Aufbau wie in der Abiturprüfung auf erhöhtem Anforderungsniveau: vier materialgebundene Aufgaben, drei davon bearbeiten, Bearbeitungszeit 270 Minuten (im Abitur kommt eine Auswahlzeit hinzu). Hilfsmittel: eingeführter Taschenrechner. Arbeiten Sie auf Papier und tragen Sie hier nur die Ergebnisse ein; bei Mehrfachauswahl gibt es für falsch gewählte Aussagen Abzug. Anders als im Abitur werden offene Teile hier als Auswahl abgefragt — vergleichen Sie Ihre schriftliche Begründung danach mit dem Erwartungshorizont.
Aufgabenauswahl
Sie erhalten vier Aufgaben mit je 40 BE und bearbeiten drei davon. Sichten Sie zuerst Material und Operatoren, dann wählen Sie eine Aufgabe ab. Gewertet werden die drei übrigen (120 BE).
Noch keine Aufgabe abgewählt.
Kraftwerke im Muskel
40 BEEine Bergläuferin trainiert im Hochgebirge. Ihre Beinmuskeln brauchen bei jedem Schritt ATP — gesteuert werden sie über Motoneurone und motorische Endplatten.
M1 · Versuch mit isolierten Mitochondrien
Mitochondrien aus Muskelzellen werden in eine Pufferlösung mit Pyruvat, ADP und Phosphat gegeben. Nacheinander werden Hemmstoffe zugesetzt; gemessen werden der O₂-Verbrauch und die ATP-Bildung.
| Ansatz | Zusatz | O₂-Verbrauch in nmol/min | ATP-Bildung |
|---|---|---|---|
| 1 | keiner | 40 | hoch |
| 2 | Oligomycin (blockiert den Protonenkanal der ATP-Synthase) | 6 | keine |
| 3 | Oligomycin + DNP (DNP trägt H⁺ durch die innere Membran) | 72 | keine |
| 4 | Cyanid (hemmt Komplex IV) | 0 | keine |
M2 · Curare an der motorischen Endplatte
Curare ist ein Pfeilgift südamerikanischer Völker. Es bindet an die Acetylcholin-Rezeptoren der motorischen Endplatte, ohne die Ionenkanäle zu öffnen, und verdrängt Acetylcholin. Abgewandelte Stoffe werden bei Operationen zur Muskelentspannung eingesetzt.
M3 · Laktat im Blut bei steigender Laufgeschwindigkeit
Als „Laktatschwelle“ gilt in der Sportmedizin häufig die Geschwindigkeit, bei der 4 mmol/L erreicht werden (Modellwerte).
Erwartungshorizont (nach Auswerten freigeschaltet)
a) Glykolyse: Cytoplasma; oxidative Decarboxylierung und Citratzyklus: Matrix; Atmungskette: innere Mitochondrienmembran.
b) Oligomycin blockiert den Rückfluss; der Gradient wird so steil, dass das Pumpen gegen ihn kaum noch möglich ist — der Elektronenfluss zum O₂ stockt (Kopplung). Der kleine Restverbrauch beruht auf Leckströmen durch die Membran.
c) DNP ist ein Entkoppler: H⁺ strömen ohne ATP-Synthese zurück, der Gradient wird ständig abgebaut, die Atmungskette arbeitet maximal (72 nmol/min), die Energie wird als Wärme frei — wie beim UCP1 im braunen Fett.
d) Je O₂ werden 4 Elektronen = 2 NADH + H⁺ verbraucht → 5 ATP je O₂; 40 nmol/min · 5 = 200 nmol ATP/min.
e) Vesikel speichern Acetylcholin; Ca²⁺-Einstrom löst die Exocytose aus; die ligandengesteuerten Rezeptoren öffnen Kationenkanäle (Na⁺ ein → Endplattenpotenzial); die Acetylcholinesterase beendet das Signal.
