Energiesparen lohnt sich, für die Umwelt und für den Geldbeutel. Jeder Einzelne kann in seinem Umfeld etwas dazu beitragen. Das kann aber auch eine ganze Schule tun. Die hier vorliegende Unterrichtseinheit basiert auf der Dokumentation des SPICE-Projekts (Schools Partnership to Improve the Conservation of Energy), das die Emilie-Heyermann-Realschule in Bonn zusammen mit einer usbekischen Partnerschule durchgeführt hat. Die Materialien bieten eine große Bandbreite von einfachen bis hin zu anspruchsvolleren Arbeitseinheiten, um die verschiedenen Vorkenntnisse der Schülerinnen und Schüler zu Energiethemen zu berücksichtigen. Hier finden sich sowohl Arbeitseinheiten für einzelne Lernende als auch für Schülergruppen einer Schulklasse. Das "Teaching Pack" ist ein Rahmendokument. Es soll in zweierlei Hinsicht Flexibilität bieten: zum einen in Bezug auf die Zeit, die jedem Thema gewidmet wird, und zum anderen in Bezug auf die Altersgruppe der Schülerinnen und Schüler. Fächerübergreifender Ansatz Der Gebrauch der Unterrichtsmaterialien sollte nicht nur auf eine bestimmte Klasse oder ein Themenfeld beschränkt bleiben. Es gibt geeignete Arbeitseinheiten für Mathematik, Kunst, Naturwissenschaften, Theater, Sozialwissenschaften, Musik, Sport, Informatik, Geschichte und Kommunikation, also Arbeitseinheiten um Lehrkräfte verschiedener Fächer zu unterstützen und um die Bedeutung des Themas zu unterstreichen. Sie sollten die Verantwortung für verschiedene Aspekte des Themas festsetzen und bestimmen wann und wie das Material in ihre bereits vorhandenen Lehrpläne integriert werden kann. Von Vorteil ist es, wenn die verschiedenen Aspekte in den unterschiedlichen Fächern parallel unterrichtet werden Eigene Ideen einbringen Sie sollten durchaus Ihre eigenen Ansätze zu den unterschiedlichen Themen beitragen und Ihre individuellen Ideen mit anderen Lehrerinnen und Lehrern austauschen. Nutzung der Arbeitsblätter im Unterricht Auf dieser Seite werden die einzelnen Arbeitsblätter und ihre Nutzung im Unterricht beschrieben. Entstehung der Unterrichtsmaterialien Diese Unterrichtseinheit basiert auf dem Kooperationsprojekt SPICE (Schools Partnership to Improve the Conservation of Energy). Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen die Ursachen und Auswirkungen des Klimawandels im Allgemeinen und in Bezug auf das eigene Land beschreiben können. die Philosophie des Kyoto-Protokolls und der daraus resultierenden Vereinbarungen kennenlernen. verschiedene Energiequellen erklären können. den Unterschied zwischen erneuerbaren und nicht-erneuerbaren Energien erklären können. erfahren, wie sich Energieerzeugung durch Verbrennung fossiler Rohstoffe auf die Umwelt auswirkt. die Möglichkeiten der Energienutzung identifizieren und Wege zur Reduzierung nennen können. Instrumente zur Bewusstseinsförderung für die lokale Gemeinschaft entwickeln. erkennen, dass globales Denken in lokales Handeln münden muss. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen das Internet als Recherchemedium nutzen. das Gelernte in digitaler Form präsentieren. Zu Beginn erfolgt die Problematisierung (Klimawandel: Ursachen und Folgen), danach wird Basiswissen erworben und schließlich folgt die Umsetzung und Anwendung des erworbenen Wissens im privaten Bereich, in der Schule und in der Gesellschaft. Warum Energie gespart werden sollte: Globale Erwärmung Was ist Energie? Warum wird sie gebraucht? Woher kommt Energie? Wie wird Energie produziert? Was sind die Folgen der Energiegewinnung? Wo Energie genutzt wird (direkt und indirekt) Wie man Energie spart Wie man die Botschaft verbreiten kann Das Paket