Unterrichtsmaterialien zum Thema "3D-Moleküle"

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7 Treffer zu "3D-Moleküle"
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Interaktive 3D-Moleküle – ChemSketch, Chime, RasMol

Unterrichtseinheit

Mithilfe des Computers lassen sich überraschend einfach dreidimensionale Molekülmodelle generieren, die nicht nur als bloße „eyecatcher“ beeindrucken, sondern Strukturen und Eigenschaften der Teilchen interaktiv "begreifbar" machen.Die computergestützte dreidimensionale Darstellung von Molekülen bietet zahlreiche Vorteile gegenüber den herkömmlichen Molekülbaukästen. Die zur Erstellung der Moleküle empfehlenswerte ChemSketch-Software verfügt über eine beachtliche chemische Intelligenz. So weist das Programm zum Beispiel auf konstruierte Strukturfehler an den Teilchen hin. Ein weiterer Vorteil: Die Software ist nicht so zerstöranfällig wie die zum Teil antiquierten Molekülbaukästen der Chemiesammlungen und zudem bequem von zu Hause aus nutzbar. LehrerInnen, SchülerInnen und allgemein an der Chemie Interessierte können am Computer eigene Moleküle entwerfen, bequem auf Datenträgern konservieren und in Arbeitsblätter oder Präsentationen einbinden. Vorbereitung des Projektes Links und Materialien zur Einführung in die Arbeit mit ChemSketch, Chime und RasMol. Bauanleitung für Glycerin Beschreibung der Konstruktion eines Glycerinmoleküls mit der ChemSketch-Software. Programmierung der Glycerin-Webseite Tutorial zur Erstellung der Internetseite mit frei zu gestaltenden Interaktionen am Glycerinmolekül mithilfe von RasMol-Befehlen. Die Schülerinnen und Schüler sollen Stärke und Art chemischer Bindungen erkennen. die sterische Anordnung von Bindungspartnern untersuchen (Schulung des räumlichen Denkens). die Zusammenhänge zwischen der molekularen Struktur und dem Bindungsverhalten sowie den Eigenschaften der Stoffe erkennen. Mehr als ein virtueller Molekülbaukasten Die computergestützte dreidimensionale Darstellung von Molekülen bietet zahlreiche Vorteile gegenüber den herkömmlichen Molekülbaukästen. Die zur Erstellung der Moleküle empfehlenswerte ChemSketch-Software verfügt über eine beachtliche chemische Intelligenz. So weist das Programm zum Beispiel auf konstruierte Strukturfehler an den Teilchen hin. Ein weiterer Vorteil: Die Software ist nicht so zerstöranfällig wie die zum Teil antiquierten Molekülbaukästen der Chemiesammlungen und zudem bequem von zu Hause aus nutzbar. LehrerInnen, SchülerInnen und allgemein an der Chemie Interessierte können am Computer eigene Moleküle entwerfen, bequem auf Datenträgern konservieren und in Arbeitsblätter oder Präsentationen einbinden. Ein kurzer Weg zur eigenen Molekülwebsite Das ist aber noch nicht alles: Die Scriptsprache RasMol ermöglicht es, die Moleküle in eigene Webseiten einzubauen und dort deren Eigenschaften - zum Beispiel Bindungswinkel, Bindungslängen und Polarität - per rechten Mausklicks interaktiv zu erforschen, zwischen Darstellungsformen zu wechseln und die Moleküle mit der Maus "anzufassen". Dafür benötigt man neben den üblichen Internetbrowsern (zum Beispiel Netscape, Explorer) lediglich das Chime-Plugin. Das Unterrichtsprojekt mit dem Ziel der Herstellung einer Website mit der Animation eines Moleküls gliedert sich in folgende Etappen: Einarbeitung der SchülerInnen in das Molekülzeichenprogramm ChemSketch Erstellung der Moleküle Erkundung der Möglichkeiten zur Molekülanimation mit dem Plugin Chime und der Sciptsprache RasMol Erzeugung einfacher html-Dokumente Programmierung von Interaktionen an Molekülen Präsentation der Ergebnisse im Internet Die ersten beiden Etappen können umgangen werden, indem man fertige Moleküle aus den diversen Datenbanken im Internet verwendet. Man kann davon ausgehen, dass jedes schulrelevante Molekül im Internet zu finden ist. Einschlägige Quellen finden Sie in den Zusatzinformationen. Der Umgang mit dem Molekülbastelprogramm ChemSketch und dem Chime-Plugin wird von den SchülerInnen erfahrungsgemäß schnell erlernt. Die Implementierung der Moleküle auf eigene Internetseiten beinhaltet die Einprogrammierung der Scriptsprache RasMol in die html-Texte und erfordert einen etwas höheren Aufwand. Eine kurze Einführung zu den Einsatzmöglichkeiten des Programms hat Bodo Krilla, wissenschaftlicher Mitarbeiter der Chemie-Didaktik der Universität Dortmund, für Lehrer-Online verfasst: Die Handhabung des Browser-Plugins Chime bereitet den SchülerInnen erfahrungsgemäß keine Probleme. Die Einarbeitung in das Tool erfolgt problemlos mithilfe einfacher Tätigkeits-, Untersuchung- und Erkundungsaufgaben. Wie solche Aufgaben aussehen könnten zeigt das folgende Arbeitsblatt für SchülerInnen, die bereits eine Einführung in den Umgang mit Chime erfahren haben: Zur Festigung der RasMol-Kenntnisse kann auch das RasMol-Arbeitsblatt zum Cystein verwendet werden. Die SchülerInnen sollen den html-Code eines Moleküls so verändern, dass eine Darstellung der Aminosäure Cystein eingebunden wird. Der Code soll zudem so manipuliert werden, dass bestimmte Strukturen des Cysteinmoleküls hervorgehoben und Funktionen des Molekülbetrachters verändert werden. Im Rahmen des Projekts sollen die einzelnen Arbeitsgruppen (idealerweise zwei SchülerInnen) eine eigene Website mit interaktiven Buttons und einer Darstellung des Glycerinmoleküls enstellen. Zuvor erhalten die SchülerInnen jedoch eine kleine Einführung in die leicht erlernbare Programmiersprache RasMol. Informationen zu RasMol finden Sie im Internet: Zunächst müssen Grundkenntnisse zum Aufbau von Internetseiten vermittelt werden. Zu diesem Zweck haben sich Workshops in Kleingruppen sowie der Einsatz von Informationsblättern bewährt. Außerdem hat es sich als hilfreich erwiesen, wenn einzelne SchülerInnen, die sich bereits mit der Erstellung von Internetseiten beschäftigt haben, Ihre Erfahrungen in die Gruppe einbringen. Nach dem Öffnen des Programms ChemSketch klicken Sie bei aktiviertem "structure"-Modus per linkem Mausklick auf das C-Atom der Elementleiste, bewegen den Zeiger auf die Arbeitsfläche und legen den "Inhalt" dort ab. Es ist nun ein CH4 zu sehen. "Greifen" Sie mit dem Mauszeiger in das abgelegte CH4 und ziehen Sie daran. Das Ergebnis ist ein CH3-CH3. Wiederholen Sie den Vorgang. Es entsteht ein CH3-CH2-CH3-Molekül. Klicken Sie auf ein O-Atom der Elementleiste. Bewegen Sie den Zeiger nacheinander zu je einem C-Atom des CH3-CH2-CH3: Ziehen Sie den Zeiger über die C-Atome. Dadurch erzeugen Sie an jedem C-Atom eine Hydroxyl-Gruppe - und fertig ist das Glycerin-Molekül! Das Ergebnis sieht in der Regel jedoch etwas unförmig aus. Mit dem Button "3D Optimization" wird das Molekül in die 3D-Struktur umgerechnet (Abb. 1). Erst jetzt erfolgt die Speicherung des Ergebnisses über die "Export"-Funktion unter dem Register "File" in das mol-Format von ChemSketch. Der Wechsel von der ChemSketch-Zeichenansicht zum "3D Viewer" ist über den Button im Kopfbereich "ACD/Labs" möglich. Der Molekülbetrachter wird per Mausklick geöffnet. Hier finden Sie eine Reihe brauchbarer Features: Neben der Veränderung der Molekülansicht - zum Beispiel Kalottenmodell, Kugel-Stab-Modell (Abb. 2) - gibt es auch die Möglichkeit, Bindungswinkel und Bindungslängen zu messen. Dies geschieht durch einfaches Anklicken von drei beziehungsweise zwei benachbarten Atomen. Im Rahmen dieses Unterrichtsprojekts sollen folgende Interaktionsmöglichkeiten mit dem Gycerin-Molekül exemplarisch umgesetzt werden: Das Glycerinmolekül soll auf Buttonklick gezoomt und in mehreren Darstellungsformen gezeigt werden können. Funktionelle Gruppen sollen hervorgehoben und die Oberflächengestalt sowie die Elektronegativitäts-Potenziale angezeigt werden. Die Darstellung soll auf die Molekülstellen hinweisen, die für die Lecithinbildung bedeutsam sind. Die einfachste Lösung zur Vorbereitung der Internetseite ist das Abspeichern einer "leeren Seite" im Netscape Composer, zum Beispiel als "glycerin.html". Im Anschluss daran wird diese Datei mit einem Texteditor, zum Beispiel aus dem Windows-Zubehör (Wordpad), geöffnet. Alle zu programmierenden Interaktionen werden nun zwischen den so genannten "body-tags" eingegeben: Hier die unten folgenden Molekülangaben (Code 1 bis 7) einsetzen Für den kursiven Text zwischen den "body tags" ist nun einzusetzen: Durch Code 1 wird der Name ("glycerin") und das Aussehen des Moleküls beim Öffnen der Datei "glycerin.html" im Browser festgelegt. In diesem Beispiel ist die Kugel-Stab-Darstellung gewählt ("ball&stick", Abb. 2). Das Molekül befände sich auf grauem Hintergrund ("#CCCCCC"). Der in einer neuen Zeile folgende Code 2 erzeugt eine Zoom-Funktion: Bei einem Klick auf den Button wird das Molekül auf 250 Prozent vergrößert. Ein erneuter Klick setzt das Molekül auf 100 Prozent zurück ("target" = Ziel, siehe festgelegter Name "glycerin", "select *" = alles auswählen). Alle nachfolgend blau hervorgehobenen Scriptteile definieren die Beschriftung der Buttons, mit deren Hilfe die Interaktionen beim fertigen Produkt gesteuert werden. Zoom *in* out Mit der Eingabe von Code 3 ändert man die Moleküldarstellungen ("display"): "spacefill" = Kalottenmodell (Abb. 3) "ball& stick" = Kugel-Stabmodell "stick" = Stabmodell "wireframe" = Draht-, Skelettmodell Das Experimentieren an den Zahlenwerten und das Austauschen von "off" und "on" lässt schnell das Prinzip dieser Angaben erkennen. So führt das Abschalten der "spacefill"- und das Anschalten der "wireframe"-Funktion zur Skelettdarstellung des Moleküls. Display *spacefill* *ball& stick* *stick* wireframe Mit Code 4 lassen sich Molekülbereiche, wie zum Beispiel die Hydroxylgruppen, hervorheben (Abb. 4). Die Atomnummern ermittelt man, in dem man, bei geöffnetem Internetbrowser und geladener Moleküldatei - hier "glycerin.mol" -, mit der linken Maustaste auf die entsprechenden Atome klickt. Die jeweiligen Atomnummern werden dann unten in einem Fenster eingeblendet. Alle Atome werden vom ersten bis zum letzten Atom unabhängig von der Atomart durchnummeriert. Diese Nummerierung entspricht natürlich nicht den chemischen Nomenklaturregeln. Hydroxylgruppen Mithilfe des "label"-RasMol-Befehls (siehe Code 5) können Texte in die Darstellungen eingefügt werden. In dem hier vorgestellten Beispiel wird die Lecithinbildung angedeutet (Abb. 5 - beim Klick auf die Grafik erscheint die vollständige Darstellung als Popup). Lecithinbildung Kalotten-, Kugel-Stab-, Stab und Drahtmodell stellen die Moleküle als streng geometrisch konstruierte Gebilde dar. Zusätzlich zu diesen Modellen lassen sich auch die Oberflächen der Moleküle generieren (Abb. 6, Code 6). Atomarten werden in diesen Ansichten nicht berücksichtigt und die Bindungen bleiben unter der Oberfläche verborgen. Die Molekülformen können für die Vorhersagen möglicher Wechselwirkungen und Reaktionen mit anderen Molekülen nützlich sein. Oberflaechengestalt Die Polarität von Molekülen ist von großer Bedeutung für ihre chemischen und physikalischen Eigenschaften. Mit Code 7 kann bei eingeschalteter Oberfächengestalt ("surface"-Funktion, siehe Code 6) die Elektronegativitätsverteilung eines Moleküls dargestellt werden. Positiv (blau) und negativ (rot) polarisierte Bereiche werden so hervorgehoben (Abb. 7). EN-Potenzial

