen

NK-Zellen

SCID Form 1

fehlen

vorhanden

fehlen

SCID Form 2

fehlen

fehlen

fehlen

Agammaglobulinämie

vorhanden

fehlen

vorhanden

Hinweis: SCID = schwerer kombinierter Immundefekt (engl. severe combined immunodeficiency), T-Zellen = im Thymus reifende Lymphozyten, B-Zellen = im Knochenmark (engl. bone marrow) reifende Lymphozyten, NK-Zellen = Natürliche Killerzellen.

Kristalline Erythrocyten – eine Mutation im Hämoglobin-Gen

Der rote Blutfarbstoff, das Hämoglobin (Hb), ist der Sauerstoffträger im Blut der Wirbeltiere. Er liegt bei dem im Blut herrschenden pH-Wert von 7,4 in seiner funktionellen/aktiven Form vor und bindet den Sauerstoff an seinen eisenhaltigen Häm-Gruppen (Material 4). Bei einer Erbkrankheit, der Hämoglobin-C-Krankheit (HbC-Krankheit), sind die Erythrocyten (roten Blutkörperchen) kristallförmig verändert (C). Durch die gegenüber dem normalen Hämoglobin A (HbA) reduzierte Löslichkeit des HbCs kommt es zur Bildung von HbC-Kristallen in den Erythrocyten. Das HbC zwingt dadurch die Erythrocyten in eine charakteristische Kristallform. Ursache ist eine Mutation des Gens, welches für die $\beta$-Globin-Kette des Hämoglobins codiert.

2.1.1

Erläutern Sie den Aufbau von Proteinen mit den stabilisierenden Wechselwirkungen.

(8 BE)

2.1.2

Zeigen Sie die Proteinstruktur des Hämoglobins (Material 4) auf.

(4 BE)

Material 4: Modelldarstellung von Hämoglobin

Kristalline Erythrocyten – eine Mutation im Hämoglobin-Gen

Der rote Blutfarbstoff, das Hämoglobin (Hb), ist der Sauerstoffträger im Blut der Wirbeltiere. Er liegt bei dem im Blut herrschenden pH-Wert von 7,4 in seiner funktionellen/aktiven Form vor und bindet den Sauerstoff an seinen eisenhaltigen Häm-Gruppen (Material 4). Bei einer Erbkrankheit, der Hämoglobin-C-Krankheit (HbC-Krankheit), sind die Erythrocyten (roten Blutkörperchen) kristallförmig verändert (C). Durch die gegenüber dem normalen Hämoglobin A (HbA) reduzierte Löslichkeit des HbCs kommt es zur Bildung von HbC-Kristallen in den Erythrocyten. Das HbC zwingt dadurch die Erythrocyten in eine charakteristische Kristallform. Ursache ist eine Mutation des Gens, welches für die $\beta$-Globin-Kette des Hämoglobins codiert.

2.2

Die DNA enthält die Erbinformation und letztlich die Information für den Bau der Proteine.

2.2.1

Zeichnen und beschriften Sie schematisch einen Ausschnitt aus einem DNA-Molekül und erläutern Sie die Eigenschaften des genetischen Codes. [11 BE]

Kristalline Erythrocyten – eine Mutation im Hämoglobin-Gen

Der rote Blutfarbstoff, das Hämoglobin (Hb), ist der Sauerstoffträger im Blut der Wirbeltiere. Er liegt bei dem im Blut herrschenden pH-Wert von 7,4 in seiner funktionellen/aktiven Form vor und bindet den Sauerstoff an seinen eisenhaltigen Häm-Gruppen (Material 4). Bei einer Erbkrankheit, der Hämoglobin-C-Krankheit (HbC-Krankheit), sind die Erythrocyten (roten Blutkörperchen) kristallförmig verändert (C). Durch die gegenüber dem normalen Hämoglobin A (HbA) reduzierte Löslichkeit des HbCs kommt es zur Bildung von HbC-Kristallen in den Erythrocyten. Das HbC zwingt dadurch die Erythrocyten in eine charakteristische Kristallform. Ursache ist eine Mutation des Gens, welches für die $\beta$-Globin-Kette des Hämoglobins codiert.

