Der zweite Teil der AJAX-Unterrichtssequenz befasst sich mit den serverseitigen Elementen der Anwendung. Dabei handelt es um die MySQL-Datenbank und die PHP-Scripte zur Interaktion mit der Datenbank und der Kommunikation mit den Clients. Diese Unterrichtsstunden haben zum Ziel die serverseitigen Komponenten der Webanwendung (MySQL-Datenbank und PHP-Skripte) zu implementieren. Die Basis dafür ist die Demoanwendung, die im Hinblick auf dieses Ziel zu analysieren ist. Die Lerngruppe erarbeitet das Datenmodel (Datenbanktabellen und Tabellenfelder) sowie die Anwendungs- und Kommunikationsfälle (Use Cases), mit denen die Anwendungslogik realisiert werden kann. Verwendung von Skripten Die Implementierung der PHP-Skripte soll von den Lernenden selbstständig mithilfe der zur Verfügung gestellten Informationsquellen durchgeführt werden. Um Zeit zu sparen, bietet es sich hier an, arbeitsteilig vorzugehen: Die zu implementierenden Skripte werden auf Gruppen aufgeteilt. Das ist ohne Lernverlust möglich, weil die Skripte weitgehend gleichartig strukturiert sind. Die Lehrperson kann situationsabhängig entscheiden, ob Teile der Demoanwendung vorgegeben werden. Didaktische Reduktion PHP ist eine mächtige und objektorientierte Programmiersprache, von der im Rahmen dieses Projekts nur ein vergleichsweise kleiner Teil benötigt und behandelt wird. Eine Hilfsklasse namens MySQL_class in der die PHP-Funktionen des MySQL Application Interface (API) gekapselt sind, wird vorgegeben. Diese Klasse erleichtert die Implementierung der erforderlichen Datenbankoperationen. Als konkretes Beispiel für die Anwendung dieser Klasse dient das Skript register.php, mit dem neue Benutzer in der Datenbank registriert werden. Ablauf der Unterrichtseinheit Das Datenmodel der Anwendung Die Schülerinnen und Schüler erstellen eine MySQL-Datenbank, indem sie die serverseitig erforderlichen Daten erarbeiten und entsprechend umsetzen. Serverseitige Kommunikationskomponenten Die Schülerinnen und Schüler lernen verschiedene Komponenten eines PHP-Scripts kennen und versuchen, eine Server-Client-Kommunikation aufzubauen. Implementierung der Kommunikationskomponenten Die Schülerinnen und Schüler programmieren in der PHP-Programmiersprache und beginnen die Funktionsweise des Scripts zu verstehen. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen die Funktionalität der Anwendung analysieren und ausgehend von den Ergebnissen eine MySQL-Datenbank entwickeln und implementieren. PHP-Skripte implementieren, die mit der Datenbank und den Clients kommunizieren. Methodenkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen Informationen in deutsch- und englischsprachigen Internetforen und -tutorien beschaffen, auswerten und für die Entwicklungsarbeit benutzen. eine zur Verfügung gestellte PHP-Klasse für die Interaktion mit der Datenbank integrieren und benutzen. Thema AJAX II: Implementierung der serverseitigen Komponenten Autor Dr. Ralf Seliger Fach Web-Programmierung, Informationstechnik, Informatik Zielgruppe Informationstechnische Assistentinnen und Assistenten (Oberstufe) Zeitraum etwa 12 Unterrichtsstunden Medien Computer, Internet Technische Voraussetzungen Rechnerraum mit Internetzugang und Beamer Fachliche Lernvoraussetzungen Die Lernenden sollen über praktische Kenntnisse in der prozeduralen Programmierung verfügen. Planung Verlaufsplan AJAX II Die Entwicklung des Datenmodells für die Webanwendung Tic Tac Toe bis zur Implementierung der Datenbank gliedert sich in vier Schritte: Analyse der Anwendungsfälle (Use Cases) der Anwendung (Registrierung, Anmeldung, Angebotsabgabe, Angebotsannahme, Spiel, Reset) Erarbeitung der für die Organisation der Anwendungsfälle serverseitig erforderlichen Daten Realisierung in Form einer relationalen MySQL-Datenbank Implementierung der Datenbank Einrichtung Die entwickelte Datenbank wird mithilfe der Webanwendung phpMyAdmin auf dem Server implementiert. Gleichzeitig wird ein Datenbankbenutzer mit den erforderlichen globalen Rechten SELECT, INSERT, UPDATE und DELETE eingerichtet. Falls erforderlich, sind die Lernenden darauf hinzuweisen, dass mit geeigneten Maßnahmen dafür zu sorgen ist, dass sich niemand doppelt anmelden kann. Komponentenerstellung Um die serverseitigen Funktionalitäten der Webanwendung