Arbeitsblätter zum Thema Proteine und Gentechnologie

9.1.2015
Klasse 3 Biologie
Thema:
Proteine
1. Fünf Funktionen von Proteinen im Körper
a Enzym
b Immunprotein
c Muskelprotein
d Blutprotein zum Erhalt des PH-Wertes von 7,4 („Puffer“)
e Stützprotein (Collagen im Bindegewebe, Keratin im Haar)
Zum Enzym: Das ist die häufigste Funktion von Proteinen. „Enzyme sind
Biokatalysatoren“. Sie führen die chemischen Reaktionen im Körper bei dessen
Körpertemperatur herbei. Bei gleichwarmen Tieren (Säutegiere und Vögel) also rings
um 37 Grad Celsius. Es ist wichtig, dass chemische Reaktionen nicht von selbst im
Körper loslaufen, sondern nur dann, wenn ein Enzym sie katalysiert. Selbstständig
würden fast alle Reaktionen erst bei erheblich höherer Temperatur ablaufen.
Beispiel: Die Helicase ist das Enzym, das DNA bei 37 Grad (in wechselwarmen Tieren
auch mal bei 10 Grad) spaltet. Wenn man DNA in Lösung hochheizt, finden diese
Spaltung von selbst erst bei etwa 95 Grad Celsius statt.
Man kann die Katalysefunktion eines Enzyms im Reaktions-Energie-Diagramm zeigen.
2. Bau und Verknüpfung der Aminosäuren
In der DNA werden 20 verschiedene Aminosäuren codiert. Sie bauen Proteine auf.
Nichts anderes als die Baupläne von Proteinen werden vererbt. Man kann sich das so
vorstellen wie die 24 Buchstaben des Alphabets: Damit lassen sich unendlich viele
Sätze bilden. Ein Protein besteht aus mindestens 100 Aminosäuren. Sie sind durch
Peptidbindung miteinander verknüpft.
Im Kindergartenstil lässt sich eine Aminosäure durch vier Elemente darstellen:
Aminogruppe (basisch) - „konstanter Teil“ (bei allen 20 AS gleich) - Säuregruppe
... und unter dem konstanten Teil die „funktionelle Gruppe“ (20 verschiedene Arten).
Für eine Peptidbindung dockt jeweils eine Aminogruppe an eine Säuregruppe an. Dabei
wird ein Wassermolekül abgespalten. Die funktionelle Gruppe ragt frei aus der
Peptidkette (viele AS hintereinander) heraus. Die funktionellen Gruppen bewirken den
räumlichen Bau, das Verhalten der Proteine zur Umgebung und ihre chemische
Leistung.
3. Einteilung der funktionellen Gruppen
a Alkylgruppe. Besteht nur aus C und H. Nur diese Art von Gruppe ist hydrophob. Die
andern sind hydrophil:
b Polare Gruppe. Hat ein -O-H (Hydroxylgruppe) oder ein -S-H
c Saure Gruppe (Carboxylgruppe)
d Basische Gruppe (Aminogruppe und Komplizierteres)
e -S-H-Gruppe: die gibt es nur bei Cystein. Wenn zwei Cystein-Aminosäuren an zwei
Peptidsträngen einander gegenüberliegen, werden ihre funktionellen Gruppen mit dem S-H durch ein Enzym zu einer Disulfidbrücke verknüpft: -S-S- . Das ist eine stabile
„Atombindung“. Sie kann Proteine auch bei hohen Temperaturen (90 Grad Celsius)
noch formstabil halten.
4. Struktur des Proteins
a Primärstruktur - das ist die Abfolge der Aminosäuren, der „Satz“, ohne Formgebung.
b Sekundärstruktur - die gibt es nicht in jedem Protein. Es handelt sich um stützende
Elemente: Die Alpha-Helix („Säule“) und das Faltblatt („Wand“).
c Tertiärstruktur - das ist der räumliche Bau. Er entsteht gleich hinter dem Ribosom.
d Quartärstruktur - das sind mehrere Proteine, zu einer Funktionseinheit verbunden.
Biologie Klasse 3 2014/15
Übungsfragen am 16.1.2015
Wir gehen die Fragen in drei Schritten an:
1. Sie versuchen 10 Minuten, allein und ohne Hilfsmittel auf einem Nebenzettel zu
antworten.
2. Schüler klären sich gegenseitig auf. Wir lassen die Hilfsmittel weiterhin weg. Die
Klasse geht die Fragen durch und sagt sich ihre Antworten. 5 Minuten.
