Enzyme spielen eine zentrale Rolle im Stoffwechsel aller lebenden Organismen. Nahezu jede biochemische Reaktion wird von Enzymen bewerkstelligt und kontrolliert [1, S. 64]. Sie werden zudem heute in vielen Bereichen wie Medizin, Therapie und Biotechnik sowie in der Lebensmittelindustrie in großem Maßstab produziert und eingesetzt [2, S. 54]. Enzyme kommen damit häufig im Alltag der SuS vor, ohne dass es ihnen bewusst ist. So wird den SuS auch das in dieser Unterrichtsstunde genannte Beispiel der Verwendung von Enzymen in Waschmitteln zur Steigerung der Waschleistung weitestgehend unbekannt sein. Deshalb liegt die Intention dieser Unterrichtsstunde auch darin, den SuS die Allgegenwärtigkeit und den alltäglichen selbstverständlichen Gebrauch von Enzymen zu verdeutlichen.
Auch die Temperaturabhängigkeit von chemischen Reaktionen ist zwar eine Alltagserfahrung (z. B. Kühlung von Lebensmitteln, Aktivität von wechselwarmen Tieren), aber den SuS ebenfalls oftmals nicht bewusst. Deshalb soll den SuS in dieser Stunde die Temperaturabhängigkeit enzymatischer Reaktionen vermittelt werden, denn diese stellen eine wichtige Grundlage zur Erarbeitung und zum Verständnis weiterführender biologischer Themen in der Oberstufe dar, wie z. B. der Fotosynthese und der Zellatmung [3, S. 1]. Auch in den Rahmenrichtlinien für die gymnasiale Oberstufe ist die Behandlung von Enzymen und ihrer Eigen-schaften in dem Baustein „Realisierung der genetischen Information“ für die Vorstufe gefordert [4, S. 16]. In der vorangegangenen Sequenz haben die SuS bereits viele molekularbiologische Prozesse kennen gelernt, bei denen Enzyme in ihrer Funktion behandelt wurden.
Inhaltsverzeichnis
1 Lerngruppe und Lehrkraft
2 Das Thema aus pädagogischer und fachdidaktischer Sicht
3 Kompetenzbezug und Stundenziel
4 Methodische Überlegungen
5 Verlaufsplan
Zielsetzung & Themen
Ziel der Unterrichtseinheit ist die experimentelle Untersuchung der Temperaturabhängigkeit enzymatischer Reaktionen am Beispiel der Katalase, um den SuS grundlegende enzymatische Wirkungsweisen und ökologische Zusammenhänge zu verdeutlichen. Die zentrale Forschungsfrage lautet: „Hat die Temperatur einen Einfluss auf die Enzymaktivität?“
- Grundlagen der Enzymatik und der Enzymaktivität
- Experimentelle Erarbeitung der Temperaturabhängigkeit am Beispiel von Katalase
- Verknüpfung der Messergebnisse mit der RGT-Regel und der Denaturierung von Enzymen
- Förderung der Kompetenz im Bereich Erkenntnisgewinn durch handlungsorientiertes Experimentieren
- Anwendung des erworbenen Wissens auf alltagsrelevante und biologische Phänomene
Auszug aus dem Buch
Die Temperaturabhängigkeit der Enzymaktivität
Die Temperatur hat über zwei verschiedene Mechanismen Einfluss auf die Enzymaktivität: Grundsätzlich nimmt, wie bei allen anderen chemischen Reaktionen auch, die Reaktionsgeschwindigkeit enzymatischer Reaktionen nach der RGT-Regel mit steigender Temperatur zu: Bei chemischen Reaktionen führt eine Temperaturerhöhung von 10°C zu einer Verdopplung der Reaktionsgeschwindigkeit. Dieser Sachverhalt ist durch die bei höheren Temperaturen stärkere Teilchenbewegung zu erklären, wodurch Enzym und Substrat mit einer größeren Wahrscheinlichkeit aufeinander treffen. [5, S. 109; 1, S. 65]
Ab einer bestimmten Temperatur fällt jedoch die Geschwindigkeit der enzymatischen Reaktion mit jedem weiteren Temperaturanstieg rapide ab. An diesem Punkt stört die Wärmeenergie die Wasserstoffbrücken und andere nichtkovalente Wechselwirkungen, welche die räumliche Struktur der Enzymmoleküle stabilisieren, so dass das Proteinmolekül irreversibel verändert wird (Denaturierung). [5, S. 109].
