Leguminosen, wie die Gartenerbse, Pisum sativum, sind und waren vielseitige Forschungsobjekte.

1.1

Im 19. Jahrhundert führte der Mönch Gregor MENDEL Experimente mit der Gartenerbse durch. Dabei untersuchte er u. a. die Farbe von Erbsenhülsen.

Ein Unterschied zwischen grünen und gelben Erbsenhülsen liegt in der Entwicklung der Chloroplasten. Gelben Hülsenzellen fehlt ein Protein zur Produktion von Chlorophyll.

Fertige eine beschriftete Skizze vom Feinbau eines Chloroplasten an.

3 BE

1.2

MENDELS Kreuzungsversuche mit homozygoten Pflanzen unterschiedlicher Hülsenfarbe zeigten folgende Ergebnisse:

Generation	grüne Hülsen	gelbe Hülsen
	alle	keine

Erkläre die beobachteten Versuchsergebnisse.

Erstelle für die Bildung der F₂-Generation ein Kreuzungsschema.

4 BE

1.3

MENDEL untersuchte bei Gartenerbsen auch die Vererbung der Hülsenform. Er unterschied die glatte (A) und die unregelmäßige, schrumpelige (B) Hülsenform.

Darstellung der Hülsenformen

Erst 2025 konnten Forscher die genetische Ursache für die unterschiedlichen Hülsenformen identifizieren. Ein beteiligtes Gen ist das P-Gen, welches für ein Protein, das an der Zellwandbildung beteiligt ist, codiert.

Hülsenform	Ausschnitt aus der Basensequenz des codogenen Stranges des P-Gens
A	... AGA TCT...
B	... AGA ACT...

Begründe die Ausbildung der unterschiedlichen Hülsenformen.

4 BE

1.4

Zur Untersuchung der Zwischenprodukte der Fotosynthese wurden in einem Schülerversuch Chloroplasten aus Erbsenblättern isoliert.

Bei einigen Ansätzen wurde der Farbstoff DCPIP (2,6- Dichlorphenolindophenol) verwendet. DCPIP verändert seine Farbe bei Redoxreaktionen.

Die nachfolgende Tabelle zeigt die Beobachtungen des Versuchs:

Ansatz	Chloroplasten	DCPIP	Licht	Farbe des Ansatzes nach 30 min
	-	+	+	blau
	+	-	+	grün
	+	+	-	blaugrün
	+	+	+	grün

+ vorhanden; - nicht vorhanden

Werte den Versuch aus.

6 BE

Leguminosen spielen durch die Interaktion mit speziellen Bodenbakterien, den Knöllchenbakterien (Rhizobien), eine bedeutende Rolle im Stickstoffkreislauf eines Ökosystems.

Vereinfachte schematische Darstellung der Interaktion zwischen einem Knöllchenbakterium und einer infizierten Wurzelhaarzelle einer Leguminose

TCA – Citratzyklus, Teilprozess der Zellatmung;

NADH + H⁺ und FADH₂ – coenzymgebundener Wasserstoff;

Lb – Leghämoglobin, sauerstofftransportierendes Pflanzenprotein

2.1

Benenne die Beziehung zwischen Knöllchenbakterien und Pflanze und erläutere diese unter stoffwechselphysiologischen Aspekten.

5 BE

2.2

Leguminosen sind wichtige Proteinlieferanten.

Nenne drei Funktionen von Proteinen in Lebewesen.

Weise experimentell das Vorkommen von Proteinen in Linsen nach.

Fordere die dazu benötigten Geräte und Chemikalien schriftlich an.

Fertige ein Protokoll an.

(Hinweis: Die Linsen werden in aufbereiteter Form zur Verfügung gestellt.)

7 BE

Um sich vor Schädlingen und Fraßfeinden zu schützen, enthalten einige Leguminosen Gifte wie Saponine und Phasine.

3.1

Kichererbsen, Cicer arietinum, produzieren als Schutz vor Pilzzellen Saponine.

Schematische Darstellung zur Wirkung von Saponinen auf die Biomembran der Pilzzellen

Erläutere die fungizide Wirkung der Saponine.

3 BE

3.2

Das Protein Phasin entfaltet beim Menschen seine Wirkung unter anderem durch die Bindung an spezifische Zuckerstrukturen auf der Zelloberfläche von Erythrozyten (rote Blutzellen). Phasin besitzt mehrere Bindungsstellen und kann dadurch mehrere Zellen gleichzeitig verknüpfen.

Erkläre, dass große Mengen an Hülsenfrüchten nur gekocht verzehrt werden sollten.

