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T r a i l e r a n s e h e n

DNA – Vom Gen zum ProteinBiologie Chemie

Klasse 9 – 13 Klasse 10 – 13

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Schlagwörter

Adenin; Aminosäuren; Biochemie; Biosynthese; Chromosom; Codesonne; Cytosin; Desoxyribo-nukleinsäure; Eiweiß; Gen; Genetik; Guanin; Helixstruktur; Humangenetik; Körperbau (Mensch); Molekularbiologie; Nukleinbase; Protein; Proteinbiosynthese; Ribonukleinsäure; Ribosom; Spleißen; Thymin; Transkription; Translation; Uracil; Wasserstoffbrücken; Zelle; Zytoplasma

Systematik

Biologie › Allgemeine Biologie › Genetik› Allgemeine Biologie › Biochemie› Allgemeine Biologie › Zellenlehre › Menschenkunde › Genetik, Evolution

Chemie › Biochemie › Molekulare Grundlagen der Organismen

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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 we-nigen, manchmal in sehr vielen Eigen-schaften? Um diese Kernfragen zu be-antworten, erläutert der Film zunächst die Bedeutung von verschiedenen Pro-teinen. Im Anschluss daran wird das Augenmerk auf die Proteinbiosynthese gelegt. Dabei steht zunächst das Erbmaterial mit sei-nem Aufenthaltsort – der Verpackung in 46 Zweichromatidchromosomen – und deren Struktur im Vordergrund. In die-sem wird der Aufbau der DNA-Doppel-helix in kleinen Schritten modellhaft bis hin zur chemischen Struktur erarbeitet. Ein besonderes Augenmerk liegt in der Unterscheidung des Zucker-Phosphat-Gerüsts von den das vierbuchstabige Erbmaterialalphabet bildenden Nukleo-tidbasenpaaren, welche die Sprossen der Doppelhelix bilden. Die Lehrinhalte der Proteinbiosynthese beginnen mit der Bedeutung des Zell-kerns für den Schutz des Erbmaterials bis hin zur Notwendigkeit einer messenger-RNA (mRNA). Deren Unterschiede zur

DNA werden klar aufgezeigt. An dieser Stelle ist die Transkription ebenso unverzichtbar wie die Wirkungs-weise der RNA-Polymerase. Ergänzend werden die sich daraus ergebenden Möglichkeiten des alternativen Spleißens erwähnt.Wie kann aus einem Nukleinbasen-Code eine Primärstruktur von unterschiedli-chen 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 verschiede-nen Nukleotiden in die passende der 20 natürlichen Aminosäuren zu gewährleis-ten. Auch der Umgang mit der Codeson-ne 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 Produk-tion von den unterschiedlichen Primär-strukturen über die Möglichkeiten der Sekundär- zu den aufgabenerfüllenden Tertiärstrukturen der Proteine. Auch da-bei wird die erlernte Fachterminologie ständig wiederholt und somit eingeübt.

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Vielfalt der Proteine (Filmsequenz 1:30 min) Menschen sind unterschiedlich gebaut und zeigen eine Vielfalt an Verhaltens-weisen. Die Ursache dafür liegt in den Proteinen. In der ersten Sequenz wird auf verschiedene Proteintypen eingegangen. Zu diesem Thema werden die SchülerIn-nen über das Genom hingeleitet, das bei der Befruchtung durch Vermischung des Erbmaterials der Eltern in der ersten Kör-perzelle 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 euka-ryotischen Körperzelle, in deren Mittel-punkt der Zellkern als Aufbewahrungsort

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 ge-lotst. Deren Aufbau aus Desoxyribose, Phosphat und Nukleinsäurenbestand-teilen stellt den Kern dieses Teils der Pro-duktion dar. Dabei wird das Watson-Crick-DNA-Mo-dell Schritt für Schritt entwickelt und für die Schüler die Bedeutung der komple-mentären Basen in Form des „Vier-Buch-staben-Alphabets“ als Grundlage der Gene dargelegt.

