12 anschauliche Modelle zu Chromosomen, DNA und Gentechnik

Astrid Wasmann

Klasse 8–10

Biologie begreifen:

Genetik

Mit CD

Astrid Wasmann

Biologie begreifen: Genetik 27 anschauliche Modelle zur DNA

Downloadauszug aus dem Originaltitel:

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agVorwort

Liebe Kollegin, lieber Kollege,

kürzlich hörte ich, wie zwei junge Menschen sich beim Einkaufen über „Gentomaten“ unterhielten. „Wie gefährlich sind die eigentlich?“, fragten sie sich. Mit etwas genetischem Grundwissen kommt man darauf, dass alle Tomaten Gene enthalten, und zwar in jeder ihrer Zellen. Gentechnisch veränderte Tomaten – das war wahrscheinlich damit gemeint – kommen gar nicht in unsere Supermärkte. So oder so ähnlich findet man viele Informationslücken zur Genetik und Gentechnik. Nichtwissen ruft Ängste gegenüber Gentechnik hervor. Daher halte ich es für außerordentlich wichtig, dass Schülerinnen und Schüler sich mit diesen The-men schon früh, also in der Sekundarstufe I, intensiv auseinandersetzen und Zusammenhänge verstehen.

Leider verleiten die vielen Fachbegriffe in der Genetik dazu, vieles lediglich auswendig zu lernen. Ein Para-debeispiel hierfür sind die Themen „Mitose“ und „Meiose“. Seit Generationen lernen Schülerinnen und Schüler die vielen Phasen einfach auswendig. Die Begriffe werden nach einem Biologie-Test aber schnell wieder vergessen. Dieses Heft will Verstehensprozesse in Gang setzen. Aufgrund der Auseinandersetzung mit diesen Prozessen bauen Schülerinnen und Schüler echte Verständnisse auf.

Anschauliche Modelle sind für das Verstehen genetischer Phänomene ebenfalls sehr hilfreich. Damit kön-nen sich viele Schüler die für die Vererbung wichtigen Strukturen und Prinzipien besser vorstellen. Gleich-zeitig lernen sie einen reflektierten Umgang mit Modellen.

Strukturierte Diskussionsrunden fördern die Bewertungskompetenz der Schüler.

Das hier vorgestellte Material kann ergänzend und unterstützend zu den Informationen in den Schulbü-chern eingesetzt werden.

Im Zusatzmaterial liegen die Bastelvorlagen in einer farbigen Variante zum Ausdrucken vor. Hinzu kommen PowerPoint-Präsentationen zum Vorführen oder zum interaktiven Selbstlernen. Die PowerPoint-Präsenta-tionen können auch als OHP-Folien genutzt werden, z. B. als Auflege-Folien. Sie sind zudem whiteboard-geeignet.

Ich wünsche Ihnen viel Freude beim Ausprobieren!

Ihre

Dr. Astrid Wasmann

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LDNA isolieren

ZieleDie Schüler sollen die DNA als chemische Substanz kennenlernen und in ein biochemisches Verfahren der DNA-Isolierung eingeführt werden.

SachanalyseDie DNA (= Desoxyribonukleinsäure) ist die wohl bedeutendste biochemische Substanz auf der Erde, da sie das Erbgut aller Lebewesen speichert. DNA kommt in jeder Zelle vor. Von daher ist die Beschaffung des Basismaterials nicht schwierig. Gute Erfahrungen habe ich mit der Isolierung von DNA aus Zwiebeln gemacht. Die Isolierung der DNA erfolgt in mehreren Schritten. Zunächst müssen die Zellwände aufgebrochen werden. Dies geschieht durch mechanische Zerkleinerung und den Einsatz von Salz. Mithilfe von Waschmitteln, in denen Proteasen, also eiweiß-spaltende Enzyme, enthalten sind, werden die Proteine von der DNA getrennt. Anschließend wird das Gemisch auf ca. 60 °C erhitzt. Dies bewirkt die Trennung der DNA-Hälften in einsträngige DNA. Beim Übergießen mit eiskaltem Alkohol fällt die DNA als milchige Substanz zwischen Alkohol und dem Zwiebelfiltrat aus. In dieser Phase ketten sich die Nukleotide wieder zu einem langen DNA-Makromolekül zusammen. Man kann beobachten, wie die ausgefällte DNA immer länger wird. Sie hat eine fädige Struktur, die man mit etwas Geschick aufwickeln kann.

Die Isolierung der DNA ist der erste Schritt in der Gentechnik. Nach Isolierung der DNA wird diese in einem zweiten Schritt vervielfältigt. Dies geschieht mit einem Verfahren, das PCR (englisch polymerase chain reaction = Polyme-rase-Kettenreaktion) genannt wird. Im dritten Schritt gentechnischer Veränderungen schneidet man die DNA auf. Schließlich fügt man ein neues, oft artfremdes Gen ein.

Methodische HinweiseAchten Sie bei diesem Versuch darauf, dass Ihre Schüler den Versuchsanweisungen genau folgen. Sonst gelangen sie nicht zu einer erfolgreichen Isolierung der DNA.

TippDer Alkohol muss wirklich eiskalt sein. Am besten stellen Sie schon vor dem Versuch kleine Alkohol-Portionen ins Eisfach. Statt des Waschmittels können Sie auch Protease verwenden. Dieses Enzym ist aber teuer.

Ergebnis DNA wird mit einem Holzstab aufgedreht

Holzstab

Zwiebelfiltrat

DNA

eiskalter Alkohol

Zwiebelfiltrat

DNA

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SDNA isolieren

UntersuchungsfrageWie sieht die Erbsubstanz DNA aus?