in möglichst übersichtliche, klar voneinander abgegrenzte Pakete beziehungsweise Module zu unterteilen, sollte für jeden Anwendungsfall eine eigene so genannte Kommunikationskomponente erstellt und in Form eines PHP-Skripts implementiert werden. So wird zudem verhindert, dass zu stark divergierende Ergebnisse entstehen. Komponententabelle Aus den erarbeiteten Anwendungsfällen ergeben sich unmittelbar die folgenden Komponenten: Komponente Zweck register.php Registrierung eines neuen Benutzers login.php Anmeldung eines registrierten Benutzers offer.php Veröffentlichung eines Spielangebots accept.php Annahme eines veröffentlichten Angebots move.php Verarbeitung eines ankommenden Spielzugs resetGame.php Zurücksetzen des Zustands der Anwendung poller.php Beantwortung der periodischen Client Requests Polling-Komponente Die Polling-Komponente poller.php ist dafür zuständig, serverseitig diese regelmäßig eintreffenden Requests entgegen zu nehmen, zu verarbeiten und zu beantworten. Darüber hinaus soll sie die Datensätze von Benutzern entfernen, die längere Zeit keine Requests mehr gesendet haben und somit offline sind (Demoanwendung: drei Sekunden bei einem Polling-Intervall von einer Sekunde). Insgesamt ist die Polling-Komponente deutlich aufwändiger und komplexer als die übrigen Komponenten. Für die Client-Server-Kommunikation wird das Hypertext Transfer Protocol (HTTP) verwendet: Die Clients senden Requests zum Server; die Requests werden vom Server beantwortet. Der Server hat keine Möglichkeit, die Clients aktiv anzusprechen und ihnen Daten zu übertragen; er beantwortet ausschließlich Requests. Es ist daher erforderlich, dass die Clients den Server in regelmäßigen Intervallen ansprechen (Polling), um über den aktuellen Zustand der Anwendung informiert zu werden (aktuell angemeldete Benutzer, aktuell vorliegende Spielangebote, Angebotsannahmen, ein neuer Zug des aktuellen Gegners) Nachdem die zu programmierenden Komponenten im Unterricht anhand der Anwendungsfälle identifiziert wurden, sollen die Lernenden mithilfe des folgenden Aufgabenblatts die Input- und Outputdaten sowie die Algorithmen entwickeln, die in den Komponenten zu implementieren sind. Die Datei util.php, welche die Klasse MySQL_class enthält, ist den Lernenden zur Verfügung zu stellen. Assoziative Arrays Ein wichtiger Aspekt der Programmiersprache PHP sind die "Assoziativen Arrays". Im Gegensatz zu nummerisch indizierten Arrays kann man auf die Elemente (Werte beziehungsweise Values) assoziativer Arrays mithilfe von Strings (Schlüssel beziehungsweise Keys) zugreifen. Dies sollte für die Verarbeitung der Datenbankabfragen ausgenutzt werden, weil es die Lesbarkeit des Codes stark verbessert. Testcode für die PHP-Scripte Die korrekte Funktionsweise der Skripte kann während der Entwicklung zum Beispiel mithilfe eines einfachen XHTML-Formulars getestet werden. Das folgende Listing zeigt den XHTML-Code des Testformulars für das Anmeldeskript login.php: Nach Absendung des Formulars zeigt ein Blick in die Datenbank mit phpMyAdmin sowie auf das zurück gelieferte XML-Dokument, ob das Skript login.php wie gewünscht funktioniert. Für die anderen Skripte ist das Formular entsprechend zu modifizieren. Informationsblätter Als konkretes Beispiel für die Implementierung kann das ausführlich kommentierte Skript register.php herangezogen werden, das auf dem folgenden Infoblatt exemplarisch abgedruckt ist und auf dem auch die Hilfsklasse MySQL_class dokumentiert wird. Programmierung Als Konsequenz der Tatsache, dass die Client-Server-Kommunikation mithilfe von AJAX (Asynchronous JavaScript and XML) realisiert wird, müssen die serverseitigen Komponenten XML-Dokumente produzieren und zurückliefern. Als Root-Element des XML-Dokuments wird in der Demoanwendung in allen Skripten verwendet. Grundsätzlich ist die Namenswahl natürlich beliebig. Es ist jedoch auf Konsistenz zwischen Client und Server zu achten. Hinweis Wenn ein anderer Name für den Root-Tag gewählt werden sollte, muss dies auch in der Datei util.php geändert werden. Innerhalb der XML-Elemente sind etwa unterschiedliche Benutzernamen durch definierte Zeichen wie zum Beispiel senkrechte Striche ( | ) voneinander zu trennen, damit sie clientseitig wieder voneinander getrennt werden können.