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Gene bestimmen Proteine (Filmsequenz 1:10 min) Der Abschnitt bietet einen kurzen Über-blick zur gesamten Proteinbiosynthese, welche in den folgenden Kapiteln im Detail behandelt wird. Somit ist der In-halt für die Schüler von grundlegender Bedeutung, um die nachfolgenden Sach-verhalte bezüglich Inhalt und Fachspra-che 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. Lösungs-orientiert wird die Notwendigkeit der Erstellung der mRNA mit all ihren Unter-schieden und Vorteilen im Vergleich zur DNA erarbeitet. In diesem Zusammen-hang erfahren die Schüler die Arbeits-weise der RNA-Polymerase mit ihrer Arbeitsrichtung und die für sie notwen-digen 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 Amino-säuresequenz werden zu Beginn des Abschnitts die 20 natürlichen Aminosäu-ren 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, de-ren Einsatz klar vermittelt und intensiv eingeübt wird.

Translation – Von der mRNA zum Protein (Filmsequenz 6:10 min) Die letzte Sequenz beleuchtet den exak-ten und sich immer wiederholenden Ab-lauf der Translation an den Ribosomen. Zunächst wird den Schülern der Aufbau der tRNA detailliert erklärt. Danach er-folgt die Beschreibung der Translation, welche in der Bedeutung der Ribosomen und den Aminosäuresequenzen als Poly-peptide, beziehungsweise in der Primär-struktur, endet. Abschließend wird noch-mals auf die Bedeutung der Proteine eingegangen und deren Primär-, Sekun-där- und Tertiärstruktur angesprochen.

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Grafiken Doppelhelixstruktur der DNA (Grafik) Anhand dieser Grafik kann die Doppel-helixstruktur der DNA mit den Basen und Windungen genauer betrachtet werden.

Codesonne (Grafik) Zur Übersetzung des genetischen Codes ist die Codesonne notwendig. Diese Gra-fik mit der Codesonne, welche die Ori-entierungsangabe, die verschiedenen Aminosäuren sowie das Startcodon und die Stoppcodone enthält, kann zu inten-siveren Überlegungen herangezogen werden.

Struktur der Nukleinbasen (6 Grafiken)Die verschiedenen Basen der DNA – Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin – können mithilfe dieser Grafiken anhand

der Strukturformeln einzeln und als Ge-samtdarstellung analysiert werden. Über Info-ein werden bei den einzelnen Nuk-leinbasen die drei Bestandteile „Phos-phatgruppe“, „Desoxyribose“ und der Name der jeweiligen Nukleinbase ange-zeigt. Bei der Gesamtdarstellung kann mit weiter auch eine Version mit Wasser-stoffbrückenbindungen zwischen den kom plementären Basen aufgerufen wer-den.

Vergleich DNA – mRNA (Grafik)In dieser Tabelle werden die Eigenschaf-ten der DNA und der mRNA in Struktur, Aufbau und Zuckerform sowie die Funk-tionen einander gegenübergestellt.

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Transkription (Grafik)In dieser Grafik wird der Vorgang der Transkription visualisiert, bei der die prä-mRNA auf Basis eines DNA-Strangs ge-bildet wird.

Spleißen (Grafik)Mithilfe dieser Grafik wird ersichtlich, welche Möglichkeiten sich bei der Pro-teinbildung durch das (alternative) Splei-ßen, bei dem irrelevante Abschnitte he-rausgeschnitten werden, ergeben.

Translation (Grafik)In dieser Grafik wird der Ablauf der Translation gezeigt, bei der die Amino-säurenkette mithilfe von tRNAs in Ribo-somen entsteht.

Vom Gen zum Protein (4 Grafiken)Mithilfe dieses Schemas können die Vor-gänge in der Molekularbiologie durch die Funktion weiter von der DNA bis zum Protein aufeinander aufbauend und im Überblick erklärt werden.

