• Schulstufe
  • Klassenstufe
  • Schulform
  • Fach
  • Materialtyp
  • Quelle 2
Sortierung nach Datum / Relevanz
Kacheln     Liste

Akrobatik und Turnen

Unterrichtseinheit

In der Unterrichtseinheit "Akrobatik und Turnen" machen die Schülerinnen und Schüler Übungen zu Gleichgewicht und Körperspannung und bauen Pyramiden. Sie erlernen grundlegende Bewegungstechniken, wobei ihnen zahlreiche Bilder und Animationen helfen.Akrobatik arbeitet mit dem Gerät "Körper" und ist ein idealer Ansatzpunkt für Lern- und Entwicklungsprozesse im Sport-Unterricht. Im körperlichen Miteinander-Umgehen entstehen aus Bewegungsaufgaben kleine Kunststücke sowie vielseitige Körper- und Bewegungserfahrungen. Akrobatik eröffnet Möglichkeiten, kreativ mit dem Körper umzugehen (unterstützend, haltend, schwebend), aber auch eigene Grenzen zu erkennen. Zahlreiche Bilder, Grafiken und Animationen veranschaulichen Technik-Elemente und den Ablauf des Lernprozesses und lassen die Unterrichtsreihe schon am Computer lebendig werden. Das Notebook in der Sporthalle kann Bewegungsvorstellungen unterstützen und hilft bei der Planung von Pyramiden. Figuren zu bauen und mit Gleichgewicht und Schwerkraft zu spielen, ist für viele Schülerinnen und Schüler eine besondere Herausforderung und wird meist mit mehr Begeisterung aufgenommen als das herkömmliche Geräteturnen.Die pädagogischen Perspektiven "Gestaltung", "Kooperation", "Wagnis", "Leistung" und "Körpererfahrung" sind bei der Bewältigung akrobatischer Aufgabenstellungen besonders gut zu realisieren. Die Unterrichtseinheit beinhaltet die Themen: Akrobatik im Sportunterricht - Pädagogische Perspektiven Spielerische Vorbereitung Methodische Grundsätze des Akrobatikunterrichts Übungen zu Gleichgewicht und Körperspannung Übungen zur richtigen Bewegungstechnik Partnerakrobatik-Übungssammlung Pyramiden bauen Pyramiden-Übungssammlung Einsatz des Computers bei der Pyramidenplanung (Pyramidenplaner) Arbeitskarten zum Download Die Schülerinnen und Schüler werden in ihrer Beweglichkeit, ihrer Körperspannung, ihrem Gleichgewichtssinn, ihrer Konzentrationsfähigkeit, ihrer Kooperationsbereitschaft, ihrer körperlichen Geschicklichkeit und ihrer Kraft gefördert. sammeln Wissen und Erfahrungen über Körperbelastungspunkte und bauen das gegenseitige Vertrauen aus. erfahren den Computer bei der Vorbereitung von Bewegungsaufgaben als hilfreiche Unterstützung.

  • Sport / Bewegung
  • Sekundarstufe I

Mumien, Pyramiden, Hieroglyphen und der Nil – eine Reise durch das Alte…

Unterrichtseinheit
14,99 €

In dieser Unterrichtseinheit begeben sich die Schülerinnen und Schüler auf eine (virtuelle) Entdeckungsreise in und durch das Alte Ägypten. An verschiedenen Lernstationen und mithilfe von Internetseiten informieren sie sich über Pyramiden, Mumien, Hieroglyphen, den Nil sowie die Arbeit von Ägyptologinnen und Ägyptologen in der heutigen Zeit. "Ägypten – Geschenk des Nils" nennt Herodot das immer noch geheimnisumwobene Land, das die Menschen seit Generationen fasziniert. In dieser Unterrichtseinheit tauchen die Schülerinnen und Schüler der Sekundarstufe I in die faszinierende Welt des Alten Ägypten ein. Sie lernen wichtige Merkmale und Besonderheiten dieser alten Hochkultur kennen und entwickeln so ein umfassenderes Verständnis für die Lebensweise und kulturellen Errungenschaften der Menschen im Alten Ägypten. Diese Unterrichteinheit vermittelt an verschiedenen Lernstationen und anhand einer Vielzahl von ansprechenden, multimedial aufbereiteten Informationsseiten zum Alten Ägypten Informationen zu einzelnen thematischen Schwerpunkten rund um die Gesellschaft, Religion, Kunst und Architektur sowie Geographie. Je nach Zeitplanung kann sie aber auch als themendifferenzierte, arbeitsteilige Gruppenarbeit oder als fächerverbindendes Projekt durchgeführt werden. Durch vielfältige Einsatz- und Umsetzungsmöglichkeiten der Materialien wird nicht nur die Sachkompetenz der Lernenden gefördert, sondern auch ihre Medien- und Sozialkompetenz. Das Thema im Unterricht Die Auseinandersetzung mit dem Alten Ägypten als Beispiel einer Hochkultur ist fest in Lehrplänen und Schulcurricula verankert und Bestandteil des Unterrichts der Sekundarstufe I. Vorkenntnisse Häufig sind Schülerinnen und Schüler der Sekundarstufe I von dem Thema "Das Alte Ägypten" fasziniert und bringen bereits Vorwissen (aus Filmen, Comics etc.) mit, an das angeknüpft werden kann. Hilfreich, aber nicht zwingend erforderlich, ist es, wenn die Lernenden bereits über Kenntnisse der Computernutzung und Internetrecherche verfügen. Methodisch-didaktische Überlegungen Die modular aufgebaute Unterrichtseinheit greift mit jeder Lernstation einen thematischen Schwerpunkt aus dem Alten Ägypten auf. Die Vorlagen der Arbeitsblätter können von jeder Lehrkraft individuell bearbeitet werden, sodass sie Pflicht-, Wahl-, und Zusatzaufgaben für ihre Klasse selbst definieren kann. Die Lehrkraft ist während der einzelnen Phasen eine wichtige Ansprechperson. Dabei geht es nicht nur um Rückfragen hinsichtlich der Aufgabenumsetzung, sondern auch um die Unterstützung bezüglich des inhaltlichen Verständnisses, da einige Internetseiten auf Englisch sind oder sehr komplex für die Altersstufe sein können. Dann müssen die Inhalte altersgerecht(er) formuliert und erklärt werden. Zur Vertiefung und Ergebnissicherung sollten die Schwerpunkte der einzelnen Stationen abschließend im Plenum aufgegriffen und besprochen werden. Für jedes Unterthema sollten circa zwei Stunden eingeplant werden. Je nach Leistungsstand der Klasse kann ein Unterthema innerhalb einer Gruppe auch arbeitsteilig bearbeitet werden. Sollte eine Gruppe ein Arbeitsblatt schneller bearbeitet haben, gibt es Zusatztipps oder die Möglichkeit, auf Aufgaben zu einem anderen Thema zu verweisen. Die Arbeit mit Informationsangeboten im Internet ist ein zentrales Element der Unterrichtseinheit, da die Lernstationen Rechercheaufgaben zu den historischen Stätten am Nil, zu Pyramiden, Mumien, Hieroglyphen und zur Arbeit der Ägyptologinnen und Ägyptologen in der heutigen Zeit enthalten. Die Lehrkraft unterstützt die Lernenden während der Arbeitsschritte und begleitet sie in der Arbeit mit dem Computer, um den reflektierten und kritischen Umgang mit Medien zu schulen. Steht ausreichend Zeit zur Verfügung, kann die Reihe als Lernen an Stationen durchgeführt werden. Jedes Unterthema ist dann eine Lernstation. Die historischen Sehenswürdigkeiten der Nilreise sollten den Anfang, die Arbeit der Ägyptologen das Ende der Unterrichtseinheit bilden. Alle anderen Themen können in freiher Reihenfolge bearbeitet werden. Auf die Zusatztipps sollten die Schülerinnen und Schüler erst eingehen, wenn sie sich den normalen Aufgabenkatalog erarbeitet haben. Die Vorlagen der Arbeitsblätter können von jeder Lehrkraft individuell bearbeitet werden, sodass sie Pflicht-, Wahl-, und Zusatzaufgaben im Rahmen der Binnendifferenzierung selbst definieren kann. Wenn die Zeit knapp ist, ist eine themendifferenzierte Vorgehensweise im Rahmen einer Gruppenarbeit zum Einstieg in das Thema Ägypten oder zur Festigung eines Unterthemas denkbar. Je nach Interessensgebiet wählen die Schülerinnen und Schüler dann aus, ob sie sich auf eine virtuelle Nilreise begeben oder mit Pyramiden, Mumien oder Hieroglyphen beschäftigen wollen. Auch eine fächerverbindende Arbeit beispielsweise mit Geographie und Deutsch ist möglich, wenngleich der Schwerpunkt der Unterrichtseinheit im Fach Geschichte liegt. Im Geographieunterricht bietet es sich an, im Anschluss an eine virtuelle Nilreise auf das Leben und Arbeiten am Nil einzugehen. Auch ein Exkurs zur Bedeutung des Tourismus für das heutige Ägypten ist möglich. Im Fach Deutsch können die Schülerinnen und Schüler die Hieroglyphen-Sprache untersuchen, mit dem lateinischen Alphabet vergleichen und E-Mails an die Ägyptologinnen und Ägyptologen formulieren und senden. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler informieren sich über unterschiedliche inhaltliche Schwerpunkte zum Thema "Das Alte Ägypten". lernen bedeutende Denkmäler des Alten Ägyptens kennen und erfahren Wissenswertes rund um Kultur und Lebensweise. erkennen und erläutern Merkmale der Hochkultur Ägyptens. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen lernen die Nutzungsmöglichkeiten des Internets für den Geschichtsunterricht kennen. recherchieren geleitet Informationen auf verschiedenen Internetseiten. schreiben E-Mails mit ungeklärten Fragen an Ägyptologinnen und Ägyptologen. Sozialkompetenz erweitern ihre Kompetenzen im Bereich des gemeinschaftlichen Arbeitens hören ihren Mitschülerinnen und Mitschülern im Rahmen des kooperativen Arbeitens oder bei Präsentationen zu und würdigen ihre Beiträge.

