Auftrag 3

Aufgabe 1

Schaut euch das Video der Kernteilung nochmals an !

Stellt mit Hilfe des Femo Kastens die einzelnen Stadien der Kernteilung nach und macht ein Photo davon. Stellt diese Bilder in chronologischer Reihenfolge in euren Blog. Benennt die einzelnen Stadien der Kernteilung und notiert stichwortartig, was in der jeweiligen Phase passiert.

Lektion 3 - Mitose, Zellteilung und Zellzyklus

In dieser Stunde wollen wir uns mit dem Zellzyklus, der Zellteilung und der Mitose beschäftigen.  Damit aus einer befruchteten Eizelle ein ganzer Organismus entstehen kann, oder Verletzungen ausheilen können, müssen sich Zellen immer wieder teilen. Durch die Teilung der Gewebe- und Hautzellen kann sich zum Beispiel eine offene Wunde  oder Hautschürfung wieder schliessen.

Das folgende Video illustriert den Ablauf der Zellteilung:

Die Zellteilung kann somit in zwei Phasen unterteilt werden:  die Kernteilung (Mitose) bzw. Kernverdopplung und die tatsächliche Zellteilung (Cytokinese):
Die Kernteilung ist im folgenden Video näher erklärt: 

Kernteilung 

Mitose und Zellteilung sind eine Phase im sogenannten Zellzyklus. Sie werden unter der sogenannten M-Phase zusammengefasst. Die Phase vor und nach der M-Phase bezeichnet man als Interphase (I). Sie ist somit die Zwischenphase zwischen 2 Mitosephasen. Die Interphase beginnt mit der G1 Phase. In dieser Phase wachsen die Zellen heran. In der darauffolgenden S-Phase (Synthese Phase) wird die DNA im Zellkern verdoppelt. Diesen Prozess, den man auch als DNA Replikation bezeichnet, werden wir demnächst kennenlernen. Auf die S-Phase folgt die G2-Phase, in der alle notwendigen Bausteine und Enzyme für die darauffolgende M-Phase hergestellt werden. In der M-Phase wird die verdoppelte DNA anschliessend gleichmässig auf zwei identische Tochterzellen aufgeteilt und die Zellteilung abgeschlossen.

Der Zellzyklus (Quelle: Cell_Cycle_2.png:Zephyris at en.wikipedia )

Der Zellzyklus wird nochmals in den beiden folgenden Videos anschaulich erklärt:

Zellzyklus  

Mitose und Zellzyklus 

Auftrag 2

Aufgabe 1
Schaut euch die Einführungsvideos nochmal an!
Erstellt eine schematische Skizze der DNA mit allen essentiellen Bestandteilen und beschriftet diese. Fügt ein Photo dieser Skizze in euren Blog ein!



Aufgabe 2
30 Prozent der Nukleotide in der Heuschrecken-DNA sind Adenine. Wie hoch sind demnach die Prozentwerte für
a) Thymin, b) Guanin + Cytosin, c) Guanin, d) Cytosin? 



Aufgabe 3

Nachdem Ihr jetzt soviel über DNA gehört habt, sollt Ihr im folgenden eure eigene DNA im Rahmen eines kleinen Experimentes isolieren und sichtbar machen. 

Im folgenden Video seht Ihr hierzu eine Anleitung:

DNA Isolation

In der Forensik wird die DNA nach dem gleichen Prinzip isoliert, nur das hier meist deutlich weniger Zellmaterial zur Verfügung steht, aus dem die DNA isoliert werden kann. Dementsprechend wird in deutlich kleinerem Maßstab gearbeitet. Auch werden hier natürlich nicht Spülmittel und Brennspiritus verwendet, sondern optimierte Lösungen.

Isoliert eure eigene DNA entsprechend der Anleitung im Video.

Protokolliert in eurem Blog die einzelnen Schritte der DNA Isolation und beschreibt, was bei dem jeweiligen Schritt auf molekularer Basis passiert.

Fügt am Ende dieser DNA Isolierung ein Bild eures Versuchsergebnisses (Glas mit eurer DNA) in den Blog ein. 



Aufgabe 4
Im Auftrag 1 habt ihr bereits die Aminosäuresequenz des GFP Proteins im Internet recherchiert. Im Folgenden wollen wir diesen Datensatz nun um die Gensequenz erweitern:
Ihr habt zwei Möglichkeiten:
A) Wenn Ihr entsprechend Auftrag 1 das Datenblatt bereits abgespeichert habt, öffnet dieses Dokument. Unter der Kategorie DBSource (Data bank Source = Datenbankquelle) findet ihr einen Link, der euch direkt zur complete CDS (coding sequence) führt. Diese Sequenz befindet sich am Ende des Dokumentes. Alternativ könnt Ihr euch mit dem FASTA Link die durchgängige Nukleotidsequenz des GFP Proteins anzeigen lassen. Auch wenn Ihr mit dieser Methode erfolgreich ward, probiert bitte auch die folgende Option aus, da sich euch hilft, den richtigen Umgang mit diesen Datenbanken einzuüben.

