Unterrichtsvorhaben II: Inhaltliche Schwerpunkte:

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1 2.1.2 Konkretisierte Kontexte für die Qualifikationsphase I Kurs auf erhöhtem Anforderungsniveau Unterrichtsvorhaben I: Thema/Kontext: Erforschung der Proteinbiosynthese Wie entstehen aus Genen Merkmale und welche Einflüsse haben Veränderungen der genetischen und epigenetischen Strukturen auf einen Organismus? Schwerpunkte der Kompetenzentwicklung: UF1 Wiedergabe UF4 Vernetzung E3 Hypothesen E6 Modelle Inhaltsfeld: IF 3 (Genetik) Proteinbiosynthese w Genregulation Zeitbedarf: ca. 30 Std. à 45 Minuten Unterrichtsvorhaben III: Unterrichtsvorhaben II: Thema/Kontext: Humangenetische Beratung Wie können genetisch bedingte Krankheiten diagnostiziert und therapiert werden und welche ethischen Konflikte treten dabei auf? Schwerpunkte der Kompetenzentwicklung: E1 Probleme und Fragestellungen E5 Auswertung B3 Werte und Normen Inhaltsfeld: IF 3 (Genetik) Meiose und Rekombination Analyse von Familienstammbäumen w Bioethik Zeitbedarf: ca. 25 Std. à 45 Minuten Thema/Kontext: Gentechnologie heute Welche Chancen und welche Risiken bestehen? Schwerpunkte der Kompetenzentwicklung: B1 Kriterien B4 Möglichkeiten und Grenzen K2 Recherche 1

2 Inhaltsfeld: IF 3 (Genetik) Gentechnologie Bioethik Zeitbedarf: ca. 20 Std. à 45 Minuten Unterrichtsvorhaben I Thema/Kontext: Erforschung der Proteinbiosynthese Wie entstehen aus Genen Merkmale und welche Einflüsse haben Veränderungen der genetischen und epigenetischen Strukturen auf den Organismus? Inhaltsfeld: IF3 (Genetik) Proteinbiosynthese- Genregulation Zeitbedarf: 30 Std. a 45 Minuten Schwerpunkte übergeordneter Kompetenzerwartungen: UF1 - biologische Phänomene und Sachverhalte beschreiben und erläutern, UF4 Zusammenhänge zwischen unterschiedlichen, natürlichen und durch menschliches Handeln hervorgerufenen Vorgängen auf der Grundlage eines vernetzten biologischen Wissens erschließen und aufzeigen E3 - zur Klärung biologischer Fragestellungen Hypothesen formulieren und Möglichkeiten zu ihrer Überprüfung an-geben E6 Anschauungsmodelle entwickeln sowie mithilfe von theoretischen Modellen, mathematischen Modellierungen und Simulationen biologische sowie biotechnische Prozesse erklären oder vorhersagen Mögliche didaktische Leitfragen / Sequenzierung inhaltlicher Aspekte Aufbau der DNA/ Replikation Konkretisierte Kompetenzerwartungen des Kernlehrplans Empfohlene Lehrmittel/ Materialien/ Methoden Advance organizer Vorwissens- und Verknüpfungstest (Aufbau der DNA, Replikation) Checkliste mit zu erwartenden Wissensbegriffen Didaktisch-methodische Anmerkungen und Empfehlungen sowie Darstellung der verbindlichen Absprachen der Fachkonferenz Verbindlicher Beschluss der Fachkonferenz: Reaktivierung von Wissen 2

3 Transkription vergleichen die molekularbiologischen Abläufe in der Proteinbiosynthese bei Pro- und Eukaryoten (UF1, UF3) erläutern wissenschaftliche Experimente zur Aufklärung der Proteinbiosynthese, generieren Hypothesen auf der Grundlage der Versuchspläne und interpretieren die Versuchsergebnisse (E3, E4, E5) Informationen zum Ablauf der Transkription Modell erstellen Unterscheidung Pro-und Eukaryoten Sicherung: Kommentieren einer Animation zur Transkription Wissenschaftliche Experimente zur Erforschung der RNA Modellentwicklung Modellreflexion Experimente erläutern, Hypothesen bilden und Ergebnisse interpretieren Der genetische Code benennen Fragestellungen und stellen Hypothesen zur Entschlüsselung des genetischen Codes auf und erläutern klassische Experimente zur Entwicklung der Code- Sonne (E1, E3, E4) erläutern Eigenschaften des genetischen Codes und charakterisieren mit dessen Hilfe Mutationstypen (UF1, UF2) Hypothesen zur Entschlüsselung des genetischen Codes Experimente von NIERENBERG und LEDE- RER, KHORANA, etc. Nach dem Prinzip der wissenschaftlichen Erkenntnisgewinnung wird das Poly-U-Modell- Experiment nachvollzogen und dokumentiert. Translation vergleichen die molekularbiologischen Abläufe in der Proteinbiosynthese bei Pro- und Eukaryoten (UF1, UF3) Animation zum Ablauf der Translation Wobble-Hypothese Erläuterung der Animation Ein-Gen-Ein-Polypeptid- Hypothese erklären die Auswirkungen verschiedener Gen-, [Chromosomen- und Genom]mutationen auf den Phänotyp [(u. a. unter Berücksichtigung von Genwirkketten)]. (UF1, UF4) Modell Schematische Darstellung Beispiel: Phenylalanin-Stoffwechsel Kurzinformation zu Genregulation bei Eukaryoten (Ausschluss der Ein-Gen-Ein-Polypeptid- Hypothese) Modellanalyse Wiedergabe biologischer Phänomene 3