Material 5: Basensequenzen, Codesonne und Aminosäuren

Abb. 5.1 Ausschnitte der Basensequenzen im HbA-Gen und HbC-Gen (codogene Stränge)

Triplett

1

2

3

4

5

6

7

8

9

HbA-Gen

3′-

CAC

GTG

GAC

TGA

GGA

CTC

CTC

TTC

AGA

-5′

HbC-Gen

3′-

CAC

GTG

GAC

TGA

GGA

TTC

CTC

TTC

AGA

-5′

2.2.2

Material 5 zeigt einen Ausschnitt aus den codogenen Strängen der DNA des normalen und des mutierten Gens. Bestimmen Sie die Aminosäuresequenzen des normalen und des durch die Mutation veränderten Hämoglobins. [4 BE]

2.3

Nennen und erläutern Sie den vorliegenden Mutationstyp und erklären Sie unter Berücksichtigung von Abbildung 5.3 die Folgen für das Hämoglobinmolekül (Material 5). [6 BE]

Kristalline Erythrocyten – eine Mutation im Hämoglobin-Gen

Der rote Blutfarbstoff, das Hämoglobin (Hb), ist der Sauerstoffträger im Blut der Wirbeltiere. Er liegt bei dem im Blut herrschenden pH-Wert von 7,4 in seiner funktionellen/aktiven Form vor und bindet den Sauerstoff an seinen eisenhaltigen Häm-Gruppen (Material 4). Bei einer Erbkrankheit, der Hämoglobin-C-Krankheit (HbC-Krankheit), sind die Erythrocyten (roten Blutkörperchen) kristallförmig verändert (C). Durch die gegenüber dem normalen Hämoglobin A (HbA) reduzierte Löslichkeit des HbCs kommt es zur Bildung von HbC-Kristallen in den Erythrocyten. Das HbC zwingt dadurch die Erythrocyten in eine charakteristische Kristallform. Ursache ist eine Mutation des Gens, welches für die $\beta$-Globin-Kette des Hämoglobins codiert.

Bei homozygoten Trägern des HbC-Gens kommt es häufiger zu Verstopfung der Kapillaren und durch verstärkten Abbau der krankhaften Erythrocyten in der Milz zu Blutarmut (Anämie) mit verminderter Lebenserwartung. Bei Heterozygoten liegen dagegen nur wenige HbC-Zellen im Blut vor und zu Beschwerden kommt es lediglich bei starkem Sauerstoffmangel (z. B. im Hochgebirge).

Entwickeln Sie auf Grundlage von Material 6 eine gentechnische Methode zur Diagnose der HbC-Krankheit und skizzieren Sie die gelelektrophoretischen Untersuchungsergebnisse für einen homozygot Gesunden, einen homozygot Erkrankten und einen Heterozygoten.

Hinweis: Homozygot = Es liegen gleiche Allele auf den homologen Chromosomen vor.

Heterozygot = Es liegen zwei unterschiedliche Allele auf den homologen Chromosomen vor.

Material 6: Restriktionsschnittstellen im $\beta$-Globin-Gen

Hinweis: BP bedeutet Basenpaare. Die entstehenden Endstücke sind im Gel nicht darzustellen.

1.

2.

Kristalline Erythrocyten – eine Mutation im Hämoglobin-Gen

Der rote Blutfarbstoff, das Hämoglobin (Hb), ist der Sauerstoffträger im Blut der Wirbeltiere. Er liegt bei dem im Blut herrschenden pH-Wert von 7,4 in seiner funktionellen/aktiven Form vor und bindet den Sauerstoff an seinen eisenhaltigen Häm-Gruppen (Material 4). Bei einer Erbkrankheit, der Hämoglobin-C-Krankheit (HbC-Krankheit), sind die Erythrocyten (roten Blutkörperchen) kristallförmig verändert (C). Durch die gegenüber dem normalen Hämoglobin A (HbA) reduzierte Löslichkeit des HbCs kommt es zur Bildung von HbC-Kristallen in den Erythrocyten. Das HbC zwingt dadurch die Erythrocyten in eine charakteristische Kristallform. Ursache ist eine Mutation des Gens, welches für die $\beta$-Globin-Kette des Hämoglobins codiert.

