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Buch Natura Qualifikationsphase; LÖSUNGEN

Buch Natura Qualifikationsphase; LÖSUNGEN

 NATURA
Qualifikationsphase
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Horst Bickel
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NATURA Qualifikationsphase bearbeitet von Horst Bickel Anna Büntge Inka Montero Carsten Schmidt Petra Stock Lösungen Ernst Klett Verlag Stuttgart Leipzig 1. Auflage 1 | 19 18 17 16 15 Alle Drucke dieser Auflage sind unverändert und können im Unterricht nebeneinander verwendet werden. Die letzte Zahl bezeichnet das Jahr des Druckes. 5 4 3 2 1 Das Werk und seine Teile sind urheberrechtlich geschützt. Jede Nutzung in anderen als den gesetzlich zugelassenen Fällen bedarf der vorherigen schriftlichen Einwilligung des Verlages. Hinweis §52 a UrhG: Weder das Werk noch seine Teile dürfen ohne eine solche Einwilligung eingescannt und in ein Netzwerk eingestellt werden. Dies gilt auch für Intranets von Schulen und sonstigen Bildungseinrichtungen. Fotomechanische oder andere Wiedergabeverfahren nur mit Genehmigung des Verlages. © Ernst Klett Verlag GmbH, Stuttgart 2015. Alle Rechte vorbehalten. www.klett.de Redaktion: Rolf Strecker Mediengestaltung: Ingrid Walter A15150-04545501 Methoden 3 Methoden 0 Modelle unterstützen die Forschung (Seite 15) A1 Erläutern Sie anhand Abb. 6 den Vorgang der Modellierung am Beispiel der DNA-Strukturauf- klärung. Die Daten der DNA wurden ausgewertet und führten zu Modellvorstellungen. An diesem Bei- spiel zeigt sich, dass auch Fehlinterpretationen zu Modellen führen die korrigiert und verän- dert werden (PAULING) oder sich bestätigen. Diese führte zu neuen Untersuchungen (ROSALIND FRANKLIN), deren Daten zu veränderten Modellen führen. Die Planung neuer Experimente und weiterer Ergebnisse müssen das Modell bestätigen. A2 Beschreiben Sie den Kurvenverlauf in Abb. 7 und erläutern Sie die einzelnen Abschnitte 1...

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bis 4 unter dem Aspekt der Populationsgröße von Räubern und Beute an einem Beispiel. Bei diesen Modelldaten sind die Individuenzahlen gegen die Zeit aufgetragen. Die Kurven- verläufe der Beute- und Räuberindividuen verändert sich zeitlich verzögert. Der Anstieg der Beutetiere führt mit einer zeitlichen Verzögerung zu einem Anstieg der Räuber (Phase 1 und 2). Der Kurvenverlauf der Beutetiere sinkt mit zunehmender Räuberanzahl (Phase 3). In Phase 4 sinkt dann die Anzahl der Räuber ebenfalls. Dieser idealisierte Kurvenverlauf kann durch Simu- lationen entstehen. In natürlichen Systemen sind zusätzlich andere Faktoren vorhanden, welche die Kurvenverläufe zusätzlich beeinflussen, sodass die Sinuskurve in ihrem Verlauf beeinträch- tigt wäre. A3 Beschreiben Sie die Daten in Abb. 8 und erläutern Sie, welche Bedeutung solche Modellrech- nungen für das Verständnis der Evolution haben. In Abb. 8 sind Modelldaten zur Fitness unter verschiedenen Modellvorgaben dargestellt. Die Verteilung und Veränderung von Allelen innerhalb von Populationen spielt eine entscheidende Rolle bei der Fitness im Evolutionsprozess. Die Simulationen zeigen jedoch, dass im Idealfall die Fitness bei beiden Voraussetzungen immer erreicht wird. Hier können Grundüberlegungen Mechanismen erklären. Diese müssen jedoch in der Realität genauer angepasst werden, das Modell muss überprüft werden. 