Pflanzen sind autotrophe Organismen, die u. a. für Wachstum und Entwicklung anorganische Stoffe und Licht benötigen.

1.1

Die grundlegenden Prozesse zur Ernährung der Pflanzen finden in den Laubblättern statt. Je nach Standort weisen diese spezielle morphologische Angepasstheiten auf.

Laubblattquerschnitt

Benenne die Strukturen 1–7.

Erläutere anhand von drei Strukturmerkmalen des dargestellten Laubblattquerschnittes die Angepasstheit der Pflanze an die Wasserverfügbarkeit am Standort.

4 BE

1.2

In einem Laborexperiment werden Laubblätter gleicher Blattfläche einer hygro- und einer xerophyten Pflanzenart untersucht. Die Laubblätter werden belichtet und ihre jeweilige Masse über einen Zeitraum von fünf Stunden wiederholt bestimmt.

Masseveränderung von Laubblättern verschiedener Pflanzenarten

Begründe, welches der verwendeten Blätter einer xerophyten Pflanzenart zugeordnet werden kann.

3 BE

Die lichtabhängigen und lichtunabhängigen Reaktionen der Fotosynthese finden in den Chloroplasten statt.

2.1

Fertige eine beschriftete Skizze vom Feinbau eines Chloroplasten an.

3 BE

2.2

Zur Untersuchung der Bedingungen für die Teilprozesse der Fotosynthese werden mit einer zuvor im Dunkeln gehaltenen Chloroplastensuspension verschiedene Experimente durchgeführt. Die Ansätze werden anschließend auf das Vorhandensein von Sauerstoff und Glucose überprüft.

Ansatz	Versuchsaufbau
1	aufgebrochene Chloroplasten ohne Stroma, intakte Thylakoide, Licht, , , ADP + Pi, wasserstoffbindendes Coenzym
2	intakte Chloroplasten, Licht,
3	aufgebrochene Chloroplasten, intakte Thylakoide, Stroma-Enzyme,
4	aufgebrochene Chloroplasten ohne Thylakoide, Stroma-Enzyme, , ATP,

Begründe die zu erwartenden Versuchsergebnisse.

4 BE

2.3

Führe das folgende Experiment mit drei Gurkenscheiben durch: Bestreue eine Gurkenscheibe mit Glucose und eine zweite mit Stärke, sodass die Schnittflächen jeweils bedeckt sind. Eine dritte Scheibe bleibt unbehandelt.

Beobachte die Ansätze nach 10 Minuten.

Fertige ein Protokoll an.

Begründe, dass in Chloroplasten Glucose in Stärke umgewandelt werden muss.

6 BE

Die Akeleipflanzen aus der Familie der Hahnenfußgewächse unterscheiden sich vor allem in der Farbe und der Form ihrer Blüten, wobei die meisten Vertreter Blütenblätter mit einer besonderen Verlängerung, dem sogenannten Nektarsporn, besitzen. Die Länge des Sporns variiert dabei zwischen 10 und 120 mm. Je nach Habitat und Blütenform gehören Hummeln, Schwärmer und Kolibris zu den häufigsten Bestäubern der Akeleipflanzen.

3.1

Die Blüten der Akeleipflanzen werden von lang- und kurzrüsseligen Hummelarten besucht. Kurzrüsselige Hummeln beißen bei Mangel an anderen Nahrungsquellen am unteren Ende ein Loch in den Nektarsporn.

Schematische Darstellung einer Akeleiblüte mit Bestäuber

Charakterisiere die jeweilige Beziehung zwischen Akelei und den unterschiedlichen Hummelarten.

3 BE

3.2

Beobachtungen haben gezeigt, dass die verschiedenen Akelei-Arten von unterschiedlichen Bestäubern besucht werden.

Blütenformen verschiedener Akelei-Arten (1– 3) und Bestäuber (A – D) im Habitat

Formuliere eine begründete Vermutung zur Populationsentwicklung der Akelei-Arten im Habitat, wenn Bestäuber C ausfallen würde.

4 BE

Pflanzen der Gattung Akelei enthalten zahlreiche sekundäre Pflanzenstoffe, z. B. Alkaloide.

4.1

In einem Experiment wurde die Wirkung eines Alkaloids auf Synapsen untersucht, die als Transmitter -Aminobuttersäure (GABA) nutzen. GABA bindet an Rezeptoren von -Kanälen der Postsynapse bestimmter Nervenzellen.