2.5 Reife Erythrocyten besitzen weder Zellkern noch Mitochondrien, wodurch in der Zelle mehr Platz für Hämoglobin zur Verfügung steht. Sie gewinnen ihre Energie aus der Milchsäuregärung.

Stellen Sie die im Rahmen des Glukoseabbaus in den Mitochondrien ablaufenden Stoffwechselwege im Überblick dar und erläutern Sie die Bedeutung der Milchsäuregärung für die Aufrechterhaltung des Stoffwechsels der Erythrozyten.

[9 BE]

a)

b)

Epigenetik, Gentransfer und Energie

Epigenetik ist ein aufstrebender Forschungszweig der Biologie. Der Begriff setzt sich aus den Wörtern „Genetik“ und „Epigenese“ zusammen, also der Vererbungslehre und der Entwicklung eines Lebewesens. Sie gilt also als Bindeglied zwischen Umwelteinflüssen und Genen. Mittels Epigenetik gelingt es dem Zellkern, unter dem Einfluss äußerer Faktoren, zu regulieren wann und in welchem Ausmaß Gene ein- und ausgeschaltet werden.

1.1

Erläutern Sie mithilfe einer beschrifteten Skizze einen allgemeinen Genregulationsmechanismus bei Prokaryoten auf der Ebene der Transkription. [12 BE]

1.2

Material 1 zeigt reversible epigenetische Veränderungen an der DNA. Beschreiben und erläutern Sie diese epigenetischen Mechanismen. [6 BE]

1.3

Bei Eukaryoten ist die Genregulation ein komplexer Prozess, der sich auf verschiedenen Ebenen abspielt. Der Transkriptionskontrolle sind Ebenen sowohl vor- als auch nachgeschaltet. Zeigen Sie die Mechanismen auf, die nach der Transkription bis zur fertigen mRNA ablaufen und erklären Sie die Funktion dieser Prozesse. [12 BE]

1.4

In Experimenten mit der Pflanze Arabidopsis thaliana konnte das Gen Flower Locus C (FLC-Gen) als zentrales Element für die Blütenbildung identifiziert werden. Es codiert für einen Transkriptionsfaktor und steht unter epigenetischer Kontrolle.

1.4.1

Werten Sie Material 2 aus und entwickeln Sie eine begründete Hypothese über die Funktion von FLC bei der Blühinduktion. [5 BE]

1.4.2

Erläutern Sie die Auswirkungen der unterschiedlichen Methylierungsmuster auf die FLC-Genaktivität (Material 3). [5 BE]

Hinweis: H3Lys4me3 = Trimethylierung des 4. Lysinrests am Histon H3; H3K27me3 = Trimethylierungen an anderen Lysinresten der Histone H3.

Epigenetik, Gentransfer und Energie

Epigenetik ist ein aufstrebender Forschungszweig der Biologie. Der Begriff setzt sich aus den Wörtern „Genetik“ und „Epigenese“ zusammen, also der Vererbungslehre und der Entwicklung eines Lebewesens. Sie gilt also als Bindeglied zwischen Umwelteinflüssen und Genen. Mittels Epigenetik gelingt es dem Zellkern, unter dem Einfluss äußerer Faktoren, zu regulieren wann und in welchem Ausmaß Gene ein- und ausgeschaltet werden.

Material 4: Zucht einer transgenen Pflanze

1.5

Das Einbringen von Fremd-DNA in Pflanzenzellen ist wegen der Zellwand schwieriger als der Gentransfer in tierische Zellen. Da Pflanzenzellen selbst keine freien Plasmide aus der Umgebung aufnehmen können, verwendet man das Bodenbakterium Agrobacterium tumefaciens als Vektor.