  • Chemie
  • Sekundarstufe II

Strukturen organischer Moleküle

Unterrichtseinheit

Die Präsentation virtueller 3D-Moleküle per Beamer während des Unterrichtsgesprächs rückt die Objekte visuell und kognitiv in den Focus. Die Präsentation unterstützt die Arbeit mit „klassischen“ 3D-Molekülmodellen. Lernende können auch zuhause auf die Molekül-Viewer im Web zurückgreifen, den Unterrichtsstoff rekapitulieren und Molekülstrukturen experimentell erkunden.Molekülmodelle werden im Unterricht in der organischen Chemie notwendig, wenn den Schülerinnen und Schülern eine räumliche Vorstellung vom Molekülbau vermittelt werden soll. Dies kann sehr gut über Molekülbaukästen erfolgen, wenn jede Schülerin und jeder Schüler die Möglichkeit hat, selbstständig 3D-Modelle aufzubauen und dabei ein Verständnis für die räumliche Organisation der Atome in Molekülen zu entwickeln. Im Unterrichtsgespräch wird der Aufbau von Molekülen in Bezug auf ihre äußere und innere Struktur verbalisiert. Die Visualisierung durch die ?klassische? Verfahrenweise, das Hochhalten von Kugelgitter-Modellen zur Verknüpfung des konkreten Objektes mit entsprechenden Begriffen, ist in seiner Wirkung durch die geringe Größe der Modelle jedoch begrenzt. Eine wirksamere Alternative bietet hier die großflächige Projektion virtueller und dynamischer (manipulierbarer) 3D-Moleküle per Beamer. Dadurch rückt das Objekt im Unterrichtsgespräch visuell und kognitiv stärker in den Focus der Schülerinnen und Schüler. Technik, Stoffauswahl und Dynamik der 3D-Modelle Screenshots veranschaulichen die Möglichkeiten zur Schaffung einer Grundlage für das Verständnis von Struktur und Reaktion mithilfe von 3D-Modellen. Die Schülerinnen und Schüler sollen mithilfe der Molekül-Viewer verstehen, dass Moleküle nicht aus kleinen Kugeln und Stäbchen sondern aus sich durchdringenden Atomen bestehen und eine charakteristische Oberfläche haben. den Zusammenhang zwischen Molekülstrukturen und -oberflächen und den chemischen Eigenschaften und Reaktionen der Stoffe erkennen. Strukturisomerie und Stereoisomerie mithilfe "klassischer" Vertreter anschaulich begreifen (Isomere von Propanol und Butanol, Enantiomere der Milchsäure). Thema Strukturen organischer Moleküle Autor Dr. Ralf-Peter Schmitz Fach Chemie Zielgruppe einfache organische Moleküle: ab Klasse 10; komplexere Moleküle: ab Jahrgangstufe 11; anorganische Moleküle: ab Klasse 10 Technische Voraussetzungen Präsentationsrechner mit Internetanschluss, Beamer, Java Runtime Environment (kostenloser Download) Die hier vorgestellten und für den Unterricht konzipierten Online-Angebote der Website "Chemie interaktiv" zur Darstellung von 3D-Molekülen wurden mit dem Open-Source-Tool Jmol entwickelt. Zur Nutzung der Angebote benötigen Sie lediglich das kostenlose Plugin Java Runtime Environment . Die präsentierten Moleküle lassen sich im Browser in drei Dimensionen mit der Maus beliebig drehen und wenden. "Chemie interaktiv" bietet vier verschiedene Möglichkeiten, die Moleküle zu präsentieren: Viewer A: Projektion eines Moleküls in einer quadratischen Präsentationsfläche. Viewer B: Projektion eines lang gestreckten Moleküls in einer rechteckigen, horizontalen Präsentationsfläche, zum Beispiel für die Darstellung eines Phospholipids. Viewer C: Projektion und Vergleich von zwei Molekülen in übereinander liegenden Präsentationsflächen. Viewer D: Projektion und Vergleich von zwei nebeneinander liegenden Molekülen. Über Buttons oberhalb der 3D-Modelle (siehe Abb. 1) kann zwischen den verschiedenen Viewern (A-D) gewechselt werden. Nach einem Wechsel müssen die Moleküle neu ausgewählt werden. Das Angebot der auswählbaren Moleküle wird kontinuierlich ergänzt. Zurzeit stehen neben Alkanen (Methan bis Decan) einige Alkohole (unter anderem die Isomere von Propanol und Butanol), einfache Aldehyde (Methanal bis Propanal), Propanon, einige Carbonsäuren (zum Beispiel die Enantiomere der Milchsäure) sowie einige Biomoleküle (Chlorophyll a, beta-Carotin, Cholesterin, Phospholipid) und anorganische Verbindungen zur Verfügung (unter anderem einige Säuren und Gase). Modellwechsel Die Moleküle werden, nachdem sie über das Pull-down-Menü zur Stoffauswahl ausgewählt wurden, zunächst im Kugelstäbchen-Modell dargestellt. Über das Menü lassen sie sich in komplett ausgefüllte Raummodelle (Kalotten-Modelle) umwandeln oder auch nur als Draht- oder Stab-Modell darstellen. Um die Vielfalt der Möglichkeiten darzustellen, zeigt Abb. 1 (Platzhalter bitte anklicken) ein Modell der L-Milchsäure im Kugelstäbchen- und ein Modell der D-Milchsäure im "75 Prozent Kalotten-Modell". Zudem stehen viele weitere Funktionen zur Verfügung, zum Beispiel die Möglichkeit zur Wahl der Hintergrundfarben oder die Darstellung der van-der-Waals-Radien durch "Dots" (hierfür empfiehlt sich ein schwarzer Hintergrund). Struktur - Eigenschaft - Funktion Durch den Wechsel vom Kugelstäbchen- zum Kalotten-Modell wird den Schülerinnen und Schülern bewusst, dass die Moleküle nicht einfach nur aus kleinen Kugeln und Stäbchen (als Abstandshalter), sondern aus nebeneinander liegenden, sich durchdringenden Atomen (Kalotten) bestehen und dadurch eine charakteristische Moleküloberfläche erhalten. Abb. 2 (Platzhalter bitte anklicken) zeigt Darstellungen von 1-Propanol und Propanal im "Oberflächen-Modus", 1-Propanol zusätzlich mit durchscheinendem Kugelstäbchen-Modell. Die Überführung zweidimensionaler Strukturformeln an der Tafel in charakteristische Oberflächen in der 3D-Projektion schafft eine Grundlage für das Verständnis chemischer Reaktionen (zum Beispiel Exposition funktioneller Gruppen, Polarisierungen und Landungsverteilungen in Molekülen) sowie für biologisch-physiologische Vorgänge im Zellgeschehen (enzymatische Reaktionen, membrangebundene Reaktionen, Rezeptorbindungen, hydrophile oder lipophile Eigenschaften) oder im gesamten Organismus (Hormonwirkungen an Zielorganen, Antigen-Antikörperreaktionen).

