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Description

Biomembranen – Schülerversuche zu Aufbau und Eigenschaften von Marion Ziemann

© Thinkstock/iStock

Die hier vorliegende Unterrichtsreihe ist ein schülerzentrierter Dreisprung mit dem Ziel, den Aufbau der Biomembranen zu erfassen. Damit wird eine Grundlage gelegt, physiologische Vorgänge zu verstehen, die Rolle der Membran als selektives Tor für Transportmechanismen zu erkennen und damit Steuerungs- und Regelungsprinzipien zu erfassen.

Impressum RAABE UNTERRICHTS-MATERIALIEN Biologie Sek. II Das Werk, einschließlich seiner Teile, ist urheberrechtlich geschützt. Es ist gemäß § 60b UrhG hergestellt und ausschließlich zur Veranschaulichung des Unterrichts und der Lehre an Bildungseinrichtungen bestimmt. Die Dr. Josef Raabe Verlags-GmbH erteilt Ihnen für das Werk das einfache, nicht übertragbare Recht zur Nutzung für den persönlichen Gebrauch gemäß vorgenannter Zweckbestimmung. Unter Einhaltung der Nutzungsbedingungen sind Sie berechtigt, das Werk zum persönlichen Gebrauch gemäß vorgenannter Zweckbestimmung in Klassensatzstärke zu vervielfältigen. Jede darüber hinausgehende Verwertung ist ohne Zustimmung des Verlages unzulässig und strafbar. Hinweis zu §§ 60a, 60b UrhG: Das Werk oder Teile hiervon dürfen nicht ohne eine solche Einwilligung an Schulen oder in Unterrichts- und Lehrmedien (§ 60b Abs. 3 UrhG) vervielfältigt, insbesondere kopiert oder eingescannt, verbreitet oder in ein Netzwerk eingestellt oder sonst öffentlich zugänglich gemacht oder wiedergegeben werden. Dies gilt auch für Intranets von Schulen und sonstigen Bildungseinrichtungen. Die Aufführung abgedruckter musikalischer Werke ist ggf. GEMA-meldeplichtig. Für jedes Material wurden Fremdrechte recherchiert und ggf. angefragt.

Dr. Josef Raabe Verlags-GmbH Ein Unternehmen der Klett-Gruppe Rotebühlstraße 77 70178 Stuttgart Telefon +49 711 62900-0 Fax +49 711 62900-60 [email protected] www.raabe.de Redaktion: Anne Zörlein Satz: Röser MEDIA GmbH & Co. KG, Karlsruhe Bildnachweis Titel: © Thinkstock/iStock Illustrationen: Hans Schumacher Korrektorat: Josef Mayer

C.1.31

Biomembranen – Schülerversuche zu Aufbau und Eigenschaften Niveau: grundlegend, weiterführend

© RAABE 2019

von Marion Ziemann

Methodisch-didaktische Hinweise

1

M 1: Wasser und Fett lassen sich nicht vermischen?

5

M 2: Herstellung einer Hautcreme

8

M 3: Aufbau von Biomembran – Lipide

10

M 4: Aufbau von Biomembran – Proteine

12

M 5: Struktur von Biomembranen

14

M 5a: Gruppe A – Phospholipide

14

M 5b: Gruppe B – Proteine

15

M 5c: Gruppe C – Bedingungen im wässrigen Milieu

16

M 5d: Gruppe D – Die Biomembran

17

M 6 Lernerfolgskontrolle zum Aufbau der Biomembran

18

Lösungen

19

RAABE UNTERRICHTS-MATERIALIEN Biologie Sek. II

C.1.31

Kompetenz

Anforderungsbereich

Basiskonzept

Material

Fachwissen, Erkenntnisgewinnung

II

Struktur und Funktion, Kompartimentierung

M1

Fachwissen, Erkenntnisgewinnung, Kommunikation

I/III

Struktur und Funktion, Kompartimentierung

M 3/4

Fachwissen, Erkenntnisgewinnung, Kommunikation

II/III

Struktur und Funktion, Kompartimentierung

M5

Fachwissen

I/II

Struktur und Funktion, Kompartimentierung

M6

RAABE UNTERRICHTS-MATERIALIEN Biologie Sek. II

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Kompetenzprofil:

