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 haben die SuS 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 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.
Thema der vorliegenden Stunde soll es 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, 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.
Inhaltsverzeichnis
1. Thema der Unterrichtseinheit
2. Sachanalyse und Einordnung der Stunde in die Unterrichtsreihe
3. Thema der Unterrichtsstunde
4. Ziele der Unterrichtsstunde
5. Kompetenzbezüge der Lernziele
6. Bedingungsanalyse
7. Hausaufgabe
7.a) Hausaufgaben zur Stunde
7.b) Hausaufgaben zur nächsten Stunde
8. Geplanter Unterrichtsverlauf (60 Minuten)
9. Didaktisch-methodische Begründungen
10. Geplante „Tafelbilder“ und Materialien
Zielsetzung & Themen
Die Unterrichtseinheit zielt darauf ab, dass die Schülerinnen und Schüler die Mechanismen der kompetitiven und allosterischen Enzymhemmung verstehen, diese anhand selbst erstellter Funktionsmodelle erläutern und deren wissenschaftliche Validität kritisch reflektieren können.
- Grundlagen der Enzymaktivität und Stoffwechselregulation
- Kompetitive Hemmung: Interaktion am aktiven Zentrum
- Allosterische Hemmung (Regulation): Konformationsänderung des Enzyms
- Methodik der Modellbildung im Biologieunterricht
- Anwendung des theoretischen Wissens auf zelluläre Stoffwechselvorgänge
Auszug aus dem Buch
Die allosterische Hemmung (Regulation) der Enzymaktivität
Bei der Untersuchung enzymatischer Reaktionen im Stoffwechsel der Zellen wurde nach intensiven Forschungsarbeiten Folgendes festgestellt:
Bestimmte Moleküle, so genannte Inhibitoren (inhibitare, lat.: Einhalt tun, verhindern), lagern sich außerhalb des aktiven Zentrums an eine zweite Bindungsstelle (allosterisches Zentrum) der Enzyme an. Ausgelöst durch diese Verbindungen verändern sich die räumlichen Strukturen der Enzyme (Konformationsänderung) und damit auch die räumlichen Strukturen der aktiven Zentren. Das Substrat kann sich somit nicht mehr an den veränderten Enzymen anlagern. Die enzymatische Reaktion findet nicht mehr statt und es werden keine Produkte mehr gebildet.
Diese Form der Hemmung wird als allosterische Hemmung (allosterisch, griech.: räumliche Aufeinanderfolge) bezeichnet. Da die Enzymaktivität durch körpereigene Inhibitoren auf diese Art sehr gut gesteuert werden kann, spricht man auch von Regulation (regulare, lat.: regeln, einrichten).
Zusammenfassung der Kapitel
1. Thema der Unterrichtseinheit: Definition der Enzymatik als zentrales Element der Zellbiologie inklusive der Schwerpunkte auf Bau, Wirkung und Regulation.
2. Sachanalyse und Einordnung der Stunde in die Unterrichtsreihe: Einbettung der Enzymhemmung in den Kontext der Zellatmung und Darstellung der didaktischen Lernschritte über vier Doppelstunden.
3. Thema der Unterrichtsstunde: Fokus auf die Hemmmechanismen als grundlegende Regulationsprozesse im Stoffwechsel.
4. Ziele der Unterrichtsstunde: Formulierung der fachlichen und methodischen Kompetenzen bezüglich der Modellbildung und Modellerprobung.
5. Kompetenzbezüge der Lernziele: Herleitung der geforderten prozessbezogenen Kompetenzen wie Analyse, Hypothesenbildung und Modellkritik.
6. Bedingungsanalyse: Beschreibung der Lerngruppe und der räumlich-zeitlichen Rahmenbedingungen am Oberstufengymnasium.
7. Hausaufgabe: Konkretisierung der Aufgabenstellung zur Vertiefung der Modellkritik und Anwendung auf reale Stoffwechselprozesse.
8. Geplanter Unterrichtsverlauf (60 Minuten): Detaillierte Darstellung der Phasen, Sozialformen und methodischen Vorgehensweisen.
9. Didaktisch-methodische Begründungen: Erläuterung der pädagogischen Entscheidung für das forschend-entwickelnde Verfahren und die Modellbildung.
10. Geplante „Tafelbilder“ und Materialien: Übersicht der geplanten Anschriebe und der eingesetzten Arbeitsmittel.
Schlüsselwörter
Enzyme, Enzymhemmung, kompetitive Hemmung, allosterische Hemmung, aktive Zentrum, allosterisches Zentrum, Substratspezifität, Modellbildung, Stoffwechselregulation, Zellatmung, Konformationsänderung, Hemmstoff, Katalyse, Biologieunterricht, Funktionsmodell
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Unterrichtsplanung grundsätzlich?
Es handelt sich um einen detaillierten Entwurf für eine 90-minütige Biologiestunde in der Jahrgangsstufe 11, die sich mit den Regulationsmechanismen von Enzymen befasst.
Welche zentralen Themenfelder werden behandelt?
Das Hauptthema ist die kompetitive und allosterische Hemmung von Enzymen sowie deren Bedeutung für die Steuerung von Stoffwechselprozessen in der Zelle.
Was ist das primäre Ziel der Unterrichtsstunde?
Die Lernenden sollen in der Lage sein, die Mechanismen der Enzymhemmung anhand selbst gebauter Funktionsmodelle darzustellen und die Qualität dieser Modelle kritisch zu hinterfragen.
Welche wissenschaftliche Methode wird eingesetzt?
Der Entwurf folgt dem didaktischen Prinzip der forschend-entwickelnden Unterrichtsgestaltung sowie der konstruktivistischen Modellbildung durch die Schülerinnen und Schüler.
Was wird im Hauptteil der Stunde bearbeitet?
Nach einer Einstiegsphase mit grafischen Analysen erarbeiten die Lernenden in Gruppen mittels Informationstexten und Schaumstoffelementen Funktionsmodelle zur kompetitiven und allosterischen Hemmung.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren das Dokument?
Enzymatik, Hemmmechanismen, Modellkritik, Stoffwechsel, Regulation und Kompetenzorientierung sind die zentralen Begriffe.
Warum ist die Modellkritik ein wesentlicher Bestandteil des Unterrichts?
Durch die kritische Reflexion des eigenen Modells entwickeln die Lernenden ein tieferes Verständnis für die Grenzen von Veranschaulichungen in den Naturwissenschaften und stärken ihre Bewertungskompetenz.
Wie werden die Unterschiede der Hemmprozesse den Lernenden verdeutlicht?
Dies geschieht durch einen Vergleich der Reaktionsverläufe, die eigenständige Konstruktion von Modellen sowie durch einen zusammenfassenden Lehrfilm als Sicherungsmedium.
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- Mirko Krotzky (Autor), 2013, Kompetitive und allosterische Hemmung enzymatischer Reaktionen, Múnich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/214711
