Aufgabe 1 - Enzyme, Stofftransport und Zellatmung · Abitur NRW Biologie LK · Maniok-EN 2025

Maniok – eine giftige Nutzpflanze

Maniok ( Manihot esculenta) ist ein Wolfsmilchgewächs und wird weltweit in vielen Teilen der Tropen und Subtropen angebaut. In vielen afrikanischen Staaten ist Maniok das Hauptnahrungsmittel der Bevölkerung. Genutzt werden vor allem die stärkehaltigen Wurzelknollen. Aufgrund von Besonderheiten in ihrem Stoffwechsel ist die Pflanze jedoch in allen Teilen giftig und sollte daher nicht roh verzehrt werden.

Material 1: Maniok als Giftpflanze

Maniok enthält in allen Pflanzenteilen einen Saft mit dem Stoff Linamarin. Dieser Stoff ist ungefährlich, kann allerdings zu Blausäure umgewandelt werden.

Solange die Maniokpflanze unverletzt ist, wird keine Blausäure gebildet. Werden jedoch Zellen innerhalb des Gewebes beschädigt, z. B. durch das Zerkleinern der Maniokknollen bei der Verarbeitung zu Lebensmitteln, kommt das in den Vakuolen enthaltene Linamarin u. a. mit dem Enzym Linase in Kontakt. Dadurch entsteht Blausäure. Die Blausäure setzt toxische Cyanid-Ionen frei. Diese binden an ein Enzym der Atmungskette, die Cytochrom-c-Oxidase, und hemmen das Enzym dadurch.

In Abbildung 1 ist die Wirkung von Blausäure auf die pH-Werte in der Matrix und im Intermembranraum von menschlichen Mitochondrien dargestellt. Je größer der pH-Wert ist, desto kleiner ist die Protonenkonzentration.

Material 2: Attiéké und Garba – bedeutende Grundnahrungsmittel

Attiéké ist eine in der in der westafrikanischen Republik Côte d'Ivoire (Elfenbeinküste) verbreitete Beilage, die aus vergorenen Maniokwurzeln hergestellt wird. Dazu werden frische Wurzeln geschält, fein verrieben und mit Wasser, Öl sowie einer Kultur von Mikroorganismen versetzt. Diese Kultur enthält vor allem Milchsäurebakterien. Die breiähnliche Mischung ruht anschließend mehrere Stunden, in denen eine Gärung erfolgt. Dadurch wird die Mischung angesäuert, d. h. ihr pH-Wert sinkt. Das vergorene Produkt wird dann gepresst, gesiebt, zu Körnern geformt, getrocknet und nach dem Entfernen der Fasern in heißem Dampf erhitzt. Dadurch entsteht eine nahezu weiße Masse. Beim Verreiben der Maniokwurzel zu Beginn des Prozesses wird das Enzym Linase freigesetzt, das die Entstehung von Blausäure bewirkt (vgl. M 1). Die gebildete Blausäure verdunstet größtenteils im Laufe des Herstellungsprozesses. Die Aktivität von Linase ist abhängig vom pH-Wert (Abb. 2).

Eine Abwandlung von Attiéké ist Garba, das vorwiegend in der ärmeren Bevölkerung konsumiert wird. Garba wird, ausgehend von der Maniokwurzel, ähnlich wie Attiéké hergestellt, aber die Gärung erfolgt in kürzerer Zeit. Folgende Schritte werden weggelassen bzw. modifiziert:

Es wird eine deutlich reduzierte Menge an Mikroorganismen-Kultur zugesetzt;

das gepresste Produkt wird nur grob gesiebt;

es findet keine Körnerherstellung und Faserentfernung mit Dampferhitzung statt.

Dies führt zu einem deutlich höheren Anteil an Blausäure in Garba im Vergleich zu Attiéké.

Material 3: Fotosynthese in den Blättern des Manioks

Stoffwechselphysiologische Grundlage für die in den Maniokwurzeln enthaltene Stärke ist die in den Blättern der Maniokpflanze ablaufende Fotosynthese.

In einer Untersuchung wurde jeweils die Fotosyntheserate in Form der Kohlenstoffdioxid-Aufnahme von Maniokblättern an zwei unterschiedlichen Positionen an der Maniokpflanze bestimmt. Die Fotosyntheserate wurde dabei in Abhängigkeit von der Beleuchtungsstärke unter sonst optimalen Bedingungen gemessen (Abb. 3).

Material 4: Die Maniok-Schmierlaus

In den 1980er Jahren kam es in Afrika durch den Befall mit der aus Südamerika stammenden Maniok-Schmierlaus zu enormen Ernteeinbußen beim Maniokanbau. Die Läuse ernähren sich vom Pflanzensaft und scheiden zuckerhaltige Sekrete aus. Sie können beim Befall bis zu 45 % der Wurzeln und bis zu 100 % der Blätter der Maniok-Pflanze zerstören. Die Weibchen legen innerhalb von 20 Tagen bis zu 400 Eier.

Bei verschiedenen Untersuchungen fiel auf, dass die Schmierläuse oft zusammen mit einer bestimmten Ameisenart auftreten. In wissenschaftlichen Untersuchungen wurde die Populationsentwicklung von Schmierläusen unter verschiedenen Bedingungen untersucht (Abb. 4).

1

Erläutern Sie die Funktion des Sauerstoffs innerhalb der Atmungskette und seine Bedeutung für die chemiosmotische ATP-Synthese. [9 BE]

2

Erklären Sie die in Abbildung 1 dargestellten Kurvenverläufe (M 1). Leiten Sie zwei physiologische Folgen für den Menschen nach Verzehr einer rohen Maniokwurzel ab (M 1). [10 BE]

3

Stellen Sie ausgehend von Brenztraubensäure das Reaktionsschema der Milchsäuregärung dar. Begründen Sie den deutlich höheren Anteil an Blausäure in Garba im Vergleich zu Attiéké (M 1, M 2). [6 BE]