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Enzyme
Didaktische Hinweise
Das Niveau des fachwissenschaftlichen Inhaltes dieser Produktion ist für den naturwissenschaftlichen Unterricht ab Klasse 7 ausgelegt. Die Schülerinnen und Schüler beschäftigen sich zum ersten Mal in Zusammenhang mit Verdauung in der siebten Klasse mit dem Thema „Enzyme“. Sie verstehen die Verdauung der Nahrung als biochemischen Prozess, bei dem durch enzymatische Reaktionen resorbierbare Stoffe entstehen. So katalysiert etwa die a-Amylase den Abbau von Stärke zu Glucose. Ab der 9. Klasse werden Zusammenhänge von Struktur und Funktion erarbeitet. Die Schülerinnen und Schüler lernen den Ablauf enzymatischer Reaktionen kennen und können die Substrat- und Wirkungsspezifität von Enzymen erklären (Schlüssel-Schloss-Prinzip). Darüber hinaus begreifen sie, dass enzymatische Reaktionen von äußeren Bedingungen (Substratkonzentration, pH-Wert, Temperatur) abhängen. Durch die Betrachtung von Regulationsprozessen gewinnen die Schülerinnen und Schüler einen Einblick in die Wirkungsweise von Hemmstoffen.
Mit dem vorliegenden Film, den Sequenzen und dem Unterrichtsmaterial kann das Thema „Enzyme“ anschaulich und adressatengerecht behandelt werden.
Adressaten
Allgemeinbildende Schule (7 – 13)
Bezug zu Bildungsstandards
Fachwissen
Die Schülerinnen und Schüler
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können die Bedeutung der Proteine als Struktur- und Funktionsmoleküle des Lebens erläutern;
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beschreiben die Zusammensetzung von Enzymen aus Proteinen und erläutern ihre Struktur und Funktion sowie ihre Bedeutung als substrat- und wirkungsspezifische Biokatalysatoren bei Stoffwechselreaktionen.
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beschreiben den Ablauf einer enzymatischen Reaktion und erläutern den Einfluss eines Enzyms auf die Aktivierungsenergie und die Reaktionsgeschwindigkeit,
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beschreiben die Temperaturabhängigkeit der Enzymwirkung anhand der RGT-Regel und erläutern die thermische Instabilität von Proteinen durch Denaturierung,
Erkenntnisgewinnung
Die Schülerinnen und Schüler
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stellen Hypothesen zur Abhängigkeit der Enzymaktivität von verschiedenen Faktoren auf und überprüfen diese experimentell,
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beschreiben und erklären mithilfe geeigneter Modelle Enzymaktivität und Enzymhemmung.
Kommunikation
Die Schülerinnen und Schüler
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beschreiben und interpretieren Diagramme zu enzymatischen Reaktionen,
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erläutern grafische Darstellungen zur Abhängigkeit der Enzymwirkung von der Temperatur, dem pH-Wert sowie den Einfluss von Enzymgiften auf die Aktivität von Biokatalysatoren,
Bewertung
Die Schülerinnen und Schüler
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geben Bewertungskriterien für den Einsatz von Enzymen in biologisch-technischen Zusammenhängen an und wägen diese in Bezug auf konkrete Beispiele ab.
Einsatzmöglichkeiten der Produktion
Der Film mit den zugehörigen Materialien eignet sich als integraler Bestandteil einer Unterrichtseinheit zu Enzymen. Die einzelnen Filmsequenzen können kompakt oder begleitend zum Fachunterricht zum Einsatz kommen. Durch die zusätzlichen sequenzspezifischen und/oder Sequenz übergreifenden Arbeitsblätter können bestimmte Themen vertieft und gefestigt werden.
Der methodische Einsatz des Filmes sowie die Einbindung der sequenzspezifischen Arbeitsblätter lassen sich je nach Vorwissen und Fähigkeiten der Schüler verwenden. Grundsätzlich ist durch die Vielfalt an Materialien ein variabel unterrichtsangepasster und binnendifferenzierter Einsatz der Produktion möglich.
Zur Erarbeitung der Inhalte im Unterricht und für die Unterrichtsvorbereitung sowie zur Ergänzung und Vertiefung werden weitere Materialien (Arbeitsblätter mit Lösungen, Filmkommentar) als PDF-Dateien angeboten.
Die Arbeitsblätter liegen auch als Word-Dateien vor, sodass die Lehrkraft individuelle Anpassungen vornehmen kann. Diese Elemente ermöglichen zusätzliche Formen des schülerzentrierten Arbeitens.
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Die PDF-Dateien können direkt am Computer ausgefüllt, abgespeichert und ausgedruckt werden.
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Die Word-Dateien können bearbeitet und so individuell an die Unterrichtssituation angepasst werden.
Das Materialangebot eröffnet Chancen für einen schülerzentrierten und fächerübergreifenden Unterricht.
