Die entwickelte Unterrichtsreihe nutzt den eukaryotischen Organismus S. cerevisiae (Bäckerhefe), aufgrund seiner einfachen Kultivierungsbedingungen, zum Wissensaufbau zu biologischen Schlüsselbegriffen in den Themen Fermentation und mikrobielle Kinetik. Übergeordnetes Ziel ist das Erlernen von methodischen Strukturen zum wissenschaftlichen Arbeiten, bei der mithilfe von Versuchsreihen der Einfluss eines Parameters auf ein biologisches System untersucht wird. Dieser systematische Umgang mit Variablen innerhalb einer Versuchsreihe trägt zur Kompetenzförderung im Bereich Erkenntnisgewinnung im Rahmen der naturwissenschaftlichen Grundbildung bei.Wie gelingt der beste Pizzateig? Dieser Frage folgt das Unterrichtskonzept mit spannenden und einfachen Experimenten mit Hefe zu den Themen Fermentation und mikrobielle Kinetik . Der Versuchsaufbau ist für alle Hefe-Experimente identisch, kann aber in unterschiedlicher Komplexität durchgeführt und ausgewertet werden. Dadurch ist die Unterrichtsreihe sowohl in der Sekundarstufe 1 als auch 2 einsetzbar. Die Experimente bauen auf einen Grundversuch auf und können durch weitere Untersuchungen und Variation von Parametern ein vertiefendes Wissen innerhalb des Themas Enzymkinetik ermöglichen. Nach einer thematischen Einführung wird im Grundversuch die allgemeine grundlegende Aussage getroffen, dass Hefe ein wässriges Medium mit einem Substrat (Saccharose) und spezifisch günstige Temperaturbedingungen zwischen 35 °C bis 45 °C zum Wachstum benötigt. Diese Annahme wird mithilfe einer Versuchsreihe zu den Auswirkungen der Parameter Temperatur und Substrat auf das Hefewachstum untersucht. In der darauffolgenden Unterrichtsstunde folgen drei aufbauende Experimente (Versuch 1 bis 3), welche das Wissen zu Enzymen , deren Funktion und Kinetik als Biokatalysatoren erweitern. Bezüglich den Schwerpunkten Temperaturabhängigkeit, Substratspezifität und Substratkonzentration werden Datensätze mit den Experimenten generiert, die analytisch in einer Nachbereitungsstunde ausgewertet werden. Die beobachteten Reaktionen werden mit der Michaelis-Menten-Kinetik veranschaulicht. Dies ist möglich, da die Hefezellen vereinfacht als Biokatalysator angesehen werden können. In den Experimenten wird über die Bildung des Schaums (beziehungsweise des Kohlenstoffdioxids) auf das Wachstum geschlossen. Eine höhere Schaumbildungsrate liegt einer höheren $$CO_2$$ - Bildung zugrunde, was folglich ein verstärkter Stoffwechsel und mehr Zellen bedeutet. Die Hefe-Aktivität wird somit durch die Ausdehnung der Ansatzvolumina messbar und muss über einen Zeitraum von circa 10 Minuten in regelmäßigen Abständen dokumentiert werden. In Zusatzversuchen (Versuche 4 bis 6) können weitere Parameter wie der Einfluss unterschiedlicher Lösemittel (Wasser und Öl), die Auswirkung beim Zusatz von Salz und die Enzymkonzentration (Menge an Hefe) untersucht werden. Der Kontext zum Pizzabacken oder Backen von Hefeteigprodukten bietet alltagsnahen und altersgerechte Einstiegsmöglichkeiten für die Bildungsgänge der Sekundarstufe 1 und 2 dar. Mit der Plattform "Kniffelix" kann die Unterrichtsreihe durch ein digitales Lernangebot mit dem "Pizza-Rätsel" erweitert werden. Diese digitale Begleitung der Hefeversuche stellt Ergänzungen in Form von weiteren praktischen Aufgaben, Lernvideos, interaktiven digitalen Aufgaben zu den Versuchsreihen bereit. Das Thema "Hefe" im Biologie-Unterricht Die Stoffwechselleistung der Hefe macht sich der Mensch schon seit Jahrtausenden zunutze, beispielsweise beim Bierbrauen und Brotbacken. Heute gehört der Mikroorganismus Hefe zu den "Fabriken der Zukunft" und steht im Interesse der Forschung und Industrie zur Produktion von biotechnologischen Produkten wie Impfstoffe, Medikamente oder Chemikalien. Die Relevanz der Thematik steckt somit in der historisch wachsenden Bedeutung der Hefe in vielfältigen Forschungsfeldern sowie in der Jahrtausendlangen Verwendung zur Herstellung von Teigwaren in der heimischen Küche und alkoholischen Getränken. Vorkenntnisse Spezifische Vorkenntnisse der Lernenden sind nicht notwendig. Die theoretischen Hintergründe zu den Experimenten schaffen grundlegendes Wissen, wodurch sich die Experimente als Einstiegsthema zur Enzymkinetik eignen. Vorkenntnisse zur Zellatmung und alkoholischen Gärung können vorteilhaft sein und können durch wesentliche Erkenntnisschritte in der analytischen Auswertung der Experimente verdeutlicht werden. Didaktisch-methodische Analyse Die Experimente folgen einem forschungsorientierten methodischen Vorgehen und stehen im Zuge der Entwicklung der Experimentierkompetenz der Schülerinnen und Schüler im Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung. Die kontrollierte Variation der Untersuchungsparameter und der systematische Umgang mit Variablen fördert das Erlernen von methodischen Strukturen zum wissenschaftlichen Arbeiten im Rahmen der naturwissenschaftlichen Grundbildung. Die Experimente werden in Gruppenarbeit oder Partnerarbeit, je nach Klassen- oder Kursgröße, durchgeführt. Somit steht der Austausch mit Peers im Vordergrund, indem sich die Lernenden gegenseitig unterstützen und selbstständig den Experimentierprozess leiten. Besonderheit aller Experimente ist, dass alle verwendeten Geräte, Gebrauchs- und Verbrauchsmaterialien kostengünstig in Drogerien oder Lebensmittelgeschäften erhältlich oder sogar schon im Haushalt zu finden sind. Aufgrund dessen, durch die digitale Begleitung der Inhalte auf der Plattform "Kniffelix" und durch Videomaterial auf der Homepage des Lehrgebiets BioVT der TUK können die Experimente auch einfach von zu Hause durchgeführt werden und im Setting "Remote Learning" Einsatz finden. Eine zusätzliche Unterstützungsmöglichkeit bei der Durchführung des Unterrichtskonzepts ist die besondere methodische Herangehensweise in Experimentierkisten , welche nicht nur als Transportmedium für alle Materialien und Geräte dient, sondern auch den Wissenstransfer zwischen Universität und Schule symbolisiert und den Transport von Wissensgut ermöglicht. Für Lehrkräfte aus Rheinland-Pfalz und aus der Metropolregion Hamburg besteht die Möglichkeit diese Experimentierkisten auszuleihen. Digitale Kompetenzen, die Lehrende zur Umsetzung der Unterrichtseinheit benötigen (nach dem DigCompEdu Modell) Die Lehrenden sollten dazu in der Lage sein, die Unterrichtsreihe gezielt durch digitale Medien zu untermauern. Beispielsweise ist es möglich ein digitales Laborbuch zu den Versuchsreihen anzulegen und die Datenanalyse mit einer Softwarelösung vorzunehmen. Das digitale Laborbuch kann zur Dokumentation aber auch als Interaktionstool genutzt werden und im Rahmen eines kollaborativen Dokumenten-Tools umgesetzt werden. Die Lehrkraft soll so in der Lage sein, die Schülerinnen und Schüler zu befähigen, digitale Medien im Rahmen der Gruppenarbeiten zu nutzen, um die Kommunikation und Kooperation innerhalb der Lerngruppe zu verbessern. Die Lernenden können in der Form des digitalen Laborbuchs experimentelle Erkenntnisse und Fortschritte dokumentieren, diese kommunizieren und gemeinsam Auswertungen und Diskussionspunkte erarbeiten. Sicherzustellen sind Internetzugang und die Verfügbarkeit von Endgeräten für die Lerngruppe. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler führen exemplarisch Untersuchungen zu physiologischen Fragestellungen zu dem Zusammenhang von Kohlenstoffdioxidproduktion, Wachstum und Enzymkinetik, durch. erschließen sich Wechselwirkungen zwischen Lebensraum, dessen charakteristischen Faktoren (zum Beispiel Temperatur, Substrate) und dem artspezifischen angepassten Wachstum von Organismen. stellen auf Grundlage der Analyse der Experimente zu Enzymkinetik erste Zusammenhänge zur Michaelis-Menten-Kinetik da. Methodenkompetenz Die Schülerinnen und Schüler wenden im Experimentierprozess zur Erkenntnisgewinnung die kontrollierte Untersuchung der Variablen an, identifizieren die Störvariable, halten deren Auswirkungen gering und kontrolliert, um den Einfluss der abhängigen Variable zu untersuchen. nutzen naturwissenschaftliche Arbeitsweisen (zum Beispiel Experimentieren, Beobachten, Messen). Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler stehen in der Gruppenarbeit im Austausch mit der Peer-Gruppe, wodurch ein Peer-Coaching explizit erfordert wird. 21st Century Skills Die Schülerinnen und Schüler zeigen Kreativität bei dem Lösen der Problemstellungen der Experimente. analysieren die aus den Experimenten gewonnenen Daten, interpretieren und bewerten sie, um kritisch Rückschlüsse auf die Themen Enzymkinetik und Kultivierungsbedingungen zu ziehen.