f) Curare besetzt die Rezeptoren kompetitiv, ohne sie zu öffnen: Kein Na⁺-Einstrom, kein Endplattenpotenzial, keine Kontraktion — schlaffe Lähmung.
g) Beurteilung mit Kriterien: Wirkung (Lähmung aller Skelettmuskeln inkl. Zwerchfell → Beatmung), Nutzen (Relaxation), Umkehrbarkeit (mehr ACh durch Esterasehemmer verdrängt Curare). Curare wirkt nicht schmerzlindernd; der Herzmuskel wird nicht über motorische Endplatten erregt.
h) Zwischen 14 km/h (3,1 mmol/L) und 16 km/h (5,6 mmol/L) wird 4 mmol/L bei etwa 14,7–14,8 km/h erreicht.
i) Bei hoher Leistung übersteigt die Glykolyserate die Oxidationskapazität der Mitochondrien; Pyruvat wird mit NADH + H⁺ zu Lactat reduziert, NAD⁺ regeneriert (Milchsäuregärung, 2 ATP je Glucose). Die Zellatmung läuft weiter; Lactat wird später in Leber (Gluconeogenese) und Herz verwertet.
| Teil | AFB | BE |
|---|---|---|
| a) | I | 4 |
| b) | II | 6 |
| c) | II | 5 |
| d) | II | 3 |
| e) | I | 4 |
| f) | II | 3 |
| g) | III | 5 |
| h) | I | 3 |
| i) | II | 7 |
AFB I: 11 BE · AFB II: 24 BE · AFB III: 5 BE
Weizen im Hitzesommer
40 BEIn Hitzesommern sinken die Weizenerträge in Deutschland deutlich. Pflanzenphysiologen untersuchen, welche Faktoren die Fotosynthese des Weizens begrenzen.
M1 · Nettofotosynthese eines Weizenblatts und Temperatur
Messung bei hoher Lichtintensität, 400 ppm CO₂, ausreichender Wasserversorgung (Modellwerte).
M2 · Nettofotosynthese und CO₂-Gehalt der Luft (25 °C, hohe Lichtintensität)
| CO₂ in ppm | 200 | 400 | 800 | 1200 |
|---|---|---|---|---|
| Nettofotosynthese in µmol/(m²·s) | 11 | 20 | 27 | 28 |
M3 · Spaltöffnungen bei Trockenheit
Bei Wassermangel bildet die Wurzel das Hormon Abscisinsäure. Es gelangt in die Blätter und bewirkt, dass die Schließzellen Wasser verlieren: Die Spaltöffnungen schließen sich.
M4 · Aufbau eines Fotosystems
Ein Fotosystem besteht aus mehreren Hundert Pigmentmolekülen (Chlorophyll a, Chlorophyll b, Carotinoide) in Lichtsammelkomplexen und einem Reaktionszentrum mit einem speziellen Chlorophyll-a-Paar (P680 im Fotosystem II). Bei zu starkem Licht können überschüssig angeregte Chlorophyllmoleküle Sauerstoffradikale bilden, die Membranen schädigen.
Erwartungshorizont (nach Auswerten freigeschaltet)
a) O₂ aus der Fotolyse; NADPH + H⁺ am Ende der Elektronentransportkette (PS I, Ferredoxin-NADP⁺-Reduktase); 3-PG bei der Fixierung (Rubisco); ATP durch die ATP-Synthase der Thylakoidmembran (Fotophosphorylierung).
b) Maximum 20 µmol/(m²·s) bei 25 °C.
c) Bis zum Optimum beschleunigt die Temperatur die Enzymreaktionen (RGT-Regel), darüber überwiegen Denaturierung und steigende Atmung; die Nettorate fällt, bleibt aber bis 40 °C positiv.
d) (27 − 20) : 20 = 0,35 = 35 %.
