Inhalt und Einsatz im Unterricht

"Molekulare Genetik – Proteinbiosynthese"(Biologie Sek. II)

Diese DVD behandelt das Unterrichtsthema "Molekulare Genetik" für dieSekundarstufe II unter den Aspekten "Proteinbiosynthese" und "Steuerungdes Stoffwechsels".

Das DVD-Hauptmenü bietet folgende 4 Filme zur Auswahl:Transkription der DNA 6:50 minTranslation der mRNA 10:00 minRegulation der Genaktivität 7:30 minGentechnische Methoden 8:10 min(+ Grafikmenü mit 14 Farbgrafiken)

Umfangreiche und aufwändige 3D-Computeranimationen verdeutlichen diezentralen, lehrplanrelevanten Inhalte in Bezug auf die Rolle der Erbanlagen beider Regulation des Stoffwechsels eines Individuums. An unterschiedlichenBeispielen (Pro- und Eukaryoten) zeigt die DVD sehr impressiv und einprägsamden Weg vom Gen zum Protein.

Die eigens für unsere 4 Genetik-DVDs (Sek.I+II) entwickelte Cartoon-Figur"Geni" führt als Protagonist und Chefkoch in seiner "Genküche" durch alleFilme. Geni vermittelt keine Lehrinhalte, sondern lockert den komplexen Stoffdurch manchen unkonventionellen "Spruch" etwas auf. Geni und sein Küchen-umfeld werden auf humorvolle Weise genutzt, um kleine, motivierende Brückenzwischen thematischen Abschnitten zu bauen und um Neugierde auf diefolgenden Inhalte zu wecken. Die außergewöhnliche Figur "Geni" agiert als"didaktisches Vehikel", das mithilft, den Lernstoff stark ins Gedächtnis derSchüler einzuprägen und so zum intensiven Lernerfolg beizutragen.

Ergänzend zu den o.g. 4 Filmen finden Sie auf dieser DVD:

- 14 Farbgrafiken, die das Unterrichtsgespräch illustrieren (in den Grafik-Menüs)

- 10 ausdruckbare pdf-Arbeitsblätter, jeweils in Schüler- und in Lehrerfassung (im DVD-ROM-Bereich)

Im GIDA-"Testcenter" (auf www.gida.de) finden Sie auch zu dieser DVD "Molekulare Genetik – Proteinbiosynthese"interaktive und selbstauswertende Tests zur Bearbeitung am PC. Diese Testskönnen Sie online bearbeiten oder auch lokal auf Ihren Rechner downloaden,abspeichern und offline bearbeiten, ausdrucken etc.

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Begleitmaterial (PDF) auf dieser DVDÜber den "Windows-Explorer" Ihres Windows-Betriebssystems können Sie dieDateistruktur der DVD einsehen. Sie finden dort u.a. den Ordner "DVD-ROM".In diesem Ordner befindet sich u.a. die Datei

index.htmlWenn Sie diese Datei doppelklicken, öffnet Ihr Standard-Browser mit einemMenü, das Ihnen noch einmal alle Filme und auch das gesamte Begleitmaterialder DVD zur Auswahl anbietet (PDF-Dateien von Arbeitsblättern, Grafiken undDVD-Begleitheft, Internetlink zum GIDA-TEST-CENTER etc.).Durch einfaches Anklicken der gewünschten Begleitmaterial-Datei öffnet sichautomatisch der Adobe Reader mit dem entsprechenden Inhalt (sofern Sie denAdobe Reader auf Ihrem Rechner installiert haben). Die Arbeitsblätter liegen jeweils in Schülerfassung und in Lehrerfassung (miteingetragenen Lösungen) vor. Sie ermöglichen Lernerfolgskontrollen bezüglichder Kerninhalte der DVD und sind direkt am Rechner elektronisch ausfüllbar.Über die Druckfunktion des Adobe Reader können Sie aber auch einzelne oderalle Arbeitsblätter für Ihren Unterricht vervielfältigen.