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.

Organische Leuchtdioden (OLEDs) besitzen enormes Zukunftspotenzial als energieeffiziente Beleuchtungsmittel. Neben einem deutlich geringeren Energieverbrauch als bei LED-Displays weisen OLEDs eine hervorragende Bildqualität und noch viele weitere Vorteile auf.Organische Leuchtdioden (OLEDs) revolutionieren derzeit die Beleuchtungsindustrie. Energiesparlampen und Halogenstrahler - in wenigen Jahren werden diese Lichtquellen vielleicht vergessen sein. Bei OLEDs handelt es sich um dünne Folien, die tagsüber transparent sind und nachts in allen denkbaren Farben leuchten. Organische Leuchtdioden sind hocheffiziente Lichtquellen, die viele positive Eigenschaften haben: sie sind äußerst energiesparend, leuchten großflächig, sind extrem dünn und außerdem voll dimmbar. Außerdem haben OLEDs keine Verzögerungszeit beim Einschalten und sie sind so flexibel und transparent herzustellen, dass man sie sogar in Fensterscheiben integrieren kann. Relevanz des Themas Die Unterrichtseinheit kann beispielsweise zu einer längeren Unterrichtsreihe in Physik zum Thema "Licht" eingegliedert werden. Zunächst müssen im Unterricht wichtige Grundlagen der Strahlen- und Wellenoptik sowie der Quantenphysik erarbeitet werden. Zu den vorab zu behandelnden Themen sollten unter anderem die Reflexion, Brechung, Brechungsgesetz, Beugung und Interferenz von Licht sowie der Welle-Teilchen-Dualismus des Photons gehören. Die Schülerinnen und Schüler sollen sich mit aktuellen Forschungsergebnissen zur Bedeutung von OLEDs für neue optische Licht- und Speichermedien auseinandersetzen und diese auswerten. Hintergrundinformationen zu OLEDs Hier finden Sie nähere Informationen zu OLEDs und Biolumineszenz von Leuchtkäfern sowie zu Perspektiven für die Medizinforschung. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen den Aufbau und das Funktionsprinzip einer Organischen Leuchtdiode verstehen und beschreiben können. ein Thema selbstständig recherchieren und beschreiben können. wichtige Anwendungsbereiche für OLEDs kennenlernen. in reduzierter Form wissenschaftliche Neuentwicklungen für OLEDs bewerten. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen eine interaktive Lernumgebung bedienen können. Informationen zur Thematik aus einem Text entnehmen, wesentliche Aussagen verstehen und in eigenen Texten wiedergeben können. die Nutzungsmöglichkeiten des Internets kennen- und anwenden lernen. Thema Organische Leuchtdioden aus Kohlenstoff Autorin Jana Haberstroh Fächer Physik, Chemie, Biologie, Technik, Naturwissenschaften Zielgruppe ab Klasse 7 Zeitraum circa 2-3 Unterrichtsstunden Technische Voraussetzungen Internetzugang (am besten für je 2 Personen), Beamer Der deutsche Chemiker Herbert Naarmann hat bereits 1969 Strom leitende Polymere - die Vorstufe der OLED - beobachtet, doch es sind noch ganze 21 Jahre vergangen, bis eine Forschergruppe in Cambridge erstmals eine Leuchtdiode herstellte. Die verwendeten organischen Halbleiterschichten waren nur etwa 100 Nanometer dick, also zehntausend Mal dünner als ein Millimeter. Alleine die Leuchteffizienz und Lebensdauer der OLEDs blieben jahrelang hinter der Konkurrenz zurück. Immer wieder entdeckten Forscher "Nebenwirkungen", wie zum Beispiel die Verkürzung der Lebensdauer durch kleinste Verunreinigungen. Auch der Aufbau wurde immer komplizierter. Um gegen Luftfeuchtigkeit resistent zu werden, müssen die OLEDs hinter Glas geschützt werden. Aufbau einer organischen Leuchtdiode Ein transparentes Substrat (Glas, Quarz oder Polymerfolie) dient als Basis für den Aufbau. Die Anode, eine ITO-(Indium-Zinn-Oxid-) Schicht ist elektrisch leitfähig und für sichtbares Licht durchlässig. Das Licht entsteht in den "aktiven" organischen Schichten, wenn dort Paare von Elektronen und "Löchern" rekombinieren und jeweils ein Photon erzeugen. Das Licht wird durch das optisch transparente Substrat abgestrahlt. Um eine hohe Effizienz zu erreichen, werden für den Transport von Ladungsträgern eine oder mehrere zusätzliche Schichten aufgebracht. Schließlich wird als Kathode ein optisch nicht transparenter Metallkontakt aufgedampft. Beim Anlegen einer äußeren Spannung von weniger als 5 Volt zwischen Kathode und Anode kommt es zur Emission von Licht, dessen Farbe von den eingesetzten aktiven Materialien abhängt. Die Chemie der OLEDs Die OLED basieren auf organischen Kohlenstoffmolekülen, also Verbindungen aus mehreren Kohlenstoffteilchen mit anderen Elementen. Setzen sich mehrere gleiche Molekülketten aneinander, dann entstehen sogenannte Polymere. Diese verhalten sich wie Halbleiter, was zur Folge hat, dass sie elektrischen Strom leiten. Und mit diesem bringt man die Folien zum Leuchten. Die Lichtfarben bestehen aus Kohlenstoff-Ringstrukturen, in die ein metallisches Zentralatom integriert wird - beispielsweise Edelmetalle wie Platin oder Iridium. Der OLED-Regenbogen Die OLEDs leuchten beim Anlegen einer Spannung, ob gelb, grün, rot oder blau - alle Farben sind möglich. Die Farbe der Emission wird anders als bei den anorganischen LEDs durch die Energielücke des Halbleiters bestimmt (durch die Energie, die frei wird, wenn ein Elektron und ein "Loch" zusammentreffen und rekombinieren). Diese Energie und damit die Farbe der Emission kann durch die Wahl des organischen Materials gezielt verändert werden. Innerhalb weniger Jahre hat man bereits sämtliche Farben von Rot über Grün bis Blau realisiert. Die Entwicklung ist bereits so weit fortgeschritten, dass erste vollfarbige Bildschirmprototypen hergestellt werden konnten. LED versus OLEDs Anders als bei den anorganischen LEDs wird weißes Licht durch Mischen der Grundfarben rot, blau und gelb erzeugt. Blau ist die Achillesferse der weißen OLED - dieser Farbstoff ist am kurzlebigsten. Multitalent OLED Der größte Markt für OLEDs ist der Bereich "Display", das heißt, OLEDs werden beispielsweise für Fernseher oder Displays von Mobiltelefonen eingesetzt. Displays aus organischen Leuchtdioden benötigen keine Hintergrundbeleuchtung und ermöglichen einen geringen Stromverbrauch. Sie ermöglichen zudem einen größeren Betrachtungswinkel. Zukunftsvision leuchtende Tapeten Organische Leuchtdioden dienen sogar als Basis für Tapeten, die Licht erzeugen und sogar, je nach Stimmung, die Farbe wechseln können. Diese gedruckte Elektronik wird im Fachjargon Polytronik genannt. Die Leuchtfolie emittiert ein für das Auge angenehmes, monochromatisches Kaltlicht, das auch bei Staub, Rauch