DNA – Vom Gen zum Protein
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46 11215 Didaktische FWU-DVD | DNA – Vom Gen zum Protein Biologie Klasse 9 – 13 Tr a i l e r a n s e h e n Chemie Klasse 10 – 13 Schlagwörter Adenin; Aminosäuren; Biochemie; Biosynthese; Chromosom; Codesonne; Cytosin; Desoxyribonukleinsäure; Eiweiß; Gen; Genetik; Guanin; Helixstruktur; Humangenetik; Körperbau (Mensch); Molekularbiologie; Nukleinbase; Protein; Proteinbiosynthese; Ribonukleinsäure; Ribosom; Spleißen; Thymin; Transkription; Translation; Uracil; Wasserstoffbrücken; Zelle; Zytoplasma Systematik 2 Biologie › Allgemeine Biologie › Genetik › Allgemeine Biologie › Biochemie › Allgemeine Biologie › Zellenlehre › Menschenkunde › Genetik, Evolution Chemie › Biochemie › Molekulare Grundlagen der Organismen Zum Inhalt „DNA – Vom Gen zum Protein“ (Film 21 min) Wie wird aus einer einzigen Zelle ein funktionsfähiger Organismus? Wieso unterscheiden wir uns manchmal in wenigen, manchmal in sehr vielen Eigenschaften? Um diese Kernfragen zu beantworten, erläutert der Film zunächst die Bedeutung von verschiedenen Proteinen. Im Anschluss daran wird das Augenmerk auf die Proteinbiosynthese gelegt. Dabei steht zunächst das Erbmaterial mit seinem Aufenthaltsort – der Verpackung in 46 Zweichromatidchromosomen – und deren Struktur im Vordergrund. In diesem wird der Aufbau der DNA-Doppelhelix in kleinen Schritten modellhaft bis hin zur chemischen Struktur erarbeitet. Ein besonderes Augenmerk liegt in der Unterscheidung des Zucker-PhosphatGerüsts von den das vierbuchstabige Erbmaterialalphabet bildenden Nukleotidbasenpaaren, welche die Sprossen der Doppelhelix bilden. Die Lehrinhalte der Proteinbiosynthese beginnen mit der Bedeutung des Zellkerns für den Schutz des Erbmaterials bis hin zur Notwendigkeit einer messengerRNA (mRNA). Deren Unterschiede zur DNA werden klar aufgezeigt. An dieser Stelle ist die Transkription ebenso unverzichtbar wie die Wirkungsweise der RNA-Polymerase. Ergänzend werden die sich daraus ergebenden Möglichkeiten des alternativen Spleißens erwähnt. Wie kann aus einem Nukleinbasen-Code eine Primärstruktur von unterschiedlichen Aminosäuren gebildet werden? Um diese Frage zu beantworten, wird im folgenden Kapitel die Übersetzung des genetischen Codes besprochen. Hierbei muss zunächst auf die Bedeutung von Basentripletts eingegangen werden, um die Möglichkeit der Übersetzung von der vorliegenden mRNA aus vier verschiedenen Nukleotiden in die passende der 20 natürlichen Aminosäuren zu gewährleisten. Auch der Umgang mit der Codesonne wird vertieft erklärt. Abschließend wird der Ablauf der Translation an den Eukaryoten-Ribosomen in den einzelnen Phasen Schritt für Schritt nachvollziehbar dargestellt. In einem Ringschluss gelangt die Produktion von den unterschiedlichen Primärstrukturen über die Möglichkeiten der Sekundär- zu den aufgabenerfüllenden Tertiärstrukturen der Proteine. Auch dabei wird die erlernte Fachterminologie ständig wiederholt und somit eingeübt. 