Unterrichtsmaterialien zum Thema "Biochemie"

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Nanomotoren in Natur und Technik

Unterrichtseinheit

In dieser Unterrichtseinheit zum Thema ATP-Synthase lernen die Schülerinnen und Schüler den prinzipiellen Mechanismus der Energieumwandlung kennen. Die Lernenden beschäftigen sich mit dieser natürlichen Nanomaschine sowie mit den ersten Chimären aus Natur und Technik und sie setzen sich mit den zukünftigen Einsatzmöglichkeiten auseinander.Nanotechnologie und Nanobiotechnologie gelten mit ihren immensen Anwendungsmöglichkeiten als wichtige Zukunftstechnologien. Sie faszinieren wissenschaftliche Laien und junge Menschen gleichermaßen und sind daher auch in der Berichterstattung der Medien in Mode gekommen. Selbst Grundlagen werden dabei oft falsch oder futuristischste Szenarien werden als greifbare Realität dargestellt. Im Sinne der Wissenschaftskommunikation ("Public Understanding of Sciene") muss es auch eine Aufgabe des naturwissenschaftlichen Unterrichts sein, die molekularen Grundlagen zum Verständnis der Nanobiotechnologie zu vermitteln und Schülerinnen und Schülern so die kritische Hinterfragung populärwissenschaftlicher Medienbeiträge zu ermöglichen. Dies ist gerade im Zusammenhang mit neuen Technologien auch für die Meinungsbildung in einer Demokratie wichtig. Trotz der restriktiven Bedingungen der Unterrichtspraxis ist es daher wichtig, auch einmal einen Blick auf das anspruchsvolle Thema Nanobiotechnologie zu werfen - zum Beispiel im Zusammenhang mit der Besprechung der ATP-Synthase. Voraussetzungen und Anknüpfungsmöglichkeiten im Unterricht Das sehr anspruchvolle Thema bietet sich als Unterpunkt eines Schwerpunktvorhabens (NRW) oder Projektunterrichts zur Biotechnologie an. Voraussetzung ist, dass die Schülerinnen und Schüler den "molekularen Motor" ATP-Synthase entweder bei der Besprechung der Zellatmung oder bei der Photophosphorylierung in der Photosynthese kennen gelernt haben. Kenntnisse über den Bau und die Funktion der jeweiligen Membransysteme und deren Proteinkomplexe sowie das Prinzip des Ionengradienten und der Energieumwandlung sollten bekannt sein. Jahrgangsstufe 11 Das Thema kann im Anschluss an die Zellatmung in den Unterricht miteinbezogen werden. Jahrgangsstufe 13 Hier kann das Thema als Zusatz zur Evolution unter dem Aspekt der Evolution energieabhängiger Prozesse thematisiert werden (Evolution der ATP-Synthasen). Jahrgangsstufe 11-13 In der gesamten Sekundarstufe II können Nanomotoren unter dem in der Biologie elementaren Aspekt von "Struktur und Funktion" betrachtet werden. Unterrichtsverlauf "Nanomotoren in Natur und Technik" Unterrichtsverlauf "Nanomotoren in Natur und Technik" Die Schülerinnen und Schüler lernen natürliche und hybride Nanomotoren kennen und präsentieren Ihre Ergebnisse mithilfe der "Museumsgang"-Methode. Die Schülerinnen und Schüler erwerben grundlegendes Wissen über den 3D-Aufbau der Rotationsmaschine ATP-Synthase (Tertiär und Quartärstruktur). können prinzipielle Struktur-Funktionsbeziehungen begreifen und erklären. lernen die wichtigsten Mechanismen der Zelle, chemische Energie in Bewegung umzuwandeln, kennen. begreifen Proteinkomplexe in ihrer Eigenschaft als Motoren. lernen Anwendungsmöglichkeiten für Nanomotoren kennen und entwickeln selber Ideen. begreifen die Natur als Vorbild für technische Umsetzungen und entwickeln dadurch ein Grundverständnis für die