  • Chemie
  • Sekundarstufe I, Sekundarstufe II

Die Oberflächenspannung des Wassers

Unterrichtseinheit

Kurze Flash-Animationen (Flash-Folien), die im Rahmen des Unterrichtsgesprächs von der Lehrperson per Beamer projiziert werden, unterstützen bei den Schülerinnen und Schülern die Entwicklung einer anschaulichen Vorstellung zur Oberflächenspannung des Wassers.In der Bindungslehre wird das Wassermolekül als Beispiel für ein Molekül mit polarer Elektronenpaarbindung behandelt. Der Versuch zur Ablenkung eines Wasserstrahls dient dabei als Grundlage für die Erarbeitung der Dipoleigenschaft der Wassermoleküle. Zur Erklärung der Ablenkung werden zumeist einzelne Moleküle mit entsprechender Orientierung zum elektrisch geladenen Stab an der Tafel dargestellt. Mit den hier vorgestellten Flash-Folien lassen sich die Dipoleigenschaften der Wassermoleküle en bloc thematisieren und die Eigenschaften der Grenzschicht des Wassers zum Luftraum untersuchen. Ebenfalls per Beamer projizierte dynamische 3D-Moleküle können der Bildung von Wasserstoffbrücken im Wasser zu einer ?Plastizität? verhelfen, die durch zweidimensionale Abbildungen aus dem Schulbuch nicht erzielt werden kann. Nach dem Einsatz der Flash-Folien bietet sich im Fortgang des Unterrichts die Durchführung eines analogen Experiments zur Minderung der Oberflächenspannung an. Hinweise zum Einsatz der Materialien Informationen zum Aufbau, zur Steuerung und zu den Inhalten der einzelnen Flash-Folien mit Screenshots Wassermoleküle und Wasserstoffbrücken in 3D Während des Unterrichtsgesprächs per Beamer projizierte 3D-Moleküle verhelfen der Wasserstoffbrückenbildung im Wasser zu mehr "Plastizität". Die Schülerinnen und Schüler sollen die Organisation der Wassermoleküle im Stoff Wasser kennen lernen. erkennen, dass der Wasserkörper durch die Anziehungskräfte zwischen den Dipolmolekülen einerseits stabilisiert und zusammengehalten wird, andererseits aber auch die Fluidität des Stoffes Wasser gegeben ist. erkennen, dass die Wassermoleküle an der Wasseroberfläche von den Wassermolekülen im Inneren des Wasserkörpers angezogen ("festgehalten") werden. aus den animierten Versuchen (Experiment 1 und 2: "Schwimmversuche" mit einer Büroklammer) ableiten, dass die Anziehungskräfte zwischen den Wassermolekülen an der Wasseroberfläche einen "Anspannungszustand" (die Oberflächenspannung) bewirken, der bei mechanischen Einflüssen auf die Wasseroberfläche sichtbar wird. Funktionalitäten Das Abspielen und das Anhalten der Animationen wird über Start- und Stopp-Buttons mit den gängigen Symbolen gesteuert (Abb. 1, Platzhalter bitte anklicken). Alternativ kann dies auch ohne Maus über die "Space-Taste" erfolgen (sowohl "Start" als auch "Stopp"). Der Schieberegler kann von Hand (bei gedrückter linker Maustaste) nach rechts oder links gezogen und so als Funktion "Zeitraffer vor" beziehungsweise "Zeitraffer zurück" genutzt werden. Themenübersicht Das Flash-Paket bietet fünf Animationen. Über die Buttons des rechten Menüs kann zwischen den folgenden Flash-Folien gewechselt werden: Animation 1 Was hält die Wassermoleküle zusammen? Animation 2 Experiment 1: Was passiert an der Wasseroberfläche, wenn man sie mit der Spitze einer Büroklammer berührt und die Büroklammer loslässt? Animation 3 Erklärung zu Experiment 1 Animation 4 Experiment 2: Was passiert an der Wasseroberfläche, wenn man eine Büroklammer waagerecht auf die Oberfläche setzt und sie dann loslässt? Animation 5 Erklärung zu Experiment 2 Folie 1: Was hält die Wassermoleküle zusammen? Die erste Folie zeigt einen quaderförmigen Ausschnitt aus einem Gefäß mit Wasser (Darstellung auf der Teilchenebene). Das Realobjekt wird in einem kleinen Foto links oben gezeigt (siehe Abb. 1). Auf der submikroskopischen Ebene zeigen die Wassermoleküle Zitterbewegungen. Diese sind in der Animation vereinfacht dargestellt. Die Wassermoleküle liegen dicht nebeneinander und füllen den gesamten Raum vom Boden des Gefäßes bis zur Wasseroberfläche aus. Die Wasseroberfläche ist makroskopisch betrachtet glatt (Schwerkraftwirkung). Beim Abspielen der Flash-Folie wird die Frage nach dem Zusammenhalt der Wassermoleküle gestellt. Aus der Unterrichtssystematik ist das Wassermolekül als Dipolmolekül bereits bekannt. Die Dipol-Dipol-Wechselwirkungen werden in dem Modell dargestellt (Abb. 2). (Das Verdampfen von Wassermolekülen in Abhängigkeit von der Temperatur lässt sich anschließend thematisieren.) Folie 2: Die untergehende Büroklammer Die zweite Flash-Folie zeigt das Verhalten der Wassermoleküle an der Wasseroberfläche beim senkrechten Aufsetzen einer Büroklammer (Abb. 3). Die Schülerinnen und Schüler beobachten, dass die Oberflächenschicht aus Wassermolekülen dabei zunächst folienartig eingedrückt wird, sich dann öffnet ("reißt") und - nach dem Untergang der Klammer - wieder schließt. Diesen Vorgang kann die Lehrperson über den Schieberegler vor und zurücklaufen lassen. Die Lernenden beschreiben ihre Beobachtungen und nehmen dabei gegebenenfalls Bezug auf ein zuvor durchgeführtes Schülerexperiment zum Thema "Kann eine Büroklammer schwimmen?". Folie 3. Erklärung des Experimentes Diese Animation zeigt erneut den Vorgang des Versinkens der senkrecht aufgesetzten Büroklammer aus der vorhergegangenen Flash-Folie. Der Vorgänge und die dabei wirkenden Kräfte werden hier jedoch per Text und Bild erläutert (Abb. 4) Folie 4: Die schwimmende Büroklammer Die vierte Animation zeigt das Verhalten der Wassermoleküle an der Wasseroberfläche beim waagerechten Aufsetzen einer Büroklammer. Starten Sie den Film über den Start-Button oder einfach ohne Mausaktion per "Space-Taste". Die Schülerinnen und Schüler beobachten, dass das Gewicht der Büroklammer auf eine maximale Fläche verteilt wird. Die Wasseroberfläche wird gleichmäßig eingedrückt und trägt die Klammer (Abb. 5). Folie 5. Erklärung des Experimentes Auch hier wird die Animation des vorausgegangenen Experimentes - waagerechtes Aufsetzen der Büroklammern auf die Wasseroberfläche - wiederholt. Der Vorgang und die dabei wirkenden Kräfte werden wiederum per Text und Bild erklärt (Abb. 6). 3D-Visualisierungen mit Molekülbetrachtern Die vorgestellten Flash-Folien unterstützen die Entwicklung einer anschaulichen Vorstellung von den bei der Oberflächenspannung wirkenden Kräfte. Wasserstoffbrücken spielen dabei eine zentrale Rolle. Die dritte Dimension wird dabei jedoch nur angedeutet. Diese Lücke kann durch so genannte Molekülbetrachter geschlossen werden (zum Beispiel Jmol ). Mithilfe dieses kostenfrei zur Verfügung stehendem Werkzeugs können 3D-Moleküle am Bildschirm mit dem Cursor bei gedrückter linker Maustaste "angefasst", gedreht und gewendet werden. Abb. 7 zeigt zwei Ausschnitte aus einer Animation von Eric Martz, die zu Beginn zwei Reihen ordentlich aufgereihter Wassermoleküle zeigt (Teilabbildung a). Nach dem Start der Animation sorgen die zehn Wassermoleküle per Wasserstoffbrückenbildung für eine Energieminimierung (Teilabbildung b). Während des gesamten Vorgangs können Sie das Molekül-Ensamble mit der Maus "anfassen", frei drehen und aus verschiedenen Perspektiven betrachten.