B) Die DNA Sequenz eines beliebigen Proteins (in unserem Fall GFP) könnt Ihr wie folgt herausfinden: 

• Geht wiederum auf die Seite des National Institute of Health.
• Gebt als Suchbegriff "GFP" ein. 
• Da wir eine Nukleotid Sequenz suchen, klickt auf "Nucleotide" unter Nucleotide Sequences. 
• Jetzt haben wir eine unglaublich große Anzahl von über 12000 möglichen Sequenzen. Um diese Zahl einzuschränken, besinnen wir uns darauf, dass wir die Sequenz des GFP Proteins aus der Qualle Aequorea victoria suchen. 
• Sucht die Qualle also unter den Organismen auf der rechten Seite (Tip: Klickt auf "all other taxa"). 

Unter Aequorea victoria finden wir schliesslich 63 Sequenzen:

• Die erste Sequenz kommt nicht in Frage: Wir Ihr in der Beschreibung lesen könnt, handelt es sich hierbei lediglich um eine "partial sequence", also eine unvollständige Sequenz. 
• Auch die zweite Sequenz ist nicht, was wir suchen: In der Beschreibung kommt der Begriff "mutant" vor. Es handelt sich also um eine veränderte DNA Sequenz. 
• Sequenz 3 und Sequenz 4 beinhalten die "complete coding sequence". Dennoch unterscheiden sich beide Sequenzen deutlich in der Länge: Sequenz 3 hat 922 Basenpaare, Sequenz 4 dagegen 5170 Basenpaare. Diese gravierenden Unterschiede hängen mit der Exon-Intron Struktur vieler Gene zusammen, worauf wir in einer der nächsten Stunden noch näher eingehen werden.  Ihr könnt euch die richtige Sequenz jedoch nun sehr leicht herleiten. Ihr müsst nur wissen, aus wievielen Aminosäuren das GFP Protein aufgebaut ist (vgl. Auftrag 1). Da ihr in der letzten Stunde gelernt habt, dass jeweils 3 Nukleotide (Basentriplett, Codon) eine Aminosäure codieren, sollte es euch nicht schwer fallen abzuwägen, welche dieser beiden Sequenzen die richtige Sequenz ist, auch wenn die Länge der Nukleotidsequenz mit eurer theoretischen Sequenzlänge nicht exakt übereinstimmt. Warum die tatsächliche Sequenz ein Stück länger ist, werden wir in den nächsten Stunden herausfinden.

Kopiert die Nukelotidsequenz des GFP Proteins und fügt sie unter "Nukleotidsequenz des GFP Proteins" in euren Blog ein. Aus wievielen Basenpaaren besteht diese Sequenz? Markiert sowohl das Start- als auch das Stopp Codon, indem Ihr es fett markiert oder unterstreicht. 




Aufgabe 5: 
Kopiert den im Blog abgebildeten genetischen Code und fügt Ihn als Bild in euren Blog ein.
Schaut euch nun nochmal die künstlichen Peptide an, die Ihr im  Auftrag 1 basierend auf eurem Vornamen generiert habt. Wie könnte die Gensequenz für diese Peptide aussehen?
Stellt in eurem Blog der Peptidsequenz eine entsprechende Gensequenz gegenüber.  Damit dieses "Gen" von der eukaryotischen Proteinmachinerie als ein solches erkannt wird, fügt eine zweite Sequenz hinzu, die ein Start- und ein Stopp- Codon beinhaltet.

Lektion 2 - Gene

Zusammenfassung:

In der letzten Stunde haben wir die Stoffklasse der Proteine kennengelernt. Neben den Kohlenhydraten, die dem Organismus die nötige Energie liefern, und den Fetten, die als Energiespeicher dienen und an Transportprozessen beteiligt sind, sind die Proteine essentiell für den Aufbau des Organismus und stellen mit den Enzymen die wichtigste Stoffgruppe biologisch aktiver Makromoleküle dar. Proteine sind aus Aminosäuren aufgebaut, die durch die sogenannte Peptidbindung zu langen Polypeptidketten verknüpft werden. Innerhalb dieser Primärstruktur bilden sich aufgrund sogenannter Wasserstoffbrücken Sekündärstrukturen aus. Hierbei unterscheidet man zwischen Alpha Helices und ß-Falltblattstrukturen. Solche Sekündärstrukturen können sich dann zu komplexeren Tertiärstrukturen (zB. ß-Fass) zusammenschliessen. Wenn sich mehrere Untereinheiten zu einem Protein zusammenschliessen spricht man schliesslich von der Quartiärstruktur.