e) Sachurteil mit dem Prinzip des Minimumfaktors: Ein Düngeeffekt tritt nur auf, solange CO₂ begrenzt (M2) und keine anderen Faktoren (Hitze M1, Wassermangel M3) limitieren. Die Aussage ist deshalb in ihrer Allgemeinheit nicht haltbar.
f) Optimum: höchste Aktivität; Pessimum: Grenzbereich nahe Minimum/Maximum; Toleranzbereich: vom Minimum bis zum Maximum; Minimum: untere Grenze.
g) Die Spaltöffnungen regeln Gasaustausch und Transpiration zugleich: Wasser sparen bedeutet CO₂-Mangel und fehlende Verdunstungskühlung — die Fotosynthese sinkt doppelt.
h) Antennen-Prinzip: Absorption durch viele Pigmente, Resonanz-Energietransfer zum energieärmeren Reaktionszentrum (Energiefalle), dort Ladungstrennung. Carotinoide absorbieren im Blau-Grün-Bereich.
i) Stau der Elektronen: Ohne Calvin-Zyklus wird kein NADP⁺ regeneriert; die Energie der Anregung kann nicht abfließen und wird auf O₂ übertragen (Radikale). Carotinoide schützen teilweise.
| Teil | AFB | BE |
|---|---|---|
| a) | I | 4 |
| b) | I | 2 |
| c) | II | 5 |
| d) | II | 3 |
| e) | III | 6 |
| f) | I | 4 |
| g) | II | 6 |
| h) | II | 6 |
| i) | III | 4 |
AFB I: 10 BE · AFB II: 20 BE · AFB III: 10 BE
Sichelzellen und Malaria
40 BEDie Sichelzellanämie ist eine erbliche Blutkrankheit. Homozygot Erkrankte leiden unter Durchblutungsstörungen und Blutarmut; Heterozygote haben kaum Beschwerden. In Teilen Afrikas ist das Allel dennoch erstaunlich häufig.
M1 · Ausschnitt aus dem β-Globin-Gen (Triplett 6)
| Allel | codogener Strang | Aminosäure |
|---|---|---|
| HbA (normal) | 3′-CTC-5′ | Glutaminsäure |
| HbS | 3′-CAC-5′ | ? |
Glutaminsäure ist geladen und hydrophil. HbS-Moleküle lagern sich bei Sauerstoffmangel über die Aminosäure an Position 6 zu langen Fasern zusammen.
M2 · Gendiagnose in einer Familie
Das Restriktionsenzym MstII schneidet das HbA-Allel in diesem Abschnitt in zwei Fragmente (1150 bp und 200 bp). Die Mutation zerstört die Schnittstelle; das HbS-Allel bleibt ungeschnitten (1350 bp).
M3 · HbS und Malaria
| Region | Malaria | Frequenz des HbS-Allels |
|---|---|---|
| Westafrika (Tiefland) | häufig | bis 0,15 |
| Ostafrika (Hochland) | selten | < 0,02 |
| Nordeuropa | nicht vorhanden | ≈ 0 |
Kinder mit dem Genotyp HbA/HbS erkranken seltener schwer an Malaria als HbA/HbA-Kinder; der Erreger vermehrt sich in ihren roten Blutzellen schlechter.
M4 · Eine Gentherapie über RNA-Interferenz
Vor der Geburt bildet der Mensch fetales Hämoglobin (HbF, α₂γ₂), das kein β-Globin enthält. Nach der Geburt schaltet der Transkriptionsfaktor BCL11A das γ-Globin-Gen ab. In einer Studie wurden Blutstammzellen von Erkrankten mit einem Gen für eine kurze RNA (shRNA) versehen, die zur mRNA von BCL11A komplementär ist, und zurück übertragen. Danach stieg der HbF-Anteil deutlich, die Schmerzkrisen wurden seltener.