  • Chemie
  • Sekundarstufe I

ATP-Synthase – Synthese von Energieäquivalenten

Unterrichtseinheit

In dieser Unterrichtseinheit für den Biologie- und Chemie-Unterricht beschäftigen sich die Schülerinnen und Schüler mit der ATP-Synthase. Die Regeneration des zentralen zellulären Energieträgers wird zum überwiegenden Teil von der ATP-Synthase gewährleistet. Die hier vorgestellte Lernumgebung ermöglicht Schülerinnen und Schülern eine aktiv-forschende Auseinandersetzung mit der Funktionsweise dieses komplexen Enzyms.In der Unterrichtseinheit "ATP-Synthase - Synthese von Energieäquivalenten" kommen dynamische Arbeitsblätter zum Einsatz. Dies sind digitale Unterrichtsmaterialien, die neben Informationstexten, Aufgabenstellungen und Abbildungen auch 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 flashbasierte 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 Struktur-Funktions-Beziehungen werden in der Unterrichtseinheit "ATP-Synthase - Synthese von Energieäquivalenten" 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. Die Schülerinnen und Schüler lernen die ATP-Synthase als Beispiel eines Enzyms kennen. lernen den Aufbau der ATP-Synthase kennen. erschließen ausgehend von dem molekularen Aufbau die Funktion der ATP-Synthase forschend-entdeckend. lernen die Möglichkeiten des Molekülbetrachters Jmol kennen und lernen den Umgang mit dem Werkzeug. beschreiben am Beispiel der ATP-Synthase den Zusammenhang zwischen Struktur und Funktion eines Enzyms. Räumliche Vorstellung als Verständnisvoraussetzung Das Vorstellungsvermögen von Schülerinnen und Schülern in Bezug auf die dreidimensionale Struktur von Enzymen ist meist schwach ausgeprägt. In Schulbüchern werden die Lernenden häufig mit "flachen" und schematischen Darstellungen konfrontiert. Moderne Lehrwerke enthalten zwar schon dreidimensional wirkende Grafiken, die mit einer Molekülbetrachter-Software erzeugt wurden. Dennoch haben die Jugendlichen oft große Schwierigkeiten, sich den Aufbau von Enzymen vorzustellen. Das führt häufig zu Verständnisproblemen oder auch falschen Vorstellungen über den Aufbau und die Funktionsweise der Biokatalysatoren. Die Kenntnis der dreidimensionalen Strukturen ist jedoch die Voraussetzung für ein tieferes Verständnis der Natur der Enzyme, ihrer Funktionen, der Interaktion zwischen Enzym und Substrat und vor allem der engen Beziehung zwischen Struktur und Funktion. 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. Werden die interaktiven Applets zusammen mit Texten, Grafiken und Animationen in HTML-Seiten eingebettet, entsteht eine neue Form von Arbeitsmaterial - das dynamische Arbeitsblatt. Der Vorteil: Interaktive Materialien, Aufgaben und Hilfen stehen in einem Medium auf einen Blick zur Verfügung! Abb. 1 (Platzhalter bitte anklicken) zeigt einen Screenshot von einem der Arbeitsblätter zur ATP-Synthase. Hinweise zu dynamischen Arbeitsblättern mit interaktiven 3D-Molekülen und deren Einsatz im Biologie- oder Chemieunterricht finden Sie in dem Übersichtsartikel "Dynamische Arbeitsblätter mit 3D-Molekülen" . Struktur von Enzymen - ein schwer zu vermittelndes Thema Im Anschluss an die Behandlung von Glykolyse, Citratzyklus und Atmungskette integriert die hier vorgestellte Lernumgebung das zu Beginn des Themenbereichs "Stoffwechsel" erarbeitete Wissen über den Aufbau und die Funktion von Enzymen. Im Sinne eines Spiralcurriculums werden früher gelernte Grundlagen auf aktuelle Lerninhalte angewandt, wiederholt und eingeübt. Im Rahmen der funktionellen Vielfalt der Proteine lernen Schülerinnen und Schüler Enzyme als Biokatalysatoren kennen. Dabei bleibt deren Funktionsweise jedoch häufig unklar. Die Bildung eines Enzymsubstratkomplexes wird mit einer Schlüssel-Schloss-Analogie vermittelt. Diese vereinfachende Darstellung ist zwar einleuchtend, führt jedoch auch dazu, dass den Lernenden die Komplexität der Enzyme nicht bewusst wird. Sie haben daher Schwierigkeiten sich anschaulich vorzustellen, dass für jede biochemische Reaktion in der Zelle ein spezialisiertes Enzym zur Verfügung steht. Es fällt ihnen schwer, Strukturen von Enzymen mit deren Funktionen im Stoffwechsel in Zusammenhang zu bringen. Die ATP-Synthase - meist nur eine "Black Box" Im Themenbereich "Stoffwechsel" wird auch die Gewinnung von Energieäquivalenten in Form von ATP durch das Enzym ATP-Synthase angesprochen. Dies wird zumeist als Faktum präsentiert. Die Lernenden erfahren, dass das Enzym den Transport von Protonen (entlang ihres Konzentrationsgefälles) mit der Bildung von ATP aus ADP und anorganischem Phosphat koppelt. Dies wird in der Regel mithilfe "flacher" und statischer Darstellungen vereinfacht visualisiert. Ziel der 3D-Materialien: Zusammenspiel von Struktur und Funktion Für die in den Bildungsstandards geforderte Auseinandersetzung mit Struktur-Eigenschaftsbeziehungen in der Biologie bietet sich die Untersuchung von Proteinstrukturen eigentlich geradezu an. Das Problem: Mit "klassischen" Materialien verläuft das Unterfangen meist unbefriedigend. Häufig werden die molekularen Strukturen und deren Funktion im Unterricht auch unabhängig voneinander betrachtet, ohne den engen Zusammenhang zu thematisieren. Die hier vorgestellte Lernumgebung soll Abhilfe schaffen und die Lernenden am Beispiel der ATP-Synthase exemplarisch und anschaulich an die Untersuchung von Struktur-Funktions-Beziehungen heranführen. Die Lernumgebung der Unterrichtseinheit besteht aus HTML-Seiten, die mit gängigen Browsern betrachtet werden können. Die darin eingebetteten Darstellungen der Moleküle sind als Java-Applikationen plattformunabhängig. Die einzige Bedingung für ihre Nutzung ist, dass auf Ihrem Computer das kostenfreie Plugin Java Runtime Environment installiert ist. Für die verschiedenen Animationen benötigen Sie den ebenfalls kostenfreien Flash- oder Quicktime-Player. Eine Lenkung der Aufmerksamkeit der Schülerinnen und Schüler erfolgt bereits durch den formalen Aufbau der Arbeitsblätter. Jede Seite richtet den Blick auf einen anderen Aspekt der ATP-Synthase (Lokalisierung, F0- beziehungsweise F1-Struktur und -Funktion, Stator). Die vorgegebenen Beobachtungsaufträge sorgen dafür, dass den Lernenden die wesentlichen Informationen nicht entgehen. Die Arbeitsaufträge im unteren Feld sind durch Piktogramme als Beobachtungsaufgaben (Auge) und Schreibaufgaben (Stift) gekennzeichnet. Die eigenständige Entdeckungsreise der Schülerinnen und Schüler in den Struktur-Funktionszusammenhang der ATP-Synthase wird durch Zusatzinformationen (Popups) unterstützt. Sie beinhalten weitere nützliche Informationen, wie zum Beispiel zum Aufbau von ATP (Abb. 2, Platzhalter bitte anklicken) oder zum Modell des Protonentransports durch die Membran. Diese Informationsboxen können durch einen Klick auf die "i"-Piktogramme aufgerufen werden. Auf den dynamischen Arbeitsblättern zum molekularen Aufbau der F0- und F1-Struktur finden sich Buttons und Arbeitsaufträge "für Experten". Diese ermöglichen eine Binnendifferenzierung. Betrachtet wird hier die Verteilung hydrophiler und hydrophober Aminosäurereste im F1- und F0-Komlex. Dabei lässt sich sehr schön der Unterschied zwischen den transmembranen und den außerhalb der Membran liegenden Bereichen erkennen und thematisieren. Abb. 3 zeigt zwei Ansichten des F0-Komplexes. Hydrophile Aminosäuren sind rot, hydrophobe grün dargestellt. Die linke Teilabbildung zeigt den dem Intermembranraum zugewandten Teil des F0-Komplexes, während die rechte Teilabbildung einen Blick auf die der Lipidphase der Membran zugewendeten Proteinoberflächen zeigt. Abb. 4 zeigt den "Grundzustand" des F1-Komplexes in der Lernumgebung (linke Teilabbildung) sowie den F1-Komplex nach Aktivierung der Funktion "Hydrophobe und hydrophile Bereiche" (rechte Teilabbildung). Diese allgemeine Thematik wurde bereits bei der Besprechung des Membranaufbaus und des Membrantransports erwähnt. An dieser Stelle kann sie eindrucksvoll wiederholt beziehungsweise angewendet werden. Nach der Bearbeitung von Glykolyse, Citratzyklus und Atmungskette wird die ATP-Synthase als die "Maschine" vorgestellt, die den Protonengradienten über der inneren Mitochondrienmembran für die Synthese von ATP nutzt. Dabei werden pro gebildetem ATP drei Protonen durch die Membran befördert, um ein ATP-Molekül zu generieren (dies gilt für Bakterien, siehe Tabelle unten). Zum Einstieg wird per Beamer eine Animation präsentiert, die eine rotierende ATP-Synthase "in Aktion" zeigt (Abb. 5, Platzhalter bitte anklicken). Die Animation wurde von der Arbeitsgruppe von Prof. Sir John Walker (MRC Dunn Human Nutrition Unit, Cambridge) entwickelt. Eine kleine Version des Films befindet sich auch in der Lernumgebung. Für den Impuls per Beamerpräsentation sollte aber das größere Format verwendet werden, das im Internet zur Verfügung steht (siehe unten). Die Dynamik der Darstellung weckt das Interesse der Lernenden, eine Analyse der Abläufe ist jedoch (noch) nicht möglich. Das Interesse der Schülerinnen und Schüler kann durch folgende Daten weiter angefacht werden: Die ATP-Umsatzrate liegt in Bakterienzellen bei bis zu 2.500.000 Molekülen pro Sekunde! Ein Mensch setzt pro Tag (in Ruhe) etwa 70 Kilogramm ATP um. Der menschliche Körper enthält (bei einem Gewicht von etwa 70 Kilogramm) nur 50 bis 200 Gramm ATP, das nach dem Verbrauch überwiegend durch die ATP-Synthase regeneriert wird. Nach diesen Impulsen fordert die Lehrperson die Schülerinnen und Schüler auf, sich einzeln oder in Partnerarbeit mithilfe der dynamischen Arbeitsblätter den Aufbau und die Funktion der ATP-Synthase soweit zu erschließen, dass sie im Anschluss daran erklären können, was in der gezeigten Animation dargestellt ist: The rotary mechanism of mitochondrial ATP synthase Animation aus der Arbeitsgruppe von Prof. Sir John Walker (MRC Dunn Human Nutrition Unit, Cambridge). Infos und weitere Animationen finden Sie hier . Kapitel Die dynamischen Arbeitsblätter sollen das Augenmerk der Lernenden auf den Zusammenhang zwischen Struktur und Funktion der ATP-Synthase richten. Das komplexe Molekül wird dabei in seine Bauteile (F0, F1, Stator) "zerlegt". Die Lernumgebung gliedert sich in folgende Kapitel: Lokalisierung Hier wird die Lokalisierung der ATP-Synthase als integrales Membranprotein der inneren Mitochondrienmembran dargestellt. Die Lage des Enzyms in Bezug auf den durch die Atmungskette aufgebauten Protonengradienten wird thematisiert. (Die Lernumgebung beschränkt sich exemplarisch auf die ATP-Synthase und deren Orientierung in der Mitochondrienmembran. Die Lokalisierung des Enzyms in Bakterien und Chloroplasten kann bei Bedarf im Anschluss an die Bearbeitung der Lernumgebung erfolgen.) F0-Struktur Die Schülerinnen und Schüler machen sich hier mit dem Aufbau der Transmembraneinheit der ATP-Synthase vertraut. Die Verteilung hydrophober und hydrophiler Aminosäuren kann betrachtet und interpretiert werden. F0-Funktion Die Lernenden erkunden das auf der Hypothese des deutschen Biophysikers Wolfgang Junge basierende Modell des Protonentransports durch die Membran. Die Vorgänge werden durch eine Flash-Animation dynamisch dargestellt. F1-Struktur Die Schülerinnen und Schüler untersuchen den Aufbau der "Kopf"-Struktur der ATP-Synthase. Die Verteilung hydrophober und hydrophiler Aminosäuren kann betrachtet, interpretiert und mit der Verteilung im F0-Komplex verglichen werden. F1-Funktion Hier werden die Vorgänge bei der Synthese von ATP aus ADP und Phosphat in der Kopf-Struktur der ATP-Synthase untersucht und durch Videosequenzen dynamisch dargestellt (Quelle der Filme: ATP Synthase Group, MRC Dunn Human Nutrition Unit, Cambridge). Stator - Struktur und Funktion Die Lernenden setzen sich mit der Funktion der Verbindung zwischen Membran- und Kopfteil auseinander und setzen ihre bisherigen Erkenntnisse zu einem Gesamtbild der ATP-Synthase-Funktion zusammen. Der größte Teil des ATP wird bei Tieren, Pflanzen und den meisten Bakterien durch ATP-Synthasen gebildet. Ihr Aufbau unterscheidet sich in den verschiedenen Organismen in Details. Wie in der folgenden Tabelle zu erkennen, variiert zum Beispiel die Zahl der F0c-Untereinheiten und die Zahl der pro gebildetem ATP transportierten Protonen. ATP-Synthasen Anzahl der F0c-Peptide Protonen pro ATP Bakterien (Escherichia coli) 12 4 Mitochondrien (Hefe) 10 3,3 Chloroplasten (Spinat) 14 4,7 Das Grundprinzip der Struktur und der Funktion der ATP-Synthasen ist jedoch bei allen Organismen dasselbe. Alle in den dynamischen Arbeitsblättern dargestellten Moleküle zeigen den Aufbau der ATP-Synthase des Darmbakteriums Escherichia coli. Der Modellorganismus wurde und wird von den ATP-Synthase-Forschern intensiv untersucht. Das animierte Funktionsmodell in dem Kapitel "F0-Funktion", das die Be- und Entladung von F0c-Untereinheiten mit Protonen zeigt (Abb. 6), gibt ebenfalls die Verhältnisse bei Escherichia coli wider. Die Aminosäuren ASP 61 und ARG 210 sind die funktionellen Aminosäuren der ATP-Synthase des Bakteriums. In der ATP-Synthase von Mitochondrien und Chloroplasten übernimmt die ebenfalls saure Aminosäure Glutaminsäure (GLU) die Funktion der Asparaginsäure (ASP). In einem letzten Informations-Popup der Lernumgebung wird unter der Überschrift "Nur ein Modell" darauf hingewiesen, dass die dargestellte Funktionsweise der ATP-Synthase ein Modell ist, das den derzeitigen Stand der Forschung widerspiegelt. Es ist wichtig, die Schülerinnen und Schüler darauf hinzuweisen, dass der Mechanismus der ATP-Synthese noch nicht vollständig geklärt ist und dass sie sich hier in "Grenzgebieten" der aktuellen Forschung bewegen. Je nach Zeitreserve und Interesse der Lerngruppe können die noch offenen Fragen angesprochen werden. Zudem bietet sich hier eine allgemeine Diskussion über die Bedeutung und die Aussagekraft von Modellen in den Naturwissenschaften an. 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. Dr. André Diesel ist Diplom-Biologe. Er war an der Konzeption der Lernumgebung beteiligt und entwickelte die schematischen Abbildungen der Lernumgebung. 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.