Überführen Sie die einzelnen Bilder in Material 4 in ein Fließschema und erläutern Sie die einzelnen Schritte.

Hinweis: Schreiben Sie hierzu die Bildzahlen auf und verbinden Sie diese mit Pfeilen.

[8 BE]

Material 5: Gentransfer mit Hilfe eines Vektors

Agrobacterium tumefaciens besitzt bekanntlich die natürliche Fähigkeit die genetische Information für die Wurzelgallen-(Tumor-)Bildung in das Pflanzengenom einzufügen. Diese Transfer-DNA (T-DNA) liegt eingerahmt von zwei Grenzbereichen, der rechten und der linken Border (RB und LB), im Ti-Plasmid vor. An der RB beginnt der Transfer durch den Bruch eines Einzelstranges, durch einen weiteren Bruch an der LB entsteht die freie einzelsträngige T-DNA und dadurch kann das Bakterium die Pflanzenzelle infizieren. Diese beiden Sequenzen machen also die Nutzung des Ti-Plasmids als Vektor erst möglich.

Beim Gentransfer des Mannose-Gens wird dessen DNA, eingerahmt von RB- und LB-Sequenzen, in ein Plasmid eingebracht. Neben den Border-Sequenzen sind auch sogenannte Virulenzgene (vir-Gene) von Agrobacterium tumefaciens erforderlich, deren Aktivität normalerweise für die Übertragung der T-DNA ins Pflanzengenom erforderlich ist.

Der Vektor wird zwecks einfacherer Handhabung zunächst in Escherichia coli vermehrt und dann in einen Agrobakterien-Stamm transformiert, mit dem anschließend eine Pflanze infiziert wird.

1.6

Arabidopsis thaliana ist normalerweise nicht in der Lage den Zucker Mannose als Nahrung zu verwerten. In einem Experiment soll das Gen für die Verwendung von Mannose in das Erbgut von Arabidopsis thaliana übertragen werden.

Skizzieren Sie mithilfe von Material 5 ein geeignetes Plasmid und erklären Sie die Funktion der gewählten Abschnitte.

[18 BE]

Glukose spielt generell als wichtigster Energielieferant im Stoffwechsel aller Lebewesen eine zentrale Rolle und bildet dadurch die Grundlage des Lebens. Auch für ein funktionstüchtiges menschliches Abwehrsystem ist Glukose ausschlaggebend. So müssen z.B. die Zellen des Immunsystems gebildet und die Eigenbeweglichkeit von Makrophagen und Granulozyten aufrechterhalten werden.

2.1

Stellen Sie die wesentlichen Aspekte der einzelnen Stoffwechselwege beim aeroben Abbau der Glukose dar.

Hinweis: Führen Sie die einzelnen Stoffwechselwege, deren Orte, die Zusammenhänge und Ziele der Abbauschritte, die Edukte und Produkte und die Energiebilanzen an.

2.3

Der höhere Energie- und Substratbedarf bei Zellvermehrung und Immunreaktion spielt auch bei der sogenannten „antrainierten angeborenen Immunität“ eine Rolle. Neue Forschungen belegen, dass vor allem Monozyten und Makrophagen Lernprozesse durchmachen und eine Art von immunologischem Gedächtnis besitzen. So löst z.B. das Polysaccharid β-Glucan, das sich u.a. in den Zellwänden von Pflanzen befindet, solch eine antrainierte Immunität aus und der Organismus kann bei späteren Infektionen schneller reagieren.

In erster Linie wird dabei der Energiestoffwechsel dieser Phagozyten verändert.

Um zu klären, welche stoffwechselphysiologischen Vorgänge hierbei eine Rolle spielen, führten Forscher Experimente durch, die in Material 6 dargestellt werden.

