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Unterrichtsmaterialien in digitaler und in gedruckter Form Auszug aus: Das komplette Material finden Sie hier: © Copyright school-scout.de / e-learning-academy AG – Urheberrechtshinweis Alle Inhalte dieser Material-Vorschau sind urheberrechtlich geschützt. Das Urheberrecht liegt, soweit nicht ausdrücklich anders gekennzeichnet, bei school-scout.de / e- learning-academy AG. Wer diese Vorschauseiten unerlaubt kopiert oder verbreitet, macht sich gem. §§ 106 ff UrhG strafbar. Transportmechanismen an Biomembranen - mit einer Folienvorlage School-Scout.de

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Unterrichtsmaterialien in digitaler und in gedruckter Form

Auszug aus:

Das komplette Material finden Sie hier:

© Copyright school-scout.de / e-learning-academy AG – UrheberrechtshinweisAlle Inhalte dieser Material-Vorschau sind urheberrechtlich geschützt. Das Urheberrecht liegt, soweit nicht ausdrücklich anders gekennzeichnet, bei school-scout.de / e-

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Transportmechanismen an Biomembranen - mit einerFolienvorlage

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Verlauf Material LEK Glossar Mediothek

Transportmechanismen an Biomembranen

97 RAAbits Biologie Juni 2018

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Transportmechanismen an BiomembranenJudith Goecke, Trier

Bei akutem Durchfall sind oft schnell ver-fügbare Hausmittel gefragt. Dabei schwö-ren viele auf Salzstangen und Cola. Doch wie hilfreich sind diese Produkte eigent-lich bei Durchfall?

Dies untersuchen Ihre Schüler, indem Sie zunächst Hypothesen zur Wirksamkeit von Hausmittel gegen Durchfall aufstel-len. In einer Gruppenarbeit mit einem Galerierundgang lernen sie anschließend die verschiedenen Transportmechanis-men kennen. Dadurch können die zuvor aufgestellten Hypothesen im Anschluss von Ihrer Klasse verifiziert bzw. falsifi-ziert werden. In einem Kugellager werden außerdem die Endo- und die Exozytose als besondere Transportmechanismen an Biomembranen selbstständig erarbeitet.

Der Beitrag im Überblick

Niveau: Sekundarstufe II

Dauer: 6 Stunden

Der Beitrag enthält Materialien für:

Galerierundgang

Gruppenarbeit

Kugellager

Kompetenzen:

• Formulieren von Hypothesen über die Wirksamkeit von Cola und Salz-stangen gegen Durchfall (Diarrhö).

• Anhand von eigenständig erarbeite-ten Materialen die Funktion einzelner Stofftransportsysteme erklären kön-nen.

• Auf Basis der Funktionsweise von Stofftransportsystemen die Wirkung von Cola und Salzstangen gegen Durchfall erläutern können.

• Anhand des neu erworbenen Wissens weitere effektive „Haushaltsmittel“ gegen Durchfall ableiten.

Diese Einheit behandelt verschiedene Transportpro-zesse an Biomembranen, wie z. B. sekundär aktive Transportprozesse.

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Reihe 5 S 2

Verlauf Material LEK Glossar Mediothek

Transportmechanismen an Biomembranen

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Fachwissenschaftliche Orientierung

Aufbau von Biomembranen

Biomembranen sind Phospholipid-Doppelschichten, die über eine zähflüssige Konsis-tenz und eine selektive Durchlässigkeit verfügen. Ihre Konsistenz variiert in Abhängigkeit von der Temperatur. Das Cholesterin in Membranen tierischer Zellen bewirkt jedoch, dass ihr Flüssigkeitszustand bei Temperaturschwankungen weitgehend konstant bleibt.

Phospholipid-Doppelschichten setzen sich aus zwei übereinanderliegenden Schichten an Phospholipiden zusammen. Die hydrophilen Phosphatköpfchen liegen an der Mem-bran nach außen gerichtet, die lipophilen Fettsäurereste ragen in das Innere der Membran.

In die Membran sind integrale Proteine eingelagert, zu ihnen zählen auch die Trans-membranproteine, die die Membran komplett durchspannen. Periphere Proteine ste-hen mit der Membran nur locker in Kontakt. Membranproteine erfüllen verschiedene Aufgaben, wie den spezifischen Transport von polaren Molekülen und Ionen durch die Membran.