umfasst eine Reihe von Vorschlägen zur Vermittlung verschiedenster Aspekte der einzelnen Themen. Anhand von Arbeitsblättern sollen die Schülerinnen und Schüler die jeweiligen Themen weitgehend selbstständig beabeiten. Die Lehrerin oder der Lehrer sollte die vorgeschlagenen Themen formal einführen. Um sicherzustellen, dass die Lernenden die Inhalte verstehen, sollten sie an den Arbeitseinheiten zu den einzelnen Themen teilnehmen. Einführende Diskussion An dieser Stelle soll der Fokus auf die Ursachen und Auswirkungen der globalen Klimaerwärmung gelegt werden. Zur Einführung eignet sich eine Diskussion in der Klasse über den Einfluss unserer täglichen Aktivitäten auf die Umwelt. Selbstständiges Arbeiten Darüber hinaus sollen sich die Schülerinnen und Schüler anhand von Arbeitsblatt 1 mit folgenden Fragestellungen beschäftigen: Finde heraus wie Treibhausgase produziert werden und wie sie die Atmosphäre beeinträchtigen. Prüfe wie sich der Klimawandel auf dein Land auswirkt. Wie reagiert die Weltgemeinschaft? Beschreibe die Philosophie des Kyoto Protokolls und der daraus resultierenden Vereinbarungen. Erstelle zusammen mit deinen Mitschülerinnen und Mitschülern ein Wandbild oder eine digitale Präsentation zum Thema Klimawandel. Zusatzaufgabe Wähle ein Land, das das Kyoto Protokoll unterzeichnet hat und überlege, wie es versucht seine Emissionen zu reduzieren. Nun gilt es, verschiedene Energieformen zu betrachten. Was bedeutet eigentlich das Wort "Energie"? Wie wird Energie erzeugt, wie wird sie genutzt? Und wie kann man sie messen? Hierfür steht Arbeitsblatt 2 mit folgenden Aufgaben zur Verfügung: Definiere das Wort Energie. Erstelle eine Liste mit so vielen Energiequellen wie möglich und stelle fest, welche unter erneuerbare oder nicht-erneuerbare Energiequellen zu fassen sind. Finde heraus wie hoch die Preise für Gas und Strom sind. Bringe Energiemessgeräte in deiner Schule an, lies sie ab und schreibe auf, wie viel Energie verbraucht wurde. Zusatzaufgabe Erforsche Möglichkeiten für den Gebrauch erneuerbarer Energien in deiner Region. Wie werden erneuerbare Energien in deiner Region tatsächlich genutzt? Arbeitsblatt Die Schülerinnen und Schüler sollen in der Lage sein, zwischen verschiedenen Energietypen und den verschiedenen Arten der Energieerzeugung zu differenzieren. Weiterhin sollen sie lernen, wie verschiedene Energieerzeugungsformen sich auf die Umwelt auswirken. Arbeitsblatt 3 enthält folgende Aufgaben: Interviewe einen Senior/eine Seniorin und finde heraus, wie Häuser beleuchtet und beheizt wurden als sie Kinder waren und welche Verkehrsmittel es damals gab. Sei darauf vorbereitet zu diesem Thema an einer Diskussion teilzunehmen. Erarbeite eine Tabelle, die jeweils das Prinzip verschiedener Energiequellen, erneuerbarer und nicht-erneuerbarer, erläutert. Betrachte, wie die Energieversorgung deiner Region Auswirkungen auf die Umwelt hat. Berücksichtige die Dinge, die du bereits vorher gelernt hast (zum Beispiel über Treibhausgase, die Beschaffenheit der Region). Zusatzaufgabe Wie haben alternative Energiequellen Gebäude und Lifestyle in den letzten 30 Jahren beeinflusst? Hier sollen die Schülerinnen und Schüler den Unterschied zwischen direkter und indirekter Energienutzung lernen. Es soll gezeigt werden, wie fundamental wichtig der Verbrauch von Energie für das tägliche Leben geworden ist. Darüber hinaus sollen die verschiedenen Wege der Energienutzung in der Schule, zuhause in der Familie und in der Gesellschaft im Allgemeinen identifiziert werden. Letztlich soll auch die Beziehung zwischen Energie- und Wasserversorgung beleuchtet werden. Betrachte