Bionik. lernen Utopien und unwissenschaftliche Presseberichte analysieren und auf ihren sachlichen Gehalt reduzieren. Einstieg: Anregungen aus der "Nanozukunft" Als Einstieg und zur Motivierung der Schülerinnen und Schüler werden einige futuristisch anmutende Texte gelesen oder von der Lehrkraft vorgestellt, zum Beispiel zum Thema Nanomotoren für medizinische und pharmazeutische Anwendungen. Arbeitsblatt 1 (nanomotor_ab1.rtf) enthält eine Liste mit Links zu geeigneten Onlineartikeln. Partnerarbeit: ATP-Synthase Die Schülerinnen und Schüler bearbeiten in Partner- oder Kleingruppenarbeit die Arbeitsblätter mit Informationen und Links zu dem "natürlichen Nanomotor" ATP-Synthase (nanomotor_ab2.pdf, nanomotor_ab3.pdf). Animationen aus dem Internet visualisieren die Bewegungsabläufe in beiden ATP-Synthase-Teilen. Gruppenarbeit: "Hybride Nanomotoren" Die Schülerinnen und Schüler erarbeiten in Gruppenarbeit die verschiedenen Rotationsmodelle von Nanomotoren im Vergleich mit der Bewegung der natürlichen ATP-Synthase (F1/Actin, F1/F0/Actin, F1/F0/Nanovesikel, lichtgetriebene Rotation in Kombination mit Bacteriorhodopsin). Sie informieren sich dazu mithilfe von Arbeitsblatt 4 (nanomotor_ab4.pdf) und Arbeitsblatt 5 (nanomotor_ab5.pdf). Jede Expertengruppe erstellt dann ein Poster von ihrem Modell. Museumsgang: Präsentation der Ergebnisse (Poster-Ausstellung) Zum Abschluss werden neue Gruppen gebildet, in denen sich jeweils ein Schüler oder eine Schülerin aus jeder Expertengruppe befindet. Die jeweiligen Poster-Experten stellen Ihr Plakat den anderen vor. Hierbei wird die "Museumsgang"-Methode eingesetzt. Wie werden Bakteriengeißeln angetrieben und wodurch rotiert die ATP-Synthase, die wichtigste ATP-liefernde "Maschine" der Zellen? In beiden Fällen stammt die Energie aus einem transmembranen Ionengradienten. Sowohl der Geißelmotor als auch die ATP-Synthase sind Rotationsmotoren, wobei der Geißelmotor zehnmal so groß ist wie die ATP-Synthase (40 Nanometer Durchmesser). Nach den Vorbildern aus der Biologie versuchen Wissenschaftler technisch und medizinisch nutzbare Nanomotoren zu entwickeln. Ein erster Schritt dabei ist das Verständnis von Struktur und Funktion der Biomoleküle. In einem zweiten Schritt sind dann strukturelle Veränderungen erforderlich, um die Nanomotoren an ihre neuen Aufgaben anzupassen. Aufbau und Energiequellen Die ATP-Synthase besteht aus zwei sich gegenüberstehenden Rotationsmotoren, die in Serie geschaltet und über einen "Proteinstab" miteinander verbunden sind. Der F1-Motor, der "Kopf" der ATP-Synthase, besteht aus sechs alternierend und wie die Stücke einer Apfelsine angeordneten alpha- und beta-Untereinheiten. Im Zentrum des Kopfes bilden die gamma- und die epsilon-Untereinheit eine Art Achse. Je eine alpha- und eine beta-Einheit enthalten zusammen eine katalytische Nukleotidbindungsstelle, an die ATP beziehungsweise ADP und anorganisches Phosphat gebunden werden. Der membranständige F1-Motor wird durch die Energie aus der Hydrolyse von ATP angetrieben, wobei sich die zentrale Achse (gamma- und die epsilon-Untereinheit) dreht. Der transmembrane F0-Motor wird dagegen durch die Protonenmotorische Kraft ("Proton Motive Force", PMF) bewegt, die sich aus dem Membranpotential und dem Protonengradienten über der Membran zusammensetzt. Mehrere kleine Untereinheiten im F0-Komplex fungieren als Statoren (Ständer), die den Rotor fixieren und in seiner Membranposition