4 Regulation der Transkription bei Prokaryoten Lac-Operon Tryp-Operon erläutern und entwickeln Modellvorstellungen auf der Grundlage von Experimenten zur Aufklärung der Genregulation bei Prokaryoten. (E2, E5, E6) begründen die Verwendung bestimmter Modellorganismen (u. a. E. coli) für besondere Fragestellungen genetischer Forschung. (E6, E3) Abbildungen zu Riesenchromosom Kurvendiagramme zum Bakterienwachstum auf Glucose und Lactose Erstellen eines Funktionsmodells zum Lac- Operon Kurvendiagramm zum Bakterienwachstum auf Tryptophan Entwickeln der Leitfrage Verbindlicher Beschluss der Fachkonferenz: Hypothesenbildung zu Möglichkeiten der Erforschung genetischer Fragestellung (Vorteile von Modellorganismen) Auswerten der Diagramme und Hypothesenbildung Modellbildung Genregulation Transkriptionsfaktoren erklären mithilfe von Modellen genregulatorische Vorgänge bei Eukaryoten (E6) Gruppenpuzzle zur Genregulation bei Eukaryoten Auswertung von Modellen und anderen Materialien erläutern die Bedeutung von Transkriptionsfaktoren für die Regulation von Zellstoffwechsel und Entwicklung (UF1, UF4) Übungsaufgaben zur Sicherung Vernetzung des Gelernten Mutagene/ Mutationen Reparaturmechanismen Genwirkkette reflektieren und erläutern den Wandel des Genbegriffs erklären die Auswirkungen verschiedener Genmutationen auf den Phänotyp (u. a. unter Berücksichtigung von Genwirkketten). (UF1, UF4) Diskussion über den Wandel des Genbegriffs Beispiel Mondscheinkinder Material: DNA-Sequenzen, Code-Sonne, Informationsmaterial zu DNA- Reparaturmechanismen und zum Selbstschutz der Zelle Ursachenanalyse, Dokumentation 4

5 Protoonkogene Tumorsuppressorgene erklären mithilfe eines Modells die Wechselwirkung von Proto-Onkogenen und Tumor- Suppressorgenen auf die Regulation des Zellzyklus und erklären die Folgen von Mutationen in diesen Genen. (E6, UF4) Einstieg: Übersicht über Kontrolle des Zellzyklus Erarbeiten von Regulationsmechanismen, deren Dysfunktionen und Auswirkungen: Partnerpuzzle: Schemata zu Proto- Onkogenen und Tumor-Suppressorgenen und deren Mutationen am Beispiel p53 und ras3 Wiedergabe von Informationen Dokumentation Tabellarischer Vergleich DNA-Chips geben die Bedeutung von DNA-Chips und Hochdurchsatz-Sequenzierung an und bewerten Chancen und Risiken (B1, B3) Partnerdiagnosebogen Informationen über DNA-Chips (Internet) (LBS-BW) Arbeitsblatt: Vergleich der Genexpression in Tumor- und Normalgewebe (LBS-BW) Zusammenfassung der Informationen (z.b. Strukturgitter) Epigenetik Gen-Umwelt-Interaktion erläutern epigenetische Modelle zur Regelung des Zellstoffwechsels und leiten Konsequenzen für den Organismus ab (E6) Materialien zu verschiedenen epigenetischen Regulationsmechanismen (wahlweise - abhängig von den konkreten Vorgaben für das Schuljahr) - Partnerpuzzle zu Histonmodifikation und Methylierung - Mystery zur Methylierung (Krebs) - RNA-Interferenz (Petunienforschung) Analyse von Untersuchungsergebnissen und Präsentation Diagnose von Schülerkonzepten: Vorwissens- und Verknüpfungstest Selbstevaluationsbogen mit Ich-Kompetenzen am Ende der Unterrichtsreihe Partnerdiagnosebogen zur Überprüfung der Erkenntnisse über die Regulation des Zellzyklus und den Einfluss von Onkogenen. Leistungsbewertung: Klausur Übungsaufgabe zur Epigenetik (z.b. Gelee royale) 5

