FWU-Klassiker Biomoleküle Proteine

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1 FWU Schule und Unterricht DVD min, Farbe FWU-Klassiker Biomoleküle Proteine 4 Kurzfilme FWU das Medieninstitut der Länder 00

2 Lernziele nach Lehrplänen und Schul - büchern Die Schüler sind sich der Bedeutung von Proteinen in der Natur bewusst. Sie lernen die Aminosäuren als Bausteine der Proteine kennen und sind mit deren allgemeinen, molekularen Bau vertraut. Sie wissen, dass sich die verschiedenen Aminosäuren im Bau ihrer Seitenketten unterscheiden und können anhand ausgewählter Aminosäuren die Bedeutung dieser Seitenketten für den dreidimensionalen Bau von Proteinen darlegen. Die Schüler können die Chemie der Kondensation zu Dipeptiden und Polypeptiden nachvollziehen. Sie können den Begriffen Primär-, Sekundärund Tertiärstruktur die entsprechenden Organisationsebenen eines Proteins zuordnen. Sie kennen den Bau von Faltblatt- und Helix- Struktur und sie erfassen die unterschiedlichen Kräfte, die für die Stabilisierung des dreidimensionalen Baus eines Proteins verantwortlich sind. Vorkenntnisse Für den Kurzfilm 1 sind keine chemischen Vorkenntnisse erforderlich. Eine grobe Vorstellung vom diskontinuierlichen Aufbau der Stoffe, des Aufbaus von Molekülen aus Atomen und von grundlegenden Prozessen im menschlichen Körper ist hilfreich. Die Kurzfilme 2, 3 und 4 setzen Kenntnisse der Nomenklatur und des Baus verschiedener funktioneller Gruppen wie Carboxy-, Amino-, und Mehthyl-Gruppe sowie einfacher chemischer Reaktionen und die Grundlagen des Säure- und Basen-Begriffs (nach Brönstedt) voraus. Für Kurzfilm 4 sind darüber hinaus Vorkenntnisse von möglichen Bindungsarten innerhalb und zwischen den Molekülen (atomare Bindungen, Wasserstoffbrücken, vander-waals-kräfte, elektrostatische Anziehung) notwendig. Zum Inhalt 1. Bedeutung der Proteine Schleiereulen brüten im Frühjahr 30 Tage lang vier bis sieben Eier aus. In diesen Eiern sind neben Proteinen als Nährstoffe auch Fette und Kohlenhydrate eingelagert und darüber hinaus Vitamine, Mineralstoffe und Wasser. Dieser Nahrungsvorrat reicht den sich im Ei entwickelnden Jungvögeln bis sie schlüpfen. Im Wachstum sind Proteine besonders wichtig und müssen in relativ großen Mengen mit der Nahrung aufgenommen werden, denn Proteine erfüllen wichtige Aufgaben im Körper: Bei den Vögeln bilden sie Federn, Schnäbel und Krallen. Ganz allgemein sind sie am Aufbau der Zellen beteiligt, ermöglichen die Informationsvermittlung zwischen den Nerven und steuern als Hormone Vorgänge im Körper; als Enzyme beschleunigen sie chemische Reaktionen im Körper, sie sind am Transport von Stoffen beteiligt und helfen als Antikörper bei der Bekämpfung von Krankheitserregern. Bausteine der Proteine sind Aminosäuren, die in einer langen Kette miteinander verbunden sind. Die Aminosäuren wiederum sind aus Kohlenstoff-, Wasserstoff-, Sauerstoff-, Stickstoff- und Schwefel-Atomen aufgebaut. 2. Aminosäuren: Bausteine der Proteine Dichte Unterwolle und die bis zu 90 cm langen Deckhaare schützen die Moschusochsen vor dem arktischen Winter. Haare, wie auch Hörner und Hufe sind aus Proteinen aufgebaut. Die Grundbausteine der Proteine sind die Aminosäuren. Animationen zeigen den molekularen Aufbau einer Aminosäure. Die Carboxy-Gruppe und die Amino-Gruppe und deren saurer 2