Material 10 ml Geschirrspülmittel (kein Konzentrat), 3 g Kochsalz, Teelöffel, Bechergläser (200 ml, 100 ml), Erlen-meyerkolben (250 ml), Zwiebel, Messer, Pappteller, Mörser und Pistill oder Stabmixer, Trichter, Reagenz-glas, Reagenzglasständer, Wärmeplatte, Faltenfilter, Wasser, Eiswürfel, Plastikschüssel, Feinwaschmittel, Holzspieß, ca. 6 ml eiskalter Alkohol (Ethanol/Spiritus)

Durchführung

Teil 1Gib in ein 200-ml-Becherglas 50 ml lauwarmes Wasser und fülle ¼ Teelöffel Salz und ca. 10 Tropfen Geschirrspülmittel ein. Schneide mit einem Küchenmesser die Zwiebel in sehr kleine Stücke. Gib die Masse in das Becherglas. Rühre kurz um.Erhitze das Zwiebelgemisch im Becherglas mithilfe der Wärmeplatte auf ca. 60 °C. Stelle es anschließend für 5 Minuten in eine bis zur Hälfte mit Eiswasser gefüllte kleine Schüssel.

Teil 2Zerkleinere das Zwiebelgemisch mit dem Stabmixer (oder Mörser).Gib ein paar Körnchen Feinwaschmittel in einen Erlenmeyerkolben und setze den Trichter mit dem Faltenfilter darauf. Gieße nun die Zwiebelmischung in den Trichter, um sie zu filtrieren. Schüttel den Trichter ab und zu leicht. Fülle das Filtrat in ein Reagenzglas, sodass es zu einem Viertel gefüllt ist.

Teil 3Überschichte nun das Zwiebelfiltrat vorsichtig mit eiskaltem Alkohol. Sollte die Ausfällungsrate (also die dichte, weiße Masse) nur gering sein, kannst du das Reagenzglas leicht schwenken.Jetzt müsste eine weißliche, fädige Masse ausfallen. Das ist die DNA. Versuche nun, die Fäden durch Drehen mit einem Holzspieß aufzuwickeln.

Zwiebelfiltrat

DNA

Das ist mir gelungen/nicht gelungen.

Daran erkenne ich die DNA.

Zwiebelgemisch

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LDNA-Modell aus Süßigkeiten

ZieleDie Schüler sollen die Zusammensetzung und das Bauprinzip der DNA durch Modellbildung kennenlernen.

SachanalyseSeit 1953 ist der Aufbau der DNA (= Desoxyribonukleinsäure) bekannt. James Watson und Francis Crick entschlüs-selten den Aufbau der Doppelhelix. Die DNA ist ein Makromolekül. Ihre Bausteine sind Nukleotide. Ein Nukleotid besteht aus einem Phosphatrest, einem Zuckermolekül, der Desoxyribose, und aus einer der vier Basen Cytosin, Guanin, Adenin oder Thymin. Die DNA ist ein Doppelstrang, der zur Doppelhelix gewunden ist. In der Sequenz der vier Nukleinsäuren liegt die Botschaft für die Proteinbiosynthese verschlüsselt.Die DNA wird in unterschiedlich differenzierten Modellen dargestellt. Manchmal wird Wert auf die Bindung zwischen den Basen gelegt, manchmal vereinfacht man bis zum „Alphabet des Lebens“: AGGGCCCTATATTTTTTAGGGGGGCGCAAT und so weiter. Letzteres geschieht, wenn es auf die Sequenzierung eines Gens ankommt oder Fehler bei der Replikation oder Transkription herausgestellt werden sollen. Cytosin und Guanin liegen sich gegenüber und werden über drei Wasserstoffbrücken zusammengehalten. Adenin und Thymin werden durch zwei H-Brücken gehalten.Die Schüler sollen durch Zusammenlegen des Konfekts (oder anderer Süßigkeiten) das Grundprinzip der DNA-Zusammensetzung verstehen und immer neue Sequenzen legen. Sie werden die regelmäßige Anordnung der Bausteine erkennen, die drei Bindungen zwischen Cytosin und Guanin sowie die zwei Bindungen zwischen Thymin und Adenin selbst herstellen. Die Modellbildung hilft ihnen, das Bauprinzip der DNA zu verstehen. Sie können die Bindungen leicht lösen und verstehen dabei, wie die Replikation und die Transkription beginnen.

KompetenzenSchüler erwerben Kompetenzen in Teamfähigkeit, im Handeln und in Modellbildung. Fachlich erwerben sie Ver-ständnisse über den Aufbau der DNA.

Methodische HinweiseErmöglichen Sie Ihren Schülern, kreativ mit dem Material umzugehen. Halten Sie leistungsstarke Schüler dazu an, die Wasserstoffbindungen zwischen den Basen richtig zu setzen.Lernschwache Schüler bauen ein Strickleiter-Modell der DNA. Geschickte Teams können auch die helikale Struktur (schraubige Struktur) der DNA im Modell abbilden.

TippStellen Sie verschiedene Süßigkeiten, wie z. B. Konfekt, zur Verfügung. Sollen die Süßigkeiten nach getaner Arbeit noch gegessen werden dürfen, muss die Arbeit im Klassenraum und nicht im Fachraum stattfinden.

Lösungsbeispiele

Guanin

Basenpaarung

zwei Wasserstoffbrücken

Thymin

Adenin

Cytosin

drei Wasserstoffbrücken

SprosseHolm

Strickleiter-Aufbau mit Holmen und Sprossen

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SDNA-Modell aus Süßigkeiten

AuftragBaut ein DNA-Modell aus Süßigkeiten.