Kurze und verzweigte Kohlenhydratketten finden sich bevorzugt außen auf der Mem-bran, sie dienen u. a. der Zell-Zell-Erkennung. Ihre Gesamtheit wird als Glykokalyx bezeichnet.

Transportprozesse an Biomembranen

Transportprozesse durch Biomembranen werden in passive und aktive Systeme unter-schieden. Zu den passiven Prozessen gehören die freie Diffusion und die erleichterte Diffusion durch Kanäle oder über Carrier. Diese benötigen keine Energie, treibende Kraft ist allein das Konzentrationsgefälle des jeweiligen Substrates zwischen den bei-den Seiten der Membran. Es bestimmt sowohl die Richtung als auch die Geschwindigkeit der Diffusion.

• Die freie/einfache Diffusion ist ein wenig selektiver Vorgang der recht langsam verläuft. Hydrophobe Moleküle wie Kohlenstoffdioxid, Sauerstoff und bedingt auch Wasser können durch die selektiv permeable Membran hindurch diffundieren.

• Die erleichterte Diffusion durch Kanäle erfolgt über röhrenförmige Transmem-branproteine. Diese hydrophilen Durchgänge lassen Ionen und kleine Moleküle die Membran schnell passieren. Einige der Kanalproteine können über Signale geöffnet oder geschlossen werden. Des Weiteren sind sie, wie z. B. die Aquaporine, subst-ratspezifisch.

• Auch die erleichterte Diffusion über Carrier ermöglicht den beschleunigten Trans-port von polaren Molekülen und Ionen durch Biomembranen. Die Carrier (Transport-proteine) binden spezifische Substrate wie Fruktose, Proteine und Nukleotide auf einer Seite der Membran und geben sie auf der anderen Seite wieder frei.

Aktive Transportsysteme werden in primär und sekundär aktive Systeme unterschie-den. Beide pumpen Substrate unter Energieverbrauch von einem Bereich niedriger Konzentration zu einem Bereich höherer Konzentration und somit gegen deren Konzen-trationsgradienten. Diese Ionenpumpen werden als „ATPasen“ bezeichnet.

• Beispiele für den primär aktiven Stofftransport sind die Ca2+-ATPase, die K+-ATPase, die H+-ATPase und die Na+-K+-ATPase. Letztere transportiert unter Energie-verbrauch Kaliumionen gegen ihren Konzentrationsgradienten in Zellen hinein und im Gegenzug Natriumionen ebenfalls gegen ihren Konzentrationsgradienten aus Zellen heraus.

• In sekundär aktiven Transportprozessen werden Ionen zunächst gegen ihren Konzentrationsgradienten gepumpt. Anschließend diffundieren diese durch separate Transportproteine entlang ihres Konzentrationsgradienten zurück zu dem Bereich niedrigerer Konzentration. Diese „bergab“ verlaufende Diffusion wird mit dem „berg-

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Transportmechanismen an Biomembranen

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auf“- Transport einer anderen Substanz gekoppelt. Der Vorgang wird als Cotransport bezeichnet. Während beim Symport beide Substanzen in dieselbe Richtung transpor-tiert werden, verläuft der Transport beim Antiport in entgegengesetzte Richtungen. So wird beim Natrium-Glukose-Symport Natrium gegen den Konzentrationsgradien-ten aus der Zelle gepumpt und diffundiert anschließend in Kombination mit einem Glukosemolekül zurück. Ein weiteres Beispiel hierfür ist der Na+-Cl--Symport. Beim Antiport diffundiert Natrium zurück in die Zelle und Wasserstoff wird im Gegenzug aus ihr hinaus gepumpt.

