2014-1 Abiturprüfung 2014 Leistungskurs Biologie (Hessen) A1

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Abiturprüfung 2014 Leistungskurs Biologie (Hessen)
A1: Verhaltensbiologie
Transduktion bei Sinneszellen
BE
1 Nennen Sie in tabellarischer Form fünf verschiedene Bestandteile der
Netzhaut mit ihrer Funktion.
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2 Beschreiben und erläutern Sie die lichtinduzierte Transduktion in einem
Stäbchen der Retina bis einschließlich der Erregung der Bipolarzellen
(Material 1).
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3 Stellen Sie den Transduktionsmechanismus für die Geschmacksempfindung „süß“ dar (Material 2 und 3).
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4 Entwickeln Sie eine begründete Hypothese zur molekularen Wirkungsweise von Miraculin (Material 2 bis 4).
Material 1
Abbildung 1.1
Die lichtinduzierte Signalkaskade in Stäbchen (Querschnitt)
Erläuterungen: Transducin = G-Protein
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Abbildung 1.2
Ionenströme und Membranpotenziale bei Dunkelheit und unter Lichteinfluss
Material 1 basiert auf:
Andrea Erdmann et al.: Grüne Reihe Neurobiologie, Braunschweig, 2005, S. 45
Neil A. Campbell, Jane B. Reece: Biologie, 8. Auflage, München, 2011, S. 1481
Michael Walory, Elsbeth Westendorf-Bröring: Biologie heute SII, Lehrermaterialien Teil 1,
Braunschweig, 2012, S. 187
Material 2
Lage und Bau der Geschmacksknospen auf der Zunge
Eingesenkt in die Epidermis der Zunge liegen Geschmacksknospen, die die Geschmackssinneszellen für die unterschiedlichen Geschmacksqualitäten enthalten.
Hier kommen im Speichel gelöste Stoffe mit den Sinneszellen in Berührung. Diese
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Lösungsvorschläge
In der Aufgabe thematisierte Unterrichtsinhalte sind:
– Signalübertragung und Verrechnung
– Bau und Funktion sensorischer Rezeptoren mit adäquatem Reiz und Rezeptorpotenzial
– Prinzip der Stoffeinwirkung an Acetylcholin-führenden Synapsen
– Bau und Funktion der Netzhaut mit Signaltransduktion
– Prinzip hormonbedingter Second-Messenger-Vorgänge
– Glutamat-abhängige Synapsen
r 1 Diese Aufgabe ist rein reproduktiv angelegt. Sie sollen fünf Ihnen aus dem Unterr
richt bekannte Bestandteile der Netzhaut nennen und deren Funktion angeben.
r
Wie detailliert Sie die Funktionen beschreiben müssen, hängt davon ab, wie ausr
führlich Sie die einzelnen Punkte im Unterricht besprochen haben. Die Lösung
r
muss in Tabellenform angelegt werden.
r
Erinnern Sie sich an die Gesamtfunktion der Netzhaut: Sie nimmt Lichtqualitäten
r
und Lichtintensitäten auf und wandelt diese in elektrische Signale um. Die Codier
rung erfolgt über Rezeptorpotenziale und Aktionspotenzialfrequenzen in den Sehr
zellen und den nachgeschalteten Nervenzellen. Denken Sie daran, dass schon auf
r
der Ebene der Netzhaut eine Verarbeitung der optischen Reize stattfindet.
Bestandteil der
Netzhaut
Funktion
Sehzelltyp I:
Stäbchen
Enthalten Sehpigmente (Rhodopsin), die die sensorische
Transduktion über die Konfigurationsänderung des Retinals
und der damit verbundenen Hyperpolarisierung der Sehzellmembran ermöglichen.
Stäbchen sind lichtempfindlicher als Zapfen und damit für
das Dämmerungs- und Nachtsehen verantwortlich.
Sehzelltyp II:
Zapfen
Enthalten ebenfalls Sehpigmente, sind aber weniger lichtempfindlich als Stäbchen und ermöglichen das Tages- und
Farbsehen. Das Farbsehen wird durch drei verschiedene Zapfentypen ermöglicht, die sich in ihrer spektralen Empfindlichkeit bei unterschiedlichen Wellenlängenbereichen des
Lichtspektrums unterscheiden.
