Grundkurs Q 1: Inhaltsfeld: IF 3 (Genetik)

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1 Grundkurs Q 1: Inhaltsfeld: IF 3 (Genetik) Unterrichtsvrhaben I: Mdellvrstellungen zur Prteinbisynthese Wie entstehen aus Genen Merkmale und welche Einflüsse haben Veränderungen der genetischen Strukturen auf einen Organismus? Unterrichtsvrhaben II: Humangenetische Beratung Wie können genetisch bedingte Krankheiten diagnstiziert und therapiert werden und welche ethischen Knflikte treten dabei auf? Unterrichtsvrhaben III: Angewandte Genetik Welche Chancen und welche Risiken bestehen? Inhaltliche Schwerpunkte: Prteinbisynthese Genregulatin Meise und Rekmbinatin Analyse vn Familienstammbäumen Gentechnik Biethik Basisknzepte: System Merkmal, Gen, Allel, Genwirkkette, DNA, Chrmsm, Genm, Rekmbinatin, Stammzelle Struktur und Funktin Prteinbisynthese, Genetischer Cde, Genregulatin, Transkriptinsfaktr, Mutatin, Prt-Onkgen, Tumr-Suppressrgen, DNA-Chip Entwicklung Transgener Organismus, Epigenese, Zelldifferenzierung, Meise Zeitbedarf: ca. 45 Std. à 45 Minuten

2 Mögliche unterrichtsvrhabenbezgene Knkretisierung Unterrichtsvrhaben I: Thema/ Kntext: Mdellvrstellungen zur Prteinbisynthese Wie entstehen aus Genen Merkmale und welche Einflüsse haben Veränderungen der genetischen Strukturen auf einen Organismus? Inhaltsfeld: Genetik Inhaltliche Schwerpunkte: Prteinbisynthese Genregulatin Schwerpunkte übergerdneter Kmpetenzerwartungen: Die Schülerinnen und Schüler können UF1 bilgische Phänmene und Sachverhalte beschreiben und erläutern UF3 bilgische Sachverhalte und Erkenntnisse nach fachlichen Kriterien rdnen, strukturieren und ihre Entscheidung begründen UF4 bestehendes Wissen auf der Grundlage eines vernetzten bilgischen Wissens erschließen/aufzeigen und aufgrund neuerer bilgischer Erkenntnisse rerganisieren E6 bilgische Mdellvrstellungen nach fachlichen Kriterien analysieren und auswerten Zeitaufwand: ca. 19 Std. à 45 Minuten. Mögliche didaktische Leitfragen/ Knkretisierte Kmpetenzerwartungen Sequenzierung inhaltlicher des Kernlehr- Aspekte plans Reaktivierung vn EF-Vrwissen zum chemischen Aufbau der DNA und der Prteine Die Schülerinnen und Schüler erläutern vn Abbildungen zur DNA-Dppelhelix, zur Anrdnung der vier rganischen Basen im Plynukletid und zu den Aminsäuren in einer Plypeptidkette (UF1, UF4) Empfhlene Lehrmittel / Materialien / Methden Abbildungen in Frm vn Flien, Bilddateien, Arbeitsblättern etc. evtl. Advance Organizer und Think-Pair-Share zur Reaktivierung vn Wissen Didaktisch-methdische Anmerkungen und Empfehlungen swie Darstellung der verbindlichen Absprachen der Fachknferenz EF-Wissen wird reaktiviert und ein Ausblick auf die wichtige Rlle der genetischen Infrmatin der DNA gegeben.