  • Geschichte / Früher & Heute
  • Sekundarstufe I

Prismen und Körper selbstgesteuert erlernen

Unterrichtseinheit
14,99 €

In dieser Unterrichtseinheit zum Thema "Prismen und Körper" lernen die Schülerinnen und Schüler die Begriffe und die Eigenschaften verschiedener Körper kennen. Sie berechnen die Oberfläche und das Volumen eines Quaders und eines Würfels. Sie lernen die Volumeneinheiten mit einfachen Umrechnungen kennen. Ziel ist die Umsetzung im Sinne des selbstgesteuerten Lernens. Diese Unterrichtseinheit hat das Ziel, die Lerninhalte zum Thema "Prismen und Körper" für eine 5. Klasse der Realschule mit den Elementen des selbstgesteuerten Lernens den Schülerinnen und Schülern zu vermitteln. Die Unterrichtseinheit ist thematisch in vier Lernmodule eingeteilt. Zu jedem Modul stehen Lernkarten als interaktives H5P Element bereit: Lernmodul 1: Begriffe zu Körper und Prismen mit den interaktiven H5P Lernkarten "Körperarten" . Lernmodul 2: Netze und Schrägbilder mit den interaktiven H5P Lernkarten "Begriffe" und "Netze und Schrägbilder" . Lernmodul 3: Mantelflächenberechnung und Oberflächenberechnung mit den interaktiven H5P Lernkarten "Oberflächenberechnung" . Lernmodul 4: Volumenberechnung und Volumenberechnung II mit den interaktiven H5P Lernkarten "Volumeneinheiten" und "Volumenberechnung" . Die Inhalte der Lernmodule sind jeweils der Beschreibung der Plenumsphase aus dem Unterrichtsablauf zu entnehmen. Vorkenntnisse Für die inhaltliche Umsetzung sind für die jeweiligen Lernmodule folgende Voraussetzungen relevant: Bestimmung der Begriffe Kanten, Ecken und Flächen und Bestimmung der Eigenschaften von Würfel, Quader, Zylinder, quadratische Pyramide, Kegel und Kugel mit der Zuordnung zu den Prismen (Lernmodul 1). Die Zuordnung von Netzen und das Erstellen von Schrägbildern fokussiert auf Würfel und Quader (Lernmodul 2). Die Berechnung der Oberfläche O ist beschränkt auf Quader und Würfel (Lernmodul 3). Die Berechnung der Volumina V ist beschränkt auf Quader und Würfel (Lernmodul 4). Didaktische und methodische Analyse Diese Einheit basiert auf dem Prinzip des eigenständigen Lernens. Die Lernenden arbeiten in den Übungsphasen an den Lernmodulen wöchentlich nach eigenem Zeitplan . Die Lehrkraft klärt in den Plenumsphasen, die sich nach einem festgelegten Zeitraster orientieren, mit den Lerngruppen die Themen- und Aufgabenstellung des jeweiligen Lernmoduls. Es empfiehlt sich, mehrere solcher Phasen in einer Woche anzubieten, sodass die Lernenden sich ihre "Präsenszeit" aussuchen können. Die Rückmeldungsphase gestaltet sich individuell über die Plenumsphasen. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler operieren gedanklich mit Strecken, Flächen und Körpern. stellen Körper (zum Beispiel als Netz, Schrägbild oder Modell) dar und erkennen Körper aus ihren entsprechenden Darstellungen. berechnen Volumen und Oberflächeninhalt von Prisma, Pyramide, Zylinder, Kegel und Kugel sowie daraus zusammengesetzten Körpern. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler suchen, verarbeiten und bewahren Inhalte und Materialien auf. kommunizieren und kooperieren auf verschiedenen Ebenen miteinander. setzen digitale Werkzeuge zum Lösen von Problemen ein. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler kommunizieren sachlich. bearbeiten und führen gemeinsam Aufgaben aus. halten sich an Absprachen und Vereinbarungen.

  • Mathematik / Rechnen & Logik
  • Sekundarstufe I

Punkte im Raum

Kopiervorlage

Die Schülerinnen und Schüler erarbeiten sich selbstständig anhand eines YouTube-Videos wie man Punkte in ein dreidimensionales Koordinatensystem einträgt und lösen Vektoraufgaben mithilfe von GeoGebra. Vertieft werden diese Kenntnisse nach dem Konzept "Flip the Classroom" anhand von verschiedenen Anwendungsaufgaben. Die Schülerinnen und Schüler lernen in dem circa sechsminütigen YouTube-Video "Punkte im Raum" , wie man Punkte in ein dreidimensionales Koordinatensystem einträgt. In Aufgabe 1 visualisieren die Schülerinnen und Schüler eine Pyramide und müssen hierzu die fehlenden Koordinaten der Punkte berechnen, um so das räumliche Vorstellungsvermögen zu fördern. In einem zweiten Schritt spiegeln die Lernenden die Pyramidenspitze an den Koordinatenebenen und berechnen hierzu die passenden Koordinaten. In Aufgabe 2 wird diese Pyramide in GeoGebra dargestellt. Dabei lernen die Schülerinnen und Schüler neue Werkzeuge von GeoGebra kennen und üben den Umgang damit ein. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler arbeiten mit symbolischen, formalen und technischen Elementen der Mathematik und wenden diese auf Anwendungsaufgaben an. verwenden mathematische Darstellungen und veranschaulichen Situationen im Koordinatensystem. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler nutzen das Internet eigenständig zur Vorbereitung auf den Unterricht. nutzen GeoGebra zur Visualisierung und Lösung der Aufgaben. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler unterstützen sich gegenseitig beim gemeinsamen Lösen der Aufgaben.

