LAP Biologie Chemielaboranten am 1. Juni 2005 Name:.. Vorname: Erreichte Punktzahl: Hinweise: Note: Sie können die Aufgaben in beliebiger Reihenfolge lösen. Hilfsmittel sind keine zugelassen. Hinter jeder Aufgabe finden Sie die Punktezahl, die es für die richtige Lösung gibt. Sie können maximal 53.5 Punkte erreichen. Sie haben zur Lösung der Aufgaben 90 Minuten Zeit. Vergessen Sie nicht, Ihren Namen auf dieses und eventuell zusätzliche Blätter zu schreiben. Viel Glück!
Die Biologie ist die Lehre von den Lebewesen. a) Welches ist die kleinste Einheit aller Lebewesen? (1) bestehen aus Zellen als kleinste lebende Einheit b) Benennen Sie mindestens fünf Kennzeichen des Lebens: Vergleichen Sie dabei ein Bakterium (Escherichia Coli) mit einem Herrentier (Homo sapiens). (2) Stoffwechsel, Reizbarkeit, Fortpflanzung, Vererbung, Beweglichkeit, Differenzierung, Tod. c) Vergleichen Sie die Zellen von Bakterien, Menschen und Pflanzen miteinander. Stellen Sie Ihre Erkenntnisse in einer Tabelle zusammen und berücksichtigen Sie mindestens vier Kriterien. (2) Bakterie Mensch Pflanze Fachbegriff Prokaryont Eukaryont Eukaryont Zellkern Nein Ja Ja Zellwand Nein Nein Ja Chloroplasten Nein Nein Ja Zellmembran Ja Ja Ja Vakuole Nein Nein ja d) Viren (das Virus) sind kleine Partikel aus Protein und Nukleinsäure mit einer typischen Größe von ca. 100 nm. Man kann sie im Lichtmikroskop nicht sehen. Sie wurden 1898 von Löffler und Frosch entdeckt. Man sagt, Viren stehen an der Schwelle zum Lebendigen. Welche Gründe sprechen dagegen, Viren als Lebewesen zu betrachten? Diskutieren Sie zwei Gründe. (1) Sie bestehen nicht aus Zellen und sind deshalb auch keine Lebewesen. Sie benutzen Wirtszellen, um sich zu vermehren, können sich aber nicht selbständig vermehren. e) Beschreiben Sie, wie sich bei einer viruellen Erkrankung, z.b. Grippe, die Viren in unserem Körper vermehren. (1) Viren bestehen aus einer Proteinhülle (Capsid), die mehrschichtig sein kann und Nukleinsäure wie DNA oder RNA, also Erbmaterial im Innern. Bei Kontakt mit einer Zelle injiziert das Virus sein Erbmaterial in die Zelle und übernimmt die Kontrolle über alle wesentlichen zellulären Stoffwechselvorgänge. Nun werden im Innern neue Viren hergestellt und zusammengebaut. Nach ca. 30 Minuten entläßt die Zelle bis zu 300 neue Viren wobei sie oft stirbt.
Enzyme sind Biokatalysatoren, die die Reaktionsgeschwindigkeit einer biochemischen Reaktion erhöhen. a) Erklären Sie die Wirkungsweise eines Enzyms unter Betrachtung der energetischen Gesichtspunkte. (2) Man kann die Aktion eines Enzyms unter energetischen Gesichtspunkten in einem Reaktionsweg-Zeit-Diagramm darstellen: Enzyme erniedrigen also die zur Reaktion notwendige Aktivierungsenergie. b) Viele Enzyme sind so spezialisiert, dass sie auf nur ein Substrat wirken und ein ähnliches Molekül unberührt lassen. Amylase, ein Verdauungsenzym im Speichel und Darm katalysiert nur die Spaltung von Stärke und nicht Cellulose, obwohl beide aus Ketten von Glucose bestehen. Der Unterschied liegt in der Bindung der Glucosemoleküle. Warum reagiert die Amylase so spezifisch? (1) Die Bindungsstelle im Protein ist durch die Proteinsequenz so genau vorgegeben, dass nur die Stärke im aktiven Zentrum binden kann, nicht aber die räumlich anders aufgebaute Cellulose. c) Wie kann die Amylase unwirksam gemacht werden? Benennen Sie mindestens vier Möglichkeiten. (2) ph-änderung, Zugabe von Säure, Kochen, Zugabe von Schwermetallen oder Alkohol