Membranpotenzial der postsynaptischen Membran mit und ohne Alkaloid-Einwirkung

Begründe die Änderung des Membranpotenzials der Postsynapse ohne Alkaloid-Einfluss.

Formuliere zwei Hypothesen zu möglichen Wirkmechanismen des Alkaloids an der Synapse.

6 BE

4.2

Das Alkaloid Lycorin hat eine hemmende Wirkung auf Acetylcholinesterase. Alzheimer-Patienten haben unter anderem aufgrund einer verminderten Acetylcholinkonzentration in Synapsen des Gehirns Probleme bei der Erinnerung und Aufmerksamkeit.

Begründe, dass der Stoff Lycorin bei der Behandlung von Alzheimer-Patienten zum Einsatz kommt.

3 BE

4.3

Lycorin wirkt außerdem hemmend auf die RNA-abhängige RNA-Polymerase, die unter anderem bei RNA-Viren vorkommt. Dieses Enzym dient der Vervielfältigung von RNA. Aktuelle Forschungsergebnisse an Sars-CoV-1-Viren (RNA-Viren) weisen auf eine antivirale Wirkung gegen diese Art von Krankheitserregern hin.

Schematische Darstellung zu Vorgängen in einer Wirtszelle nach erfolgter Virusinfektion

Erläutere mithilfe der Abbildung die Eignung von Lycorin als antiviralen Wirkstoff.

4 BE

Benennung:

1 lebende Haarzelle

2 obere Epidermis

3 Palisadengewebe

4 Schwammgewebe

5 untere Epidermis

6 Interzellulare

7 Spaltöffnung (Stoma)

Erläuterung

Am Querschnitt des Laubblattes lässt sich erkennen, dass die Pflanze an einen Lebensraum mit reichlicher Wasserversorgung angepasst ist. Dies lässt sich anhand der drei nachfolgenden strukturellen Eigenschaften erklären.

• Die obere Epidermisschicht setzt sich aus einer einzelnen Lage großdimensionierter, nach außen gewölbter Zellen zusammen. Dies bewirkt eine Vergrößerung der Blattoberfläche, wodurch die Abgabe von Wasserdampf begünstigt wird. Unterstützt wird dieser Prozess durch das Fehlen einer stark entwickelten Kutikula, welche andernfalls als Schutzbarriere gegen Verdunstung dienen würde.

• Aufgrund einer bogenartig angeordneten Reihe veränderter Epidermiszellen ragen die Spaltöffnungen (Stomata) aus dem Blatt heraus. Hierdurch bildet sich unterhalb des Stomas ein besonders ausgeprägter Interzellularraum, die sogenannte Atemhöhle. Die exponierte Positionierung der Spaltöffnungen erlaubt eine ungestörte Luftzirkulation, was die Verdunstung intensiviert. In der Folge steigen sowohl der Transpirationssog als auch der Stofftransport innerhalb der Pflanze.

• Die lebenden Haare bewirken eine Vergrößerung der Blattoberfläche, was ein Indikator für eine gute Wasserverfügbarkeit am Standort der Pflanze ist. Durch das vergrößerte Areal kann Wasserdampf effektiver an die Umgebung abgegeben werden.

Zuordnung und Begründung

Blatt 2 kann einer xerophyten Pflanzenart zugewiesen werden.

Bei xerophyten Pflanzenarten handelt es sich um Pflanzen, die Angepasstheiten an besonders trockene Standorte aufweisen.

Der im Diagramm als Gewichtsabnahme sichtbare, variierende Wasserverlust einzelner Blätter unter Laborbedingungen lässt sich durch den anatomischen Aufbau der Blätter erklären. Da Xerophyten meistens unter einem Mangel an Wasser leiden, verfügen sie über Strukturen zur Einschränkung der Verdunstung (wie eine ausgeprägte Kutikula, eingesenkte Spaltöffnungen, generell massivere Blätter mit geringem Anteil an Interzellularräumen sowie Gewebe zur Wasserspeicherung). Im Gegensatz dazu existieren Hygrophyten in einer Umgebung mit ausgeprägter Boden- und Luftfeuchtigkeit. Weitflächige, dünne Blätter mit Merkmalen zur Oberflächenvergrößerung sowie spezialisierte Stomata gewährleisten eine ausreichende Verdunstungsrate, welche selbst bei vom Organismus getrennten Blättern bestehen bleibt. Diese im Vergleich zu den Xerophyten gesteigerte Transpiration führt zu einer stärkeren Gewichtsabnahme, weshalb Blatt 1 das Blatt einer hygrophytischen Art sein könnte. Bei Blatt 2 fällt der Gewichtsverlust und folglich auch die Verdunstung im Verlauf des Versuchs niedriger aus. Aus diesem Grund ist dieses Blatt einer xerophytischen Pflanze zuzuschreiben.