die Formen der Energienutzung bei dir zuhause. Wie kannst du dein eigenes Verhalten ändern, um Energie zu sparen. Durch das regelmäßige Ablesen von Zählerständen verschiedener Strommesser, kannst du ein Gefühl für den Stromverbrauch im persönlichen Umfeld bekommen. Fülle einen Fragebogen ehrlich aus und stelle fest, ob du dich bereits umweltfreundlich verhältst. Abschließend findest du hier zehn Tipps, wie man sich umweltfreundlich verhalten kann. Zusatzaufgabe Ermittle die Gebühren pro Einheit für die Nutzung von Strom und Gas und berechne die wöchentlichen Energiekosten für die Schule. Berechne darüber hinaus die Menge an Kohlenstoffdioxid, die in die Atmosphäre abgegeben wird, entstehend aus der Energie, die für Heizen und Beleuchten in eurer Schule genutzt wird. Arbeitsblatt Die Schülerinnen und Schüler sollen motiviert werden, Wege zu suchen, den Energieverbrauch in der Schule, zuhause in der Familie und im alltäglichen Leben zu reduzieren. Außerdem sollen sie dazu gebracht werden, den Nutzen der Energieeinsparung zu begreifen. Besuche einen Baumarkt in deiner Stadt um herauszufinden, welche Isolierungsmaterialien verfügbar sind. Was ist die Rohstoffquelle der Isolierungsmaterialien? Gibt es irgendwelche energiebezogenen Auswirkungen bei ihrer Herstellung? Lese dasselbe Strommessgerät ab, das du bei Thema 2 verwendet hast und berechne, wieviel Energie in deiner Schule oder bei dir zuhause nach der letzten Messung verbraucht wurde. Berechne, wieviel das in finanzieller Hinsicht und auf die Umwelt bezogen gekostet hat. Nenne fünf Möglichkeiten, wie in deiner Schule oder bei dir zuhause der Energieverbrauch gesenkt werden kann. Zusatzaufgabe Identifiziere die Trends der Energienutzung in deiner Schule oder zuhause und verzeichne die Ausschöpfung verschiedener Energieformen für einen Zeitraum von ein bis zwei Monaten. Nutze die Informationen um zu zeigen, wo Verbesserungen beim Energieverbrauch durchgeführt werden können. Arbeitsblatt Es sollen mit den Schülerinnen und Schülern Möglichkeiten erarbeitet werden, wie man Informationen über Energie- und Umweltthemen auch aus der Schule heraus in die Öffentlichkeit tragen kann. Folgende Lehr- und Arbeitseinheiten sind möglich: Beteilige dich an der Vorbereitung einer PowerPoint-Präsentation zu Energiethemen. Schreibe in Kleingruppen ein Storyboard für die PowerPoint-Präsentation. Entwerfe Beiträge für eine Projektwebsite. Entwerfe eine Informationsbroschüre, die schwerpunktmäßig die Themen Energieverbrauch und die Nutzung erneuerbarer Energien behandelt. Beteilige dich am Entwurf einer Ausstellungstafel mit den Informationsblättern, die im Stadthaus oder den Räumlichkeiten des Stadtrates angebracht werden kann. Organisiere Energiespartage innerhalb der Schule. Lade die lokalen Medien ein, sich zu beteiligen. Die Unterrichtseinheit "Klimaschutz und Energieverbrauch" basiert auf dem "Teaching Pack" das im Rahmen des SPICE-Projekts entwickelt wurde, um eine Reihe von Lehrmaterialien zu den Themen Energieeinsparung und erneuerbare Energien anbieten zu können. Die konzeptionelle Entwicklung des Teaching Pack wurde von Lehrkräften der Schule Nr. 4, Buchara und Lehrkräften der Emilie-Heyermann-Schule, Bonn begleitet. In der Folge wurde dieses Teaching Pack ergänzt und verbessert um das Feedback von Lehrerinnen und Lehrern aufzunehmen und um sicherzustellen, dass die Belange von Nutzerinnen und Nutzern aus Russisch sprechenden Ländern berücksichtigt werden. Die Unterrichtseinheit wurde im Rahmen von insgesamt vier Arbeitsbesuchen (je zwei in Buchara und je zwei in Bonn) im Rahmen einer fächer- und klassenübergreifenden