Der dritte und letzte Teil der Unterrichtsreihe befasst sich mit den clientseitigen Funktionen der Webanwendung. Diese Funktionen dienen dazu, Zustandsveränderungen des serverseitigen Modells auf die grafische Benutzeroberfläche abzubilden. Der dritte Teil der Unterrichtssequenz hat das Ziel, die clientseitigen Kommunikationskomponenten der Webanwendung (JavaScipt-Skripte) zu implementieren und zu einer funktionsfähigen AJAX-Webanwendung zu integrieren. Dabei handelt es sich um eine sehr anspruchsvolle Aufgabe, die die Lernenden mit vielen vermutlich neuen Aspekten der Sprache JavaScript konfrontiert. Architekturprinzip der Webanwendung Tic Tac Toe Jeder serverseitigen Komponente, die in Form eines PHP-Skripts vorliegt, wird genau ein clientseitiger Partner in Form eines JavaScript-Skripts gegenübergestellt. Diese beiden Teilkomponenten kommunizieren via XMLHttpRequest miteinander, wenn eine Benutzeraktion dies erfordert. Die Integration der Komponenten erfolgt clientseitig mithilfe globaler Variablen. Eine Möglichkeit dies zu tun zeigt die Demoanwendung. Funktionsweise Wenn die Lernenden schließlich die grundsätzliche Funktionsweise der Client-Server-Kommunikation via XMLHttpRequest sowie eine mögliche Form der Umsetzung verstehen, kann die konkrete Implementierung der Komponenten und deren Integration in Angriff genommen werden. Dies soll von den Schülerinnen und Schülern selbstständig mithilfe der zur Verfügung gestellten Informationsquellen durchgeführt werden. Didaktische Reduktion Der Code zur Erzeugung des XMLHttpRequest-Objekts sowie die Methoden für die programmatische Benutzung dieses Objekts innerhalb der clientseitigen Kommunikationskomponenten werden den Lernenden in Form des ContentLoader-Objekts (Datei: contentloader.js) bereitgestellt. Dieses Objekt muss von den clientseitigen Komponenten erzeugt und seine Methoden auf geeignete Art und Weise aufgerufen werden. Als konkretes Beispiel dafür wird die Register-Komponente zur Registrierung neuer Benutzer ebenfalls vorgegeben (Datei: register.js). Ablauf der Unterrichtseinheit Das AJAX-Kommunikationsmodell In dieser Unterrichtsstunde erarbeiten die Schülerinnen und Schüler die Prinzipien der Client-Server-Kommunikation mit dem XMLHttpRequest-Objekt. Implementierung der clientseitigen Komponenten In der letzten Stunde der dreiteiligen Unterrichtssequenz setzen die Schülerinnen und Schüler die AJAX-Webanwendung für das Spiel "Tic Tac Toe" komplett um. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen JavaScript-Objekte mit geeigneten Event Handlern entwickeln, die mit den serverseitigen Komponenten via XMLHttpRequest kommunizieren. die Komponenten clientseitig zu einer funktionierenden Anwendung integrieren. Methodenkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen Informationen in deutsch- und englischsprachigen Internetforen und -tutorien beschaffen, auswerten und für die Entwicklungsarbeit benutzen. englischsprachige Fachtexte übersetzen und verstehen. zur Verfügung gestellte JavaScript-Bibliotheken integrieren und benutzen. Thema AJAX III: Clientseitige Funktionen Autor Dr. Ralf Seliger Fach Web-Programmierung, Informationstechnik, Informatik Zielgruppe Informationstechnische Assistentinnen und Assistenten (Oberstufe) Zeitraum etwa 16 Unterrichtsstunden Medien Computer, Internet Technische Voraussetzungen Rechnerraum mit Internetzugang und Beamer Fachliche Lernvoraussetzungen Die Lernenden sollen über praktische Kenntnisse in der prozeduralen Programmierung