Fachberatung bei der inhaltlichen Konzeption und Gestaltung dieser DVD:Frau Erika Doenhardt-Klein, Oberstudienrätin (Biologie, Chemie und Physik, Lehrbefähigung Sek.I + II)

Unser Dank für Beratung, zur Verfügung gestelltes Bild-/Filmmaterial undUnterstützung unserer Dreharbeiten geht an folgende Institutionen:BDP Bundesverband Deutscher Pflanzenzüchter e.V.Bundeskriminalamt, Wiesbaden Institut für Blutgruppenforschung LGC GmbH, KölnLudwig-Maximilians-Universität (München) AG Elektronenmikroskopie Institut für Humangenetik Lehrstuhl für Mikrobiologie

Inhaltsverzeichnis Seite:

DVD-Inhalt - Strukturdiagramm 4

Die FilmeTranskription der DNA 5Translation der mRNA 7Regulation der Genaktivität 10Gentechnische Methoden 12

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DVD-Inhalt - Strukturdiagramm

4

Hauptmenü

Transkription der DNA

Translation der mRNA

Menü Grafiken

Grafiken

Regulation der Genaktivität

DNA-Transkription 1

Filme

DNA-Transkription 2

DNA-Transkription 3

Prozessierung der prä-mRNA

tRNA

rRNA

Der genetische Code

Translation

Laktose-Operon 1 - 3

Tryptophan-Operon 1 - 3

Regulator-Gen

Insulin-Vektor

RFLP-Verfahren 1 - 5

PCR 1 - 3

Gentechnische Methoden

Transkription der DNALaufzeit: 6:50 min, 2009

Lernziele: - Die Transkription der DNA in mRNA als ersten Schritt der Proteinbiosynthese

kennenlernen; die Unterschiede im Aufbau von mRNA und DNA erkennen; - Die Prozessierung der prä-mRNA in mRNA (bei Eukaryoten) nachvollziehen,

Begriffe Exon und Intron kennenlernen.

Inhalt:Der Film stellt eingangs unseren Protagonisten "Geni" vor, der in seiner "Gen-Küche" hantiert und alle Filme rahmengebend begleitet. - Geni bestaunt dieProduktionskapazität einer Kartoffelpflanze, die er in seiner Genkücheheranzieht. - Knollen und Pommes Frites!Die Begriffe "Genexpression" und "Ribonukleinsäure - RNA" leiten dieDarstellung der Transkription der DNA ein: Die Erbinformation wird nunumgesetzt in die konkrete Proteinsynthese.

Der prinzipielle Aufbaueiner messenger-RNA wirdzunächst gezeigt, bevordie Schilderung desTranskriptionsvorgangsbeginnt.

Dann startet die Trans-kription mit Anlagern derRNA-Polymerase undÖffnen des DNA-Doppel-strangs, die Transkrip-tionsblase entsteht.

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Abbildung 1: mRNA mit Uracil und Ribose

Abbildung 2: Transkriptionsblase

Nun erläutert der Film sehr ausführlich die Replikation des gewünschten Gens,das ja nur einen kurzen DNA-Abschnitt ausmacht. Der codogene Strang derDNA wird komplementär kopiert, bis die RNA-Polymerase auf die Terminator-Region aufläuft. Hier stoppt die Transkription und die mRNA löst sich von derDNA.

Die abgelesene mRNA wirdeigentlich prä-mRNA genanntund durchläuft nun noch diesog. "Prozessierung":Sie erhält eine Kappe und einPoly-A-Endstück, die sie (einebestimmte Zeit lang) vor demAbbau im Zytoplasmaschützen.

Spleißen nennt sich derVorgang, bei dem die Intronsauf der prä-mRNA durchEnzyme herausgeschnittenund die Exons direktzusammengefügt werden.Ergebnis ist die translations-bereite mRNA.Didakt. Hinweis: Alle RNA-Typen sind im Interesse derÜbersichtlichkeit stark typisiertund stilisiert dargestellt.