Material 6: In vitro-Versuche mit „trainierten“ Monozyten und Makrophagen

Ermitteln Sie die Ergebnisse der Experimente zum Stoffwechsel von „trainierten“ Monozyten und Makrophagen und zeigen Sie die Umstellung auf, die im Energiestoffwechsel stattgefunden hat und für einen erhöhten Substratbedarf sorgt.

Glukose spielt generell als wichtigster Energielieferant im Stoffwechsel aller Lebewesen eine zentrale Rolle und bildet dadurch die Grundlage des Lebens. Auch für ein funktionstüchtiges menschliches Abwehrsystem ist Glukose ausschlaggebend. So müssen z.B. die Zellen des Immunsystems gebildet und die Eigenbeweglichkeit von Makrophagen und Granulozyten aufrechterhalten werden.

2.2

Fassen Sie die wesentlichen Merkmale der unspezifischen (angeborenen) und der spezifischen (adaptiven) Immunantwort zusammen.

(8 BE)

Die Senföle der Kreuzblütler

Die Kreuzblütler sind eine Pflanzenfamilie mit weltweit ca. 4000 Arten. Wichtige Kohlsorten, wie Weiß- und Rotkraut, Brokkoli oder Rosenkohl, sind bekannte Vertreter. Aber auch z. B. Papaya, Schwarzer Senf, Meerrettich und Rucola gehören zu dieser Pflanzenfamilie.

Material 1

Schutzmechanismus des Schwarzen Senfs

In jeder Senfpflanze tickt eine Bombe, eine „Senfölbombe“. Senföle sind stark giftig für Wirbeltiere, aber auch für Insekten. Sobald ein Fraßfeind die Pflanzenblätter anfrisst, wird ein Verteidigungssystem aktiviert, das dann plötzlich eine große Menge an Senfölen, z. B. Allylisothiocyanat, freisetzt. Der „Sprengstoff“ der „Senfölbombe“ lagert in den Vakuolen der nahe dem Blattrand liegenden Blattzellen. Der „Zünder“, das Enzym Myrosinase, befindet sich im Zellplasma dieser Zellen.

Glykosylierung

1.1

Erläutern Sie die Vorgänge, die ablaufen, wenn ein Insekt durch das Anfressen eines Blattes Senföle freisetzt (Material 1).

Hinweis: Berücksichtigen Sie die räumliche Abgrenzung der benannten Inhaltsstoffe der Vakuole.

[4 BE]

Material 2

Geschmackstest

1.2

Um die Wirksamkeit des im Schwarzen Senf enthaltenen Enzyms Myrosinase aufzudecken, führten Forscher das in Material 2 aufgeführte Experiment durch.

Werten Sie die Ergebnisse aus.

Hinweis: Nutzen Sie dazu auch Material 1.

[9 BE]

Material 3

Enzymaktivität

Hinweis: ------ = Enzym E₁, ─── = Enzym E₂

1.3

Bei verschiedenen Experimenten mit zwei Enzymen erhielt man die in Material 3 dargestellten Ergebnisse.

Fassen Sie die Auswirkungen zusammen, die die unterschiedlichen Bedingungen auf die Enzymaktivität haben.

Erklären Sie auch mögliche Auswirkungen auf diese beiden Enzyme bei Erhöhung der Temperatur um 10 °C bzw. 30 °C.

[8 BE]

Die Senföle der Kreuzblütler

Die Kreuzblütler sind eine Pflanzenfamilie mit weltweit ca. 4000 Arten. Wichtige Kohlsorten, wie Weiß- und Rotkraut, Brokkoli oder Rosenkohl, sind bekannte Vertreter. Aber auch z. B. Papaya, Schwarzer Senf, Meerrettich und Rucola gehören zu dieser Pflanzenfamilie.

Material 4

K M -Werte von Enzymen

Enzym 1

Enzym 2 (Myrosinase)

Enzym 3

K M [μmol/l]

30

70

170

geändert nach: Leibniz-Institut für die Pädagogik der Naturwissenschaften und Mathematik an der Universität Kiel (IPN): Die Aufgaben der 1. Runde, in: 28. Biologie Olympiade 2017, S.3.