6 Unterrichtsvorhaben II Thema/Kontext: Humangenetische Beratung Wie können genetisch bedingte Krankheiten diagnostiziert und therapiert werden und welche ethischen Konflikte treten dabei auf? Inhaltsfeld: IF 3 (Genetik) Meiose und Rekombination Analyse von Familienstammbäume Bioethik Zeitbedarf: 25 Std. a 45 Minuten Mögliche didaktische Leitfragen / Sequenzierung inhaltlicher Aspekte Embryogenese, Meiose Spermatogenese/ Oogenese, Inter- und intrachromosomale Rekombination Erbgänge/Vererbungsmodi genetisch bedingte Krankheiten Konkretisierte Kompetenzerwartungen des Kernlehrplans erläutern die Grundprinzipien der inter- und intrachromosomalen Rekombination (Reduktion und Neukombination der Chromosomen) bei Meiose und Befruchtung (UF4) formulieren bei der Stammbaumanalyse Hypothesen um Vererbungsmodus genetisch bedingter Merkmale (Xchromosomal, autosomal, Zweifaktorenanalse, Kopplung, Crossing-over) und begründen Schwerpunkte übergeordneter Kompetenzerwartungen E1 - selbstständig in unterschiedlichen Kontexten biologische Probleme identifizieren, analysieren und in Form biologischer Fragestellungen präzisieren, E5 Daten und Messwerte qualitativ und quantitativ im Hin-blick auf Zusammenhänge, Regeln oder Gesetzmäßigkeiten analysieren und Ergebnisse verallgemeinern, K4 sich mit anderen über biologische Sachverhalte kritisch-konstruktiv austauschen und dabei Behauptungen oder Beurteilungen durch Argumente belegen bzw. widerlegen, Empfohlene Lehrmittel/ Materialien/ Methoden diverse Materialien zur Rekombination Arbeitsblätter Karyogramme Computersimulation zur Meiose (Verknüpfung mit Vorwissen zur Mitose) Selbstlernplattform von Mallig: Checkliste zum methodischen Vorgehen bei einer Stammbaumanalyse. Exemplarische Beispiele (Chorea Huntington Cystische Fibrose, Muskeldystrophie Duchenne) Didaktisch-methodische Anmerkungen und Empfehlungen sowie Darstellung der verbindlichen Absprachen der Fachkonferenz Wiedergabe und Dokumentation der Ergebnisse Kriterien analysieren Schulung des Erkenntnisgewinns 6

7 die Hypothesen mit vorhandenen Daten auf der Grundlage der Meiose (E1, E3, E5, UF4, K4) Selbstlernplattform von Mallig: Pränatale Diagnostik Genetische Beratung formulieren bei der Stammbaumanalyse Hypothesen um Vererbungsmodus genetisch bedingter Merkmale (Xchromosomal, autosomal, Zweifaktorenanalyse, Kopplung, Crossing-over) und begründen die Hypothesen mit vorhandenen Daten auf der Grundlage der Meiose (E1, E3, E5, UF4, K4) Informationen zur genetischen Beratung (mit Indikatoren) Diskussion über Konsequenzen einer genetischen Beratung Analyse der Indikatoren Diskussion über Werte und Normen Auswirkung der Epigenetik auf genetische bedingte Erkrankungen erläutern epigenetische Modelle zur Regelung des Zellstoffwechsels und leiten Konsequenzen für den Organismus ab (E6) recherchieren Informationen zu humangenetischen Fragestellungen (u.a. genetisch bedingten Krankheiten), schätzen die Relevanz und Zuverlässigkeit der Information ein und fassen die Ergebnisse strukturiert zusammen (K2, K1, K3, K4) Diagnose von Schülerkonzepten: Netzwerkmethode zum Ablauf der Meiose Simulation einer genetischen Beratung Leistungsbewertung: Prader-Willi- und Angelman-Syndrom: Simulation einer genetischen Beratung verbunden mit einer Gendiagnostik Verbindlicher Beschluss der Fachkonferenz: Durchführung einer Simulation zur Stärkung der Kommunikation- und Argumentationsfähigkeit Umsetzung ethischer Urteilsbildung 7