3. Der Lehrer zieht Bilanz. Eintragen sinnvoller Antworten - möglichst nicht als Diktat hier direkt auf dem Blatt.
1. Die Denkfrage anhand des Unterrichts 9.1.2015:
Wovon wird die Aktivität eines Enzyms beeinflusst (drei Faktoren)?
a) hat was mit der RGT-Regel zu tun
b) Begegnete uns bei der Pufferung des Blutes
c) Hat was mit der Wechselrate zu tun
2. Eine „Denkfrage“ aus der Mündlich-Prüfung:
Warum eignen sich von den drei Hauptnahrungsgruppen Fette, Kohlenhydrate und
Proteine nur die Proteine für Enzymaufgaben?
3. Standard-Fragen in der Mündlich-Prüfung:
3.1. Wie ist ein Protein räumlich aufgebaut?
a)
(b)
c)
(d)
3.2. Was wissen Sie (neben Ihrer Antwort in Frage 1.) über Enzyme?
3.3. Erläutern und zeichnen Sie: Was ist eine Peptid-Bindung? (umseitig zeichnen)
4. Luxusfrage:
4.1. Zeichnen Sie ein Protein, das quer durch die Biomembran ragt. (umseitig zeichnen)
4.2. Welche Funktionen kann das Protein an dieser Stelle mit diesem Bau haben?
4.3. Welche Bindungskräfte muss das Protein nach außen haben, um an dieser Stelle
fest eingebunden zu bleiben?
Biologie Klasse 3 Mennel
16.1.2015
Arbeitsblatt 1 zum Thema Gentechnik
Das Arbeitsblatt ist deckungsgleich mit Inhalten im Internet: http://www.mennel.net/lernplanet/bio15.htm
A "Gentechnik" sind derzeit vier verschiedene Services:
1. Gen-Transfer, das ist das Herstellen rekombinierter Chromosomen (das Buch sagt oft,
aber nicht immer "rekombinant"; und den DNA-Ring im Bakterium "Chromosom" zu
nennen ist mir nicht ganz geheuer). Damit kann man gentechnisch veränderte Lebewesen
erzeugen: Bakterien, die Menschen-Proteine herstellen, Gen-Mais und allerlei Monster.
2. Die Vervielfältigung kleiner DNA-Spuren mit Hilfe der Polymerase Chain Reaction,
"PCR". Das hat die Identifizierung von Tätern enorm vorangebracht.
3. Das Trennen von DNA-Bruchstücken mit Hilfe der Gel-Elektrophorese. Die GelElektrophorese an sich ist aber keine Gentechnologie.
4. Die DNA-Sequenzierung. Hier geht es darum, die Abfolge der Nukleotide auf den
Chromosomen eines Genoms zu klären. Berühmt ist HUGO - Human Genome Project. Da
wurde in Rekordtempo (1990 - 2003) die Abfolge aller Nukleotide der DNA des Menschen
geklärt.
B Grundlagen aus unserem Unterricht:
1. Insulin: als Polypeptid, bei der Vererbung, als Hormon und bei der Gentechnik.
2. Bau des Bakteriums: Plasmide als ein- und ausschleusbare kleine DNA-Ringe: Die
"Transformation"
3. Abfolge der Transkription bei Eukaryoten: DNA > (prä-m-RNA > Spleißung >) fertige
m-RNA (Buch S. 108)
C Fünf Schritte beim Gen-Transfer: (Buch S. 125)
1. Isolieren des Gens, z.B. aus der DNA des Menschen + Isolierung eines Plasmids aus der
DNA eines Bakteriums, z.B. E. Coli
2. Schneiden der DNA-Sequzenen z.B. des Menschen und des Bakteriums mit dem gleichen
Restriktionsenzym
3. Rekombinieren der beiden zerschnittenen DNA-Sequenzen, z.B. Menschen-DNA wird
eingeklebt in Bakterien-Plasmid.
4. Übertragen der veränderten DNA in einen Organismus, z.B. wird das Plasmid wieder ins
Bakterium gegeben.
5. Selektion: auf Tausende von misslungenen Rekombinationsversuchen kommt ein Treffer.
Um den z.B. bei Bakterien zu erkennen, werden noch zwei Marker-DNAs mit in das Plasmid
hineingeschnitten. Eines wird nur im Bakterium aktiv, und eines wird genau inaktiv, wenn es
im Plasmid-Ring steckt.
6. Produktion: In unserem Beispielfall stellt das E-Coli-Bakterium nun Peptide und Proteine
her, die aus Menschen-DNA stammen.
Biologie Klasse 3 Mennel
23.1.2015 Arbeitsblatt 2 zum Thema Gentechnik
A Einige einfache und einige kluge Fragen aus dem Buch:
S. 125 Frage 1 und 2
S. 127 Frage 1 und 2
S. 128 Frage 1
B Lernübung anhand des Arbeitsblattes 1 zur Gentechnik: Schaffen Sie es, innerhalb von 5
Minuten die Antwort auf zwei Fragen auswendig hinschreiben zu können:
1. Welche bis zu vier verschiedenen Gebiete gibt es in der heutigen Gentechnik? (nur jeweils
das Stichwort)
2. In welchen fünf Schritten wird ein Gentransfer bis zum Ablesen von Fremd-DNA geführt?
(nur jeweils das Stichwort)
Verwenden Sie zum Lern-Üben ein Skizzenblatt. Erarbeiten Sie die zu lernende Wortfolge
und schreiben Sie sie mindestens zweimal auf das Blatt. Beim zweiten Mal dann möglichst
auswendig.