halten. Bildung von ATP oder Pumpen von Protonen Unter normalen physiologischen Bedingungen der Photosynthese und der Zellatmung treibt der F0-Motor den an ihn gekoppelten F1-Motor in Richtung ATP-Synthese an. In einigen Bakterien kann bei niedriger PMF, zum Beispiel unter anaeroben Bedingungen, der F1-Motor aber auch ATP hydrolysieren und mithilfe der dadurch gewonnenen Energie den F0-Motor rückwärts laufen lassen, so dass er wie eine Protonenpumpe funktioniert. Der F0- und der F1-Motor stehen für die beiden prinzipiellen Mechanismen der Zelle, chemische Energie in mechanische Kraft umzuwandeln (Protonenmotorische Kraft und ATP-Hydrolyse). Der Geißelmotor der Bakterien ist das Kraftwerk unter den Proteinmotoren. Er generiert Beschleunigungen von etwa 200 picoNewton (pN) am Rotorrand, viel mehr als jeder andere bekannte Proteinmotor. Ein Bakterium legt damit pro Sekunde einen Strecke von etwa 20 Eigenlängen zurück - und bewegt sich damit im Vergleich zu einem modernen U-Boot fünfzigmal schneller! Wie der F0-Motor besitzt der "Bacterial Flagellar Motor" (BFM) einen transmembranen Rotor, der im Gegensatz zur ATP-Synthase von mindestens acht peripheren Statoren (Ständern) stabilisiert wird. Als Energiequelle dient wie bei der ATP-Synthase ein Ionengradient (Protonen oder Natriumionen). Für jede Umdrehung des Motors müssen 1.200 Protonen durch den Rotor fließen. Der protonengetriebene Motor rotiert mit 300 Hertz, der mit Natriumionen angetriebene mit 1.700 Hertz! Der Mechanismus der Energieumwandlung ist noch nicht vollständig geklärt. Carlo Montemagno und seine Kollegen von der amerikanischen Cornell Universität konstruierten bereits 1999 einen der ersten funktionsfähigen Nanomotoren, indem sie biologische und anorganische Komponenten miteinander kombinierten. Der Hybridmotor besteht aus einem gentechnisch veränderten ATP-Synthase-Kopf und einem daran angebrachten winzigen Nickel-Propeller (Durchmesser etwa 150 Nanometer, Länge 750 Nanometer). Dank der durch ATP-Hydrolyse gelieferten Energie rotierten die Nanopropeller mit immerhin acht Umdrehungen pro Sekunde. Man kann diese Drehbewegung über Rastersondenmikroskopie sichtbar machen. Ein Problem ist die kontinuierliche Versorgung des Motors mit Energie. Im Experiment wird ATP zugegeben und zu ADP und Phosphat hydrolysiert, wodurch die Drehbewegung in der ATP-Synthase zustande kommt. In anderen Experimenten wurde die ATP-Synthase (in ihrer natürlichen Form) zusammen mit Bakteriorhodopsin als gekoppeltes System in Liposomen eingebaut. Mithilfe des Sonnenlichts generiert das Bacteriorhodopsin über der Vesikelmembran einen Protonengradienten, der die ATP-Synthasen antreibt. Beim Durchfluss von Protonen durch den Kanalteil der ATP-Synthase (F0) wird auch der Rotationsmotor im Kopf des Enzyms gedreht. 3D-Struktur von Bacteriorhodpsin Unter dem "Still Image" finden Sie einen "Interactive View", den Sie mit dem Curser "anfassen, drehen und wenden können". Wie die Kombination von Bacteriorhodopsin und ATP-Synthase für die Konstruktion medizinisch verwendbarer "Nanofähren" genutzt werden kann, ist bislang unklar. Es wurden auch Untersuchungen zur Schaltung des Motors durchgeführt. Aber auch hierzu konnten bislang keine befriedigenden Lösungen entwickelt werden. Der Einsatz winziger Propeller-Maschinchen als Nanofähren, die Medikamente im Körper von Patienten zielsicher an den gewünschten Ort transportieren, ist heute noch eine Utopie.