  • Biologie / Chemie
  • Sekundarstufe II

Die Struktur der DNA - virtuelle Moleküle in 3D

Unterrichtseinheit

Die hier für den Einstieg in die molekularen Grundlagen der Genetik verwendete Lernumgebung ermöglicht Schülerinnen und Schülern einen aktiv-entdeckenden Zugang zum Aufbau unserer Erbsubstanz.Dynamische Arbeitsblätter sind digitale Unterrichtsmedien, die Informationstexte, Aufgabenstellungen, Bilder und dynamische Konstruktionen auf einer Seite miteinander vereinigen. Die hier vorgestellten Arbeitsblätter enthalten Moleküldarstellungen, die es Schülerinnen und Schülern ermöglichen, aktiv mit einem 3D-DNA-Modell zu arbeiten, in dem sie verschiedene Strukturelemente ein- und ausblenden, sowie das Molekül beliebig drehen und wenden können. Technische Grundlage der 3D-Moleküle ist der kostenfrei nutzbare Molekülbetrachter Jmol (betriebssystemunabhängig). Zudem enthält die Lernumgebung eine kleine flash-basierte "Drag & Drop"-Übung. Die dynamischen Arbeitsblätter zur 3D-Struktur der DNA erlauben eine völlig eigenständige Auseinandersetzung der Schülerinnen und Schüler mit dem molekularen Aufbau des Moleküls. Durch den Einsatz eines Lerntagebuchs zur Sicherung und Dokumentation des Gelernten ist ein Austausch mit Mitschülern, und insbesondere ein Eingreifen durch die Lehrkraft, nicht erforderlich.Die dynamischen Arbeitsblätter zur 3D-Struktur der DNA erlauben eine völlig eigenständige Auseinandersetzung der Schülerinnen und Schüler mit dem molekularen Aufbau des Moleküls. Durch den Einsatz eines Lerntagebuchs zur Sicherung und Dokumentation des Gelernten ist ein Austausch mit Mitschülern, und insbesondere ein Eingreifen durch die Lehrkraft, nicht erforderlich. Im Rahmen der Schulzeitverkürzung nimmt das Selbstlernen der Schülerinnen und Schüler einen immer wichtigeren Stellenwert ein. Der Bedarf an geeigneten Medien steigt. Alternativ zur Bearbeitung im Regelunterricht können die Lernenden die hier vorgestellten Materialien in schulischen Selbstlernzentren, aber auch zu Hause, nutzen, um sich die Struktur der DNA selbstständig zu erarbeiten. Dynamische Arbeitsblätter sind somit eine wichtiges Medium zur geforderten Förderung des eigenständigen Lernens der Schülerinnen und Schüler. Didaktische Vorbemerkungen Dynamische Arbeitsblätter mit 3D-Molekülen entschärfen Schwächen im räumlichen Vorstellungsvermögen und ermöglichen "selbstständige Entdeckungsreisen". Technische Voraussetzungen und Hinführung Infos zu Jmol und ein Tipp zum methodischen Einstieg: Eine MindMap zur DNA bietet einen guten Startpunkt für die Arbeit mit dem Lerntagebuch. 2. Phase: Erarbeitung der Struktur der DNA Die Schülerinnen und Schüler sollen mit den Materialien selbstständig und aktiv-entdeckend arbeiten - die Lehrkraft agiert als Berater und Beobachter. 3. Phase: Eigenständige Erforschung der RNA Die Lernenden haben die Möglichkeit, ihr gerade erworbenes Wissen zur DNA auf einzel- und doppelsträngige RNA-Strukturen anzuwenden. Molekülbetrachter, Dynamischen Arbeitsblätter, DNA Lehrer-Online-Artikel und weitere Materialien und Ideen für den Unterricht zum Thema DNA im Netz. Genderaspekte der Unterrichtseinheit 3D-DNA Lesen Sie hier, warum die hier vorliegende Unterrichtseinheit als eine vorbildlich gestaltete geschlechtergerechte Unterrichtseinheit betrachtet werden kann. Die Schülerinnen und Schüler lernen die Struktur der DNA kennen. erschließen sich durch eigene Untersuchungen den molekularen Aufbau der DNA. erkennen die Möglichkeiten von Molekülbetrachtern und lernen den Umgang mit diesen Werkzeugen. identifizieren in einem Ausblick die RNA mit den erworbenen fachlichen und methodischen Kenntnissen als weitere Nukleinsäure. Die DNA ist das den Schülerinnen und Schülern wohl am besten bekannte Makromolekül. Eine erste strukturelle Auseinandersetzung erfolgt zum Teil schon in der Mittelstufe, auf jeden Fall aber - und dann recht detailliert - im Biologieunterricht der Oberstufe. Und trotzdem haben die Jugendlichen dort große Schwierigkeiten, sich den Aufbau der DNA vorzustellen. Insbesondere Lernende mit einem weniger ausgeprägten räumlichen Vorstellungsvermögen haben Probleme, wenn es darum geht, sich die Struktur aus zweidimensionalen Abbildungen oder den Fischer-Projektionen eines klassischen Tafelbildes zu erschließen. Abhilfe schaffen Raummodelle der DNA, in denen die Bausteine jedoch zumeist nur angedeutet sind, was eine genaue Analyse des chemischen Aufbaus und der Verknüpfung der Bausteine erschwert. Selbstständige Entdeckungsreisen Die Möglichkeit, digitale Molekülmodelle am Bildschirm beliebig drehen und wenden zu können, den Grad der Übersichtlichkeit durch Ein- und Ausblenden oder Hervorheben bestimmter Strukturelemente zu variieren, erleichtert den Schülerinnen und Schülern das "räumliche Lesen" komplexer Strukturen enorm. Abb. 1 und Abb. 2 (Platzhalter bitte anklicken) zeigen, wie die einzelnen Schritte bei der Untersuchungen des DNA-Rückgrats aussehen könnten: Die Starteinstellung zeigt einen DNA-Ausschnitt in "wireframe"-Darstellung. Durch einen Klick auf einen vorgegeben Button "Zucker" werden die Ribose-Bausteine durch die "stick"-Darstellung hervorgehoben (Abb. 1). Danach kann durch einen Klick auf den Button "Phosphat" das komplette DNA-Rückgrat hervorgehoben und durch die Entfernung der Wasserstoffatome in eine übersichtliche Visualisierung überführt werden (Abb. 2). Hier kann die hervorgehobene Struktur durch Drehen, Wenden und Zoomen weiter untersucht werden. Ein strukturiertes Vorgehen durch didaktisch angepasste Hilfsmittel in der Moleküldarstellung und die Vorgabe von detaillierten Beobachtungsaufträgen unterstützt die Lernenden auf ihrer selbstständigen Entdeckungsreise. Animationen erlauben ein besseres Verständnis von eher schwer zu vermittelnden Prinzipien und Begriffen, wie zum Beispiel der Antiparallelität der DNA-Einzelstränge. Eine "Erfindung" aus der Mathematik Der Einsatz Dynamischer Arbeitsblätter und deren Verzahnung mit der Nutzung des Lerntagebuchs hat sich im Mathematikunterricht bereits bewährt. Eine Vorreiterrolle spielen hier die Materialien und Publikationen des Lehrstuhls für Mathematik und ihre Didaktik der Universität Bayreuth. Die Erfahrungen zum Einsatz Dynamischer Mathematik lassen sich auf den Einsatz analoger Arbeitsblätter mit 3D-Molekülen im Chemie- und Biologieunterricht übertragen. Die Lernumgebung dieser Unterrichtseinheit besteht aus HTML-Seiten, die mit jedem gängigen Browser betrachtet werden können. Im Gegensatz zu dem Molekübetrachter Chime ist Jmol als Java-Applikation plattformunabhängig und eine Open-Source-Anwendung. Jmol liegt als Applet in eine Webseite eingebettet vor. Dies wird beim Aufruf der Webseite vom Webserver geladen und erfordert daher keine lokale Installation. Die einzige Bedingung für die Nutzung von Jmol-Darstellungen ist, dass der Computer über eine aktuelle Version der Java-Engine verfügt. Jmol als Download Das 3D-Molekülbetrachtungsprogramm Jmol ist als Java-Applikation plattformunabhängig und als Open-Source-Anwendung kostenlos. Strukturierung des Vorwissens per MindMap Üblicherweise wird im Biologieunterricht durch das Transformationsexperiment von Griffith und Avery die DNA als Erbsubstanz identifiziert. An dieser Stelle empfiehlt es sich, jede Schülerin und jeden Schüler eine MindMap zum Thema DNA erstellen zu lassen. Auf diese Weise werden sich die Lernenden darüber klar, was sie über den Aufbau der Erbsubstanz wissen - beziehungsweise, was sie meinen zu wissen. Durch die Organisation des eigenen Wissens bekommen sie eine bessere Struktur in ihren nun folgenden, selbstständigen Lernprozess. Darüber hinaus bietet die MindMap einen guten Startpunkt für die Arbeit mit dem Lerntagebuch. Reflexion des Lernprozesses per Lerntagebuch Das Lerntagebuch ist ein Instrument, mit dessen Hilfe der eigene Lernprozess systematisch reflektiert wird. Darüber hinaus dokumentieren die Schülerinnen und Schüler, was sie thematisch gelernt haben. Es dient somit auch ganz wesentlich als Protokollheft der Sicherung des Gelernten. Die eigene MindMap zur DNA bildet die erste Seite des persönlichen Lerntagebuchs. An dieser Stelle ist es wichtig, die Funktion und die Arbeit mit einem Lerntagebuch zusammen mit den Lernenden zu thematisieren, insbesondere in Lerngruppen, die im Umgang mit Lerntagebüchern oder Portfolios noch ungeübt sind. Vorgabe von Beobachtungsaufträgen Eine Lenkung der Aufmerksamkeit der Schülerinnen und Schüler erfolgt lediglich durch den formalen Aufbau der Arbeitsblätter. Jede Seite richtet den Blick auf einen anderen Aspekt der DNA-Struktur. Die vorgegebenen Beobachtungsaufträge sorgen dafür, dass die Schülerinnen und Schüler mit den wesentlichen Informationen konfrontiert werden. Arbeitsaufträge sowie die schriftliche Fixierung ihrer Beobachtungen zwingen die Lernenden zu einer intensiven, mehrkanaligen Verarbeitung der Thematik. Abb. 3 (Platzhalter bitte anklicken) zeigt einen Screenshot eines typischen Arbeitsblattes: Die Arbeitsaufträge im unteren Feld sind durch Piktogramme als Beobachtungsaufgaben (Auge) und Schreibaufgaben (Stift) gekennzeichnet. Aktiv entdeckendes Lernen Die eigenständige Dokumentation im Lerntagebuch und die aktive, konstruktive Arbeit an den 3D-Molekülmodellen lassen die Beschäftigung mit der DNA zu einer Entdeckungsreise werden. Durch Drehen und Wenden, Zoomen und Hervorheben bestimmter Strukturen, durch Einfügen und Löschen von Wasserstoffatomen oder Wasserstoffbrückenbindungen wählt jeder Jugendliche die Herangehensweise an sein Forschungsobjekt. Dabei bieten einige Informationsboxen (Popups) weitere nützliche Informationen, wie zum Beispiel eine Definition des Begriffs Elektronegativität oder eine Übersicht wichtiger funktioneller Gruppen aus der organischen Chemie. Diese Informationsboxen können durch einen Klick auf die "i"-Piktogramme aufgerufen werden, die sich hinter den jeweiligen Aufgaben befinden (Abb. 4, rechts unten), Besonders hilfreich ist es, wenn jedem Lernenden ein eigener Computerarbeitsplatz zur Verfügung steht. Ist dies nicht möglich, so ist eine Partnerarbeit zu empfehlen. Hier findet dann ein kooperatives Lernen mit einem Partner statt, das sehr fruchtbar sein kann, infolgedessen die Arbeit mit dem Lerntagebuch allerdings einen anderen Schwerpunkt erhält. Es dient dann mehr als Protokollheft. Die neue Rolle der Lehrkraft Die Arbeit mit dem dynamischen Arbeitsblatt bedarf keiner (lehrenden) Einflussnahme der Lehrkraft. Sie fungiert primär als Helfer bei technischen Problemen, insbesondere beim Kennenlernen der möglichen Funktionen des Jmol-Menüs. Als Lernberater beobachtet die Lehrerin oder der Lehrer darüber hinaus kontinuierlich den Lernprozess der Schülerinnen und Schüler. Dazu gehört auch die Durchsicht der Lerntagebücher am Ende der Unterrichtseinheit. Anhand der dynamischen Arbeitsblätter zum Thema " Desoxyribonukleinsäure (DNA) - Die Struktur unserer Erbsubstanz" gewinnen die Schülerinnen und Schüler einen Überblick über den Bau der DNA. Zunächst lernen sie die Bausteine der DNA einzeln kennen, werden dann durch ein strukturiertes Vorgehen an deren Verknüpfung, den doppelhelikalen Aufbau, das Zuckerphosphat-Rückgrat und Basenpaarungen herangeführt. Die Lernumgebung enthält folgende Seiten zum Thema DNA: 1. Die Bausteine der DNA Die Lernenden untersuchen den Aufbau der vier Basen, der Desoxyribose und der Phosphorsäure. 