Inhalt
„Enzyme“ (Film 22 min)
Enzyme sind für den Stoffwechsel eines Organismus von entscheidender Bedeutung, etwa beim Aufbau von Körpersubstanz und bei der Energiegewinnung. Sie sind Katalysatoren und erhöhen die Reaktionsgeschwindigkeit der katalysierten Reaktionen. Im Film werden Aufbau und Wirkungsweise von Enzymen erläutert. Darüber hinaus zeigt die Produktion, wovon die Aktivität der Enzyme abhängig ist und visualisiert, wie verschiedene Hemmstoffe auf Enzyme einwirken.
Begleitend zum Film können die folgenden Arbeitsblätter Grafiken und Bilder zur inhaltlichen Aufarbeitung und Festigung eingesetzt werden:
Arbeitsblatt 1: Was sind Enzyme?
Arbeitsblatt 2: Der molekulare Aufbau von Enzymen (Sek I)
Arbeitsblatt 3: Der molekulare Aufbau von Enzymen (Sek II)
Arbeitsblatt 4: Die Funktionsweise von Enzymen
Arbeitsblatt 5: Die Enzymaktivität
Arbeitsblatt 6: Irreversible und reversible Hemmung von Enzymen
Bild 1: Aufbau von Enzymen
Bild 2: Enzym-Substrat-Komplex und Induced fit
Bild 3: Enzymaktivität
Bild 4: Irreversible und reversible Hemmung
Sequenzen
Der Film „Enzyme“ ist in sechs Sequenzen gegliedert, was einen flexiblen Einsatz der Materialien sowie eine unterschiedliche Schwerpunktlegung im Unterricht ermöglicht. Die jeweils ergänzenden Arbeitsblätter beziehen sich direkt auf diese Sequenzen.
Was sind Enzyme? (Sequenz 4:40 min)
Enzyme sind Biokatalysatoren. Sie setzten die Aktivierungsenergie von chemischen Reaktionen herab. Das beschleunigt die Reaktionsgeschwindigkeit. Die Energie, die bei der Reaktion frei wird, wird hiervon nicht beeinflusst.
Anhand des Arbeitsblatts „Was sind Enzyme?“ setzen sich die Schülerinnen und Schüler mit der Frage auseinander, was Biokatalysatoren sind und beschreiben den Ablauf einer enzymatischen Reaktion.
Arbeitsblatt 1: Was sind Enzyme?
Der molekulare Aufbau von Enzymen (Sequenz 2:10 min)
Enzyme sind Eiweißverbindungen und bestehen somit aus Aminosäuren. Die Reihenfolge der Aminosäuren in einem Protein bezeichnet man als Primärstruktur. Durch schwache Verbindungen innerhalb einer Polypeptidkette kommt es zur Ausbildung von α-Helices oder β-Faltblatt-Strukturen, der Sekundärstruktur. Die Interaktion der verschiedenen Strukturelemente führt zur Ausbildung der Raumstruktur eines Enzyms, die auch als Tertiärstruktur bezeichnet wird. Bei Enzymen, die aus mehreren Untereinheiten bestehen, bezeichnet man die übergeordnete Raumstruktur als Quartärstruktur. Die katalysierte Reaktion läuft am aktiven Zentrum der Enzyme ab, das aus wenigen Aminosäuren gebildet wird und eine charakteristische Form hat.
Das Arbeitsblatt „Der molekulare Aufbau von Enzymen“ wird für die Sekundarstufe I und II angeboten. Hierin wird der Aufbau von Enzymen wiederholt und näher auf den Aufbau der Enzyme aus Aminosäuren eingegangen.
Arbeitsblatt 2: Der molekulare Aufbau von Enzymen (Sek I)
Arbeitsblatt 3: Der molekulare Aufbau von Enzymen (Sek II)
Bild 1: Aufbau von Enzymen
Die Funktionsweise von Enzymen (Sequenz 2:10 min)
Der Ausgangsstoff einer katalysierten Reaktion, das Substrat, lagert sich an das aktive Zentrum des Enzyms an. Es entsteht der Enzym-Substrat-Komplex (Schlüssel-Schloss-Prinzip). Das Substrat wird zum Produkt umgewandelt und freigesetzt. Da das Enzym bei der Katalyse nicht verbraucht wird, steht es für viele Reaktionszyklen bereit. Eine Weiterentwicklung des Schlüssel-Schloss-Prinzips ist die Induced-Fit-Theorie: Durch die Substratbindung kommt es zu kleinen Konformationsänderungen im aktiven Zentrum des Enzyms. Erst durch diese passen Substrat und Enzym wie ein Schlüssel zum Schloss. Enzyme sind substrat- und wirkungsspezifisch, d. h. nur bestimmte Substrate können an das Enzym gebunden werden und nur eine bestimmte Reaktion wird durch das Enzym katalysiert.
Die Schülerinnen und Schüler können die Funktionsweise der Enzyme mithilfe des Arbeitsblatts „Die Funktionsweise von Enzymen“ wiederholen. Darüber hinaus beschäftigen sie sich damit, welche unterschiedlichen Enzymklassen es gibt und welche Reaktionen von ihnen katalysiert werden.