  • Biologie / Technik
  • Sekundarstufe II

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.

  • Biologie
  • Sekundarstufe II

Warum ist "Kerrygold"-Butter so weich?

Unterrichtseinheit

In dieser Unterrichtseinheit zur organischen Chemie nutzen die Lernenden ein Molekül-Zeichenprogramm, recherchieren im Internet und führen selbst entwickelte Experimente durch, um der chemischen Natur der streichweichen Butter auf die Spur zu kommen. Das mit dem Schülerpreis der Deutschen Gesellschaft für Fettwissenschaften ausgezeichnete Material, das sich für den Präsenz- und Distanzunterricht eignet, gibt es hier mit Musterlösungen und einer Handreichung für Lehrkräfte mit nur einem Klick zum Download.Die Unterrichtseinheit "Warum ist die 'Kerrygold'-Butter so weich?" ermöglicht, ausgehend von einer Alltagsfrage, wissenschaftspropädeutisches Arbeiten im Unterricht. Die Schülerinnen und Schüler lernen den Unterschied zwischen qualitativen und quantitativen Experimenten kennen. Inhaltlich stehen Ester und die elektrophile Addition im Mittelpunkt. Exkurse zu Butter-Farbstoffen und Iodzahl sind möglich. Die Unterrichtseinheit wurde mit dem Schülerpreis der Deutschen Gesellschaft für Fettwissenschaften ausgezeichnet. Didaktische Analyse Diese Unterrichtseinheit ermöglicht im Rahmen des Themas Butter die Behandlung von ganz verschiedenen Inhalten und Methoden der Chemie, die vielleicht auf den ersten Blick keinen fachsystematisch sinnvollen Zusammenhang versprechen. Wählt man den Zeitpunkt der Unterrichtseinheit jedoch geschickt, kann man die kontextgebundene Einführung neuer Inhalte und fachwissenschaftlicher Methoden mit integrierten Wiederholungen, zum Beispiel zur Vorbereitung auf das Abitur oder auch im Rahmen eines Projektunterrichts, sehr schön verknüpfen. Das Material untergliedert sich in acht Teile mit unterschiedlichen Arbeits- und Rechercheaufträgen für Schülerinnen und Schüler. Dabei kommen verschiedenste Sozialformen und Zugänge zum Tragen, die es ermöglichen, gruppenspezifisch zu differenzieren und in Präsenz oder Distanz zu unterrichten. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler erleben, wie sich aus einer einfachen Frage eine kleine Forschungsreihe entwickelt. können einen Strukturformel-Editor nutzen, um auf molekularer Ebene Antworten auf eine chemische Fragestellung zu finden. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler recherchieren im Internet und wählen themenbezogene und aussagekräftige Informationen aus. können zwischen qualitativen und quantitativen Versuchen unterscheiden. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler entwickeln gemeinsam ein Experiment.