oder Nebel besser sichtbar sein soll als jede andere Lichtquelle. Die Glühwürmchen sind die OLEDs des Tierreiches. Sie können ihr gelbliches Licht, welches in der Paarungszeit werbewirksam eingesetzt wird, ein- und ausschalten. Forscherinnen und Forscher haben die dahinter stehenden Grundlagen der Lumineszenz analysiert und festgestellt, dass einige natürliche Polymere Halbleitereigenschaften haben und somit für den Transport elektrischer Ladungen geeignet sind. Solche konjugierten Polymere können mittlerweile künstlich und genau spezifiziert hergestellt werden. Halbleiter und andere elektrische Bauteile sind also bald nicht mehr auf Kristallstrukturen angewiesen, sondern können aus Kunststoffen gefertigt werden. In der medizinischen Forschung benutzt man ebenfalls Zellen oder Bakterien mit integiertem Luciferase-Gen. Injiziert man beispielsweise einer Maus Salmonellen-Erreger, die das Luciferase-Gen tragen, so breiten sich die Erreger in ihrem Körper aus. Infusiert man eine Luciferinlösung, so kann man diese Ausbreitung durch das entstehende Licht von außen verfolgen, ohne die Maus zu töten. Analog verhält es sich mit markierten Karzinomen bei denen man die Metastasenbildung und Verbreitung optisch durch das emittierte Licht verfolgen kann.

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".

Schülerinnen und Schüler lernen in dieser Unterrichtseinheit nicht nur den Lebenszyklus des Humanen Immundefizienz-Virus (HIV) kennen. Sie erfahren, wie die molekularbiologische Grundlagenforschung der strategischen Entwicklung neuer Wirkstoffe im Kampf gegen AIDS den Weg bahnt.Seit der Entdeckung des AIDS-Virus HIV im Jahre 1983 forschen Wissenschaftler auf der ganzen Welt an der Entwicklung von Medikamenten, die die Ausbreitung der AIDS-Pandemie verlangsamen. Im Wissen darum, dass das Virus sich schneller verändert als Medikamente oder Impfstoffe entwickelt werden können, liegt ein Schwerpunkt der bisherigen Erfolge darin, die Ausbreitung des Virus innerhalb eines infizierten Körpers zumindest zu verlangsamen. Retroviren wie das HI-Virus haben im Vergleich zu anderen Viren eine besondere Strategie, wenn es darum geht, ihre Erbinformation in das Genom der Wirtszelle zu integrieren und es dort vermehren zu lassen. Das Enzym Reverse Transkriptase spielt dabei eine zentrale Rolle und bietet somit einen wichtigen Ansatzpunkt für die Bekämpfung der Krankheit AIDS. Neue Hoffnungen der Wissenschaftler ruhen auf sogenannten Entry-Hemmern. Diese bekämpfen nicht mehr die Vermehrung der Viren in den befallenen Zellen, sondern sollen die Infektion neuer Wirtszellen im Körper verhindern. Die Bedrohung ist nicht gebannt! Der wissenschaftlich-medizinische Fortschritt hat eine Reihe antiviraler Präparate hervorgebracht, die HIV-Infizierten - wenn sie die Therapievorschriften sehr gewissenhaft beachten - bei passabler Lebensqualität eine recht hohe Lebenserwartung ermöglichen. Dies führt in der Gesellschaft jedoch dazu, dass AIDS, gerade auch bei Schülerinnen und Schülern, seinen Schrecken verloren zu haben scheint. Dennoch: Letztendlich ist AIDS nach wie vor eine Infektion mit tödlichem Ausgang. Reverse-Transkriptase-Hemmer und Entry-Inhibitoren Durch die Auseinandersetzung mit dem Infektions- und Vermehrungszyklus des HI-Virus kann das Problembewusstsein bei den Jungen und Mädchen geschärft werden. Durch eine intensive Beschäftigung mit dem Enzym Reverse Transkriptase erkennen sie nicht nur die Bedrohung, sondern bekommen auch einen Eindruck von der Vielfältigkeit der Spezialisierung in der Natur. Die Untersuchung der Wirkweise unterschiedlicher Reverse-Transkriptase-Hemmer führt die Lernenden an die aktuelle Arbeit der Forscherinnen und Forscher heran. Ein Bericht über einen neu gefundenen Entry-Inhibitor zeigt den Weg in die Zukunft der AIDS-Forschung auf und regt an, die Chancen des neuen Präparates beim Kampf gegen AIDS zu diskutieren. Struktur der Unterrichtseinheit Das vorliegende Arbeitsmaterial verteilt sich auf drei Module. Diese bauen inhaltlich aufeinander auf und können hintereinander abgearbeitet werden. Es ist aber auch möglich, alle Module einzeln und voneinander unabhängig im Unterricht einzusetzen. Modul 1: Vermehrungszyklus des HI-Virus Schülerinnen und Schüler gewinnen einen Einblick in den Vermehrungszyklus des HI-Virus. Durch die Erstellung eines Storyboards und die mögliche anschließende Verfilmung werden die gebotenen Informationen nicht nur passiv rezipiert, sondern aktiv aufgenommen und umgearbeitet. Durch die Kreativarbeit der Lernenden werden unterschiedliche Zugangskanäle angesprochen und aktiviert. Modul 2: Die Reverse Transkriptase und ihre Hemmung Hier begeben sich die Schülerinnen und Schüler auf die molekulare Ebene. Dynamische Folien mit integrierten Java-Applets geben ihnen die Möglichkeit, Struktur und Funktionen der Reversen Transkriptase zu erforschen und anschließend die Wirkung eines kompetitiven und eines nicht kompetitiven Hemmstoffes auf das Enzym zu untersuchen. Interaktive Molekülmodelle können dabei am Bildschirm gedreht und gewendet werden. Modul 3: AIDS-Virus mit stumpfem Stachel Das abschließende dritte Modul gibt anhand eines Radiobeitrags (Deutschlandradio, Dezember 2010) einen Ausblick auf die möglichen Entwicklungen in der AIDS-Therapie der kommenden Jahre. Der Beitrag regt als Audio- oder Textdatei zu einer abschließenden Diskussion über die Chancen aktueller und zukünftiger AIDS-Medikamente an. Wird AIDS schon bald "heilbar" sein? Direkt zu den Modulen Modul 1: Vermehrungszyklus des HI-Virus, Texterschließung Schülerinnen und Schüler erschließen den HIV-Vermehrungszyklus aus einem Text. Sie entwickeln Überschriften und fassen wichtige Passagen mit eigenen Worten zusammen. Modul 1: Storyboard und Animation Aufbauend auf die Textarbeit werden mit der Kreativtechnik "Storyboard" fachliche Inhalte intensiv reflektiert. Optional wird daraus eine kleine Animation realisiert. Modul 2: Die Reverse Transkriptase und ihre Hemmung Ausgehend von den molekularen Grundlagen werden Angriffsflächen der Viren identifiziert. So gerät die Reverse Transkriptase ins Visier der Lernenden. Modul 2: Lernumgebung "Reverse Transkriptase" Die Lernumgebung ermöglicht die Untersuchung von Struktur und Funktion sowie der Wechselwirkung des Enzyms mit einem kompetitiven und einem allosterischen Hemmstoff. Modul 3: AIDS-Virus mit stumpfem Stachel Aktuelle Zahlen belegen, dass AIDS längst nicht besiegt ist. Warum ist der Kampf gegen HIV so