MaterialSüßigkeiten (z. B. Konfekt, verschiedene Sorten), Zahnstocher

Durchführung

Informiert euch zuerst über den Aufbau eines DNA-Moleküls. Wählt aus dem Süßig-keitensortiment verschiedene Teile aus: vier verschiedene Gummidrops z. B. symbolisie-ren die Basen Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin. Sucht geeignete Fruchtgummisorten oder Lakritz für den Zucker (Desoxyribose) und das Phosphat. Diese bilden die zwei Außen-stränge, die Holme. Sie müssen im regel-mäßigen Wechsel zusammengefügt werden, z. B. mit Zahnstochern oder einem Bind-faden.

Strickleiter

Ihr benötigt: Holme: Sie bestehen aus Zuckermolekülen (Desoxyribose) und Phosphatresten.Die Sprossen werden jeweils aus zwei Basen gebildet.

Adenin (A) und Thymin (T) liegen sich gegenüber.Cytosin (C) und Guanin (G) liegen sich gegenüber.

Schreibt auf, welche DNA-Sequenz ihr gebaut habt:

Strickleiter

Sprosse

Holm

Phosphat

HolmHolm Sprossen

Wasserstoffbrücken

ZuckerA T

C G

C G

T A

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LReplikation aus Tonpapier basteln

ZieleDie Schüler sollen den Aufbau der DNA nachvollziehen und verstehen, wie die Erbinformation über die komplemen-täre Basenpaarung verdoppelt wird.

SachinformationFrüher wurde von DNS gesprochen. Mittlerweile hat sich die Abkürzung aus dem Englischen (DNA) durchgesetzt. A steht für Acid = Säure. Die DNA ist ein fadenförmiges, langes Makromolekül. Sie ist aus Nukleotiden aufgebaut. Diese befinden sich im Kernplasma. Wenn die DNA durch das Enzym Helicase entwunden wird, ordnen sich Nukleotide an. Sie werden durch Ionen und Van-der-Waals-Kräfte (= schwache Wechselwirkungen zwischen Atomen und Molekülen) von den Basen der geöffneten DNA angezogen. Wenn sich die DNA verdoppelt – das geschieht während der S-Phase des Zellzyklus – ordnen sich Nukleotide an die Basen der einsträngigen DNA an. Die Basenpaarung findet zwischen Adenin und Thymin sowie zwischen Guanin und Cytosin statt. Das Prinzip, auf dem die DNA-Verdoppelung basiert, ist die Komplementarität. Die Ableserichtung erfolgt immer vom 3’ Ende zum 5’ Ende. Die Verdoppelung der DNA dient dem Erhalt der Erbinformation in jeder neu gebildeten Zelle. Sie heißt Replikation.In dem Modell, das die Schüler bearbeiten, wird die DNA zweidimensional mit Tonpapier dargestellt. Die räumliche Anordnung als Doppelhelix wird für die Anschauung ausgeblendet.

KompetenzenSchüler erwerben Kompetenzen im Modellbau. Sie bauen Fachkompetenzen über die Replikation der DNA auf.

Methodische HinweiseHier bietet sich eine Binnendifferenzierung an:Leistungsschwache Schüler erhalten das Arbeitsblatt von S. 21, um komplementär die Basen anzulegen. Die stärkere Gruppe schreibt eine DNA-Sequenz an die Tafel, legt die DNA-Matrize und daran den komplementären Strang an.

TippsAls Sicherung können die vorgegebene Sequenz oder ausgeschnittene Nukleotide aus der Folie auf den OHP-Pro-jektor gelegt werden. Man bittet einen Schüler, die DNA komplementär zu vervollständigen. Die Replikationsvorlage und die Nukleotide zum Ausschneiden liegen in den Zusatzmaterialien als editierbares Word-Dokument oder als PowerPoint-Folie für die Arbeit am Rechner bereit. Die Nukleotide zum Ausschneiden finden Sie ebenfalls hier im Heft auf S. 9.

Lösung

Sequenz des Ausgangsstrangs (DNA-Matrize):

AGTCCCGATSequenz des komplementären DNA-Strangs:

TCAGGGCTA

DNA-Matrize3’ Ende5’ Ende

Phosphatrest

3’ Ende 5’ Ende

Phosphatrest

Doppelstrang

Adenin

Guanin

Thymin

Cytosin

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SReplikation aus Tonpapier basteln I

MaterialNukleotide zum Ausschneiden (S. 9), Schere, Klebestift

AuftragLege den komplementären Strang mit ausgeschnittenen Kärtchen an und klebe sie fest. Zusatz: Schreibe die Sequenzen beider DNA-Stränge auf.

DNA-Matrize Komplementärer Strang

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SReplikation aus Tonpapier basteln II

AuftragStellt die Replikation auf einem Plakat dar.

MaterialPlakat, Nukleotide zum Ausschneiden (S. 9), einsträngige DNA aus Tonpapier, Schere, Klebestift, Filzmar-ker

DurchführungInformiert euch zuerst über den Aufbau eines DNA-Moleküls. Es ist ein doppelsträn-giges Makromolekül, das aus ganz langen Ketten aneinandergereihter Nukleotide besteht. Außen befinden sich Zucker und Phosphatreste im regelmäßigen Wechsel. Die Sprossen der Strickleiter werden durch die gepaarten Basen gebildet. Zusammen passen:

Adenin – ThyminGuanin – Cytosin.

Reiht ausgeschnittene Nukleotide nach den Vorgaben aneinander. Damit bildet ihr die Sequenz der DNA ab. Diese enthält die Erbinformation für die Herstellung von Proteinen.