Bezug zu Lehrplänen und BildungsstandardsDie Schülerinnen und Schüler• erhalteneinenÜberblicküberdie

Vererbung von Eigenschaften;

• kennendenAufbauderChromoso-men und der DNA und unterscheiden DNA und RNA;

• begreifendieVorgängederTranskrip-tion und Translation;

• erhalteneinendetailliertenEinblickin die Wirkungsweise der Ribosomen;

• erkennendieBedeutungderVerer-bung;

• verstehendieAuswirkungenunter-schiedlicher Proteinstrukturen;

• realisierendieBedeutungdesgene-tischen Codes aus vier Nukleinbasen und verstehen die Übersetzung des DNA-Codes in eine Aminosäurenkette;

• beurteilenGefahrenvonMutationenfür die Proteinherstellung;

• bewertendieLeistungderTranskrip-tion in Zusammenhang mit der Trans-lation;

• sindinderLage,Teilchen-undStoff-ebene zu unterscheiden;

• verstehengrundlegendeFachliteraturzum Bau der DNA und der Protein-biosynthese;

• stellenkomplexeSachverhaltever-ständlich in eigenen Worten und mit Fachausdrücken dar.

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Didaktische Hinweise

In jeder unserer Körperzellen befindet sich die komplette Erbinformation des Menschen. Das Riesenmolekül, das un-sere Erbinformation speichert, ist die DNA. Die Länge aller DNA-Stränge in-nerhalb eines Zellkerns aufsummiert, ergäbe zwei Meter oder – würde man alle DNA-Makromoleküle der Zellen ei-nes Menschen aneinanderlegen – ent-stünde ein Faden, der 1000 Mal der Entfernung zwischen Erde und Sonne entspräche.Auch wenn wir nicht die gesamte Infor-mation benötigen, so findet sich in jeder Körperzelle die Anleitung für den Aufbau und die Funktionsweise des gesamten Menschen. Dafür müssen Proteine herge-stellt werden. Neben dem Aufbau der DNA werden auch die Vorgänge zur Über-setzung der Erbinformation in die jeweils richtige Aminosäurenkette, aus der dann die Proteine entstehen, behandelt.Der chemische Bau der DNA, die Tran-skription und die Translation sind als Hauptbestandteile der Proteinbiosynthe-se unverzichtbar. Im Unterrichtsfach Bio-logie überlappen sich die Themen zudem ständig fächerübergreifend mit der Che-mie. Von Animationen ausgehend wer-den die Lehrinhalte des DNA-Aufbaus

und der Proteinbiosynthese für die Jahr-gangsstufen 9 bis 13 altersangemessen dargestellt. Dazu werden Fachbegriffe neu eingeführt bzw. Schritt für Schritt erarbeitet. Die Gesamtproduktion stellt somit ein umfassendes Werk der auf sub-mikroskopischer Ebene ablaufenden Pro-zesse dar und legt den Grundstein für weitere naturwissenschaftliche Themen im Bereich der Genetik sowie der Orga-nischen Chemie.

Die Produktion kann im Rahmen der fol-genden Themenschwerpunkte eingesetzt werden:• BedeutungderZellefürdieSpeiche-

rung und Verarbeitung des Erbmate-rials

• EinsatzgebieteundunterschiedlicheAufgaben der Proteine

• ChemischeStrukturderDNAsowiederen Unterschiede zur RNA

• VorgängederTranskriptionundTrans-lation mit Einsatz der Codesonne

• NotwendigkeitdesSpleißensbeiEu-karyoten

• Unterschiededer20natürlichenAmi-nosäuren und deren Codierung auf der DNA

• EinsatzderCodesonne• WirkungsweiseundBauderRiboso-

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Arbeitsmaterial

Als Arbeitsmaterial steht Ihnen im ROM-Teil ein umfangreiches Angebot an er-gänzenden Materialien zur Verfügung (siehe Tabelle). Die Arbeitsblätter liegen sowohl als PDF- als auch als Word-Dateien vor:

• DiePDF-Dateien können am PC direkt ausgefüllt oder ausgedruckt werden.

