Struktur und Funktion von Proteinen und Enzymen. Einfluss von "Orlistat" auf die Fettverdauung

Inhalt

1 Analyse der Lehr- und Lernbedingungen
1.1 Organisatorische Bedingungen
1.2 Analyse der Lerngruppe
1.3 Überblick über den Lernstand

2 Didaktische Überlegungen
2.1 Überlegungen zur Unterrichtseinheit
2.2 Überlegungen zur Unterrichtsstunde
2.3 Didaktischer Schwerpunkt

3 Methodische Überlegungen

4 Tabellarische Übersicht

5 Literatur-/Quellenangabe

6 Anhang
6.1 Sitzplan
6.2 Arbeitsmaterialien

1 Analyse der Lehr- und Lernbedingungen

1.1 Organisatorische Bedingungen

Ich unterrichte den Kurs eigenverantwortlich seit Beginn des Schuljahres. Die Lerngruppe besteht aus 20 Lernenden, davon 6 Schülerinnen und 14 Schüler. Der Unterricht findet regulär montags in der 5. und 6. Stunde im Fachraum statt, der mit einem Beamer und zwei Tafeln ausgestattet ist. Die Tische im Raum sind nicht verschiebbar, sodass keine Gruppentische gestellt werden können.

1.2 Analyse der Lerngruppe

Der Kurs ist aufgeschlossen und freundlich, sodass eine angenehme Lernatmosphäre herrscht. Dies äußert sich in einem respektvollen Umgang untereinander und mir gegenüber und zeigt sich auch in der gegenseitigen Hilfsbereitschaft, z. B. in Gruppenarbeitsphasen. Die Schülerinnen und Schüler sind nach meiner Einschätzung am Fach Biologie interessiert. Der Großteil der Lerngruppe beteiligt sich rege am Unterricht, während wenige sich nur selten beteiligen. Die mündliche Mitarbeit solcher Schülerinnen und Schüler lässt sich nach meinen Beobachtungen durch Fragestellungen, die den eigenen Körper betreffen sowie im Allgemeinen Themen mit Alltagsbezug verbessern.^[1] Die Schülerinnen und Schüler konnten stärker motiviert werden, was sich positiv auf die Beteiligung im Unterricht auswirkte. Die Lerngruppe ist mit dem forschend-entwickelnden Unterrichtskonzept vertraut, da es schon einige Male angewendet wurde (bspw.: Erweiterung des Modells zur Biomembran um Kanal- bzw. Transportproteine, Erarbeitung der Osmose). Dennoch muss der Ablauf des Verfahrens noch geübt werden, da einigen Lernenden die Analyse komplexer Sachverhalte und das Erkennen von Zusammenhängen schwer fällt.^[2]

Einige Schülerinnen und Schüler können naturwissenschaftliche Zusammenhänge erkennen und diese auch unter Verwendung der Fachsprache erklären und deuten. Zu ihnen zählen W1, W2, W3^[3], W5, M1, M4, und M11. Diese Gruppe bearbeitet Arbeitsaufträge selbstständig und benötigt selten Hilfestellungen. W2, M1 und M4 verfügen zudem über gutes bis sehr gutes chemisches Vorwissen, was ihnen die Erarbeitung des Biomembranaufbaus oder auch der Proteinstrukturen erleichterte.

Zum guten Mittelfeld zählen M3, M5, M9, M12, und M13^[4]. Sie beteiligen sich regelmäßig am Unterricht, haben zum Teil aber Schwierigkeiten sich fachlich richtig auszudrücken und naturwissenschaftliche Erkenntnisse richtig zu deuten. W6 und M14 beteiligen sich ebenfalls regelmäßig am Unterricht, ihnen fällt das selbstständige, zielführende Arbeiten schwer, sodass sie häufig die Unterstützung ihrer Mitschülerinnen und Mitschüler nutzen. Zu den zurückhaltenden Schülerinnen und Schülern zählen W4, M2, M7 und M10. Sie möchten sich oft im Schutz der Gruppe absichern, bevor sie sich melden, sodass ihre Beteiligung am Unterricht eher gering ist. M6 ist erst im zweiten Schulhalbjahr in den Kurs gekommen. Anfangs waren sein Interesse und seine Beteiligung am Unterricht sehr gering. In letzter Zeit beteiligt er sich häufiger und zunehmend auch fachlich fundierter am Unterricht.