AufgabeSchneidet genug Nukleotide aus. Hier sind zwei Beispiele:

Legt sie in der folgenden Reihenfolge auf ein Tonpapier oder wählt eine eigene:

AATCGGGCCCCATA

Liegen die Nukleotide in der richtigen Reihenfolge, klebt sie fest. Sucht nun die Nukleotide mit den komplementären Basen und legt sie richtig an. So wird eine ein-strängige DNA abgelesen und komplementär (nicht identisch) vervollständigt.Zusatz:Baut eine Replikationsgabel ein und legt an beide Einzelstränge neue Nukleotide nach dem Prinzip der Basenpaarung an.

Fertigt hier eine Übersichtsskizze eurer Replikation an:

Nukleotid mit Guanin

Nukleotid mit Adenin

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Adenin Thymin Guanin Cytosin

Nukleotide zum Ausschneiden

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LDie Transkription

Codogener Strang der

DNA

ZieleSchüler sollen erkennen, dass für die Übermittlung der Erbinformation in die Proteinbiosynthese ein Botenmolekül, die mRNA, notwendig ist und verstehen, wie das Prinzip der Transkription funktioniert.

SachanalyseIn der Transkription wird die Erbinformation, die als DNA-Sequenz vorliegt, durch die RNA-Polymerase abgelesen und zu den Orten der Proteinbiosynthese, den Ribosomen, gebracht. Dadurch entsteht die messenger-RNA, kurz mRNA. Sie ist einsträngig, viel kürzer als die DNA und entspricht der Länge eines Gens. Auch sie setzt sich aus Nukleotiden mit vier verschiedenen Basen zusammen. Im Unterschied zur DNA enthält sie Uracil statt Thymin. Die Basen Adenin, Guanin und Cytosin sind identisch. Die mRNA liest also die Information von der Länge eines Gens, welches für die Synthese eines bestimmten Proteins codiert, ab. Wenn ein Protein zusammengesetzt werden soll, wandert die mRNA in den Zellkern, die DNA öffnet sich an der Stelle des Gens. Dann wird am codogenen Strang – so heißt die Hälfte der DNA, von der die Information abgelesen wird – die Sequenz der DNA abgelesen. Dabei setzen sich die RNA-Nukleotide über die Basenpaarung komplementär an den DNA-Strang an, bis die Information eines Gens vollständig ist. Dann löst sich die mRNA und wandert mit dieser Information durch die Kernporen bis zu den Ribosomen. Woran erkennt die mRNA den Beginn und das Ende eines Gens? Bestimmte Basentripletts, also Sequenzen von drei aufeinanderfolgenden Basen, kündigen den Anfang, andere das Ende eines Gens an. Der Start-Codon ist AUG, die Stopp-Codone haben die Sequenz UGA, UAA oder UAG. Dass die mRNA sich die Teile einer Gensequenz auch noch aus größeren Einheiten herausschneiden muss (Splei-ßen) und dazu zwischen Introns (DNA-Sequenzen ohne Information für das Gen) und Exons (genexprimierende Sequenz) unterscheiden muss, wird in der Sekundarstufe I nicht thematisiert.

KompetenzenSchüler erwerben Kompetenzen in der Veranschaulichung abstrakter, nicht sichtbarer Vorgänge. Die Kooperations-fähigkeit wird gefördert.

Methodisches VorgehenEs bietet sich an, arbeitsteilig die Schüler in Gruppen die Replikation, die Transkription und die Translation darstellen zu lassen. Die fertigen Poster dienen zur Erklärung. Wenn sie gut gemacht sind, können sie über längere Zeit als Lernplakat hängen bleiben.

TippsBenutzen Sie die Folie auf S. 30, um das Fachwissen über die Transkription zu sichern. Der zweite Teil der Folie betrifft die Translation. Sie können hieran die Zusammenhänge eines komplexen Prozesses erklären.

Lösung

mRNA

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SAuftragStellt die Transkription auf einem Plakat dar.

MaterialDIN-A1-Plakate, Tonpapier, Kleber, Schere, Filzmarker, Nukleotide zum Ausschneiden (S. 9 und 12)

DurchführungDie Aminosäuren Alanin, Phenylalanin und Leucin sollen hergestellt werden. Welche Vorgänge finden dafür in der Transkription statt?Bildet Dreier- oder Vierergruppen. Lest im Biologie-buch die Transkription gründlich durch. Erzählt euch gegenseitig die Vorgänge und die Bedeutung der Transkription. Schneidet nun die Nukleotide von S. 9 aus, bastelt daraus einen geöffneten DNA-Strang und klebt ihn auf. Die DNA verlässt den Zellkern nie. Daher übernimmt die messenger-RNA (mRNA) den Transport der verschlüsselten Infor-mation aus dem Zellkern in das Plasma der Zelle an die Orte der Proteinbiosynthese. Das sind die Ribosomen. Dort findet die Translation statt. Macht euch mit Bleistift eine Skizze. Immer drei Nukleotide bilden das „Codewort“ für eine Aminosäure. Man nennt sie Basentriplett oder Codon. Welche drei Basen die Information für die drei Aminosäuren enthalten, findet ihr mithilfe der Übersicht zum genetischen Code (S. 15) heraus. Schneidet die richtigen Nukleotide für die mRNA von S. 12 aus und klebt sie an die geöffnete DNA.

Schreibt die Unterschiede der RNA zur DNA auf.

Notiert hier in Stichworten die Schritte, die bei der Transkription ablaufen.

Die Transkription

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agRNA-Nukleotide zum Ausschneiden

Adenin Uracil Guanin Cytosin

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LCodierung und Decodierung

ZieleDie Schüler sollen verstehen, dass das „Alphabet“ der DNA wie bei einem Geheimcode in die Proteinsprache übersetzt werden muss.