Quelle: Richard Wheeler (Zephyris) at en.wikipedia

Der Bauplan aller in unserem Körper vorkommenden Proteine wird von einer weiteren Molekülklasse codiert, der DNA. DNA steht für Deoxyribonucleinsäure, auf englisch deoxyribonucleic acid (DNA). Jedes Protein wird dabei von einem Gen codiert. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von der "Ein Gen-ein Polypeptid" Hypothese.

Um zu verstehen, wie man in einem einzigen Molekül die Baupläne tausender Proteine speichern kann, muss man verstehen wie die DNA aufgebaut ist:

Folgende Videos beschreiben die Zusammenhänge in anschaulicher Form: 

 

Der Aufbau der DNA ähnelt einer in sich verdrehten Leiter. Man spricht auch von der Doppelhelix der DNA, da sie aus zwei DNA Strängen besteht, die ineinander verdreht sind.

Hauptbestandteile der DNA sind die sogenannten Nukleinsäuren, lange Kettenmoleküle (Polymer) die aus vier verschiedenen Bausteinen, den Nukleotiden aufgebaut sind. Jedes Nukleotid besteht aus einem Phosphat-Rest, dem Zucker Desoxyribose und einer von vier organischen Basen (Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin, oft abgekürzt mit A, T, G und C). Adenin paart sich dabei über 2 Wasserstoffbrücken mit dem Thymin, wohingegen Guanin sich über 3 Wasserstoffbrücken mit Cytosin paart. A und T, sowie G und C bilden jeweils ein sogenanntes Basenpaar. 

Quelle: http://www.tgg-leer.de/projekte/genetik/dna2/dna2.html

Die Großteil der DNA ist bei mehrzelligen Organismen (Eukaryonten) im Zellkern organisiert. Daneben ist ein kleinerer Teil der DNA (die mitochondriale DNA) in den Mitochondrien gespeichert. In Pflanzen und Algen ist daneben ein weiterer Teil auch in den Chloroplasten, den Photosynthese betreibenden Organellen, gespeichert. 

Würde man die DNA, die im Zellkern jeder menschlichen Zelle gespeichert ist,  ausbreiten, wäre die DNA ca 1,80 m lang.

Damit dieser 1,80 m lange Faden in den Zellkern einer menschlichen Zelle passt (Durchmesser 5-16 µm!), ist die DNA vielfach ineinander verdreht und auf sogenannte Histone gespult, die wiederum in Form einer Perlenschnur organisiert sind. Die folgende Abbildung gibt euch einen Überblick über die Organisation der DNA:

By Courtesy: National Human Genome Research Institute.

1990 wurde das Humane Genomprojekt ins Leben gerufen, mit dem Ziel den menschlichen Code vollständig zu entschüsseln. 1998 bekam dieses staatenübergreifende Forschungsprojekt private Konkurrenz durch die neu gegründete Firma Celera und deren Gründer Craig Venter. Dieser Konkurrenzkampf beschleunigte die Entschlüsselung des menschlichen Codes ungemein. 2003 wurde das menschliche Genom schliesslich als entschlüsselt bekanntgegeben. 

Der Ausdruck "entschlüsselt" ist jedoch nicht ganz richtig. Zwar ist die Abfolge der Nukleotide A, T, C und G in der menschlichen DNA jetzt bekannt, doch wofür die unterschiedlichen Bereiche des Genoms codieren ist zu einem großen Teil noch völlig unverstanden. Den menschlichen, genetischen Code zu verstehen ist Ziel eines neuen Projektes, des ENCODE Projektes:

Die folgende Abbildung fast einige Fakten zur menschlichen DNA zusammen:

Quelle: www.theguardian.com

Das menschliche Genom besteht also aus ca 3 Milliarden Basenpaaren. Diese codieren für ca 20000-25000 Gene (Proteine). 98% der DNA codieren nicht für Gene und werden als nicht-codierende Bereiche (Introns) bezeichnet. Diese sind zum einen Überbleibsel von bakterieller und viraler DNA, die sich zum Beispiel aufgrund einer Infektion in das menschliche Genom eingebaut haben, stellen zum Teil jedoch auch regulatorische Elemente dar, die man jetzt erst anfängt zumindest teilweise zu verstehen. So verschieden wir Menschen auch sind, sind 98,8% unserer DNA vollkommen identisch. 