Skizze

Übersicht über die Ergebnisse

Ansatz	Sauerstoff nachgewiesen	Glucose nachgewiesen
1	ja	nein
2	ja	nein
3	nein	nein
4	nein	ja

Begründungen

Ansatz 1: Da intakte Thylakoide, Wasser, Kohlenstoffdioxid, , vorhanden sind, läuft bei Licht die Fotolyse ab und Sauerstoff entsteht. Glucose entsteht in Ansatz 1 nicht, weil die Enzyme für den Calvin-Zyklus, die sich im Stroma befinden, im Ansatz nicht enthalten sind.

Ansatz 2: Da vollständige Chloroplasten, Wasser und Licht vorhanden sind, kann die Fotolyse ablaufen und Sauerstoff entsteht. Glucose kann hingegen nicht nachgewiesen werden, weil der Calvin-Zyklus aufgrund von fehlendem Kohlenstoffdioxid nicht ablaufen kann.

Ansatz 3: Im Ansatz fehlt die Energiequelle Licht, sodass die Fotolyse nicht ablaufen kann und Sauerstoff, und nicht produziert werden. Damit fehlen die Reduktionsäquivalente, sodass Kohlenstoffdioxid nicht assimiliert wird und Glucose nicht nachgewiesen werden kann.

Ansatz 4: In diesem Ansatz wird kein Sauerstoff gebildet, weil keine Thylakoide vorhanden sind und zudem Licht fehlt. Mit Stroma-Enzymen, , und sind alle Voraussetzungen gegeben, damit im Calvin-Zyklus Glucose produziert wird, solange wie der Vorrat an Edukten reicht.

Musterprotokoll

Material:

– 3 Petrischalen o. ä.

– Stoppuhr

– 3 Gurkenscheiben

– Stärke

– Glucose

Durchführung:

Die drei Gurkenscheiben werden in die Petrischalen (oder ähnliche Gefäße) gelegt. Eine Scheibe wird nicht weiter behandelt. Die zweite erhält eine dünne Schicht Stärke und die dritte eine dünne Schicht Glucose. Nach 10 Minuten werden die Veränderungen festgestellt und die Beobachtungen notiert.

Beobachtungen:

– unbehandelte Scheibe: keine oder kaum sichtbare Veränderungen

– mit Stärke bestreute Scheibe: die Oberseite verbleibt im trockenen Zustand, wohingegen die Berührungsfläche zur Gurke eine geringe Feuchtigkeit aufweist

– mit Glucose bestreute Scheibe: die Glucose hat sich komplett verflüssigt, und auf der Oberseite der Gurkenscheibe sind ausgeprägte Wassertropfen erkennbar

Auswertung:

Zellen von Gurken weisen einen Wasseranteil von circa 96 % auf, weshalb sie in hohem Maße anfällig für osmotische Prozesse sind. Durch das Schneiden kommt es im Versuch zudem zu einer Schädigung von Zellen. Die unbehandelte Probe befindet sich in einem isotonischen Milieu und weist während der kurzen Spanne von 10 Minuten wegen minimaler Oberflächenverdunstung kaum Veränderungen auf. Dieser Versuchsteil dient als Kontrolle. Bei Stärke handelt es sich um ein Polysaccharid, das kaum osmotisch aktiv ist, jedoch durch das Adsorbieren von Wasser quellen kann. Freiräume innerhalb der Struktur der Amylose nehmen Wasser auf, ohne dass eine Auflösung der Stärke stattfindet. Aus diesem Grund bleibt die Oberseite trocken, während der Kontaktbereich eine schwache Feuchtigkeit zeigt. Im Gegensatz dazu erzeugt Glucose bei Berührung mit dem Zellsaft der Gurke ein hypertonisches Umfeld. Das in den Vakuolen und im Zytoplasma befindliche Wasser der Zellen wandert durch die selektiv permeablen Biomembranen nach außen. Dadurch verflüssigt sich die Glucose, das Gewebe verliert an Gewicht und infolge des sinkenden Turgordrucks verliert die Gurkenscheibe ihre Festigkeit. Der durch die Glucosezufuhr verlaufende osmotische Entzug von Wasser ließ sich anhand der ausgetretenen Flüssigkeitsmengen klar nachweisen.