Zellen können gezielt Stoffe aufnehmen und ausscheiden. Bei genauer Analyse unseres Beispiels kann man zwei Bewegungsvorgänge erkennen: Bewegung im Medium (im Blut, im Cytoplasma) Bewegung durch Membranen verschiedener Zellen Man unterscheidet zwischen Diffusion und Osmose. a) Erklären Sie den Vorgang der Diffusion und geben Sie an, von welchen Faktoren die Diffusion abhängt. (2) Man nennt eine regellose Bewegung von Teilchen aufgrund von Umgebungswärme Braunsche Teilchenbewegung. Man bezeichnet diese Bewegung entlang eines Konzentrationsgefälles auch als Diffusion. Glucose diffundiert im Blut oder durch das Cytoplasma und zwar mit recht hoher Geschwindigkeit. Die Diffusion im Medium hängt von verschiedenen Faktoren ab: Temperatur, Teilchengröße, Ladung. b) Erklären Sie den Vorgang der Osmose und geben Sie an, von welchen Faktoren die Osmose abhängt. (2) Eine biologische Membran ist semipermeabel, d. h. bestimmte Stoffe können sie passieren, andere nicht. Das Bestreben der Teilchen, sich auszugleichen muss aber auch für Reaktionsräume gelten, die durch Membranen voneinander getrennt sind, nur treten dort durch den besonderen Aufbau, spezielle Effekte auf. Diffusion durch Membranen nennt man Osmose, sie dient ebenfalls dem Konzentrationsausgleich, aber nur der permeable Stoff kann diffundieren c) Sie sollen eine Kirsche in eine hypotonische bzw. hypertonische Umgebung bringen. Was passiert mit der Kirsche jeweils? Welche Umgebungen würden Sie jeweils wählen? (3) Hypertonisch, z.b. konzentrierte Zuckerlösung Zelle schrumpft, weil Wasser zum Konzentrationsausgleich nach aussen geht Hypotonisch, z.b. destilliertes Wasser Zelle platzt, weil Wasser zum Konzentrationsausgleich nach innen strömt
Kreuzt man Individuen zweier verschiedener Pflanzenrassen miteinander, so erhält man in der F 2 -Generation Phänotypen mit folgenden Blüten (stilisierte Darstellung): a) Geben Sie die Blütenmerkmale an, die bei diesem Vererbungsgang betrachtet werden. (1) Blütenmerkmale: Farbe und Größe der Blüten b) Um was für einen Erbgang handelt es sich hier? Begründen Sie ihre Meinung. (3) Blütenmerkmale: Farbe und Größe der Blüten dihybrider Erbgang. Blütenfarbe: Bezüglich der Blütenfarbe findet man in der F2-Generation nur zwei unterschiedliche Phänotypen, wobei das für die rote Blütenfarbe verantwortliche Allel über das für die blaue Blütenfarbe verantwortliche Allel dominiert (Aufspaltung im Verhältnis 3 : 1) dominatrezessiver Erbgang. Blütengröße: In der F2-Generation findet man 3 verschiedene Blütengrößen (große, mittlere und kleine Blüten im Spaltungsverhältnis 1 : 2 : 1) intermediärer Erbgang. c) Bezeichnen Sie die entsprechenden Merkmale eindeutig mit Buchstabensymbolen. (1) Allele: rote Blütenfarbe: A kleine Blüten: k blaue Blütenfarbe: a große Blüten: g d) Ordnen Sie den verschiedenen rotblütigen Phänotypen (der F 2 -Generation) die möglichen Genotypen zu. (1 ½) Phänotyp: rot, groß rot, mittelgroß rot, klein Genotypen: AAgg oder Aagg AAgk oder Aagk AAkk oder Aakk
e) Welchen Genotyp hatten die uniformen F 1 -Individuen bei dem vorliegenden Erbgang? Stellen Sie ein entsprechendes Kreuzungsschema auf. (2) Nach dem 1. Mendelschen Gesetz treten in der F1-Generation dann uniforme Individuen - bzgl. der betrachteten Merkmale- auf, wenn die P-Generation reinerbig war.