2. Die räumliche Struktur der DNA Hier machen sich die Schülerinnen und Schüler grob mit der Gesamtstruktur der DNA vertraut. 3. Zucker- und Phosphatgruppen Das Zucker-Phosphat-Rückgrat der DNA wird erkundet. 4. Die Nukleobasen I Die Schülerinnen und Schüler untersuchen und vergleichen den chemischen Aufbau der Purin- und Pyrimidin-Basen. 5. Die Nukleobasen II Die Anordnung und Verteilung der Basen in der Gesamtstruktur der DNA wird untersucht. 6. Nukleoside und Nukleotide I Die Lernenden erkunden die 3D-Strukturen von Adenosin und Adenosinmonophosphat. 7. Nukleoside und Nukleotide II Eine Grafik veranschaulicht die Syntheseschritte von den Einzelbausteinen der DNA bis hin zur Polynukleotidkette. 8. Basenpaarung und Wasserstoffbrückenbindung Die Schülerinnen und Schüler erkunden in der Gesamtstruktur der DNA die Lage der Wasserstoffbrücken. 9. Die Strangenden Die Begriffe 5'-Ende, 3'-Ende und Antiparallelität werden veranschaulicht. Mit dem Arbeitsblatt zu den Strangenden endet die Betrachtung des molekularen Aufbaus der DNA. Die beiden noch folgenden Seiten bieten bereits einen Ausblick auf den Aufbau der RNA (siehe "Eigenständige Erforschung der RNA"). Das vorletzte dynamische Arbeitsblatt der Lernumgebung ("Ausblick I") zeigt die Struktur einer linearen, einzelsträngigen RNA. Zumeist wird diese im Biologieunterricht direkt im Anschluss an den Aufbau der DNA behandelt. Der Ausblick bietet somit die Möglichkeit, dass die Schülerinnen und Schüler ihr gerade erworbenes Wissen auf eine neu dargebotene Struktur anwenden, Gemeinsamkeiten und Unterschiede herausarbeiten. Dafür ist sorgfältiges Arbeiten und "genaues Hinschauen" von Nöten. Eine Infobox mit Erklärungen zur Struktur dient der Überprüfung der eigenen Arbeit. Diese Arbeit bedarf auch der intensiveren Auseinandersetzung mit dem Jmol-Menü, da hier bis auf den Reset-Button keine Buttons zu Verfügung stehen. Gleiches gilt für die Seite "Ausblick II". Hier ist ein doppelsträngiger Ausschnitt aus einer t-RNA dargestellt (Abb. 5, Platzhalter bitte anklicken). Die Aufgabe der Lernenden ist es, eine Aussage darüber zu treffen, ob es sich bei dem Molekül um DNA oder RNA handelt. Es bedarf somit einer Rekapitulation der Eigenschaften, Unterschiede und Gemeinsamkeiten der beiden Nukleinsäuren und somit einer (Um)Strukturierung des erworbenen Wissens. Diese letzte Seite der Lernumgebung kann aufgrund des erhöhten Schwierigkeitsgrades im Sinne einer Binnendifferenzierung eingesetzt werden. Möglicherweise ist bei der späteren Behandlung der t-RNA im Kontext der Translation ein Rückgriff auf diese Struktur möglich und für die räumliche Vorstellung der Schülerinnen und Schüler hilfreich. Die Wahl von Leistungskursen wird - so zeigen Umfragen - fast ausschließlich von den Interessen der Schülerinnen und Schüler bezüglich des Faches und des Gegenstandes bestimmt (vergleiche Stürzer et al., 2003: 135f.). Es kann also davon ausgegangen werden, dass in dieser fortgeschrittenen Phase der Schullaufbahn ein großes und selbst gewähltes Interesse an den Fächern Biologie und Chemie bei den Schülerinnen und Schülern, die dieses Fach gewählt haben, besteht. Im Fach Biologie sind die geringsten Unterschiede zwischen Jungen und Mädchen im Hinblick auf die Fächerwahl in den Naturwissenschaften zu finden. Die Unterrichtseinheit "Die Struktur der DNA - virtuelle Moleküle in 3D" kann als eine vorbildlich gestaltete geschlechtergerechte Unterrichtseinheit betrachtet werden. Jungendomäne klassische Naturwissenschaften? Klassische Naturwissenschaften wie Chemie und Physik und auch Mathematik und Technik werden als Jungendomäne klassifiziert, weil Jungen häufiger neben besseren Leistungen auch eine höhere Motivation und ein besseres Selbstkonzept für diese Fächer aufweisen. Lehrpersonen und auch Eltern erwarten von Jungen bessere Leistungen in den sogenannten harten Naturwissenschaften. Die Kompetenzen der Mädchen hingegen werden in diesem Bereich geringer eingeschätzt und eingefordert. Biologie ist attraktiv für Mädchen und Jungen Biologie gilt in dem Sinne nicht als "harte" Naturwissenschaft und wird teilweise sogar als "Mädchenfach" innerhalb der Naturwissenschaften bezeichnet. Aus einigen Studien (unter anderem aus "The Third International Mathematics and Science Study") geht hervor, dass Mädchen bessere Leistungen in Biologie erzielen als Jungen. Aus der Studie "GENUS - Geschlechtergerechter Naturwissenschaftlicher Unterricht in der Sekundarstufe I" (Faulstich Wieland et al., 2008) geht hervor, dass für Mädchen "das Fach Biologie mit Abstand das attraktivste naturwissenschaftliche Fach [ist], gefolgt von Chemie. (…) Für die männlichen Jugendlichen stehen die Fächer Biologie und Naturwissenschaften/Technik zu gleichen Anteilen an erster Stelle, dann folgen die Fächer Chemie und Physik" (Läzer, 2008: 95). Biologie ist also sowohl für Mädchen wie auch für Jungen das attraktivste naturwissenschaftliche Fach, was einen guten Anknüpfungspunkt auch für die Weckung oder Verstärkung von Interesse an Chemie bietet. Kriterien einer geschlechtergerechten Unterrichtsgestaltung Wie in der Unterrichtseinheit beschrieben wird, braucht diese Unterrichtseinheit keine direkte Instruktion durch die Lehrkraft. Vielmehr stehen die Lehrpersonen beratend und helfend den Schülerinnen und Schülern zur Seite. Bei soviel "Freiraum" und "Freiheit" der Unterrichtsgestaltung ist es besonders wichtig, zu Beginn über Kriterien einer geschlechtergerechten Gestaltung nachzudenken, da nur zu Beginn der Unterrichtseinheit Lehrende und Lernende in ihren Rollenbezügen aufeinander treffen. Gleiche Ausgangsbedingungen schaffen Als Lehrkraft sollten Sie deshalb darauf achten, dass zu Beginn der Unterrichtseinheit gleiche Ausgangsbedingungen für alle Schülerinnen und Schüler bestehen. Erklären Sie die Software und geben Sie eine Einführung in Jmol. Schärfen Sie Ihre "Gender-Brille" bei der Bildung der Lerngruppen, damit ein ausgewogenes Geschlechterverhältnis innerhalb einer Gruppe anzutreffen ist. Beobachten und Reflektieren Die Arbeit mit den dynamischen Arbeitsblättern und den Aufgaben, die bearbeitet werden sollen, können beobachtet werden. Wer bedient den Computer, wer reflektiert die Beobachtung? Wie arbeitet die Gruppe zusammen? Sind Geschlechterstereotype ersichtlich? Nutzen Sie als Lehrperson die Zeit, während die Schülerinnen und Schüler mit den dynamischen Arbeitsblättern experimentieren und verschaffen Sie sich einen Überblick über mögliche geschlechtsspezifische Arbeitsverteilungen, Zuschreibungen et cetera innerhalb der Schulklasse. Reflektieren Sie als Lehrperson selbst, ob Sie bewusst oder unbewusst einigen Schülerinnen und Schülern Merkmale zuschreiben, die mit Gender-Klischees verbunden sind. Die thematische Verbindung von Schule und Alltag birgt Möglichkeiten, das Interesse der Schülerinnen und Schüler zu wecken. Durch die Einführung der DNA in ihrem Bezug zu Alltags- und Lebensphänomenen - dass alle Lebewesen Träger einer DNA sind - können das Interesse der Lernenden geweckt und ihre Motivation gesteigert werden. Die Möglichkeiten zum selbstständigen Arbeiten der Schülerinnen und Schüler im Schulgebäude wie auch am heimischen Computer ist positiv zu sehen, denn: "Eigenes Handeln und spielerisches Ausprobieren von Wirkungen und Möglichkeiten wecken Entdeckerfreude und Verständnis. Praktische Arbeit wirft Fragen auf, lässt Zusammenhänge erkennen, und attraktive Produkte, die zuhause vorgezeigt werden können, motivieren zur Mitarbeit" (Uhlenbusch, 1992: 119). Die Lernenden werden mit spannenden Darstellungen der 3D-Arbeitsblätter durch das Material geleitet und angeregt, auch sich auch darüber hinaus mit dem Thema auseinanderzusetzen. Die 3D-Arbeitsblätter entsprechen dem neuen Design und regen dazu an, auch im häuslichen Umfeld zu zeigen, was und wie in der Schule gelehrt wird. Lerntagebuch Die Führung eines Lerntagebuchs beziehungsweise eines Portfolios zur Reflexion des Lernprozesses ist ein Bestandteil der Unterrichtseinheit. Als Lehrkraft sollten Sie von Anfang an darauf achten, dass alle Schülerinnen und Schüler wissen, was in dem Lerntagebuch beziehungsweise Portfolio von ihnen erwartet wird. Durch klare Aussagen zu Umfang, Inhalt sowie Art und Weise der Aufmachung können gleiche Bedingungen für die Lernenden geschaffen werden. Schreiben am Computer Häufig sind es Mädchen "die von sich aus sagen, sie wollen bei einem Experiment die Schreibtätigkeit übernehmen" (Freese, 2008: 66). Schreiben, Reflektieren, kreativ sein sind Eigenschaften, die Mädchen zugeschrieben werden und der selbstbewusste Umgang mit dem Computer gilt eher als jungenspezifisch. Achten Sie darauf, dass Sie solche Zugänge einerseits ernst nehmen als Motivation, achten sie andererseits aber auch darauf, dass ein Wechsel in den Tätigkeiten stattfindet und das Lerntagebuch von allen Schülerinnen und Schülern geführt wird, unabhängig davon, ob in Gruppen oder Einzeln gearbeitet wurde, und dass die Arbeit am Computer rotiert.

