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In den darauf folgenden Stunden wurde und wird die Wirkungsweise der Enzyme thematisiert. Als zu untersuchende Reaktion ist der enzymatische Abbau von Harnstoff mit Urease gewählt worden. Zunächst wurde besprochen was Harnstoff ist, wo er hergestellte wird, und dass er auch wieder abgebaut werden muss (bakteriell). Dass er abgebaut werden kann, wurde an der Erhitzung des Harnstoffs mit Durchleitung der Abbauprodukte durch Phenolphthaleinlösung als Indikator demonstriert. Die Abbauprodukte sind bekannt. In diesem Rahmen eruierte ich wie viel die Schüler über pH- Werte und das Ammonium/ Ammoniak- Gleichgewicht in Wasser wissen. Es wurde problematisiert, dass Bakterien unter den Temperaturen, bei denen Harnstoff thermisch zersetzt wird, nicht existieren können. Es stellte sic h die Frage wie Bakterien Harnstoff abbauen.

Die Schüler führten die Reaktion von Harnstoff in wässriger Lösung versetzt mit Phenolphthalein und Urease unter der Messung der Temperatur durch. So wurde erkannt, dass Urease Harnstoff abbaut, und dies bei Temperaturen unter denen Bakterien leben können. Die letzte Stunde schloss damit, dass die Schüler ein Reaktionsschema formulierten. Dieses war nicht stimmig, weil Urease als Edukt genannt wurde, aber auf der Produktseite keine Abbauprodukte der Urease genannt wurden. Das Aufstellen der Reaktionsgleichung machte einige Schwierigkeiten. Einige Schüler erkannten, dass genaue Kenntnisse über die Urease vorhanden sein müssen, um die Produkte nennen zu können. Ich stellte die Frage für die nächste Stunde zurück und beließ die Reaktionsgleichung in der folgenden stöchio- ⁺ +OH ^- + CO 2 metrisch nicht ausgeglichenen Form: (NH 2 ) 2 -CO + H 2 O + Urease ? NH 4

Die Schüler kennen:

- Die Harnstoffabbaureaktion - pH- Werte und deren Messung mit Indikatoren

- Reaktionsschemata, bei denen Stoffe, die als Edukt eingesetzt werden irgendwie verändert auch als Produkt erscheinen müssen

- Urease als Stoff, der den Harnabbau bei niedrigen Temperaturen ermöglicht - Temperatur als Indikator für Energie - Das Durchführen einfacher Experimente 5. Überlegungen zur Didaktik

5.1 Legitimation

Das Thema Enzyme bietet in besonderem Maße die Betrachtung von Stoffwechselvorgängen auf molekularer Ebene ausgehend von Phänomenen. So kann anhand dieses Themas erklärt werden, weshalb Organismen nur in einem bestimmten Temperaturbereich existieren können. Auch wird den Schülern bewusst, dass sie nicht einfach so funktionieren, sondern dass für das Phänomen des Lebens nichts anderes als chemische Reaktionen verantwortlich sind. Enzyme nehmen für diese Betrachtung eine Schlüsselstellung ein, weil nahezu alle Reaktionen in Organismen enzymkatalysiert sind.

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Die Rahmenrichtlinien für die gymnasiale Oberstufe geben als Inhalt für die Vorstufe im Baustein „Realisierung der genetischen Information“ den Inhalt Enzyme an. Als Hinweis findet sich dort die experimentelle Erarbeitung einiger Enzymeigenschaften, z.B. Wirkungs- und Substratspezifität, Temperatur und pH- Abhängigkeit. Auch soll auf den Aufbau der Enzyme eingegangen werden.[1] Damit liegt die Erarbeitung des Reaktionsmechanismus zwingend auf dem Weg zur experimentellen Erkenntnis der Enzymeigenschaften. 5.2 Motivation

Wie bereits erwähnt muss die Klasse motiviert werden, um ihr Potential zu aktivieren. Ich köderte die Lerngruppe mit dem „Früchtequarkexperiment“, was auch funktionierte. Nach Wagenschein erfüllt diese Unterrichtseinheit alle vier Parameter. Des Elementare wird im Rahmen der Ureaseexperimente abgedeckt, in denen die elementaren Wirkungsweise der Enzyme beispielhaft erarbeitet werden. Der genetische Parameter wird bedient indem die Schüler die Experimente selbst durchführen und Ideen zur Erklärung der Phänomene suchen. Der Parameter Begegnung mit dem Phänomen wird zwar mit dem Früchtequarkexperiment erfüllt, lässt sich aber nicht durchgängig beibehalten, weil das Enzym Actinidin nicht zu kaufen ist, und damit auf die Urease zurückgegriffen wird, die nur bedingt eine Begegnung mit dem Phänomen ist. Harnstoff wird zwar im menschlichen Körper hergestellt, gilt aber als etwas „schmutziges“. Der Abbau des Harnstoffs ist für die Schüler nicht unmittelbar von Bedeutung. Diese Reaktion ist aber zu bearbeiten um dem elementarem Parameter gerecht zu werden. Zugegeben ist das Fundamentale ein großes Wort im Zusammenhang mit dem enzymatischen Abbau von Harnstoff. Trotz dessen werden mit dem „Früchtequarkexperiment“ die Grenzen ihrer Erkenntnis mar-kiert.[2] Durch das Quarkexperiment werden die Schüler also motiviert nach Wagenschein sich mit dem Thema Enzyme zu beschäftigen. Die Erarbeitung der Wirkungsweise dieser Stoffgruppe wird für die Schüler zunehmend unattraktiver, was versucht wird damit zu kompensieren, dass sie die Versuche selbst durchführen [3]. 5.3 Sachanalyse