verfügen. Planung Verlaufsplan AJAX III Begriffsdefinitionen und Unterschiede Anhand der Übersetzung des englischen Originaltextes, mit dem der Begriff AJAX von Jesse James Garrett im Jahr 2005 geprägt wurde, sollen sich die Schülerinnen und Schüler die Prinzipien der Client-Server-Kommunikation mit dem XMLHttpRequest-Objekt erarbeiten. Darüber hinaus erläutert der Autor sehr anschaulich die Unterschiede zur herkömmlichen Client-Server-Kommunikation. Registrierung neuer Benutzer Die Komponente Register registriert neue Benutzer in der Datenbank des Servers, wenn der gewünschte Benutzername noch nicht vergeben ist. Diese Komponente wird den Lernenden vorgegeben, damit sie sich anhand einer Codeanalyse die grundsätzliche Funktionsweise und das Zusammenwirken der client- und serverseitigen Kommunikationskomponenten erschließen können. Umsetzung Gegenstand der folgenden Aufgabenstellungen ist die schrittweise Implementierung der clientseitigen Kommunikationskomponenten und ihre Integration zu der vollständigen Webanwendung Tic Tac Toe. Auf den Aufgabenblättern bekommen die Lernenden jeweils Hinweise, mit welchen JavaScript-Sprachelementen das Problem auf jeden Fall lösbar ist. Zur konkreten Umsetzung werden jedoch noch Recherchen auf den einschlägigen Webseiten erforderlich sein. Am einfachsten dürfte die Implementierung der Spiellogik mithilfe einiger globaler Variablen sein (siehe Demoanwendung). Clientseitige Validierung der Formulardaten Es ist nur sinnvoll, Daten zum Server zu übertragen, nachdem diese plausibilisert worden sind. So ist zu überprüfen, ob tatsächlich ein Benutzername und ein Kennwort in das Loginformular eingetragen wurden. In Bezug auf das Registrierungsformular ist zusätzlich zu überprüfen, ob das Kennwort und seine Wiederholung identisch sind. Die clientseitigen Kommunikationskomponenten werden zweckmäßigerweise in der folgenden Reihenfolge implementiert. Die Polling-Komponente ist dabei laufend um zusätzliche Funktionalitäten zu ergänzen. Register (vorgegeben) Login Poller Offer (Poller ergänzen) Accept (Poller ergänzen) Move (Poller ergänzen) ResetGame

Mit der ersten Tabellenkalkulation VisiCalc für den Apple II begann 1979 der Siegeszug des Personalcomputers. Tabellenkalkulationen sind sehr mächtige Werkzeuge, die nicht nur mit Zahlen rechnen und Texte verarbeiten, sondern auch Daten verwalten und visualisieren können. Die Einsatzfelder für den Unterricht reichen von der Schulverwaltung über den kaufmännischen Unterricht bis hin zum naturwissenschaftlich-technischen Bereich. Mit Tabellenkalkulationen kann man Notenlisten aufstellen und berechnen, Stundenpläne erstellen, Rechnungen schreiben, Buchbestände verwalten, Daten präsentieren, einfache Formeln berechnen oder komplizierte Auswertungen vornehmen. Wenn das Tabellenblatt einmal vorbereitet ist, lässt sich dies alles sehr schnell und ohne mathematischen oder programmiertechnischen Ballast umsetzen. Für viele dieser Aufgaben gibt es Spezialprogramme, die leichter bedienbar und auf ihrem Gebiet leistungsfähiger sind, aber auch Geld und Einarbeitungszeit kosten. Dagegen sind Tabellenkalkulationen vielseitiger, leicht erlernbar und gleichzeitig in ihren Grundfunktionen ausgereift, ihre Kenntnis ist somit langfristig nützlich. Welche Tabellenkalkulation man verwendet, spielt für Schulen keine große Rolle, da sich die großen Programme in ihren Grundfunktionen kaum unterscheiden. Dabei stellen Tabellenkalkulationen kaum Ansprüche an die Hardware und sind für alle