C.1.31

Überblick: Legende der Abkürzungen: AB: Arbeitsblatt EA: Einzelarbeit HA: Hausaufgabe GP: Gruppenpuzzle LV: Lehrervortrag MK: Modellkonstruktion SV: Schülerversuch UG: Unterrichtsgespräch Inhaltliche Stichpunkte

GA: Gruppenarbeit LEK: Lernerfolgskontrolle PL: Plenum

Material

M 1/2 Emulgatoren, Fett, Öl, Wasser, Fettsäure, Glyzerin, unpolar, polar, hydrophil, -phob, lipophil, -phob, Emulsion

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Biomembran, Lipid, Protein

M 3/4

Methode AB, EA, PL, SV

AB, GA, SV

Biomembran, Phospholipid, Protein, Membranprotein, Wasserstoffbrücken, Lipiddoppelschicht

M5

EA, GA, GP, HA, LV, MK, PL, UG

unpolar, polar, hydrophil, -phob, lipophil, -phob, Biomembran, Lipid, Protein, Phospholipid, Membranprotein, Lipiddoppelschicht, Kanalprotein

M6

LEK

RAABE UNTERRICHTS-MATERIALIEN Biologie Sek. II

C.1.31  Biomembran  Zell- und Entwicklungsbiologie

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Biomembranen – Schülerversuche zu Aufbau und Eigenschaften Methodisch-didaktische Hinweise Die hier vorliegende Unterrichtsreihe ist ein schülerzentrierter Dreisprung mit dem Ziel, den Aufbau der Biomembranen zu verstehen. Damit wird eine Grundlage gelegt, physiologische Vorgänge zu verstehen, die Rolle der Membran als selektives Tor für Transportmechanismen zu erkennen und damit Steuerungs- und Regelungsprinzipien zu erfassen. Der erste Unterrichtsabschnitt führt zum grundsätzlichen modellhaften Verstehen der Rolle von Emulgatoren. Im folgenden Schülerexperiment wird eine Hautcreme produziert. Zum Einstieg dienen Beispiele unserer Lebenswelt, in denen sehr wohl Fett und Wasser stabil gemischt vorliegen. Werden die Arbeitsblätter als vorbereitende Hausaufgabe bearbeitet, können die Auswertung und die Cremeherstellung in einer Unterrichts© RAABE 2019

stunde erfolgen. Im zweiten Teil erarbeiten die Schülerinnen und Schüler (SuS) arbeitsteilig grundsätzliche Aussagen zum Aufbau der Biomembranen. In den Versuchen mit Rotkohl wird gezeigt, dass der Farbstoff in Rotkohlzellen aus den Zellvakuolen freigesetzt wird, wenn die Membranen mithilfe von Basen und Säuren zerstört werden. Die SuS stellen fest, dass Basen Fett und Säuren Eiweiße zerstören. Biomembranen müssen also Fette wie auch Eiweiße enthalten. Für diese Versuche können Spülmittel sowie verdünnte Zitronensäure genutzt werden. Im dritten Teil enträtseln die SuS den Feinbau der Membran und erstellen ein Modell, in dem sie selbst die Bausteine sind. Die Unterrichtsmethode ist ein Gruppenpuzzle mit vier Expertengruppen (A–D) die jeweils in Nummerngruppen mit mindestens einem Experten aus jeder Gruppe eingeteilt sind. Die Ergebnisse der vier Gruppen werden an der Tafel festgehalten.

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Abb.: Biomembranmodell durch Schüler dargestellt (Grafik: Hans Schumacher)

Abb.: Beispielhafte T-Shirts für Phospholipide (links: Rückseite, rechts: Vorderseite); Foto: Marion Ziemann

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Ablauf Stunde

Unterrichtsschritte und -materialien

1

Wasser und Fett lassen sich nicht vermischen?

