Kompetitive und allosterische Hemmung enzymatischer Reaktionen

1. Thema der Unterrichtseinheit

Katalysatoren des Lebens: Enzyme. – Die Erkundung des Baus und der Wirkungsweise von Enzymen sowie der Einflüsse auf Wirksamkeit, Aktivierung und Hemmung.

2. Sachanalyse und Einordnung der Stunde in die Unterrichtsreihe

Die zugrundeliegende Reihenplanung basiert auf dem novellierten Oberstufenlehrplan Biologie des Hessischen Kultusministeriums für den gymnasialen Bildungsgang; dort heißt es: „Grundlage für das Funktionieren des Organismus ist das Zusammenspiel der Zellen, Gewebe und Organe, die durch stoffliche Signale mit Hilfe verschiedener Transportmechanismen miteinander kommunizieren. Mit dem Thema „Ernährung“ wird ein Gesundheitsaspekt aufgegriffen. Hierbei sollen Enzymreaktionen (Katalyse) zur Verarbeitung der verschiedenen Nahrungsinhaltsstoffe […] thematisiert werden.“^[1]

Die vorliegende Unterrichtsreihe „Die Zelle als Teil eines Organismus“ umfasst die Einordnung der einzelnen Zelle in die unterschiedlichen biologischen Strukturebenen: Ausgehend von strukturellen Gruppen (Produzenten, Konsumenten, Destruenten) und grundlegenden Stoff­kreisläufen (Sauerstoff, Kohlenstoffdioxid) haben die Schülerinnen und Schüler (nachstehend „SuS“) zunächst einen allgemeinen Überblick bezüglich des Zusammenspiels von Assimilation und Dissimilation erworben, wobei die Fotosynthese exemplarisch mit Hilfe historischer Versuche sowie eines Schülerversuchs zur O2-Entstehung am Modellorganismus Elodea (Wasserpest) erarbeitet wurde. Die Zellatmung wurde in ihren Teilschritten (Glykolyse, Zitronensäurezyklus, Atmungskette) im Detail mit Hilfe von Strukturdiagrammen, Schemazeichnungen und Computeranimationen erarbeitet. Über die diesem Unterrichtsentwurf zugrundeliegende Unterrichtseinheit zur Katalyse durch Enzyme soll schlussendlich die Rückkehr zur Organismusebene eingeleitet und ermöglicht werden, indem unter Rückbezug auf katalytische Reaktionen eine Anbindung an den Stoffwechsel von der Zelle bis zum gesamten Organismus in Form einer abschließenden Gesamtübersicht verfolgt wird.

In der Vorstunde wurden der Bau und die Wirkungsweise von Enzymen über einen Schülerversuch zur Stärkespaltung im Weißbrot durch Speichel-Amylase eingeleitet, wobei die SuS die bereits von der Fotosynthese bekannte Nachweisreaktion mit Jod-Kaliumiodidlösung durchführten. Auf dieser Basis wurde der grundlegende enzymatische Reaktionsverlauf besprochen, wobei die Begriffe Aktivierungsenergie, Substrat- und Wirkungsspezifität („Schlüssel-Schloss-Prinzip“) sowie Enzym-Substrat-Komplex verdeutlicht wurden.

Bereits aus der vorausgehenden Unterrichtseinheit zur Zellatmung ist den SuS in Ansätzen die tragende Rolle von Enzymen in der Zelle bekannt, indem Vorgänge der Substratumsetzung nur mit Hilfe spezifischer Enzyme und deren „unterstützender“ Tätigkeit in der Zelle ablaufen. Thema der vorliegenden Stunde soll es nunmehr sein zu klären, wie eine Steuerung und Beeinflussung der Enzyme selbst in punkto Aktivität und Wirksamkeit erfolgen kann. Als zwei grundlegende Mechanismen zur Hemmung bzw. Regulation der Enzymaktivität gelten sowohl die kompetitive als auch die allosterische Hemmung (bzw. Regulation), deren Bedeutsamkeit nicht nur bei rein körpereigenen Reaktionsprozessen, sondern auch im Zusammenspiel mit anorganischen Komponenten wie Schwermetallionen oder mit energiereichen Strahlungsarten deutlich wird.