Erwartungshorizont (nach Auswerten freigeschaltet)
a) 3′-CTC-5′ → mRNA 5′-GAG-3′ (Glu); 3′-CAC-5′ → 5′-GUG-3′ (Val). Substitution einer Base mit Austausch einer Aminosäure: Missense-Mutation.
b) Gen → Protein (Val statt Glu) → Molekülverhalten (Polymerisation) → Zelle (Sichelform) → Organ (Verschluss, Abbau) → Organismus (Schmerzkrisen, Anämie).
c) Drei Banden (1350 + 1150 + 200) = beide Allele; nur 1350 bp = homozygot HbS; nur 1150 + 200 = homozygot HbA.
d) Beide Eltern heterozygot: HbA/HbS × HbA/HbS → ¼ HbS/HbS = 25 % (unabhängig von den bisherigen Kindern).
e) Heterozygotenvorteil: Selektion gegen beide Homozygote erhält das HbS-Allel bei mittlerer Frequenz. Mutationen entstehen ungerichtet; Gendrift wirkt in großen Populationen schwach.
f) Veränderter Selektionsdruck → gerichtete Selektion gegen das Allel; da es fast nur in Heterozygoten vorkommt, sinkt seine Frequenz nur langsam (Beobachtung: geringere Frequenz als in Westafrika). Medizinischer Fortschritt schwächt die Selektion ab.
g) RNA-Interferenz (posttranskriptionelles Gen-Silencing) senkt BCL11A; die Hemmung des γ-Globin-Gens entfällt (Genregulation über einen Transkriptionsfaktor). Die HbS-Mutation bleibt bestehen.
h) HbF (α₂γ₂) beteiligt sich nicht an der Polymerisation und senkt die HbS-Konzentration pro Zelle; weniger Fasern, weniger Sichelzellen.
| Teil | AFB | BE |
|---|---|---|
| a) | I | 4 |
| b) | II | 5 |
| c) | II | 4 |
| d) | II | 3 |
| e) | II | 6 |
| f) | III | 8 |
| g) | II | 6 |
| h) | III | 4 |
AFB I: 4 BE · AFB II: 24 BE · AFB III: 12 BE
Neonicotinoide und Bienen
40 BENeonicotinoide sind Insektizide, die über das Saatgut in die ganze Pflanze gelangen. Seit 2018 ist die Freilandanwendung der wichtigsten Wirkstoffe in der EU verboten, weil sie Bienen schädigen können.
M1 · Wirkung an der Synapse
Neonicotinoide wie Imidacloprid binden an die nikotinischen Acetylcholin-Rezeptoren im Nervensystem von Insekten und öffnen deren Ionenkanäle. Sie werden von der Acetylcholinesterase nicht abgebaut. An Rezeptoren von Säugetieren binden sie wesentlich schwächer.
M2 · Heimkehrversuch mit Honigbienen
Je Gruppe 200 markierte Sammlerinnen, 1 km vom Stock entfernt freigelassen; Mikrodosis entsprechend einer Nektaraufnahme vom behandelten Rapsfeld (Modellwerte nach Feldversuchen).
M3 · Ausschnitt aus einem Agrar-Nahrungsnetz
Raps wird von Honigbienen und Wildbienen bestäubt. Blattläuse saugen am Raps. Marienkäfer fressen Blattläuse. Der Neuntöter (ein Singvogel) jagt Bienen, Käfer und andere Insekten. Regenwürmer zersetzen abgestorbene Pflanzenteile im Boden.
M4 · Resistenz bei der Pfirsichblattlaus
| Jahr | 2008 | 2011 | 2014 | 2017 |
|---|---|---|---|---|
| Anteil resistenter Blattläuse in Proben | 2 % | 9 % | 31 % | 58 % |
Resistente Tiere tragen eine Mutation im Rezeptorgen, die die Bindung des Wirkstoffs verringert (Modellwerte).