Zusammenfassung der Kapitel
1 Lerngruppe und Lehrkraft: Analyse der heterogenen Zusammensetzung der Klasse 11, ihres Leistungsstandes sowie der pädagogischen Strategien zur Förderung der Motivation und Arbeitsweise.
2 Das Thema aus pädagogischer und fachdidaktischer Sicht: Darstellung der Bedeutung von Enzymen im Alltag und Stoffwechsel sowie die fachdidaktische Begründung der experimentellen Untersuchung zur Temperaturabhängigkeit.
3 Kompetenzbezug und Stundenziel: Definition der fachlichen Zielsetzung, dass SuS die Temperaturabhängigkeit von Enzymen beschreiben und diese mit theoretischen Modellen wie der RGT-Regel erklären können.
4 Methodische Überlegungen: Erläuterung der kooperativen Arbeitsformen, der experimentellen Durchführung und der Moderation zur Sicherung der Lernergebnisse.
5 Verlaufsplan: Detaillierte tabellarische Planung der Unterrichtsphasen inklusive der Lernaktivitäten und eingesetzter Medien.
Schlüsselwörter
Enzyme, Enzymaktivität, Katalase, Temperaturabhängigkeit, RGT-Regel, Denaturierung, Wasserstoffperoxid, Zellstoffwechsel, Erkenntnisgewinn, Experiment, Fachdidaktik, Unterrichtsbesuch, Sekundarstufe II, Biologieunterricht, Schülerexperiment
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit stellt einen Entwurf für einen besonderen Unterrichtsbesuch im Fach Biologie dar, der das Thema Temperaturabhängigkeit enzymatischer Reaktionen behandelt.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die Arbeit fokussiert auf die Grundlagen der Enzymatik, die Wirkungsweise des Enzyms Katalase und die Auswirkungen der Temperatur auf biochemische Stoffwechselprozesse.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Das primäre Ziel ist es, dass die Schülerinnen und Schüler auf experimenteller Basis den Einfluss der Temperatur auf die Enzymaktivität erkennen, beschreiben und theoretisch fundiert erklären können.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es wird eine kooperative, schülerzentrierte experimentelle Methode verwendet, bei der arbeitsteilig Daten erhoben, grafisch ausgewertet und im Plenum diskutiert werden.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil befasst sich mit der theoretischen Herleitung, den methodischen Überlegungen sowie der detaillierten Verlaufsplanung des Unterrichts.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die wichtigsten Begriffe sind Enzyme, Enzymaktivität, Katalase, Temperaturabhängigkeit, RGT-Regel und Denaturierung.
Warum wurde das Enzym Katalase für das Experiment gewählt?
Die Katalase eignet sich besonders gut für den Unterricht, da sie in Hefe leicht verfügbar ist, sehr schnell reagiert und die Aktivitätsmessung über das entstehende Sauerstoffvolumen anschaulich umsetzbar ist.
Wie gehen die Schüler mit der RGT-Regel um?
Die Regel wird im Verlauf der Ergebnissicherung entweder durch die Schüler selbst bei der Deutung ihrer Daten eingeführt oder durch die Lehrkraft als theoretischer Hintergrund zur Erklärung der Temperaturkurve ergänzt.
Welche Rolle spielt die Hausaufgabe in diesem Konzept?
Die Hausaufgabe dient der Transferleistung, bei der die Schüler das in der Stunde erworbene Wissen auf ein biologisches Beispiel aus der Natur, konkret die Thermoregulation bei Eidechsen, anwenden.
Wie ist die Gruppendynamik während der Erarbeitung gestaltet?
Die Schüler arbeiten in leistungsheterogenen Kleingruppen, wobei innerhalb der Gruppen feste Funktionen wie Zeitwächter oder Protokollant vergeben werden, um das kooperative Lernen zu fördern.
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- Alice Sievers (Author), 2008, Unterrichtsstunde: Experimentelle Erarbeitung der Temperaturabhängigkeit enzymatischer Reaktionen, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/144378