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Abbildung 4: prä-mRNA mit Exons und Introns

Abbildung 5: Fertiggestellte mRNA

Abbildung 3: DNA-Transkription in mRNA

Translation der mRNALaufzeit: 10:00 min, 2009

Lernziele: - Die drei verschiedenen RNA-Typen kennenlernen und ihre Funktion

unterscheiden können;- Das Verschlüsselungsprinzip des genetischen Codes erkennen;- Den Prozess der Translation als "Übersetzungsprozess" des genetischen

Basentriplett-Codes in Proteine verstehen;

Inhalt:Der Film startet mit Geni, der weiterhin die Produktionsfähigkeit seinerKartoffelpflanze bestaunt. - Dann beginnt der Translationsfilm mit derVorstellung der drei verschiedenen RNA-Typen und ihren unterschiedlichenFunktionen:

Die "Botenfunktion" der messenger-RNA hat der Transkriptionsfilm ausführlicherläutert, nun werden auch erste Informationen zu transfer-RNAs undribosomalen-RNAs gegeben.Didaktischer Hinweis: Alle RNA-Typen sind im Interesse derÜbersichtlichkeit stark typisiert und stilisiert dargestellt.Im Verlauf der nun folgenden detaillierten Schilderung der Translation an denRibosomen vertieft der Film die Informationen zu diesen RNA-Typen.

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Abbildung 6: Die drei verschiedenen RNA-Typen

Vor Beginn der eigentlichen Translationsdarstellung wird die doppelte Rolle dertRNAs als Transport- und Übersetzermoleküle besonders herausgehoben:Sie leisten die Umsetzung der mRNA-Basensequenz in die Aminosäure-Sequenz der zu produzierenden Proteine.

Eine 3D-Animation zeigt die Codierung von 20 vorkommenden Aminosäurendurch 3er-Gruppen von Basen, den sog. Basentripletts.Nun folgt die eigentliche Darstellung des Translationsvorgangs mitUnterstützung durch die Ribosomen: Anlagern an die mRNA (START-Codon),Ablese- und Proteinsynthese-Vorgang und schließlich die Termination (Initiation- Elongation - Termination)

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Abbildung 7: Übersetzung von Basentripletts in Aminosäuren

Abbildung 8: Translation der mRNA durch/an Ribosomen

Bei Erreichen eines STOPP-Codons zerfällt der Trans-lationskomplex und dassynthetisierte Protein wirdfreigesetzt (Termination).

Die mRNA hat nur einebegrenzte Lebensdauer. Exo-Nucleasen bauen die mRNAständig von beiden Enden herab. Sobald Kappe und/oderEndstück entfernt und dannentweder START- oderSTOPP-Codon beschädigtwerden, ist die mRNAfunktionsunfähig.

Abschließend zeigt der Film noch kurz die vereinfachte Translation beiProkaryoten: Hier dient die entstehende mRNA schon während ihrerTranskription ohne weitere Prozessierung als Vorlage für die Translation.

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Abbildung 10: Exo-Nucleasen

Abbildung 11: Transkription u. direkte mRNA-Translation bei Prokaryoten

Abbildung 9: Termination am STOPP-Codon

Regulation der GenaktivitätLaufzeit: 7:30 min, 2009

Lernziele: - Die Regulation der Genaktivität bei Prokaryoten am Jacob-Monod-Modell

nachvollziehen können;- Die Prinzipien der "Substratinduktion" und der "Produktrepression" verstehen;- Erkennen, dass die Genregulation bei Eukaryoten ungleich komplexer abläuft

und umfangreichere Möglichkeiten biochemischer Vernetzung eröffnet.

Inhalt:Der Film zeigt zunächst modellhaft an einem DNA-Strang die Existenzkonstitutiver und regulierter Gene. Unter den regulierten Genen sind diesogenannten Strukturgene u.a. für die Herstellung von aufbauenden undabbauenden Enzymen verantwortlich.Im weiteren baut der Film nun ein beispielhaftes DNA-Operon (Laktose-Operon)auf, das aus Promotor, Operator und Strukturgen(en) besteht. Dann zeigt er dieFunktion des Laktose-Operons, um daran das Prinzip der Substratinduktioneingehend zu erläutern.