schwierig? Und wie können neuartige Medikamente wirken? Die Schülerinnen und Schüler sollen den Infektionsweg und den Vermehrungszyklus des HI-Virus kennenlernen. Möglichkeiten der Hemmung der HIV-Vermehrung erkennen und benennen können. die Reverse Transkriptase strukturell und funktional untersuchen. verschiedene Wege der Hemmung der Reversen Transkriptase verstehen. in der Diskussion über AIDS-Therapien einen eigenen Standpunkt entwickeln und begründet vertreten. Andocken und Eindringen in die Wirtszelle Der Vermehrungszyklus von Viren ist vielen Schülerinnen und Schülern schon am Ende der Sekundarstufe I bekannt. Sie wissen, dass Viren den Biosyntheseapparat ihrer Wirtszellen für die Vermehrung ihres Erbguts und zur Bildung viraler Proteine einspannen. Der Vermehrungszyklus des HI-Virus entspricht diesem Muster in großen Teilen. Das Virus dockt durch spezifische Interaktionen viraler Oberflächenproteine mit den Proteinen auf der Zellmembran an die Wirtszelle an. Daraufhin verschmilzt die Virusmembran mit der Zellmembran und das Capsid gelangt in das Zytoplasma. Die Visitenkarte der Retroviren: Reverse Transkription Innerhalb der Wirtszelle setzt das Capsid das virale Erbgut und eine Reihe viraler Proteine frei. Und hier beginnt die Besonderheit des HI-Virus und aller Retroviren. Das virale Protein Reverse Transkriptase erstellt aus dem Einzelstrang-RNA-Genom des Virus eine cDNA. (Eine "complementary DNA" ist eine DNA, die von der Reversen Transkriptase aus RNA gebildet wird.) Durch virale Integrasen wird das virale Genom in Form einer Doppelstrang-DNA in den Zellkern geschleust und in das Genom der Wirtszelle integriert. Vermehrung und Freisetzung Die weiteren Abläufe entsprechen dem üblichen viralen Schema: Die bei der Transkription im Zellkern gebildete virale Boten-RNA wird bei der Proteinbiosynthese translatiert. Die gebildeten viralen Proteine werden zusammen mit der RNA zu neuen Virus-Capsiden zusammengebaut und verlassen die Wirtszellen über Exocytose. Dabei nehmen sie einen Teil der mit viralen Proteinen bestückten Zellmembran als "Envelope" mit. Den gegenüber von DNA-Viren abgewandelten Vermehrungszyklus der Retroviren sollen sich die Schülerinnen und Schüler mithilfe eines Textes (hiv_vermehrunsgzyklus_schuelertext.pdf/rtf) erarbeiten. Folgende Punkte sollten vorab im Unterricht behandelt worden sein: Aufbau von Biomembranen: Lipiddoppelschichten mit Membranproteinen Aufbau des Immunsystems, zelluläre und humorale Abwehr Enzyme (Polymerasen, Proteasen) Nukleinsäuren, Proteinbiosynthese bei Eukaryoten Eigenschaften, Aufbau und Vermehrungszyklus von DNA-Viren; es ist zu empfehlen, zunächst den Vermehrungszyklus eines DNA-Virus zu behandeln, bevor Retroviren thematisiert werden. Der Arbeitsauftrag verlangt von den Lernenden eine Strukturierung des Textes, die Vergabe von Überschriften und eine kurze inhaltliche Zusammenfassung der Passagen. Die Ergebnisse werden vorgestellt und im Plenum diskutiert. Als Resultat sollte eine gemeinsame Beschreibung abgestimmt werden. In Modul 2 der Unterrichtseinheit soll der Text als Grundlage der Storyboard-Entwicklung zum Einsatz kommen. 1. Andocken an die Zielzelle Proteine in der Virushülle erkennen Andockstellen auf der Zelloberfläche. 2. Fusion der Membranen Wechselwirkungen zwischen den Membranproteinen bewirken die Fusion von der Virushülle mit der Zellmembran. 3. Entpacken der "Fracht" Die Proteinhülle des Viruspartikels wird im Zytoplasma der Zelle abgebaut. 4. Reverse Transkription Die in Form von Einzelstrang-RNA vorliegende virale Erbinformation wird im Zytoplasma mithilfe der Reversen Transkriptase in Doppelstrang-DNA umgeschrieben. 5. Integration Das Doppelstrang-DNA-Genom des HI-Virus wird in den Zellkern transportiert und mithilfe der Integrase in die zelluläre DNA eingebaut. 6. Transkription/Replikation Die zelluläre RNA-Polymerase stellt Kopien des viralen Genoms her. 7. Translation viraler Proteine Der zelluläre Transkriptionsapparat erzeugt die viralen Proteine. 8. Bearbeitung ("Prozessierung") der Proteine Die virale Protease zerlegt die primären Translationsprodukte in funktionsfähige Proteine. 9. Zusammenbau und Freisetzung Viruspartikel bauen sich "von selbst" zusammen und schnüren sich an der Plasmamembran, die virale Membranproteine enthält, nach außen ab. Ausgestattet mit dieser Hülle können sie mit der Membran weitere Wirtszellen verschmelzen und einen neuen Vermehrungszyklus einleiten. Planungshilfe aus den Disney-Studios Storyboards sind eine Erfindung der Disney-Studios und werden gerne in der Filmproduktion eingesetzt. Es handelt sich dabei um Visualisierungen von Drehbüchern. Handlungsverläufe einzelner Filmszenen werden skizzenhaft dargestellt. Storyboards sind stark ablauforientiert und vermitteln so einen ersten Eindruck für die spätere Umsetzung. Kommunikationsmittel und Kreativitätstechnik Storyboards sind in der Regel eine erste visuelle Umsetzung der narrativen Ideen aus einem Drehbuch, angereichert mit Gestaltungsideen (zum Beispiel Einstellungsgrößen, Blickwinkel und Perspektiven) für die bevorstehende Produktion. Es entstehen sequenzielle Bildfolgen, die als Grundlage für die Einstellungen während der eigentlichen Filmproduktion genutzt werden. Das Storyboard wird somit zur Denk- und Planungshilfe, die wie ein roter Faden durch die Handlung führt und alle Gestaltungselemente in sich aufnimmt. Es dient weiterhin als Kommunikationsmittel, mit dem Gedanken visuell mitgeteilt und ein Projektvorhaben konkretisiert werden kann. Storyboards können Lernprozesse strukturieren Ähnlich wie die Konzeptphase für einen neuen Film bedarf auch das schulische Lernen der Strukturierung. So bietet sich zum Beispiel die Storyboard-Technik als Ordnungsmittel an, um die Inhalte eines komplexen biologischen Prozesses wie dem HIV-Vermehrungszyklus zu sortieren. Neben der reinen Ordnung birgt die grafische Darstellung weitere Möglichkeiten, zum Beispiel das multisensorische Lernen. Freie Software zur Erstellung von Storyboards Es gibt eine Vielzahl kostenpflichtiger Programme, mit deren Hilfe Storyboards erstellt werden können. Zumeist handelt es sich um umfangreiche Software für Filmschaffende, die eine Storyboard-Funktion hat. Die folgenden Programme sind Freeware, können also kostenlos ausprobiert und im Unterricht eingesetzt werden. StoryBoard Pro Software Die Software von "Atomic Learning" wurde für Schülerinnen und Schüler, Studenten und "home movie maker" entwickelt. Directors