1 1.1 Genetik Nucleinsäuren 4 Genetik DNA ein geniales Speichermedium (Seite 21) A1 Die DNA im Vergleich mit modernen Speichermedien: Ein Nucleotid auf einem DNA-Strang hat einen Informationsgehalt von 2 bit (= 0,25 byte), da es 2² = 4 Zustände (A, T, G bzw. C) annehmen kann. Berechnen Sie den Informationsgehalt der DNA einer menschlichen Zelle. Vergleichen Sie mit modernen Speichermedien (DVD oder USB-Stick). Berücksichtigen Sie auch den Platzbedarf. Ein Basenpaar der DNA hat einen Informationsgehalt von 2 bit = 0,25 Byte. Die menschliche DNA enthält rund 6 Milliarden Basenpaare. Damit ergeben sich 0,25 x 6 x 10⁹ Byte = 1,5 Giga- byte. Auf eine DVD passt mit 4,7 Gigabyte mehr als die dreifache Datenmenge, allerdings bei enormem Platzbedarf. Auch wenn z. B. Speichermedien immer kleiner bei größerem Speicher- volumen werden, ist der Platzbedarf eines Zellkerns noch nicht erreicht. DNA-Replikation (Seite 22) A1 Erläutern Sie den Vorteil der hohen Anzahl an AT-Basenpaaren im Bereich eines Origins. Zwischen aufeinander folgenden AT-Basenpaaren sind die Stapelkräfte der DNA verringert. Zudem besteht eine AT-Basenpaarung jeweils aus nur zwei Wasserstoffbrückenbindungen. Aufgrund der geringeren Anzahl an Wasserstoffbrücken und schwächeren Basenstapelkräften kann der DNA-Doppelstrang von der Helicase hier leichter geöffnet werden. PCR - DNA-Replikation im Reagenzglas (Seite 23) A1 Vergleichen Sie die Polymerasekettenreaktion mit der DNA-Replikation in einer eukaryo- tischen Zelle. Die Auftrennung der DNA-Stränge erfolgt bei der PCR durch Temperaturerhöhung. Bei der DNA-Replikation werden hierzu Enzyme verwendet (Helicase). Bei der PCR werden sowohl der Leit- als auch der Folgestrang kontinuierlich synthetisiert. Bei der DNA-Replikation wird nur der Leitstrang kontinuierlich synthetisiert. Die Synthese des Folgestrangs erfolgt in Okazaki- Fragmenten, die am Ende der Replikation zusammengefügt werden müssen. Genau wie bei der DNA-Replikation sind zum Start der Synthese Primer erforderlich. Im Gegensatz zur DNA-Replikation handelt es sich jedoch bei der PCR um DNA-Primer und nicht um RNA-Primer. Folglich müssen diese auch am Ende nicht wieder herausgeschnitten werden. Startpunkt und Endpunkt der Replikation werden durch spezifische Sequenzen auf der DNA festgelegt. Bei der PCR wird der Beginn durch die Primer festgelegt und das Ende durch die Temperaturerhöhung herbeigeführt. Für beide Prozesse wird eine DNA-Polymerase verwendet, die nur in 3' - 5'-Richtung arbeiten kann. Im Gegensatz zu den DNA-Polymerasen aus Eukaryoten ist die bei der PCR verwendete DNA-Polymerase hitzestabil. Bei der DNA-Replikation steht am Ende eine Verdopplung des gesamten Genoms einer Zelle eines Organismus. Das Endprodukt der PCR sind viele Kopien einer relativ kurzen spezifischen DNA-Sequenz. RNA - mehr als nur eine weitere Nucleinsäure (Seite 24) O A1 Recherchieren Sie ein Beispiel eines Ribozyms und beschreiben Sie seine Funktion. Eines der ersten Ribozyme, die entdeckt wurden, ist die RNase P- eine Ribonuclease. Sie ist an der Bildung von t-RNA-Molekülen durch die Spaltung größerer t-RNA-Vorstufen beteiligt. A2 Vergleichen Sie Ribozyme und Enzyme in ihrem Aufbau und ihrer