3 Vielfalt der Proteine (Filmsequenz 1:30 min) Menschen sind unterschiedlich gebaut und zeigen eine Vielfalt an Verhaltensweisen. Die Ursache dafür liegt in den Proteinen. In der ersten Sequenz wird auf verschiedene Proteintypen eingegangen. Zu diesem Thema werden die SchülerInnen über das Genom hingeleitet, das bei der Befruchtung durch Vermischung des Erbmaterials der Eltern in der ersten Körperzelle vorliegt. Es stellt von nun an die Anleitung für die Proteinproduktion des Organismus dar. Der Aufbau der DNA (Filmsequenz 4:00 min) Diese Sequenz beginnt mit einer eukaryotischen Körperzelle, in deren Mittelpunkt der Zellkern als Aufbewahrungsort 4 für das gesamte Erbmaterial steht. In einer Abfolge, die auf Basis von 23 homologen Chromosomenpaaren über deren Schwesterchromatiden bis hin zum submikroskopischen Aufbau und zum Bau des DNA-Makromoleküls führt, wird der Betrachter zur DNA-Doppelhelix gelotst. Deren Aufbau aus Desoxyribose, Phosphat und Nukleinsäurenbestand­ teilen stellt den Kern dieses Teils der Produktion dar. Dabei wird das Watson-Crick-DNA-Modell Schritt für Schritt entwickelt und für die Schüler die Bedeutung der komplementären Basen in Form des „Vier-Buchstaben-Alphabets“ als Grundlage der Gene dargelegt. Gene bestimmen Proteine (Filmsequenz 1:10 min) Der Abschnitt bietet einen kurzen Überblick zur gesamten Proteinbiosynthese, welche in den folgenden Kapiteln im Detail behandelt wird. Somit ist der Inhalt für die Schüler von grundlegender Bedeutung, um die nachfolgenden Sachverhalte bezüglich Inhalt und Fachsprache nachvollziehen zu können. Transkription – Von der DNA zur RNA (Filmsequenz 5:20 min) Diese Sequenz mit dem Schwerpunkt der Transkription beginnt mit dem lokalen Problem, dass sich die Orte der DNA und die der Translation an verschiedenen Stellen in den Zellen befinden. Lösungsorientiert wird die Notwendigkeit der Erstellung der mRNA mit all ihren Unterschieden und Vorteilen im Vergleich zur DNA erarbeitet. In diesem Zusammenhang erfahren die Schüler die Arbeitsweise der RNA-Polymerase mit ihrer Arbeitsrichtung und die für sie notwendigen Start- und Stoppmarkierungen (Promotor- und Terminatorsequenzen) auf den Genen. Die Übersetzung des genetischen Codes (Filmsequenz 2:20 min) Basierend auf dem erworbenen Wissen über die Notwendigkeit der Übersetzung der Nukleinbasenfolge in eine Aminosäuresequenz werden zu Beginn des Abschnitts die 20 natürlichen Aminosäuren modellhaft vorgestellt. Dabei wird den Schülern anschaulich vermittelt, dass das Basentriplett der wirtschaftlichste – aber dennoch redundante – Code für eine Aminosäure ist. Unverzichtbar ist somit die Codesonne als Übersetzer, deren Einsatz klar vermittelt und intensiv eingeübt wird. Translation – Von der mRNA zum Protein (Filmsequenz 6:10 min) Die letzte Sequenz beleuchtet den exakten und sich immer wiederholenden Ablauf der Translation an den Ribosomen. Zunächst wird den Schülern der Aufbau der tRNA detailliert erklärt. Danach erfolgt die Beschreibung der Translation, welche in der Bedeutung der Ribosomen und den Aminosäuresequenzen als Poly­ peptide, beziehungsweise in der Primärstruktur, endet. Abschließend wird nochmals auf die Bedeutung der Proteine eingegangen und deren Primär-, Sekundär- und Tertiärstruktur angesprochen. 