Boards 2.0a Diese Software basiert auf dem professionellen Werkzeug “Notebook”. Sie ermöglicht die Erzeugung von AV-Formaten aus digitalen Scans, Illustrationen oder auch Fotos. Celtx - filmpädagogische Arbeit im Unterricht Lehrerinnen und Lehrer aus Nordrhein-Westfalen, die einen EDMOND-Zugang über ihr kommunales Medienzentrum haben, können sich die Inhalte des gesamten Sticks "Film und Schule NRW" als ZIP-Datei kostenlos über EDMOND auf einen Stick oder auf die Festplatte herunterladen. In dem Online-Medienkatalog Ihres Medienzentrums finden Sie diese Datei unter der Signatur 5553697 oder zum Beispiel unter dem Schlagwort "Filmanalyse". Die empfohlene Stickgröße beträgt vier Gigabyte. Film und Schule NRW Ein Programm zum Drehbuchschreiben, Erstellen von Storyboards und zur Strukturierung der Vorproduktion Texterschließungskompetenz und Kreativität Gerne werden zum besseren Verständnis im Unterricht Videosequenzen über das Eindringen des HI-Virus in die Wirtszelle und seine Vermehrung innerhalb der Zelle gezeigt. Die Erarbeitung des Vermehrungszyklus aus einem Text heraus ist eher unbeliebt, besonders dann, wenn dieser Text nicht illustriert ist. Eine Möglichkeit, die gleichzeitig die Texterschließungskompetenz der Schülerinnen und Schüler fördert, ihre Kreativität nutzt und eine gedankliche Eingruppierung der neu erlernten Inhalte in bekannte Wissensstrukturen unterstützt, ist die Anfertigung eines Storyboards. Die Aufgabe Nachdem die Lernenden den Text zur HIV-Vermehrung (hiv_vermehrunsgzyklus_schuelertext.pdf/rtf) gelesen und bearbeitet haben, erhalten sie die Aufgabe, die Abläufe an und in der Wirtszelle in Form eines Storyboards aufzubereiten (Partner- oder Gruppenarbeit). Hierzu erhalten sie eine Storyboard-Vorlage (vorlage_storyboard.pdf). Alternativ können sie auch mit einem geeigneten Programm (siehe oben) am Computer arbeiten. Aus den mit Buntstiften oder am Rechner skizzierten Szenen soll sich eine Bildfolge ergeben, die sich anschließend - theoretisch - auch verfilmen lassen könnte. Wichtige Details sind in den Skizzen heraus zu stellen. Fokussierungen sind als Regieanweisungen rechts in die Textzeilen zu schreiben. Gleiches gilt für Sprechertexte, die nicht einfach aus dem Text übernommen, sondern selbstständig formuliert werden sollen. Unabhängig von einer möglichen Umsetzung ist die Erstellung des Storyboards eine anspruchsvolle Aufgabe, die die Lernenden zur intensiven Reflexion über den darzustellenden Inhalt "zwingt" und ihre Kreativität herausfordert. Ein intensiver Verständnisprozess ist die Grundlage Ob das Storyboard anschließend verfilmt wird, liegt im Ermessen der Lehrperson. Ein solches Projekt würde die Textarbeit mit den Vorzügen eines Films verknüpfen. Da die Schülerinnen und Schüler den Film selbst erstellen, durchlaufen sie vorab einen intensiven Verständnisprozess. Die Durchführung ist natürlich abhängig vom Interesse der Schülerinnen und Schüler, der zur Verfügung stehenden Zeit und der technischen Ausstattung. Möglichkeiten der Umsetzung Es ist vorstellbar, dass ein Trickfilm mit Knete oder anderen Materialien erstellt wird. Die einzelnen Szenen können dann mit einer Digitalkamera oder einem Handy abgefilmt werden. Eine andere Möglichkeit wäre die Erstellung einer Trickfilm-Animation, zum Beispiel mit einem Präsentationsprogramm. Auch die Erstellung eines Activemovies mit der Software Active inspire für Activeboards ist denkbar. Hinweise zur Umsetzung naturwissenschaftlicher Modellvorstellungen in kleinen Animationen finden Sie in den folgenden Beiträgen: Animation chemischer Vorgänge - die Ionenbindung Schülerinnen und Schüler erstellen zur Festigung und Anwendung der im Unterricht erworbenen Kenntnisse eine kleine Animation. Podcasts im naturwissenschaftlichen Unterricht Hinweise und Tipps zum Einsatz und zur Produktion von Podcasts für den naturwissenschaftlichen Unterricht mit Beispielen. Arbeitsteilige Gruppenarbeit Je nach Größe der Lerngruppe bietet sich die arbeitsteilige Erstellung eines gemeinsamen Videos an. Dazu entwickeln Kleingruppen zu verschiedenen Passagen des Vermehrungszyklus Storyboards. Die arbeitsteilige Vorbereitung der Episoden bedarf einer sehr guten Zusammenarbeit der Gruppen während der Konzeption. Gruppenübergreifende Aspekte müssen abgestimmt und an den "Schnittstellen" saubere Übergänge gewährleistet sein. Logische oder stilistische Brüche müssen ausgeschlossen werden. Folgende Aufteilung der Arbeitsgruppen bietet sich an: Schritt 1-2 Andocken, Membranfusion Schritt 3-4 "Uncoating", Reverse Transkription Schritt 5-6 Integration, Transkription/Replikation Schritt 7-9 Translation, Prozessierung, Zusammenbau und Freisetzung der Viren Animationen im Netz Fertige und zum Teil professionelle Animationen aus dem Internet sollten kein Maßstab für die Entwicklung einer eigenen Animation sein. Nach der intensiven Beschäftigung mit dem Thema bei der Erstellung des Storyboards ist die Betrachtung anderer Umsetzungen jedoch in jedem Fall aufschlussreich. Die Schülerinnen und Schüler können zum Beispiel Schwächen des eigenen Konzepts erkennen, aber auch Unstimmigkeiten in anderen Animationen aufspüren. Von den zahlreichen Animationen zum Thema HIV lohnt die Vorführung eines Videos zum Abschluss des Themas in jedem Fall: YouTube: HIV Replikation Der Trickfilm des Pharma-Konzerns Boerhringer Ingelheim zeigt den Lebenszyklus des HI-Virus. Schülerinnen und Schüler entwickeln antivirale Strategien Nachdem die Abläufe einer HIV-Infektion und die Vermehrung der HI-Viren bekannt sind, stellt sich die Frage wie man die Infektion oder die Ausbreitung der HI-Viren im Körper verhindern oder zumindest verlangsamen kann. Lassen Sie Ihre Schülerinnen und Schüler einmal überlegen, wo sich auf der Basis molekularer Grundlagen Ansatzstellen für eine AIDS Therapie ergeben könnten. Sicherlich werden folgende Ziele genannt, an denen antivirale Hemmstoffe wirken können: Entry-Inhibitoren Sie verhindern, dass der HI-Virus mit der Zellmembran fusioniert, also dass er überhaupt in die Zelle eindringen kann. Reverse Transkriptase-Inhibitoren Sie verhindern die reverse Transkription der viralen RNA in eine DNA und so den Einbau des Virus-Genoms in die DNA der Wirtszelle. Integrase-Inhibitoren Sie verhindern den Einbau des Provirus in die Wirts-DNA. Protease-Inhibitoren Sie verhindern die Prozessierung der viralen Proteine und somit den Zusammenbau neuer Capside. Das Virus kann die Wirtszelle nicht mehr verlassen. Reverse