Funktion. Ribozyme sind aus RNA-Nucleotiden aufgebaut. Durch Wechselwirkungen zwischen den Nucleotiden (z. B. komplementäre Basenpaarung durch H-Brücken) können sie eine komplexe dreidimensionale Struktur bilden (Sekundär-/Tertiärstruktur). Enzyme sind aus Aminosäuren aufgebaut. Auch sie können durch Wechselwirkungen zwischen den Seitenketten der Aminosäuren eine komplexe dreidimensionale Struktur bilden (Sekun- där-/Tertiärstruktur). Ribozyme und Enzyme haben dieselbe Grundfunktion: Sie binden spezifisch Substrate, kataly- sieren eine spezifische Reaktion mit diesem Substrat und entlassen ein Produkt (verändertes Substrat). Sie gehen aus dieser Reaktion unverbraucht hervor und können sie oft wiederholen. 5 Genetik Material: Nucleinsäuren (Seite 25) A1 Erläutern Sie die Schwierigkeiten bei der Entwicklung antiviraler Medikamente ohne Neben- wirkungen. Nehmen Sie Stellung zu der Aussage „Viren sind perfekte Tramper". Viren bestehen meist nur aus Nucleinsäure und Proteinhülle. Sie nutzen den Zellstoffwechsel und die enzymatische Maschinerie des Wirts. Medikamente, die ihre Vermehrung stoppen oder verhindern sollen, können nur schlecht in den Stoffwechsel oder die Replikation eingreifen, da sie auch unbefallene Zellen des Wirtes schädigen würden. Viruserkrankungen lassen sich derzeit am besten durch Impfungen potentieller Wirte bekämp- fen. Möglich könnte auch ein Angriff auf die spezifischen RNA-Polymerasen sein. Tramper reisen mit leichtem Gepäck und unter Ausnutzung fremder Ressourcen über große Ent- fernungen. Die Aussage trifft zu, da Viren fast nur die Information ihrer Nucleinsäure mit sich tragen und sich über die Ressourcen ihrer Wirte effektiv vermehren können. A2 Nennen Sie die drei möglichen Hypothesen von HERSHEY und CHASE. Erläutern Sie die Schritte des Experiments. Ergänzen Sie begründet die Schlussfolgerung. 1. Die Viren-Proteine sind entscheidend für die Vermehrung, enthalten also die nötigen Informationen. 2. Die Viren-DNA ist entscheidend für die Vermehrung, enthält also die nötigen Informationen. 3. Sowohl DNA als auch Proteine sind entscheidend für die Vermehrung. Beide enthalten also die nötigen Informationen. Zunächst züchteten sie Bakteriophagen, die entweder eine radioaktiv markierte Proteinhülle (durch den Einbau von radioaktiven Schwefelatomen) oder eine radioaktiv markierte DNA (durch den Einbau von radioaktiven Phosphoratomen) besaßen. Diese ließen sie Bakterien befallen. Durch Mixen und anschließendes Zentrifugieren gelang es ihnen, Proteine und DNA voneinander zu trennen, ohne dass dabei die Bakterien beschädigt wurden. Bei den Phagen mit markierter DNA fand sich die Radioaktivität am Boden des Probenröhrchens, bei denen mit markierten Proteinen im Überstand. Abschließend entnahmen sie Proben aus dem jeweiligen Bodensatz und beobachteten, ob die Phagen sich vermehren konnten. Da sich die Phagen in beiden Ansätzen erfolgreich vermehren konnten, obwohl die Proteine im Überstand abgetrennt wurden, zeigt, dass allein die DNA für die Vermehrung nötig ist. HERSHEY und CHASE lieferten damit eine unabhängige Bestätigung der Ergebnisse 1944 von AVERY, dass die DNA die genetische Information enthält.

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So ein schöner Lernzettel 😍😍 super nützlich und hilfreich!