3 bzw. basischer Charakter (Protonenabgabe bzw.-aufnahme) werden visualisiert. Die weiteren Bindungen des α-c-atoms (hier nicht als α bezeichnet) zu einem Wasserstoffatom und zu einer variablen Seitengruppe, dem Rest, werden herausgestellt. Zwei Aminosäuren verbinden sich unter Wasserabspaltung zu einem Dipeptid. Die Atome der Peptideinheit liegen in einer Ebene. Durch die Bindung weiterer Aminosäuren entsteht ein Polypeptid. Kann das Polypeptid durch seine ganz bestimmte dreidimensionale Form eine bestimmte Funktion ausfüllen, so spricht man von einem Protein. Als Protein ist modellhaft die Ribonuklease, ein Verdauungsenzym der Bauchspeicheldrüse, dargestellt. 3. Primärstruktur Als Primärstruktur bezeichnet man die Reihenfolge, in der die Aminosäure-Moleküle miteinander verbunden sind. In der Natur werden Proteine aus 20 verschiedenen Aminosäuren aufgebaut. Für ein Polypeptid aus 100 Aminosäuren bestehen daher , das sind mögliche Primärstrukturen. Dies ist Grundlage für die Vielfalt der Aufgaben, die Proteine in der Natur erfüllen können. Aminosäuren unterscheiden sich in Bau und Eigenschaft ihrer als Rest bezeichneten Seitenketten. Als Aminosäuren mit unpolaren, also hydrophoben Seitenketten werden Glycin, Alanin, Valin und Phenylalanin vorgestellt, als Aminosäuren mit hydrophilen Seitenketten Serin, Asparaginsäure und Lysin. Auch Cystein als Aminosäure mit einem Sulfid-Rest und die Verbindung zweier Cystein-Moleküle zu Cystin werden gezeigt. 4. Sekundärstruktur und Tertiärstruktur Es sind zwei regelmäßige Sekundärstrukturen zu beschreiben, die Faltblatt- und die Helixstruktur: Seide, wie sie in den Spinnennetzen verarbeitet ist, besteht zu einem Teil aus Polypeptid-Ketten, die sich in der gleichmäßigen Faltblattstruktur antiparallel aneinanderlegen. Die Faltung entsteht durch die tetraedische Anordnung der Bindungspartner am α-c-atom. Die an der Peptidbindung beteiligten Atome liegen in einer Ebene. Die Reste der Aminosäuren liegen oberhalb und unterhalb des gedachten Faltblattes. Die Position der benachbarten Aminosäure-Ketten wird durch Wasserstoffbrücken zwischen Carbonyl- Gruppen und Amino-Gruppen stabilisiert. Neben der Faltblattstruktur kommt in vielen Proteinen, wie auch in der Ribonuklease, noch eine weitere Form von regelmäßiger Sekundärstruktur vor, die schraubenförmige Helix. Die Reste der Aminosäuren stehen bei der Helix-Struktur nach außen und sind für die Löslichkeit im umgebenden Medium verantwortlich. Stabilisiert wird die Helix-Struktur durch Wasserstoffbrücken, die jede Amino-Gruppe mit einer vier Aminosäuren weiter liegenden Carbonyl-Gruppe innerhalb desselben Polypeptidstranges ausbildet. Bei komplexeren Proteinen gehören zum allgemeinen dreidimensionalen Bau auch ungeordnete Bereiche und Schleifen. Für die Stabilisierung der dreidimensionalen Form sind neben Wasserstoffbrücken auch noch andere Anziehungskräfte verantwortlich: zum Beispiel die elektrostatischen Anziehungskräfte zwischen gegensätzlich geladenen Resten, wie zwischen der negativ geladenen Carboxylat-Gruppe der Asparaginsäuremoleküle und dem positiv geladenen Ammonium-Ion von Lysin- 3