Um die eben beschriebene Heterogenität zu nutzen, habe ich den Sitzplan zum Halbjahreswechsel geändert. Besonders zurückhaltende, leistungsschwächere Lernende profitieren bei Partnerarbeiten von ihren Sitznachbarn und können sich durch „Murmelphasen“ absichern, was sich insgesamt positiv auf die mündliche Mitarbeit ausgewirkt hat.

1.3 Überblick über den Lernstand

Während der Einheit „Struktur und Funktion von Proteinen und Enzymen“ wurden zunächst die verschiedenen Strukturebenen von Proteinen betrachtet, da diese grundlegend für das Verständnis enzymatischer Reaktionen und ihrer Hemmungen sind. Der Einstieg in die Enzymatik erfolgte am Beispiel der Lactoseintoleranz. Im Modellversuch wurde die Abhängigkeit der Enzymgeschwindigkeit von der Substratkonzentration erarbeitet. Im Kontext der Ernährung und Verdauung haben die Lernenden die Notwendigkeit der enzymatischen Spaltung der Nährstoffe erarbeitet und anhand der Amylase die Temperaturabhängigkeit von Enzymen experimentell untersucht. Näher betrachtet wurde der Fettverdau: Die Schülerinnen und Schüler haben einen Versuch zum Nachweis der Lipaseaktivität entwickelt und durchgeführt, sowie die Funktionsweise des Enzyms in einer Schemazeichnung veranschaulicht.

2 Didaktische Überlegungen

2.1 Überlegungen zur Unterrichtseinheit

Der hessische Lehrplan Biologie für die gymnasiale Oberstufe^[5] sieht das Thema „Die Zelle als Teil eines Organismus“ für die E-Phase vor, wobei die Katalyse durch Enzyme als verbindlicher Unterrichtsinhalt vorgesehen ist. Enzymatische Reaktionen sind unabdingbare Voraussetzung und elementar zum Verständnis von Verdauung, Zellatmung oder Fotosynthese. Darüber hinaus sind Enzyme im Alltag, etwa bei der Herstellung von Lebensmitteln, in Waschmitteln zum Lösen hartnäckiger Verschmutzungen bei niedrigen Waschtemperaturen und auch in der medizinischen Diagnostik unverzichtbar. Aufgrund der Vielfalt der Enzyme ergibt sich ein großes Spektrum von Alltagsbezügen, anhand derer die Wirkung für die Lernenden erfahrbargemacht werden kann (didaktisches Prinzip der Anschaulichkeit^[6] ). Die Behandlung der Enzymatik erfolgt am didaktischen Prinzip des Exemplarischen^[7], d.h. es werden geeignete Objekte ausgewählt, um bestimmte biologische Basiskonzepte zu erschließen. Es bieten sich verschiedene Kontexte zur Behandlung des Themas an, wie beispielsweise Helicobacter pylori (Urease), Entgiftung (Katalase) oder Verdauungsenzyme (u.a. Amylase, Lipase). Da die Lerngruppe besonderes Interesse an Fragestellungen hat, die ihren eigenen Körper betreffen (vgl. Lerngruppenanalyse), habe ich mich entschlossen die Eigenschaften und Wirkungsweise von Enzymen am Beispiel der Verdauung zu behandeln. Als Grundlage für die Thematik diente der biochemische Aufbau von Proteinen, Kohlenhydraten und Fetten, die im Zuge des Aufbaus der Biomembran gelegt wurde. Am Beispiel der Lactase erarbeiteten sich die Lernenden die Bedeutung von Enzymen für den Stoffwechsel und knüpften an ihr Vorwissen aus dem Chemieunterricht der Mittelstufe an.^[8] Durch den forschend-entwickelnden Unterricht bei dem die Problemorientierung zentral ist und das Experiment eine wichtige Stellung einnimmt, durchlaufen die Schülerinnen und Schüler einen Erkenntnisprozess:^[9] Sie erkennen, dass nur mit Hilfe der enzymatischen Spaltung von Nährstoffen eine Aufnahme in die Zelle erfolgen kann und weisen die Aktivität von Lactase, Amylase und Lipase experimentell nach. Als wesentliche Merkmale enzymatischer Reaktionen kann so die Substratspezifität herausgearbeitet und um die Wirkungsspezifität ergänzt werden.

