Didaktische FWU-DVD. Biomembranen. Klasse 8 13 Klasse Trailer ansehen

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1 Didaktische FWU-DVD Biomembranen Biologie Chemie Klasse 8 13 Klasse Trailer ansehen

2 Schlagwörter Aminosäure; Aquaporin; ATP; Biomembran; Carrierprotein; Desmosom; Diffusion; Eiweiß; Endozytose; Exozytose; Fette; Flüssig-Mosaik-Modell; Gap Junction; Ionenkanal; Kohlenhydrat; Kompartimentierung; Konzentrationsgradient; Lipiddoppelschicht; Membran; Membranprotein; Natrium-Kalium-Pumpe; Osmose; Plasma (Zelle); Ribonukleinsäure; Stoffwechsel; Tight Junction; Vesikel; Zelle (Biologie); Zellmembran; Zellorganell; Zytoplasma Systematik Biologie Chemie Allgemeine Biologie Biochemie; Zellenlehre Zoologie Allgemeine Zoologie Gestalt und Bau Organische Chemie Stoffe mit funktionellen Gruppen; Polymere Stoffe, Naturstoffe Biochemie Molekulare Grundlagen der Organismen; Stoffwechselvorgänge 2

3 Zum Inhalt Biomembranen (Film 24 min) Zu Beginn wird anhand einer Regenjacke ein Modellvergleich gezogen, um die Organisationsebenen vom Organ Haut über die Gewebe und Zellen zu den Membranen zu durchlaufen und den Fokus auf deren Barrierefunktion zu richten. Außerdem werden die Membranbestandteile mit dem Aufbau der Fettmoleküle und der Phospholipide näher untersucht und ihre Eigenschaften im Lösungsmittel Wasser verglichen. Anschließend werden die verschiedenen Modelle vom Bilayer-Modell über das Sandwich-Modell bis zum heute verwendeten Flüssig-Mosaik-Modell vorgestellt. In diesem Zusammenhang werden in Kombination mit dem Zellaufbau und den Funktionen der Zellorganellen die Vorteile der Kompartimentierung näher erläutert. Auch der Stoffaustausch durch die Zellmembran wird angesprochen, mit den Vorgängen der Diffusion und Osmose zunächst allgemein und dann ausführlich am Beispiel der Na + /K + -Pumpe. Zuletzt vervollständigt die Betrachtung der Endo- und Exozytose das Aufgabenspektrum der Biomembranen. Filmsequenzen Funktion von Biomembranen (1:30 min) Im Vergleich mit dem Schichtaufbau einer Regenjacke werden in dieser Sequenz die Organisationsebenen des Organs Haut über Gewebe bis hin zu Zellen mit Organellen beleuchtet. Lipiddoppelschicht (2:40 min) In dieser Filmsequenz wird aufbauend auf den grundlegenden Gedanken der Löslichkeit der Rückschluss gezogen, dass Membranen aus Lipiden aufgebaut sein müssen, da diese lipophile Substanzen leichter hindurchlassen. Für hydrophile Stoffe hingegen bilden sie eine Barriere. Im Folgenden wird der Bau der Phospholipide dargestellt und daraus deren Bedeutung und Auswirkungen auf die Membraneigenschaften erschlossen. Dass es sich um eine Phospholipiddoppelmembran handeln muss, wird durch den Membran-Lipid-Oberflächenversuch und die Entwicklung des Bilayer-Modells verdeutlicht. Membranproteine (3:30 min) Die Sequenz entwickelt in einem historischen Abriss die Modelle über das Sandwich-Modell hin zum Flüssig-Mosaik- Modell. Dabei werden zunächst der Proteinanteil sowie die Lage und Auf- 3