1.4

In Material 4 sind die K M -Werte des Enzyms Myrosinase und weiterer strukturell ähnlicher Enzyme für ein Substrat gegeben.

Erläutern Sie grundsätzlich die Bedeutung des K M -Wertes für die Bildung von Enzym-Substrat-Komplexen und erklären Sie diesen Sachverhalt für die Enzymansätze 1 bis 3 bei einer Substratkonzentration von 25 μmol/l.

(6 BE)

JAN-WILLEM DE KRAAKER und JONATHAN GERSHENZON fanden heraus, dass das Enzym Methylthioalkylmalat-Synthase (MAM) für die Produktion von Senfölglykosiden sorgt. Sie entdeckten bei ihrer Forschung aber auch, dass MAM in seiner Struktur einem zweiten Enzym, der Isopropyl-Malat-Synthase (IPMS), sehr ähnlich ist.

Material 5

Die Isopropyl-Malat-Synthase (IPMS)

Während das Enzym MAM für die Herstellung von Senfölglykosiden zuständig ist, hat die strukturell sehr ähnliche IPMS jedoch eine ganz andere Funktion. Die IPMS ist für die Bildung der Aminosäure Leucin zuständig. Bei IPMS handelt es sich um ein Enzym aus 631 Aminosäuren. Die Wissenschaftler haben die zwei entscheidenden strukturellen Unterschiede gefunden: Bei MAM fehlen die letzten 120 Aminosäuren und im aktiven Zentrum des Enzyms MAM sind drei Aminosäuren ausgetauscht.

geändert nach: https://www.mpg.de/1229459/Kreuzbluetler_Enzym (abgerufen am 02.02.2019).

geändert nach: https://www.pnas.org/content/pnas/101/22/8295.full.pdf (abgerufen am 01.02.2019).

2.1

Erläutern Sie anhand von Material 5 den Aufbau des Enzyms Isopropyl-Malat-Synthase und nennen Sie die stabilisierenden Bindungskräfte.

(7 BE)

JAN-WILLEM DE KRAAKER und JONATHAN GERSHENZON fanden heraus, dass das Enzym Methylthioalkylmalat-Synthase (MAM) für die Produktion von Senfölglykosiden sorgt. Sie entdeckten bei ihrer Forschung aber auch, dass MAM in seiner Struktur einem zweiten Enzym, der Isopropyl-Malat-Synthase (IPMS), sehr ähnlich ist.

2.2

Beschreiben und erläutern Sie die Transkription und Translation bei Prokaryoten.

[18 BE]

JAN-WILLEM DE KRAAKER und JONATHAN GERSHENZON fanden heraus, dass das Enzym Methylthioalkylmalat-Synthase (MAM) für die Produktion von Senfölglykosiden sorgt. Sie entdeckten bei ihrer Forschung aber auch, dass MAM in seiner Struktur einem zweiten Enzym, der Isopropyl-Malat-Synthase (IPMS), sehr ähnlich ist.

Material 5: Die Isopropyl-Malat-Synthase (IPMS)

Während das Enzym MAM für die Herstellung von Senfölglykosiden zuständig ist, hat die strukturell sehr ähnliche IPMS jedoch eine ganz andere Funktion. Die IPMS ist für die Bildung der Aminosäure Leucin zuständig. Bei IPMS handelt es sich um ein Enzym aus 631 Aminosäuren. Die Wissenschaftler haben die zwei entscheidenden strukturellen Unterschiede gefunden: Bei MAM fehlen die letzten 120 Aminosäuren und im aktiven Zentrum des Enzyms MAM sind drei Aminosäuren ausgetauscht.