Chromosom (Quelle: Magnus Manske, User:Dietzel65 (Nupedia, then en.wikipedia) via Wikimedia Commons)

Chromosomen

Die DNA des Menschen liegt nicht als ein einziger durchgängiger DNA Faden im Zellkern vor, sondern ist auf sogenannte Chromosomen aufgeteilt. Nicht alle Lebewesen haben gleich viele Chromosomen: Der Mensch hat im Ganzen 46 Chromosomen, wobei 23 Chromosomen von der Mutter und 23 Chromosomen vom Vater stammen. Folgende Abbildung zeigt das Karyogramm eines Mannes.

 

Karyogramm eines Mannes (Quelle: Wikipedia.commons)

Bezüglich des Chromosomenbegriffes kommt es sehr oft zu Mißverständnissen, die darauf beruhen, dass auch nicht verdoppelte Chromatiden als Chromosom bezeichnet werden.
Folgendes Video erklärt die richtigen Zusammenhänge in anschaulicher Form: 

Chromosomen 

Wie funktioniert der gentische Code ?
Wir haben in der vorherigen Stunde gelernt, dass Proteine aus 20 verschiedenen, natürlichen Aminosäuren aufgebaut sein können.
Für die Codierung dieser 20 natürlichen Aminosäuren stehen auf DNA Ebene jedoch nur 4 unterschiedliche Nukleotide zur Verfügung (Adenin, Thymin, Cytosin und Guanin). Damit also 20 verschiedene Aminosäuren codiert werden können, muss eine Aminosäure jeweils durch die Abfolge von 3 Nukleotiden definiert sein.  Man bezeichnet solch eine Abfolge von 3 Nukleotiden als sogenanntes Basentriplett oder auch Codon. 
Die folgende Übersicht zeigt euch den genetischen Code.
Zum jetzigen Zeitpunkt reicht es aus, wenn Ihr wisst, dass die Base Thymin (T) in dieser Abbildung durch ein U dargestellt ist. Wir werden in einem der späteren Kapitel wieder hierauf zurückkommen.

Der genetische Code

Dieser genetische Code ist in allen Organismen gültig. Es fällt auf, dass dieser Code redundant ist, d.h. mehrere Codons codieren für die gleiche Aminosäure. 4 Codons haben des weiteren eine besondere Funktion: Sie legen  in der komplexen DNA Sequenz den Start bzw. das Ende eines Gens fest. Das Codon ATG wird als sogenanntes Startcodon bezeichnet. Es ist in Eukaryoten das einzige Startcodon, das den Start eines jeden Gens definiert und  für die Aminosäure Methionin codiert. Bei der Verwendung dieses Startcodons beginnt also jedes Protein mit einem Methionin. Dieses Methionin bleibt jedoch bei einem Teil der entstehenden Proteine  nicht erhalten, sondern wird später abgespalten. Auch hierauf werden wir an entsprechender Stelle wieder zurückkommen. Bei Prokaryoten gibt es alternativ ein zweites Startcodon, GTG, das jedoch sehr selten zum Einsatz kommt, und im Gegensatz zum ATG Codon für keine Aminosäure codiert.

Die Stoppcodons TAA, TAG und TGA markieren hingegen das Ende eines Gens. Sie codieren für keine spezielle Aminosäure, sondern übermitteln der Proteinmachinerie lediglich, dass das Protein fertig ist.

Auftrag 1

Aufgabe 1

Erstelle mittels www.blogger.com oder www.wordpress.com einen eigenen Blog, in dem du über das gesamte Semester die einzelnen Aufträge jeweils in Form sogenannter Postings (Titel: Auftrag X) bearbeitest und dokumentierst. Du kannst, musst aber nicht, deinen eigenen Namen benutzen. Ein Nickname ist aus Datenschutz-Gründen in öffentlichen Netzwerken manchmal ratsamer.  

Teilt mir bitte in einer email eure Blogadresse mit. Dieser Blog wird als Leistungsnachweis mit in die Notengebung einfliessen! 

Aufträge sind, wenn nicht anders angegeben innerhalb von spätestens 2 Wochen zu bearbeiten und zu veröffentlichen! 

Die exakten Beurteilungskriterien bekommt Ihr in der nächsten Stunde ausgehändigt. Neben der Notengebung soll euch diese Aufgabe vor allem dabei helfen, das erlernte Wissen zu reflektieren, anzuwenden, und euch auf die nächste Stunde vorzubereiten.

