Aufgabe 2 - Synapse, Hormone und neuronale Plasti… · Abitur NRW Biologie GK · Haupttermin 2023

Thema: Synapse, Hormone und neuronale Plastizität · Aus der Prüfung GK · Haupttermin (2023)

Aufgabenstellung

Material A: Die Wirkung des Pestizids Azamethiphos

Lachsläuse ( Lepeophtheirus salmonis) sind parasitäre Kleinkrebse. Sie befallen den Atlantischen Lachs, leben auf dessen Körperoberfläche und ernähren sich von Schleim, Hautpartikeln und Blut der Fische. Betroffene Fische zeigen offene Wunden in der Haut und Blutarmut. Dies kann zum Tod der Fische führen.

In der Lachszucht führt ein Befall der Fische zu großen wirtschaftlichen Verlusten. Als Maßnahme wird in der Aquazucht das Pestizid Azamethiphos verwendet, das in geringen Mengen (0,2 µg pro Liter) den Zuchtbecken beigefügt wird. Um die Wirkung des Pestizids auf die Nervenzellen von Lachsläusen zu untersuchen, behandelte man homozygote Wildtyp-Lachsläuse für 24 Stunden mit Azamethiphos. Anschließend wurde die Aktivität des Enzyms Acetylcholinesterase (AChE) bei den so behandelten Wildtyp-Lachsläusen ermittelt (Abbildung 1).

Material B: Azamethiphos-Resistenz und ihre genetischen Ursachen

Nach jahrelangem, dauerhaftem Einsatz von Azamethiphos in der Aquazucht wurde eine weit verbreitete Resistenz bei Lachsläusen gegen dieses Pestizid festgestellt. Auf der Suche nach den Ursachen der Resistenz stieß man auf das ace1a -Gen der Lachslaus. Dieses codiert die Acetylcholinesterase.

Material C: Wirksamkeit von Azamethiphos bei unterschiedlichen Stämmen der Lachslaus

In Lachszucht-Gewässern Norwegens fand man Lachslaus-Stämme mit unterschiedlichen Genotypen bezüglich des ace1a -Gens. Es wurde die Wirksamkeit von Azamethiphos auf Lachsläuse der drei Stämme untersucht. Dazu behandelte man drei Lachslaus-Stämme für 24 Stunden mit diesem Pestizid und untersuchte die Auswirkungen (Abbildung 2). Anschließend wurde die Aktivität des Enzyms Acetylcholinesterase bei Stamm 1 unter dem Einfluss von Azamethiphos ermittelt (Abbildung 3).

Material D: Codesonne und Tabelle zum genetischen Code

1. Stellen Sie die Informationsübertragung an einer Synapse, die durch Acetylcholin gesteuert wird, in Form eines Fließdiagramms dar. Beschreiben Sie die Ergebnisse, die Abbildung 1 zeigt (Material A). Erläutern Sie, wie sich Azamethiphos sowohl auf der molekularen Ebene als auch auf der Ebene des Organismus auswirkt (Material A).

[21 Punkte]

a)

b)

c)

d)

Aufgabenstellung: Aufgabe 2 - Synapse, Hormone und neuronale Plasti… · Abitur NRW Biologie GK · Haupttermin 2023

Lösung

Nach den offiziellen Korrekturhinweisen

1. Stellen Sie die Informationsübertragung an einer Synapse, die durch Acetylcholin gesteuert wird, in Form eines Fließdiagramms dar.

Lösung: Eintreffen von Aktionspotentialen (AP) an der Präsynapse → Öffnung spannungsabhängiger Calciumionen-Kanäle → Einströmen von Calciumionen → synaptische Vesikel verschmelzen mit präsynaptischer Membran → Acetylcholin wird in den synaptischen Spalt freigesetzt → Transmittermoleküle diffundieren durch den synaptischen Spalt → Acetylcholin-Moleküle binden an Rezeptoren der postsynaptischen Membran → Natriumionen-Kanäle öffnen sich → Natriumionen strömen in das postsynaptische Cytoplasma → exzitatorisches postsynaptisches Potential (EPSP) entsteht.

Beschreiben Sie die Ergebnisse, die Abbildung 1 zeigt (Material A).

Lösung: Bei den Lachsläusen liegt die Aktivität der Acetylcholinesterase ohne Zugabe von Azamethiphos im Mittel bei ca. 60 relativen Einheiten und schwankt zwischen 30 und 100 relativen Einheiten. Dagegen sinkt die Aktivität der Acetylcholinesterase bei Zugabe von Azamethiphos (2 µg/L) auf unter zehn relative Einheiten. Die Abweichungen vom Mittelwert sind nur minimal.

Erläutern Sie, wie sich Azamethiphos auf der molekularen Ebene auswirkt (Material A).

Lösung: Da nach der Zugabe von Azamethiphos die Aktivität der Acetylcholinesterase deutlich verringert ist, kann darauf geschlossen werden, dass das Pestizid die Acetylcholinesterase hemmt. Durch die Hemmung der Acetylcholinesterase kann Acetylcholin nicht mehr in Acetat und Cholin gespalten werden, sodass die Konzentration von Acetylcholin im synaptischen Spalt hoch bleibt. Dies führt zu einer dauerhaften Besetzung der Rezeptoren der postsynaptischen Membran. Der übermäßige Einstrom von Natriumionen führt zu andauernden exzitatorischen postsynaptischen Potentialen und der Dauererregung der nachfolgenden Neuronen.

Erläutern Sie, wie sich Azamethiphos auf der Ebene des Organismus auswirkt (Material A).

Lösung: Durch die Dauererregung der nachfolgenden Neuronen werden ständig Signale zu den Muskeln gesendet. Diese verursachen Dauerkontraktionen, die zu Krämpfen der Muskulatur und zum Tod der Lachsläuse führen können.

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