4 gaben der peripheren bzw. integralen Proteine berücksichtigt. Ein Schwerpunkt liegt hier auf der Übertragung von Signalen mittels der dynamischen Eigenschaften der Membranen. Abgrenzung durch Biomembranen (4:00 min) Die Sequenz verdeutlicht die Eigenschaften der Biomembranen. Neben der Schutz- und Barrierefunktion der Zellmembran wird die Vielfalt an Membranen innerhalb der Zellen an den meisten Zellorganellen aufgezeigt und dabei der Begriff der Kompartimentierung eingeführt. Eine weitere wichtige Funktion der Biomembranen zeigt die Sequenz in der Stabilisierung auf, die sich auf die Verbindungsstrukturen wie die Desmosomen und tight junctions ausweiten lässt. Kommunikation an Biomembranen (2:40 min) Das Hauptaugenmerk dieser Sequenz liegt auf der Wirkungsweise des Schlüssel- Schloss-Prinzips der peripheren Rezeptorproteine oder Enzyme. Das vorgestellte Prinzip der innerzellulären Kommunikationsmöglichkeit wird auf den Informationsaustausch zwischen Zellen ausgeweitet und durch die Funktionsweise der gap junctions ergänzt. In Bezug auf das Flüssig-Mosaik-Modell werden die Glykolipide und Glykoproteine ergänzend hinzugefügt und deren Bedeutung als Erkennungs- und Informationssequenzen für Zellen, wie z. B. bei den Blutgruppen, näher erläutert. Transportvorgänge durch die Biomembran (7:00 min) Diese Filmsequenz zeigt, dass kleine polare und unpolare Teilchen durch Diffusionsvorgänge die Barriere überwinden können. Hier werden die Phänomene der Diffusion bzw. der Osmose in Abhängigkeit der Konzentrationsunterschiede definiert sowie verschiedene passive und aktive Transportvorgänge gezeigt. Dabei wird die Funktionsweise von verschiedenen Carrier-Transportmechanismen erarbeitet und den ATP verbrauchenden aktiven Transportprozessen gegenübergestellt. Deren große Bedeutung wird an der Na + /K + -Pumpe der Nervenzellen beispielhaft aufgezeigt. 4

5 Endo- und Exozytose (1:30 min) In dieser Sequenz werden die Transportvorgänge der Endo- sowie der Exozytose mit all deren Vorteilen erklärt. Ein abgeschlossener Reaktionsraum (0:50 min) Biomembranen stellen einen der ersten Schritte auf dem Weg zur Zellbildung dar und sind aufgrund ihrer Vielfalt im Aufbau nicht wegzudenken. en Die Zelle Die Zelle besitzt verschiedene Kompartimente, die durch Biomembranen abgetrennt sind. Lipid (2 en) Lipide bestehen aus zwei Bereichen: Der Kopf besteht aus einer polaren Phosphatgruppe mit hydrophilen Eigenschaften. Der Schwanz aus zwei unpolaren Kohlenwasserstoffketten mit lipophilen Eigenschaften. Lipiddoppelschicht Biomembranen bestehen aus einer Lipiddoppelschicht. Die Schwanzenden der beiden Lagen berühren sich und bilden so in der Mitte einen lipophilen Bereich. Die polaren hydrophilen Köpfe der Phospholipide zeigen zur wässrigen Umgebung der Biomembran. Sandwichmodell Bei einem der ersten Modelle liegen die Proteine auf der Lipiddoppelschicht auf. Dieses Sandwichmodell hielt sich über viele Jahre. Es wird nach seinen Erfindern auch Davson-Danielli-Modell genannt. Flüssig-Mosaik-Modell 1972 wurde ein neues Membranmodell vorgeschlagen: das Flüssig-Mosaik-Modell der Biomembranen. Nach diesem Modell bestehen Biomembranen aus einer zähflüssigen Lipiddoppelschicht, in der die Proteine schwimmen oder aufliegen. Lipidschicht Gibt man Phospholipide auf Wasser, taucht der hydrophile Kopf ein. Der lipophile Schwanz ragt aus dem Wasser heraus. 5