Die Wirkung von Cola und Salzstangen

Sezernieren Drüsenzellen der Darmwand zu viel Wasser in das Darmlumen, kommt es zu Durchfall. Um diesem effektiv entgegenzuwirken, sollte dem Darmlumen das überflüssige Wasser entzogen werden. Die Glukosemoleküle aus der Saccharose der Cola werden in Kombination mit den Natriumionen des Salzes der Salzstangen über den Natrium-Glukose-Carrier des sekundär aktiven Transportsystems in die Darmwandzel-len transportiert. Aufgrund des osmotischen Drucks wird nun überschüssiges Wasser durch einfache Diffusion und über Aquaporine aus dem Darmlumen gezogen. Weitere Natriumionen gelangen mittels des Na+-Cl--Symports in die Darmwandzellen. Die Frukto-semoleküle aus der Saccharose diffundieren bis zu ihrem Konzentrationsausgleich in die Zelle. Beide Prozesse haben eine osmotische Wirkung und ziehen überschüssiges Wasser aus dem Darmlumen. Doch Achtung, „die Menge macht das Gift“. Gelangen zu hohe Mengen an Zucker in den Darm, kann dies eine Verschiebung des osmotischen Drucks zum Darmlumen hin zur Folge haben und somit den Durchfall verschlimmern. Bereits kleine Mengen an Cola enthalten enorm viel Saccharose. Das Natrium ersetzt Teile der verloren gegangenen Elektrolyte und kann vor allem in Kombination mit Glukose effek-tiv gegen Durchfall helfen. Allerdings entziehen auch zu hohe Salzmengen den Zellen zusätzliches Wasser.

Endo- und Exozytose

Durch die Endo- und Exozytose werden Makromoleküle mithilfe von Vesikeln in Zel-len hinein und heraus transportiert, für die andere Transportsysteme undurchlässig sind.

Bei der Exozytose wandern vom Golgi-Apparat abgeschnürt Transportvesikel zur Plas-mamembran. Sobald Vesikel und Membran sich berühren, verschmelzen beide miteinan-der und der Inhalt der Vesikel wird in die Umgebung der Zelle abgegeben. Sekretori-sche Zellen sezernieren durch diesen Vorgang die von ihnen synthetisierten Substanzen.

Durch die Endozytose nimmt die Zelle Makromoleküle auf, indem sie durch Einstül-pung der Plasmamembran neue Vesikel bildet, die Substanzen enthalten, welche sich zuvor außerhalb der Zelle befunden haben. Den Prozess der Endozytose gibt es in drei Formen: Phagocytose, Pinocytose und rezeptorvermittelte Endozytose.

Didaktisch-methodische Orientierung

LernvoraussetzungenGrundlage für die Erarbeitung dieser Unterrichtseinheit sind umfassende Kenntnisse zu den Themenbereichen der Osmose und Diffusion, sowie zum Aufbau von Biomem-branen. Die genannten Themen werden in dieser Unterrichtseinheit kurz wiederholt, allerdings nicht detailliert aufgegriffen.

Didaktisches Prinzip des problemorientierten Unterrichtes Die Unterrichtseinheit ist nach dem didaktischen Prinzip der Problemorientierung aufgebaut und entspricht dem Grundmuster des naturwissenschaftlichen Handelns. Zu der konkreten Fragestellung „Helfen Cola und Salzstangen gegen Durchfall?“ werden von den Lernenden zunächst Hypothesen aufgestellt. Im Anschluss an die Hypothe-senfindung wird der Lösung der Problemstellung auf den Grund gegangen. Nach

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Transportmechanismen an Biomembranen

einer kurzen Wiederholung des Aufbaus von Biomembranen erarbeiten die Lernen-den in einer arbeitsteiligen Gruppenarbeit die fünf typischen Transportprozesse durch Biomembranen. Die Gruppenergebnisse werden in einem Galerierundgang präsen-tiert. Abschließend wenden die Schülerinnen und Schüler ihr neu erworbenes Wissen zur eigenständigen Lösung der Problemstellung an und überprüfen die zu Beginn der Unterrichtseinheit aufgestellten Hypothesen. Auf diese Weise fördert problemorientiertes Lernen die Vernetzung von Wissen. Ergänzend erfolgt die Erarbeitung der Endo- und Exocytose durch die Kugellagermethode.

Die Methode “Galerierundgang“Beim Galerierundgang wandern die Lernenden wie in einer Bilder- oder Kunstgalerie von Station zu Station und hören sich die jeweils dazugehörige Präsentation der Mitschü-lerinnen und Mitschüler an. Dem eigentlichen Galerierundgang geht eine arbeitsteilige Gruppenarbeitsphase voraus, in welcher die Gruppen zu einzelnen Themenbereichen eines übergeordneten Rahmenthemas Präsentationen und Visualisierungen vorbereiten.