Enzyme katalysieren die meisten Stoffwechselreaktionen. Dabei werden diese nicht verbraucht. Sie können die selbe Reaktion immer wieder katalysieren. Damit ist ein Enzym kein Edukt, sondern ein Katalysator für eine ganz bestimmte Reaktion. Urease ist ein Enzym zum Harnstoffabbau und kommt in Harnstoff abbauenden Bakterien und vielen Pflanzen vor. Urease spaltet den Harnstoff zu Ammoniak und CO 2 . Das aktive Zentrum, in dem Nickelionen komplex gebunden sind, ist für die Katalysatorfunktion verantwortlich. Ammoniak steht im chemischen Gleichgewicht mit Ammonium, das alkalisch reagiert. Mit Phenolphthalein lässt sich die Verschiebung des pH- Werts in den alkalischen Bereich durch intensive Rotfärbung nachweisen. Titriert man in die Lösung dann mit stark verdünnter Salzsäure, wird sie wieder Farblos, weil der pH- Wert in den neutralen Bereich verschoben wird. Nach einiger Zeit erkennt man eine erneute Rotfärbung. Das Enzym liefert also Ammonium nach. 5.4 Transformation

Es ist der problemorientierte Unterricht gewählt worden, weil die Schüler in der letzten Stunde selbst ein Problem produziert haben, dass nun aufgegriffen wird. Die letzte Stunde endete damit, dass eine

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Reaktionsgleichung aufgestellt wurde, in der Urease als Edukt auftaucht, aber dem keine Produkte zugeordnet wurden. Die Gleichung ist stöchiometrisch nicht ausgeglichen. Dies ist auch nicht unbedingt erforderlich, weil sowieso noch nicht geklärt ist, wie die Urease dort eingebunden werden soll. Wenn feststeht, dass die Urease keine Produkte bildet, wird sie stöchimetrisch ausgeglichen. Gewählt wird das forschend- entwickelte Unterrichtsverfahren, weil die Schüler einen Widerspruch verursacht haben, für den sie keine Lösung finden. Das Erkennen des Widerspruchs ist der Einstieg in die Stunde. Auf einen lückenlosen Reaktionsmechanismus wird nicht eingegangen. In dieser Unterrichtseinheit wird das Enzym als Black- Box betrachtet, in der später die Erweiterung des aktiven Zentrums auftritt, was allerdings extrem strukturell reduziert wird und nicht auf molekularer Ebene stattfindet. Für die Schüler ist die Urease zunächst ein Stoff, der in Bakterien und Pflanzen vorliegt und den Abbau von Harnstoff bewirkt. Die Urease taucht in den Reaktionsgleichungen, anders als die anderen an der Reaktion beteiligten Stoffe, als Wort auf. In dieser Stunde soll zunächst herausgefunden werden, dass die Urease dabei selbst nicht verbraucht wird. In der letzten Stunde fragten einige Schüler, was Urease ist. Deshalb wird nun kurz auf die Struktur des 480000 u schweren Moleküls eingegangen, nicht damit die Schüler diese Verstehen, sondern vielmehr um ihnen zu zeigen mit welchem komplexen Stoff wir es zu tun haben, der nicht als Summenformel in der Reaktionsgleichung genannt werden kann. Thematisiert wird die Zusammensetzung der Urease in Hinblick auf das Vorhandensein von komplex gebundenen Nickelionen im aktiven Zentrum. Um nachzuweisen, dass die Urease bei der Reaktion nicht abgebaut wird, wird ein Bild der Struktur, angeschaut und die Information gegeben, dass Nickelionen vorhanden sind, die sich beim Abbau nachweisen lassen. Für die Schüler ist nicht klar, dass sich die Ionen beim Abbau in unseren Proben, aufgrund der zu geringen Konzentration, nicht nachweisen lassen. Da das Ergebnis das Selbe ist, wird hier stark strukturell reduziert und auf eine Thematisierung von Nachweisgrenzen aus Zeit- und Kostengründen verzichtet.

Die Hypothese der Reaktion des Harnstoffs mit Urease wird falsifiziert, indem Informationen zum Nachweis von Ammoniumionen für unsere Zwecke reduziert in den Unterricht gegeben wird. Es ist an dieser Stelle für die Schüler unwichtig zu wissen, dass eine hohe Konzentration an Hydroxidionen das Ammonium/Ammoniakgleichgewicht so verschiebt, dass Ammoniak aus der Lösung austritt. Wichtig ist nur, dass durch Laugenzugabe in Ammoniumlösung Ammoniakgeruch entsteht. Für das vollständige Verstehen des Experiments wäre eine Kenntnis über die Funktion des Phenolphthaleins wünschenswert. Für unsere Zwecke reicht es zu wissen, dass Phenolphthalein im alkalischen Bereich rot wird. Reduzieren lässt sich nicht, dass die Farbe nicht durch Ammoniak sondern durch Hydroxidionen verursacht wird. Das Gleichgewicht wurde besprochen. Da ich die Klasse im Chemieunterricht erlebt habe, gehe ich nicht davon aus, dass allen klar ist, was bei der Zugabe von Säure in die Lösung passiert. Die Hydroxidionen reagieren mit den Hydroniumionen. So sinkt der pH-Wert. Anders als im Chemieunterricht ist es ausreichend, wenn sie wissen, dass Säuren Laugen neutra- lisieren und der pH- Wert sinkt.