3 In welcher Frm ist in der DNA die genetische Infrmatin abgespeichert und wie wird sie abgerufen und vn der Zelle genutzt? Grundlagen des Triplett- Cdes der DNA Rlle der mrna, trna und der Ribsmen bei der Prteinbisynthese Unterschiede der Prteinbisynthese bei Pr- und Eukaryten erläutern Eigenschaften des genetischen Cdes und charakterisieren mit dessen Hilfe Genmutatinen (UF1, UF2) vergleichen die mlekularen Abläufe in der Prteinbisynthese bei Pr- und Eukaryten (UF1, UF3) Materialien in Text- und Bildfrm zur Entschlüsselung des genetischen Cdes, zur Rlle vn RNA- Mlekülen und Ribsmen bei der Prteinbisynthese und zum Splicing bei Eukaryten Lerntempduett zur Erarbeitung des Stffes und ggf. Nutzung einer cncept map zur Veranschaulichung vn Zusammenhängen Einfache Flien-Bausteine für den Overheadprjektr und/der Filme zur Veranschaulichung der Transkriptin und Translatin An vrgegebenen Materialien zur Transkriptin und Translatin wird in Einzel- und Gruppenarbeit binnendifferenziert gearbeitet. ggf. Auswertung als cncept map und Erstellung einer Liste mit den wichtigsten Schlüsselbegriffen zur Mlekulargenetik Durch das Zusammenlegen vn Flien- Bausteinen und/der Filmanalyse werden die einzelnen Schritte der Prteinbisynthese nachvllzgen. Wie kmmt es zu Veränderungen des genetischen Cdes und welche Auswirkungen haben sie? Mutatinstypen (Genmutatinen, Chrmsmenmutatinen, Genmmutatinen) und ihre Flgen Wirkung vn Mutagenen Rlle vn Prt-Onkgenen bei der Zellwachstumsförderung/Zellteilung und vn Tumr-Suppressr-Genen bei der Wachstumshemerklären die Auswirkungen verschiedener Gen-, Chrmsmen- und Genmmutatinen auf den Phäntyp (u.a. unter Berücksichtigung vn Genwirkketten) (UF1, UF4) erläutern z.b. die Entstehung vn Thymin-Dimeren nach UV- Bestrahlung und ihre Flgen für die Replikatin und Transkriptin (UF1, UF4) erklären mithilfe eines Mdells die Wechselwirkung vn Prt- Infrmatinstexte und Bildmaterialien zu den Mutatinen Übungsmaterial (Arbeitsblätter, Flien, Tafel etc.) zu den Flgen vn Baseneinschüben der verlusten und zur Auswirkung einer einzigen Mutatin auf den Zellstffwechsel im Rahmen einer Genwirkkette Arbeitsblätter zum intakten p53- und ki-ras-gen und ihren Krebs auslösenden Varianten; Mdell- Analyse zur Wechselwirkung vn Prt-Onkgenen und Tumr-Sup- Mehrere Beispiele für verschiedene Mutatinen (Punktmutatin, Rastermutatin, Nnsensemutatin etc.) werden bearbeitet. Am Beispiel vn p53-und ki-ras-mutatinen werden schematische Darstellungen vn Zellen mit intaktem Prt- Onkgen und Tumr-Suppressr-Gen mit mutierten Zellen verglichen, bei

4 mung und die Bedeutung vn Mutatinen in diesen Genen für die Krebsentstehung Onkgenen und Tumr- Suppressrgenen auf die Regulatin des Zellzyklus und erklären die Flgen vn Mutatinen in diesen Genen (E6, UF1, UF3, UF4) pressrgenen evtl. Vergleich eines Prt-Onkgens mit dem Gaspedal eines Auts denen die Kntrlle des Zellzyklus (ähnlich wie die Bremse eines Auts ) nicht mehr funktiniert. Welche Mdelle wurden zur Erklärung der Genregulatin bei Prkaryten und epigenetischer Phänmene bei Eukaryten entwickelt? Opern-Mdell nach Jacb und Mnd Unterschiede zwischen der Substratinduktin und der Endprduktrepressin eingeschränkte Gültigkeit des Mdells Erklärung vererbbarer epigenetischer Phänmene durch DNA-Mdifikatinen, die vn der Basensequenz unabhängig sind begründen die Verwendung bestimmter Mdellrganismen (u.a. E. cli) für besndere Fragestellungen genetischer Frschung (E6, E3) erläutern und entwickeln Mdellvrstellungen auf der Grundlage vn Experimenten zur Aufklärung der Genregulatin bei Prkaryten (E2, E5, E6) erklären einen epigenetischen Mechanismus als Mdell zur Regelung des Zellstffwechsels (E6) Vrstellung und Analyse vn Experimenten mit E. cli zur Aufklärung der Genregulatin Bilder und Texte zur Substratinduktin (beim lac-opern) und zu einem Beispiel für die Endprduktrepressin (jeweils nach dem Opern-Mdell vn Jacb und Mnd) evtl. Kartns zur Erstellung eines Fachpsters Materialien zur Beeinflussung der Aktivität vn Chrmsmenabschnitten, die sich im Phäntyp widerspiegeln, aber den Gentyp nicht verändern Abbildungen und Arbeitsblätter zum Opernmdell werden in Einzel-, Partner- der Gruppenarbeit analysiert und bearbeitet. Die eingeschränkte Gültigkeit des Mdells nur für Prkaryten wird angesprchen. evtl. Gegenüberstellung vn Substratinduktin und Endprduktrepressin auf einem Plakat. Die DNA-Methylierung als Beispiel für eine epigenetische DNA-Mdifikatin wird erörtert.