Arbeitsblatt 4: Die Funktionsweise von Enzymen
Bild 2: Enzym-Substrat-Komplex und Induced fit
Wo kommen Enzyme in unserem Körper vor? (Sequenz 1:50 min)
Enzyme kommen überall im Körper vor. Ein Beispiel, bei dem Enzyme frei beweglich innerhalb der
Zellen vorkommen, ist die Glykolyse. Bei diesem Stoffwechselweg wird Traubenzucker (Glucose) in zehn Schritten zu Pyruvat umgewandelt. Die a-Amylase hingegen ist ein Enzym, das außerhalb der Zellen vorkommt. Sie kommt im Mundspeichel und im Dünndarm vor und katalysiert den Abbau von Stärke.
Zellen vorkommen, ist die Glykolyse. Bei diesem Stoffwechselweg wird Traubenzucker (Glucose) in zehn Schritten zu Pyruvat umgewandelt. Die a-Amylase hingegen ist ein Enzym, das außerhalb der Zellen vorkommt. Sie kommt im Mundspeichel und im Dünndarm vor und katalysiert den Abbau von Stärke.
Wie schnell arbeiten Enzyme? (Sequenz 5:30 min)
Die Reaktionsgeschwindigkeit einer von einem Enzym katalysierten Reaktion ist höher als diejenige
einer nicht katalysierten Reaktion. Wie schnell und effektiv ein Enzym unter tatsächlichen Bedingungen im Organismus arbeitet, hängt von drei verschiedenen Faktoren ab: (1) der Substratmenge, (2) der Temperatur und (3) dem pH-Wert. Der Einfluss dieser Faktoren wird durch je einen Versuch demonstriert.
einer nicht katalysierten Reaktion. Wie schnell und effektiv ein Enzym unter tatsächlichen Bedingungen im Organismus arbeitet, hängt von drei verschiedenen Faktoren ab: (1) der Substratmenge, (2) der Temperatur und (3) dem pH-Wert. Der Einfluss dieser Faktoren wird durch je einen Versuch demonstriert.
Anhand des Arbeitsblatts „Die Enzymaktivität“ vertiefen die Schülerinnen und Schüler ihr Wissen bezüglich der Leistungsfähigkeit von Enzymen. Sie lernen die Michaelis-Menten-Gleichung kennen und setzen sich mit der Michaelis-Menten-Konstante auseinander.
Arbeitsblatt 5: Die Enzymaktivität
Bild 3: Enzymaktivität
Regulation und Hemmung der Enzymaktivität (Sequenz 5:20 min)
Die Enzymaktivität kann zum Beispiel durch Hemmstoffe gesteuert werden. Man unterscheidet zwischen den irreversiblen und der reversiblen Hemmung. Hemmstoffe wie Schwermetalle inaktivieren Enzyme dauerhaft. Kompetitive und nicht-kompetitive Hemmstoffe hingegen hemmen ein Enzym nur so lang, wie sie an das Enzym gebunden sind. Ein kompetitiver Hemmstoff konkurriert mit dem Substrat um das aktive Zentrum des Enzyms und ähnelt dem Substrat im molekularen Aufbau, wird jedoch nicht vom Enzym umgesetzt. Am Beispiel der Wirkung von Acetylsalicylsäure wird die Wirkung nicht-kompetitive Hemmstoffe erläutert. Nicht-kompetitive Hemmstoffe lagern sich nicht an das aktive Zentrum der Enzyme an, sondern an das allosterische Zentrum. Durch Wechselwirkungen mit diesen Hemmstoffen ändert sich die Struktur des aktiven Zentrums. Dadurch kann das Substrat nicht gebunden und umgesetzt werden.
Schließlich können die Schülerinnen und Schüler mithilfe des Arbeitsblattes „Irreversible und reversible Hemmung von Enzymen“ zeigen, dass sie die verschiedenen Hemmtypen verstehen.
Arbeitsblatt 6: Irreversible und reversible Hemmung von Enzymen
Bild 4: Irreversible und reversible Hemmung
Grafiken/Bilder
Die folgenden Bilder können zur inhaltlichen Aufarbeitung und Festigung des Themas „Enzyme“ eingesetzt werden:
Bild 1: Aufbau von Enzymen
Bild 2: Enzym-Substrat-Komplex und Induced fit
Bild 3: Enzymaktivität
Bild 4: Irreversible und reversible Hemmung
Produktionsangaben
Enzyme
Produktion
FWU Institut für Film und Bild, 2013
Konzept
Anne Köhler
Arbeitsmaterial
Anne Köhler
Schaub Daniel
Didaktische Fachberatung
Monique Meier
Pädagogischer Referent im FWU
Schaub Daniel
Produktionsangaben zum Film „Enzyme“
Produktion
Weichelt Film
im Auftrag des
FWU Institut für Film und Bild, 2013
Exposé
Meike Brinkmann
Buch und Regie
Stefan Weichelt
Kamera
Stefan Weichelt
Animationen
Stefan Weichelt
Schnitt
Stefan Weichelt
Sprecher
Andreas Karg
Fachberatung
Monique Meier
Redaktion
Schaub Daniel
Nur Bildstellen/Medienzentren:
öV zulässig
© 2013
FWU Institut für Film und Bild
in Wissenschaft und Unterricht
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Geiselgasteig
Bavariafilmplatz 3
D-82031 Grünwald
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