4 molekülen. Oder die van-der-waals-kräfte, die zwischen Seitenketten mit längeren Kohlenwasserstoffketten oder aromatischen Ringen wirken, wie zwischen den Resten zweier Phenylalanin-Moleküle. Zwei Cystein-Moleküle bilden eine besonders stabile Bindung, eine Disulfid-Bindung, aus. Sie verbinden sich zu Cystin. Die korrekte Struktur von Proteinen kann sich nur ausbilden, wenn alle dafür benötigten Aminosäuren in ausreichender Menge zur Verfügung stehen. Da Vögel genauso wie Säugetiere einige Aminosäuren nicht im Körper selbst herstellen können, müssen sie die so genannten essenziellen Aminosäuren mit der Nahrung aufnehmen. Zusätzliche Information Biologie und Chemie sind eng verwoben, deshalb im Folgenden einige eher biologische Informationen. Schleiereule: Charakteristisch ist die deutlich ausgeprägte, herzförmige Gesichtsmaske. Die Schleiereule ist etwa taubengroß und erreicht ein Gewicht von ca. 330 g. Schleiereulen sind Kulturfolger und brüten gerne in Scheunen und Kirchtürmen, ihre Zahl und Verbreitung ist deshalb auch von der Anzahl der zur Verfügung stehenden Nistplätze abhängig. Ab April oder Mai legt das Weibchen vier bis sieben Eier in Abständen von zwei oder drei Tagen auf den nackten Boden des Nistplatzes. Die Jungen schlüpfen nach einer Brutzeit von ca. 30 Tagen, zwischen dem jüngsten und dem ältesten Jungvogel können gut 2 Wochen Altersunterschied liegen. Gibt es im Jagdgebiet der Eltern genügend Futter, hat dieser Altersunterschied keine große Bedeutung. Wird die Nahrung knapp, werden die zuletzt geschlüpften Jungen verhungern. Sonnentau: Der Sonnentau lebt ausschließlich in Hochmooren. Seine Klebefallen sondern glitzernde Tropfen eines klebrigen Sekrets aus, was kleine Tiere, meist Insekten, anlockt. Diese bleiben an den Tropfen hängen und kleben bei ihrem Befreiungsversuch an immer mehr Tentakeln fest. Durch den Berührungsreiz krümmen sich die Tentakel gegen die Blattmitte und umschließen das Tier. Nun werden Verdauungsenzyme abgesondert, durch die die Körpersubstanz chemisch aufgeschlossen wird, wodurch sie von der Pflanze aufgenommen werden kann. Nur der Chitinpanzer bleibt zurück. Der Sonnentau, der wie andere Pflanzen auch Photosynthese betreibt, kann so den Stickstoff- und Phosphatmangel des äußerst mineralstoffarmen Moorbodens ausgleichen. Moschusochsen: Moschusochsen sind näher mit Ziegen und Schafen als mit Rindern verwandt. Sie kommen heute noch in Grönland und in den arktischen Gebieten Nordamerikas vor. Sie besitzen das längste Fell aller wild lebender Tiere und sind somit bestens an das kalte Klima angepasst. Da geschorene Tiere aber an Lungenentzündung sterben, kann man ihr Fell nicht kommerziell nutzen. Zur Struktur von Spinnenfäden: Spinnen produzieren Proteine genau definierter Länge und Zusammensetzung und verarbeiten sie zu Seide, dem Hochleistungsfaden der Natur. Spinnenfäden sind zum Teil 50 mal dünner als ein menschliches Haar und reißfester als Stahl gleichen Durchmessers. Spinnen besitzen verschiedene bewegliche 4

5 Spinnwarzen. Je nachdem, welche Spinnwarzen das zunächst flüssige Protein produzieren und wie dieses während des Aushärtens verarbeitet wird, entstehen unterschiedliche Arten von Fäden, die sich jeweils für eine spezielle Aufgabe eignen. So werden beim Netzbau bis zu fünf verschiedene Fäden benötigt; andere Fadentypen dienen zum Einwickeln der Beute, zum Bau des Kokons oder als Flughilfe. Ein Spinnenfaden besteht aus mehreren Einzelsträngen, die gekräuselt sind. Dadurch kann der Faden um das Zwei- bis Vierfache seiner Länge gedehnt werden, ohne zu reißen. Zuckermoleküle auf der Oberfläche halten die Feuchtigkeit, wodurch der Faden geschmeidig bleibt. Die