Es geht also nicht darum, dass ihr die Aufgaben möglichst perfekt und richtig löst, sondern vielmehr darum, dass Ihr euch eigenständig mit den Aufträgen auseinandersetzt, eine ansprechende und verständliche Dokumentationsform erlernt, eure Antworten logisch begründet bzw. dokumentiert, wo eure Probleme beim Lösen der Aufgabe lagen. Dies hilft mir - als Lehrer- eure individuellen Stärken und Schwächen zu erkennen, und damit besser auf eure Bedürfnisse eingehen zu können.

Nicht zuletzt hoffe ich,  dass euch diese Art der Bearbeitung Spass bereitet, und der Umgang mit den neuen Medien euer Interesse an dieser Unterrichtseinheit fördert!

Beginne deinen ersten Post mit einer kurzen Begrüssung.
Erwähne dabei, welche Themen aus dem Gebiet der Genetik und Molekularbiologie dich am meisten interessieren und worüber du gerne mehr erfahren würdest.......

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Aufgabe 2

Erstelle einen zweiten Post und gebe diesem den Titel "Glossar" !

Dieser Post soll Dir als Lexikon für alle relevanten Fachbegriffe dienen. Er wird Dir in der Prüfung eine große Hilfe sein.

Trage in diesen Post nach jeder Lektion alle relevanten Fachbegriffe ein und erkläre diese kurz.

Aufgabe 3

• Stelle Dir ein sogenanntes Tripeptid vor, also ein Peptid, das aus 3 Aminosäuren besteht. Wieviele Möglichkeiten gibt es, solch ein Tripeptid aus den proteinogenen Aminosäuren des Menschen herzustellen?
• Für was stehen die Buchstaben N und C links und rechts des Tripeptids?
• Zeichne den Grundaufbau einer Aminosäure und beschrifte die essentiellen Gruppen. Mach ein Photo und stelle es in deinen Blog.
• Was ist in allen Aminosäuren gleich?
• Worin  unterscheiden sich  unterschiedliche Aminosäuren?

Aufgabe 4

Im ersten Teil dieser Unterrichtseinheit haben wir das fluoreszierende Protein GFP kennengelernt.

Anhand dieses Proteins wollen wir im folgenden einige Eigenschaften von Proteinen näher studieren.

Gehe auf die Seite des National Institute of Health.

Diese Internetplattform ist eine der wichtigsten Internetresourcen, auf die Forscher in der ganzen Welt zugreifen.

Hier sollst Du versuchen, die exakte Aminosäuresequenz des GFP Proteins, sowie dessen Größe (Länge) herauszufinden:

Füge die Aminosäuresequenz, die Länge des Proteins, sowie einen link zum Datenblatt des GFP Proteins  unter dem Stichwort GFP in deinen Blog ein.

Lass Dich von der englischen Sprache nicht entmutigen. Nehme zur Not das Wörterbuch LEO zur Hilfe.  Versuche erst einmal, eigenständig an die angestrebten Informationen zu gelangen.

Wenn Du Probleme hast, findest Du hier eine Anleitung:

Anleitung

• Da wir ein Protein suchen, drücke  in der Resourcen Liste auf der linken Seite auf  Protein.
• Unter Databases (Datenbanken) findet sich eine Protein Datenbank. Klicke diese an!
• Gebe in der erscheinenden Suchmachine nun den Namen des gewünschten Proteins ein: "green fluorescent protein"  oder kurz "GFP".
• Deine Suche ergibt 8887 Einträge. Ziehmlich viele! Wir wollen diese enorme Zahl noch etwas eingrenzen.
• Wir interessieren uns für das GFP Protein, das in der Qualle Aequorea victoria gebildet wird. In der rechten Spalte findet man unter Organismus diese Qualle. In Klammern steht die Zahl 287.
• Wenn Du auf diese Zahl drückst, wird Dir eine neue Liste angezeigt, mit "nur noch" 287   Möglichkeiten.

• Die ersten 3 Hints verfügen im Titel über zusätzliche Begriffe, mit denen Du vermutlich bis jetzt noch nicht viel anfangen kannst bzw. die darauf hinweisen, dass sich dahinter nicht verbirgt, was Du suchst.  Partial (englisch) bedeutet beispielsweise teilweise, so dass die Informationen in diesem Link vermutlich nicht vollständig sind. Wir wollen die ganze Sequenz.