Transkriptase im Unterrichtsfokus Aus den möglichen Angriffszielen antiviraler Wirkstoffe wird zunächst die Reverse Transkriptase für eine nähere Betrachtung herangezogen. In den zurzeit angewendeten Standard-Therapien kommen verschiedene Hemmstoffe dieses Enzyms zeitgleich zum Einsatz, um der Entwicklung von Resistenzen so weit wie möglich vorzubeugen. Die Reverse Transkriptase ist den Schülerinnen und Schülern inzwischen als besonderes virales Enzym bekannt, das virale Einzelstrang-RNA in eine Doppelstrang-DNA umschreibt. Aber wie funktioniert das? Wie ist die Reverse Transkriptase aufgebaut und wie ermöglicht sie die reverse Transkription? Zur Beantwortung dieser Fragen wurden für diese Unterrichtseinheit dynamische Folien mit 3D-Molekülen entwickelt. Sie erlauben den Lernenden, durch Drehen und Wenden dreidimensional modellierter Moleküle die Struktur des Enzyms im wörtlichen Sinn zu "begreifen". Die insgesamt sieben dynamischen HTML-Seiten zur Reversen Transkriptase ermöglichen die Untersuchung diverser Aspekte des Enzyms: Struktur und Funktion Bindung von zwei verschiedenen Hemmstoffen, die in der AIDS-Therapie eingesetzt werden Forschend-entdeckend lernen - per Beamer oder vor dem Computer Die sieben HTML-Seiten der Lernumgebung bauen inhaltlich aufeinander auf. Auf Aufgabenstellungen, wie sie in verwandten Lernumgebungen verwendet wurden ( Die Struktur der DNA - virtuelle Moleküle in 3D , ATP-Synthase ? Synthese von Energieäquivalenten , ?Quo vadis, Alken?? - die Markownikow-Regel ), wurde hier bewusst verzichtet. Dies erweitert das Spektrum der Einsatzmöglichkeiten und verschafft der Lehrperson Freiraum bei der Entscheidung für die Tiefe der Behandlung des Themas. Die dynamischen Folien können per Beamerpräsentation zur visuellen Unterstützung des Unterrichtsgesprächs genutzt werden. Hier kann - ohne die die Aufmerksamkeit leitenden Fragestellungen - der Fokus ganz individuell gesetzt werden. Alternativ können die Schülerinnen und Schüler am Computer und Einzel- oder Gruppenarbeit die Seiten unter einer von der Lehrperson vorgegebenen Fragestellung untersuchen. Sparsame Texte Um die selbstständige Arbeit mit den Materialien am Rechner zu unterstützen, wurden Textinformationen auf das Wesentliche beschränkt (Abb. 1). Weitere Informationen zum Einsatz der dynamischen Materialien finden Sie in dem folgenden Beitrag: Die dynamischen Folien sind in einer didaktischen Reihenfolge angeordnet. Nach dem Aufbau der Reversen Transkriptase aus zwei Untereinheiten werden die verschiedenen enzymatischen Funktionen dargestellt: Bindung des RNA-Einzelstrangs Ergänzung zum RNA-DNA-Hybridmolekül (Polymerase-Funktion) Abbau des RNA-Strangs (Nuklease-Funktion) Ergänzung des DNA-Einzelstrangs zum DNA-Doppelstrang (Polymerase-Funktion) Hemmstoffe Die weiteren Folien zeigen die Bindung von zwei verschiedenen Anti-AIDS-Wirkstoffen an das Enzym - einem kompetitiven und einem allosterischen Hemmstoff. Die Folien folgen in ihrer Reihung somit dem forschend-entwickelnden Gedankengang. Die Inhalte der Lernumgebung werden nachfolgend im Detail kommentiert. Auf der Startseite der Lernumgebung (Abb. 2, Platzhalter bitte anklicken) finden Sie eine Übersicht der Folien oder Seiten. Von hier aus kann jede Seite gezielt angesteuert werden. Über Navigationspfeile auf den Seiten (oben und unten rechts) kann auf die jeweils vorherige oder nachfolgende Folie gewechselt werden. Über das "Blatt"-Icon (oben rechts) gelangt man von jeder Folie zurück auf die Startseite (siehe Abb. 1 ). Das Enzym Reverse Transkriptase besteht aus zwei Untereinheiten (gelb und orange, Abb. 3 oben). Das funktionsfähige Protein liegt also in einer Quartärstruktur vor. Per Klick auf den Button "Sekundärstruktur" wechselt die Darstellung. Nun wird die Verteilung von ß-Faltblättern (gelb) und ?-Helices (magenta) im Enzym sichtbar (Abb. 3 unten). Das Molekül kann bei gedrückter linker Maustaste mit dem Mauszeiger "angefasst" und gedreht werden. Mit dem Scrollrad der Maus kann in die Struktur hinein- und herausgezoomt werden. Eine automatisierte Drehung des Moleküls erfolgt nach Anklicken des Buttons "Rotation". Polymerase und Nuklease Über das Steuerungsmenü von Folie 2 lassen sich die virale RNA und ein DNA Einzelstrang im Enzym anzeigen (Abb. 4) und ausblenden. (Natürlich ist in der Darstellung nur ein Bruchteil des viralen Genoms sichtbar.) Diese Funktionen können am Beamer dazu genutzt werden, während des Unterrichtsgesprächs die Bindung des RNA-Einzelstrangs (grün), die Bildung des DNA/RNA-Hybrids (Polymerase-Funktion) und den Abbau des RNA-Strangs (Nuklease-Funktion) zu simulieren. Aktive Zentren Ein Pop-up-Fenster (Abb. 5), das über einen Link in dem Textblock über dem Molekülmodell von Folie 2 geöffnet werden kann, zeigt die Lokalisation der Polymerase- und der Nuclease-Funktion in dem viralen Protein. Die beiden aktiven Zentren befinden sich an den gegenüberliegenden Enden der Bindungsfurche an der Proteinoberfläche. Doppelstrang-DNA Die Neusynthese eines zum DNA-Einzelstrang komplementären zweiten DNA-Strangs (beide blau) kann auf Folie 3 nachvollzogen werden. Die Starteinstellung des Applets zeigt einen DNA-Einzelstrang in der Bindungstasche des Enzyms. Per Klick auf "DNA-Doppelstrang" kann der zweite Polymeraseschritt des Enzyms simuliert werden. Auch auf den Folien 2 und 3 können Schülerinnen und Schüler zwischen der Darstellung im Kalottenmodell und der Sekundärstruktur wählen. Je nach Darstellungsart lassen sich so unterschiedliche strukturelle Zusammenhänge besser erkennen. In der Sekundärstruktur ist zum Beispiel sehr schön zu erkennen, wie das Enzym den DNA-Doppelstrang "im Griff" hat (Abb. 6). Es verdeutlicht den Lernenden, dass Enzyme keine plumpen Bauklötze sind, sondern ausgeklügelte Hochleistungs-Nanomaschinen. Das Nucleotid-Analoglon Tenofovir Die Bedeutung des Begriffs "Nucleotid-Analogon" wird den Schülerinnen und Schülern auf Folie 4 deutlich (Abb. 7). Hier stehen Tenofovir und Adenosinmonophosphat (AMP) nebeneinander. Ihr ähnlicher Aufbau lässt bereits vermuten, dass die Hemmung kompetitiv, also im Wettbewerb um den Bindungsplatz im aktiven Zentrum des Enzyms, stattfindet. Tenofovir wird nach der Aufnahme in die Zelle phosphoryliert und konkurriert mit den natürlichen Substraten um die Nukleotidbindungsstelle der Reversen Transkriptase. Eine genauere Betrachtung der Strukturformeln unterhalb der Applets führt auf die Spur des Wirkungsmechanismus: Die Verlängerung der