jeweils fünftägigen handlungsorientierter Projektarbeit (6-8 Zeitstunden pro Tag) mit zahlreichen Aktivitäten auch außerhalb der Schule umgesetzt. Oktober 2005 in Buchara Themen: "Heiße Zukunft - Was geht mich das an?", "Energie! Was ist das? Wofür brauchen wir sie?", ferner Experimente zur Solarenergie, Umrüstung der usbekischen Schule auf Energiesparlampen anstelle der herkömmlichen Glühbirnen Februar 2006 in Bonn Themen: "Der Energieverbrauch wächst, die Vorräte schwinden. Was nun?" mit den Fragen "Wie versorgen wir uns künftig mit Energie?", Welche Formen der regenerativen Energienutzung gibt es?", "Was sind ihre Vor- und was ihre Nachteile?" Oktober/November 2006 in Buchara Themen: "Lasst uns das Klima retten - Energiesparen fängt zu Hause an!" und "Abgedreht! Unsere Schule spart Energie!", ferner aktive Mitgestaltung des Kongresses "Von der Energieeinsparung zur Nutzung erneuerbarer Energien" und Zusammenbau eines Solarkochers März 2007 in Bonn Thema: "Wir werben für den Klimaschutz", unter anderem Ausstellung, Verteilung von Flyern, Plakatierung, Radiosendung, Presseinterviews, Arbeit an der Website, Erstellung einer CD-ROM 2007 und 2009 in Bonn Anerkennung des SPICE-Projektes als "Offizielles Projekt der UN-Weltdekade - Bildung für nachhaltige Entwicklung" April 2008 in Köln Zertifizierung der usbekischen Schule und der Emilie-Heyermann-Realschule als "Schulen der Zukunft" (Agenda-21-Schulen) durch das Land NRW April 2008 in Buchara Eine von der Bonner SolarWorld AG gesponserte große Photovoltaik-Anlage wird unter Anleitung eines Schülervaters der Emilie-Heyermann-Realschule (EHS) auf dem Dach der Schule Nr. 4 in Buchara installiert, welche die usbekische Schule künftig mit Solarstrom versorgen wird. März/April 2009 "Vorkonferenz für die Internationale Kind- und Jugendkonferenz für die Umwelt (Brasilien 2010)" im Rahmen der Welt-Konferenz "Bildung für nachhaltige Entwicklung" der UNESCO

Ausgehend von der Auseinandersetzung mit dem Thema Umwelt- und Klimaschutz befassen sich die Lernenden in dieser aktualisierten Unterrichtseinheit mit den Fragen der nachhaltigen Energiegewinnung und des sparsamen Energieverbrauchs. Dabei haben sie sowohl das eigene Zuhause als auch die Schule im Blick. Ausgehend von der zunehmenden Bedeutung des Themas Umwelt- und Klimaschutz starten die Schülerinnen und Schüler eine Umfrage, welche Umwelt- und Klimaschutzinitiativen ihre Mitschülerinnen und Mitschüler kennen und wofür sich diese einsetzen. Anschließend recherchieren sie die Ziele und Forderungen der Fridays for Future Bewegung und recherchieren Natur- und Umweltschutzinitiativen in ihrer Region. Danach überlegen sie, wie Energie nachhaltig produziert und konsumiert werden kann. Dafür tragen Sie Möglichkeiten zur Gewinnung erneuerbarer Energie zusammen und berechnen ihren eigenen CO 2 -Fußabdruck. Auf dieser Grundlage tragen sie in einer Mindmap konkrete Möglichkeiten Energie zu sparen ein. Dabei haben sie sowohl den überlegten Verbrauch als auch die eigenen Energieproduktion im Blick. Zum Schluss tragen sie konkrete Möglichkeiten zusammen, in der Schule Energie einzusparen. Energiebedarf privater Haushalte Fossile Energieträger sind nicht unbegrenzt vorhanden. Schon heute müssen sie teuer aus anderen Ländern importiert werden. Zudem belasten ihr Abbau und ihr Verbrauch die Umwelt, das Klima und die Gesundheit. Nachhaltigkeit wird deshalb immer wichtiger- was unter anderem auch die weltweite Fridays for Future-Bewegung zeigt. Rund um den Globus demonstrieren Kinder, Jugendliche und Erwachsene für mehr Klimaschutz und eine bessere Klimapolitik - auch