Unterrichtsentwurf zur Temperaturabhängigkeit der Katalase (Fach: Biologie, Grundkurs)


Unterrichtsentwurf, 2021

30 Seiten, Note: 1,0

Anonym


Leseprobe

2. Angaben zur Lerngruppe

Die Angaben zur Lerngruppe sind aus urheberrechtlichen Gründen nicht im Lieferumfang enthalten!

3. Thematische Einbettung und Funktion der Stunde in der Unterrichtseinheit

Die Unterrichtseinheit „Energiestoffwechsel - Enzymatik“

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

4. Sachanalyse

Enzyme sind Proteine, die in den eukaryotischen Zellen den Stoffwechsel des Organismus steuern und als Biokatalysator (körpereigene Beschleuniger) für chemische Reaktionen dienen, ohne dabei selbst verändert zu werden. Das aktive Zentrum eines Enzyms steuert dabei die katalytische Wirksamkeit. Bindet ein Substrat im aktiven Zentrum, ändert es seine Form oder wird zerlegt. Aus der chemischen Umsetzung entsteht ein neues Produkt. Enzyme kann man je nachdem, welche Art von chemischer Reaktion sie katalysieren sollen, in sechs Hauptgruppen einteilen: Oxidoreduktasen (Redoxreaktionen), Transferasen (Übertragung von Molekülen), Hydrolasen (Bindungen mit Relevanz von H2O), Lyasen (ohne Energieverbrauch), Isomerasen (Neuordnung von Bindungen), Ligasen (Verbindung zweier Moleküle).1

Ihre Enzymaktivität hängt dabei zum einen von der Substratspezifität, die bereits in einer Stundeneinheit zuvor erarbeitet wurde, ab. Außerdem ist die Aktivität eines Enzyms an die Temperatur, den pH-Wert und die Substratkonzentration gekoppelt. In der vorliegenden Stundeneinheit steht die Abhängigkeit der Enzymaktivität von der Temperatur im Zentrum. Durch ein gängiges Experiment, bei dem H20 (0,5ml) mit Wasserstoffperoxid (1,0ml) und Hefe (Spatelspitze) vermengt und anschließend bestimmten Temperaturen ausgesetzt wird, kann den Schülerinnen und Schülern2 die Auswirkung der Temperatur auf die Wirkungsweise von Enzymen verdeutlicht werden. Dabei wird der Ablauf der Reaktion bei drei Temperaturen (4 Grad Celsius, Raumtemperatur, 37 Grad Celsius) und einem weiteren Reaktionsansatz, bei dem die Hefe aufgekocht wird, überprüft. Wasserstoffperoxid ist ein Zellgift. Bestimmte Enzyme katalysieren die Reaktion von Wasserstoffperoxid zu Wasser und Sauerstoff und verringern somit oxidativen Stress in den Zellen. Die Katalase in diesem Experiment wird durch bestimmte Enzyme in der Hefe angetrieben. Das Ergebnis des Versuchs lautet, dass die Enzymaktivität der Katalase temperaturabhängig ist: Enzyme denaturieren bei hohen Temperaturen und verlieren ihre Wirksamkeit (Ansatz 1). Bei niedrigen Temperaturen ist die Reaktionsrate geringer als bei Raumtemperatur (Ansatz 2 und 3). Bei 37°C-39 Grad hat die Katalase ihr Aktivitätsmaximum (Optimum).3 Bei Fieber ist eine systemische Entzündungsreaktion des Körpers auf eine Bakterien- oder Vireninfektion, bei der der Hypothalamus die Körpertemperatur erhöht, zu beobachten. Der Hypothalamus befindet sich im Gehirn und steuert die Wärmeabgabe und Wärmeproduktion des Körpers. Der Soll-Wert liegt bei dem Menschen um 37 Grad herum. Dabei spielen zelluläre Prozesse von Pyrogenen (Fieber erzeugende Stoffe) eine Rolle, die die Temperatur der Zellen höher regulieren. Nach aktueller Hypothese werden Stoffwechselprozesse (durch Enzyme gesteuert) und die Leistung von Phagocytosen (Aufnahme von Stoffen in bestimmte eukaryotische Zellen und ihre Unschädlichmachung) erhöht, was zu einer besseren Gewebereparatur beiträgt. Zu hohes Fieber (40 bis 42 °C) jedoch führt dazu, dass die Enzyme denaturieren. Das bedeutet, dass eine strukturelle Veränderung von den Proteinmolekülen der Enzyme stattfindet und die Enzyme ihre biologische Funktion verlieren. Bestimmte Stoffwechselprozesse sind dann im Körper nicht mehr möglich.4