5 Welche mlekularbilgischen Untersuchungsmethden werden in der Gendiagnstik eingesetzt? Plymerase-Kettenreaktin (PCR) Gel-Elektrphrese genetischer Fingerabdruck DNA-Chip-(= Micrarray-) Technlgie erläutern mlekulargenetische Verfahren (u.a. PCR, Gel-Elektrphrese) und ihre Einsatzgebiete (E4, E2, UF1) geben die Bedeutung vn DNA-Chips an und beurteilen Chancen und Risiken (B1, B3) Texte, Schemata und mediengestützte Präsentatinen Filme zur PCR und Gel-Elektrphrese und zum genetischen Fingerabdruck evtl. Demnstratins-Experimente zur Gel-Elektrphrese der zur Inenwanderung im elektrischen Feld Text- und Bild-Materialien zur Markierung der cdna mit Flureszenzfarbstffen und zur Hybridisierungsreaktin bei der DNA-Chip (= Micrarray)-Technlgie; evtl. Schülerreferat zum Thema ggf. Kriterienkatalg zur Beurteilung vn Präsentatinen Zur PCR und Gel-Elektrphrese werden Abbildungen besprchen und/der Arbeitsblätter bearbeitet. Filmsequenzen zur PCR, zur Gel- Elektrphrese und zum genetischen Fingerabdruck werden analysiert. Zur DNA-Chip-(= Micrarray-)Technlgie werden Abbildungen ausgewertet und/der Arbeitsblätter bearbeitet der ein Referat ausgeteilt. Mittels eines inhalts- und darstellungsbezgenen Kriterienkatalgs wird ggf. die Präsentatin beurteilt. Diagnse vn Schülerkmpetenzen: KLP-Überprüfungsfrm: Darstellungsaufgabe (advance rganizer, cncept map), selbstständiges Erstellen eines Evaluatinsbgens Leistungsbewertung: KLP-Überprüfungsfrm: Beurteilungsaufgabe für Klausurschreiber: Klausur Unterrichtsvrhaben II: Thema/ Kntext: Humangenetische Beratung Wie können genetisch bedingte Krankheiten diagnstiziert und therapiert werden und welche ethischen Knflikte treten dabei auf? Inhaltsfeld: Genetik

6 Inhaltliche Schwerpunkte: Meise und Rekmbinatin Analyse vn Familienstammbäumen Biethik Schwerpunkte übergerdneter Kmpetenzerwartungen: Die Schülerinnen und Schüler können E5 Daten und Messwerte qualitativ und quantitativ im Hinblick auf Zusammenhänge, Regeln der Gesetzmäßigkeiten analysieren und Ergebnisse verallgemeinern. K2 zu bilgischen Fragestellungen relevante Infrmatinen und Daten in verschiedenen Quellen, auch in ausgewählten wissenschaftlichen Publikatinen und auf Internetseiten recherchieren, auswerten und vergleichend beurteilen, B3 an Beispielen vn Knfliktsituatinen mit bilgischem Hintergrund kntrverse Ziele und Interessen swie die Flgen wissenschaftlicher Frschung aufzeigen und ethisch bewerten. Zeitaufwand: 16 Std. à 45 Minuten Mögliche didaktische Leitfragen / Sequenzierung inhaltlicher Aspekte Reaktivierung vn SI- Vrwissen zur Befruchtung und Embrylgie beim Menschen und vn EF-Vrwissen zum Bau vn Chrmsmen und zur Mitse Knkretisierte Kmpetenzerwartungen des Kernlehrplans Die Schülerinnen und Schüler erläutern Abbildungen zur Embrygenese und zur Chrmatidenverteilung bei der Mitse (UF1, UF4) Empfhlene Lehrmittel / Materialien / Methden Abbildungen zur Embrygenese und zur Mitse z.b. Advance Organizer und Think- Pair-Share zur Reaktivierung vn Wissen Auswertung vn Texten, Tabellen und Diagrammen Didaktisch-methdische Anmerkungen und Empfehlungen swie Darstellung der verbindlichen Absprachen der Fachknferenz SI- und EF-Wissen wird reaktiviert und ein Ausblick auf Neues gegeben. Wie werden die Keimzellen gebildet und welche Unterschiede gibt es bei Frau und Mann? erläutern die Grundprinzipien der Rekmbinatin (Reduktin und Neu-kmbinatin der Chrmsmen) Arbeitsblätter Auswertung vn Abbildungen und filmischen Sequenzen zur Meise Zentrale Aspekte der Meise werden erarbeitet und geübt. Schlüsselstellen bei der Keimzellenbildung werden erarbeitet

