Proteinmodelle aus dem Internet – Beispiel Insulin

Unterrichtseinheit

In dieser Unterrichtseinheit werden am Beispiel Insulin Proteindatenbanken und kostenlose Molekülbetrachter wie RasMol vorgestellt. Diese Datenbanken bieten die Möglichkeit, mithilfe des Computers Aspekte der Struktur-Funktionsbeziehung auf molekularer Ebene so anschaulich darzustellen, wie dies im Unterricht mit keinem anderen Hilfsmittel möglich ist.

Biologie / Ernährung und Gesundheit / Natur und Umwelt
Sekundarstufe II
etwa 6 Unterrichtsstunden mit abschließender Präsentation
Ablaufplan, Primärmaterial, Recherche-Auftrag, Arbeitsblatt, Lernkontrolle
2 Arbeitsmaterialien

Beschreibung der Unterrichtseinheit

Möchte man die Raumstruktur eines Proteins in einem Molekülmodell darstellen, so benötigt man die Raumkoordinaten jedes einzelnen Atoms. Polypeptidsequenzen, für die diese Raumkoordinaten bereits bekannt sind, werden in der Regel in Datenbanken im Internet veröffentlicht. Von dort kann man sie auf den eigenen Rechner laden und als 3D-Molekülmodell visualisieren. Diese Unterrichtsheit zeigt am Beispiel des Insulins, wie am Rechner 3D-Molekülmodelle visualisiert werden können. In diesem Zusammenhang wird auch die Fragestellung nach dem Einsatz von Schweineinsulin und gentechnisch verändertem Insulin beim Menschen erörtert. Die Arbeit mit der Proteindatenbank schafft ein Bewusstsein dafür, wie wichtig das Internet als Drehscheibe für Biodaten und die freie Zugänglichkeit von Forschungsergebnissen für die tägliche Arbeit der weltweiten Wissenschaftsgemeinschaft ist.

Unterrichtsablauf

Inhalt

Sozial- / Aktionsform

1. Problemstellung

Als Einstieg dient eine kurze Darstellung der Krankheit Diabetes mellitus.

Lehrervortrag/ Unterrichtsgespräch
2. Sammlung von Informationen über gentechnisch verändertes Insulin

Die Schülerinnen und Schüler informieren sich über den Umgang mit der Krankheit. Recherche in Fachbüchern und im Internet.

Partnerarbeit
3. Auswertung der gesammelten Daten

Der Fokus liegt auf gentechnisch hergestelltem und verändertem Insulin.

Gruppenarbeit
4. Festigung

Gegenüberstellung der Verfahren: (1) Veränderung von Schweineinsulin zum Einsatz beim Menschen, (2) gentechnische Herstellung von Insulin

Lehrervortrag
5. Erarbeitung der Struktur-Funktionsbeziehung von Proteinen

Fragestellungen:

1) Würde die richtige Primärstruktur (z.B. künstlich hergestellt) ausreichen?

2) Ist die chemische Grundstruktur des Proteins allein ausschlaggebend für seine Funktion?

3) Wie sind die Ketten des Insulins miteinander verbunden, wie entstehen Dimere und Hexamere?

Die Schülerinnen und Schüler recherchieren die Raumstruktur (Tertiär und Quartärstruktur) des humanen Insulins.

Unterrichtsgespräch, Partnerarbeit
6. Einführung in die Auswertung von Daten aus der Proteindatenbank

Fragestellungen:

1) Wie kommt man von der Primärstruktur eines Proteins zu Kenntnissen über seine Raumstruktur?

2) Welche Daten enthält eine Proteindatenbank?

Die Schülerinnen und Schüler arbeiten am Computer das zuvor ausgedruckte Arbeitsblatt 1 durch und beantworten die Fragen.

Partnerarbeit
7. Festigung

Die Schülerinnen und Schüler erstellen gemeinsam eine Tabelle mit den Ergebnissen aus Arbeitsblatt 1.

Die Lehrerin oder der Lehrer ergänzt und korrigiert die erarbeiteten Erklärungen der Lernenden über die Methoden "Röntgenstrukturanalyse" und "NMR"

Gruppenarbeit/ Unterrichtsgespräch mit Tafelarbeit
8. Einführung in RasMol, Arbeit mit dem Programm

Die Schülerinnen und Schüler erarbeiten eigenständig die verschiedenen Raumstrukturen diverser Insuline. Sie laden die Dateien aus der Datenbank herunter und stellen die Molekülmodelle mit RasMol dar.