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bis 4 unter dem Aspekt der Populationsgröße von Räubern und Beute an einem Beispiel. Bei diesen Modelldaten sind die Individuenzahlen gegen die Zeit aufgetragen. Die Kurven- verläufe der Beute- und Räuberindividuen verändert sich zeitlich verzögert. Der Anstieg der Beutetiere führt mit einer zeitlichen Verzögerung zu einem Anstieg der Räuber (Phase 1 und 2). Der Kurvenverlauf der Beutetiere sinkt mit zunehmender Räuberanzahl (Phase 3). In Phase 4 sinkt dann die Anzahl der Räuber ebenfalls. Dieser idealisierte Kurvenverlauf kann durch Simu- lationen entstehen. In natürlichen Systemen sind zusätzlich andere Faktoren vorhanden, welche die Kurvenverläufe zusätzlich beeinflussen, sodass die Sinuskurve in ihrem Verlauf beeinträch- tigt wäre. A3 Beschreiben Sie die Daten in Abb. 8 und erläutern Sie, welche Bedeutung solche Modellrech- nungen für das Verständnis der Evolution haben. In Abb. 8 sind Modelldaten zur Fitness unter verschiedenen Modellvorgaben dargestellt. Die Verteilung und Veränderung von Allelen innerhalb von Populationen spielt eine entscheidende Rolle bei der Fitness im Evolutionsprozess. Die Simulationen zeigen jedoch, dass im Idealfall die Fitness bei beiden Voraussetzungen immer erreicht wird. Hier können Grundüberlegungen Mechanismen erklären. Diese müssen jedoch in der Realität genauer angepasst werden, das Modell muss überprüft werden. 1 1.1 Genetik Nucleinsäuren 4 Genetik DNA ein geniales Speichermedium (Seite 21) A1 Die DNA im Vergleich mit modernen Speichermedien: Ein Nucleotid auf einem DNA-Strang hat einen Informationsgehalt von 2 bit (= 0,25 byte), da es 2² = 4 Zustände (A, T, G bzw. C) annehmen kann. Berechnen Sie den Informationsgehalt der DNA einer menschlichen Zelle. Vergleichen Sie mit modernen Speichermedien (DVD oder USB-Stick). Berücksichtigen Sie auch den Platzbedarf. Ein Basenpaar der DNA hat einen Informationsgehalt von 2 bit = 0,25 Byte. Die menschliche DNA enthält rund 6 Milliarden Basenpaare. Damit ergeben sich 0,25 x 6 x 10⁹ Byte = 1,5 Giga- byte. Auf eine DVD passt mit 4,7 Gigabyte mehr als die dreifache Datenmenge, allerdings bei enormem Platzbedarf. Auch wenn z. B. Speichermedien immer kleiner bei größerem Speicher- volumen werden, ist der Platzbedarf eines Zellkerns noch nicht erreicht. DNA-Replikation (Seite 22) A1 Erläutern Sie den Vorteil der hohen Anzahl an AT-Basenpaaren im Bereich eines Origins. Zwischen aufeinander folgenden AT-Basenpaaren sind die Stapelkräfte der DNA verringert. Zudem besteht eine AT-Basenpaarung jeweils aus nur zwei Wasserstoffbrückenbindungen. Aufgrund der geringeren Anzahl an Wasserstoffbrücken und schwächeren Basenstapelkräften kann der DNA-Doppelstrang von der Helicase hier leichter geöffnet werden. PCR - DNA-Replikation im Reagenzglas (Seite 23) A1 Vergleichen Sie die Polymerasekettenreaktion mit der DNA-Replikation in einer eukaryo- tischen Zelle. Die Auftrennung der DNA-Stränge erfolgt bei der PCR durch Temperaturerhöhung. Bei der DNA-Replikation werden hierzu Enzyme verwendet (Helicase). Bei der PCR werden sowohl der Leit- als auch der Folgestrang kontinuierlich synthetisiert. Bei der DNA-Replikation wird nur der Leitstrang kontinuierlich synthetisiert. Die Synthese des Folgestrangs erfolgt in Okazaki- Fragmenten, die am Ende der Replikation zusammengefügt werden müssen. Genau wie bei der DNA-Replikation sind zum Start der Synthese Primer erforderlich. Im Gegensatz zur DNA-Replikation handelt es sich jedoch bei der PCR um DNA-Primer und nicht um RNA-Primer. Folglich müssen diese auch am Ende nicht wieder herausgeschnitten werden. Startpunkt und Endpunkt der Replikation werden durch spezifische Sequenzen auf der DNA festgelegt. Bei der PCR wird der Beginn durch die Primer festgelegt und das Ende durch die Temperaturerhöhung herbeigeführt. Für beide Prozesse wird eine DNA-Polymerase verwendet, die nur in 