2

Herstellung einer Hautcreme Materialien pro Gruppe: • 1 Herd oder Plattenkocher oder Gasbrenner mit Dreifuß und Drahtnetz • 1 Kochtopf für das Wasserbad • Bechergläser • 1 Digitalwaage • Kuchengabeln/Kaffeelöffel aus dem Lehrerzimmer, aus Hygienegründen keine Rührstäbchen aus der Sammlung • 1 Messzylinder • Filterpapier/Lappen als Unterlage • 1 Thermometer Materialien pro Schüler: • 1 kleines Einweckglas mit Schraubdeckel • Etikett zur Beschriftung Inhaltsstoffe: • dest. Wasser • Bienenwachs • Sesamöl • Emulgin-Pellets • Cetylalkohol • Tegomuls • Biogard 221 • Aloe vera • Duftstoffe falls gewünscht (Achtung: nur Öle!)

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3

Aufbau von Biomembranen – Lipide und Proteine Materialien pro Gruppe: • Reagenzgläser • Reagenzglasständer • Messer/Schere • Seifenlösung • Wasser • Öl • Rotkohlblätter • Säure • Rote Gelatineblätter

4

Struktur der Biomembran

Struktur von Biomembran – Gruppenpuzzle Phase 1: Individuelle Erarbeitung Phase 2: Expertenrunde Phase 3: Vermittlung in den Nummerngruppen Phase 4: Klärung letzter Wissenslücken in den Expertengruppen, Klärung in den Nummerngruppen Falls notwendig: Phase 5: Sicherung: Arbeitsauftrag in die Anfangsgruppen, jeweils einen Membranabschnitt als Modell zu fertigen, die Schüler stellen die Bausteine dar Material: je 4er-Gruppe  3 T-Shirts (2 Phospholipide, 1 Protein) und 1 Hut (Wasser) Vertiefung: Aus diesen Modellabschnitten wird ein größeres Stück Membranmodell aufgestellt Sicherung: einzelne Schüler/Modellteile beschreiben ihre Position zueinander

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Problemgewinnung: Präsentation der Versuchsergebnisse der letzten Stunde (Rotkohl in Spülmittellösung sowie in Säure) Problemformulierung: „Wie ist die Membran aus Fett und Eiweiß aufgebaut?“  Sammlung von Vermutungen

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M 1 Wasser und Fett lassen sich nicht vermischen?

Hautcreme (30 % Fett)

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Öl in Wasser

Schlagsahne (30 % Fett und 60 % Wasser) Milch (3,5 % Fett und 87 % Wasser) Fotos: © Thinkstock/iStock

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Fett- und Öl-Moleküle sind nicht polar und werden von polaren Wassermolekülen abgestoßen.

Glyzerin

Fettsäure 1 δ–

Fettsäure 2

δ+

Fettsäure 3

unpolar

polar

Abb. 1: Struktur und Polarität eines Triglyzerids (Fett) bestehend aus Glyzerin und drei langkettigen Fettsäuren (links); Polarität von H2O-Molekülen (rechts)

O

H

C2

C3

C4

C5

C6

C7

C8

C9 C10 C11 C12 C13 C14 C15 C16

O

polar

unpolar

Abb. 2: Molekül der Palmitin(fett)säure mit dem kleinen, polaren Kopf und der langen unpolaren Schwanz von Kohlenwasserstoffen

hydro-

griechisch hýdor = Wasser

lipo-

griechisch lípos = Fett

-phob

griechisch phóbos = Furcht

-phil

griechisch philos = liebend, Freund

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C1

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Je mehr Fettsäuren an ein Glyzerinmole-

Triglyzerid Fettsäure 1

heißt Ester), desto geringer hydrophil wird diese Verbindung. Dabei haben Di- und Monoglyzeride noch einen hydrophilen

Glyzerin

kül gebunden sind (diese Verbindung

Fettsäure 2 Fettsäure 3

und einen hydrophoben Anteil. Diglyzerid

Di- und Monoglyzeride wirken als Emul-

Fettsäure 1

Wasser und Fett, und kommen natürlich z.B. in Milch sowie Eigelb vor. Sie dienen dazu, zwei nicht miteinander mischbare

Glyzerin

gatoren, das heißt als Hilfsstoff zwischen

OH

Flüssigkeiten, wie zum Beispiel Öl und Wasser, zu einem fein verteilten Gemisch,

Monoglyzerid Fettsäure 1

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Milch, Körperlotion etc. sehen

Glyzerin

der sogenannten Emulsion, zu vermengen und zu stabilisieren.