8 angekündigte Lernstandserhebung zu Karyogrammen/ Stammbaumanalyse ggf. Klausur/ ggf. Facharbeit und Präsentation Unterrichtsvorhaben III Thema/Kontext: Gentechnologie heute Welche Chancen und welche Risiken bestehen? Inhaltsfelder: IF3 (Genetik) Biotechnologie Bioethik Zeitbedarf: 20 Std. a 45 Minuten Mögliche didaktische Leitfragen / Sequenzierung inhaltlicher Aspekte PCR Gelelektrophorese Genetischer Fingerabdruck Konkretisierte Kompetenzerwartungen des Kernlehrplans erläutern molekulargenetische Verfahren (u. a. PCR, Gelelektrophorese) und ihre Einsatzgebiete (E4, E2) Informationstexte zum genetischen Fingerabdruck Erarbeitung der PCR und der Gelelektrophorese Analyse des Fallbeispiels Tabellarischer Vergleich der PCR mit der DNA Replikation Schwerpunkte übergeordneter Kompetenzerwartungen: B1 fachliche, wirtschaftlich-politische und moralische Kriterien bei Bewertungen von biologischen und biotechnischen Sachverhalten unterscheiden und angeben B4 - Möglichkeiten und Grenzen biologischer Problemlösun-gen und Sichtweisen mit Bezug auf die Zielsetzungen der Naturwissenschaften darstellen. K2 zu biologischen Fragestellungen relevante Informationen und Daten in verschiedenen Quellen, auch in aus-gewählten wissenschaftlichen Publikationen, recherchieren, auswerten und vergleichend beurteilen Empfohlene Lehrmittel/ Materialien/ Methodemerkungen Didaktisch-methodische An- und Empfehlungen sowie Darstellung der verbindlichen Absprachen der Fachkonferenz Auswertung der Informationen Vernetzung der Gelernten Systematisierung DNA-Sequenzierung geben die Bedeutung von [DNA-Chips und] Hochdurch- Materialien: Von der Kettenabbruch-Methode zur Hochdurchsatz-Sequenzierung Beurteilung der Wertigkeit der neuen Methoden 8

9 Gentechnik satzsequenzierung an und beurteilen Chancen und Risiken. (B1, B3) beschreiben molekulargenetische Werkzeuge und erläutern deren Bedeutung für gentechnische Grundoperationen (UF1) Stammzellforschung recherchieren Unterschiede zwischen embryonalen und adulten Stammzellen und präsentieren diese unter Verwendung geeigneter Darstellungsformen (K2, K3) Gentherapie, Zelltherapie stellen naturwissenschaftlichgesellschaftliche Positionen zum therapeutischen Einsatz von Stammzellen dar und beurteilen Interessen sowie Folgen ethisch (B3, B4) Herstellung und Einsatz transgener Lebewesen Synthetische Organismen stellen mithilfe geeigneter Medien die Herstellung transgener Lebewesen dar und diskutieren Argumente für ihre Verwendung. (K1, K4) beschreiben aktuelle Entwicklungen in der Biotechnologie bis hin zum Aufbau synthetischer Organismen in ihren Konsequenzen für unterschiedliche Einsatzziele und bewerten sie (B3, B4) Diagnose von Schülerkonzepten: Selbstevaluationsbogen mit Ich-Kompetenzen am Ende der Unterrichtsreihe Tabellarischer Vergleich PCR und Replikation Dilemma-Diskussion zur Gentherapie Lerntheke: Grundoperationen der Gentechnik Genlaborbesuch zum Thema: Plasmide, trojanische Pferde Eigenständige Recherche über Unterschiede zwischen embryonalen und adulten Stammzellen Präsentation Informationstexte über Chancen und Risiken der Gentherapie Arbeitsblatt zu einer Dilemmamethode zur ethischen Urteilsbildung (LBS-BW) Präsentationen zur Thema Biotechnische Verfahren zur Herstellung transgener Lebewesen Diskussion Erarbeitung der drei Konstruktionsansätze Diskussion der Einsatzmöglichkeiten und Gefahren (z.b. Synthi-Fuels) Analyse der Grundoperationen und der Bedeutung molekulargenetischer Werkzeuge Verbindlicher Beschluss der Fachkonferenz: Exkursion ins Genlabor eigenständige Recherche Durchführung und Reflektion einer Dilemma-Diskussion Darstellen der Techniken und anschließende Pro- und Contra- Diskussion Erarbeitung und Analyse von neuen Arbeits- und Denkweisen der Biotechnologie 9

10 Leistungsbewertung: Ggf. Klausur/ Facharbeit 10