Die Vorzüge dieser Methode liegen darin, dass sowohl der Teamgeist gefördert wird, als auch alle Schülerinnen und Schüler im Verlauf des Galerierundgangs die Aufgabe des Präsentierens im kleinen Rahmen der Gruppe üben können.

Umsetzung im Unterricht

Zunächst erarbeiten die Lernenden in einer arbeitsteiligen Gruppenarbeit die fünf typischen Transportprozesse durch Biomembranen (M 3-M 7). Die Expertengruppen, die sich jeweils mit einem Transportsystem beschäftigen, sollten sich optimaler Weise aus fünf Schülerinnen und Schülern zusammensetzen. Nach Beendigung der etwa 30-minü-tigen Gruppenarbeitsphase, platzieren die Expertengruppen die von ihnen erstellten Visualisierungen (Plakate) an unterschiedlichen Stellen im Raum. Alle Gruppenmitglieder müssen nun in der Lage sein, die Arbeitsergebnisse zu präsentieren.

Für den nun folgenden Galerierundgang finden sich die Lernenden in fünf neuen Grup-pen zusammen, in denen sich zu jedem Transportsystem ein Experte befindet, der an der jeweils selbst erarbeiteten Station die Präsentation übernimmt. Für abweichende Schülerzahlen sind in der Erläuterung von M 3-M 7 mögliche Alternativen aufgeführt. Die Zuhörer sind für die ca. 10 minütigen Präsentationen mit einem Protokollbogen M 8 ausgestattet und machen sich an den jeweiligen Stationen Notizen. Der Galerierundgang ist beendet, wenn jede Gruppe alle fünf Stationen durchlaufen hat.

Hinweise zur Durchführung

Da bei dieser Methode mehrere Präsentationen gleichzeitig stattfinden, ist es möglich, dass vor allem in kleineren Räumen die Gruppen vor den einzelnen Präsentationsstän-den nicht ausreichend Platz zur Verfügung haben und/oder die Lautstärke die Lernenden beim aufmerksamen Zuhören und Mitarbeiten stört. Aus diesem Grund kann es sinnvoll sein, einen Teil des Galerieganges auf den Flur oder in freie Nebenräume zu verla-gern.

Die Methode Kugellager

Diese Methode dient dem Austausch von Ergebnissen. Sie fordert jede Schülerin und jeden Schüler auf, sich aktiv in das Unterrichtsgeschehen einzubringen und bietet die Möglichkeit, neu erschlossene Inhalte durch mehrfaches Erklären und Wiederholen, nachhaltig zu verstehen und zu festigen. Außerdem wird sichergestellt, dass sich die Lernenden intensiv mit den jeweiligen Inhalten auseinandersetzen und die Ergebnisse nicht nur voneinander abschreiben. Des Weiteren bietet die Methode den Lernenden durch den wechselseitigen Austausch der Inhalte mehrfach die Möglichkeit zur Selbst-kontrolle.

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Verlauf Material LEK Glossar Mediothek

Transportmechanismen an Biomembranen

Umsetzung im Unterricht

Zunächst erarbeitet die eine Hälfte der Lerngruppe das Arbeitsblatt M 11 (Experten A), die andere Hälfte das Arbeitsblatt M 12 (Experten B). Während der Erarbeitung der Materialen erstellen die Schülerinnen und Schüler Notizzettel, mit deren Hilfe sich die Lernenden ihre Ergebnisse im Anschluss gegenseitig präsentieren und austau-schen. Hierfür stellen sich die Schülerinnen und Schüler in einem Doppelkreis auf. Die eine Expertengruppe im inneren Kreis mit den Gesichtern nach außen und die andere Expertengruppe im äußeren Kreis, ihren Mitlernenden gegenüber. Nun erklärt Experte A die erarbeiteten Ergebnisse Experte B. B hört aufmerksam zu, notiert die Inhalte auf dem entsprechenden Notizzettel und stellt bei Bedarf Fragen. Auf ein Signal der Lehr-kraft rotieren die Kreise der Lernenden in entgegengesetzte Richtung bis jeweils zwei neue Schülerinnen und Schüler gegenüberstehen. Jetzt erklärt B die eben erschlossenen Inhalte A. A überprüft, korrigiert und unterstützt bei Bedarf. Im Anschluss wird der gesamte Prozess noch einmal durchlaufen, allerdings beginnt nun Experte B.