Fettsäure 2

OH

OH weiß aus, da sich das Licht an vie- Hydrophilie len kleinen Fetttröpfchen bricht. Abb. 3: mit steigender Anzahl der Fettsäuren fällt die Hydrophilie Aufgaben

1. Entwickeln Sie eine modellhafte Lösung für die Vermittlerrolle des Emulgators und erklären Sie, wie dieser hilft, Fette und Wasser zu vermischen. Stellen Sie Ihre Antwort graisch dar. 2. Erläutern Sie, welche Konsequenzen sich aus diesen Tatsachen für die Herstellung von Cremes und Salben ergeben.

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M 2 Herstellung einer Hautcreme

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Chemikalien für ca. 30 ml Creme • wässrige Phase: – 20 ml dest. Wasser • Fettphase: – 2 g Bienenwachs – 8 g Sesamöl – 4 g Emulgin-Pellets – 1 g Cetylalkohol – 4 g Tegomuls • Zusatzstoffe: – 5 Tropfen Biogard 221 (konserviert für ca. 8 Monate) – 8 Tropfen Aloe vera

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Materialien • 1 Herd oder Plattenkocher • 1 Kochtopf für das Wasserbad • 1 Digitalwaage • Bechergläser • Filterpapier/Lappen als Unterlage • 1 Thermometer • Pro Schüler ein kleines Einweckgläschen mit Schraubverschluss • Tiegelzangen • Kuchengabeln oder Teelöffel zum Rühren • 1 Messzylinder (20 ml)

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Versuchsdurchführung 1. Lesen Sie die Anleitung für die Herstellung der Creme durch und planen Sie Ihr Vorgehen. Tipp: Arbeiten Sie mit sauberen Händen, um Verkeimung zu vermeiden. 2. Messen Sie in einem Becherglas die Wasserphase ab und erhitzen Sie diese auf ca. 70 bis 80°C, oder erhitzen Sie das Wasser in einem Wasserkocher, gießen 20 ml in ein Becherglas und warten, bis die Temperatur etwa auf 70°C abgesunken ist. Wiegen Sie in dem Einweckgläschen die Fettphase ab und erhitzen Sie diese im Wasserbad auf 70°C (oder: so lange erhitzen, bis alle festen Teile geschmolzen sind).

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3. Rühren Sie die Wasserphase tropfenweise in die Fettphase ein und so lange weiter, bis die Masse zählüssig wird. Rühren Sie dann Zusatzstoffe in die handwarme Mischung ein, denn diese Stoffe sind nicht hitzebeständig. 4. Verschließen Sie das Gläschen mit einem Deckel, damit keine Keime aus der Luft in die Creme gelangen können. Die Creme dickt in den nächsten Stunden noch etwas ein. Beschriften Sie Ihre Handcreme mit dem Haltbarkeitsdatum.

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M 3 Aufbau von Biomembran – Lipide

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Materialien/Chemikalien • Reagenzgläser • Reagenzglasständer • Messer/Schere • Seifenlösung • Wasser • Öl • Rotkohlblätter

Blattzellen des Rotkohls haben Vakuolen, die einen roten Farbstoff enthalten.

Versuchsdurchführung

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1. Schneiden Sie von dem Rotkohlblatt 2Stückchen in der Größe (etwa) 3cm*1cm ab. Spülen Sie diese Stückchen unter ließendem Wasser gut ab und bedecken Sie sie dann in den Reagenzgläsern a) mit Wasser und b) mit Seifenlösung. Schütteln Sie die Reagenzgläser kurz und stellen Sie sie dann hin.

2. Geben Sie einige Tropfen Öl in ein Reagenzglas. Fügen Sie a) Wasser und b) Seifenlösung hinzu. Schütteln Sie die Reagenzgläser kurz und stellen Sie sie dann hin.

Aufgaben 1. Dokumentieren Sie Ihre Beobachtungen. 2. Interpretieren Sie Ihre Ergebnisse.