Nukleotidketten erfolgt über die 3'-OH-Gruppe am Fünferring des Ribose-Bausteins. Tenofovir fehlt eine solche Gruppe. Daher verursacht es den Abbruch der Synthesereaktion. Bindung an das Enzym Folie 5 zeigt, wie tief Tenofovir in die Bindungstasche eindringt. In der transparenten Sekundärstrukturdarstellung (Abb. 8, oben) des Enzyms (gelb/orange) und der Draht-Darstellung der Nukleinsäure (blau) ist Tenofovir als Kalottenmodell im Standard-Farbschema der Elemente vollständig zu erkennen (Sauerstoff rot, Phosphor orange). Bei der Darstellung des Proteins als Kalottenmodell wird deutlich, wie tief der Hemmstoff in die Bindungstasche vordringt (Abb. 8, unten). Efavirenz Das HIV-Medikament Efavirenz wirkt nicht kompetitiv als Hemmstoff auf die Reverse Transkriptase. Ein Pop-up-Fenster (Abb. 9) von Folie 6 zeigt, dass der Hemmstoff keine strukturelle Ähnlichkeit mit den natürlichen Substraten der Reversen Transkriptase hat. Hemmung durch Strukturänderung Efavirenz bindet an einer Stelle außerhalb der aktiven Zentren des Enzyms. Seine Bindung verursacht eine Konformationsänderung der Reversen Transkriptase. Diese Strukturverschiebung sorgt dafür, dass der Zugang der Substrate zum aktiven Zentrum behindert und somit die Polymerase-Aktivität des Enzyms gehemmt ist. Dieser Effekt ist auf Folie 6 dargestellt (Abb. 10). Der Hemmstoff ist magentafarbig dargestellt. Übereinandergelegte Proteinketten Eine hilfreiche Methode der "Computerbiologie" ist das sogenannte Alignement dreidimensionaler Strukturen. Konformationsänderungen, die durch die Bindung eines Linganden - Substrat oder Hemmstoff - verursacht werden, treten dabei besonders deutlich hervor. Diese Möglichkeit wird auf Folie 7 genutzt (Abb. 11). Die rote Kette zeigt das Rückgrat der Reversen Transkriptase ohne Hemmstoff, die blaue Kette nach der Bindung des Hemmstoffs. Über die Buttons können beide Darstellungen einzeln aufgerufen oder weggeklickt werden. Kompetitive und nicht kompetitive Hemmung des gleichen Enzyms Die dynamischen Folien zur Reversen Transkriptase und ihren Hemmstoffen lassen sich nicht nur im Rahmen des Unterrichts zum Thema HIV einsetzen. Die Unterseiten zu Efavirenz und Tenofovir können schon früher im Bereich der Stoffwechselphysiologie eingesetzt werden. Es handelt sich um eindrucksvolle und gut erkennbare Beispiele für Enzymhemmungen. Kompetitive (Tenofovir) und nicht kompetitive (Efavirenz) Enzymhemmung können sehr gut gegenüber gestellt und voneinander abgegrenzt werden. Neben der guten Sichtbarkeit der Wirkprinzipien bieten diese Beispiele einen weiteren Vorteil: Sie sind für Schülerinnen und Schüler sicher interessanter als die häufig in Schulbüchern verwendeten Beispiele. Mit einer kleinen Hintergrundinformation, welche Bedeutung die Reverse Transkriptase für die Bekämpfung von AIDS hat, erscheinen die betrachteten Hemmstoffe gleich viel interessanter als eine gehemmte Succinatdehydrogenase. Hinzu kommt noch, dass beide Hemmungstypen am gleichen Enzym gezeigt werden können. Strukturebenen im Proteinaufbau Die erste Folie der Lernumgebung ( Abb. 3 ) bietet Schülerinnen und Schüler die Möglichkeit, ß-Faltblätter und ?-Helices dreidimensional erfahren zu können. Zwar werden die Sekundärstrukturelemente eines Proteins in ihrem Aufbau intensiv besprochen und gerne abgefragt. Häufig fällt es den Lernenden jedoch schwer, sich diese Strukturen vorzustellen. Durch das Drehen des interaktiven Makromoleküls am Monitor wird die Sekundärstruktur viel besser begreifbar. Gleiches gilt auch für die Quartärstruktur. Am Beispiel der Reversen Transkriptase sehen die Schülerinnen und Schüler direkt, was es bedeutet, wenn ein Enzym aus verschiedenen Untereinheiten aufgebaut ist. 3.000 Neuinfektionen pro Jahr in Deutschland Weltweit sind etwa 33 Millionen Menschen mit HIV-infiziert. Jedes Jahr sterben mehr als zwei Millionen an der Immunschwäche. In Deutschland begann sich HIV vermutlich Ende der 1970er Jahre auszubreiten. In Gruppen mit einem hohen Infektionsrisiko (homosexuelle Männer, Heroinabhängige) stieg die Zahl der Infizierten zunächst sehr schnell an. In der zweiten Hälfte der 1980er Jahre wurde dank verschiedener Maßnahmen in Hochrisikogruppen ein Rückgang der Neuinfektionen beobachtet. In den 1990er Jahren schwankte die Zahl der Neuinfektionen in Deutschland um etwa 2.000 pro Jahr. Zu Beginn des neuen Jahrtausends stieg sie wieder an und hat sich seit 2007 bei zurzeit etwa 3.000 Neudiagnosen pro Jahr stabilisiert (Epidemiologisches Bulletin des Robert Koch-Instituts zum Welt-AIDS-Tag 2009). 20 Prozent der Neuinfektionen durch heterosexuelle Kontakte Nach den aktuellen Schätzungen leben zurzeit in Deutschland etwa 70.000 HIV-Infizierte. Die Zahl der HIV-Neudiagnosen stieg sowohl bei homosexuellen Männern als auch bei Heterosexuellen im Jahr 2009 gegenüber dem Vorjahr um etwas mehr als drei Prozent (Epidemiologisches Bulletin des Robert Koch-Instituts vom 7. Juni 2010). Etwa 20 Prozent der HIV-Übertragungen erfolgen bei heterosexuellen Kontakten. Im Jahr 2010 starben in Deutschland etwa 550 Menschen an AIDS (Epidemiologisches Bulletin Robert Koch-Instituts vom 22. November 2010). Eigentlich ein Beispiel an Zuverlässigkeit: DNA-Polymerasen DNA-Polymerasen genießen zu Recht den Ruf als sehr verlässliche Enzyme. Sie arbeiten in einem hochsensiblen Bereich des Lebens: Fehler, die sie machen, können sich negativ auf unsere Nachfahren auswirken. Die bakterielle DNA-Polymerase hat zum Beispiel eine Fehlerquote von 10 -10 . Sie baut also nur eins von zehn Milliarden Nukleotiden falsch ein. Korrektursysteme senken diese Quote nochmals um den Faktor 10 3 . Ähnlich präzise gehen auch unsere eigene DNA-Polymerase und deren Korrekturlese-Assistenten zu Werke. Ihre Fehlerquoten liegen zwischen 10 -9 und 10 -10 . Pro Verdoppelung unseres Genoms (etwa 3.200 Millionen Basenpaare) kommt es also zu nur einer einzigen falschen Basenpaarung. Evolutionsmotor Reverse Transkriptase Die Reverse Transkriptase der HI-Viren arbeitet in einer völlig anderen Fehlerdimension: Etwa alle 2.000 Basenpaare baut sie ein falsches Nukleotid ein. Für uns wäre eine solche Quote fatal - für die HI-Viren ist sie die "Lebensversicherung" im Kampf gegen unser Immunsystem und der Motor für die Entwicklung von Resistenzen gegen Medikamente. HIV-Infizierte können bis zu zehn Millionen Viren am Tag produzieren. Zusammen mit dieser enormen Produktionsrate beschleunigt die Schludrigkeit der Reversen Transkriptase die Evolution