5. Didaktische Überlegungen

Die Fachrelevanz des Themas „Enzymatik“ ist dadurch zu begründen, dass sie innerhalb der Unterrichtsreihe zum Energiestoffwechsel ein Basiskonzept bildet, das mit weiteren Unterthemen der Reihe verknüpft wird und gleichzeitig Grundlagenwissen für diese ist. Es wird dabei ein grundlegender Funktionsmechanismus des menschlichen Körpers erarbeitet und die Struktur wichtiger Proteine näher beleuchtet.

Der Bezug zur Lebenswelt der SchülerInnen wird mit dem Transfer auf das Thema „Fieber“ geleistet, das in der Besuchsstunde bereits als Einstieg dient und innerhalb der Stundeneinheit tiefer thematisiert wird. Dabei wird auch eine Bezugnahme zur sportlichen Betätigung bei Krankheit gemacht, um die Gesunderhaltung und Überlastung des eigenen Körpers zu beleuchten. Enzyme sind zudem überlebenswichtige Proteine für den Körper und seine Stoffwechselprozesse. Mit diesem Thema können die SchülerInnen die eigenen Körperfunktionen kennen und den Körper schätzen lernen. Abstrakte Fragen jedoch, wie auch in chemischen Zusammenhängen, werden laut einigen Studien mit wenig Interesse seitens der SchülerInnen bewertet. Das Interesse dennoch anzustoßen ist möglich, wenn das abstrakte Thema mit für die SchülerInnen bedeutsamen Themen, wie Fieber, verbunden werden.5 Das Vorwissen chemischer Grundlagen bei SchülerInnen sei meist gering, da sie zuvor nicht ausreichend vermittelt wurden. Nach Berck kann Biologieunterricht dazu beitragen, diese Wissens-Lücken und Fehlvorstellungen zu beheben.6 Gesellschaftlich relevant ist die Problematisierung des Einsatzes von Enzymen in biologisch-technischen Zusammenhängen am Ende der Unterrichtsreihe. Sie werden bei der Herstellung von Pflegeprodukten, Reinigungsmitteln, Produkten wie Papier, Textilien oder Leder, bei der Gewinnung von Biotreibstoffen und vielen Nahrungsmitteln eingesetzt. Am wirtschaftlich bedeutendsten ist die Anwendung von Enzymen bei der Stärkeverzuckerung. Dabei spalten Enzyme pflanzliche Stärke in ihre Grundbestandteile verschiedener Zucker auf, aus dem Süßstoffe, Zuckerersatzstoffe und Sirupe hergestellt werden. Die dafür notwendigen Enzyme werden meist gentechnisch hergestellt, was ebenfalls problematisiert und reflektiert werden kann, da Gentechnik viel Kritik in den Medien erlangt hat und Lebensmittel von verschiedenen Herstellern sogar mit dem Label „ohne Gentechnik“ ausgewiesen werden.7