• Unter Punkt 4 scheinen wir jedoch fündig zu werden: green-fluorescent protein [Aequorea victoria]
• Hier findest du auch bereits die erste wichtige Information: 238 aa protein; das Protein besteht somit aus 238 amino acids (aa), also 238 Aminosäuren. 
• Öffne diesen Link. 
• Setze ein Lesezeichen, damit Du in den nächsten Unterrichtslektionen immer schnell auf dieses Datenblatt zugreifen kannst. Kopiere diesen Link auch in deinen Blog.
• Am Ende dieses Datenblattes findest du die Aminosäuresequenz des GFP Proteins.
• Markiere die Sequenz und füge sie mittels  copy & paste in deinen Blog ein.
• Wenn du die Sequenz mittels copy & paste in deinen Blog eingefügt hast, überträgst du automatisch auch die Nummern, die jeweils die Position der rechtsstehenden Aminosäure angeben. Dies ist manchmal nützlich, manchmal aber auch hinderlich. 
• Wenn man die ununterbrochene Sequenz in den Blog einbauen möchte, hier ein Trick: Unter dem Namen des Proteins in der Kopfzeile befindet sich ein Button der "FASTA" heißt. Wenn Du diesen Knopf betätigst, bekommt DU eine durchgängige Sequenz ohne Positionsnummern, die DU mühelos in deinen Blog übernehmen kannst.

Aufgabe 5

In folgendem Video seht ihr eine Animation der Struktur des GFP Proteins. Schaut euch die ersten 35 Sekunden des Videos an:

• Ist hier eine Primär-,  Sekundär-, Tertiär- oder Quartiärstruktur des Proteins gezeigt?
• Wie würdest Du die Form dieses Gebildes beschreiben? Gleicht diese Struktur einem bestimmten Gegenstand? Wenn ja, welchem?
• Welche Sekundärstrukturen des GFP Proteins werden in dieser Animation deutlich, und wie werden diese zeichnerisch verdeutlicht ? 

Aufgabe 6: 

Wenn euer Vorname die Sequenz eines Peptids wäre,  welche Aminosäuren würdet ihr dann benötigen, um dieses Peptid herzustellen?

• Suche im Internet nach dem sogenannten "One letter code". Stelle ein Bild dieses Codes in deinen Blog.
• Stellt in eurem Blog anhand des "One Letter Code" dem jeweiligen Buchstaben eures Vornamens die entsprechende Aminosäure gegenüber.
• Welche Buchstaben des Alphabets können nicht durch eine Aminosäure dargestellt werden?
• Wenn ein solcher Buchstabe in eurem Vornamen vorkommt, verwendet stattdessen die einfachste Aminosäure für die Herstellung eures Peptids.  
• Wie heisst diese einfachste Aminosäure und wie sieht die Seitenkette dieser Aminosäure aus? 

Lektion 1 - Proteine

Aequorea victoria - eine Qualle mit besonderen Eigenschaften

Aequorea_victoria 

Unter UV Licht leuchtet die Qualle grün:

Warum leuchtet die Qualle grün ?

Verantwortlich für die grüne Färbung unter UV Licht ist ein fluoreszierendes Protein, das GFP (Green Fluorescent Protein) heißt. Dieses Protein wird jedoch nur in speziellen Lichtorganen gebildet.  Deswegen leuchtet nicht die ganze Qualle sondern nur bestimmte Teile von Ihr. Wenn GFP einer Lichtquelle ausgesetzt wird, zum Beispiel UV Licht, dann wird es durch die im Licht enthaltene Energie angeregt, d.h. es absorbiert dieses Licht und wird dadurch in einen höheren Energiezustand versetzt. Dieser Zustand ist aber recht instabil. GFP hat das Bestreben diese zusätzliche Energie wieder abzugeben (zu emittieren) und dadurch seinen Grundzustand wieder einzunehmen.

Wenn es dann wieder in seinen Grundzustand zurück "fällt", wird die aufgenommene Energie in Form des grünen Lichtes wieder frei. Wird GFP zu intensiv oder zu lange mit UV Licht bestrahlt, geht es kaputt, man spricht dann von einem Bleaching Effekt. 

Film 3 zeigt euch, wie GFP in der Qualle tatsächlich angeregt wird. Hierbei spielt ein weiteres Protein eine wichtige Rolle. Wenn dieses Protein mit Ca2+ Ionen einen Komplex bildet, ändert es seine Konformation und nimmt ein energetisch höheren Zustand ein. Wenn diese Energie in Form eines blauen Lichtes wieder abgegeben wird, kann dieses Licht von GFP absorbiert werden, d.h aufgenommen werden, und dadurch selbst angeregt werden. Wenn GFP von dem höheren Energiezustand dann wieder in den Grundzustand fällt, gibt es grünes Licht ab.

Interessanter Link:
Prof. Dr. Martin Chalfie erhielt zusammen mit Prof. Dr. Osamu Shimomura und Prof. Dr. Roger Tsien 2008 den Nobelpreis für Chemie. Sie wurden damit für die Entdeckung und Weiterentwicklung des GFP geehrt. Prof. Chalfie erklärt im folgenden Video, den Weg zu dieser Entdeckung und wie diese Entdeckung auch heute noch in der Forschung Anwendung findet. Wir werden hierauf an späterer Stelle nochmal zurückkommen.