C Vertiefung zum Thema „Gentransfer“: Wie fische ich aus 10.000 Bakterien das eine
heraus, bei dem der Gen-Transfer geklappt hat?
Diese Frage in Fachwort-Deutsch: Wie funktioniert die Selektion transgener Zellen nach
einem Gen-Transfer?
Grundsätzlich:
- Man arbeitet mit besonderen Plasmiden der Bakterien, die diese Bakterien mit zwei
messbaren DNA-Leistungen versorgen.
- Man schneidet das Fremdgen mit einem Restriktionsenzym aus, das mit diesem
Restriktionsenzym genau an einer und nur einer Stelle ins Plasmid hineingeschnitten und
hineingebaut werden kann, an der aber dann eine DNA-Leistung des Plasmids verloren geht.
- man überlässt die Plasmide einer Bakterienkultur, die die beiden Plasmidleistungen selbst
nicht erbringt.
Haben einzelne unter den Bakterien die Plasmide aufgenommen (= Transformation), so
können sie plötzlich ein bis zwei neue Dinge.
Die Bakterien, die zwei neue Dinge können, haben zwar ein Plasmid in sich, aber in dieses
Plasmid wurde keine Fremd-DNA eingeschnitten.
Die Bakterien, die EIN neues Ding können, haben ein Plasmid aufgenommen, in das die
Fremd-DNA hineingebaut wurde.
Im Buch S. 130 und 14 Zeilen von 131 ist das anhand des Insulin-Einbaus erläutert: Es gibt
dann einige Bakterien, die blaue Kulturen bilden. Andere, wenige bilden weiße Kolonien.
Diese wenigen enthalten transgene Kolonien und taugen zur bakteriellen Produktion von
Menschen-Insulin.
„Bakterien-Kolonien“? Das sind weiße Punkte auf Petrischalen, die durch Teilung aus
jeweils einem Bakterium hervorgehen. Diese Petrischalen sind flache runde durchsichtige
Behälter, die in der unteren Hälfte Nähr-Agar enthalten. Agar ist eine Algensubstanz, die fast
kein Lebewesen abbauen kann und die Gelees bildet. Das „Nähren“ geschieht durch Zugabe
von Stoffen, die das Bakterium zum Wachsen braucht. Im einfachsten Fall nimmt man
Fleischbouillon. Die Bakterien werden auf dem Agar „ausgestrichen“, das heißt so verteilt,
dass sie einzeln vorliegen.
Biologie Klasse 3 Mennel
6.2.2015 Arbeitsblatt Gensequenzierung
S. 1 von 2
Wiederholung - fünf Minuten Erinnerungsnotiz von jedem - sie müssen nicht perfekt sein improvisieren Sie - umschreiben Sie:
Ein Täter hinterlässt wenige Zellen mit seiner DNA am Tatort. Es gibt zwei Tatverdächtige.
Wie klärt man über DNA-Abgleich, ob ein Verdächtiger der Täter ist?
Film "Kreidezeit - Sequenzierung". Der Film bereitet nur vor und huscht über den zentralen
Moment hinweg.
Tafel, bzw. zeilenweises Erarbeiten im Heft: Thema Gensequenzierung.
Die Genseqzenzierung klärt die Basen-Abfolge der DNA eines Lebewesens. Seit 1995 konnte
durch DNA-Sequenzierung das Genom von über 1000 (Stand: 2010) verschiedenen
Organismen analysiert werden. Man fing bei Bakterien an, dann kamen einfache Vielzeller.
Ziel der HUGO (Human Genome Organisation) war, die DNA des Menschen zu kennen = zu
sequenzieren. Das wurde 2003 erreicht.
In der Schulbiologie wird die erfolgreiche klassische Sequenzierung nach Sanger erfragt.
Mittlerweile gibt es weitere Wege der Sequenzierung, die maschineller und schneller erfolgen.
Als Vorarbeit vor einer Gen-Sequenzierung ist erforderlich, dass ein bestimmter DNAAbschnitt in großer Menge einsträngig vorliegt.