Das Thema der Stunde legitimiert sich formal durch die Forderungen des niedersächsischen Kerncurriculums für die gymnasiale Unterstufe (Niedersächsisches Kultusministerium, 2015). Inhaltlich wird das Thema „Temperaturabhängigkeit der Katalase“ der Stundeneinheit zusätzlich durch das schulinterne Biologie-Fachcurriculum legitimiert, in dem explizit die Untersuchung der Abhängigkeit der Enzymaktivität vom Faktor Temperatur anhand eines Experiments gefordert wird. Diesen Vorgaben folgend, liegt der inhaltliche Schwerpunkt der Besuchsstunde auf der Hypothesenbildung und Vorbereitung des anschließenden Experiments. Zum anderen dient die Stundeneinheit der Entwicklung von prozessbezogener Kompetenzen. Insbesondere wird die Methodenkompetenz geschult, nach der die SchülerInnen Fragestellungen und Hypothesen entwickeln, Experimente planen, diese durchführen und sie hypothesenbezogen auswerten. Daneben dient die Stundeneinheit durch die Gruppenarbeit und dem abschließenden Transfer des Wissens auf das Thema Fieber der Förderung von Kompetenzen des Kompetenzbereichs Kommunikation. Im Sinne der didaktischen Reduktion wurde innerhalb der Stundeneinheit zur Temperaturabhängigkeit von Katalase und im weiteren Verlauf der Unterrichtseinheit darauf verzichtet, weitere Experimente zu der Abhängigkeit von enzymatischen Reaktionen vom PH-Wert und der Substratkonzentration zu machen und diese stattdessen durch Lernvideos erarbeiten zu lassen, um sie mit dem Experiment zur Temperaturabhängigkeit von Enzymaktivität zu vergleichen. Innerhalb der Besuchsstunde und im Verlauf der Stundeneinheit wurde der Fokus auf das schülerInnennahe Beispiel des Fiebers gesetzt und Vertiefungen in bestimmte Krankheiten oder Verwendungen innerhalb der Biologie ausgeklammert.

6. Lernziele

Globalziel für die gesamte Stundeneinheit „Temperaturabhängigkeit der Katalase“:

Die Schülerinnen und Schüler ermitteln die Abhängigkeit der Enzymaktivität von der Temperatur und erläutern den Zusammenhang zum Thema Fieber, indem sie ein Lernvideo auswerten, ein Experiment unter Versuchsanleitung durchführen und selbstständig recherchieren.

In der Besuchsstunde und im weiteren Verlauf im Einzelnen:

Die SchülerInnen

- stellen Hypothesen zur Abhängigkeit der Enzymaktivität von der Temperatur auf und überprüfen ihre Hypothesen anhand eines Experiments (LZ1/ AFB2/ EG2.1)
- bereiten einen Versuch zur Abhängigkeit der Enzymaktivität von der Temperatur vor, indem sie ein Lernvideo zur temperaturabhängigen Katalase mit beispielhaftem Experiment auswerten (LZ2/ AFB1/ EG2.1; EG4.1)
- führen ein Experiment zur Enzymaktivität in Abhängigkeit von der Temperatur unter Versuchsanleitung durch und interpretieren dieses mithilfe eines Lernvideos(LZ3/ AFB2/ EG2.1; FW4.3; FW4.4)
- stellen Vermutungen zu der (In-)Aktivität eines Enzyms bei hoher Temperatur (Fieber) auf und überprüfen diese durch eine gezielte Internetrecherche anhand von Leitfragen (LZ4/ AFB 2/ EG4.3; EG4.4)
- erläutern die Enzymaktivität bei Fieber, indem sie ihr erworbenes Wissen aus dem Experiment und der Recherchearbeit anwenden (LZ5/ AFB 3/ EG1.1; KK1.1; FW4.3; FW4.4)