Für die Lernenden stellt die Erarbeitung und Erklärung enzymatischer Reaktionen eine besondere Herausforderung dar, da erstmals biochemische Vorgänge auf molekularer Ebene integriert werden müssen.^[10] Da Enzymaktivitäten weder makroskopisch noch lichtmikroskopisch beobachtbar sind, erfordert das Verständnis der Reaktionen eine hohe Abstraktionsfähigkeit, die mit der Entwicklung von Modellen/Schemazeichnungen zur Veranschaulichung der Enzymreaktion unterstützt werden kann.

Mit Hilfe der Aid-Ernährungspyramide wurden die unterschiedlichen Nährstoffe thematisiert und Bezüge zu einer ausgewogenen Ernährung hergestellt. Dies leistet, ebenso wie die Thematisierung des Umgangs mit Medikamenten (Lactase, Orlistat), einen Beitrag zur Gesundheitserziehung bzw. einer gesundheitsfördernden Lebensweise. Somit tragen Erkenntnisse der Biowissenschaften dazu bei, dass Schülerinnen und Schüler „Verantwortung übernehmen, angemessene Entscheidungen treffen und sachgemäß handeln“ können^[11].

Zu Beginn der Reihe steht das Basiskonzept Struktur-Funktion im Mittelpunkt, wenn es darum geht die Enzymwirkung auf molekularer Ebene zu betrachten. Die Strukturebenen der Proteine sind Voraussetzung, um die Substratspezifität (Schlüssel-Schloss-Prinzip) der Enzyme erklären und die korrekter Faltung der Enzyme in einen Zusammenhang mit der Funktionalität bringen zu können. Durch die Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von Temperatur und pH-Wert wird das Konzept der Variabilität bzw. Angepasstheit wichtig. Das Konzept der Steuerung und Regelung ist hingegen bei Betrachtung der Hemmmechanismen prägend.

2.2 Überlegungen zur Unterrichtsstunde

Ziel der Stunde ist es, dass die Lernenden erkennen, dass enzymatisch katalysierte Reaktionen gehemmt werden können, da die charakteristische Tertiärstruktur von Enzymen für ihre Funktionalität entscheidend ist.^[12] Um das problemorientierte Vorgehen im Sinne der Wissenschaftspropädeutik^[13] weiter zu festigen (vgl. Lerngruppenanalyse) erfolgt das Aufwerfen der Problemstellung am Beispiel Orlistat HEXAL®, dessen Wirkstoff Orlistat aufgrund seiner strukturellen Ähnlichkeit zu Triglyceriden das aktive Zentrum der Lipase blockieren und dadurch die Enzymreaktion inhibieren kann^[14]. Das Experiment ist eine wesentliche Erkenntnismethode im Biologieunterricht, bei dem weniger das „mechanische Abarbeiten von Experimentieranleitungen“, als vielmehr die Planung, Hypothesenbildung und Datenanalyse von Bedeutung ist.^[15] Deshalb sollen die Lernenden ein Experiment planen, das ein erstes Zwischenergebnis zur Wirkweise von Orlistat HEXAL® liefert. Dazu aktivieren sie ihr Vorwissen über die enzymatische Spaltung der Fettmoleküle und die Möglichkeit diese experimentell nachzuweisen, indem sie auf einen selbstständig entwickelten Versuch zurückgreifen können.^[16] Sowohl im hessischen Lehrplan^[17] als auch im neuen Kerncurriculum für die Oberstufe^[18] wird die enzymatische Hemmung als verbindlicher Unterrichtsinhalt angegeben. Innerhalb des Basiskonzepts „Struktur und Funktion“ stehen Steuerung und Regelung^[19] der Enzymreaktion im Mittelpunkt. Nachdem die Schülerinnen und Schüler anhand der Einstiegsfolie verschiedene Fragestellungen abgeleitet haben, die in den folgenden Stunden geklärt bzw. diskutiert werden (vgl. Methodik: S. 7), erfolgt in dieser Stunde die Klärung der Wirkweise. Sollten die Lernenden keine Fragen formulieren, die sich auf die Wirkweise beziehen, kann thematisiert werden, welche Vorstellungen die Lernenden in Bezug auf das „Ausbremsen von Fett“ haben (vgl. Einstiegsfolie: Anhang). Die Schülerinnen und Schüler sollten ihr Vorwissen zur Konkretisierung der Fragestellung nutzen, indem sie erkennen, das Orlistat entweder die Resorption oder die enzymatische Spaltung von Fetten verhindert und auf diese Weise den Weg des Fetts in das Blut unterbindet. Mit einem Experiment, das ein Verifizieren/Falsifizieren der Hypothesen ermöglicht kann ein Zwischenergebnis festgehalten werden („Orlistat verhindert die enzymatische Fettspaltung durch die Lipase.“)