6 Modelle der Biomembran im Vergleich Die stellt vergleichend die Modelle der Biomembran dar. Desmosomen Desmosomen sind spezielle Verbindungsproteine. Sie stellen eine sehr feste Verbindung durch beide Biomembranen zweier Zellen her. Gap Junctions Zwischen fast allen Zellen gibt es direkte Verbindungen. Diese gap junctions sind Proteine. Sie sind für die Weiterleitung von Substanzen zwischen zwei Zellen zuständig. Aquaporin Aquaporine sind Kanalproteine und für Wassermoleküle sehr leicht durchgängig. So ermöglichen sie einen sehr schnellen Transport entlang des Konzentrationsgradienten. Tight Junctions Für eine Abgrenzung von Geweben gibt es in Biomembranen die tight junctions. Sie sind Bänder aus Membranproteinen, die um die gesamte Zelle herumlaufen. Glykoproteine An die Proteine oder Lipide einer Biomembran können Kohlenhydratanteile gebunden sein. Solche Verbindungen werden dann Glykoproteine oder Glykolipide genannt. Carrierprotein Carrierproteine sind Membrantransporter. Bindet ein Substrat, ändert das Carrierprotein seine Form. So wird das Substrat durch die Membran geschleust und auf der anderen Seite wieder freigegeben. Der Transport über diese Carrierproteine erfolgt immer entlang eines Konzentrationsgradienten und ohne zusätzliche Energie. Ionenkanal Manche Membranproteine bilden Kanäle für Ionen. Dort befinden sich polare Aminosäuren. Es ermöglicht kleinen polaren Teilchen, in die Zelle zu gelangen. 6

7 Na + /K + -Pumpe (4 en) Ein wichtiges Beispiel für ein aktives Carrierprotein ist die Natrium-Kalium- Pumpe in tierischen Zellen. Diese ist für die Reizweiterleitung an Nervenzellen unerlässlich. Phagozytose und Pinozytose Die Pinozytose bezeichnet die aktive Flüssigkeitsaufnahme einer Zelle durch Einstülpung der Zellmembran und Abschnürung eines Transportvesikels. Bei Aufnahme von Partikeln spricht man von Phagozytose. Mitochondrium / Thylakoidstapel Viele Zellorganellen sind durch Biomembranen vom Rest der Zelle abgetrennt. Mitochondrien besitzen eine Doppelmembran und Chloroplasten sogar drei Membransysteme. Bezug zu Lehrplänen und Bildungsstandards Die Schülerinnen und Schüler erhalten einen Überblick über die Bedeutung von Biomembranen; können das Flüssig-Mosaik-Modell historisch ableiten; lernen die unterschiedlichen Kompartimente kennen; erhalten einen detaillierten Einblick in die Aufgaben der Membranproteine; begreifen die Phänomene Diffusion und Osmose ; verstehen die Bedeutung und Arbeitsweise von Carrierproteinen in den Membranen; kennen die Abläufe der Endo- und Exozytose; differenzieren zwischen aktiven und passiven Transportprozessen; gewinnen Erkenntnisse über Notwendigkeit verschiedener Zellverbindungstypen; bewerten die Notwendigkeit von Membranen für die Stoffwechselprozesse von Lebewesen; bewerten unterschiedliche Biomembranmodelle; können die Eigenschaften der Phospholipide beschreiben. 7