kristallinen Strukturen des Faserproteins werden von β-faltblättern gebildet, die einen hohen Anteil an Aminosäuren mit kurzen Seitenketten, vor allem Alanin und Glycin aufweisen. Die β-faltblattstruktur selbst ist mechanisch fest und elastisch, aber wenig dehnbar. Eingebettet sind die Faserproteine in weniger geordnete, amorphe Protein-Bereiche (Proteinmatrix). Um die Proteine zum Bau neuer Netze wieder verwenden zu können, fressen Spinnen ihre Netze auf, wenn sie unbrauchbar geworden sind. Spinnenfäden sind elastisch, reißfest und belastbarer als die Seide der Seidenspinner-Raupe. Damit sind sie allen bisher auf dem Markt befindlichen Kunstfasern überlegen. In Gefangenschaft produzieren Spinnen allerdings nur wenig Material, deshalb wird versucht, mit Hilfe genetisch veränderten Organismen Spinnenseide zu gewinnen. Man hofft, daraus unter anderem leichte kugelsichere Westen, Fallschirme, Kletterseile und Fäden für Operationsnähte produzieren zu können. Zur Struktur von Haaren: Das Grundelement des Haar-Keratins ist die α-helix. Zwei α-helices verdrillen sich, mehrere dieser Superhelices lagern sich zu Mikrofibillen zusammen, die in einer amorphen Proteingrundstruktur (Proteinmatrix) eingebettet sind. Hunderte solcher Mikrofibrillen bilden unregelmäßige Faserbündel, Makrofibrillen, mit einem Durchmesser von ca. 200 nm. Geschützt werden die faserigen Zellen im Inneren des Haares durch eine Schuppenschicht aus abgeflachten Zellen, die widerstandsfähig gegenüber mechanischer und chemischer Beanspruchung ist. α-keratin ist reich an Cysteinen, die die Haarstruktur durch Disulfidbindungen in ihrem krausen, lockigen oder geraden Zustand stabilisieren. Bei der Dauerwelle werden diese Disulfidbindungen durch Reduktion gelöst und durch anschließende Oxidation wieder neu gebildet, womit das Haar in der neuen, gewünschten Form stabilisiert wird. Zur chemische Zusammensetzung von Eiern: Der Inhalt eines Vogeleis, ohne die Schale, setzt sich in etwa wie folgt zusammen: 73% Wasser 13% Proteine 12% Lipide 1% Kohlenhydrate 1% Mineralien wobei der Unterschied zwischen Eiklar und Eidotter beträchtlich ist: Eidotter Eiweiß 49% Wasser 87% Wasser 16% Proteine 11% Proteine 33% Lipide <1% Lipide 1% Kohlenhydr. 1% Kohlenhydr. 1% Mineralien 1% Mineralien 5

6 Das Eiweiß besteht also tatsächlich hauptsächlich aus Protein und Wasser, wogegen das Eigelb einen großen Anteil an Lipiden aufweist. Wegen des hohen Cholesteringehaltes wird deshalb Eigelb von Personen mit hohem Cholesterinspiegel gemieden. Essenzielle Aminosäuren: Pflanzen und einige Mikroorganismen, wie das Bakterium E. coli, können alle 20 zur Bildung von Proteinen wichtigen Aminosäuren synthetisieren, Säugetiere müssen acht bis zehn Aminosäuren mit der Nahrung aufnehmen. Für den Menschen essenziell sind die Aminosäuren Isoleucin, Leucin, Lysin, Methionin, Phenylalanin, Threonin, Tryptophan und Valin, für Kinder auch Histidin und Arginin. Zum Einsatz im Unterricht Das Arbeitsvideo ist für den Chemie- und den Biologieunterricht der Sekundarstufe I (Kurzfilm 1 ab Klasse 7, Kurzfilme 2 bis 4 ab Klasse 9) und Sekundarstufe II geeignet. Die Kurzfilme können zur Einführung, zur Erarbeitung oder zur Sicherung der bereits erworbenen Kenntnisse eingesetzt werden. Kurzfilm 1 bietet sich sowohl zur Einführung in das Thema Proteine im Chemieunterricht als auch im Biologieunterricht beim Thema Ernährung bzw. Stoffwechsel an. Die Kurzfilme 2 und 3 können bereits bei der Behandlung der Aminosäuren eingesetzt werden und den laufenden Unterricht ergänzen. Durch Kurzfilm 4 können neu erworbene Kenntnisse über die dreidimensionale Struktur der Proteine wiederholt, visualisiert und damit gefestigt werden. 