3' - 5'-Richtung arbeiten kann. Im Gegensatz zu den DNA-Polymerasen aus Eukaryoten ist die bei der PCR verwendete DNA-Polymerase hitzestabil. Bei der DNA-Replikation steht am Ende eine Verdopplung des gesamten Genoms einer Zelle eines Organismus. Das Endprodukt der PCR sind viele Kopien einer relativ kurzen spezifischen DNA-Sequenz. RNA - mehr als nur eine weitere Nucleinsäure (Seite 24) O A1 Recherchieren Sie ein Beispiel eines Ribozyms und beschreiben Sie seine Funktion. Eines der ersten Ribozyme, die entdeckt wurden, ist die RNase P- eine Ribonuclease. Sie ist an der Bildung von t-RNA-Molekülen durch die Spaltung größerer t-RNA-Vorstufen beteiligt. A2 Vergleichen Sie Ribozyme und Enzyme in ihrem Aufbau und ihrer Funktion. Ribozyme sind aus RNA-Nucleotiden aufgebaut. Durch Wechselwirkungen zwischen den Nucleotiden (z. B. komplementäre Basenpaarung durch H-Brücken) können sie eine komplexe dreidimensionale Struktur bilden (Sekundär-/Tertiärstruktur). Enzyme sind aus Aminosäuren aufgebaut. Auch sie können durch Wechselwirkungen zwischen den Seitenketten der Aminosäuren eine komplexe dreidimensionale Struktur bilden (Sekun- där-/Tertiärstruktur). Ribozyme und Enzyme haben dieselbe Grundfunktion: Sie binden spezifisch Substrate, kataly- sieren eine spezifische Reaktion mit diesem Substrat und entlassen ein Produkt (verändertes Substrat). Sie gehen aus dieser Reaktion unverbraucht hervor und können sie oft wiederholen. 5 Genetik Material: Nucleinsäuren (Seite 25) A1 Erläutern Sie die Schwierigkeiten bei der Entwicklung antiviraler Medikamente ohne Neben- wirkungen. Nehmen Sie Stellung zu der Aussage „Viren sind perfekte Tramper". Viren bestehen meist nur aus Nucleinsäure und Proteinhülle. Sie nutzen den Zellstoffwechsel und die enzymatische Maschinerie des Wirts. Medikamente, die ihre Vermehrung stoppen oder verhindern sollen, können nur schlecht in den Stoffwechsel oder die Replikation eingreifen, da sie auch unbefallene Zellen des Wirtes schädigen würden. Viruserkrankungen lassen sich derzeit am besten durch Impfungen potentieller Wirte bekämp- fen. Möglich könnte auch ein Angriff auf die spezifischen RNA-Polymerasen sein. Tramper reisen mit leichtem Gepäck und unter Ausnutzung fremder Ressourcen über große Ent- fernungen. Die Aussage trifft zu, da Viren fast nur die Information ihrer Nucleinsäure mit sich tragen und sich über die Ressourcen ihrer Wirte effektiv vermehren können. A2 Nennen Sie die drei möglichen Hypothesen von HERSHEY und CHASE. Erläutern Sie die Schritte des Experiments. Ergänzen Sie begründet die Schlussfolgerung. 1. Die Viren-Proteine sind entscheidend für die Vermehrung, enthalten also die nötigen Informationen. 2. Die Viren-DNA ist entscheidend für die Vermehrung, enthält also die nötigen Informationen. 3. Sowohl DNA als auch Proteine sind entscheidend für die Vermehrung. Beide enthalten also die nötigen Informationen. Zunächst züchteten sie Bakteriophagen, die entweder eine radioaktiv markierte Proteinhülle (durch den Einbau von radioaktiven Schwefelatomen) oder eine radioaktiv markierte DNA (durch den Einbau von radioaktiven Phosphoratomen) besaßen. Diese ließen sie Bakterien befallen. Durch Mixen und anschließendes Zentrifugieren gelang es ihnen, Proteine und DNA voneinander zu trennen, ohne dass dabei die Bakterien beschädigt wurden. Bei den Phagen mit markierter DNA fand sich die Radioaktivität am Boden des Probenröhrchens, bei denen mit markierten Proteinen im Überstand. Abschließend entnahmen sie Proben aus dem jeweiligen Bodensatz und beobachteten, ob die Phagen sich vermehren konnten. Da sich die Phagen in beiden Ansätzen erfolgreich vermehren konnten, obwohl die Proteine im Überstand abgetrennt wurden, zeigt, dass allein die DNA für die Vermehrung nötig ist. HERSHEY und CHASE lieferten damit eine unabhängige Bestätigung der Ergebnisse 1944 von AVERY, dass die DNA die genetische Information enthält.