Begründung für die Bildung von Assimilationsstärke:

In den Chloroplasten wird als Primärprodukt Glucose produziert, deren Gehalt unter günstigen Voraussetzungen fortlaufend zunimmt. Hierdurch bildet sich ein hypertonisches Milieu, was dazu führt, dass Wasser aus dem Umfeld des Chloroplasten per Osmose einströmt. In der Folge nimmt der Innendruck des Chloroplasten zu, sodass dieser Schaden nehmen und reißen könnte, sofern keine Enzyme in Gang gesetzt werden, welche die Glucose zu Stärkemolekülen verknüpfen. Auf diese Weise bilden sich osmotisch neutrale Stärkekörner, welche in Zeiten ohne aktive Fotosynthese reaktiviert und metabolisiert werden.

Charakterisierung

Symbiose:

Während die Akelei energiereichen Nektar der langrüsseligen Hummel zu Verfügung stellt, wird sie selbst durch das Insekt erfolgreich bestäubt. Beide Arten haben Vorteile aus dieser interspezifischen Wechselwirkung, die Symbiose genannt wird.

Parasitismus:

Kurzrüsselige Hummeln schädigen dagegen die Akeleipflanze durch Anbeißen des Nektarsporns. Eine Bestäubung findet nicht statt. Nur die Hummel hat einen Vorteil, wenn sie den Nektar als Notnahrung nutzt. Der Parasit (kurzrüsselige Hummel) schädigt den Wirt (Akelei), ohne dass dieser abstirbt.

Begründete Vermutung zur Populationsentwicklung

Die drei Akelei-Spezies (1, 2 und 3) weisen Differenzen bezüglich der Länge ihrer Nektarsporne auf. Für das Populationswachstum ist es förderlich, wenn die bestäubenden Arten A, B, C und D leichten Zugang zu dem kalorienreichen Nektar haben. Dabei lassen sich der Blüte 1 die Bestäuber A sowie B, der Blüte 2 das Bestäuber C und der Blüte 3 der Bestäuber D zuweisen. Die Effizienz der Bestäubung resultiert vermutlich aus der Dauer und Intensität, mit welcher die Bestäuber im Sporn nach Nahrung suchen. Gelingt es den Tieren nicht, an den Nektar zu gelangen, brechen sie die Suche rasch ab, woraus eine minimale Übertragung von Pollen liegt. Die sogenannte Blütenstetigkeit, also das gezielte Anfliegen präferierter Pflanzen, wird vom Erfolg beim Sammeln beeinflusst. Sollte der Bestäuber C, welcher über den längsten Rüssel verfügt, wegfallen, sinkt infolgedessen die Chance auf eine erfolgreiche Bestäubung der Akelei 2. Das führt zu einer reduzierten Zahl an Nachkommen und einer Verkleinerung der dortigen Population. Parallel dazu ist zu erwarten, dass die im selben Lebensraum konkurrierenden Akelei-Spezies 1 und 3 die ökologische Nische von Art 2 einnehmen und eine höhere Vermehrungsrate erzielen. Verschwindet Bestäuber C aus dem Biotop, dürften die Bestände der Akelei-Arten 1 und 3 demnach ansteigen.