Bei der Versuchsplanung ist entscheidend, dass die Lernenden Orlistat als neue Testvariable in ein bekanntes Experiment integrieren und die Notwendigkeit einer Negativ- sowie Positivkontrolle zur Überprüfung der Funktionsweise des Experiments erkennen. Um die Hypothesenbildung im Hinblick auf die Ursache-Wirkungs-Beziehung zu fördern, werden die Lernenden aufgefordert mit Hilfe eines Konzeptbogens (vgl. Methodik: S. 8 und Arbeitsblatt im Anhang) begründete Vorhersagen zu treffen. Durch den Vergleich zwischen Kontrollansatz und Experimentalansatz sollten die Lernenden erkennen, dass Orlistat die enzymatische Spaltung verhindert. Dies erlaubt die Schlussfolgerung, dass die Resorption ebenfalls unterbunden wird, da nichtgespaltene Fettmoleküle unmöglich von der Darmwand resorbiert werden können.

Der Versuch wird den Lernenden mit Hilfe eines Kurzvideos (vgl. Methodik: S. 8) präsentiert und ermöglicht so die Auswertung von Daten. Dabei werden die begründeten Erwartungen (Hypothesen) mit den tatsächlichen Beobachtungen verglichen und auf Grundlage der Beobachtungen ein Versuchsergebnis formuliert (bspw.: „Orlistat verhindert die enzymatische Fettspaltung.“) und als Zwischenergebnis festgehalten (vgl. Methodik und Arbeitsblatt im Anhang). Im Zuge des forschenden Lernens schließt sich als neue Frage an, wie Orlistat die enzymatische Spaltung verhindert. Sollten die Lernenden die Klärung der Wirkweise nicht von alleine fordern, werde ich an dieser Stelle durch entsprechende Impulse die Lernenden in diese Richtung lenken („Was wäre als nächstes zu klären?“/“Wie läuft die enzymatische Fettspaltung normalerweise ab?“). Dabei soll Orlistat in ein den Lernenden bekanntes Modell der unbeeinflussten enzymatischen Fettspaltung integriert werden (bspw.: „Orlistat bindet am aktiven Zentrum und blockiert so die Bindung von Fett.“/“Orlistat bindet an Fett, sodass dieses nicht mehr in das aktive Zentrum passt.“/“Orlistat zerstört die Lipase.“). Als Mittel der Erkenntnisgewinnung können anhand eines Modells die Hypothesen auf Teilchenebene dargestellt werden (vgl. Methodik, S. 8). Da diese Hypothese(n) experimentell nicht überprüft werden kann, die Fachinformation von Orlistat HEXAL® aber die nötigen Informationen enthält, können die Schülerinnen und Schüler sich den Einfluss von Orlistat auf die enzymatische Fettspaltung auf Teilchenebene als Hausaufgabe erarbeiten und die Wirkungsweise vollständig aufklären.^[20] Auf die Einführung des Begriffs „kompetitive Hemmung“ wird bewusst verzichtet, um den Lernenden die Möglichkeit zu geben selbständig zu erarbeiten, dass Inhibitor und Substrat um die Bindestelle am Enzym konkurrieren und dies in der Bezeichnung Ausdruck kommt.

Die Beeinflussung der enzymatischer Reaktion durch einen zugeführten Wirkstoff am Beispiel Orlistat bietet die Möglichkeit sich kritisch mit dem Streben nach einem schlanken Körper auseinanderzusetzen, da gerade junge Menschen vor der Einnahme von Medikamenten nicht zurückschrecken, um dem Schönheitsideal gerecht zu werden. In diesem Zusammenhang kann, wenn von den Schülerinnen und Schülern gewünscht, möglicherweise auch auf Essstörungen eingegangen werden. Die Folgen der Medikamenteneinnahme, wie beispielsweise Mangelernährung aufgrund der Ausscheidung essentieller Fettsäuren und Vitaminen^[21] kann ebenfalls diskutiert werden. Anhand dieser vielfältigen Lebensweltbezüge kann ein Beitrag zur Förderung der Bewertungskompetenz geleistet werden.