7 Meise Spermatgenese / Ogenese bei Meise und Befruchtung (UF4). evtl. Nutzung vn Infrmatinen/ Selbstlernplattfrmen im Internet und die theretisch möglichen Rekmbinatinsmöglichkeiten werden ermittelt. W entscheidet sich die genetische Ausstattung einer Keimzelle und wie entsteht genetische Vielfalt? inter- und intrachrmsmale Rekmbinatin Wie kann man ein Vererbungsmuster vn genetisch bedingten Krankheiten im Verlauf vn Familiengeneratinen ermitteln und wie kann man daraus Prgnsen für den Nachwuchs ableiten? Erbgänge / Vererbungsmdi genetisch bedingte Krankheiten, z.b.: Cystische Fibrse Mukviszidse Chrea Huntingtn frmulieren bei der Stammbaumanalyse Hypthesen zu X-chrmsmalen und autsmalen Vererbungsmdi genetisch bedingter Merkmale und begründen die Hypthesen mit vrhandenen Daten auf der Grundlage der Meise (E1, E3, E5, UF4, K4). Infrmatinstexte und Abbildungen zu autsmalen und gnsmalen Erbgängen Checkliste zum methdischen Vrgehen bei einer Stammbaumanalyse. Exemplarische Beispiele vn Familienstammbäumen evtl. Nutzung vn Infrmatinen / Selbstlernplattfrmen im Internet Verbindlicher Beschluss der Fachknferenz: Die Auswertungskmpetenz bei humangenetischen Stammbäumen wird im Unterricht an mehreren Beispielen geübt. Prgnsen zum Auftreten spezifischer, genetisch bedingter Krankheiten werden für Paare mit Kinderwunsch ermittelt und für (weitere) Kinder begründet angegeben. Trismie 21 Bluterkrankheit Welche therapeutischen Ansätze ergeben sich aus der Stammzellenfrschung und was ist vn ihnen zu halten? Gentherapie Zelltherapie recherchieren Unterschiede zwischen embrynalen und adulten Stammzellen und präsentieren diese unter Verwendung geeigneter Darstellungsfrmen (K2, K3). stellen naturwissenschaftlichgesellschaftliche Psitinen Recherche zu embrynalen bzw. adulten Stammzellen und damit verbundenen therapeutischen Ansätzen in unterschiedlichen, vn der Lehrkraft ausgewählten Quellen, z.b.: - Internetquellen und Fachbücher / Fachzeitschriften - evtl. Gesetzestext zum Schutz für Das vrgelegte Material könnte vn den SuS ergänzt werden. An dieser Stelle kann auf das krrekte Belegen vn Text- und Bildquellen eingegangen werden, auch im Hinblick auf die Facharbeit. Neutrale und interessengefärbte

8 zum therapeutischen Einsatz vn Stammzellen dar und beurteilen die Interessen swie Flgen ethisch (B3, B4). Embrynen Checkliste: Welche Quelle ist neutral und welche nicht? Checkliste: richtiges Belegen vn Infrmatinsquellen Quellen werden kritisch reflektiert, z.b. beim Thema Dürfen Embrynen getötet werden, um Krankheiten zu heilen? Gestufte Hilfen zu den verschiedenen Schritten der ethischen Urteilsfindung Diagnse vn Schülerkmpetenzen: Selbstevaluatin mit Ich-Kmpetenzen am Ende der Unterrichtsreihe Leistungsbewertung: KLP-Überprüfungsfrm: Analyseaufgabe ; ggf. Kurzvrtrag; auch angekündigte Kurztests sind möglich, z. B. zu Meise / Karygrammen / Stammbaumanalyse für Klausurschreiber: Klausur Unterrichtsvrhaben III: Thema/ Kntext: Angewandte Genetik Welche Chancen und welche Risiken bestehen? Inhaltsfeld: Genetik Inhaltliche Schwerpunkte: Gentechnik Biethik Schwerpunkte übergerdneter Kmpetenzerwartungen: Die Schülerinnen und Schüler können K2 zu bilgischen Fragestellungen relevante Infrmatinen und Daten in verschiedenen Quellen, auch in ausgewählten wissenschaftlichen Publikatinen und auf Internetseiten recherchieren, auswerten und vergleichend beurteilen, B1 bei der Bewertung vn Sachverhalten in naturwissenschaftlichen Zusammenhängen fachliche, gesellschaftliche und mralische Bewertungskriterien angeben,