GFP ist also ein fluoreszierendes  Protein !

Aber was sind Proteine?
Wie sind sie aufgebaut ?

Der folgende Film gibt eine gute Einführung in den  Aufbau der Proteine  .
Für alle, die lieber lesen:
Skript 1 "Proteine und der genetische Code" (Seite 2-6) gibt euch eine guten Überblick über den Zusammenhang zwischen Proteinen und Aminosäuren.

Die wichtigsten Informationen zusammengefasst:

Proteine sind aus Aminosäuren aufgebaut.
Es gibt 20 proteinogene Aminosäuren, d.h. Aminosäuren, die in natürlichen Proteinen vorkommen UND die durch ein Basentriplett im genetischen Code codiert werden können (was das bedeutet erfahren wir etwas später).
Eine Aminosäure besitzt immer den gleichen Aufbau: Das zentrale C-Atom bindet ein H Atom, eine Aminogruppe, eine Carboxylgruppe, sowie eine variable Seitenkette, in der sich unterschiedliche Aminosäuren unterscheiden.

By Tyagi.anuj (Own work) [CC-BY-3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/3.0)]

Wenn sich mindestens zwei Aminosäuren verbinden, spricht man von einem Peptid. Bei dieser Verbindung wird eine sogenannte Peptidbindung unter Abspaltung von Wasser gebildet:

Das Amino-Ende eines Peptides bzw Proteins bezeichnet man als N-terminus; das Carboxy-Ende als C-terminus.
Ein Peptid d.h. eine Aminosäurekette ist schematisch in der folgenden Abbildung gezeigt:

Quelle: Sunshineconnelly at en.wikibooks [CC-BY-2.5 (http://creativecommons.org/licenses/by/2.5)]

Diese Kette stellt lediglich eine sogenante Aminosäuresequenz dar. Man spricht auch von der Primärstruktur des Peptids bzw. des Proteins. Damit das Protein auch funktionabel ist und seine speziellen Aufgaben im Körper erfüllen kann, muss es sich richtig falten. In einem ersten Schritt bilden sich dabei sogenannte Sekundärstrukturen aus, die auf sogenannten Wasserstoffbrücken-bindungen zwischen einzelnen Aminosäuren beruhen. Hierbei unterscheidet man zwischen korkenzieher-artigen Alpha Helices und planaren ß-Faltblättern. Diese Sekundärstrukturen können sich schliesslich zu weiteren Strukturen zusammenschliessen, wodurch man die Tertiärstruktur eines Proteins erhält. Für diesen Prozess sind meist  zusätzliche Proteine in der Zelle nötig, die man  Chaperone nennt. Chaperone  leisten ähnlich wie Hebammen Hilfestellung bei der Faltung und sorgen dafür, dass sich das enstehende Protein  richtig faltet und keine Fehlfaltungen entstehen. Für die Funktion eines Proteins ist die richtige Faltung essentiell. Bereits geringste Abweichungen von der richtigen Struktur können die Aktivität des Proteins und damit seine Funktion beinflussen.

Manche Proteine sind große Komplexe, die aus mehreren Proteineinheiten bestehen. Wenn sich die einzelnen, tertiär gefalteten Einheiten zu dem gesamten Enzymkomplex zusammenschliessen, spricht man von der sogenannten Quartiärstruktur.

Das folgende Video verdeutlicht die unterschiedlichen Strukturtypen eines Proteins:

Soweit eine grobe Einführung in die Welt der Proteine.

In den nächsten Lektionen wollen wir uns nun mit zwei wichtigen Fragen beschäftigen:

A) woher weiß der Organismus eigentlich, aus welchen Aminosäuren die einzelnen Proteine, aufgebaut sind?        und

B) Wie bewerkstelligt er es,  all diese  Proteine herzustellen? 

Wir werden in die Genetik eintauchen und die Herstellung von Proteinen, die sogenannte Proteinbiosynthese,  näher kennenlernen.

Wir werden sehen, dass ein Organismus, eine biologische Zelle,  wirtschaftlich betrachtet eine Wunderfabrik darstellt, in der von einer einzigen Machinerie tausende unterschiedliche Produkte gleichzeitig hergestellt werden können.