Begründung

In der grafischen Darstellung bildet die -Achse die elektrische Spannung ab, während auf der -Achse der zeitliche Verlauf aufgetragen ist. Die durchgehende Kurve veranschaulicht den Verlauf des Membranpotenzials unter Normalbedingungen, ausgehend von einem Ruhewert von , nach dem Einbringen von GABA in den synaptischen Spalt. Gezeigt wird der reguläre physiologische Prozess ohne den Einfluss eines Alkaloids. Unmittelbar danach fällt das Potenzial der Membran kontinuierlich auf einen Wert von ab. Dieser Zustand wird als Hyperpolarisation bezeichnet. Nach einer Zeitspanne von setzt eine Umkehr der Kurve ein, sodass nach rund wieder das Ausgangsniveau erreicht ist. Als Neurotransmitter bewirkt GABA die Öffnung spezifischer Kanäle für Chloridionen innerhalb der postsynaptischen Membran. Entlang des bestehenden Konzentrationsgefälles strömen daraufhin Chloridionen in die postsynaptische Zelle ein, wodurch sich das Membranpotenzial auf einpendelt. Dies hemmt die Generierung von Aktionspotenzialen in der betroffenen Nervenzelle. Sobald die Inhibition abgeschlossen ist, schließen sich die Chloridkanäle wieder und die Bindung von GABA löst sich. Über spezialisierte Transportsysteme wie Ionenpumpen werden die Chloridionen anschließend wieder zurück in den synaptischen Spalt befördert, wodurch das Membranpotenzial erneut auf den Startwert von ansteigt.

Hypothesen zur Wirkung des Alkaloids

Das in der Akelei enthaltene Alkaloid unterbindet die durch GABA ausgelöste Hyperpolarisation. Selbst nach dem Hinzufügen des Neurotransmitters verharren die Werte des Membranpotenzials unverändert auf einem Niveau von . Hierfür kommen unterschiedliche Gründe infrage:

(1) Die Hyperpolarisierung wird gehemmt, wenn die Chloridionenkanäle der postsynaptischen Membran durch das Alkaloid blockiert werden und Chloridionen nicht in die Postsynapse strömen können.

(2) Die Hyperpolarisierung wird gehemmt, wenn der Transmitter GABA direkt gehemmt wird, z. B. durch eine Blockade dessen aktiven Zentrums durch das Alkaloid.

(3) Die Hyperpolarisierung wird gehemmt, wenn die Freisetzung von GABA aus der präsynaptischen Membran durch das Alkaloid blockiert wird.

Begründung

Bei Personen mit einer Alzheimer-Erkrankung liegt ein reduzierter Spiegel des Neurotransmitters Acetylcholin vor. Lycorin lässt sich anwenden, um dieses Niveau anzuheben beziehungsweise zu stabilisieren. Die Substanz Lycorin inhibiert die Aktivität des Enzyms Acetylcholinesterase, welches für den Abbau von Acetylcholin in Cholin und Essigsäure zuständig ist. Die Spaltprodukte werden im Anschluss über die präsynaptische Membran wieder aufgenommen und gelangen erst infolge eines eintreffenden Aktionspotenzials per Diffusion zurück in den synaptischen Spalt. Folglich verringert die Acetylcholinesterase die Menge an Acetylcholin innerhalb des synaptischen Spalts. Da Lycorin diesem Prozess entgegensteuert, eignet es sich für die Therapie von Alzheimer-Erkrankten.

Eignung von Lycorin als antiviraler Wirkstoff

RNA-Viren wie das Sars-CoV-1-Virus besitzen in ihrem Hüllprotein ein Genom aus RNA und RNA-abhängige RNA-Polymerasen. Diese Enzyme sorgen nach dem Eintritt des Erregers in die Wirtszelle für eine Vermehrung der viralen Erbinformation. Innerhalb dieser Zelle erfährt die RNA einerseits eine Vervielfältigung mittels Replikation. Andererseits dient sie als Matrize für die Translation und die nachfolgende Synthese der Proteine für die Virushülle. Zudem wird der zelluläre Apparat der Wirtszelle dazu veranlasst, zusätzliche virale RNA-abhängige RNA-Polymerasen herzustellen. Im Anschluss umschließen die neu gebildeten Hüllproteine die virale RNA sowie die Polymerasen, woraufhin die fertigen Viren die Zelle verlassen, um weitere Zellen zu befallen. Um eine antivirale Wirkung zu erzielen, muss diese Kaskade blockiert werden. Lycorin besitzt die Fähigkeit, die Aktivität der RNA-abhängigen RNA-Polymerase zu inhibieren. Dadurch wird unterbunden, dass der Erreger nach dem Befall der Wirtszelle Duplikate seines Erbguts anfertigt. Die Entstehung neuer Viruspartikel wird auf diese Weise verringert oder im besten Fall komplett gestoppt. Folglich erweist sich das Alkaloid Lycorin als potenzieller antiviraler Wirkstoff.