M5 · Fipronil
Das Insektizid Fipronil blockiert bei Insekten die GABA-gesteuerten Chlorid-Kanäle. GABA ist der wichtigste hemmende Transmitter im Nervensystem der Insekten. An der Membran eines Interneurons wirken gleichzeitig drei EPSP von je +6 mV und ein IPSP von −8 mV; Ruhepotenzial −70 mV, Schwellenwert −55 mV.
Erwartungshorizont (nach Auswerten freigeschaltet)
a) Agonist am nACh-Rezeptor ohne Abbau: Dauererregung → Dauerdepolarisation → Inaktivierung → Lähmung. Geringe Säugertoxizität durch schwächere Bindung an deren Rezeptoren.
b) (92 − 70) : 92 ≈ 0,239 = 23,9 % (absolut 22 Prozentpunkte).
c) Zulässig: Wirkung auf die Heimkehr unter Versuchsbedingungen (Kontrolle, 200 Tiere je Gruppe). Nicht zulässig: Verallgemeinerung auf das gesamte Bienensterben (weitere Faktoren wie Varroa-Milbe, Nahrungsmangel) oder Aussagen über Todesursachen.
d) Raps: Produzent; Blattlaus: Pflanzensaftsauger = Konsument 1. Ordnung; Marienkäfer frisst Blattläuse = Konsument 2. Ordnung; Regenwurm: Destruent (Zersetzer).
e) Variation (ungerichtete Mutation) + gerichtete Selektion durch das Insektizid + viele Generationen pro Jahr → rasche Zunahme des Resistenzallels (2 % → 58 %).
f) Eine Bewertung nennt Handlungsoptionen, bezieht Fakten (M1–M4) ein und macht Werte transparent (Biodiversität/Vorsorge, Ernährungssicherung, Gerechtigkeit gegenüber Landwirten). Sachlich falsche Prämissen scheiden aus.
g) Hemmende Synapsen sichern die Verrechnung am Axonhügel; ohne IPSP überwiegt die Erregung (Hyperexzitation).
h) Ohne Fipronil: −70 + 3 · 6 − 8 = −60 mV (unter der Schwelle). Mit Fipronil entfällt das IPSP: −70 + 18 = −52 mV > −55 mV → Aktionspotenzial.
| Teil | AFB | BE |
|---|---|---|
| a) | II | 5 |
| b) | II | 3 |
| c) | II | 5 |
| d) | I | 4 |
| e) | II | 5 |
| f) | III | 8 |
| g) | II | 6 |
| h) | II | 4 |
AFB I: 4 BE · AFB II: 28 BE · AFB III: 8 BE
Ergebnis
| Aufgabe | Thema | BE |
|---|
Notenpunkte-Schlüssel (120 BE)
| NP | BE | Anteil |
|---|---|---|
| 15 | 114 – 120 BE | ≥ 95 % |
| 14 | 108 – 113 BE | ≥ 90 % |
| 13 | 102 – 107 BE | ≥ 85 % |
| 12 | 96 – 101 BE | ≥ 80 % |
| 11 | 90 – 95 BE | ≥ 75 % |
| 10 | 84 – 89 BE | ≥ 70 % |
| 9 | 78 – 83 BE | ≥ 65 % |
| 8 | 72 – 77 BE | ≥ 60 % |
| 7 | 66 – 71 BE | ≥ 55 % |
| 6 | 60 – 65 BE | ≥ 50 % |
| 5 | 54 – 59 BE | ≥ 45 % |
| 4 | 48 – 53 BE | ≥ 40 % |
| 3 | 40 – 47 BE | ≥ 33 % |
| 2 | 33 – 39 BE | ≥ 27 % |
| 1 | 24 – 32 BE | ≥ 20 % |
| 0 | 0 – 23 BE | < 20 % |
Umrechnung nach dem üblichen Bewertungsraster (mindestens zu erreichender Anteil der BE). Eigene Übungsaufgaben — keine amtliche Prüfung; Messwerte in den Materialien sind Modellwerte.