Partnerarbeit
9. Präsentation der Ergebnisse

Die Schülerinnen und Schüler präsentieren ihre Ergebnisse unter den Aspekten "Bedeutung räumlicher Strukturen bei Proteinen" und "Bedeutung von Datenbanken" (Rückführung auf die Ausgangsfrage nach den gentechnisch veränderten Raumstrukturen des Insulins).

Gruppenarbeit

Didaktisch-methodischer Kommentar

3D-Computermodelle im Unterricht

Der vollständige Weg von der Peptidsequenz zum dreidimensionalen Computermodell eines Proteins ist schwierig zu vermitteln, da sehr viele mathematische und physikalische Details in ihm stecken. Die räumliche Darstellung eines Proteins, zum Beispiel eines Stoffwechselenzyms oder eines Transportmoleküls wie des Sauerstoff bindenden Myoglobins, ist jedoch sehr wichtig für das Verständnis seiner Funktion. Dies soll auch der Lehrer-Online-Artikel Die dreidimensionale Hämoglobinstruktur verdeutlichen. Die räumliche Struktur von Substratbindungsstellen steht in direkter Beziehung zur Raumstruktur der Substrate (Schlüssel-Schloss-Prinzip) und damit zur Substratspezifität der Enzyme. Auch die Wirkung kompetitiver Hemmstoffe oder allosterischer Regulatoren können mithilfe einer interaktiven 3D-Struktur der Biomoleküle besser verdeutlicht werden, als dies durch andere Lehrmittel möglich ist.

Arbeit mit Datenbanken im Biologie-Unterricht

Die in den beiden Arbeitsblättern gestellten Aufgaben sollen zum einen dazu beitragen, die Wichtigkeit von Proteindatenbanken in der Hinsicht auf die Vergleichsmöglichkeiten (Zugehörigkeit eines Proteins zu einer "Proteinfamilie") von Sequenzen zu zeigen. Zum anderen soll die Medienkompetenz der Schülerinnen und Schüler - der Zugang zu einer Datenbank und der Umgang mit einem Visualisierungsprogramm - geschult werden. Die Arbeit mit Originaldaten, die Forscherinnen und Forscher im Internet veröffentlicht haben und die täglich von der weltweiten Wissenschaftsgemeinschaft genutzt werden, wirkt auf die Lernenden motivierend. Außerdem entwickeln sie ein Bewusstsein dafür, wie wichtig es für die modernen Biowissenschaften ist, dass Forschungsergebnisse frei zur Verfügung stehen und welche Rolle dabei das Internet spielt, das als Informationsquelle aus dem täglichen Forschungsbetrieb der Molekularbiologen nicht mehr wegzudenken ist.

Unterrichtsverlauf "Proteinmodelle im Unterricht"

Die Schülerinnen und Schüler sollten bereits Kenntnisse über Aminosäuren, den Aufbau der Peptidbindung, Primär- und Sekundärstrukturen sowie Wechselwirkungen zwischen den Peptidketten haben und mit dem Computer sicher umgehen können. Gegebenenfalls muss eine Einführung in RasMol und die Nutzung einer Datenbank eingebaut werden. Je nach Schwierigkeitsgrad des Unterrichts und der Vorbildung der Lernenden können die Methodik der Röntgenstrukturanalyse und der Kernmagnetischen Resonanz (NMR) genauer analysiert werden.

Fachlicher Hintergrund
Informationen zum Weg von der DNA-Sequenz bis zur Tertiärstruktur eines Proteins und Infos zu dem für die Visualisierung im Unterricht benötigten Molekülbetrachter RasMol

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Unterrichtsmaterial "Proteinmodelle aus dem Internet" zum Download

Vermittelte Kompetenzen

Die Schülerinnen und Schüler

verstehen am Beispiel des Insulins den Zusammenhang zwischen der in einer Proteindatenbank gespeicherten Datei und der Umsetzung als Proteinmodell im Computer.
können eine Sequenz aus einer Datenbank abrufen.
können mit einem einfachen Visualisierungsprogramm wie RasMol umgehen.
können die Vor- und Nachteile verschiedener Darstellungsarten (Kugelstabmodell, Proteinrückgrat und raumfüllendes Kalottenmodell) erkennen und diese mithilfe eines Programms umsetzen.
erarbeiten grundlegendes Wissen über den 3D-Aufbau (die Tertiär- und Quartärstruktur) von Proteinen.
können Struktur-Funktionsbeziehungen begreifen und erklären.
können Methoden zur Strukturaufklärung von Proteinen verstehen und wiedergeben.