SachanalyseIn der Sequenz der DNA liegt die Information für die Biosynthese von Proteinen verschlüsselt. Proteine werden aus Aminosäuren aufgebaut. Die Sequenz der Aminosäuren führt zu der Spezifität eines Proteins. Auf der Seite der DNA stehen vier Basen zur Verschlüsselung der Information zur Verfügung, auf Proteinseite gibt es 20 verschiedene Aminosäuren, die als Bausteine die spezifische Zusammensetzung der Eiweiße bestimmen. Für die Verschlüsselung einer Aminosäure reicht ein Code von zwei Basen nicht aus. Damit könnten nur 16 verschiedene Aminosäuren dargestellt werden. Drei aneinandergereihte Basen ergeben die Information für den Einbau einer Aminosäure. Dieses Dreierpaket nennt man Basentriplett oder Codon. Bei der Kombination von drei Basen könnten weit mehr Aminosäuren verschlüsselt angegeben werden, allerdings gibt es nur 20 zu entschlüsseln. Daher sind einige Codone redundant. Beispielsweise bedeuten die Basentripletts CCU, CCA, CCC und CCG die Aminosäure Prolin (siehe Code-Quadrat auf S. 15). Die Aminosäure Serin wird durch die Codes UCU, UCA, UCC und UCG verschlüs-selt. Thryptophan hingegen wird ausschließlich durch die Sequenz UGG codiert. Durch die RNA-Polymerase wird jeweils die Länge eines Gens abgelesen. Damit kann ein Protein synthetisiert werden. Für die Erkennung gibt es ein Start-Codon (AUG). Das Ende des Ablesens wird durch Stopp-Codone (UAA, UAC und UGA) signalisiert. Dazwi-schen gibt es keine Pausenzeichen.

Der genetische Code ist universell. Das heißt, er gilt bis auf wenige Ausnahmen für alle Lebewesen (Bakterien, Pilze, Einzeller, Pflanzen und Tiere). Insofern hat er eine große Tragweite. Unter anderem ermöglicht er Gentechnikern, Fremdgene einzusetzen, denn die Übersetzung von DNA-Sequenz und Aminosäurensequenz funktioniert artüber-greifend. Das heißt, die Codone werden für die Proteinsynthese von allen Organismen in gleicher Weise gelesen.

KompetenzenFachkompetenzen bezüglich des genetischen Codes werden erworben. Außerdem entwickeln die Schüler die Motivation, sich mit dem genetischen Code auseinanderzusetzen und bauen Basiswissen zum Verstehen von Gentechnik auf. Methodische HinweiseDie Verschlüsselung des genetischen Codes kann gern geheimnisvoll oder als Wettkampf gestaltet werden. Schü-lergruppen schreiben eine Aminosäurensequenz von drei Aminosäuren auf. Sie notieren sich den Code der mRNA für diese Sequenz. Dann wird die Aminosäurensequenz an eine andere Gruppe gegeben, die die mRNA-Sequenz mit Start- und Stopp-Codon angeben muss. Diese sucht sie sich aus der Übersicht auf Seite 15 heraus. Die erste Schülergruppe kontrolliert die Richtigkeit.Das Spiel funktioniert natürlich auch andersherum: Schüler schreiben ein Codon – also ein Basentriplett – auf eine Moderationskarte. Alle Karten werden gesammelt und irgendwo im Klassenraum ausgelegt. Partnergruppen sind nun aufgefordert, die Aminosäuren herauszusuchen und auf die Rückseite zu schreiben. Die Gruppe mit den meisten Aminosäuren hat gewonnen.

TippEine methodische Variante besteht darin, mit zwei verschiedenen Moderationskarten zu arbeiten. Eine Gruppe schreibt auf eine Karte die Aminosäure in gängiger Abkürzung, die andere Gruppe schreibt die Basensequenz auf eine neue Moderationskarte und hängt diesen Code über die Aminosäure. Alle Karten werden als lange Kette zusammengehängt. Dies verdeutlicht in anschaulicher Weise die Codierung der Aminosäurensequenz.

Tafelbild

Basentripletts

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SAuftragDie Geheimsprache der mRNA soll entschlüsselt werden.

MaterialModerationskarten, Filzmarker, Klebestreifen

DurchführungBildet Zweiergruppen. Die Sprache der DNA ist ein echter Geheimcode. Jeweils drei Basen enthalten die Information zum Bau einer Aminosäure. Sind genug Aminosäuren aneinandergereiht, entsteht daraus ein Protein.Nehmt eine Moderationskarte. Schreibt darauf ein Basentriplett, das ihr euch aus dem Code-Quadrat weiter unten auf der Seite heraussucht. Gebt die Karte nun an eine andere Gruppe weiter. Sie soll heraus-finden, für welche Aminosäure die drei Basen stehen und den Namen auf die Rückseite der Karte schrei-ben. Überprüft, ob die andere Gruppe die Geheimsprache richtig gelöst hat.

Und so geht ihr vor:

Erste Base

Zweite BaseDritte Base

5’ Ende U C A G 3’ Ende

U

PhePheLeuLeu

SerSerSerSer

TyrTyr

StoppStopp

CysCys

StoppTrp

UCAG

C

LeuLeuLeuLeu

ProProProPro

HisHisGlnGln

ArgArgArgArg

UCAG

A

IleIleIle

Met (Start)

ThrThrThrThr

AsnAsnLysLys

SerSerArgArg

UCAG

G

ValValValVal

AlaAlaAlaAla

AspAspGluGlu

GlyGlyGlyGly

UCAG

Notiert hier die Basentripletts und die dazugehörigen Aminosäuren, die ihr benutzt habt.