• Die Word-Dateien können bearbeitet und so individuell an die Unterrichts-situation 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 Peptid3) Gene codieren ein oder mehrere Proteine4) Veränderungen der DNA und die Folgen5) Struktur und wirkende Kräfte bei DNA und Protein6) Ablauf der Translation

Grafiken • DoppelhelixstrukturderDNA• Codesonne• StrukturderNukleinbasenAdenin,Thymin,Guaninund

Cytosin (4 Grafiken)• H-BrückenzwischenNukleinbasen(2Grafiken)• VergleichDNA–mRNA(Grafik)• Transkription(Grafik)• Spleißen(Grafik)• Translation(Grafik)• VomGenzumProtein(4Grafiken)

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

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46 11215 DNA – Vom Gen zum Protein

DNA – Vom Gen zum Protein Programmstruktur

Untermenü Hauptmenü

DNA – Vom Gen zum Protein DNA – Vom Gen zum Protein 21 min DNA – Vom Gen zum Protein Sequenzen Doppelhelixstruktur der DNA Grafik Struktur der Nukleinbasen Grafiken Codesonne Grafik Vorgänge bei der Proteinbiosynthese Grafiken Arbeitsmaterial

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

Arbeitsmaterial

Didaktische Hinweise

6 Arbeitsblätter (mit Lösungen)

16 Grafiken

Filmtext

Programmstruktur

Weitere Medien

Produktionsangaben

Struktur der Nukleinbasen

Adenin Grafik

Thymin Grafik

Guanin Grafik

Cytosin Grafik

H-Brücken zwischen Nukleinbasen 2 Grafiken

Vorgänge bei der Proteinbiosynthese

Vergleich DNA – mRNA Grafik

Transkription Grafik

Spleißen Grafik

Translation Grafik

Vom Gen zum Protein 4 Grafiken

Programmstruktur

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Produktionsangaben DNA – Vom Gen zum Protein (DVD)

ProduktionFWU Institut für Film und Bild, 2016

DVD-KonzeptSusanne Oberleitner

DVD-Authoring und DesignDicentia Germanyim Auftrag des FWU Institut für Film und Bild, 2016

GrafikenWeglowinthedark.

CoverbildFWU Institut für Film und Bild

ArbeitsmaterialUlrich Hammon

BegleitheftSusanne Oberleitner

Pädagogische Referenten im FWUDaniel SchaubSusanne OberleitnerDr. Maike Schuchmann

Produktionsangaben zum Film

„DNA – Vom Gen zum Protein“

ProduktionWeglowinthedark.

im Auftrag des FWU Institut für Film und Bild, 2016

BuchAntonia KühnDominic Bünning

TonstudioMarko Peter Bachmann

SounddesignSven Lütgen

SprecherMark Bremer

FachberatungUlrich Hammon

RedaktionSusanne OberleitnerDaniel SchaubDr. Maike Schuchmann

Nur Bildstellen/Medienzentren:öV zulässig

© 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 info@fwu.de vertrieb@fwu.de Internet www.fwu.de

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www.fwu-shop.deBestell-Hotline: +49 (0)89-6497-444vertrieb@fwu.de

Lehrprogrammgemäß

§ 14 JuSchG

FWU Institut für Film und Bild in Wissenschaft und Unterricht gGmbHBavariafilmplatz 3 | 82031 Grünwald | Telefon +49 (0)89-6497-1

Telefax +49 (0)89-6497-240 | info@fwu.de | www.fwu.de

GEMAFREI

Ausführliche didaktische Hinweise finden Sie im Arbeitsmaterial.

Kompetenzerwerb: 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;› verstehen die Auswirkungen unterschiedlicher Protein-strukturen;

› 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.

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Laufzeit 21 min

Klasse 9 – 13

Sprache DE

Film 1

Filmsequenzen 6

Arbeitsblätter 6

Grafiken 16

DNA – Vom Gen zum ProteinKleiner 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.

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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