Hinweise zur Durchführung

Sollten sich die Lernenden nicht konzentrieren können, da jeweils die Hälfte der Ler-nenden gleichzeitig spricht, können sich die Schülerinnen und Schüler alternativ auch in wechselnden Zweierteams im Raum verteilen. Damit sich die Lernenden auch im Stehen Notizen machen können empfiehlt sich eine feste Unterlage wie ein Schreibblock.

Verlauf

Material Verlauf Stunde

M 1 Einstieg: Das Arbeitsblatt M 1 weckt das Interesse der Lernenden und motiviert sie zur engagierten Mitarbeit. Die Lernenden tragen ihnen bekannte Haushaltsmittel gegen Durchfall zusammen und formulieren im Anschluss begrün-dete Hypothesen, warum Cola und Salzstangen (nicht) gegen Durchfall helfen.

1

M 2 Erarbeitung: Wiederholung des Aufbaus von Biomembra-nen

In dieser Phase wiederholen die Lernenden den Aufbau von Biomembranen mithilfe des Arbeitsblattes M 2, der eine essentielle Grundlage für die sich anschließende Arbeitsphase darstellt.

M 3–M 7

M 8

M 9

Erarbeitung: Gruppenarbeit und Galerierundgang

Gruppenarbeitsphase: In dieser Phase erarbeiten die Ler-nenden die unterschiedlichen Transportsysteme an Biomemb-ranen und bereiten die Präsentation für den Galerierundgang vor.

Galerierundgang: Die Lernenden durchlaufen in Gruppen die vorbereiteten Galeriestände zu den unterschiedlichen Transportsystemen, einschließlich der dazugehörigen Präsen-tationen und machen sich anhand des Protokollbogens M 8 Notizen.

Zur Besprechung legen Sie Farbfolie M 9 auf, auf der alle Transportprozesse an Biomembranen in Farbe dargestellt sind.

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Material LEK Glossar Mediothek

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Transportmechanismen an Biomembranen

VerlaufReihe 5 S 6

M 10 Anwendung: Die Lernenden leiten mit dem Arbeitsblatt M 10 anhand ihres neu erworbenen Wissens die Antwort auf die Ausgangsproblemstellung der Unterrichtseinheit ab. Anschlie-ßend erfolgt die Verifizierung oder Falsifizierung der vorab aufgestellten Hypothesen.

Optional kann hier die Analyse weiterer, zu Beginn der Ein-heit benannter und gesammelter Haushaltsmittel erfolgen.

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M 11–M 12 Erarbeitung: Die Lernenden ergänzen die nun bekannten Transportsysteme durch die Endo- und Exozytose mit der Kugellagermethode.

5–6

Minimalplan

Bei Zeitmangel kann M 2 als Hausaufgaben aufgegeben oder bei entsprechenden Vorkenntnissen der Lernenden auch übersprungen werden. Ebenso können M 11 und M 12 als arbeitsteilige Hausaufgabe erarbeitet werden. Der Austausch der Ergebnisse könnte in einer kurzen Phase in Zweierteams zu Beginn der folgenden Unterricht-stunde erfolgen.

MaterialübersichtMaterial für den Einstieg:

M 1 (Ab) „Haushaltsmittel“ gegen Durchfall – Hypothesenfindung

Material zur Wiederholung des Aufbaus von Biomembranen:

M 2 (Ab) Der Aufbau von Biomembranen – eine Wiederholung

Material zur Durchführung der Gruppenarbeit mit anschließendem Galerierundgang:

M 3 (Tx) Freie oder auch einfache Diffusion

M 4 (Tx) Erleichterte Diffusion durch Kanäle

M 5 (Tx) Erleichterte Diffusion über Carrier

M 6 (Tx) Primär aktive Transportprozesse

M 7 (Tx) Sekundär aktive Transportprozesse

M 8 (Ab) Übersicht: Stofftransportprozesse

M 9 (FO) Die Stofftransportprozesse an Biomembranen

M 10 (Ab) Die Wirkung von Cola und Salzstangen im Darm

Material zur Durchführung der Endo- und Exozytose:

M 11 (Tx) Endozytose oder Exozytose? (A)

M 12 (Tx) Endozytose oder Exozytose? (B)

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