Betriebssysteme kostenlos verfügbar, zum Beispiel OpenCalc als Teil von OpenOffice. Zellen und Bezüge Eine Tabellenkalkulation besteht aus tabellenförmig angeordneten Zellen. Jede Zelle hat eine eindeutige Adresse, zum Beispiel C5 . Der Inhalt einer Zelle kann aus Zahlen, Text oder Funktionen (Formeln) bestehen. Eine Zahl ist pro Zelle einsetzbar, wobei diese sich vielfältig präsentieren, zum Beispiel als Datum oder Zeit. Die Texte können ähnlich wie in einer Textverarbeitung formatiert werden, wenn auch mit Einschränkungen. Funktionen verarbeiten die Inhalte (Texte oder Zahlen) aus anderen Zellen. Es werden zahlreiche mathematische, logische und textliche Funktionen angeboten, die beliebig kombiniert werden können und so jede Auswertung ermöglichen. Die Schreibweise der Funktionen lehnt sich an die manuell gewohnte Schreibweise an und wird durch Assistenten unterstützt. Sie ist leicht erlernbar. Rechnungen und Darstellung Die Berechnungen erfolgen automatisch. Sobald ein Eingangswert geändert wird, passen sich alle abhängigen Ergebnisse sofort an. Alle Zahlen und Rechenergebnisse können in verschiedenen Diagrammtypen visualisiert werden. Auch die Diagramme reagieren sofort auf Änderung der Daten. Allzweckprogramm Über die Zellen können weitere Elemente gelegt werden, zum Beispiel Diagramme, Bilder, Zeichnungen, Flussdiagramme, ClipArts, WordArts, Formeln aus dem Formeleditor, Java-Applets et cetera. Die Entwicklung der "großen" Tabellenkalkulationen tendiert zu Allzweckprogrammen. Aktuelle Versionen können schon Musik- und Filmdateien einbinden und abspielen. Auf den folgenden drei Unterseiten werden die verschiedenen Möglichkeiten des Einsatzes der Tabellenkalkulation im Unterricht dargestellt. Zu den einzelnen Bereichen und Funktionen werden Beispiele aus der Unterrichtspraxis benannt und verlinkt. Merkmale und Unterrichtseinsatz (1) Inhalt: Kombination von Zahlen, Texten und Daten; Tabellenstruktur; Funktionen Merkmale und Unterrichtseinsatz (2) Inhalt: Vorbereitete Tabellenblätter; Serienweise und iterative Berechnungen durch Kopieren von Funktionen Merkmale und Unterrichtseinsatz (3) Inhalt: Diagramme; Tabellenblätter als Standard; Plakate drucken; Weitere Funktionen Unterrichtseinheiten Hier finden Sie eine Übersicht der Unterrichtseinheiten aus den verschiedenen Portalen bei Lehrer-Online zum Einsatz von Tabellenkalkulationen. Das Wort Tabellenkalkulation deutet auf Rechnen mit Zahlen und Datenbanken hin. Tabellenkalkulationen können aber auch Texte verarbeiten und Daten visualisieren. Keine dieser Fähigkeiten ist so ausgeprägt wie auf diese Funktionalitäten spezialisierte Programme, aber für viele Zwecke und Anwendungen ausreichend. Wenn eine Kombination der Fähigkeiten gefragt ist, die an Textverarbeitung oder Datenbank keine hohen Ansprüche stellt, oder Berechnungen im Spiel sind, ist in aller Regel eine Tabellenkalkulation zu bevorzugen. So entfallen auch der Einarbeitungsaufwand und die Kosten für mehrere spezielle Programme. Rechnungen: Mit einer Tabellenkalkulation können Sie Briefkopf und Rechnungstext schreiben, Preise aus einer Preisliste übernehmen und Bruttopreise, umsatzabhängige Rabatte oder Rechnungsbeträge errechnen und zuletzt alles ausdrucken. Klassenverwaltung: Legen Sie eine Klassenliste in einer Tabellenkalkulation an. Daraus können Sie automatisch Listen für Noten, Sammelbestellungen, Schülerzusatzversicherungen oder ähnliches erstellen. In die Notenliste müssen Sie nur noch Noten und die Gewichtungsfaktoren