  • Chemie / Natur & Umwelt
  • Sekundarstufe I, Sekundarstufe II

Diabetes – Grundlagen der Krankheit

Unterrichtseinheit

Schülerinnen und Schüler sollen sich im Rahmen des Themas Diabetes mit der Wirkung von Hormonen, mit Peptidhormonen, Signalkaskaden und Immunreaktionen auseinandersetzen. Dabei helfen Recherchen im vorgegebenen Material und im Internet, entweder auf vorgegebenen Webseiten oder mithilfe von Suchmaschinen.Die Unterrichtseinheit soll den Lernenden die Ursachen für eine Diabetes-Erkrankung näher bringen und das Grundverständnis für den Umgang mit einer solchen Behinderung wecken. Diabetiker müssen ihren Blutzuckerspiegel ständig beobachten und einstellen. Das ist aufgrund der heutigen maßgeschneiderten Insuline mit langer oder kurzer Wirkzeit sehr viel leichter als früher. Die Vielfalt der möglichen Ursachen für Altersdiabetes wird deutlich, wenn man das Prinzip einer Signalkaskade verstanden hat und weiß, dass kein Bausteinchen der Signalkette fehlen darf. Die Schülerinnen und Schüler erlangen Kompetenzen im inhaltlichen, methodischen und sozialen Bereich.Voraussetzung für die Durchführung dieser Unterrichtseinheit ist die grundsätzliche Kenntnis der Hormonwirkung, der Wechselwirkung zwischen Enzym und Substrat (Spezifität der Bindungsstelle) sowie des Zuckerstoffwechsels. Unterrichtsverlauf und Materialien In arbeitsteiliger Partnerarbeit beschäftigen sich die Lernenden mit verschiedenen Diabetes-Themen. Ihre Ergebnisse präsentieren sie den Mitschülerinnen und Mitschülern. Die Schülerinnen und Schüler wissen, dass Diabetes mellitus eine Stoffwechselerkrankung ist, die verschiedene Ursachen haben kann und können diese Ursachen benennen können die Regelung des Blutzuckerspiegels und das Zusammenwirken von Insulin und Glucagon durch einen einfachen Regelkreis darstellen können das Prinzip der Signalkaskade auf den Insulinrezeptor anwenden können den Zusammenhang zwischen Autoimmunreaktion und Diabetes Typ I mithilfe einer Immunantwort skizzieren. können die Fortschritte in der heutigen Diabetes-Forschung benennen und maßgeschneiderte Insuline und ihre Wirkungen beschreiben. können im Internet Kriterien geleitet recherchieren und die wesentlichen Punkte ihrer Recherche verschriftlichen. können recherchierte Materialien adressatenbezogen aufbereiten und anderen vortragen. Einstieg Als motivierender Einstieg in die Thematik eignet sich zum Beispiel ein Video aus der Mediathek des Deutschen Diabeteszentrums in Düsseldorf. Dort sind auch Fallbeispiele integriert. Die Videos stehen online zur Verfügung: Deutsches Diabeteszentrum (DDZ), Düsseldorf Auf der DDZ-Webseite finden Sie Videosequenzen (Presse und Öffentlichkeit / Mediathek / Videos) zu verschiedenen Diabetes-Themen. Partner- oder Gruppenarbeit Nach dem Einstieg empfehle ich Partnerarbeit zur inhaltlichen Recherche, wobei die Arbeitsblätter als Aufgabenstellungen für fünf Gruppen geeignet sind. In größeren Kursen können die Arbeitsblätter auch redundant bearbeitet werden. Alternativ ist auch Gruppenarbeit möglich, wobei sich außer der Beschäftigung mit den Faktoren, die den Blutzuckerspiegel beeinflussen, eine Gruppe mit Autoimunreaktionen, eine mit der Hormonwirkung und eine mit dem Insulinrezeptor und der Signalkaskade beschäftigen kann. Auch weitere Einteilungen sind je nach Vorwissen und Leistungsfähigkeit der Schülerinnen und Schüler denkbar. Schülervorträge Die Ergebnisse werden didaktisch aufbereitet und zu Schülervorträgen verwendet. Ausführliche Hinweise zum Unterrichtsverlauf finden Sie in dem Verlaufsplan, Diabetes ? Grundlagen der Krankheit (Pop-up) der Unterrichtseinheit. Bickel, H. et al. Natura Oberstufe, Neurobiologie und Verhalten (1997), Ernst Klett Verlag Stuttgart; Seite 62 bis 69. Bickel, H. et al. Natura: Biologie f. Gymnasien Band 3b, 12. und 13. Schuljahr NRW (2001), Ernst Klett Verlag Stuttgart; Seite 284 bis 293. Bickel, S., Krull, H.-P., Wedershoven, B. Natura Schwerpunktvorhaben 3b NRW (2002) Ernst Klett Verlag Stuttgart; Seite 85 bis 96. Beyer, I. et al. Natura Biologie für Gymnasien, Oberstufe (2005) Ernst Klett Verlag Stuttgart; Seite 260 bis 265. Kattmann, U. Glucose im Fließgleichgewicht, Unterricht Biologie 158 (1990), Friedrich-Verlag Velber, Seite 32 ff. Ruppert, W. Insulin - vom Molekül zum Menschen, Unterricht Biologie 229 (1997), Friedrich-Verlag Velber, Seite 44 ff. Zürcher, S. Insulin und der Glucose-Stoffwechsel - Diabetes mellitus, Unterricht Biologie 331 (2008), Friedrich-Verlag Velber, Seite 22 ff. Conrad B, Weidmann E, Trucco G, Rudert WA, Behboo R, Ricordi C, Rodriquez-Rilo H, Finegold D, Trucco M. Evidence for superantigen involvement in insulin-dependent diabetes mellitus aetiology; Nature, 1994 Sep 22;371(6495):351-5. Über diesen Link gelangen Sie zurück zur Startseite der Unterrichtseinheit "Diabetes - Grundlagen der Krankheit".