Basentripletts:

Aminosäure-sequenz:

Codierung und Decodierung

Lest hier die zweite Base ab.

Lest hier die dritte Base ab.

Lest hier die erste Base ab.

Man kommt auf die Base Phenylalanin.

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agDer genetische Code

Die mRNA-Tripletts werden in 5’ R 3’ Leserichtung angegeben.

Erste Base Zweite Base Dritte Base

5’ Ende U C A G 3’ Ende

U

PhePheLeuLeu

SerSerSerSer

TyrTyr

StoppStopp

CysCys

StoppTrp

UCAG

C

LeuLeuLeuLeu

ProProProPro

HisHisGlnGln

ArgArgArgArg

UCAG

A

IleIleIle

Met (Start)

ThrThrThrThr

AsnAsnLysLys

SerSerArgArg

UCAG

G

ValValValVal

AlaAlaAlaAla

AspAspGluGlu

GlyGlyGlyGly

UCAG

Legende

Die mRNA-Basen: U = Uracil

A = Adenin

G = Guanin

C = Cytosin

Die Aminosäuren zum Nachschlagen

Abkürzung Aminosäure Abkürzung Aminosäure Abkürzung Aminosäure

Ala Alanin Gly Glycin Pro Prolin

Arg Arginin His Histidin Ser Serin

Asn Asparagin Ile Isoleucin Thr Threonin

Asp Asparaginsäure Leu Leucin Trp Tryptophan

Cys Cystein Lys Lysin Tyr Tyrosin

Gln Glutamin Met Methionin Val Valin

Glu Glutaminsäure Phe Phenylalanin

Was ist ein Basentriplett?

Ein Basentriplett besteht aus drei aneinandergereihten Basen der mRNA. Sie verschlüsseln die Information für die Herstel-lung einer Aminosäure oder geben Start oder Stopp des Ablesens an.Im oberen Code-Quadrat sind die Aminosäuren in der Tabel-lenmitte aufgeführt.Beispiele: UUU codiert die Aminosäure Phenylalanin.

UUC codiert ebenfalls die Aminosäure Phenylalanin.

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agTranskription – Folienvorlage

Codo-gener

Strangder DNA

mRNA

Histidin

Glycin

KernhülleZellkern

tRNA

Aminosäurenkette

Translation

mRNA

Ribosom

Phenylalanin Glycin

Alanin

Alanin

Start-Codon

tRNA

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LMutationen: Kleine Ablesefehler – große Wirkung

ZieleDie Schüler sollen verstehen, dass Genmutationen durch Ablesefehler bei der Replikation oder Transkription zustande kommen.

SachanalyseWenn es während der Transkription durch die falsche Reihenfolge der Basen zu einem Ablesefehler kommt, kann das große Auswirkungen auf die Proteinbiosynthese haben. Schwerwiegende Fehlbildungen können entstehen, wenn beispielsweise durch das Vertauschen von Basen eine andere Aminosäure eingebaut wird. Diese Fehler haben Auswirkungen auf die Keimbahn und treten daher auch in den nachfolgenden Generationen auf. Ein Beispiel hierfür ist die Sichelzellanämie. Es kann passieren, dass das falsche Ablesen Nonsens ergibt und keine weiteren Aminosäuren codiert werden können. Dann fehlt ein bestimmtes Eiweiß. Nimmt dieses eine wichtige Stellung im Stoffwechsel ein, kommt es zu krankhaften Fehlfunktionen. Des Weiteren kann es dazu kommen, dass der Aus-tausch einer Base wegen der großen Redundanz der Codierung zu keiner Veränderung führt. Wird z. B. bei einem Triplett U gegen A ausgetauscht, also von GCA zu GCU verändert, wird ebenfalls die Aminosäure Alanin herbei-geholt und in der Translation eingebaut. Diese Form des Ablesefehlers nennt man stumme Mutation, da sie keine Auswirkung zeigt. Ist nur eine Base verändert, spricht man von einer Punktmutation. Im Folgenden sind die Fehler-möglichkeiten an der DNA dargestellt:

Satz DNA oder RNA

1. Einfügen eines zusätzlichen Buchstabens Eine Base fügt sich zusätzlich ein (Insertion)2. Vertauschen von Buchstaben Vertauschen zweier Basen 3. Auslassen eines Buchstaben Eine Base wird entfernt (Deletion)4. Auslassen eines Wortes Auslassen eines Basentripletts

KompetenzenSchüler erwerben Fachkompetenzen über das Zustandekommen von Genmutationen. Sie bauen Kompetenzen im Modellieren auf und entwickeln Sozialkompetenzen.

Methodische HinweiseBeginnen Sie die Einführung zur Genmutation mit einem einfachen Satz, bei dem jedes Wort aus drei Buchstaben besteht. Daran erfassen Ihre Schüler schnell die Funktion des genetischen Codes. An dem Satz DER BÄR KAM VOR TAG UND TAU AUS DEM BAU können die typischen Fehler, die zu Genmutationen führen, gemeinsam erarbeitet werden. Dazu liegt ein Word-Dokument in den Zusatzmaterialien bereit. Es bietet sich an, die Ablese-fehler arbeitsteilig mithilfe der Nukleotide aus Papier darzustellen. Jede Gruppe erhält den Auftrag, einen Fehlertyp einzubauen: 1. Zusätzliche Base (= Insertion einer Base), 2. Vertauschen von Basen, 3. Wegfall einer Base (= Dele-tion einer Base), 4. Wegfall eines Basentripletts.

TippsUm Zeit zu sparen, können die fertiggestellten Poster zur Replikation und Transkription (S. 8/11) weiterverwendet werden. Lassen Sie Ihre Schüler die typischen Fehler an ihren Postern darstellen.