in Deutschland. Daher werden erneuerbare Energien und ein reflektierter, überlegter und sparsamer Umgang mit Energie immer wichtiger. Hier setzt die aktualisierte Unterrichtseinheit "Ich und meine Umwelt" an. Fächerübergreifender Zugang Die Unterrichtseinheit ermöglicht Schülerinnen und Schülern einen fächerübergreifenden Zugang zu den Themen Klimaschutz und Nachhaltigkeit sowie effizienter und sparsamer Umgang mit Energie. Dazu befassen sie sich in einem ersten Schritt mit der Umwelt- und Klimaschutzinitiativen, ihren Zielen und Forderungen. Umwelt- und Klimaschutzinitiativen aus ihrer Region portraitieren die Lernenden in einem Handyvideo und präsentieren dieses vor der Klasse. Anschließend tragen sie verschiedene Möglichkeiten zur Gewinnung erneuerbarer Energie zusammen und berechnen ihren eigenen CO 2 -Fußabdruck. Die Auseinandersetzung mit der Frage, wie Energie eingespart werden kann, rundet die Unterrichtseinheit ab. Dabei geht es sowohl um Möglichkeiten sparsam Energie zu konsumieren als auch um Ideen selbst Energie zu produzieren. Einsatzmöglichkeiten Die Unterrichtseinheit kann aufgrund ihres Bezuges zu den Lehr- und Bildungsplänen in allen deutschen Bundesländern in den Klassenstufen 7 und 8 der Sekundarstufe I eingesetzt werden. Ein Schwerpunkt liegt dabei auf den Fächern Sozialkunde, Technik und Soziales. Bezüge zum Mathematikunterricht sind wegen der Rechenaufgaben möglich. Anknüpfungspunkte bietet auch das Fach Deutsch im Rahmen des Verfassens eigener Texte. Aufgrund des Schwerpunktes, der in der Projektarbeit und Präsentation liegt, eignet sich die Unterrichtseinheit auch für den fachübergreifenden und fächerverbindenden Unterricht im Rahmen einer Projektwoche. EmpfehlungenFachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler kennen nationale, internationale Umwelt- und Klimaschutzinitiativen sowie solche aus ihrer Region. setzen sich mit der Entstehungsgeschichte, den Zielen und Forderung von Fridays for Future auseinander. überlegen, was sie selbst aktiv zum Klimaschutz beitragen können überlegen, inwieweit sie sich selbst in einer Umwelt- und Klimaschutzinitative in ihrer Region engagieren. kennen Anlagen zur erneuerbaren Energiegewinnung und können dies den entsprechenden Energieträgern zuordnen. diskutieren auf der Grundlage des eigenen CO2-Fußabdruckes Möglichkeiten Energie zu sparen. wissen, was ein Prosumer ist. wissen, wie ein einfacher Stromkreis funktioniert und wie man mit einfachen Hilfsmitteln Strom erzeugen kann. wissen, wie ein einfacher Stromkreis funktioniert und wie man mit einfachen Hilfsmitteln Strom erzeugen kann. wissen, wie der Stromverbrauch gemessen wird und was eine Kilowattstunde ist. setzen sich anhand von Grafiken und Tabellen mit dem Stromverbrauch im privaten Haushalt auseinander. können grundlegende Strom- und Energiebegriffe definieren. üben sich in der Versuchsbeobachtung und Versuchsdeutung naturwissenschaftlicher Experimente. kennen Gründe und Möglichkeiten, um sowohl im privaten Haushalt als auch in der Schule Energie zu sparen, und können diese benennen. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler trainieren das selbstständige Erschließen von Themen und Inhalten sowie das Recherchieren im Internet. üben sich im eigenständigen Analysieren und Interpretieren von Grafiken, Schaubildern und Zahlenmaterial. trainieren das Protokollieren von Informationen und Beobachtungen. analysieren einen Videobeitrag zielgerichtet entsprechend einer Aufgabenstellung. können eine Präsentation in Form eines Aktionsplans erstellen. trainieren das verständliche und zielgruppengenadäquate Schreiben. lernen Medien bei der Produktion eines eigenen Handyclips handlungsorientiert zu nutzen. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler trainieren im Rahmen von Partner- oder Gruppenarbeit ihre Zusammenarbeit mit anderen. lernen Diskussionen argumentativ und rational zu führen. schulen im Rahmen von Diskussionen und Präsentationen die eigene Ausdrucksfähigkeit und aktives Zuhören. trainieren das kreative Entwickeln und Ausformulieren eigener Ideen. Wie und wo wird Energie im privaten Haushalt verbraucht? Die Schülerinnen und Schüler befassen sie sich mit der Frage des Stromverbrauchs in privaten Haushalten und den Möglichkeiten, Energie zu sparen. Dazu analysieren sie zuerst eine Grafik, die die Entwicklung des Stromverbrauchs im Zeitraum von 2000 bis 2014 zeigt. Darauf aufbauend befassen sie sich damit, wofür in den privaten Haushalten Energie verwendet wird. Eine Rechenaufgabe hilft ihnen, die Veränderung im Energieverbrauch zwischen zwei Zeitpunkten (2005 und 2014) zu erschließen. Anhand von zwei zu erstellenden Kreisdiagrammen visualisieren sie zusätzlich die prozentualen Anteile der Energie, die im Privathaushalt genutzt wird. Strom sparen zu Hause Zentraler Gegenstand ist die Auseinandersetzung der Schülerinnen und Schüler mit dem Energieverbrauch im eigenen familiären Umfeld. Auf der Grundlage des Infotextes lernen sie dafür zuerst die Begriffe "Standby-Modus" und "Schein-Aus" kennen und mit eigenen Worten zu definieren. Darauf aufbauend wägen sie die Vor- und Nachteile des Standby-Modus gegeneinander ab und überlegen, welche Personen ihnen beim Kauf eines Computers zur Frage Standby-Modus und des damit verbundenen Stromverbrauchs beratend zur Seite stehen können. Vorbereitende Hausaufgabe Anhand des erworbenen Wissens zu den Funktionen "Standby" und "Schein-Aus" übernehmen sie als vorbereitende Hausaufgabe für die zweite Unterrichtsstunde gemeinsam mit ihren Eltern einen Rundgang durch das eigene Zuhause. Indem sie überprüfen und protokollieren, welche Geräte dauerhaft angeschaltet sein müssen, welche im Standby-Modus laufen und von welchen sie den Netzstecker ziehen können, wenn diese Geräte nicht benutzt werden, werden die Schülerinnen und Schüler für das Thema Strom sparen zu Hause sensibilisiert. Vertiefend wirkt eine abschließende Recherche der Möglichkeiten, in den eigenen vier Wänden Energie zu sparen. Die protokollierten Informationen werden dann in der zweiten Unterrichtsstunde verglichen und diskutiert. Energiesparen in der Schule In einer Projektphase setzen sich die Schülerinnen und Schüler mit den Möglichkeiten auseinander, in der Schule Energie zu sparen. Hierzu unternehmen sie in Kleingruppen einen Rundgang durch das Schulhaus und protokollieren dabei in Kleingruppen mögliche "Stromfresser". Eine Vorgabe oder Einschränkung seitens der Lehrkraft auf bestimmte Bereiche sollte dabei nicht erfolgen, sodass eine möglichst breite Palette an Einsparpotenzialen dokumentiert wird. So kann das Thema Heizung, Wasser oder Strom ebenso thematisiert werden, ebenso wie die Frage, ob und inwieweit LED- oder Energiesparlampen als Leuchtmittel genutzt werden. Ergebnissicherung im Plenum Die Ergebnisse werden anschließend im Plenum zusammengetragen, schriftlich an der Tafel oder einem Plakat fixiert und systematisiert. Darauf aufbauend erarbeiten die Schülerinnen und Schüler dann gemeinsam Vorschläge, wie in ihrer Schule sowohl Lehrende als auch Lernende Energie einsparen können. Mit Blick auf die Nachhaltigkeit halten sie diese auf einem Aktionsplan fest. Dieser wird in Rücksprache mit der Schulleitung für alle Schüler sichtbar im Schulhaus