5 Grafiken Doppelhelixstruktur der DNA (Grafik) Anhand dieser Grafik kann die Doppelhelixstruktur der DNA mit den Basen und Windungen genauer betrachtet werden. Codesonne (Grafik) Zur Übersetzung des genetischen Codes ist die Codesonne notwendig. Diese Grafik mit der Codesonne, welche die Orientierungsangabe, die verschiedenen Aminosäuren sowie das Startcodon und die Stoppcodone enthält, kann zu intensiveren Überlegungen herangezogen werden. Struktur der Nukleinbasen (6 Grafiken) Die verschiedenen Basen der DNA – Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin – können mithilfe dieser Grafiken anhand 6 der Strukturformeln einzeln und als Gesamtdarstellung analysiert werden. Über Info-ein werden bei den einzelnen Nukleinbasen die drei Bestandteile „Phosphatgruppe“, „Desoxyribose“ und der Name der jeweiligen Nukleinbase angezeigt. Bei der Gesamtdarstellung kann mit weiter auch eine Version mit Wasser­ stoffbrückenbindungen zwischen den kom­plementären Basen aufgerufen werden. Vergleich DNA – mRNA (Grafik) In dieser Tabelle werden die Eigenschaften der DNA und der mRNA in Struktur, Aufbau und Zuckerform sowie die Funktionen einander gegenübergestellt. Transkription (Grafik) In dieser Grafik wird der Vorgang der Transkription visualisiert, bei der die prämRNA auf Basis eines DNA-Strangs gebildet wird. Spleißen (Grafik) Mithilfe dieser Grafik wird ersichtlich, welche Möglichkeiten sich bei der Proteinbildung durch das (alternative) Spleißen, bei dem irrelevante Abschnitte herausgeschnitten werden, ergeben. Translation (Grafik) In dieser Grafik wird der Ablauf der Translation gezeigt, bei der die Aminosäurenkette mithilfe von tRNAs in Ribosomen entsteht. Vom Gen zum Protein (4 Grafiken) Mithilfe dieses Schemas können die Vorgänge in der Molekularbiologie durch die Funktion weiter von der DNA bis zum Protein aufeinander aufbauend und im Überblick erklärt werden. Bezug zu Lehrplänen und Bildungsstandards Die Schülerinnen und Schüler • erhalten einen Überblick über die Vererbung von Eigenschaften; • kennen den Aufbau der Chromosomen und der DNA und unterscheiden DNA und RNA; • begreifen die Vorgänge der Transkription und Translation; • erhalten einen detaillierten Einblick in die Wirkungsweise der Ribosomen; • erkennen die Bedeutung der Vererbung; • verstehen die Auswirkungen unterschiedlicher Proteinstrukturen; • realisieren die Bedeutung des genetischen Codes aus vier Nukleinbasen und verstehen die Übersetzung des DNA-Codes in eine Aminosäurenkette; • beurteilen Gefahren von Mutationen für die Proteinherstellung; • bewerten die Leistung der Transkription in Zusammenhang mit der Translation; • sind in der Lage, Teilchen- und Stoff­ ebene zu unterscheiden; • verstehen grundlegende Fachliteratur zum Bau der DNA und der Proteinbiosynthese; • stellen komplexe Sachverhalte verständlich in eigenen Worten und mit Fachausdrücken dar. 7 Didaktische Hinweise In jeder unserer Körperzellen befindet sich die komplette Erbinformation des Menschen. Das Riesenmolekül, das unsere Erbinformation speichert, ist die DNA. Die Länge aller DNA-Stränge innerhalb eines Zellkerns aufsummiert, ergäbe zwei Meter oder – würde man alle DNA-Makromoleküle der Zellen eines Menschen aneinanderlegen – entstünde ein Faden, der 1000 Mal der Entfernung zwischen Erde und Sonne entspräche. Auch wenn wir nicht die gesamte Information benötigen, so findet sich in jeder Körperzelle die Anleitung für den Aufbau und die Funktionsweise des gesamten Menschen. Dafür müssen Proteine hergestellt werden. Neben dem Aufbau