  • Mathematik / Rechnen & Logik
  • Sekundarstufe II

Dodekaeder - Juwel der Symmetrie

Unterrichtseinheit

Das Dodekaeder ist einer der fünf platonischen Körper, der einzigen regelmäßigen "Vielflächner", deren Seitenflächen regelmäßige Vielecke gleicher Eckenzahl sind. Es hat seit Urzeiten die Aufmerksamkeit von Künstlern und Philosophen gefunden und ist bis heute im Fokus solcher Aufmerksamkeit geblieben. Immer noch gibt es Neues an diesem Körper zu entdecken.Symmetrien üben nicht nur einen großen ästhetischen Reiz aus, sie sind auch in der Natur - der belebten wie der unbelebten - von fundamentaler Bedeutung. Ordnung und Chaos, Symmetrie und Symmetriebrechung sind Grundkategorien in der Wahrnehmung unserer Welt. Das Periodensystem der Elemente, die Postulierung von Quarks als Grundbausteine der Materie, die Entstehung der Welt durch den Urknall - all dies sind wissenschaftliche Ergebnisse, an deren Zustandekommen Betrachtungen der Symmetrie entscheidenden Anteil hatten. So stellt Lisa Randall, theoretische Physikerin, fest: "Der Begriff Symmetrie hat für die Physiker einen heiligen Klang."In den heutigen, an den Bildungsstandards orientierten Lehrplänen, taucht "Symmetrie" als Leitidee auf. Hier wird gefordert, Symmetrien an Körpern und ebenen Figuren zu untersuchen. Dies kann in Bezug auf die platonischen Körper auf sehr unterschiedlichen Anforderungsniveaus erfolgen: Vom Herstellen eines Dodekaeders mit Papier und Schere im 5. Schuljahr über die Berechnung von Streckenlängen, Abständen und Winkeln mit Mitteln der Trigonometrie (Klasse 10) bis hin zu Untersuchungen seiner Symmetriegruppe in der Sekundarstufe II ergeben sich zahlreiche Möglichkeiten. Hinweise zum Unterrichtsverlauf Hier sind Materialien und Werkzeuge sowie Vorschläge zur Erarbeitung des Themas zusammengetragen. Die Schülerinnen und Schüler sollen erkennen, welche primären Symmetrien ein Dodekaeder besitzt und ausgehend davon elementare Größen des Dodekaeders bestimmen können. erkennen, dass aus einer Abbildung beziehungsweise aus Daten des Dodekaeders Abbilder oder Daten der restlichen vier platonischen Körper abgeleitet werden können. erkennen, dass es außer Tetraeder, Hexaeder, Oktaeder, Dodekaeder und Ikosaeder keine anderen regulären Polyeder geben kann. unter Einsatz eines Computeralgebrasystems (oder geometrischer 3D-Software) Untersuchungen zu den Symmetriegruppen der platonischen Körper durchführen können. Thema Symmetrien des Dodekaeders (und anderer platonischer Körper) Autor Rolf Monnerjahn Fach Mathematik, Bildende Kunst Zielgruppe Sekundarstufe I Zeitraum 7-9 Stunden Technische Voraussetzungen Computeralgebrasystem (MuPAD) oder dynamische 3D-Software Voraussetzungen Für den Unterricht in Mittel- und Oberstufe sollte entweder ein Computeralgebrasystem (hier verwendet: MuPAD) oder Dynamische Geometriesoftware für 3D-Konstruktionen zur Verfügung stehen, da so Symmetrien noch besser veranschaulicht werden können als durch reale Modelle - wobei auf letztere aber keinesfalls verzichtet werden soll. Das Dodekaeder sollte im Sinne eines Spiralcurriculums an mehreren Stellen Objekt des Mathematikunterrichts sein: In der Orientierungsstufe als interessanter Körper, mit dem Schülerinnen und Schüler sich konkret handelnd auseinandersetzen: Herstellen von Kantengerüst und Faltmodell. In der Mittelstufe als Gegenstand trigonometrischer Berechnungen (Winkel und Streckenlängen). In der Oberstufe als Objekt entdeckenden Untersuchens im Hinblick auf Symmetrien und Beziehungen zu den anderen platonischen Körpern und zu den archimedischen Körpern. Arbeit mit realen Modellen Grundlage jeglicher theoretischer Beschäftigung mit den platonischen Körpern sollte ein praktisches, handlungsorientiertes Herangehen durch Herstellung von Flächen- und Kantenmodellen sein. Auch die Symmetrien der platonischen Körper sollten auf der Grundlage der Arbeitsmaterialien zunächst praktisch erkundet werden: durch Rotation der Körpermodelle und Zerschneiden der Kartonmodelle, so dass durch Auflegen auf einen ebenen Spiegel die Vervollständigung des Körpers durch die Spiegelung erfahrbar wird. Die Darstellung der Körper und der Vollzug von Kongruenztransformationen sollten in Einzel- oder Partnerarbeit durch Handhabung eines CAS oder dynamischer 3D-Geometriesoftware erfolgen. Zusammengesetzte Kongruenzabbildungen wie etwa die Drehspiegelung sind praktisch nicht realisierbar, wohl aber mit derartiger Software deutlich zu veranschaulichen. Das hier beigegebene PDF-Dokument (dodekaeder_juwel_der_symmetrie.pdf) stellt eine Auswahl von Berechnungen und Abbildungen bereit, die mit MuPAD erarbeitet wurden. Es ist als Ideensammlung, zusammenfassende Darstellung und Anregung für den Umgang mit einem CAS gedacht. Einzel-, Partner- und Projektarbeit Die Unterrichtseinheit eignet sich vor allem zur Vertiefung von im Kernunterricht erworbenem faktischen und prozeduralen Wissen und sollte daher in Formen von Einzel-, Partner- und Projektarbeit organisiert werden. Dodekaeder und platonische Körper bieten als Unterrichtsobjekt den Vorteil, dass von einfachsten bis zu höchsten Ansprüchen gestufte Problemstellungen möglich sind. Nachfolgend werden Vorschläge für Arbeitsaufträge formuliert und thematischen Blöcken zugeordnet. 1. Die Darstellung der platonischen Körper Die Eckpunktdaten der platonischen Körper nach geeignetem Einzeichnen rechtwinkliger Dreiecke in Schrägbilddarstellungen (Arbeitsblatt 11) sind durch Anwendung der Trigonometrie zu berechnen, Kantenlängen, In- und Umkugelradius, Winkel zwischen Kanten und Winkel zwischen Flächen sind zu bestimmen. 2. Symmetrien der platonischen Körper Hier sind die Spiegelungen, Rotationen und aus Spiegelungen und Rotationen zusammengesetzten Kongruenzabbildungen zu bestimmen, die die platonischen Körper in sich selbst abbilden. Damit über diese Abbildungen Aussagen formuliert werden können, sind in den beigegebenen Arbeitsblättern 1 bis 5 auf die Netze der platonischen Körper die Durchstoßpunkte der Drehachsen aufgezeichnet, Mittellinien, Mittelsenkrechte und Diagonalen der Seitenflächen eingezeichnet, alle Eckpunkte und Flächen durchnummeriert und damit benennbar. Für das Tetraeder ist im Begleitmaterial die vollständige Symmetrietabelle beigegeben (dodekaeder_juwel_der_symmetrie.pdf). Für Ikosaeder und Dodekaeder ist es nicht sinnvoll, die vollständige Symmetrietabelle zu erarbeiten, wohl aber ausgewählte, vor allem zusammengesetzte Kongruenzabbildungen exemplarisch herauszugreifen. 3. Symmetrie als Grundlage von Emergenz Die fünf platonischen Körper sind durch Symmetrie und Dualität aufeinander bezogen. Dualität heißt, dass Hexa- und Oktaeder, Dodeka- und Ikosaeder jeweils durch Zuordnung von Ecken zu Flächenmitten aufeinander bezogen sind. Verbindet man die Flächenmitten eines Dodekaeders, so erhält man ein Ikosaeder, und verbindet man umgekehrt die Flächenmitten eines Ikosaeders, so erhält man ein Dodekaeder. Auch der Würfel ist durch Konstruktion (Aufbringen eines "Walmdachs" auf jede Fläche) zu einem Dodekaeder umzuwandeln (Arbeitsblätter 6,7, Video dodeca_cubus.wmv). Das Dodekaeder erlaubt durch seine umfassende Symmetrie die regulären Polygone Dreieck, Quadrat, Fünfeck, Sechseck und Zehneck mehrfach aus seiner räumlichen Darstellung "herauszulesen". Diese Polygone und die Polyeder sind in die Schrägbilder der platonischen Körper durch Verbinden von Ecken, Flächen- und Kantenmitten, Diagonalenmitten einzuzeichnen (Arbeitsblatt 11). Hier ist Staunen angebracht: Aus einer Konstruktion, die lediglich auf einer Figur mit Winkeln von 108° und fünf Seiten gleicher Länge beruht, gehen - sozusagen als Dreingabe - Dreiecke, Quadrate, andere Fünfecke, Sechsecke, Zehnecke und völlig unterschiedliche Körper hervor! 4. Gesetzmäßigkeiten an den platonischen Körpern Dass es nicht mehr als fünf platonische Körper geben kann (Euklid), dass für ihre Graphen der Euler'sche Polyedersatz (e + f - 2 = k) gilt, dass nur für das Oktaeder ein Euler'scher Rundweg ("Abschreiten" aller Kanten ohne Wiederholung) existiert, sind leicht zu beweisende Gesetzmäßigkeiten. Das Aufsuchen Hamilton'scher Rundwege ("Abschreiten" aller Ecken ohne Wiederholung) ist eine ohne Überforderung realisierbare Erkundungsaufgabe (Arbeitsblatt 12). 5. Archimedische Körper Verzichtet man auf die Forderung, dass der Körper nur von gleichartigen regulären Vielecken begrenzt sein soll, ergeben sich 13 weitere Körper, die archimedischen, bei denen aber auch alle Kanten die gleiche Länge haben. Sie gehen zum Teil durch Abstumpfung der Ecken aus den platonischen Körpern hervor (siehe Arbeitsblatt 11). 6. Polyedersterne Errichtet man auf den Begrenzungsflächen der platonischen Körper Pyramiden, so erhält man Polyedersterne. Es ist eine reizvolle Bastelarbeit, solche Sterne herzustellen, indem man beispielsweise die Pyramidennetze zu den in den Arbeitsblättern 1 bis 5 vorgegebenen Polyedernetzen konstruiert und die Pyramiden auf die Polyederflächen aufklebt. Arbeitsblätter Die Netze aller platonischen Körper sind hier als Schnittbogen herunterzuladen (1-5). Den Netzen sind die Nummerierungen der Ecken und Flächen sowie alle Symmetrieachsen und drehsymmetrischen Zentren der Flächen aufgedruckt. Zusätzlich ist ein Schnittbogen zur Herstellung eines Umstülpmodells Hexaeder - Dodekaeder beigegeben (6, 7). Zwei Arbeitsblätter zeigen die Zentralprojektion des Dodekaeders in verschiedenen Ansichten (10) und die zentralprojektiven Darstellungen aller platonischen Körper (11). Dabei wurden zu jeder Kante Drittelungs- und Halbierungspunkte eingezeichnet, so dass die dualen Körper und die Abstumpfungen eingezeichnet werden können. Ein Arbeitsblatt zeigt die Graphen der platonischen Körper (12), womit Hamilton'sche und Euler'sche Rundwege gesucht werden können. Monnerjahn, Rolf MuPAD im Mathematikunterricht, Verlag Cornelsen, ISBN 978-3-06-000089-0 Zum Einarbeiten in die Handhabung des CAS MuPAD Adam, Paul und Wyss, Arnold Platonische und Archimedische Körper, ihre Sternformen und polaren Gebilde, Verlag Freies Geistesleben, ISBN 3-7725-0965-7

  • Mathematik / Rechnen & Logik
  • Sekundarstufe I

Volumenberechnung

Kopiervorlage

Mit diesem ergänzenden Arbeitsblatt für den Mathematikunterricht der Sekundarstufe I, das an die Unterrichtseinheit "Flächen- und Winkelberechnung" anknüpft, berechnen die Schülerinnen und Schüler Volumina verschiedener geometrischer Körper am Beispiel des Gerüstbaus. Um das Material an die Lerngruppe anzupassen, können Schwerpunkt und Schwierigkeitsgrad flexibel gestaltet werden. Dieses ergänzende Arbeitsblatt zur Volumenberechnung knüpft an die Unterrichtseinheit "Flächen- und Winkelberechnung“ an. Es bietet Aufgaben zur Volumenberechnung mit Sachbezug zum Gerüstbau. Nach einer optionalen Wiederholung zu Volumenformeln und -einheiten werden die entsprechenden Formeln zur Volumenberechnung verschiedener mathematischer Körper am Beispiel des Gerüstbaus angewendet und vertieft. Die Lernenden sollen Raumgerüste geometrisch betrachten und als Volumen erfassen. Dabei werden auch Gerüstformen, -flächen und Diagonalen thematisiert. In diesem Kontext wird an das Wissen zum Satz des Pythagoras angeknüpft. Je nach Bedarf kann der Schwierigkeitsgrad gewählt und gegebenenfalls die Anzahl der Aufgaben reduziert werden. Die Einstiegsaufgabe kann beispielsweise ausführlich thematisiert werden, als Zusatz verwendet werden oder weggelassen werden. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, in Aufgabe 3 auf die geometrischen Körper "Pyramide“ und "Kegel“ einzugehen oder diese wegzulassen. Sehr leistungsstarke Schülerinnen und Schüler können sich mit ersten Aspekten zusammengesetzter Körper beschäftigen. Um den Schülerinnen und Schülern eine anschauliche Vorstellung von den thematisierten Objekten zu geben, bietet es sich an, dass die Lehrkraft als Einstieg ein oder mehrere Bilder von Raumgerüsten präsentiert. Dies gibt den Schülerinnen und Schülern die Möglichkeit, erste mathematische Zusammenhänge zu entdecken und sich über mögliche relevante Größen auszutauschen. Im weiteren Verlauf können dann mithilfe des Arbeitsblattes verschiedene Raumgerüste mathematisch untersucht werden.