  • Biologie
  • Sekundarstufe II

Der Aufbau von Kochsalzkristallen

Unterrichtseinheit

Die hier vorgestellte Flash-Folie unterstützt das Unterrichtsgespräch zu den Themen Aufbau eines Salzkristalls und Ionenbindung (Beamerpräsentation).Die in die Folie eingebundenen Aufgabenstellungen und Informationen können von den Lernenden auch in Partnerarbeit im Computerraum oder am heimischen Rechner bearbeitet und genutzt werden. Der Aufbau von Salzkristallen wird auf zwei Ebenen betrachtet: Zum einen werden die Eigenschaften realer Kochsalzkristalle anhand eines Fotos ausgemessen und berechnet (Größe und Masse der Kristalle, Anzahl der Teilchen in einem Kristall), zum anderen wird der Kristallaufbau mithilfe eines Teilchenmodells betrachtet (Anordnung der Ionen, geometrische Eigenschaften).Die Flash-Folie steht auch in einer englischsprachigen Version zur Verfügung und ist daher für den Einsatz im bilingualen Unterricht geeignet. Im Menü ist eine Vokabelliste mit den einschlägigen Begriffen stets präsent. Im Zusammenhang mit der Untersuchung von Kristallstrukturen bietet sich auch der Einsatz dreidimensionaler, am Bildschirm frei drehbarer Kristallmodelle an (als Beamerpräsentation oder im Rahmen einer Partnerarbeit im Computerraum). Inhalte und Funktionen der Flash-Folie Kochsalzkristalle unter dem Binokular und im Teilchenmodell - Screenshots veranschaulichen die Funktionen der Materialien. Interaktive 3D-Modelle Schülerinnen und Schüler können mit so genannten Molekülbetrachtern die NaCl-Struktur - und den Aufbau komplexerer Kristalle - am Bildschirm (fast) im wörtlichen Sinn "begreifen". Die Schülerinnen und Schüler sollen anhand der Gegenüberstellung von Realobjekt und Teilchenmodell den Aufbau von Kochsalzkristallen kennenlernen. den Aufbau des Ionengitters (Koordination) erläutern und den Zusammenhalt der Stoffteilchen als Ionenbindung (Ladungsbezug) erklären können. Wenn Sie die Flash-Folie in Ihrem Browser starten, sehen Sie zunächst ein Foto von Salzkristallen unter dem Mikroskop sowie das Teilchenmodell eines Kristalls (Abb. 1, Platzhalter bitte anklicken). Den "Trennbalken" zwischen den beiden Ansichten können Sie bei gedrückter linker Maustaste "anfassen" und nach links und rechts verschieben, so dass Sie wahlweise mit dem Foto oder dem Kristallmodell arbeiten können. Die Abbildung der Folie zeigt handelsübliche Kochsalzkristalle bei 20-facher Vergrößerung. Die Schülerinnen und Schüler sollen das Aussehen der Kristalle beschreiben. Dabei werden die Würfelform, aber auch unterschiedliche Größen sowie Abweichungen von der Würfelform genannt. Mithilfe der beiden verschiebbaren Maßstäbe (jeweils 1 Millimeter) können die Würfel vermessen werden. Damit sind Volumen- und Massenbestimmungen (bei bekannter Dichte) möglich. Über die Buttons können Aufgabenstellungen und Informationen aufgerufen werden (Abb. 2). Die Schülerinnen und Schüler können die Masse der Kristalle bestimmen. die Stoffmenge n in mol berechnen. ausrechnen, wie viele NaCl-Formeleinheiten sich auf einer Kante eines Durchschnittskristalls befinden. Der rechte Teil der Folie zeigt das Modell eines Kochsalzkristalls als dichte Kugelpackung. Den Schülerinnen und Schülern wird deutlich, dass die Stoffteilchen (Ionen) dicht nebeneinander liegen. Aufgrund der gegebenen Größe der Ionen ergibt sich für die NaCl-Elementarzelle die charakteristische Würfelform der Kristalle. Über die verschiedenen Buttons lassen sich nun einige Manipulationen am Kugelmodell vornehmen oder Informationen aufrufen. So kann zum Beispiel die "dichte Kugelpackung" in ein "Kugelstäbchen-Modell" umgewandelt oder die Koordination der Chlorid- oder Natrium-Ionen darstellt werden (Abb. 3). Jmol und Chime Mithilfe von kostenfrei zur Verfügung stehenden Molekülbetrachtern können 3D-Kristallstrukturen am Bildschirm mit dem Cursor (bei gedrückter linker Maustaste) "angefasst", gedreht und gewendet werden. Die beiden wichtigsten Molekülbetrachtern sind Jmol und Chime. Um an das Chime-Plugin-zu gelangen, müssen Sie sich zunächst auf der Symyx-Homepage (ehemals MDL) registrieren lassen. Im Gegensatz zu Chime ist Jmol eine Open-Source-Anwendung und plattformunabhängig. Zur Nutzung von Jmol-Anwendungen ist lediglich das Plugin Java Runtime Environment erforderlich. Kristallaufbau am Bildschirm "begreifen" Abb. 4 zeigt einen Screenshot mit einem Ausschnitt aus dem Gitter eines NaCl-Kristalls, dargstellt mit Jmol. Durch einen Klick mit der rechten Maustaste kann das Jmol-Menü aufgerufen und zwischen verschiedenen Darstellungen gewechselt werden. Schülerinnen und Schüler können mit diesem Werkzeug die NaCl-Struktur - oder den Aufbau anderer Kristalle - am Bildschirm "begreifen". Alternativ kann man sich auf die Präsentation der 3D-Modelle per Beamer beschränken.