Die SuS werden zunächst mit einer Grafik eines unbeeinflussten enzymatischen Reaktionsverlaufs konfrontiert, anschließend wird diese Grafik durch zwei Reaktionsverläufe nach Zugabe eines kompetitiven und eines allosterischen Hemmstoffs ergänzt; beide Vorgänge sind den SuS bislang unbekannt. Aus genannter Grafik wird die Problemfrage der Stunde entwickelt, in der die SuS nach Gründen für die veränderten Reaktionsverläufe suchen. Nach der Sammlung von geeigneten Hypothesen werden die SuS in arbeitsteiligen Gruppen mit den beiden unterschiedlichen Hemmvorgängen vertraut gemacht. Im Anschluss dieser Erarbeitung essentieller Grundlagen werden von den SuS darauf basierende Funktionsmodelle zur Verdeutlichung beider Vorgänge entwickelt, welche vor der gesamten Lerngruppe präsentiert werden. Im Anschluss daran bietet sich in häuslicher Bearbeitung eine Modellkritik an, zumal die SuS kein „vorgesetztes“ Modell kritisieren, sondern sich vielmehr mit ihrem eigenen Fertigungsprodukt auseinandersetzten sollen. Durch die Allgemeingültigkeit der beiden erarbeiteten Hemmvorgänge können die erworbenen Kenntnisse außerdem relativ einfach auf verschiedenste Stoffwechselprozesse der Zelle übertragen und auf Relevanz hin analysiert werden. Aus diesem Grund wird hierbei nicht nur im Sinne einer didaktischen Reduktion auf die Darstellung spezifischer Molekülstrukturen von Substrat, Enzym und Inhibitor im Verlauf der Unterrichtsstunde verzichtet.

Die der Unterrichtseinheit zugrundeliegenden Lerninhalte gliedern sich in folgende Doppelstunden:

1. Stunde (DS) Wichtige Helferlein: Bau und Wirkungsweise von Enzymen – Der Einstieg in die Enzymatik erfolgt über einen Schülerversuch zur Stärkespaltung. Exemplarisch werden die Begriffe Substrat- und Wirkungsspezifität am Schülerversuch hergeleitet. Im Anschluss erfolgen die Betrachtungen des molekularen Enzymaufbaus mit aktivem Zentrum, Enzym-Substrat-Komplexes und entstehenden Produkts (Bezug zum Einstiegsversuch). Mit Hilfe eines schuleigenen Funktionsmodells wird hierbei das Schlüssel-Schloss-Prinzip verdeutlicht.

2. Stunde (DS) Stoffwechsel nur auf Befehl: Hemmung enzymatischer Reaktionen – Über eine kombinierte Reaktionsgrafik erschließen die SuS den (hemmenden) Einfluss verschiedener Stoffbeigaben zur Enzym-Substratlösung. Zur genauen Klärung der potenziell erfolgenden Hemmvorgänge führen die SuS eine gruppenteilige Arbeitsphase durch, in der sie die zwei grundlegenden Hemmvorgänge (kompetitiv und allosterisch) erarbeiten, diese in einem selbstgebauten Funktionsmodell umsetzen und ihr Modell kritisch auf Funktionalität hin überprüfen. Ein resümierender Animationsfilm bündelt die gesammelten Erkenntnisse.

3. Stunde (DS) Regulativ oder destruktiv: Interaktion bestimmter Stoffgruppen mit Enzymen – Nach häuslich vorbereiteter Modellkritik der SuS zu den Modellen der Vorstunde wird nach der Hemmung auch eine mögliche allosterische Aktivierung von Enzymen mit Hilfe der Modelle besprochen und deren Relevanz in den als Hausaufgabe vorbereiteten Erarbeitungen verortet (→ Regulation). Unter Bezug auf die Erarbeitungen der SuS wird der Verlauf der Reaktionskurven aus der Vorstunde plausibel verdeutlicht. An einem Demonstrationsversuch (Lehrfilm) wird zudem auf die nichtkompetitive (meist irreversible) Hemmung durch Nervengifte und Schwermetallionen eingegangen.

4. Stunde (DS) Am liebsten hab ich’s warm: Einflüsse auf die Enzymkatalyse – Von den SuS werden mit Bäckerhefe Katalase-Versuche durchgeführt. Diese werden gruppenteilig ausgewertet und die Ergebnisse (Reaktionsverlauf und Nutzen) im Kurs vorgestellt. Anschließend werden die Versuche unter unterschiedlichen Temperaturbedingungen wiederholt und davon der Temperatureinfluss auf enzymatische Reaktionen abgeleitet. Die gefundene RGT-Regel wird mit Hilfe einer schülergesteuerten Computersimulation schematisch verdeutlicht. Einflüsse des pH-Werts auf die Enzymkatalyse erarbeiten die SuS als Hausaufgabe am Beispiel des Pepsins.