  • Mathematik
  • Sekundarstufe I

Habana Blues

Unterrichtseinheit

In den verschiedenen Aktivitäten vor, während und nach dem Anschauen des spanisch-kubanischen Spielfilms "Habana Blues" setzen sich die Schülerinnen und Schüler mit dem Medium Film, seinen Aussagen und seinen Besonderheiten auseinander.Der Film "Habana Blues" spiegelt die heutige Realität kubanischer Lebensverhältnisse wider und bietet daher die Möglichkeit, Themen wie Auswanderung, Familie, Freundschaft, Armut und Zukunftsträume zu erörtern. Daher eignet sich dieser Film zusätzlich zum Erwerb von Medienkompetenz auch für die Erarbeitung von landeskundlichen und interkulturellen Aspekten. "Habana Blues" kann gut im Rahmen des Zentralabiturthemas Kuba im Unterricht eingesetzt werden.Bei den verwendeten Materialien wurde darauf geachtet, dass zusätzlich zu dem Medium Film weitere Medien wie Musik, Bilder und das Internet eingesetzt werden, um keine Eintönigkeit aufkommen zu lassen. "Habana Blues" - Inhaltsangabe und Filmdaten Hier erfahren Sie mehr über den Film, der zwischenmenschliche Beziehungen und kollidierende Lebensentwürfe zum Thema hat. Ablauf der Unterrichtseinheit Die Autorin stellt den Ablauf der Einheit zum Film "Habana Blues" vor. Fachspezifische Ziele Die Schülerinnen und Schüler sollen vor dem Hintergrund der historischen, wirtschaftlichen, politischen und sozialen Entwicklung des Landes Einblick in die heutigen Lebensverhältnisse Kubas erhalten. in der Lage sein, ihre eigene Kultur mit der kubanischen zu vergleichen und sowohl Unterschiede als auch Gemeinsamkeiten feststellen können. vorhandenes Vorwissen als Sprechanlässe nutzen und somit ihre Sprechkompetenz erweitern. einzelne Sequenzen eines Spielfilms verstehen und darüber ein Gespräch führen können, in dem sie ihre Meinung dazu äußern. ausgesuchte Texte lesen und interpretieren können. ihre Schreibkompetenz durch kreative Textproduktion erweitern. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen einige filmtechnische Gestaltungsmittel kennen lernen und anwenden können. die Aussagekraft von Bildern einschätzen und sich mit diesen kritisch auseinandersetzen können. Informationen gezielt aus dem Internet entnehmen und verwerten können. Die Protagonisten Ruy und Tito Ruy und Tito, die Protagonisten dieses spanisch-kubanischen Films, sind seit jeher die besten Freunde. Sie teilen alles miteinander: ihre Träume, ihre Zukunftspläne und natürlich ihre Leidenschaft für die Musik, die sie ihren Zielen näher bringen soll. Ruy und seine Familie haben Geldsorgen Ruy lebt mit seiner Noch-Ehefrau und Mutter seiner zwei Kinder, Caridad, zusammen, obwohl sie sich bereits vor längerer Zeit voneinander getrennt haben. Ruy kann derzeit nicht für den Familienunterhalt sorgen, da er zu sehr mit seiner Musik beschäftigt ist. Auch das Geld, das Caridads Mutter aus Miami schickt, reicht nicht aus. Caridad gibt ihr Studium auf, um Geld, in diesem Fall Dollar, mit der Anfertigung und dem Verkauf von Halsketten zu verdienen und so ihre Familie zu ernähren. Doch das Geschäft läuft nicht ganz so einfach, wie es sich Caridad vorgestellt hatte. Daher muss sie ihre Ketten vorerst illegal, also auf dem Schwarzmarkt, verkaufen. Titos Großmutter Luz María hilft beim Karrierestart Tito lebt mit seiner Großmutter, Luz María, zusammen, die einmal eine große Figur in der kubanischen Musikszene war. Sie besitzt noch viele Kontakte, die sie sich zunutze macht, um Tito und Ruy bei ihrer Karriere als Musiker zu unterstützen. Durch ihre Hilfe schaffen sie es, eine Demo-CD aufzunehmen und die Planung für ihr erstes Konzert in Angriff zu nehmen. Doch all dies ist mit vielen Problemen verbunden, wie beispielsweise mit diversen Stromausfällen und fehlender oder defekter Technik aufgrund der extremen Mangelwirtschaft Kubas. Daher ist von den Protagonisten stets großer Erfindungsreichtum, Improvisationstalent und Flexibilität gefordert. Plattenvertrag und erste Zweifel Eines Tages tauchen zwei spanische Musikproduzenten in Havanna auf, Marta und Lorenzo, die auf Talentsuche sind. Ein Freund von Tito und Ruy, Robert, der bei einem Radiosender arbeitet, stellt sie ihnen vor. Die beiden Freunde hoffen auf einen Plattenvertrag, um endlich den Durchbruch in der Musikbranche zu schaffen und dadurch ein besseres Leben außerhalb Kubas führen zu können. Aus diesem Grund beginnen sie, die Spanier zu betreuen, indem sie ihnen ein Haus am Strand vermitteln, ihnen die Insel zeigen und die momentan wichtigsten Undergroundbands vorführen. Mit viel Fleiß und Engagement schaffen sie es tatsächlich: Ruy, Tito und dem Rest der Band wird ein Vertrag angeboten, der allerdings die Musiker eher ausbeutet, als dass sie von ihm profitieren könnten. Immerhin bekommen sie durch den Vertrag die Möglichkeit, Kuba zu verlassen, wenn dies auch mit dem Risiko behaftet ist, zu scheitern und nie wieder heimkehren zu können. Vor diesem Hintergrund plagen einige der Musiker, wie etwa Ruy, erste Zweifel. Der einzige Ausweg: Auswandern? Inzwischen bietet sich für Caridad ebenfalls die Chance, mit ihren Kindern auf illegalem Wege nach Miami zu ihrer Mutter auszuwandern. Über diese Pläne ist Ruy sehr beunruhigt, da eine solche Flucht politische, aber auch gesundheitliche Risiken birgt. Er möchte sicher gehen, dass Caridad die richtige Entscheidung getroffen hat und bemüht sich herauszufinden, wie genau diese Flucht organisiert sein wird. Da Caridads Entscheidung jedoch fest steht, bleibt Ruy nichts anderes übrig, als sie dieses eine Mal bei ihrem Vorhaben zu unterstützen. Seine eigene Zukunft wird dagegen immer unklarer, da er nicht dazu bereit ist, sich für einen unfairen Plattenvertrag zu verkaufen. Dadurch entsteht zwischen ihm und Tito ein heftiger Streit, denn letzterer möchte das Land um jeden Preis verlassen, allerdings nicht ohne seinen besten Freund. Vivir es elegir Am Ende entscheidet sich jeder für seinen eigenen Weg: Tito ergreift seine Chance und wandert aus, und Ruy wartet auf eine bessere Gelegenheit, seinen Traum wahr werden zu lassen, ganz nach dem Motto "Vivir es elegir". Jahr 2004; Kinopremiere 2005; DVD-Veröffentlichung 2006 Genre Drama Filmlänge Originalversion 119 Minuten; Deutsche Version 107 Minuten Regie Benito Zambrano Drehbuch Benito Zambrano, Ernesto Chao Produktion Antonio P. Pérez von Maestranza Films, Spanien Koproduktion Camilo Vives vom ICAIC, Kuba; Fabienne Vonier von Pyramide Productions, Frankreich Darsteller Ruy: Alberto Yoel García Tito: Roberto Sanmartín Caridad: Yailene Sierra Luz María: Zenia Marabal Marta: Marta Calvó Lorenzo: Roger Pera Musiker Filmeigene Band: Habana Blues; Weitere Interpreten: Free Hole Negro, Cuba Libre, Porno Para Ricardo, Escape, Tierra Verde und Anaís Abreu Drei Phasen des Verstehensprozesses In der Aufgabensammlung finden die drei Phasen des Verstehensprozesses der Lernenden (Erwartung, Rezeption, Reflexion) Berücksichtigung, indem sie in drei Teile eingeteilt wurden: Aktivitäten vor der Sichtung, während der Sichtung und nach der Sichtung des Films. Die Arbeit mit dem Film gliedert sich in drei Unterrichtsphasen: Die Aktivitäten vor der Sichtung des Films haben die Funktion, eine Erwartungshaltung bei den Schülerinnen und Schülern hervorzurufen. Diese weckt deren Motivation in Hinblick auf den kommenden Film. In der zweiten Phase, den Aktivitäten während der Sichtung des Films , bildet die Filmrezeption den Mittelpunkt der Arbeit. Diese Phase soll dafür sorgen, dass die Lernenden sich aktiv mit dem Gesehenen auseinandersetzen, um ein passives Rezeptionsverhalten zu verhindern. In der dritten Phase der Filmarbeit, bei den Aktivitäten nach der Sichtung des Films , wird das Gesehene reflektiert und ausgewertet. Lexikalische Vorentlastung Die Schülerinnen und Schüler sollen sich das spanische Vokabular zum Thema Film und Kino anschauen und Fragen zu ihren Interessen in Bezug auf dieses Thema beantworten. Solche Fragen können sein: ¿Cuáles son vuestras películas favoritas y por qué? ¿Cuál es la última película que hasbéis visto en el cine? Antizipation der Handlung Anhand des Filmplakats äußern die Lernenden Vermutungen über den Inhalt des Films. Gleichzeitig soll ihr Vorwissen über Kuba aktiviert und ihre Neugier auf den Film gesteigert werden. Die Beiträge werden an der Tafel oder per Computer und Beamer (in Form einer Mind-Map) gesammelt. Internetrecherche Die Schülerinnen und Schüler sammeln in kleinen Gruppen Informationen im Internet über Kuba als Reiseziel. Mit den Ergebnissen erstellen sie eine Wandzeitung oder eine Collage. Filmanalyse Die Schülerinnen und Schüler sollen zu zweit anhand der filmischen Gestaltungsmittel herausfinden, wer die Protagonisten dieses Films sein könnten, und ihre Vermutung begründen. Zudem analysieren sie die Funktion der Musik in dieser Sequenz. Text- und Bildinterpretation Anschließend schauen sich die Lernenden die Videoclips zu den Songs "Cuba Rebelión" (gibt es nur auf der DVD) und "Sedúceme" mit den Songtexten an. Sie lesen die Texte mit und arbeiten anhand der Bilder und Texte die verschiedenen dargestellten Seiten Kubas heraus. Mögliche Fragestellungen in diesem Kontext können sein: ¿Qué diferencias hay entre las dos canciones, cómo se expresan y qué podrían significar? Arbeitsmaterial 4: Hier finden Sie die entsprechenden Links zu den oben genannten Songs. Kreative Textproduktion In der Phase der kreativen Textproduktion arbeiten die Lernenden in Anlehnung an die Filmhandlung einen neuen, fairen Plattenvertrag für die Musiker aus. Dazu sehen sie sich die entsprechende Szene an. Hör- und Sehverstehen Die Schülerinnen und Schüler setzen sich zu zweit gegenüber, so dass eine Person das Fernsehgerät im Blick hat und die andere mit dem Rücken dazu sitzt. So kann ein Teil der Lernenden den Film sehen und hören, der andere Teil nur hören. Bei 01:42:40 wird der Film angehalten, damit die Schülerinnen und Schüler ihre Eindrücke und die ausgelösten Stimmungen austauschen können. Dann wird die Position gewechselt und der Film wieder angeschaltet. Nach Ende der Sequenz findet erneut ein mündlicher Austausch unter den Lernenden statt. Projektarbeit Die Schülerinnen und Schüler teilen sich in zwei große Gruppen auf: Innerhalb dieser Gruppen sollen sie in Zweierteams arbeiten. Je eine große Gruppe soll in den jeweiligen Zweiergruppen eine Interviewsituation simulieren und aufschreiben: die eine Seite mit Tito, der mittlerweile in Spanien lebt, und die andere Gruppe mit Ruy, der auf Kuba geblieben ist. Je eine Person innerhalb der Zweiergruppen übernimmt die Rolle des Interviewers und der andere die des Musikers. Die Interviews werden anschließend auf Band aufgenommen und später dem Kurs vorgespielt. Interkulturelles Lernen Innerhalb der nächsten Phase sollen sich die Lernenden Argumente für und gegen die Emigration von Kubanern überlegen und in einer Liste festhalten. Dabei sollen sie das Leben in Kuba mit dem Leben in anderen Ländern, wie Deutschland, Spanien oder den USA vergleichen und später gemeinsam diskutieren. Abschlussdiskussion Nun werden zwei konzentrische Stuhlkreise gebildet, wobei sich die Stühle gegenüber stehen. Auf je einem Stuhlpaar befindet sich eine provokante Aussage zu dem Film. Die Schülerinnen und Schüler teilen sich in zwei Gruppen auf und verteilen sich auf die Stühle. Diejenigen, die sich gegenüber sitzen, sollen eine kurze Diskussion über die jeweilige Aussage führen und ihre Meinungen dazu austauschen. Nach zwei Minuten rücken alle aus ihrer Position um einen Platz nach rechts. So erhalten sie einen neuen Diskussionspartner und eine neue provokante Aussage, über die sie reden sollen. Diese Übung wird so lange durchgeführt, bis alle wieder an ihrem ursprünglichen Platz angekommen sind. Filmbewertung Abschließend sollen die Schülerinnen und Schüler eine Filmkritik schreiben und dabei deutlich werden lassen, wie sie selbst den Film fanden.