Fachdidaktische Überlegungen

PREZI - Fachdidaktische Überlegungen

Überlegungen zur Arbeit mit dem LP Blog:

Ergänzung von Fionas Erläuterungen:

Die Implementierung des Internets in den Unterricht ermöglicht desweiteren einen realitäts-und forschungsnahen Unterricht, in dem die SuS Zugriff auf forschungsrelevante Datenbanken und Simulationen erhalten, sowie den Umgang mit diesen erlernen.

Als Kompetenzorientierte Ziele der Unterichtseinheit decken wir meines Erachtens die folgenden Punkte ebenfalls ab bzw.  könnten wir durch ein paar zusätzliche Aufgaben noch leicht abdecken:

Versuchsprotokolle erstellen (formal)    —> DNA Versuch

Aus Fachtext gezielt Informationen entnehmen (Wesentliches erkennen)  --> Mitose Femo

Fachbegriffe korrekt anwenden  --> eventuell noch aufgabe erstellen

Daten verbalisieren und grafisch/ tabellarisch sinnvoll darstellen -->

Einfache Auswertungen von Daten (Mittelwerte, Standardabweichung…)  --> Aufgabe !!

Genau beobachten (Vorgang) und klar beschreiben (inhaltlich) (empirische Erkenntnisgewinnung)

Eigene Schwerpunkte bei der ganzheitlichen Planung:

1) Welche thematischen Schwerpunkte setze ich weshalb im Unterricht?

Da es in unserem Unterrichtsmodell um die Vermittlung eines allgemeinbildenden , anwendbaren Grundverständnisses geht und ein zu starkes , schnell in Vergessenheit geratenes datailiertes Faktenwissen vermieden werden soll, wurde der Unterricht so strukturiert, dass die Grundbegriffe und Prozesse den SuS im Rahmen des Unterrichts bzw. im UnterrichtsBlog mit Hilfe der neuen Medien vermittelt wird und sie dieses Wissen anschliessend anhand gestellter Aufträge vertiefen können. Uns ist wichtig, dass das erworbene Wissen nicht nur abstrakt aufgenommen wird, sondern die SuS den Nutzen dieses Wissens erkennen und dieses erworbene Wissen auch anwenden können. Zu diesem Zweck wurden die Aufträge, die einen essentiellen Bestandteil unseres Unterrichtsmodells darstellen, so gestellt, dass sie auf die Abfrage von  Faktenwissen größtenteils verzichtet und stattdessen versucht, die Schüler in Handlungsbezüge zu integrieren, die sie

a) dabei unterstützen, das erlernte Wissen zu vertiefen oder aber

b) das erlernte Wissen auf ein konkretes Problem anwenden lassen.

Durch die Implementation der neuen Medien, des Internets, und international genutzter Forschungsdatenbanken wird den SuS ein realitätsnaher, verständlicher  Einblick in die Molekularbiologie und die biologische Forschung ermöglicht.

Viele der benutzen Medien und Datenbanken sind nur in englischer Sprache erhältlich, wodurch die SuS desweiteren auf Ihre Englischkenntnisse zurückgreifen können bzw müssen und somit ein interdisziplinärer Transfer zu anderen Fächern hergestellt wird.

2) Welche Motivation, Vorstellungen und Fähigkeiten bringen die SuS mit in das Fach Biologie?

Aufgrund des starken reellen Bezuges dieser Thematik (TV, Nachrichten, Gentechnik, BIO Ware) rechnen wir bei den SuS apriori mit einer recht hohen Motivation, Der Aufbau unseres Unterrichtsmodells, das stark auf den Gebrauch des Internets aufbaut, wird die Motivation der SuS vermutlich zusätzlich verstärken. Die bisherigen Vorstellungen und Fähigkeiten der Sus bezüglich der Molekularbiologie werden recht begrenzt sein, da bezüglich dieses Themas bisher lediglich die Vererbungsgesetze nach Mendel behandelt wurden und somit aus molekularbiologischer Sicht keine Vorkenntnisse bestehen werden. Dementsprechend sind wir bei der Planung auch von keinerlei Vorwissen ausgegangen und haben die Unterrichtsplanung dementsprechend auch gestaltet.

3) Wo gibt es potenzielle Konfliktfelder? Wie kann ich Konflikte konstruktiv bewältigen oder gar als Chance nutzen?

Ein potenzielles Konfliktfeld sehen wir bei der Besprechung der Gentechnik sowie der Besprechung pränataler Diagnostik. Hier ist es unserer Anliegen, in Form einer Diskussionsrunde die unterschiedlichen Ansichten zu sammeln, Fehlvorstellungen zu korrigieren, und den SuS somit die Möglichkeit zu geben, ihren persönlichen, individuellen Standpunkt zu diesen Fragen zu finden, ohne als Lehrer wertend in diesen Meinungsbildungsprozess einzuwirken.