der DNA werden auch die Vorgänge zur Übersetzung der Erbinformation in die jeweils richtige Aminosäurenkette, aus der dann die Proteine entstehen, behandelt. Der chemische Bau der DNA, die Transkription und die Translation sind als Hauptbestandteile der Proteinbiosynthese unverzichtbar. Im Unterrichtsfach Biologie überlappen sich die Themen zudem ständig fächerübergreifend mit der Chemie. Von Animationen ausgehend werden die Lehrinhalte des DNA-Aufbaus 8 und der Proteinbiosynthese für die Jahrgangsstufen 9 bis 13 altersangemessen dargestellt. Dazu werden Fachbegriffe neu eingeführt bzw. Schritt für Schritt erarbeitet. Die Gesamtproduktion stellt somit ein umfassendes Werk der auf submikroskopischer Ebene ablaufenden Prozesse dar und legt den Grundstein für weitere naturwissenschaftliche Themen im Bereich der Genetik sowie der Organischen Chemie. Die Produktion kann im Rahmen der folgenden Themenschwerpunkte eingesetzt werden: • Bedeutung der Zelle für die Speicherung und Verarbeitung des Erbmaterials • Einsatzgebiete und unterschiedliche Aufgaben der Proteine • Chemische Struktur der DNA sowie deren Unterschiede zur RNA • Vorgänge der Transkription und Translation mit Einsatz der Codesonne • Notwendigkeit des Spleißens bei Eukaryoten • Unterschiede der 20 natürlichen Aminosäuren und deren Codierung auf der DNA • Einsatz der Codesonne • Wirkungsweise und Bau der Ribosomen Arbeitsmaterial Als Arbeitsmaterial steht Ihnen im ROMTeil ein umfangreiches Angebot an ergänzenden Materialien zur Verfügung (siehe Tabelle). Die Arbeitsblätter liegen sowohl als PDFals auch als Word-Dateien vor: • Die PDF-Dateien können am PC direkt ausgefüllt oder ausgedruckt werden. • Die Word-Dateien können bearbeitet und so individuell an die Unterrichtssituation angepasst werden. Ordner Materialien Didaktische Hinweise Hinweise zum Einsatz des Films, der Filmsequenzen, den Grafiken und den ergänzenden Arbeitsmaterialien Arbeitsblätter (mit Lösungen) 1)Kreuzworträtsel 2) Ablauf der Proteinbiosynthese – Vom Gen zum Peptid 3) Gene codieren ein oder mehrere Proteine 4) Veränderungen der DNA und die Folgen 5) Struktur und wirkende Kräfte bei DNA und Protein 6) Ablauf der Translation Grafiken • Doppelhelixstruktur der DNA • Codesonne • Struktur der Nukleinbasen Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin (4 Grafiken) • H-Brücken zwischen Nukleinbasen (2 Grafiken) • Vergleich DNA – mRNA (Grafik) • Transkription (Grafik) • Spleißen (Grafik) • Translation (Grafik) • Vom Gen zum Protein (4 Grafiken) Filmtext Filmtext zum Film als PDF-Dokument Programmstruktur Übersicht über den Aufbau der DVD Weitere Medien Informationen zu ergänzenden FWU-Medien Produktionsangaben Produktionsangaben zur DVD und zum Film 9 Programmstruktur 46 11215 DNA – Vom Gen zum Protein DNA – Vom Gen zum Protein Programmstruktur Hauptmenü Untermenü DNA – Vom Gen zum Protein DNA – Vom Gen zum Protein 21 min DNA – Vom Gen zum Protein Sequenzen Doppelhelixstruktur der DNA Struktur der Nukleinbasen Codesonne Vorgänge bei der Proteinbiosynthese Grafik Grafiken Grafik DNA – Vom Gen zum Protein Die Vielfalt der Proteine 1:30 min Der Aufbau der DNA 4:00 min Gene bestimmen Proteine 1:10 min Transkription – Von der DNA zur RNA 5:20 min Die Übersetzung des genetischen Codes 