  • Spanisch
  • Sekundarstufe II

Materialsammlung Biochemie

Unterrichtseinheit

Auf dieser Seite finden Sie Informationen, Anregungen und Arbeitsmaterial für den Unterricht zum Themenbereich Biochemie im Fach Biologie an weiterführenden Schulen. Das Angebot deckt die folgenden Themen ab: Proteine, Nukleinsäure, Fotosynthese und Nanotechnologie. Klicken Sie sich einfach mal durch! Das schöne in der Biologie ist der strenge Zusammenhang zwischen Struktur und Funktion von der Nano- bis zur Makroebene: Die Analyse dreidimensionaler Strukturen erweist sich stets als aufschlussreich und ist weit mehr als eine bloße "Bildbeschau". Franz Josef Scharfenberg vom Richard-Wagner-Gymnasium in Bayreuth hat die dreidimensionalen Ausarbeitungen von Eric Martz (University of Massachusetts, USA) zu unserem Blutfarbstoff für den Einsatz im deutschsprachigen Unterricht aufbereitet. Die dreidimensionale Darstellung der Proteinstrukturen, die mithilfe des kostenlosen Plugins Chime mit der Maus nach Belieben angefasst, gedreht und herangezoomt werden können, zeigen, was schon Thomas Mann wusste (woher eigentlich? - schließlich gelang das erste Beugungsbild eines Proteins Dorothy Hodgkin erst 1932): Proteine sind "unhaltbar verwickelt und unhaltbar kunstreich aufgebaute Eiweißmolekel" (aus "Der Zauberberg"). Es lohnt sich, einen genaueren Blick auf das Hämoglobin zu werfen. An diesem Beispiel lassen sich zahlreiche allgemeine Aspekte der Proteine und Enzyme herausarbeiten: Als oligomeres Protein bietet der Blutfarbstoff die Möglichkeit, alle Strukturhierarchien - von der Primär- bis zur Quartärstruktur - durchzuspielen. Von der Anordnung der Aminosäuren innerhalb der Untereinheiten - hydrophobe Aminosäureseitenketten an der Oberfläche, hydrophile im Inneren des Proteins - lässt sich leicht der Bogen zur thermodynamischen "driving force" des in der Primärstruktur kodierten Selbstfaltungsprozesses der Biopolymere schlagen. Hämoglobin ist zwar "nur" ein Transportprotein, seine in die Polypeptidketten eingebetteten Häm-Gruppen können jedoch - was die Architektur aktiver Zentren und die Modellierung ihrer katalytischen Aktivität betrifft - exemplarisch als prosthetische Gruppen der Enzyme betrachtet werden (schließlich wird Hämoglobin von Molekularbiologen gerne auch als "Enzym honoris causa" bezeichnet). Die auf dem Austausch einer einzigen Aminosäure basierende Sichelzellenanämie verdeutlicht stellvertretend für Erkrankungen wie Alzheimer oder BSE das Prinzip der auf Protein-Polymerisationen basierenden Erkrankungen. Das Startkapitel zeigt vier (zunehmend "abstrahierte") Darstellungsformen der Aminosäure Glycin. Diese "Struktursprachen" werden in den nachfolgenden Kapiteln wiederholt auf weitaus komplexere Strukturen angewendet. Das Glycin-Beispiel ist daher eine wichtige Einführung in die verschiedenen Darstellungsformen des gesamten Hämoglobin-Materials. Gezeigt werden die "ball and stick"-Projektion des Zwitterions (Vorsicht: Doppelbindungen werden nicht als solche dargestellt), eine raumfüllende Darstellung (Kalottenmodell; Abb. 1, Platzhalter bitte anklicken), die "stick"-Struktur sowie die "Aminosäure-Rückgrat"-Struktur (Hydroxylgruppe und Wasserstoffatome sind noch als "rudimentäre Stacheln" dargestellt). Wurden in dem vorausgegangenen Abschnitt die Darstellungsmöglichkeiten einer Aminosäure vorgestellt, werden diese hier auf ein Oligopeptid angewendet. Damit betritt man hier die Primärstruktur-Ebene. Als neue Darstellungsform wird schließlich das Polypeptidketten-Rückgrat vorgestellt (nicht zu verwechseln mit dem Aminosäure-Rückgrat). Zunächst wird die allgemeine Rückgrat-Struktur einer Aminosäure (ohne Seitenkette) dargestellt. Aus dieser Struktur wird das "allgemeingültige" Rückgrat eines Tripeptids aufgebaut. Die "anonymen" Einheiten werden durch Hinzufügen von Methylgruppen in ein Alanyl-alanin-alanin (Ala-Ala-Ala) umgewandelt. Um das ganze zunehmend komplexer zu machen, wird das Tripeptid in ein Lysyl-alanyl-alanin (Lys-Ala-Ala) und schließlich in ein Lysyl-alanyl-isoleucin (Lys-Ala-Ile) umgewandelt, bevor es zum Tetrapeptid ergänzt wird. Bis hierher folgen alle Darstellungen der "stick"-Struktur. Im Folgemodul haben die SchülerInnen die raumfüllende Darstellung des Tetrapeptids vor Augen (Abb. 2). Am Beispiel des Tetrapeptids wird nun verdeutlicht, wie die Biochemiker die Darstellung von Peptidketten abstrahieren, um bei der Strukturanalyse von Polypeptidketten aus mehreren Hundert Aminosäuren nicht "den Wald vor lauter Bäumen nicht mehr sehen zu können": In den beiden letzten Modulen wird daher die "Rückgrat"-Darstellung von Peptidketten eingeführt. Die erste Darstellung zeigt die Quartärstruktur des nativen Proteins mit farblich differenzierten Untereinheiten und den Häm-Komplexen (raumfüllende Darstellung, siehe Abb. 3). Das folgende Modul reduziert die Polypeptidketten auf ihr Rückgrat. Erst jetzt wird die Lage der Häm-Gruppen (raumfüllende Darstellung) klar erkennbar (und der Vorteil der diversen "Struktursprachen" deutlich). Lassen Sie Ihre SchülerInnen durch die Drehung des Moleküls den zentralen Hohlraum entdecken, in dem der Hämoglobin-Ligand 2,3-Diphosphoglycerat (DPG) bindet und dabei über eine Änderung der Quartärstruktur die Sauerstoff-Affinität des Hämoglobins senkt (DPG stabilisiert die Konformation der Desoxy-Form, indem es die beiden beta-Ketten über ionische Wechselwirkungen miteinander vernetzt). DPG wird vom Körper in Höhenlagen gebildet, wo ein niedriger Sauerstoff-Partialdruck herrscht, und erleichtert dort die Abgabe von Sauerstoff an das atmende Gewebe. Im den beiden Folgemodulen sind die Polypeptidketten komplett ausgeblendet. Das zweite der beiden Module stellt die Atomsorten der Hämgruppe farbkodiert dar. Die Lagebeziehungen der vier "freischwebenden" Häm-Gruppen verdeutlicht die tetraedrische Symmetrie (dreiseitige Pyramide) des Moleküls. Bei der Analyse der Symmetrie erweist sich wiederum das Anfassen und Drehen der Strukturen als hilfreich. Es folgt die vergrößerte Darstellung einer einzelnen Hämgruppe in raumfüllender Ansicht sowie eine Darstellung in der "stick"-Struktur, in der die Komplexbindung des zentralen Eisenatoms über die Stickstoffatome der Porphyrin-Struktur erkennbar wird. Die Besetzung der fünften Koordinationsstelle durch ein Histidin-Stickstoff der Polypeptidkette ist noch nicht berücksichtigt. An die sechste Koordinationsstelle wird nun molekularer Sauerstoff gebunden. Dabei ist deutlich erkennbar, dass die Achse des Sauerstoffmoleküls nicht senkrecht auf die Ebene des Porphyrin-Ringes ausgerichtet ist (Abb. 4; siehe auch Abb. 5 der Hintergrundinformation zu den Eigenschaften der prosthetischen Gruppe). Nun geht es wieder vom Kleinen zum Großen: Das oxygenierte Häm wird wieder in die Globin-Kette eingefügt, zunächst in eine Rückgrat-, dann in eine raumfüllende Darstellung. Die beiden letzten Darstellung zum Thema "Sauerstoffbindung" zeigen ein weiteres Details der Häm-Einbettung in das Globin und der Sauerstoffbindung: Die Positionierung hydrophiler Teile des Häms an der Oberfläche und die Ausrichtung hydrophober Bereiche zum Proteininneren. Weiterhin kommt die Besetzung der fünften Koordinationsstelle durch das sogenannte "proximale Histidin" sowie die Lage des "distalen Histidins" über dem gebundenen Sauerstoff zur Darstellung. Mehr zur Bedeutung des distalen Histidins liefert der folgende Fachliche Kommentar. Die Chime-Darstellungen heben einige Strukturmerkmale des Hämoglobins hervor, die sich zu den biochemischen Funktionen der Proteins sehr schön in Beziehung setzen lassen, auf die die vorgestellte Applikation jedoch nicht explizit hinweist. Auf der folgenden Seite finden Sie die wichtigsten Infos zu den Hämoglobin-Eigenschaften, die sich in diesen Strukturdetails abbilden: Die Proteinumgebung definiert die katalytischen Eigenschaften Warum benutzt die Natur nicht die "nackten" Hämgruppen für die Sauerstofflogistik, sondern wickelt sie in komplexe Poypeptidketten ein? Zum einen sind es die vielfältigen allosterischen Wechselwirkungen der Globine mit diversen Liganden, über die die Eigenschaften der Sauerstoffbindung durch das Häm sinnreich modelliert und den jeweiligen biologischen Erfordernissen perfekt angepasst werden - von der DPG-Bindung (siehe oben) bis hin zur Kooperativität der Sauerstoffbindung an die vier Untereinheiten des Hämoglobins. Die wichtigsten dieser "Stellschrauben" werden in Schulbüchern ausreichend thematisiert. Unberücksichtigt bleibt jedoch meist ein viel allgemeineres und enorm wichtiges Grundprinzip der Molekularbiologie und Biochemie: Die katalytischen Eigenschaften jeder prosthetischen Gruppe und jeden aktiven Zentrums werden maßgeblich von der Proteinumgebung geprägt, in die sie eingebettet sind. Man vergegenwärtige sich, dass das Häm, das im Hämoglobin zur reversiblen Sauerstoffbindung eingesetzt wird, im Atmungskettenenzym Cytochrom c als Elektronenüberträger verwendet wird! Wie die Globinkette die