Es wird verständlich gemacht, dass das Substrat Laktose als Induktor selbstdafür sorgt, dass über die mRNA-Transkription im Endeffekt genau die Enzymeproduziert werden, die seine eigene Verdauung leisten.

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Abbildung 12: Laktose-Operon in Aktion (E. coli), Substratinduktion

Dann zeigt das Tryptophan-Operon das Prinzip der Produktrepression: Istgenug Tryptophan in der Zelle produziert, so bewirkt es als Co-Repressor dasEinstellen der Transkription von mRNAs, die für seine enzymatische Herstellungverantwortlich sind.

Regulator-Gene liegen abseitsder Operons und produzieren dieaktiven bzw. inaktivenRepressoren, die die Operonssteuern.

Abschließend gibt der Film eineImpression von der sehr vielkomplizierteren Genregulationbei Eukaryoten.

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Abbildung 13: Tryptophan-Operon (E. coli), Produktrepression

Abbildung 14: Regulator-Gen

Abbildung 15: Genregulation bei Eukaryoten

Gentechnische MethodenLaufzeit: 8:10 min, 2009

Lernziele: - Verfahren der Biotechnologie von denen der Gentechnik bzw.

Gentechnologie unterscheiden können;- Die Vektor-Technik zum Gentransfer über Artengrenzen hinweg prinzipiell

verstehen;- Die beiden gentechnischen Diagnoseverfahren PCR & RFLP kennenlernen.

Inhalt:Der Film zeigt kurz Produktionsverfahren der Biotechnologie, die der Menschseit Urzeiten nutzt, ohne sich darüber immer bewusst gewesen zu sein. SolcheVerfahren wie Brotbacken, Bierbrauen oder Käseherstellung u.v.a.m. werdenbis heute immer weiter verfeinert, neue Verfahren werden entwickelt.

Von der Biotechnologie deutlich zu unterscheiden sind moderne Verfahren derGentechnik, die in das Erbgut von Organismen eingreifen, um bestimmteLeistungen bzw. Gene über Artengrenzen hinweg zu transferieren.Bekanntestes Beispiel ist wahrscheinlich die Produktion von Humaninsulin mitHilfe gentechnisch veränderter Escherichia-coli-Bakterien. Mit Hilfe der sog.Vektortechnik wurde dem Bakterium ein Gen implantiert, das es menschlichesInsulin produzieren lässt.

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Abbildung 16: Verfahren der Biotechnologie, Nutzung der Leistung von Kleinstorganismen

Ganz anders arbeitet die Gentechnik, wenn sie zur Identifikation einesIndividuums eingesetzt wird: Es geht um das Sichtbarmachen deseinzigartigen, sogenannten "genetischen Fingerabdrucks".Die genetische Diagnostik hat zum Beispiel die Aufgabe, fraglicheVaterschaften zu klären. Der Film zeigt in einer sehr stark vereinfachtenDarstellung das Prinzip des RFLP-Verfahrens:

(Zur Information: Die Abkürzung RFLP steht für "Restriktions-Fragment-Längen-Polymorphismus".)

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Abbildung 18: RFLP-Verfahren, Sondenmarkierung nicht codierender DNA-Abschnitte, z.B. für Vaterschaftstests

Abbildung 17: Gen für menschliches Insulin, "implantiert" in Bakterium

Das RFLP-Verfahren, gegebenenfalls unterstützt durch die PCR, erbringt einesehr hohe Identifikationsgenauigkeit. Die Chance, dass zwei Menschen einen identischen genetischenFingerabdruck haben, liegt bei weniger als 1 : 1.000.000.000 (eine Milliarde).

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Abbildung 19: PCR, Polymerase Chain Reaction

Abbildung 20: Der "genetische Fingerabdruck", ErbgutÜbereinstimmungen zwischen Mutter, Kind und Vater.