6 Die Filme können auch anregen, dass sich Gruppen im Chemieunterricht verstärkt über die biologischen Aspekte und im Biologieunterricht verstärkt über chemische Aspekte informieren. Hier einige Anregungen: Die Bedeutung freier Aminosäuren im Körper (z. B. Neurotransmitter Dopamin und GABA) Verschiedene Aufgaben von Proteinen im Körper Proteine in der Nahrung Biologische Wertigkeit von Proteinen Proteinreiche Nahrungsergänzung für Hochleistungssportler Welthunger: tierische versus pflanzliche Proteine Anordnung von hydrophilen und hydrophoben Seitengruppen in Tunnel-Proteinen der Zellmembranen Gewünschte und unerwünschte Denaturierung von Proteinen

7 Produktion FWU Institut für Film und Bild, 2004 Buch und Realisation Karin Lohwasser Regie Gerhard Friedrich Michael Schramm Fachberatung Prof. Sascha Schanze Begleitkarte Karin Lohwasser Titelbild Hans-Gerd Sürgers Pädagogische Referentin im FWU Karin Lohwasser Verleih durch Landes-, Kreis- und Stadtbildstellen/ Medienzentren Verkauf durch FWU Institut für Film und Bild, Grünwald Nur Bildstellen/Medienzentren öv zulässig 2008 FWU Institut für Film und Bild in Wissenschaft und Unterricht gemeinnützige GmbH Geiselgasteig Bavariafilmplatz 3 D Grünwald Telefon (0 89) Telefax (0 89) info@fwu.de vertrieb@fwu.de Internet 7

8 FWU Schule und Unterricht DVD mit Kapitelanwahlpunkten 19 min, Farbe FWU Institut für Film und Bild in Wissenschaft und Unterricht gemeinnützige GmbH Geiselgasteig Bavariafilmplatz 3 D Grünwald Telefon (0 89) Telefax (0 89) info@fwu.de Internet zentrale Sammelnummern für unseren Vertrieb: Telefon (0 89) Telefax (0 89) vertrieb@fwu.de Laufzeit: 19 min Kapitelanwahl auf DVD-Video Sprache: Deutsch Systemvoraussetzungen bei Nutzung am PC DVD-Laufwerk und DVD-Player-Software, empfohlen ab Windows 98 FWU-Klassiker Biomoleküle Proteine 4 Kurzfilme Proteine erfüllen in jedem Organismus die unterschiedlichsten Aufgaben: Sie sind unentbehrlich für die Speicherung, die Verarbeitung und den Transport von Stoffen, sie ermöglichen die Übermittlung von Information und helfen bei der Abwehr von Krankheitserregern. Proteine bilden Stütz strukturen und ohne sie gibt es keine Bewegung in der be lebten Natur. Animationen verdeutlichen den räumlichen Bau der Amino säuren, die Bildung der Peptidbindung sowie die Primär-, Sekundär- und Tertiärstruktur der Proteine. In Verbindung mit Beispielen aus der Natur wird die Relevanz der Chemie für das Leben deutlich. Bei diesen Filmen handelt es sich um FWU-Produktionen aus dem Jahr Schlagwörter Eiweiß, Protein, Primärstruktur, Sekundärstruktur, Tertiärstruktur, Aminosäure, Peptidbindung, Dipeptid, Polypeptid, Kondensation, Glycin, Alanin, Valin, Phenylalanin, Serin, Asparaginsäure, Lysin, Cystein, Cystin, Faltblatt-Struktur, Helix-Struktur, Ribonuklease Chemie Organische Chemie Biochemie Molekulare Grundlagen der Organismen GEMA Alle Urheber- und Leistungsschutzrechte vorbehalten. Nicht erlaubte/genehmigte Nutzungen werden zivilund/oder strafrechtlich verfolgt. LEHR- Programm gemäß 14 JuSchG Allgemeinbildende Schule (9 13)