speziellen Bindungseigenschaften des Häms beeinflusst, wird nachfolgend an zwei Struktureigenschaften hervorgehoben, die in den Chime-Darstellungen sehr gut deutlich werden. Erst das Globin gewährleistet eine reversible Häm-Oxygenierung Frei lösliche Hämgruppen mit einem komplexierten zweiwertigem Eisen-Ion könnten Sauerstoff nur für einen sehr kurzen Moment binden. Der Sauerstoff würde das zweiwertige Eisen schnell zu dreiwertigem Eisen oxidieren, das keinen Sauerstoff mehr binden kann. Ein Zwischenprodukt dieser Oxidation ist ein "Häm-Sauerstoff-Häm-Sandwich". Die Polypeptid-"Verpackung" der Hämgruppen verhindert dies und gewährleistet damit die Verwendbarkeit der Hämgruppen als Sauerstofftransporteure im Blut. Das letzte Modul zum Thema "Hämoglobin & Häm" verdeutlicht die Lage des Häms in seiner Bindungstasche, die die Bildung von Häm-Dimeren ausschließt. Kohlenmonoxid hat eine hohe Häm-Affinität Kohlenmonoxid ist für uns ein toxisches Gas, weil es die Sauerstoffbindungsstellen des Hämoglobins vergiftet: Seine Affinität zum Hämoglobin-Eisen übertrifft die des Sauerstoffs um das 200-fache. Aus diesem Grund kann schon ein niedriger Kohlenmonoxid-Partialdruck tödliche Folgen haben. Am "nackten" Häm sähe der Vergleich noch ungünstiger aus: Zu diesem hat Kohlenmonoxid eine 25.000 mal höhere Affinität als Sauerstoff. Eine Eigenschaft, die das Pigment als Sauerstoffträger völlig unbrauchbar machen würde, denn Kohlenmonoxid ist nicht nur ein Industriebgas, sondern wird auch vom Organismus selbst erzeugt (es entsteht bei diversen katabolen Stoffwechselreakrtionen und dient auch als Botenstoff, zum Beispiel als bei der Regulation der glatten Gefäßmuskulatur). Unter normalen Umständen ist etwa ein Prozent unseres Hämoglobins mit endogen produziertem Kohlenmonoxid blockiert. Sterische Hinderung der Kohlenmonoxid-Bindung Ohne die Reduktion der Kohlenmonoxid-Affinität um das 125-fache könnte wir mit unserem Blutfarbstoff kaum leben. Aber wie schafft die Polpeptidkette dieses Kunststück? Die Natur greift an der Geometrie der Komplexierung von Sauerstoff und Kohlenmonoxid an. Während die Achse des Sauerstoffmoleküls bei der Bindung an das Eisenatom einen 120 Grad-Winkel zur Häm-Ebene bildet, steht die Achse des Kohlenmonoxid-Moleküls - bei freiem Zugang zum Häm - exakt senkrecht auf dessen Ebene. Diesen optimalen Bindungswinkel verbaut die Polypeptidkette dem Kohlenmonoxid, indem es ihm in der Häm-Bindungstasche des Globins einen sperrigen Histidin-Rest in den Weg stellt (sterische Hinderung), der den Sauerstoff nicht weiter stört. Die Position des distalen Histidins wird in dem vorletzten Modul zum Thema "Hämoglobin & Häm" sehr schön deutlich (Abb. 5). Im unteren Bereich des Bildausschnitts ist das proximale Histidin zu erkennen. Das freie Elektronenpaar des Stickstoffatoms im Histidinring besetzt eine der Koordinationsstellen des Eisenions. Die Darstellungen zum Thema "Sekundärstrukturen" stellen die Architektur der alpha-Helix in den Mittelpunkt. Die Darstellung ihrer Wechselwirkungen beschränkt sich auf die intrahelikalen Wasserstoffbrücken, die der Helix ihre Stabilität verleihen. Einzelne Darstellungen bereiten bereits das nächste Thema "Wechselwirkungen der alpha-Helix" vor, das die Interaktionen der Seitengruppen mit der wässerigen Umgebung und dem hydrophoben Proteinkern aufbereitet. Das erste Modul zeigt die Rückgrat-Struktur einer Globinkette (Tertiärstruktur) mit oxygeniertem Häm. Die alpha-helikalen Strukturabschnitte, die den Großteil des Moleküls bilden, sind farblich hervor gehoben (Abb. 6). Es folgt eine Farbvariante der ersten Darstellung ("Regenbogen-Färbung"). Die nächste Abbildung stellt eine neue "Struktursprache" der Biochemiker vor: alpha-helikale Bereiche werden von der Rückgrat-Struktur "luftschlangenartig" hervorgehoben. Diese Darstellungsform ist bei Molekularbiologen sehr beliebt, da sie bei der Analyse von Proteinstrukturen - unter anderem bei der Identifizierung von Domänen - sehr hilfreich ist. Zudem lassen sich anhand wiederholt auftretender "Sekundärstrukturmotive" Homologien und Analogien der Proteinevolution analysieren. Eine der alpha-Helices wird in ihrem Tertiärstrukturkontext (komplette räumliche Struktur einer Polypeptidkette) hervorgehoben. Dieser Kontext ist für die weitere Betrachtung wichtig (siehe "Wechselwirkungen der alpha-Helix"), da man an ihm erkennt, dass sich diese Helix an der Oberfläche des Globins befindet und sowohl mit dem wässerigen Milieu als auch mit dem Proteininneren Kontakt hat. Die Tertiärstrukturebene wird nun verlassen und auf die individuelle alpha-Helix (Sekundärstruktur) heruntergezoomt. Diese Helix wird nun in zwei andere Struktursprachen übersetzt. Zunächst in die Rückgrat-Darstellung der Polypeptidkette und schließlich in die "stick"-Darstellung ihrer Aminosäurebausteine. Das Folgemodul lässt die "driving force" der alpha-Helix-Struktur erkennen: Alle hydrophilen Teile des Polypeptid-Rückgrats (die Carbonyl-Sauerstoffatome und die Wasserstoffatome des Peptidbindungs-Stickstoff) bilden Wasserstoffbrücken miteinander. Diese vielen schwachen Wechselwirkungen verleihen der Helix ihre Stabilität. Die "Sättigung" der hydrophilen Rückgratbereiche mit hydrophilen Wechselwirkungen prädestiniert die Helix zu einem in hydrophoben Umgebungen oft verwendeten Strukturmotiv, sei es im hydrophoben Kern von Proteinen (siehe Hydrophobizität, Polarität & Ladungen") oder in Membranprotein-Abschnitten, die der Lipidphase ausgesetzt sind. Die nächste Darstellung macht deutlich, dass die Seitenketten der Aminosäuren einer Helix wie die Stufen einer Wendeltreppe immer nach außen zeigen. Besonders deutlich wird dieses wichtige Strukturprinzip, wenn man die Helix in eine Position bringt, in der man in Richtung ihrer Längsachse blickt. Während sich die Darstellungen zum Thema "Sekundärstrukturen" vor allem mit dem allgemeinen Architekturprinzip der alpha-Helix und den intrahelikalen Wasserstoffbrücken beschäftigten, veranschaulichen die Module dieses Abschnitts die Wechselwirkungen der helikalen Aminosäurereste mit dem hydrophilen Medium und dem hydrophoben Proteinkern. Die erste Darstellung zeigt das raumfüllende Kalottenmodell eines "Grenzflächenhelix"-Abschnitts. Farblich hervorgehoben sind die Stickstoff- und Sauerstoffatome der Seitengruppen und des Rückgrats. Beim Drehen und Wenden der Helix ist zu erkennen, dass es sich um eine "amphiphile Helix" handelt, d.h., dass auf einer Seite hydrophobe Reste, auf der anderen dagegen hydrophile Reste (erkennbar an den Heteroatomen) aus der Achse hervorragen. Diese Eigenschaft spiegelt die Anpassung der Aminosäuresequenz (Primärstruktur) an ihre räumliche Position im Tertiärstrukturkontext wider: Die hydrophobe Seite der Helix geht mit dem hydrophoben Proteinkern hydrophobe (van-der-Waals-)Wechselwirkungen ein und stabilisiert so die Tertiärstruktur des Proteins. Die hydrophile Seite bildet dagegen Wasserstoffbrücken mit den Wassermolekülen der Umgebung. Dieses Hydratwasser trägt dazu bei, das Protein in Lösung zu halten. Deutlicher wird dieses Prinzip in der zweiten Darstellung, die die Heteroatome des Rückgrats ausblendet. Die beiden folgenden Module zeigen dieselbe Darstellung, nur bereits entsprechend den jeweiligen Textinformationen räumlich ausgerichtet. So zeigt zum Beispiel der Blick entlang der Helixachse noch einmal deutlich deren amphipatischen Charakter (Abb. 7): Sämtliche Heteroatome der Seitenketten befinden sich in dieser Ansicht auf der rechten Seite. Die Chime-Darstellungen analysieren die Wechselwirkungen eines Globin-Molekül mit der Umgebung. Die "take home message" diese Abschnittes bildet das allgemeine Strukturprinzip löslicher Proteine: Innen hydrophob (Stabilisierung der Tertiärstruktur über van-der-Waals-Wechselwirkungen), außen hydrophil (Bindung von Hydratwasser über Wasserstoffbrücken). Die erste Darstellung zeigt die farbkodierte Verteilung hydrophober, polarer und geladener Aminosäuren auf der Globin-Oberfläche sowie die Sauerstoffatome von einem Teil des Hydratwassers. Beim Drehen des Proteins treten hydrophile und hydrophobe Oberflächenabschnitte deutlich hervor. Während die hydrophilen Bereiche mit dem Lösungsmittel Wasserstoffbrücken bilden und das Protein in Lösung halten, stabilisieren die hydrophoben Bereiche über hydrophobe Protein-Protein-Wechselwirkungen zwischen den vier Globinen eines Hämoglobin-Moleküls dessen Quartärstruktur (native Struktur eines aus mehreren Proteinuntereinheiten aufgebauten Proteinkomplexes). Der folgende Schnitt macht die Anatomie des Globins - stellvertretend für alle löslichen Proteine - deutlich. Während der Kern durch die Wechselwirkungen hydrophober Seitengruppen stabilisiert wird, ist die dem Medium ausgesetzte Oberfläche mit hydrophilen Resten gespickt. Dieses Strukturprinzip wir mithilfe von weiteren Schnittebenen verdeutlicht, die zunächst immer tiefer in das (hydrophobe) Proteininnere vordringen, um sich danach wieder