3 BE

3.3

Calabarbohnen, Physostigma venenosum, produzieren als Gift Physostigmin. Es hemmt die Funktion der Acetylcholinesterase und wirkt dadurch u. a. auf die motorische Endplatte.

Stelle den Verlauf des Natriumionen-Einstroms in die postsynaptische Zelle nach der Freisetzung von Acetylcholin mit und ohne Physostigmin in einem Diagramm dar.

Leite die Wirkung von Physostigmin auf Muskelzellen ab.

5 BE

Anfertigen einer beschrifteten Skizze:

Erklären:

• Allel für grüne Hülsen (A) dominiert über das Allel für gelbe Hülsen (a)

• Ergebnis der F1-Generation folgt der Uniformitätsregel (1. MENDELsche Regel)

• Ergebnis der F2-Generation folgt der Spaltungsregel (2. MENDELsche Regel)

Kreuzungsschema

P-Generation

Kombinationsquadrat

	A	A
a	Aa	Aa
a	Aa	Aa

Genotyp F1 = 4x Aa (heterozygot), Phänotyp F1 = 4x grüne Hülsen, Erbgang = dominant-rezessiv, monohybrid

F1-Generation

Kombinationsquadrat

	A	a
A	AA	Aa
a	Aa	aa

Genotypen F2 = 1x AA (homozygot), 1x aa (homozygot), 2x Aa (heterozygot), Phänotypen F2 = 3x grüne Hülsen, 1x gelbe Hülsen, Erbgang = dominant-rezessiv, monohybrid

Begründen:

• A: ...Ser - Arg...; B: ...Ser - Stopp

• Mutation führt zum Stopp-Codon → verkürzte Aminosäurekette → funktionsloses Protein → beeinträchtigte Zellwandsynthese → unregelmäßige, schrumpelige Hülsenform

Auswerten:

• Ansatz 1, blaue Farbe durch DCPIP (oxidiert)

• Ansatz 2, grüne Farbe durch Chlorophyll der Chloroplasten

• Ansatz 3, blaugrüne Farbe durch DCPIP (oxidiert) und Chlorophyll

• Ansatz 4, grüne Farbe durch Chlorophyll, Reduktion/Reaktion von DCPIP zu farblosem Stoff in Anwesenheit von Licht und Chloroplasten → Herkunft der Protonen und Elektronen aus z. B. Fotolyse / Fotosystemen / coenzymgebundener Wasserstoff

Benennen und Erläutern:

• Symbiose

• Pflanzenzelle liefert Bakterium energiereiche organische Stoffe (Malat) und Sauerstoff → Gewinn von ATP zur Aufrechterhaltung der Lebensprozesse – Vorteil für Bakterium

• Knöllchenbakterien wandeln Stickstoff zu Ammoniak um → Aufbau von Aminosäuren in Pflanzenzelle → Pflanzenwachstum – Vorteil für Pflanze

Nennen, z. B.:

• Transport, Katalyse, Immunabwehr

Experimentelles Nachweisen von Proteinen:

• Anfordern der Geräte und Chemikalien für Biuret-Probe (Stopfen, Pipetten; Natronlauge 0,1 M oder FEHLING II, Kupfersulfat-Lösung (z. B. FEHLING I))

• Durchführen des Experiments

  • Positiver Nachweis: violetter Farbumschlag

• Anfertigen eines Protokolls mit Aufgabe, Geräten und Chemikalien, Durchführung, Beobachtung und Auswertung

Erläutern:

• Einlagerung der Saponine in die Phospholipiddoppelschicht → Schädigung der Biomembran → Verlust der Barrierefunktion und des geregelten Stoffaustauschs → Zerstörung der Zelle

Erklären:

• Veränderung der Konformation des Proteins Phasin durch Hitzedenaturierung → Verlust der toxischen Wirkung

• keine Verklumpung der Erythrozyten → kein verminderter Sauerstofftransport

Darstellen:

• Na⁺-Einstrom auf y-Achse und zeitlicher Verlauf auf x-Achse

• Anstieg des Na⁺-Einstroms mit Freisetzung Acetylcholin (ACh) (Zeitpunkt 0)

• ohne Gift Abfall der Na⁺ Konzentration bis auf Ausgangswert

• mit Gift gleichbleibender hoher Einstrom von Na⁺

Ableiten:

• dauerhafte hohe Konzentration von ACh im synaptischen Spalt → dauerhafter Na⁺-Einstrom → Dauererregung → ständige Muskelkontraktion (bis zum Krampf)