eingeben, die Durchschnitte ermittelt die Tabellenkalkulation. Sie können auch die zu den Verrechnungspunkten gehörigen Notenpunkte aus einer anderen Tabelle heraussuchen. Mit ihrer tabellarischen Struktur sind Tabellenkalkulationen wie geschaffen für alle Formen von Tabellen, Listen, Formularen oder ähnliches (siehe Abbildung 1). Dabei ist man nicht an das strenge rechteckige Raster gebunden, sondern kann es durch Zusammenfassen von Zellen verbergen. Gegenüber Tabellen in Textverarbeitungen sind Tabellenkalkulationen unproblematischer zu handhaben und in ihrer Größe kaum beschränkt. Sie können Daten aus anderen Tabellen übernehmen, nummerieren, sortieren, Zellen inhaltsabhängig automatisch einfärben oder aussortieren, Verrechnungspunkte in Notenpunkte ummünzen, Postleitzahlen mit dem Ortsnamen ergänzen und die Daten auswerten beziehungsweise weiter verarbeiten. Dabei sind die Ausdrucke von Tabellenkalkulationen nicht auf die Blattgröße des Druckers beschränkt. Stundenpläne, Raumbelegungspläne, Klassenlisten, Notenlisten Bestandslisten, Preislisten Kalender Formulare Mit Funktionen oder Formeln sind hier Anweisungen zur Verarbeitung von Zahlen und Texten gemeint, die eine Tabellenkalkulation verstehen kann. Sie sind nicht zu verwechseln mit Formeln, die mit einem Formeleditor für den Ausdruck gesetzt werden. Solche Formeln kann man zwar auch in eine Tabellenkalkulation einbinden, aber sie können von ihr nicht gelesen werden. Gängige Tabellenkalkulationen bieten ein umfangreiches Repertoire an Funktionen zur Verarbeitung von Zahlen, Texten und Daten zur Verfügung. Dazu gehören: Betriebswirtschaftliche und naturwissenschaftlich-mathematische Formeln (zum Beispiel Zins, Abschreibung, Winkelfunktionen, Matrizenrechnung, Statistik) Logische Entscheidungen (zum Beispiel wenn .. dann .. sonst ..): Viele Funktionen von Tabellenkalkulationen machen ihre Tätigkeit von Bedingungen abhängig, denn nur so können Auswertungen wirklich flexibel sein. Funktionen zur Manipulation von Texten: Während eine Textverarbeitung eigentlich nur das Aussehen eines Textes verändert, behandelt eine Tabellenkalkulation Texte als Zeichenketten, die zerstückelt und zusammengesetzt werden können. Für ein Sprachübersetzungsprogramm wird es nicht reichen, aber eine Anrede an das Geschlecht des Adressaten anzupassen, ist möglich. Funktionen von Datum und Zeit: Tabellenkalkulationen können auch mit Datum und Zeit rechnen. Dies kann für eine Lohnabrechnung genutzt werden. Funktionen zum Anlegen und Auslesen von Datenbanken. Wenn eine Funktion nicht vorhanden ist, kann sie aus den vorhandenen Funktionen kombiniert werden. Der Komplexität der Kombinationen sind kaum Grenzen gesetzt. Alle Funktionen können Eingabewerte aus anderen Zellen verarbeiten. Wird ein Eingabewert geändert, passen sich die Ergebnisse aller abhängigen Funktionen sofort an (Abbildung 2 bitte anklicken). Das gilt auch für die Diagramme, die Ein- und Ausgangswerte grafisch darstellen. Man kann also Tabellenblätter erstellen, in denen sehr komplexe Auswertungen sofort nach Eintrag der Eingangsdaten erfolgen. Wenn diese Tabellenblätter vorbereitet sind, können die Schülerinnen und Schüler ohne umfangreiche Mathe- und Programmierkenntnisse sehr einfach und schnell viele Auswertungen vornehmen. Die Tabellenblätter lassen sich so schützen, dass Lernende keine Formeln löschen können. Notenlisten mit Berechnung der Durchschnittsnote: Dabei ist es auch möglich, die Noten zu gewichten, die schlechteste Note aus der Wertung