Bipolarzellen
Stellen die Verbindung zwischen den Sehzellen und den
Ganglienzellen her.
Horizontalzellen
Ermöglichen Querverschaltungen innerhalb der Netzhaut
(zwischen Sehzellen und Bipolarzellen). Durch die laterale
Inhibition wird z. B. eine Kontrastverstärkung erreicht.
Amakrinzellen
Ermöglichen Querverschaltungen innerhalb der Netzhaut
(zwischen Bipolarzellen und Ganglienzellen) – in ihrer Funktion vergleichbar mit den Horizontalzellen.
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r
Pigmentzellen
Bilden das Pigmentepithel. Enthalten lichtundurchlässige
dunkle Pigmente, die das Augeninnere vor störenden
Reflexen schützen. Tragen zur Ernährung der Sehzellen bei.
Ganglienzellen
Bilden Synapsen mit Bipolarzellen und übermitteln
Aktionspotenziale via Sehnervenaxone ins Gehirn.
Nur fünf Bestandteile sind verlangt.
r 2 Anhand der Abbildungen 1.1 und 1.2 ist zunächst die lichtinduzierte Transduktir
on (Prozesse der molekularen Übertragung von Informationen in und zwischen
r
Sinneszellen) in einem Stäbchen der Retina zu beschreiben und zu erläutern. Die
r
Beschreibung und Erläuterung der Auswirkung auf die nachfolgende Bipolarzelle
r
stellt den zweiten Teil der Aufgabe dar.
r
Für die Beschreibung (strukturierte und fachsprachliche Wiedergabe der darger
stellten Sachverhalte in eigenen Worten) ist es sinnvoll, die Abbildungen 1.1 und
1.2 im Zusammenhang zu betrachten, um die molekulare Dimension der Ger
schehnisse im Außenglied des Stäbchens, die zelluläre Situation und die Messr
wertinformationen miteinander verknüpfen zu können. Bei der Auswertung der in
r
Abb. 1.2 dargestellten Messwerte sollten Sie Ihre Kenntnisse über Ruhepotenziale
r
an Neuronen abrufen. Beachten Sie die Erläuterung zu Abb. 1.2: Es handelt sich
r
um eine Glutamat-abhängige Synapse – der Transmitter Glutamat verschließt die
r
postsynaptischen Na+-Kanäle.
r
Im zweiten Teil der Aufgabe gehen Sie auf die Frage ein, welche Auswirkungen
r
die jeweilige Höhe des Membranpotenzials auf die Erregung der nachgeschalter
ten Bipolarzelle hat.
r
Situation im Stäbchen:
Das Außenglied der Stäbchen enthält membranumschlossene Disks, in deren
Membran der Sehfarbstoff Rhodopsin eingelagert ist. Er ist die lichtabsorbierende Komponente des Systems und besteht aus dem Eiweißkörper Opsin und dem
eingelagerten Retinal, welches unbelichtet als 11-cis-Retinal vorliegt und sich bei
Belichtung in das all-trans-Retinal umwandelt (Isomerisierung). Diese Veränderung der räumlichen Struktur des Retinals bei Belichtung aktiviert das Rhodopsin, welches über das ebenfalls benachbart in der Disk-Membran eingelagerte GProtein Transducin das Enzym Phosphodiesterase aktiviert.
Damit ist die lichtinduzierte Signalkaskade in Gang gesetzt: Die Phosphodiesterase katalysiert die Umwandlung der im Zellinneren des Stäbchens vorliegenden
cGMP-Moleküle (cyclisches Guanosinmonophosphat) zu GMP (Guanosinmonophosphat).
Bei Dunkelheit werden die Natriumionenkanäle der Außenmembran der Sehzelle
durch das cGMP offen gehalten. Der permanente Natriumioneneinstrom führt zu
einem konstant niedrigen Membranpotenzial von etwa –30 mV (Abb. 1.2). Da
bei Belichtung das cGMP in GMP umgewandelt wird, schließen sich die Natriumionenkanäle. Natriumionen können nicht mehr oder nur noch vermindert in
das Zellinnere eindringen. Die Folge ist ein Absinken des Membranpotenzials auf
–70 mV und damit eine Hyperpolarisation.
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