aufgehängt, in der Schülerzeitung oder auf der Schulwebseite publiziert. Energiesparquiz Zum Abschluss testen und festigen die Lernenden mit dem Energiesparquiz ihr Wissen zum Thema effizienter und sparsamer Umgang mit Energie. Einige Schulen setzen sich bereits sehr stark für den sparsamen Energieverbrauch ein. Hier bietet es sich an, nach regionalen oder überregionalen Energiesparwettbewerben zu recherchieren und sich in Absprache mit der Schulleitung im Namen der gesamten Schule zu bewerben. Ergebnissicherung im Plenum Die Ergebnisse werden anschließend im Plenum zusammengetragen, schriftlich an der Tafel oder einem Plakat fixiert und systematisiert. Darauf aufbauend erarbeiten die Schülerinnen und Schüler dann gemeinsam Vorschläge, wie in ihrer Schule sowohl Lehrende als auch Lernende Energie einsparen können. Mit Blick auf die Nachhaltigkeit halten sie diese auf einem Aktionsplan fest. Dieser wird in Rücksprache mit der Schulleitung für alle Schüler sichtbar im Schulhaus aufgehängt, in der Schülerzeitung oder auf der Schulwebseite publiziert. Energiesparquiz (NEU) Zum Abschluss testen und festigen die Lernenden mit dem Energiesparquiz ihr Wissen zum Thema effizienter und sparsamer Umgang mit Energie. Anhand eines Wortwürfels wiederholen die Schülerinnen und Schüler Begriffe aus der Elektrizitätslehre und mithilfe eines Quizzes ordnen die sie Energiebegriffe den passenden Definitionen zu. Ihre Antworten vergleichen sie mithilfe des jeweiligen Lösungsblattes. Die Spiele können in Kombination als auch einzeln eingesetzt werden. Sie eignen sich auch als niederschwelliger Unterrichtseinstieg, für die Projektarbeit oder für den Vertretungsunterricht. Was hat Strom mit Zitronen zu tun? Zur Einführung in das Thema Strom bauen die Schülerinnen und Schüler nach einer genauen Anleitung ihre eigene Zitronenbatterie (Galvanische Batterie). Sie beobachten, wie auf diese Weise Strom erzeugt werden kann und beschreiben, was in diesem Stromkreis passiert. Mithilfe des zuvor gelesenen Informationstextes erklären die Lernenden die Ursache dafür.

Mit dem "Schools for Earth"-Materialpaket legt Ihre Schulgemeinschaft sofort mit dem Klimaschutz los! Vom CO 2 -Schulrechner bis zum Schulrundgang mit Checklisten unterstützen die Materialien bei den ersten Schritten ebenso wie bei der Weiterentwicklung bereits bestehender Klima-Schulprojekte. Werden auch Sie zu einer "School for Earth", die sich für Klimaschutz, Klimagerechtigkeit und eine lebenswerte Zukunft einsetzt. Mit dem Aktionspaket möchte Greenpeace Lehrkräften, Lernenden, Klassen und Schulen Anregungen bieten, sich mit dem Klimawandel nicht nur inhaltlich zu beschäftigen, sondern im Sinne einer Bildung für nachhaltige Entwicklung auch selbst für Klimaschutz und Klimagerechtigkeit aktiv zu werden. Die Handreichung in dieser Einheit (siehe Downloads) hilft Schülerinnen und Schüler dabei, die Klima-Baustellen ihrer Schule zu identifizieren, geeignete Klimaschutzmaßnahmen zu ergreifen und dabei die ganze Schulgemeinschaft mitzunehmen. Klimacheck: Wie klimafreundlich ist unsere Schule? In einem ersten Schritt nehmen die Schülerinnen und Schüler, unterstützt von der gesamten Schulgemeinschaft, ihre Schule in Klimacheck-Schulrundgängen unter die Lupe. Für die verschiedenen Stationen stehen Checklisten in der Handreichung zur Verfügung: Schulgebäude von außen : Gibt es eine gute Gebäudedämmung? Gibt es Sonnenkollektoren? Flure : Stimmen Temperatur und Beleuchtung? Räume : Wie ist es um Heizung, Fenster, Lüften, Leuchtmitteln und Mülltrennung bestellt? Schulkiosk und Mensa : Speiseplancheck! Abfalltonnen : Kann das