der Viren. Sie verändern sich mit atemberaubender Geschwindigkeit. Nur eine Woche nach der Behandlung eines HIV-Infizierten mit einem bestimmten Wirkstoff bilden sich bereits Resistenzen aus. Wanted: Neuartige Wirkstoffe! Der schnellen Evolution der HI-Viren setzt die Medizin heute die "Hochaktive antiretrovirale Therapie", abgekürzt HAART, entgegen. Die Patienten erhalten dabei eine Kombination aus drei oder vier antiviralen Wirkstoffen. Die Therapie reduziert die Viruslast der Patienten erheblich und hält den Fortschritt der Symptomatik auf. Trotz dieser Erfolge ist die Entstehung resistenter Viren bei der Langzeittherapie ein großes Problem. Insbesondere Patienten, die sich nicht konsequent an die Einnahme der Medikamente halten, beschwören die Entstehung resistenter Viren herauf. Diese werden unter dem Selektionsdruck der Therapie zur dominanten Form und können übertragen werden. Bei jedem achten Patienten, der sich in Deutschland frisch mit HIV infiziert, ist heute die Wirksamkeit von mindestens einem HIV-Medikament eingeschränkt (HIV-Serokonverterstudie am Robert Koch-Institut, 2010). HAART verlängert zwar das Leben HIV-Infizierter. AIDS ist jedoch nach wie vor eine unheilbare und tödliche Infektion. Trotz aller Fortschritte besteht also weiterhin Bedarf an neuen und neuartigen Wirkstoffen. Bisherige AIDS-Medikamente greifen das Virus innerhalb der Wirtszelle an. Wissenschaftler der Medizinischen Hochschule Hannover und der Universität Ulm beschreiten nun einen neuen Weg. Sie wollen das Virus am Eindringen in die Immunzellen des Menschen hindern - sozusagen seinen "Stachel" unbrauchbar machen. Ihr Wirkstoff blockiert ein Protein der Virushülle, das bei der Fusion der viralen Membran mit der Wirtszellmembran eine entscheidende Rolle spielt. In einer Reportage berichtete das Deutschlandradio im Dezember 2010 über den möglichen neuen Wirkstoff und die Vorgehensweise der Forscherinnen und Forscher. Den Text stellen wir mit freundlicher Genehmigung des Deutschlandradios, des Journalisten Michael Engel und der beteiligten Wissenschaftler, Professor Reinhold Schmidt und Professor Wolf-Georg Forssmann, als Informationsblatt für die Schülerinnen und Schüler zur Verfügung (deutschlandradio_aids_mit_stumpfem_stachel.pdf/rtf). Streicht man den letzten Abschnitt des Nachrichtentextes, bietet der Artikel eine gute Möglichkeit darüber zu diskutieren, ob der Wirkstoff nach seiner Zulassung HIV "besiegen" kann. Wie wirkt VIR-576? Eine Entdeckung deutscher Forscher der Medizinischen Hochschule Hannover und der Universität Ulm - hat Ende 2010 für Furore gesorgt. Die Substanz VIR-576 blockiert das Fusionsprotein (gp41) in der Hülle des HI-Virus, das beim Angriff auf eine Zelle wie ein Enterhaken funktioniert. Dieser Enterhaken tritt in Aktion, nachdem ein Protein der Virushülle (gp120) an einen Rezeptor auf der Zelloberfläche (CD4) und dieser an einen Corezeptor (CCR5/CXCR4) der Zelle angedockt hat. Dieses Manöver kann man mit dem Andocken eines Shuttles an die Internationale Raumstation vergleichen: Beide Objekte sind schon einmal miteinander verbunden - aber die Schleuse ist noch nicht geöffnet. Das Virus schleust seine Fracht jedoch nicht durch ein Schott in die Zelle, sondern durch eine Verschmelzung der Virusmembran mit der Zellmembran. Genau diesen Schritt blockiert VIR-576 durch die Bindung an das virale das Fusionsprotein. Wie wurde die vielversprechende Substanz entdeckt? Die Geschichte von VIR-576 begann bereits in den 1990er Jahren. Blutfiltrat, das bei der Dialyse von Patienten mit Nierenversagen anfällt, enthält zahlreiche körpereigene Peptide. So wie der tropische Regenwald ein Schatz der Artenvielfalt ist, so ist das Blutfiltrat ein Reservoir für Millionen von Peptiden mit unbekannten bioaktiven Eigenschaften. Professor Wolf-Georg Forssmann und Professor Frank Kirchhoff hatten die Idee, in diesem körpereigenen Peptidpool nach HIV-Hemmstoffen zu fahnden. Und sie wurden fündig: Ein natürlich vorkommendes Peptid aus 20 Aminosäuren - das Fragment eines im Blut zirkulierenden Eiweißes - blockierte im Reagenzglas den Eintritt von HIV in die Wirtszellen. (Bei dem Eiweiß handelt es sich um ?-1-Antitrypsin. Es schützt Körpergewebe vor Enzymen, die an Entzündungen beteiligt sind. ?-1-Antitrypsin ist ein Protease-Hemmer.) Verbesserung der Wirksamkeit Von dem kostbaren Fundstück stellten die Wissenschaftler im Labor mehr als 600 Varianten her. Unter diesen fanden sie ein Peptid, das die antivirale Wirkung des Originals noch um das Hundertfache übertraf - VIR-576. Die Substanz wirkt nicht nur im Reagenzglas. Ende 2010 veröffentlichten Forscher der Medizinischen Hochschule Hannover und der Universität Ulm die Ergebnisse einer ersten klinischen Studie (18 Teilnehmer). VIR-576 konnte die Viruslast HIV-Infizierter in weniger als einer Woche um mehr als 90 Prozent (1,2 Logarithmusstufen) senken - das Virus hatte sich also kaum noch vermehren können. Allerdings: VIR-576 wird im Blut sehr schnell abgebaut. Deshalb musste es den Patienten per Dauerinfusion intravenös verbreicht werden. Der Weg zum einsatzfähigen Medikament ist also noch weit und wird einige Jahre in Anspruch nehmen. Doch schon heute weckt der neuartige Wirkstoff hohe Erwartungen und große Hoffnungen: VIR-576 bekämpft nicht - wie die meisten AIDS-Medikamente - die Vermehrungsschritte der HI-Viren in den Zellen, sondern greift die Viren außerhalb der Zellen an. Zudem ist der Wirkstoff der Abkömmling eines körpereigenen Blutproteins. Auf diese Eigenschaften führen Wissenschaftler die - im Vergleich zu herkömmlichen Wirkstoffen - sehr gute Verträglichkeit von VIR-576 zurück. Das HI-Virus entzieht sich durch seine atemberaubende Mutationsrate immer wieder der Wirkung von Medikamenten, indem es deren Angriffsziele - zum Beispiel die Protease oder die Reverse Transkriptase - verändert. Das Angriffsziel von VIR-576, der virale Enterhaken, verändert sich jedoch kaum. Vermutlich führen Mutationen hier sehr schnell zum Funktionsverlust. Somit wird es dem Virus hoffentlich schwer fallen, Resistenzen gegen VIR-576 zu entwickeln. Sieg über AIDS in Sicht? Sollte die Entwicklung von VIR-576 zum marktreifen Medikament von Erfolg gekrönt sein, ist AIDS aber keineswegs besiegt. Denn eine Heilung im eigentlichen Sinne wird auch mit dem neuen Wirkstoff nicht möglich sein. Nach einer Infektion kann das Virus nicht vernichtet, sondern nur in Schach gehalten werden.

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.