seiner (hydrophilen) Oberfläche nähern (Abb. 8). Wie falten sich Proteine? Die Analyse der Strukturdarstellungen des Globins bietet sich als Ansatzpunkt für weiterführende Fragen zur Proteinstruktur an: Wie finden die linearen Aminosäureketten im lebenden Plasma ihre komplexe dreidimensionale Struktur? Und warum findet dieser Prozess in Zellen mit so hoher Effizienz, im Reagenzglas aber nur mit sehr niedrigen Ausbeuten statt? Vorhersage von Proteinstrukturen Vom Architekturprinzip der "Packung" einer Polypeptidkette lässt sich leicht der Bogen zur "driving force" ihrer Selbstfaltung schlagen. Der Selbsfaltungsprozess einer Polypeptidkette in ihre native dreidimensionale Struktur wird von ihrer Primärstruktur - also der linearen Abfolge ihrer Aminosäuresequenz - definiert. Dieser Strukturcode ist von Molekularbiologen bis heute noch nicht soweit entschlüsselt worden, dass anhand jeder Sequenz exakte Strukturvorhersagen getroffen werden können (falls das überhaupt möglich ist). In einigen Fällen lassen sich jedoch schon ganz passable Wahrscheinlichkeiten berechnen. All diese Vorhersagen basieren auf einer Bestimmung der thermodynamisch günstigsten Faltung. Das ist zum Beispiel bei einem löslichen Protein (wie vom Globin-Typ) diejenige, die über eine große Anzahl hydrophober Wechselwirkungen im Inneren und hydrophiler Wechselwirkungsmöglichkeiten an der Oberfläche verfügt. Eine gigantische Rechenaufgabe, da im Prinzip die Interaktion eines jeden Aminosäurerestes mit jedem anderen Rest analysiert werden müsste. Die Forscher schränken den Rechenaufwand jedoch erheblich ein, indem zunächst Sekundärstruktur-Wahrscheinlichkeiten analysiert werden. Auch Sequenz-Vergleiche mit Proteinen, deren Struktur bereits durch Röntgenstrukturanalysen eindeutig geklärt ist, erweisen sich als hilfreich: Die Natur verwendet nämlich beim Proteindesign sehr gerne bewährte Proteindomänen (das heißt durch Sekundärstrukturen stabilisierte globuläre Proteinabschnitte, die meist von einem Exon kodiert werden) immer wieder. Aus einem begrenzten Domänen-Repertoire hat die Natur so im Laufe der Evolution eine Vielzahl verschiedener Proteine mit vielfältigen Funktionen "zusammengepuzzelt". "Assisted Self Assembly" Das auf den bekannten Renaturierungsversuchen von Anfinsen basierende Dogma von der "Selbstfaltung" der Proteine ist seit der Entdeckung der Rolle der "Chaperone" nicht gerade ins Wanken geraten, musste jedoch vom "Self Assembly" zum "Assisted Self Assembly" modifiziert werden. Schnell hatte man erkannt, dass die in vitro beobachteten Selbsfaltungsraten viel zu niedrig sind, um eine Zelle funktionstüchtig zu halten. Zahlreiche Proteine zeigen im Reagenzglas sogar überhaupt keine Neigung, nach einer sanften Denaturierung in ihre native Struktur zurück zu finden. Der Grund dafür ist, dass jede Zelle über ein ganzes Arsenal von Chaperonen verfügt - "molekularen Anstandsdamen" - die mittlerweile auch Einzug in die Schulbuchliteratur gehalten haben. Diese Anstandsdamen (die selbst Proteine sind) erkennen "unordentlich" gefaltete Polypeptidketten, die noch keine stabilen Sekundärstrukturen oder noch keine stabile Tertiärstruktur gefunden haben. Als Symptome solcher unvollständigen oder Fehlfaltungen "fahnden" die Chaperone nach hydrophoben Resten, die an der Oberfläche falsch gefalteter Polypeptidketten exponiert werden. Chaperone entfalten diese unbrauchbaren Gebilde unter Energieverbrauch und verhelfen Ihnen somit zu einer neuen Chance, sich richtig zu falten. Sie "bugsieren" damit den Faltungsweg der Polypeptidketten sicher in die Richtung der thermodynamisch günstigsten Konformation, die in der Regel der nativen Proteinstruktur entspricht. Ursache der Sichelzellenanämie ist der Austausch eines einzigen Nukleotids im beta-Hämoglobinketten-Gen, wodurch die hydrophile Aminosäure Glutamat gegen die hydropobe Aminosäure Valin ersetzt wird. Mit fatalen Folgen: Der ausgetauschte Glutamatrest befindet sich nämlich an der Oberfläche des Proteins. Die Exposition des hydrophoben Restes setzt die Löslichkeit de Proteins vor allem im desoxygenierten Zustand stark herab und kann so die Polymerisation des Hämoglobins zu langen und unlöslichen Filamenten auslösen. Die erste Darstellung zeigt die Position des Valins auf der Oberfläche des oxygenierten Sichelzellen-Hämoglobins. Der so erzeugte "hydrophobe Fleck" ist weiß hervorgehoben. Die Desoxygenierung des Moleküls ist mit einer Konformationsänderung der Quartärstruktur verbunden, die einen zusätzlichen hydrophoben Bereich an die Oberfläche befördert (Abb. 9). Dieser ist auch beim "normalen" Hämoglobin vorhanden, wo er keinen negativen Effekt zeigt. Im Verbund mit dem neu hinzu gekommenen Valin-Rest verleiht er dem Molekül jedoch das Potenzial zur Polymerisation, sobald die Desoxy-Form eine kritische Konzentration überschreitet. Das nächste Modul zeigt den ersten Schritt der Polymerisation, die Dimerisierung zweier Moleküle über hydrophobe Wechselwirkungen (Abb. 10). Die an der Polymerisation beteiligten hydrophoben Reste und ihre Wechselwirkung wird erst dann deutlich, wenn die raumfüllende Darstellung durch die Rückgrate der Polypetidketten ersetzt wird. Die letzte Chime-Projektion zeigt eine Vergrößerung der Kontaktstellen. Die für die Sichelzellenanämie charakteristischen sichelförmigen Erythrozyten sind fragiler als ihre "Wildtyp"-Pendants, was die anämische Symptomatik verursacht. Die exponierten hydrophoben Reste wirken wie "hydrophile Lego-Noppen" oder "sticky patches", über die die Proteine zu langen Filamenten polymerisieren und so den Erythrocyten eine sichelförmige Gestalt aufzwingen. Die Sichelzellen sind im Gegensatz zu den geschmeidig-biegsamen normalen Erythrozyten nicht mehr deformierbar und verstopfen unter Sauerstoffmangelbedingungen (Höhenaufhalte, Flugreisen, Narkosen) zunächst kleine und schließlich größere Gefäße, was dann lebensbedrohliche Komplikationen verursacht. Im homozygoten Zustand führte die Krankheit noch vor kurzem im frühen Kindesalter zum Tode. Heterozygote zeigen eine deutlich abgeschwächte Symptomatik. Die Krankheit kommt fast nur bei Afrikanern vor, die aus zentralafrikanischen Regionen mit hohen Malariavorkommen stammen. In einigen Regionen tragen fast 40 Prozent der dortigen Bevölkerung das "defekte" Gen. Die Ursache dafür liegt darin, dass das Sichelzellen-Hämoglobin den Malaria-Erregern Schwierigkeiten bereitet: Heterozygote sind gegen den Malaria-Erreger besser geschützt und haben daher gegenüber den homozygot "Gesunden" einen Selektionsvorteil. Dies zeigt deutlich, wie schmal der Grat zwischen "gesund" und "krank", "nützlich" und "schädlich", sein kann und wie wichtig die genetische Vielfalt des Genpools einer Spezies für dessen Überleben ist: Genetische "Randgruppen" können an bestimmten Orten - oder zu bestimmten Zeiten! - für das Überleben der Art eine unvorhersehbare Bedeutung erlangen. Um die Moleküle der Applikation im Browser interaktiv betrachten zu können, muss der kostenlose Molekülbetrachter Chime der Firma Symyx installiert werden. Wenn dies erfolgt ist, "berühren" sie die Moleküle mit dem Mauszeiger. Wenn Sie die Maus dann bei gedrückter linker Taste bewegen, können Sie die Moleküle beliebig drehen und wenden und so von allen Blickwinkeln aus untersuchen. Um die Entfernung zum Objekt zu ändern, müssen Sie die Shift-Taste (Hochstell-Taste) gleichzeitig mit der linken Maustaste drücken. Dann kann mittels "Vor- und Zurückbewegungen" der Maus der Abstand zum Objekt variiert werden. Wenn Sie den Mauszeiger in einem Molekülfenster platzieren und mit der rechten Taste klicken, erscheint das Chime-Menü mit weiteren Funktionen. Hier können Sie zum Beispiel die Rotation der Moleküle ausschalten. Durch das Anklicken von Buttons der Hämoglobin-Lernumgebung werden die verschiedenen 3D-Darstellungen aufgerufen. Wenn Sie ein Bild bereits geladen haben und dann einen anderen Button anklicken, kann es zu Fehlern kommen. Zwar wird dann das gewünschte Molekül gezeigt, seine Darstellung entspricht dann jedoch nicht der eigentlich vorgesehen "Struktursprache". So kann zum Beispiel eine Polypeptidkette als "stick"-Struktur visualisiert werden, während die Programmierung an dieser Stelle eigentlich die Darstellung eines farbkodierten Kalottenmodells vorgesehen hat. Wenn dies passiert (oder Sie den Verdacht haben, dass dem so ist), können Sie die Seite in einem neuen Browserfenster öffnen und die gewünschte Abbildung neu laden. Alternativ kann es auch helfen, zunächst über den "Zurück-Button" des Browsers zur Übersichtseite der Hämoglobinseite zu gehen und die gewünschte Applikation erneut anzusteuern. Dynamische Arbeitsblätter sind digitale Unterrichtsmaterialien, die neben Informationstexten, Aufgabenstellungen und Abbildungen dynamische Elemente beinhalten. Mehrere Arbeitsblätter können zu Lernumgebungen zusammengefügt werden. Die hier vorgestellte Lernumgebung enthält dreidimensionale Moleküldarstellungen, die es Schülerinnen