7. Methodische Überlegungen

Im Einstieg der Stunde wird in einer PowerPoint Präsentation auf dem White Board ein Bild von einer Person mit Fieber gezeigt, zu dem die SchülerInnen aufgefordert werden, im Plenum alle Fragen zu äußern, die sich ihnen in Bezug auf das Bild, aber auch das derzeitige Thema Enzymatik in Verbindung zum Bild stellt. Diese Fragen sammelt die Lehrperson auf der Präsentation, die für alle zu sehen ist. Dieser offene und mit Bezug zur Lebenswelt gestaltete Einstieg ist gewählt worden, um das Interesse der SchülerInnen an dem Thema zu wecken und Prä-Konzepte abzufragen. Alternativ hätten die SchülerInnen auch einen Artikel bekommen können, den sie in Einzelarbeit lesen. Allerdings würde dies das Interesse nicht so sehr fördern, wie der freie Gedankenfluss und die Verbindung zur Lebenswelt durch das Bild einer Person mit Fieber. Außerdem wird durch die Arbeit im Plenum bereits das notwenige gemeinsame und kooperative Arbeiten am Experiment, das in der zweiten Hälfte der Doppelstunde folgt, angestoßen. In einer dialektischen Sammlung von Gedanken, können zudem aufeinander aufbauende Ideen entstehen, die in Einzelarbeit nicht so vielfältig wären. Die Problemfrage wird von der Lehrperson im Anschluss, ebenfalls auf der PowerPoint Präsentation auf dem White Board, vorgegeben. Wobei hier unbedingt auch ein Bezug zu den antizipierten Vermutungen und den bisherigen Inhalten hergestellt werden muss. Alternativ können die SchülerInnen dazu hingeführt werden, die Problemfrage selbst zu formulieren. Allerdings habe ich mich dagegen entschieden, um zu vermeiden, dass sie sich auf das Thema Fieber fokussieren. Zudem ist hier auch der zeitliche Faktor relevant.

In der Phase der Hypothesenbildung entwickeln die SchülerInnen Hypothesen zu der Leitfrage der Stunde. Dabei sollte die Lehrperson diese präzisieren und ergänzen. Diese Phase ist für SchülerInnen häufig schwierig, da sie die notwendig zu untersuchenden Faktoren oftmals nicht ausreichend genug differenzieren können.

In einer ersten Erarbeitungsphase der Stundeneinheit, teilt die Lehrperson die SchülerInnen bereits durch die schlichte und zeitsparende Methode des Abzählens in Gruppen ein, in der sie auch im Experiment zusammenarbeiten werden. Die SchülerInnen mit der gleichen Zahl, arbeiten auch in einer Gruppe zusammen und gewöhnen sich bereits jetzt in diese ein. Die Besuchsstunde dient vor allem zur Vorbereitung auf das anschließende Experiment. Die SchülerInnen machen sich in Gruppenarbeit durch ein Lernvideo, Aufgabenstellungen auf der PowerPoint Präsentation und einem Arbeitsblatt mit dem Versuchsablauf vertraut. Außerdem notieren sie ihre Vermutungen zu den Ergebnissen der einzelnen Reaktionsansätze auf dem Arbeitsblatt und arbeiten alle notwendigen Schlüsselbegriffe ebenfalls auf dem Arbeitsblatt heraus. Da chemische Themen und die dazugehörigen Versuche komplex und für SchülerInnen schwierig zu erfassen sind (siehe Ausführungen in den didaktischen Überlegungen), wird hier der Fokus auf eine ausführliche Vorbereitung gelegt. Durch die Vorarbeit und die Möglichkeit vorab alle Fragen zum Experiment zu klären, kann das Experiment selbst mit einer höheren Wahrscheinlichkeit mit geringerer Fehlerquote und zeitlich effektiver durchgeführt werden.

Der Rückbezug und die Vertiefung zu dem Einstiegsbeispiel „Fieber“, wird erst am Ende der Stundenreihe nach der Auswertung des Experiments geleistet (siehe Anhang S.11). Die Versuchsdurchführung und -auswertung findet nach der Besuchsstunde in der zweiten Stunde der Doppelstunde statt (siehe Anhang S.10). Als Didaktische Reserve ist eine Rechercheaufgabe vorgesehen: „Wo werden Enzyme in biologisch-technischen Zusammenhängen eingesetzt? Erstelle dazu eine Mind-Map. Verwende dabei neben Begriffen auch Skizzen, um die Anwendungsbereiche zu veranschaulichen.“ Die Mind-Maps der SchülerInnen können am Ende der Reihe bei der Problematisierung des Einsatzes von Enzymen in biologisch-technischen Zusammenhängen Einsatz finden, indem sie im Einstieg der dazugehörigen Stunde innerhalb eines Kurzreferates vorgestellt werden.