Mendel gilt als Pionier der Genetik. Seine 1866 veröffentlichte Vererbungstheorie basierte auf dem Vergleich der äusseren Merkmale von Erbsen. Weitere Erkenntnisse lieferten zytologische Untersuchungen des späten 19. Jahrhunderts. Die abgebildete Modellvorstellung zur Struktur eines DNA-Moleküls entwickelte Steudel 1912: a) Ordnen Sie die im Modell von Steudel verwendeten Buchstaben den einzelnen molekularen Bausteinen der DNA zu! (1) Z=Zucker P=Phosphorsäure A=Adenin C=Cytosin G=Guanin T=Thymin b) Das von Steudel entwickelte DNA-Modell hat sich nicht als richtig erwiesen. Skizzieren Sie die heute gültige Modellvorstellung, die auf den Arbeiten von Watson und Crick beruht. Benutzen Sie die gleichen Buchstaben für die einzelnen molekularen Bausteine der DNA. (1) - Z P Z P Z P Z P A T C G - Z P Z P Z P Z P c) Viren können als Erbsubstanz verschiedenartige Nukleinsäuren enthalten. Die Analyse zweier Virentypen (Phage und ein Reovirus) ergab folgende Prozentanteile der molekularen Bestandteile der Erbsubstanz. (1) Formulieren Sie Hypothesen, wie die Erbsubstanz der beiden Viren jeweils aufgebaut sein könnte und begründen Sie diese anhand der experimentell ermittelten Mengenanteile! RNA, weil in der DNA A=T und C=G sein muss wegen der Doppelhelix
Die Erstellung eines Karyogramms beim Menschen dient der Überprüfung des Chromosomenbestands und lässt eventuell vorhandene Genommutationen erkennen. a) Beschreiben Sie den Ablauf der Meiose. (2) 1. Teilung: Auftrennen der homologen Chromosomenpaare 2. Teilung: Auftrennen der vorher bereits verdoppelten Chromatiden b) Worin liegt die biologische Bedeutung der Meiose? (1) Halbierung des Chromosomensatzes, damit nach dem Verschmelzen von zwei Geschlechtszellen wieder ein Chromosomensatz da ist. Ansonsten würde sich bei der Befruchtung der Chromosomensatz jeweils verdoppeln. c) Das Klinefelter-Syndrom ist die häufigste Form der Intersexualität. Bei den betroffenen Personen liegt der Karyotyp 47, XXY vor. Leiten Sie jeweils unter Mitverwendung beschrifteter Skizzen ab, ob eine fehlerhafte erste bzw. zweite Reifeteilung bei der Spermatogenese des Vaters mit normalem Karyotyp zu dem oben genannten Syndrom führt! (2) Der Fehler muss in der 1. Teilung passiert sein, bei der sich die Geschlechtschromosomen des Vaters nicht aufgetrennt haben. c) Beschreiben Sie den Ablauf der Mitose einer Eukaryontenzelle (2n = 4) unter Zuhilfenahme beschrifteter Skizzen. (2)
In der Gentechnik verfügt man über eine grosse Zahl unterschiedlicher Plasmide. Sie enthalten ein Resistenzgen für Ampicillin (AmpR) und ein Gen LacZ, das für ein Enzym codiert. Mit Hilfe des LacZ-Enzyms wird aus einer farblosen Substanz A ein blauer Farbstoff B hergestellt. Bakterien, die ein entsprechendes Plasmid enthalten, bilden auf Nährböden mit der Substanz A blaue Kolonien. Wählen Sie aus den Plasmiden A bis C dasjenige aus, das zur Übertragung von fremdem genetischen Material geeignet ist! Begründen Sie Ihre Auswahl. (2) Das mittlere Plasmid, wird erfolgreich das neue Gen eingebaut, so kann die blaue Farbe nicht mehr hergestellt werden. Photosynthese und Zellatmung laufen beide in Pflanzenzellen ab. a) Formulieren Sie die Gleichungen der Photosynthese und Zellatmung. (2) Photosynthese: 6 CO 2 + 6 H 2 O C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 Zellatmung: C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 6 CO 2 + 6 H 2 O b) Warum sind Tiere nicht fähig, Photosynthese zu betreiben? (1) Weil für die Photosynthese Chloroplasten nötig sind, tierische Zellen weisen keine Chloroplasten auf c) Unter welchen Bedingungen läuft in der Pflanze v.a. Zellatmung ab? (½) Im Dunkeln, wenn kein Sonnenlicht zur Verfügung steht d) Hefezellen können unter Ausschluss von Sauerstoff auch einen anderen Stoffwechselweg zur Energiegewinnung beschreiten. Benennen Sie den Weg und formulieren Sie die entsprechende Reaktionsgleichung. (1 ½) Alkoholische Gärung C 6 H 12 O 6 2 C 2 H 5 OH + 2 CO 2
Entscheiden Sie, ob die folgenden Aussagen zutreffen. Begründen Sie Ihre Entscheidung. (9) Pflanzen ernähren sich autotroph. Ja, die Pflanzen ernähren sich autotroph, d.h. sie können organische aus anorganischen Stoffen herstellen. Bei der alkoholischen Gärung wird mehr Energie frei als bei der Zellatmung. Nein, bei der Zellatmung wird viel mehr von dem Energiespeicher ATP gebildet als bei der alkoholischen Gärung Antigen und Antikörper sind das gleiche. Nein, das Antigen bindet an den Antikörper Bestimmte Krankheiten bekommt man nur einmal im Leben. Ja, es bleiben so genannte Gedächtniszellen zurück, die die entsprechenden Antikörper sehr schnell wieder bilden können, wenn das entsprechende Antigen im Körper auftaucht. ATP hat einen grösseren Energieinhalt als Traubenzucker und wird nur in tierischen Zellen gebraucht. Nein, ATP ist der kleine handliche universelle Energieträger in allen Zellen Biomembranen bestehen aus Lipiden, in die weitere Stoffe eingelagert sind. ja, es ist eine Lipid-Doppelschicht, in die Proteine und Kohlehydrate eingelagert sind.