8 Didaktische Hinweise Ohne Biomembranen wäre kein Leben möglich, denn sie lassen unterschiedliche Reaktionsräume mit verschiedenen Reaktionsbedingungen zu. Diese Produktion, die vorrangig für Schülerinnen und Schüler der Jahrgangsstufen 8 bis 13 aufbereitet wurde, behandelt neben dem Schwerpunkt der historischen Entwicklung der Membranmodelle die Wirkungsweisen der Biomembranen, basierend auf deren heute bekannten Aufbau. Dabei wird ein besonderes Augenmerk auf die Phospholipide und deren Eigenschaften gelegt. So werden neben den lipophilen und hydrophilen Bestandteilen und der Kompartimentierung die Folgen für die Durchlässigkeit und die Veränderungen der Membraneigenschaften bei Erwärmung bzw. Abkühlung erarbeitet. Von großer Bedeutung sind neben der Kommunikation über Zellmembranen die Verbindungstypen wie Desmosomen, tight junctions und gap junctions. In diesem Zusammenhang werden alle Möglichkeiten des Transports von gelösten Stoffen durch die Membranen hindurch dargestellt und die Bedeutung der Proteine in und an den Biomembranen abgeleitet. Grundlage hierfür sind die dargestellten Phä- nomene der Diffusion bzw. der Osmose. Ergänzend dazu zeigt die Produktion die Mechanismen der Endo- sowie Exozytose, mit deren Hilfe auch größere Stoffe bzw. Stoffmengen aufgenommen oder abgegeben werden. Die Produktion eignet sich für die Vermittlung folgender Lehrplaninhalte: Unterschiede der Organisationsebenen Zellorganelle, Zelle, Gewebe und Organe Eigenschaften von Lipiden und Phospholipiden sowie daraus gebildeter Membranen Verständnis des Flüssig-Mosaik-Modells Vermittlung der Bedeutung der Proteine in und an den Biomembranen Phänomene der Diffusion und Osmose Aufbau und Eigenschaften der Zellorganellen durch Kompartimentierung Erklärung der Barrierefunktion sowie des Stoff- und Informationstransports mittels Membranen Darstellung der Unterschiede zwischen passiven und aktiven Stofftransportprozessen Bedeutung und Funktion von Carriern Verständnis der Endo-/Exozytose 8

9 Arbeitsmaterial Als Arbeitsmaterial steht Ihnen im ROM- Teil ein umfangreiches Angebot an ergänzenden Materialien zur Verfügung (siehe Tabelle). Die Arbeitsblätter liegen als PDF- und Word-Dateien vor. Die Word-Dateien können bearbeitet und so individuell an die Unterrichtssituation angepasst werden. Ordner Didaktische Hinweise Arbeitsblätter (mit Lösungen) en Filmtext Programmstruktur Weitere Medien Produktionsangaben Materialien Hinweise zum Einsatz des Films, der Filmsequenzen, der en und den ergänzenden Arbeitsmaterialien 1) Modelle der Biomembranen 2) Biomembran-Modelle im Vergleich 3) Phospholipid- und Fettmolekül im Vergleich 4) Biomembranen Einsatz der Modelle 5) Flüssig-Mosaik-Modell 6) Biomembranen auf Teilchenebene 7) Der Stofftransport durch die Membran 8) Zelluläre Prozesse zur Abgabe und Aufnahme von Stoffen Die Zelle Lipid, Lipidschicht, Lipiddoppelschicht (4 en) Sandwichmodell, Flüssig-Mosaik-Modell (2 en) Modelle der Biomembran im Vergleich Desmosomen, Tight Junctions, Gap Junctions (3 en) Glykoproteine Aquaporin Carrierprotein Ionenkanal Na + /K + -Pumpe Phagozytose und Pinozytose Mitochondrium/Thylakoidstapel Filmtext zum Film als PDF-Dokument Übersicht über den Aufbau der DVD Informationen zu ergänzenden FWU-Medien Produktionsangaben zur DVD und zum Film 9