  • Chemie
  • Sekundarstufe I

Proteinmodelle aus dem Internet – Beispiel Insulin

Unterrichtseinheit

In dieser Unterrichtseinheit werden am Beispiel Insulin Proteindatenbanken und kostenlose Molekülbetrachter wie RasMol vorgestellt. Diese Datenbanken bieten die Möglichkeit, mithilfe des Computers Aspekte der Struktur-Funktionsbeziehung auf molekularer Ebene so anschaulich darzustellen, wie dies im Unterricht mit keinem anderen Hilfsmittel möglich ist.Möchte man die Raumstruktur eines Proteins in einem Molekülmodell darstellen, so benötigt man die Raumkoordinaten jedes einzelnen Atoms. Polypeptidsequenzen, für die diese Raumkoordinaten bereits bekannt sind, werden in der Regel in Datenbanken im Internet veröffentlicht. Von dort kann man sie auf den eigenen Rechner laden und als 3D-Molekülmodell visualisieren. Diese Unterrichtsheit zeigt am Beispiel des Insulins, wie am Rechner 3D-Molekülmodelle visualisiert werden können. In diesem Zusammenhang wird auch die Fragestellung nach dem Einsatz von Schweineinsulin und gentechnisch verändertem Insulin beim Menschen erörtert. Die Arbeit mit der Proteindatenbank schafft ein Bewusstsein dafür, wie wichtig das Internet als Drehscheibe für Biodaten und die freie Zugänglichkeit von Forschungsergebnissen für die tägliche Arbeit der weltweiten Wissenschaftsgemeinschaft ist. 3D-Computermodelle im Unterricht Der vollständige Weg von der Peptidsequenz zum dreidimensionalen Computermodell eines Proteins ist schwierig zu vermitteln, da sehr viele mathematische und physikalische Details in ihm stecken. Die räumliche Darstellung eines Proteins, zum Beispiel eines Stoffwechselenzyms oder eines Transportmoleküls wie des Sauerstoff bindenden Myoglobins, ist jedoch sehr wichtig für das Verständnis seiner Funktion. Dies soll auch der Lehrer-Online-Artikel Die dreidimensionale Hämoglobinstruktur verdeutlichen. Die räumliche Struktur von Substratbindungsstellen steht in direkter Beziehung zur Raumstruktur der Substrate (Schlüssel-Schloss-Prinzip) und damit zur Substratspezifität der Enzyme. Auch die Wirkung kompetitiver Hemmstoffe oder allosterischer Regulatoren können mithilfe einer interaktiven 3D-Struktur der Biomoleküle besser verdeutlicht werden, als dies durch andere Lehrmittel möglich ist. Arbeit mit Datenbanken im Biologie-Unterricht Die in den beiden Arbeitsblättern gestellten Aufgaben sollen zum einen dazu beitragen, die Wichtigkeit von Proteindatenbanken in der Hinsicht auf die Vergleichsmöglichkeiten (Zugehörigkeit eines Proteins zu einer "Proteinfamilie") von Sequenzen zu zeigen. Zum anderen soll die Medienkompetenz der Schülerinnen und Schüler - der Zugang zu einer Datenbank und der Umgang mit einem Visualisierungsprogramm - geschult werden. Die Arbeit mit Originaldaten, die Forscherinnen und Forscher im Internet veröffentlicht haben und die täglich von der weltweiten Wissenschaftsgemeinschaft genutzt werden, wirkt auf die Lernenden motivierend. Außerdem entwickeln sie ein Bewusstsein dafür, wie wichtig es für die modernen Biowissenschaften ist, dass Forschungsergebnisse frei zur Verfügung stehen und welche Rolle dabei das Internet spielt, das als Informationsquelle aus dem täglichen Forschungsbetrieb der Molekularbiologen nicht mehr wegzudenken ist. Unterrichtsverlauf "Proteinmodelle im Unterricht" Die Schülerinnen und Schüler sollten bereits Kenntnisse über Aminosäuren, den Aufbau der Peptidbindung, Primär- und Sekundärstrukturen sowie Wechselwirkungen zwischen den Peptidketten haben und mit dem Computer sicher umgehen können. Gegebenenfalls muss eine Einführung in RasMol und die Nutzung einer Datenbank eingebaut werden. Je nach Schwierigkeitsgrad des Unterrichts und der Vorbildung der Lernenden können die Methodik der Röntgenstrukturanalyse und der Kernmagnetischen Resonanz (NMR) genauer analysiert werden. Fachlicher Hintergrund Informationen zum Weg von der DNA-Sequenz bis zur Tertiärstruktur eines Proteins und Infos zu dem für die Visualisierung im Unterricht benötigten Molekülbetrachter RasMol Die Schülerinnen und Schüler verstehen am Beispiel des Insulins den Zusammenhang zwischen der in einer Proteindatenbank gespeicherten Datei und der Umsetzung als Proteinmodell im Computer. können 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. erarbeiten grundlegendes Wissen über den 3D-Aufbau (die Tertiär- und Quartärstruktur) von Proteinen. können Struktur-Funktionsbeziehungen begreifen und erklären. können Methoden zur Strukturaufklärung von Proteinen verstehen und wiedergeben. Aus der durch die DNA-Sequenz definierten Primärstruktur des Proteins lassen sich Sekundärstrukturbereiche (Faltblätter, Helices, ungeordnete Schleifen) vorhersagen, die durch Wechselwirkungen zwischen den Peptidbindungen und den Seitenketten der Aminosäuren entstehen. Um aber eine Aussage über die - wie es im Fachjargon so schön heißt - Struktur-Funktionsbeziehungen machen zu können, zum Beispiel im Zusammenhang mit den Eigenschaften des katalytischen Zentrums eines Enzyms, benötigt man noch die 3D-Struktur des Proteins in Verbindung mit weiteren Daten, wie zum Beispiel der spezifischen Bindung von Substraten oder Hemmstoffen. Erst dann können Aussagen über die Proteinfunktion auf der molekularen Ebene gemacht werden. Zur Aufklärung der vollständigen räumlichen Anordnung einer nativen Polypeptidkette, seiner Tertiärstruktur, muss zunächst ein hochreiner Proteinkristall "gezüchtet" werden. Hat man ein geordnetes Proteinkristallgitter erreicht, kann dieses mithilfe der Röntgenstrukturanalyse untersucht werden. Die Röntgenstrahlen werden beim Durchtritt durch den Kristall (Wellenlänge im Ångström-Bereich, 1Å = 0,1 nm) gebeugt. Das entstehende Beugungsmuster wird entweder von einem elektronischen Detektor aufgefangen (Diffraktometer) oder mithilfe eines Films sichtbar gemacht. Durch ein mathematisches Verfahren (Fourier-Transformation) erhält man eine Elektronendichtekarte, aus der die Raumkoordinaten für jedes einzelne Atom im Kristall bestimmt werden können. Einfacher hat man es, wenn das Protein zu einer bereits bekannten Proteinfamilie gehört und eine starke Homologie zu einem Protein aufweist, dessen 3D-Struktur bereits aufgeklärt ist. Dann kann die Struktur des "neuen" Proteins durch eine Modellierung abgeleitet werden. Das Züchten von Proteinkristallen für die Röntgenstrukturanalyse ist keine triviale Angelegenheit. Um zum Erfolg zu kommen, wurden Proteinkristalle sogar schon im Weltraum gezüchtet, denn unter den Bedingungen der Schwerelosigkeit sind die Voraussetzungen für die Herstellung fehlerfreier Kristalle besonders günstig. Insbesondere Membranproteine lassen sich nur schwer kristallisieren. In solchen Fällen kann die Struktur eines Proteins mittels NMR auch in Lösung ermittelt werden. Hierbei ergibt sich jedoch keine eindeutige Struktur, da sich die Atome des Proteins in diesem Zustand bewegen (siehe "Zusatzinformationen" auf der Startseite des Artikels). Die Raumkoordinaten von Proteinen werden in Form langer Listen in Online-Datenbanken gespeichert. Von dort kann man sie als Textdateien auf den eigenen Rechner laden und mit einem geeigneten Programm visualisieren. Ein solches Programm ist zum Beispiel das im Internet für schulische Zwecke frei erhältliche RasMol. Die Software bietet die Möglichkeit, aus den Koordinatenangaben der Datenbank dreidimensionale Proteinmodelle zu erstellen, die man um ihre Achsen rotieren lassen oder mit der Maus anfassen und beliebig drehen und wenden kann. Auch ein "Hineinzoomen" in die Moleküle ist möglich. Mit RasMol können Proteine in verschiedenen Darstellungsformen visualisiert werden (Kugelstabmodell, Proteinrückgrat und raumfüllendes Kalottenmodell). Heteroatome, Wasserstoffbrücken oder gebundene Wassermoleküle lassen sich oft anzeigen. Ein Nachteil des Programms ist, dass die Befehlssprache englisch ist und dass die Arbeit nur über die "Command line" läuft, die nicht sehr nutzerfreundlich ist. Empfehlenswert ist es, sich eine Liste der vom Programm erkannten Kommandos auszudrucken. Der vollständige Weg von der Peptidsequenz zum dreidimensionalen Computermodell eines Proteins ist schwierig zu vermitteln, da sehr viele mathematische und physikalische Details in ihm stecken. Die räumliche Darstellung eines Proteins, zum Beispiel eines Stoffwechselenzyms oder eines Transportmoleküls wie des Sauerstoff bindenden Myoglobins, ist jedoch sehr wichtig für das Verständnis seiner Funktion. Dies soll auch der Lehrer-Online-Artikel Die dreidimensionale Hämoglobinstruktur verdeutlichen. Die räumliche Struktur von Substratbindungsstellen steht in direkter Beziehung zur Raumstruktur der Substrate (Schlüssel-Schloss-Prinzip) und damit zur Substratspezifität der Enzyme. Auch die Wirkung kompetitiver Hemmstoffe oder allosterischer Regulatoren können mithilfe einer interaktiven 3D-Struktur der Biomoleküle besser verdeutlicht werden, als dies durch andere Lehrmittel möglich ist. Die in den beiden Arbeitsblättern gestellten Aufgaben sollen zum einen dazu beitragen, die Wichtigkeit von Proteindatenbanken in der Hinsicht auf die Vergleichsmöglichkeiten (Zugehörigkeit eines Proteins zu einer "Proteinfamilie") von Sequenzen zu zeigen. Zum anderen soll die Medienkompetenz der Schülerinnen und Schüler - der Zugang zu einer Datenbank und der Umgang mit einem Visualisierungsprogramm - geschult werden. Die Arbeit mit Originaldaten, die Forscherinnen und Forscher im Internet veröffentlicht haben und die täglich von der weltweiten Wissenschaftsgemeinschaft genutzt werden, wirkt auf die Lernenden motivierend. Außerdem entwickeln sie ein Bewusstsein dafür, wie wichtig es für die modernen Biowissenschaften ist, dass Forschungsergebnisse frei zur Verfügung stehen und welche Rolle dabei das Internet spielt, das als Informationsquelle aus dem täglichen Forschungsbetrieb der Molekularbiologen nicht mehr wegzudenken ist. Die Schülerinnen und Schüler sollten bereits Kenntnisse über Aminosäuren, den Aufbau der Peptidbindung, Primär- und Sekundärstrukturen sowie Wechselwirkungen zwischen den Peptidketten haben und mit dem Computer sicher umgehen können. Gegebenenfalls muss eine Einführung in RasMol und die Nutzung einer Datenbank eingebaut werden. Je nach Schwierigkeitsgrad des Unterrichts und der Vorbildung der Lernenden können die Methodik der Röntgenstrukturanalyse und der Kernmagnetischen Resonanz (NMR) genauer analysiert werden.

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