  • Biologie
  • Sekundarstufe II

Die Lichtreaktion der Fotosynthese

Unterrichtseinheit

Eine interaktive Flash-Folie veranschaulicht die Lichtreaktion der Fotosynthese. Die Animation kann das Unterrichtsgespräch unterstützen (Beamer-Präsentation) oder als Grundlage für eine selbstständige Erarbeitung dienen (Einzel- oder Partnerarbeit im Computerraum).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 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 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) Aufbau der Fotosysteme In der Animation wird die Lichtreaktion schematisch stark vereinfacht dargestellt. Inhaltlich werden die Aufnahme von Lichtenergie (Absorption), die Umwandlung in chemische Energie und stoffliche Veränderungen (Oxidation, Reduktion) veranschaulicht. Der Ort der Lichtreaktion ist die Thylakoidmembran in den Chloroplasten. Dort befinden sich die Fotosysteme mit den beiden Hauptakteuren Chlorophyll und ?-Carotin. In der Starteinstellung der Animation erscheinen die Fotosysteme als grüne homogene Gebilde. Per Klick auf den Begriff "klick" in den Fotosystemen wird deren molekularer Aufbau visualisiert (Fotosystem II in Abb. 1, Platzhalter bitte anklicken). Durch Anklicken des [i]-Buttons erscheinen in einem neuen Fenster weitere Informationen zum Aufbau des jeweiligen Fotosystems (hier nicht per Screenshot dargestellt). Neben den Fotosystemen werden die weiteren an der Lichtreaktion beteiligten Komponenten innerhalb und außerhalb der Thylakoidmembran dargestellt (Plastochinon, Ferredoxin, Ferredoxin-NADP + -Reduktase, Plastocyanin, Cytochrom b 6 f). Animation der Lichtreaktion Nach dem Start der Animation (Abspielleiste unten links) werden angeregte Komponenten des Reaktionszentrums farblich hervorgehoben und die Entstehung und der Transfer geladener Teilchen visualisiert (siehe Abb. 1). Die Animation zeigt, wie die beiden Fotosysteme in einem mit Lichtenergie angetriebenen Elektronentransport vom Wasser zum NADP + zusammenarbeiten. Das Ergebnis dieses Vorgangs ist Bildung der energiereichen Substanz NADPH+H + . Am Fotosystem II wird aus Wasser molekularer Sauerstoff freigesetzt, der aus den Chloroplasten und Zellen herausdiffundiert. Bildung von ATP Über den rechten unteren Schieberegler kann der Membranausschnitt verschoben werden. Dabei rückt die ATP-Synthase in den Blickpunkt (Abb. 2). Die ATP-Bildung wird an der Thylakoidmembran von der ATP-Synthase geleistet. Die enzymatische Verknüpfung von ADP und P i zu ATP wird durch den Ausgleich des Protonengradienten zwischen Außen- und Innenseite der Thylakoidmembran angetrieben. Der Aufbau des Protonengradienten wird in Verbindung mit den Vorgängen der Elektronentransportkette aufgebaut. Materialien zur Erarbeitung von Aufbau und Struktur der ATP-Synthase werden in der Unterrichtseinheit ATP-Synthase ? Synthese von Energieäquivalenten vorgestellt. Arbeitsaufträge und Bildlegende Per Klick auf den "F"-Button erscheint ein Fenster mit den Fragen beziehungsweise Aufgabenstellungen für die Schülerinnen und Schüler (Abb. 3, Platzhalter bitte anklicken). Begriffe, Symbole und die Funktionen ("FU") der Biomoleküle werden in der Bildlegende (Abb. 4) erläutert, die über den "Leg"-Button aufgerufen wird. Ausführliche Informationen Weitere Informationen finden die Lernenden und unter "Info" (Abb. 5). Mit deren Hilfe können sie die Vorgänge in den Fotosystemen, die energetische Kopplung beider Fotosysteme, die Fotolyse des Wassers, die Sauerstoffbildung sowie die Bildung von NADPH und ATP im Gesamtzusammenhang selbstständig erarbeiten.

  • Biologie
  • Sekundarstufe II