zu nehmen oder ähnliches. Statistik: Auswertung normalverteilter Messreihen nach allen denkbaren Gesichtspunkten. Eine Stärke von Tabellenkalkulation sind gleich bleibende Berechnungen mit wechselnden Eingangsdaten. Neben der händischen Änderung der Eingangsdaten kann man Formeln auch leicht kopieren. Je nach Art der Adressierung können die Eingangsdaten aus feststehenden oder fortlaufenden Zellen entnommen werden. Die fortlaufenden Zellen können einer Tabelle entstammen, zum Beispiel einer Preisliste oder Zahlenreihe, die man automatisch erzeugt. Man kann auch iterative Verfahren durchführen, indem man die Ergebnisse der jeweils letzten Formel als Eingangswert für die neue Formel verwendet. (Abbildung 3 bitte anklicken, Animation zur Darstellung eines Funktionsverlaufs) Kopierte Formeln mit Eingangswerten aus Zahlenreihen kann man verwenden, um viele Punkte eines Funktionsverlaufes zu berechnen und anschließend grafisch darzustellen. Kopierte Formeln mit Eingangswerten aus Tabellen sind geeignet, um Bruttopreise zu einer langen Liste von Nettopreisen zu berechnen. Mit iterativen Formeln kann man Zinseszinsen berechnen, Nullstellen ermitteln, Populationsdynamiken simulieren, Differentialgleichungen näherungsweise lösen oder ähnliches. Die iterative Zinseszinsberechnung mit sehr einfachen Formeln öffnet dem Lernenden das Tor zur Welt der numerischen Mathematik und ermöglicht neue Ansätze im Unterricht. Mit Tabellenkalkulationen können Daten auch visualisiert werden. Geboten werden vor allem die in geschäftlichen Bereichen üblichen Darstellungen. Säulen (zum Beispiel für Histogramme oder Paretodiagramme) Balken (zum Beispiel für Gantt-Diagramme) Linien Kreise (zum Beispiel für Tortendiagramme) Punkte (zum Beispiel für Streudiagramme) Netze (zum Beispiel für Radarbilder) 6.2. Graphen und Funktionsverläufe XY-Wertepaare können als Punkte oder als Linienzüge dargestellt werden. Da die Wertepaare schnell durch Kopieren einer Funktion erzeugt werden können, eignen sich Tabellenkalkulationen gut, um Funktionsverläufe darzustellen. Mit XY-Wertepaaren und Linienzügen können mit etwas Aufwand viele weitere grafische Darstellungen erzeugt werden, zum Beispiel: Spannungs-Dehnungs-Diagramme Zustandsdiagramme von Zweistofflegierungen grafische Lösungen von Statikaufgaben T,s-Diagramm von Wasser Die Vorteile von Tabellen sind so offensichtlich, dass viele Programme Daten als Tabellenblätter im- und exportieren können oder sogar in Tabellenblättern verwalten. Hier wird meistens das Format von MS-Excel verwendet, weil es den größten Verbreitungsgrad hat. MS-Outlook kann seine Adressdaten als Tabellenblatt exportieren. Das CAD-Programm Inventor von Autodesk kann Konstruktionsdaten in Excel-Tabellen verwalten. So ist es möglich, eine Konstruktion, die einmal erstellt wurde, durch Änderung der Maße innerhalb der Excel-Tabelle in verschieden Baugrößen zu konstruieren. Wenn große Tabellen ausgedruckt werden, teilen Tabellenkalkulationen die Tabellen in für den Drucker handliche Größen. Das klappt nicht nur mit Tabellen, sondern unter anderem auch mit eingefügten Bildern. Man kann also mit gewöhnlichen Druckern große Plakate erzeugen, die man allerdings zusammenkleben muss. Wem dies alles noch nicht genügt, dem stellen die gängigen Tabellenkalkulationen noch zusätzliche Hilfen in Form von Zirkelbezügen, Szenarien, Mehrfachbezügen, Pivottabellen und nicht zuletzt vielseitige Makrosprachen zur Verfügung.

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