und Schülern ermöglichen, sich die Struktur und Funktion des Enzyms ATP-Synthase aktiv zu erschließen. Verschiedene Strukturelemente können ein- und ausgeblendet, die Moleküle beliebig gedreht und gewendet werden. Technische Grundlage der 3D-Moleküle ist der kostenfrei nutzbare Molekülbetrachter Jmol. Zudem enthält die Lernumgebung flash-basierte Animationen und Videos, die die ATP-Synthase aus ihrem "Black-Box-Dasein" im Unterricht herausholen sollen. Interaktive 3D-Moleküle eröffnen neue Wege des Lehrens und Lernens. Sie erlauben Visualisierungen, die mit traditionellen Materialien nicht realisierbar sind. Mit der Maus können Moleküle bewegt sowie bestimmte Strukturelemente hervorgehoben oder ausgeblendet werden. Die Schülerinnen und Schüler sollen die ATP-Synthase als Beispiel eines Enzyms kennen lernen. den Aufbau der ATP-Synthase kennen lernen. ausgehend von dem molekularen Aufbau die Funktion der ATP-Synthase forschend-entdeckend erschließen. die Möglichkeiten des Molekülbetrachters Jmol kennen und den Umgang mit dem Werkzeug lernen. am Beispiel der ATP-Synthase den Zusammenhang zwischen Struktur und Funktion eines Enzyms beschreiben. Thema ATP-Synthase - Synthese von Energieäquivalenten Autor Dr. Matthias Nolte, Dr. Thomas Engel, Dr. André Diesel, Florian Thierfeldt Fach Biologie, Chemie Zielgruppe Jahrgangsstufe 11 Zeitraum 2 Stunden Technische Voraussetzungen Computer in ausreichender Anzahl (Einzel- oder Partnerarbeit) oder Präsentationsrechner mit Beamer; Browser mit Java-Unterstützung, Java Runtime Environment (kostenloser Download), Flash-Player , Quicktime-Player Struktur-Funktions-Beziehungen werden durch die detaillierte und schrittweise Untersuchung von 3D-Modellen der ATP-Synthase begreifbar. Die Lernenden arbeiten im Computerraum selbstständig in Partner- oder Einzelarbeit. Die Lehrperson hat dabei eine unterstützende Funktion. Alternativ können die Darstellungen der Lernumgebung zur Unterstützung des Unterrichtsgesprächs auch per Beamer im Fachraum projiziert werden. Vorbemerkungen und technische Hinweise Welche Vorteile bieten dynamische 3D-Moleküle im Allgemeinen und insbesondere bei der Untersuchung von Proteinstrukturen und -Funktionen? Welche kostenfreien Plugins werden für den Einsatz der Lernumgebung benötigt? Das Konzept der Lernumgebung Vorgegebene Beobachtungsaufgaben dienen als ?Leitplanken? bei der selbstständigen Entdeckungsreise in die Welt der Moleküle. ?Informations-Popups? und "Expertenaufgaben" ermöglichen eine Binnendifferenzierung. Unterrichtsverlauf und Inhalte der Lernumgebung Nach dem Impuls durch eine Animation erarbeiten die Lernenden Struktur und Funktion der ATP-Synthase weitgehend selbstständig. Die Diskussion offener Fragen zur ATP-Synthase und zur Bedeutung von Modellen bildet den Abschluss. Dr. Thomas Engel studierte Chemie sowie Lehramt Chemie und Biologie. Seit 2007 ist er Studiengangskoordinator Chemie und Biochemie an der LMU München. Er war an der Konzeption der Lernumgebung beteiligt, programmierte die Moleküle und die HTML-Seiten. (debug link record:lo_unit_subpage:tx_locore_domain_model_unitsubpages:457078) Hier können Sie Kontakt mit Herrn Dr. Engel aufnehmen. Zudem finden Sie hier eine Liste mit weiteren Lehrer-Online-Beiträgen des Autors. Dr. André Diesel ist Diplom-Biologe. Er war an der Konzeption der Lernumgebung beteiligt und entwickelte die schematischen Abbildungen der Lernumgebung. (debug link record:lo_unit_subpage:tx_locore_domain_model_unitsubpages:700245) Hier können Sie Kontakt mit Herrn Dr. Diesel aufnehmen. Zudem finden Sie hier eine Liste mit weiteren Lehrer-Online-Beiträgen des Autors. Florian Thierfeldt ist Lehrer für Biologie und Geographie (Gymnasium). Er war an der Konzeption der Lernumgebung beteiligt und erstellte die Flash-Animation zur Rotation des F0-Komplexes. Weitere Materialien und Anregungen zum Unterricht finden Sie auch auf seiner Homepage www.scientific-beginner.de . (debug link record:lo_unit_subpage:tx_locore_domain_model_unitsubpages:450955) Hier können Sie Kontakt mit Herrn Thierfeldt aufnehmen. Zudem finden Sie hier eine Liste mit weiteren Lehrer-Online-Beiträgen des Autors. Die Schülerinnen und Schüler sollen am Beispiel des Insulins den Zusammenhang zwischen der in einer Proteindatenbank gespeicherten Datei und der Umsetzung als Proteinmodell im Computer verstehen. eine Sequenz aus einer Datenbank abrufen können. mit einem einfachen Visualisierungsprogramm wie RasMol umgehen können. die Vor- und Nachteile verschiedener Darstellungsarten (Kugelstabmodell, Proteinrückgrat und raumfüllendes Kalottenmodell) erkennen und diese mithilfe eines Programms umsetzen können. grundlegendes Wissen über den 3D-Aufbau (die Tertiär- und Quartärstruktur) von Proteinen erarbeiten. Struktur-Funktionsbeziehungen begreifen und erklären können. Methoden zur Strukturaufklärung von Proteinen verstehen und wiedergeben können. Thema Proteinmodelle aus dem Internet - Beispiel Insulin Autorin Prof. Dr. Susanne Bickel Fächer Biologie, Chemie Zielgruppe Jahrgangsstufe 12/13 Zeitraum etwa 6 Stunden mit abschließender Präsentation Technische Voraussetzungen Rechner mit Internetzugang in ausreichender Zahl (Partner- oder Kleingruppenarbeit), (debug link record:lo_unit_subpage:tx_locore_domain_model_unitsubpages:458232) (kostenloser Download aus dem Internet) Planung (debug link record:lo_unit_subpage:tx_locore_domain_model_unitpopup:463298) Die Fotosynthese ist einer der bedeutungsvollsten biologischen Prozesse auf der Erde. Grüne Pflanzen wandeln Lichtenergie in chemische Energie um und speichern sie in Form energiereicher Moleküle. Diese werden dann in weiteren Stoffwechselprozessen als Energielieferanten für die Synthese von Kohlenhydraten aus den energiearmen Stoffen Kohlenstoffdioxid und Wasser verwendet. In diesem Prozess wird der für viele Lebewesen notwendige molekulare Sauerstoff gebildet. Die Fotosynthese gliedert sich somit in eine Lichtreaktion (Absorption von Lichtenergie, deren chemische Fixierung und Sauerstoffbildung) und in die lichtunabhängige Dunkelreaktion (Synthese von Glukose aus Kohlenstoffdioxid und Wasser). Die Schülerinnen und Schüler sollen die Teilreaktionen der Lichtreaktion mithilfe der Animation kennenlernen und protokollieren. die an der Reaktion beteiligten Biomoleküle und ihre Lokalisierung - innerhalb oder außerhalb der Thylakoidmembran - kennenlernen. Zusammenhänge formulieren (Kopplung der Fotosysteme) und eine Gesamtbilanz der Reaktion aufstellen. Thema Die Lichtreaktion der Fotosynthese Autor Dr. Ralf-Peter Schmitz Fach Biologie Zielgruppe Sekundarstufe II Zeitraum 1-2 Stunden für die selbstständige Erarbeitung (Einzel- oder Partnerarbeit); flexibel beim Einsatz zur Unterstützung des Unterrichtsgesprächs Technische Voraussetzungen Präsentationsrechner mit Beamer und/oder Computerarbeitsplätze in ausreichender Anzahl (Einzel- oder Partnerarbeit), Flash-Player (ab Version 8, kostenloser Download) Die Lernenden nutzen die Flash-Animation im Computerraum der Schule in Einzel- oder Partnerarbeit oder auch am heimischen Rechner (Hausaufgabe, Wiederholung). Ihre Ergebnisse können sie den Mitschülerinnen und Mitschülern im Rahmen eines kleinen Vortrags vorstellen. Den Ablauf der Lichtreaktion beschreiben sie dabei mithilfe der per Beamer projizierten Animation. Alternativ zur Nutzung der Animation im Computerraum kann sie nach einem zunächst "computerfreien" Unterricht der Lehrkraft auch dazu dienen, die Lichtreaktion zusammenzufassen und das Unterrichtsgespräch im Fachraum zu unterstützen. Inhalte und Funktionen der Animation Die Teilschritte der Lichtreaktion werden visualisiert. Arbeitsaufträge und Hintergrundinformationen ermöglichen eine selbstständige Erarbeitung des Themas. Die Schülerinnen und Schüler sollen grundlegendes Wissen über den 3D-Aufbau der Rotationsmaschine ATP-Synthase erwerben (Tertiär und Quartärstruktur). prinzipielle Struktur-Funktionsbeziehungen begreifen und erklären können. die wichtigsten Mechanismen der Zelle, chemische Energie in Bewegung umzuwandeln, kennen lernen. Proteinkomplexe in ihrer Eigenschaft als Motoren begreifen. Anwendungsmöglichkeiten für Nanomotoren kennen lernen und selber Ideen entwickeln. die Natur als Vorbild für technische Umsetzungen begreifen und dadurch ein Grundverständnis für die Bionik entwickeln. Utopien und unwissenschaftliche Presseberichte analysieren und auf ihren sachlichen Gehalt reduzieren lernen. Thema Nanomotoren in Natur und Technik Autorin Prof. Dr. Susanne Bickel Fach Biologie Zielgruppe Sek II, Leistungskurs, Projektunterricht zur Biotechnologie Zeitraum 4-5 Stunden Technische Voraussetzungen Rechner mit der Möglichkeit, Filme abzuspielen (zum Beispiel RealPlayer oder Quicktime Player , kostenlose Downloads), in ausreichender Anzahl (Partnerarbeit, Kleingruppen) Planung Nanomotoren in Natur und Technik

  • Biologie / Ernährung und Gesundheit / Natur und Umwelt
  • Sekundarstufe I, Sekundarstufe II
ANZEIGE