2.3 Didaktischer Schwerpunkt

Die Schülerinnen und Schüler erweitern ihre Kompetenzen im Bereich Fachwissen, indem sie…

- … ihr Vorwissen zur enzymatischen Fettspaltung nutzen, um die Möglichkeit der Hemmung enzymatischer Reaktionen am Beispiel Orlistat zu erarbeiten.
Die Schülerinnen und Schüler erweitern ihre Kompetenzen im Bereich Erkenntnisgewinnung, indem sie…
- …. Schritte aus dem Weg der experimentellen Erkenntnisgewinnung zur Erklärung einer Fragestellung anwenden.
- … ein Experiment planen und die Beobachtungen auswerten.
- … die Beobachtung aus dem Experiment nutzen, um eine Vermutung über die Wirkweise von Orlistat auf Teilchenebene modellhaft zu beschreiben.

Die Schülerinnen und Schüler erweitern ihre Kompetenzen im Bereich Kommunikation, indem sie…

- …das Ergebnis eines Experiments miteinander diskutieren und damit argumentieren.

[...]

^[1] Dies zeigte sich beispielsweise bei vertiefender Behandlung der Wasserkanäle (Aquaporine), mit denen der Hersteller sein Produkt „Eucerin AQUAporin Active®“ bewirbt. Ebenso wirkte sich die Thematisierung der Lactoseintoleranz positiv auf das Interesse der Lernenden und deren mündliche Mitarbeit aus (bspw .: W4, M6).

^[2] Deutlich wurde dies beispielsweise bei der Entwicklung der Fragestellung, wie es möglich ist, dass Erythrozyten besonders wasserdurchlässig sind, um so die Erarbeitung des Aquaporins einzuleiten.

^[3] W3 ist aufgrund eines Auslandsaufenthalts erst nach den Osterferien zu dem Kurs gestoßen und hat deshalb den Einstieg in die Unterrichtseinheit nachholen müssen.

^[4] M13 und M14 sind heute vom Unterricht entschuldigt, vgl. Sitzplan, S. 14.

^[5] Hessisches Kultusministerium: KCGO, S. 28.

^[6] Spörhase (2013): S. 112.

^[7] Ebd.: S. 113.

^[8] Im Versuch wurde die Lactose-Spaltung durch Erhitzen mit der durch Lactase verglichen, um die katalytische Funktion von Enzymen zu verdeutlichen: Enzyme ermöglichen das Ablaufen chemischer Reaktionen bei Körpertemperatur, indem sie die Aktivierungsenergie absenken.

^[9] Schmidkunz (2003): S. 21, 43.

^[10] Hessisches Kultusministerium: KCGO, S. 28.

^[11] Hessisches Kultusministerium: Lehrplan (2010), S. 2.

^[12] Enzymhemmung spielt nicht nur in der medizinischen Therapie eine Rolle (Orlistat, Allppurinol), sondern auch bei Vergiftungen (Schwermetalle) oder der Regulation des Stoffwechsels (Endprodukthemmung im Citratzyklus).

^[13] Spörhase (2013): S. 126.

^[14] Vgl. Demuth (2006): CD-ROM, „Verzehr ohne Verzicht“.

^[15] Spörhase, Ruppert (2014): 102ff.

^[16] Die Lernenden haben die enzymatische Fettspaltung experimentell nachgewiesen, indem sie die Entfärbung von Phenolphthalein auf die frei werdenden Fettsäuren zurückgeführt haben.

^[17] Hessisches Kultusministerium: Lehrplan (2010), S. 31.

^[18] Hessisches Kultusministerium: KCGO, S. 29.

^[19] Kultusminissterkonferenz (2004): S. 9.

^[20] Auf die Struktur von Orlistat wird im Sinne der didaktischen Reduktion verzichtet, da die Strukturformel für die Veranschaulichung der Hemmung auf Teilchenebene nicht nötig ist und aufgrund mangelnder chemischer Kenntnisse zu einer Überforderung führen würde.

^[21] Matyssek (1999): S. 32.