8. Hausaufgaben

Hausaufgaben zur Besuchsstunde: Keine Hausaufgaben zur Folgestunde: Keine (Osterferien)

9. Literaturverzeichnis

Literatur:

Baisch, P. & Weitzel, H. (2021): Biologie unterrichten: planen, durchführen, reflektieren. Berlin: Cornelsen.

Berck, K.-H. & Graf. D. (2010): Biologiedidaktik. Grundlagen und Methoden. Paderborn: Verlag Wiebelsheim.

Campbell, N. A. & Reece, J. B. (2011): Biologie. München: Pearson Studium.

Clauss, C. & Clauss, W. (2018): Humanbiologie kompakt. Berlin: Springer.

Gropengießer, H. u.a. (2010): Biologiedidaktik in Übersichten. Hallbergmoos: Aulis Verlag.

Gropengießer, H. u.a. (2018): Fachdidaktik Biologie. Seelze: Aulis Verlag.

Spörhase, U. u.a. (2012): Biologie-Didaktik. Praxishandbuch. Sekundarstufe I und II. Berlin: Cornelsen.

Internetquellen:

Transparenz Gentechnik: Biotechnologie im Alltag: Enzyme sind fast überall: URL: https://www.transgen.de/lebensmittel/1176.enzyme-biotechnologie-alltag.html#:~:text=Bei%20der%20Herstellung%20von%20Nahrungsmitteln,%E2%80%9Everkleben%E2%80%9C%20Fleischteile%20zu%20Kochschinken (zuletzt aufgerufen am 31.03.2021)

[...]


1 Vgl. Campbell, N. A. & Reece, J. B. (2011): Biologie. München: Pearson Studium. S. 197 ff.

2 Im Folgenden mit SchülerInnen abgekürzt

3 Vgl. Campbell, N. A. & Reece, J. B. (2011): Biologie. München: Pearson Studium. S. 200 ff.

4 Vgl. Campbell, N. A. & Reece, J. B. (2011): Biologie. München: Pearson Studium. S. 1156 und S. 1276.

5 Vgl. Berck, K.-H. & Graf. D. (2010): Biologiedidaktik. Grundlagen und Methoden. Paderborn: Ver-lag Wiebelsheim. S. 115

6 Vgl. Berck, K.-H. & Graf. D. (2010): Biologiedidaktik. Grundlagen und Methoden. Paderborn: Ver-lag Wiebelsheim. S. 132.

7 Vgl. Transparenz Gentechnik: Biotechnologie im Alltag: Enzyme sind fast überall. URL: https://www.transgen.de/lebensmittel/1176.enzyme-biotechnologie-alltag.html#:~:text=Bei%20der%20Herstellung%20von%20Nahrungsmitteln,%E2%80%9Everkleben%E2%80%9C%20Fleischteile%20zu%20Kochschinken(zuletzt aufgerufen am 31.03.2021).

Ende der Leseprobe aus 30 Seiten

Details

Titel
Unterrichtsentwurf zur Temperaturabhängigkeit der Katalase (Fach: Biologie, Grundkurs)
Hochschule
Universität Osnabrück  (Biologiedidaktik)
Note
1,0
Jahr
2021
Seiten
30
Katalognummer
V1032993
ISBN (eBook)
9783346479945
Sprache
Deutsch
Schlagworte
Katalase, Enzyme, Enzymatik, Temperaturabhängigkeit, Energiestoffwechsel, Hefe, Wasserstoffperoxid, Fieber, Enzymaktivität
Arbeit zitieren
Anonym, 2021, Unterrichtsentwurf zur Temperaturabhängigkeit der Katalase (Fach: Biologie, Grundkurs), München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/1032993

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