3. Thema der Unterrichtsstunde

Stoffwechsel nur auf Befehl: Hemmung enzymatischer Reaktionen – Die kompetitive und allosterische Enzymhemmung als grundlegende Regulationsmechanismen.

4. Ziele der Unterrichtsstunde

Übergeordnetes Stundenziel:

Die SuS sollen die Prozesse der kompetitiven und allosterischen Hemmung anhand eigenständig angefertigter Funktionsmodelle beschreiben und erläutern können sowie diese Modelle kritisch auf sachgerechte Funktionalität hin überprüfen.

Teilziele: Die SuS sollen…

- anhand von drei enzymatischen Reaktionsverläufen den unterschiedlichen Kurvenverlauf beschreiben
- auf der Basis ihrer Beschreibungen eine sinnvolle Fragestellung für den weiteren Stundenverlauf entwickeln
- über einen Informationstext und vorgegebene Modellelemente (Rohlinge) die Prozesse der kompetitiven bzw. allosterischen Hemmung selbstständig darstellen und erläutern
- die Modellelemente und ihre Bedeutung für reale Prozesse erfassen und benennen
- den Nutzen und die Grenzen der eigenständig angefertigten Modelle herausstellen und kritisch beurteilen
- über einen abschließenden Computer-Animationsfilm die enzymatische Hemmung im Überblick erfassen
- als gestellte Hausaufgabe die beiden Hemmvorgänge schriftlich zusammenfassen sowie ihre Modellkritik mit Hilfe des Informationstextes überprüfen und modifizieren.

5. Kompetenzbezüge der Lernziele

Obgleich die Bildungsstandards für das Fach Biologie in der Oberstufe derzeit noch nicht vorliegen, können als potenzielle zukünftige Kompetenzbezüge der Lernziele folgende Punkte angesehen werden:

Die SuS wenden Kenntnisse über Phänomene und Sachzusammenhänge sowie über Begriffe, Modelle, Theorien etc. an und vollziehen sowohl eine Verknüpfung als auch Systematisierung von Kenntnissen. Sie beschreiben und erklären biologische Phänomene, bilden Hypothesen und überprüfen diese auf Plausibilität. Die Lernenden veranschaulichen Sachverhalte mit Hilfe von Modellen und vollziehen eine vorhergehende Analyse und Interpretation von Informationstexten. Dies erfordert eine sachgerechte Analyse von Problemen und die Entwicklung von Lösungsstrategien. In der Präsentation achten die SuS auf angemessene Verwendung von Fachsprache und Präsentationstechniken. Sie reflektieren und bewerten abschließend die Validität ihrer Modelle und ordnen ihre Konstruktion einem biologischen Modelltypus zu.

6. Bedingungsanalyse

Seit Beginn des zweiten Schulhalbjahres unterrichte ich im GK Biologie [Löschung] der Jahrgangsstufe 11 an der [Schulname gelöscht]. Der verhältnismäßig kleine Grundkurs setzt sich aus insgesamt [Anzahl gelöscht] Schülerinnen und Schülern zusammen, davon [Anzahl gelöscht] Mädchen und [Anzahl gelöscht] Jungen, was einer besonders intensiven Zusammenarbeit der Lerngruppe vor allem in kooperativen Phasen zugutekommt. Zudem ermöglicht die geringe Kursgröße den variantenreichen Medieneinsatz, insbesondere EDV-basierte Lern- und Präsentationssoftware sowie Simulationsprogramme (vgl. Einheitsplanung). Die Wochenstundenzahl des Biologieunterrichts in der Einführungsphase der Oberstufe beträgt zwei Stunden, wobei grundsätzlich nach dem Doppelstundenraster verfahren wird. Dies bietet vor allem im Hinblick auf forschend-entwickelnde Unterrichtsverfahren einen enormen Vorteil, da durch die zeitliche Entzerrung ein regelmäßiges Vorgehen nach dieser Methode gewährleistet ist.

[...]

^[1] Hessisches Kultusministerium 2010, S. 31.