9 Zeitaufwand: ca. 10 Std. à 45 Minuten Mögliche didaktische Leitfragen / Sequenzierung inhaltlicher Aspekte Welche Verfahren werden in der Gentechnlgie angewendet? Verfahrensschritte und mlekulargenetische Werkzeuge im Rahmen der Plasmidtechnik Plasmide als Vektren Restriktinsenzyme und ihre Erkennungssequenzen Resistenzgene für Antibitika der Flureszenz-Markergene zur Selektin gentechnisch veränderter Zellen Nutzung gentechnisch veränderter Bakterien bei der Medikamentenherstellung gentechnisch veränderte Kulturpflanzen und geklnte Nutztiere Erzeugung transgener Pflanzen mit z.b. Herbizid- Tleranz Knkretisierte Kmpetenzerwartungen des Kernlehrplans Die Schülerinnen und Schüler beschreiben mlekulargenetische Werkzeuge und erläutern deren Bedeutung für gentechnische Grundperatinen (UF1) stellen mithilfe geeigneter Medien die Herstellung transgener Lebewesen dar und diskutieren ihre Verwendung (K1, B3) B4 Möglichkeiten und Grenzen bilgischer Prblemlösungen und Sichtweisen mit Bezug auf die Zielsetzung der Naturwissenschaften darstellen. Empfhlene Lehrmittel/ Materialien/ Methden Abbildungen (Flien, digitalisierte Bilder etc.), Arbeitsblätter und ggf. Filmsequenzen zum Einschleusen vn Spender-DNA in Empfängerzellen und zur Identifizierung der gentechnisch veränderten Zellen Schematische Übersichten zur gentechnischen Veränderung vn Pflanzen z.b. mit Hilfe der T-RNA aus Ti-Plasmiden vn Agrbakterien Schematische Darstellung der Transplantatin des Zellkerns einer differenzierten Körperzelle in die entkernte Eizelle eines anderen Tiers der gleichen Art zwecks Klnierung in einer Leihmutter Lerntempduett zur Erarbeitung des Stffes und ggf. Nutzung Didaktisch-methdische Anmerkungen und Empfehlungen swie Darstellung der verbindlichen Absprachen der Fachknferenz Texte und schematische Darstellungen zur Plasmidtechnik werden ausgewertet. Die Ergebnisse werden gesichert. Abbildungen zur Entstehung transgener Pflanzen und zur Klnierung vn Säugetieren werden analysiert und die Verfahren kritisch hinterfragt.

10 Klnierung vn Säugetieren einer cncept map zur Veranschaulichung vn Zusammenhängen z.b. schriftliche Übung der Klausuraufgabe zur Herstellung vn Humaninsulin mit Hilfe transgener E. cli-bakterien Welche Chancen und ethischen Bedenken bestehen hinsichtlich mlekulargenetischer Techniken und Diagnstiken? Vn Experten und Herstellerfirmen aufgezeigte Vrteile der Gentechnik für den Menschen und Diskussin kntrverser Ansichten zu ihren Risiken Ethisches Bewerten etwa am Beispiel der Präimplantatinsdiagnstik im Rahmen der Reprduktinsmedizin beurteilen die gesellschaftliche Bedeutung gentechnlgischer Verfahren und diskutieren kritisch unterschiedliche Standpunkte zu den Vrund Nachteilen der Gentechnik (UF4, E7, K2, K4) Texte über die Vrteile und Risiken gentechnlgischer Methden im Dienste der Pflanzen- und Tierzucht und der medizinischen Diagnstik unter Berücksichtigung kntrverser Psitinen Recherche zu unterschiedlichen Meinungen im Internet Gestufte Hilfen zu den verschiedenen Schritten der ethischen Urteilsfindung, z.b. Mehrschritt- Methde zur ethischen Bewertung Wertfrei beschreibende, nrmative und mralisch-ethische Aussagen werden bei der Diskussin kntrverser Ansichten unterschieden. Diagnse vn Schülerkmpetenzen: Evaluatinsbgen, ggf. Erstellen eines Fragenkatalgs zur Fremd- und Selbstkntrlle Leistungsbewertung: KLP-Überprüfungsfrm: Präsentatinsaufgabe, evtl. schriftliche Überprüfung / Übung für Klausurschreiber: Klausur

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