2:20 min Translation – Von der mRNA zum Protein 6:10 min Grafiken Struktur der Nukleinbasen Arbeitsmaterial Adenin Grafik Thymin Grafik Guanin Grafik Cytosin Grafik H-Brücken zwischen Nukleinbasen 2 Grafiken Arbeitsmaterial Didaktische Hinweise Vorgänge bei der Proteinbiosynthese Vergleich DNA – mRNA Grafik 16 Grafiken Transkription Grafik Filmtext Spleißen Grafik Programmstruktur Translation Weitere Medien Vom Gen zum Protein 6 Arbeitsblätter (mit Lösungen) Produktionsangaben 10 Grafik 4 Grafiken Produktionsangaben DNA – Vom Gen zum Protein (DVD) Produktion FWU Institut für Film und Bild, 2016 DVD-Konzept Susanne Oberleitner Tonstudio Marko Peter Bachmann Sounddesign Sven Lütgen Sprecher Mark Bremer DVD-Authoring und Design Dicentia Germany im Auftrag des FWU Institut für Film und Bild, 2016 Fachberatung Ulrich Hammon Grafiken Weglowinthedark. Redaktion Susanne Oberleitner Daniel Schaub Dr. Maike Schuchmann Coverbild FWU Institut für Film und Bild Arbeitsmaterial Ulrich Hammon Begleitheft Susanne Oberleitner Pädagogische Referenten im FWU Daniel Schaub Susanne Oberleitner Dr. Maike Schuchmann Nur Bildstellen/Medienzentren: öV zulässig Produktionsangaben zum Film „DNA – Vom Gen zum Protein“ Produktion Weglowinthedark. im Auftrag des FWU Institut für Film und Bild, 2016 Buch Antonia Kühn Dominic Bünning © 2016 FWU Institut für Film und Bild in Wissenschaft und Unterricht gemeinnützige GmbH Geiselgasteig Bavariafilmplatz 3 D-82031 Grünwald Telefon (089) 6497-1 Telefax (089) 6497-240 E-Mail [email protected] [email protected] Internetwww.fwu.de 11 Didaktische FWU-DVD 46 11215 | DNA – Vom Gen zum Protein Kleiner Kern – große Wirkung! Auch wenn ein durchschnittlicher Zellkern nur ein paar Mikrometer groß ist, hat er so einiges zu bieten. Er beinhaltet das Wichtigste, das uns Menschen ausmacht: die DNA. Sie ist der Bauplan aller Lebewesen. In anschaulichen Animationen und schülergerechter Aufarbeitung behandelt die Produktion den Aufbau unserer Erbsubstanz sowie den spannenden Weg vom Gen zum Protein. Laufzeit 21 min Klasse 9 – 13 Sprache DE Film 1 Filmsequenzen 6 Arbeitsblätter 6 Grafiken 16 Kompetenzerwerb: Die Schülerinnen und Schüler › e rhalten einen Überblick über die Vererbung von Eigenschaften; › kennen den Aufbau der Chromosomen und der DNA und unterscheiden DNA und RNA; › b egreifen die Vorgänge der Transkription und Translation; › v erstehen die Auswirkungen unterschiedlicher Protein­ strukturen; › r ealisieren die Bedeutung des genetischen Codes aus vier Nukleinbasen und verstehen die Übersetzung des DNA-Codes in eine Aminosäurenkette; › beurteilen Gefahren von Mutationen für die Proteinherstellung. Ausführliche didaktische Hinweise finden Sie im Arbeitsmaterial. Themen Klasse 9 – 10 Klasse 11 – 13 Die Vielfalt der Proteine Der Aufbau der DNA Gene bestimmen Proteine Transkription – Von der DNA zur RNA Die Übersetzung des genetischen Codes Translation – Von der mRNA zum Protein Lehrprogramm gemäß § 14 JuSchG GEMAFREI 4611215010 4 6 11 2 1 5 0 1 0 www.fwu-shop.de Bestell-Hotline: +49 (0)89-6497-444 [email protected] FWU Institut für Film und Bild in Wissenschaft und Unterricht gGmbH Bavariafilmplatz 3 | 82031 Grünwald | Telefon +49 (0)89-6497-1 Telefax +49 (0)89-6497-240 | [email protected] | www.fwu.de