Lösung

zusätzliche Base (= Insertion)

Vertauschen einer Base

Wegfall eines Basentripletts

Wegfall einer Base (= Deletion)

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SMutationen: Kleine Ablesefehler – große Wirkung

AuftragBaut Fehler in das Ablesen der DNA-Sequenz ein. So stellt ihr das Zustandekommen von Mutationen dar.

MaterialVorlage (unten auf der Seite) oder Poster mit der Darstellung der DNA-Replikation (S. 8), weitere Nukleoti-de zum Ausschneiden (S. 9)

DurchführungBildet Gruppen. Informiert euch im Biologiebuch über Ablesefehler bei der DNA-Replikation und stellt folgende Fehler dar:1. Einbau einer zusätzlichen Base2. Vertauschen zweier Basen3. Auslassen einer Base4. Auslassen eines Basentripletts.

Geht arbeitsteilig vor. Jede Gruppe wählt einen Ablesefehler. Präsentiert den Fehler der Klasse und diskutiert die Auswirkungen auf die Proteinbiosynthese. Wie gravierend ist die Wirkung?

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LGentest ja oder nein?

ZieleDie Schüler sollen verstehen, dass die Gensequenzierung zu einem Standard-Verfahren in der Medizin gehört, welches krankmachende Gene findet. Sie sollen sich eine eigene Meinung zu diesem Thema bilden.

SachanalyseAnhand von Gensequenzierungen, die heute mit Laborgeräten automatisch erstellt werden, kann man krank-machende Gene von gesunden unterscheiden. Bei einigen Erbkrankheiten kennt man die Sequenz sehr genau, so bei Chorea Huntington, Sichelzellanämie, erblichem Brustkrebs und Mukoviszidose. Es gibt allerdings noch keine vorgeburtliche Heilungsmöglichkeit, mit der man die Gensequenz im Vorfeld ändern könnte. Wenn also anhand eines Gentests festgestellt wird, dass krankmachende Gene vorhanden sind, muss man sich mit der Erkrankung auseinandersetzen, die in den Beispielen sehr unterschiedlich verläuft. So bricht die Erbkrankheit Chorea Huntington erst bei Erwachsenen aus. Ein festgestelltes abnormes Gen führt in jedem Fall zum Ausbruch der Krankheit, denn es wird dominant vererbt. Bei erblichem Brustkrebs ist die Wahrscheinlichkeit hoch, dass sich Krebs entwickelt. Das Dilemma besteht darin, Klarheit über eine Krankheit vor ihrem Ausbruch zu erhalten, ohne dass man etwas dagegen tun könnte. Insofern ist das Recht auf Nichtwissen vollkommen nachvollziehbar. Wenn Schüler sich mit diesem Thema auseinandersetzen, ist es wichtig, dass sie Gründe für ihre Haltung nennen können. Jede Einstellung, einen Gentest machen zu lassen oder auch nicht, ist in Ordnung. Es gibt kein Richtig oder Falsch. Normalerweise gehen Schüler ganz intensiv an das Thema heran, denn ein hoher Alltagsbezug und eine persön-liche Betroffenheit sind ihnen anzumerken.

KompetenzenSchüler erwerben Bewertungskompetenz und Fachwissen über moderne genetische Verfahren.

Methodische HinweiseSchüler benötigen für die Bearbeitung des Textes einen Moment der Besinnung, indem sie sich ganz allein Gedan-ken über ihre Einstellung zu einem Gentest machen. Greifen Sie das Prinzip Think – Pair – Share auf. Stellen Sie eine Einzelarbeitsphase an den Anfang, sodass jeder Schüler sich allein mit dem Text beschäftigen und Stichworte notieren kann. Dann sollen sie ihre Gedanken zu zweit austauschen. Am Ende der Stunde wird gemeinsam über das Für und Wider eines Gentests diskutiert. Ein Lehrerimpuls könnte die Fragestellung auf Sinn und Gefahren durch einen von Krankenversicherungen durchgeführten Gentest lenken.

TippsDrängen Sie Ihre Schüler bei diesem emotional aufgeladenen Thema nicht zu einer Aussage vor der ganzen Klasse. Jeder muss nur so viel von sich preisgeben, wie er gewillt ist.

Lösung

Argumente für einen Gentest Argumente gegen einen Gentest

Man will wissen, woran man ist. Man will unbeschwert leben.

Man will Klarheit über mögliche Krankheiten haben. Man will keine Belastung durch Horrorszenarien.

Man kann sein Leben danach planen. Durch das Wissen um die mögliche spätere Erkrankung kann man diese nicht verhindern.

Vielleicht entscheidet man sich hinsichtlich eines Kinderwunsches anders.

Krankenkassen könnten das Ergebnis erfahren.

Man kann sich frühzeitig mit der Krankheit auseinander-setzen.

Arbeitgeber könnten davon Kenntnis erhalten.

Man kann Entscheidungen treffen: Will man – wie Angelina Jolie – sich beide Brüste amputieren lassen oder nicht?

Die Gewissheit um eine gravierende Krankheit ist schwer zu ertragen.

Vielleicht kann man doch etwas tun. Recht auf Nichtwissen wahrnehmen

Die Wahrscheinlichkeit, dass in naher Zukunft vor-beugend behandelt werden kann, wächst.

Gentherapien sind noch nicht auf dem Markt. Das Wissen um Gensequenzen bringt noch keine Heilung.

Man kann bei einem hohen Risiko auch die Gewissheit erhalten, nicht das krankmachende Gen zu besitzen.

Biologie begreifen: Genetik • 20

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SGentest ja oder nein?