Ausschnitt des Enzyms (Hinweis: Pfeil = β-Faltblatt, Zylinder = α-Helix, Rosette = aktives Zentrum)

Material 6: Genausschnitt des codogenen Stranges von IPMS und MAM im Vergleich

IPMS-Gen: 3′… CAA CGT ACG TCA CAT CCT TGA …5′

MAM-Gen: 3′… CAA AGT AGC TTA CAT ATT …5′ (Stopp)

Material 7: Codesonne

2.3

Ermitteln Sie anhand von Material 6 und 7 die Aminosäuresequenzen der Genausschnitte von IPMS und MAM. [6 BE]

2.4

Ermitteln Sie, ausgehend von der Basensequenz im IPMS-Gen, eine mögliche Genmutation, die zur Entstehung eines Stopp-Codons führen könnte. Erklären Sie die Tatsache, dass die in Material 5 und 6 dargestellten Genveränderungen zur Bildung von zwei unterschiedlichen Enzymen führen. [9 BE]

JAN-WILLEM DE KRAAKER und JONATHAN GERSHENZON fanden heraus, dass das Enzym Methylthioalkylmalat-Synthase (MAM) für die Produktion von Senfölglykosiden sorgt. Sie entdeckten bei ihrer Forschung aber auch, dass MAM in seiner Struktur einem zweiten Enzym, der Isopropyl-Malat-Synthase (IPMS), sehr ähnlich ist.

Trotz des wirksamen Abwehrsystems werden auch die Kreuzblütler von Schädlingen befallen. So zeigen z. B. die Raupen der Kohlmotte ( Plutella xylostella) und des Kohlweißlings ( Pieris brassicae) unterschiedliche Mechanismen, um der Zündung der „Senföl-Bombe“ zu entgehen bzw. deren Wirkung zu entschärfen.

Entwickeln Sie drei Hypothesen für solche Mechanismen.

Forscher des Instituts für Medizinische Virologie der Universität Gießen untersuchten die Wirkung des Senföls Allylisothiocyanat auf die Vermehrung von Grippeviren vom Typ H1N1 (RNA-Virus), der sogenannten „Schweinegrippe“.

Material 8

Dünnschicht-Chromatogramm verschiedener Senföle

3.1

Senfölgemische sollen chromatographisch getrennt werden. Material 8 zeigt ein Chromatogramm.

Erläutern Sie die theoretischen Grundlagen der Dünnschichtchromatographie und erklären Sie die Trennwirkung. [5 BE]

3.2

Bestimmen Sie die $R_f$-Werte der Substanzflecken des Stoffgemischs B und begründen Sie die Eignung des Fließmittels für die verschiedenen Senföle A bis E (Material 8). [6 BE]

Forscher des Instituts für Medizinische Virologie der Universität Gießen untersuchten die Wirkung des Senföls Allylisothiocyanat auf die Vermehrung von Grippeviren vom Typ H1N1 (RNA-Virus), der sogenannten „Schweinegrippe“.

3.3

Das Virus H1N1 besitzt zwei typische Oberflächenproteine, die die Virusbezeichnung festlegen. Zum einen das Protein Hämagglutinin (H), das bei der Infektion einer Wirtszelle die Anheftung und das Eindringen des Virus vermittelt. Zum anderen die Neuraminidase (N), die eine Rolle bei der Freisetzung neu entstandener Viren aus den infizierten Zellen spielt.

Entwerfen Sie ein Ablaufschema des viralen Infektionszyklus von H1N1. [8 BE]

3.4

Material 9

Virustiter des Influenzavirus H1N1 in A549-Zellen nach Infektion

Hinweis: FFU = Focus Forming Units; a = Virus-Kontrolle; b bis e = Zugabe von Allylisothiocyanat-Lösungen in den Verdünnungen $10^{-4}$ (b), $10^{-5}$ (c), $10^{-7}$ (d) und $10^{-9}$ (e)

Um die Wirkung von Senfölen auf die Vermehrung von Viren zu testen, wurden im In-vitro-Modell menschliche Lungenzellen A549 mit H1N1 infiziert und mit Allylisothiocyanat behandelt.

Beschreiben Sie die Grafik in Material 9 und werten Sie die Ergebnisse aus. [8 BE]