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Versuchsansatz

Beobachtung

Rotkohl + Wasser

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Rotkohl + Seifenlösung

Öl + Wasser

Öl + Seifenlösung

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M 4 Aufbau von Biomembran – Proteine

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Materialien/Chemikalien • Reagenzgläser • Reagenzglasständer • Messer/Schere • Wasser • Säure • Rotkohlblätter • Gelatine

Blattzellen des Rotkohls haben Vakuolen, die einen roten Farbstoff enthalten.

Versuchsdurchführung

© RAABE 2019

1. Schneiden Sie von dem Rotkohlblatt 2Stückchen in der Größe (etwa) 3cm*1cm ab. Spülen Sie diese Stückchen unter ließendem Wasser gut ab und bedecken Sie sie dann in den Reagenzgläsern a) mit Wasser und b) mit Säure. Schütteln Sie die Reagenzgläser kurz und stellen Sie sie dann hin. 2. Schneiden Sie von den Gelatineblättern 6Streifen (ca. 2–3mm breit) ab. Bedecken Sie jeweils 3 a) mit Wasser und b) mit Säure. Schütteln Sie die Reagenzgläser kurz und stellen Sie sie dann für 10Minuten hin.

Aufgaben 1. Dokumentieren Sie Ihre Beobachtungen. 2. Interpretieren Sie Ihre Ergebnisse. Zusammensetzung von Gelatine Analyse per/analysis per/analyse pour Brenntwert/energy value/valeur énergé: Eiweiß/protein/protéines: Kohlenhydrate/carbohydrates/hydrates de carbone: Fett/fat/lipides:

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100 g 1.462 kJ (344 kcal) 86,0 g < 0,1 g < 0,1 g

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Versuchsansatz

Beobachtung

Rotkohl + Wasser

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Rotkohl + Säure

Gelatine + Wasser

Gelatine + Säure

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M 5 Struktur von Biomembranen – Gruppenpuzzle

Glyzerin

M 5a Gruppe A – Phospholipide Fettsäure 1

Biomembran:

Fettsäure 2

Zellen wie auch Zellorganellen umgibt. Triglyzeride (Fette und Öle):

Fettsäure 3

Membran, die sowohl

Eine Gruppe der Lipide. Abb. 4: Struktur von Triglyzeriden (unpolar)

Abb. 5: Struktur und Eigenschaften eines Phospholipids (Kalottenmodell: Wikimedia, gemeinfrei gestellt)

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Hydrophiler Kopf

Glyzerin Phosphat Cholin

Die als Baustoffe in den Biomembranen vorkommenden Phospholipide zeigen andere Eigenschaften als Triglyzeride:

Fettsäuren

Hydrophober Schwanz Kalottenmodell

Phospholipidsymbol

Aufgabe Erklären Sie Ihrer Gruppe die Besonderheiten des Phospholipids im Vergleich zu Lipiden auf der Ebene des Phospholipidsymbols (Abb. 5). Fassen Sie Ihr Ergebnis in einem kurzen Antwortsatz zusammen. RAABE UNTERRICHTS-MATERIALIEN Biologie Sek. II

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M 5b Gruppe B – Proteine Proteine sind Makromoleküle (sehr große Moleküle), die aus vielen verschiedenen Aminosäuren aufgebaut sind. Sie erfüllen die verschiedensten Aufgaben. Protein

polar

unpolar

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polar

Grafiken: Hans Schumacher

Wassermolekül

Abb. 6: Protein des Zytoplasmas mit pola- Abb. 7: Membranprotein mit unpolarer rer Oberfläche (hydrophil) Mitte und polaren Enden

Aufgabe Leiten Sie aus diesen Befunden die mögliche Position der Membranproteine in der Biomembran ab. Ergänzen Sie das Membranprotein in der Biomembran in der Skizze (Abb.8). Erklären Sie Ihrer Gruppe Ihre Überlegungen. Beziehen Sie in Ihre Überlegungen die Versuchsergebnisse aus Material3 und 4 mit ein. Säure zerstört Membranproteine und Zellinhaltsstoffe treten aus.

Zelle

Biomembran

Abb. 8: Schematische Darstellung einer Zelle mit Biomembran RAABE UNTERRICHTS-MATERIALIEN Biologie Sek. II

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