10 Programmstruktur Hauptmenü Biomembranen Untermenüs Funktion von Biomembranen Aufbau 1:30 min Biomembranen Film 24 min Lipiddoppelschicht 2:40 min Ein abgeschlossener Reaktionsraum Aufbau 0:50 min Sequenzen/en Membranproteine Abgrenzung durch Biomembranen Lipid Lipidschicht 3:30 min 4:00 min Kommunikation Transport Sequenz/en Sequenzen/en Lipiddoppelschicht Sandwichmodell Flüssig-Mosaik-Modell Die Zelle Desmosomen Tight Junctions Arbeitsmaterial Arbeitsmaterial Didaktische Hinweise 8 Arbeitsblätter 22 en Filmtext Programmstruktur Weitere Medien Produktionsangaben Kommunikation an Biomembranen Gap Junctions Glykoproteine Transportvorgänge durch die Biomembran Aquaporin Carrierprotein Ionenkanal Na + /K + -Pumpe Kommunikation 2:40 min Transport 7:00 min 4 en Endo- und Exozytose Phagozytose und Pinozytose 1:30 min 10

11 Produktionsangaben Biomembranen (DVD) Produktion FWU Institut für Film und Bild, 2018 DVD-Konzept Dr. Maike Schuchmann DVD-Authoring und Design Dicentia Germany GmbH im Auftrag des FWU Institut für Film und Bild, 2018 Bildnachweis FWU Institut für Film und Bild LadyofHats Wikimedia Commons Arbeitsmaterial Ulrich Hammon Begleitheft Dr. Maike Schuchmann Pädagogischer Referent im FWU Daniel Schaub Produktionsangaben zum Film Biomembranen Produktion Weichelt Film im Auftrag des FWU Institut für Film und Bild, 2018 Buch Melanie Jahreis 2D & 3D Animationen Stefan Weichelt, Fabian Weichelt Schnitt Stefan Weichelt Musik GEMAfrei Musik von audeeyah.de Footage Material Weichelt Film Shutterstock Videohive Pond5 Sprecher Andreas Karg Fachberatung Ulrich Hammon Redaktion Daniel Schaub Nur Bildstellen/Medienzentren: öv zulässig 2018 FWU Institut für Film und Bild in Wissenschaft und Unterricht gemeinnützige GmbH Geiselgasteig Bavariafilmplatz 3 D Grünwald Telefon (089) Telefax (089) info@fwu.de vertrieb@fwu.de Internet 11

12 Didaktische FWU-DVD Biomembranen Unter dem Lichtmikroskop als Grenzschicht erkennbar, ist eine Biomembran weitaus mehr als die Abgrenzung einer Zelle. Durch ihren speziellen Aufbau und die Vielfalt an Membranproteinen stellt sie ein offenes System dar, in dem ständig aktive und passive Transportprozesse stattfinden. Animationen zeigen, was dem Auge verborgen bleibt und erklären den grundsätzlichen Aufbau sowie Bestandteile und Funktionen von Biomembranen. Laufzeit 24 min Klasse 8 13 Sprache Film 1 Filmsequenzen 8 Arbeitsblätter 8 DE en 22 Kompetenzerwerb: Die Schülerinnen und Schüler erhalten einen Überblick über die Bedeutung von Biomembranen; lernen die unterschiedlichen Kompartimente kennen; erhalten einen detaillierten Einblick in die Aufgaben der Membranproteine; lernen die Aufgaben der Biomembranen kennen; begreifen die Phänomene Diffusion und Osmose ; kennen die Abläufe der Endo- und Exozytose; bewerten unterschiedliche Biomembranmodelle; gewinnen Erkenntnisse über die Notwendigkeit verschiedener Zellverbindungstypen. Ausführliche didaktische Hinweise finden Sie im Arbeitsmaterial. Lehrprogramm gemäß 14 JuSchG und 60b UrhG Themen Klasse 8 10 Klasse Funktion von Biomembranen Lipiddoppelschicht Membranproteine Abgrenzung und Kommunikation durch Biomembranen Transportvorgänge durch die Biomembran Endo- und Exozytose GEMAFREI FWU Institut für Film und Bild in Wissenschaft und Unterricht ggmbh Bavariafilmplatz Grünwald Telefon +49 (0) Telefax +49 (0) info@fwu.de Bestell-Hotline: +49 (0) vertrieb@fwu.de