Müllaufkommen vermindert werden? Können wir noch besser Müll trennen? Sekretariat : Ist der "Einkaufszettel" der Schule nachhaltig? Hier geht es um umweltfreundliches Papier, Reinigungsmittel, energieeffiziente technische Ausstattung Heizungskeller : Womit wird an unserer Schule eigentlich geheizt? Ist die Heizung optimal eingestellt? Eingangsbereich : Durch das ständige Türen öffnen und schließen kann Heizenergie verloren gehen. Gibt es hier clevere Lösungen? Toiletten : Auch auf dem "stillen Örtchen" kann für klimafreundliches Toilettenpapier, Papierhandtücher und Wasserverbrauch gesorgt werden. Vor der Schule : Von Autos, über Fahrräder bis hin zum Pausenhof: Wo gibt es nachhaltige Klimaschutz-Potentiale? Turnhalle : In Turnhallen heizen wir uns durch Bewegung selbst ein – dort darf es kühler sein! In den Umkleiden und Duschen kann Wasser und Energie gespart werden. Mithilfe der gesammelten und ausgewerteten Daten sowie den Ergebnissen des CO 2 -Schulrechners , mit dem jede Schule ihren CO 2 -Fußabdruck berechnen kann, ermitteln die Lernenden die Klima-Baustellen ihrer Schule. Die Anregungen aus der Handreichung helfen Schülerinnen und Schüler bei der Entscheidung, welche Maßnahmen zur Verringerung des Klimafußabdrucks ihrer Schule sie umsetzen möchten. Eigene Ideen sollten selbstverständlich ebenfalls ins Konzept mit einfließen! Klimaschutz und Jugendbeteiligung im Schulalltag Ein nachhaltiges und friedliches Miteinander ist eine Gemeinschaftsaufgabe, die nur gelingen wird, wenn junge Menschen mitgestalten und mitbestimmen können. Hier nehmen Schulen eine ganz besondere Rolle ein. Einerseits weil sie die junge Generation durch die Vermittlung wichtiger Kernkompetenzen auf den Umgang mit und die gemeinschaftliche Lösung von komplexen, globalen Problemen vorbereiten müssen. Andererseits weil Schulen zu den größten Energieverbrauchern der öffentlichen Hand zählen und somit auch selbst ein großes Potential für mehr Klimaschutz im Schulbetrieb haben. In den Schulen existieren dieselben klimaschutzrelevanten Herausforderungen wie draußen vor dem Schultor: Strom- und Wärmeversorgung, Verpflegung und Mobilität, Abfall und Wasser. Gemeinsam auf dem Weg zu Klimaneutralität und Nachhaltigkeit Mit der Unterstützung von 18 Pilotschulen hat Greenpeace deshalb das Projekt "Schools for Earth" entwickelt, welches alle Schulen in Deutschland einlädt mitzumachen und sich gemeinsam mit einer engagierten und bundesweit vernetzten Community auf den Weg Richtung Klimaneutralität zu machen. Das Projekt bietet mit dem Whole School Approach einen ganzheitlichen Ansatz zur Entwicklung der eigenen Schule mit dem Ziel der Klimaneutralität und der festen Verankerung einer ambitionierten Bildung für nachhaltige Entwicklung (BNE) . Weitere Bildungsmaterialien zum Thema Klimaschutz finden Sie im Dossier "Aktuelle Umweltthemen im Unterricht: Greenpeace macht Schule" . Dort finden Sie auch das entsprechende "Schools for Earth"-Materialpaket für Grundschulen . Kontakt Für alle Fragen rund um das Projekt "Schools for Earth" sowie für die kostenlose Bestellung der Handreichungen als gedruckte Broschüren, erreichen Sie das Greenpeace Bildungsteam unter bildung@greenpeace.org. Die Schülerinnen und Schüler führen Klimacheck-Schulrundgänge durch und machen eine Bestandsaufnahme der bisherigen Ausstattung und bisheriger Klimaschutz-Maßnahmen. identifizieren anhand der Datensammlung Handlungsfelder für mehr Klimaschutz. treiben in Kleingruppen und projektbasiert ihre Ideen für Klimaschutz und Nachhaltigkeit an ihrer Schule selbstständig voran.

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