1. Wie könnte eine DNA-Extraktion verlaufen? KG
2. Wie erzeugt man kürzere DNA-Abschnitte? RE
3. Wie vermehrt man DNA-Abschnitte so, dass ein jeder Abschnitt in großer Menge vorliegt?
PC
4. Wie trennt man ein Gemisch aus zerstückelter DNA in die einzelnen DNA-Abschnitte?
GE
5. Nun sollen sie in einem Versuchsgefäß, in dem sich ein bestimmer einzelner DNAAbschnitt befindet, die doppelsträngige DNA-Kette in zwei komplementäre Einzelstränge
zerlegen. Was machen Sie?
94
6. Nun sollen Sie die Rückbildung zum DNA-Doppelstrang unterbinden, dabei das Ablesen
der DNA durch eine Polymerase ermöglichen. Was ist Ihr Mittel?
P
Nun geben Sie aber noch NICHT gleich die Polymerase zu. Das wäre eine Fortsetzung der
Arbeit aus Frage 3. mit nur einem bestimmten DNA-Strang.
Wir sind stattdessen beim Trick der Gensequenzierung angelangt:
Wir verteilen die Probe mit vielen gleichen, in Einzelketten vorliegenden DNA-Strängen, die
mit P aus 6. versehen sind, in vier Reaktionsgefäße. Wir geben in jedes Reaktionsgefäß viele
normale Nukleotide.
Aber in jede der vier Proben geben wir auch einen besonderen Anteil an "Abbruchnukleotiden".
Wir beschriften die Reaktionsgefäße nach dem zugegebenen Abbruchnukleotid: A - G - T - C
(für Adenin, Guanin, Thymin, Cytosin)
Biologie Klasse 3 Mennel
6.2.2015 Arbeitsblatt Gensequenzierung
S. 2 von 2
Die Polymerase möchte mit Hilfe von Einzelnukleotiden, beginnend an dem zugegebenen
Primer (aus Schritt 6.), den komplementären Strang zum DNA-Einzelstrang erzeugen.
Sie beginnt mit ihrer Arbeit.
Wenn zufällig zwischen normalen A/G/T/C-Nukleotiden ein Abbruchnukleotid eingebaut wird
in den neuen Strang, dann bricht der Weiterbau der komplementären Kette da ab.
Für Fachleute: Die Ribose, ein ringförmiger Zucker, ist im DNA-Nukleotid an Position 2
(Üblich) und 3 (beabsichtigter Fehler) beim C-Atom im Zuckerring desoxidiert. Dadurch fehlt
am 3-C-Atom die Hydroxygruppe, an der bei der Polymerisation das nächste Nukleotid mit
seiner Phosphatbrücke angehängt werden kann (das ist eine Kondensationsreaktion,
herbeigeführt vom Enzym Polymerase, mit Wasserabspaltung, bei der die DNA-Kette um ein
Nukleotid erweitert wird).
Nach einiger Zeit haben wir auf dem vollständigen einkettigen Strang, der anfangs zugegeben
wurde, alle überhaupt möglichen Abbruchstellen. Und zwar in jedem Gefäß typische
Abbruchstellen:
In Gefäß A bricht die Kette immer da ab, wo Adenin hätte eingebaut werden müssen.
In Gefäß G bricht die Kette immer da ab, wo Guanin hätte eingebaut werden müssen.
und so auch die besonderen Abbrüche in den Gefäßen T und C.
Nun muss in allen vier Gefäßen ein Enzym zugegeben werden, das einsträngige DNA
abschneidet und doppelsträngige DNA in Ruhe lässt.
Jetzt trennen wir die DNA-Bruchstücke eines jeden der vier Reaktionsgefäße im Stil von
Frage 4. (Gel-Elektrophorese) nach der Länge voneinander.
Wir haben dann also vier Trennungen der DNA-Längen. Vorhersage: DNA von der Länge,
die sich in Gefäß A befand, wird sich genau nicht in den Gefäßen G, T und C befinden.
Man sortiert vergleichen die Längen aller DNA-Bruchstücke und kann nun sagen:
AAGGTTCTTAGGA... (das sind die 4 Buchstaben, die man auf die Reaktionsgefäße
geschrieben hat. Die Abfolge ist beispielhaft) und hat so die DNA sequenziert.
Film "Sequenzanalyse der DNA" - nicht ganz fehlerfrei, mit einigen Exkursen, aber bildhaft.
..................................
Blick in die Arbeitsblätter: Zum 30.1.2015 gab es kein Arbeitsblatt. Thema war, nach Buch:
Polymerase Chain Reaction und Gel-Elektrophorese.
Blick in den Lehrplan: Aus „Genetik“ fehlt noch „Gewebe und Organbildung“
Aus „Proteine“ fehlen noch einige Diagramme zur Aktivität von Enzymen (RGT hatten wir):
Hyperbolische Abbaukurve eines Stoffes durch ein Enzym,
Konzentrationsabhängiges Erreichen oder Verfehlen der höchsten Reaktionsgeschwindigkeit.
Kompetitive und allosterische Hemmung eines Enzyms.