AuftragDiskutiert anhand der Geschichte über den Sinn, einen Gentest machen zu lassen, um zu erfahren, ob man von einer genetisch vererbbaren Krankheit betroffen ist.

Material

Belinda ist 16 Jahre alt. Ihre Mutter ist gerade schwer an Brustkrebs erkrankt und bekommt in den nächsten Tagen eine Brust abgenommen. Danach steht ihr noch eine Chemotherapie bevor. Hoffentlich überlebt ihre Mutter das alles, denkt Belinda, sie braucht sie doch noch. Vor zwei Jahren erst ist ihre Tante an Brustkrebs gestorben. Ihre Oma, die Mutter ihrer Mutter, ist auch früh verstorben. Sie hatte Eierstockkrebs. Belinda kann sich kaum an sie erinnern. Sie war erst zwei Jahre alt, als ihre Großmutter beerdigt wurde.Als Belinda ihre Mutter im Krankenhaus besucht, wird sie von einem Arzt angesprochen. Er sagt: „Weißt du, dass in deiner Familie Brustkrebs erblich ist?“ Belinda möchte wissen: „Was heißt denn erblich? Bekomme ich nun auch Brustkrebs?“ Der Arzt antwortet: „Nicht unbedingt. Aber die Wahrscheinlichkeit, dass du in deinem Leben einmal an Brustkrebs oder Eierstockkrebs erkranken wirst, liegt viel höher als in anderen Familien.“ Belinda hakt nach: „Ja, aber wie können Sie das wissen? Ich lebe doch gesund. Ich rauche nicht und trinke weniger Alkohol als meine Freunde.“ Der Arzt erwidert: „Wir können einen Test ma-chen. Dabei prüfen wir die Gensequenz für ein bestimmtes Gen, das auf dem 17. Chromo-som liegt. Dieses Gen hat den Namen BRCA1. Wir haben herausgefunden, dass deine Mutter dieses veränderte Gen in sich trägt. Die Wahrscheinlichkeit, dass sie es an dich weitergegeben hat, liegt bei 50 %. Bei den Frauen, die dieses Gen in sich tragen, kommt es in 60 bis 80 % der Fälle zu Brustkrebs und in 30 bis 40 % zu Eierstockkrebs. Ich empfehle dir, einen Gentest machen zu lassen.“ Das ist zu viel für Belinda. Tränen schießen ihr in die Augen. Sie rennt hinaus und möchte nur noch weg.

DurchführungLies Belindas Geschichte durch. Markiere Wörter, die du nicht verstehst und lass sie dir erklären. Was würdest du Belinda raten? Wie würdest du dich entscheiden?Würdest du einen Gentest machen lassen? Begründe deine Entscheidung.

Sammle hier Stichpunkte deiner eigenen Gedanken zu der Möglichkeit, einen Gentest machen zu lassen.

Literaturempfehlung

Bücher/ZeitschriftenBiologie 5–10; Genetik begreifbar machen, Heft 9, 2015, Friedrich Verlag.Unterricht Biologie; Genetische Techniken am Menschen, Heft 291, 2004, Friedrich Verlag.Baron, D., Braun, J., Erdmann, U., Hansen, S., Hansen, T., Heinze, R., Hörnemann, A., Lucius, E. (2012): Grüne Reihe. Genetik. Schülerband, Schroedel-

Verlag.Högermann, C., Kricke, W. (2015): Modelle für den Biologieunterricht, Aulis Verlag.Wasmann, A. (2015): Gentechnisch veränderte Lebensmittel – gesundheitliche Schäden oder Lösung der Ernährungsprobleme? in: Meyer, C., Scherak, L.,

Stein, M. (Hrsg.): Ernährung – Eine multiperspektivische Synthese, LIT Verlag, Berlin, S. 26–36.

Internetadressen (abgerufen am 14.10.2016)http://www.biologie-schule.de/genetik.php http://www.mallig.eduvinet.de/bio/Repetito/Meiose1.html http://www.webmic.de/meiose.htm http://www.sn.schule.de/~biologie/medien/blaetter/meiose.PDF http://www.transgen.de/tiere.html http://www.schule-und-gentechnik.de/fuer-schueler/wer-wie-was/gentechnik-abc.html

FilmeGene im Stresstest: http://www.3sat.de/mediathek/?mode=play&obj=27260 FWU Schule und Unterricht: Grundlagen der Genetik, DVD, Art.-Nr. Onlinemedium: 5500509, Art.-Nr. physisches Medium: 4602322.

Bezug von Material BastellädenSupermarktBürobedarf

Bildnachweis:Seite 5: Leiter: © blueringmedia – Fotolia.com

Der besseren Lesbarkeit halber sprechen wir meist nur von Lehrern, Schülern usw. Natürlich meinen wir damit auch die Lehrerinnen, Schülerinnen usw.

Biologie begreifen: Genetik

Dr. Astrid Wasmann ist verheiratet und hat drei erwachsene Kinder. Sie war als Ober-studienrätin an einer Gesamtschule und einem Gymnasium und als Kreisfachbera-terin für Umwelt und Natur tätig. Dazu hat sie viele Lehrerfortbildungen gehalten. Im naturwissenschaftlichen Anfangsunterricht hat sie innovative Konzepte erprobt. Ihr Schwerpunkt ist offener, experimenteller Unterricht. Sie ist Autorin zahlreicher Veröffentlichungen. Von 2012 bis 2014 arbeitete sie als Vertretungsprofessorin für Biologiedidaktik.

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Redaktion: Janina ZieleckiLayout/Satz: Satzpunkt Ursula Ewert GmbH, BayreuthCoverfoto: © phonlamaiphoto – Fotolia.comIllustrationen: Dr. Astrid Wasmann

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