Schwerpunkte übergeordneter Kompetenzerwartungen: Meiose und Rekombination Analyse von Familienstammbäumen Bioethik

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1 Unterrichtsvorhaben I: Thema/Kontext: Humangenetische Beratung Wie können genetisch bedingte Krankheiten diagnostiziert und therapiert werden und welche ethischen Konflikte treten dabei auf? Schwerpunkte übergeordneter Kompetenzerwartungen: Meiose und Rekombination Analyse von Familienstammbäumen Bioethik Zeitbedarf: 16 Std. à 45 Minuten Mögliche didaktische Leitfragen / Sequenzierung inhaltlicher Aspekte Konkretisierte Kompetenzerwartungen des Kernlehrplans Die Schülerinnen und Schüler Die Schülerinnen und Schüler können E5 Daten und Messwerte qualitativ und quantitativ im Hinblick auf Zusammenhänge, Regeln oder Gesetzmäßigkeiten analysieren und Ergebnisse verallgemeinern. K2 zu biologischen Fragestellungen relevante Informationen und Daten in verschiedenen Quellen, auch in ausgewählten wissenschaftlichen Publikationen recherchieren, auswerten und vergleichend beurteilen, B3 an Beispielen von Konfliktsituationen mit biologischem Hintergrund kontroverse Ziele und Interessen sowie die Folgen wissenschaftlicher Forschung aufzeigen und ethisch bewerten. Empfohlene Lehrmittel/ Materialien/ Methoden Didaktisch-methodische Anmerkungen und Empfehlungen sowie Darstellung der verbindlichen Absprachen der Fachkonferenz Reaktivierung von SI-Vorwissen Wie werden die Keimzellen gebildet und welche Unterschiede gibt es bei Frau und Mann? Meiose Spermatogenese / Oogenese/ Differenzierung Wo entscheidet sich die genetische Ausstattung einer Keimzelle und wie entsteht genetische Vielfalt? inter- und erläutern die Grundprinzipien der Rekombination (Reduktion und Neukombination der Poster, Film zu Embryogenese Advance Organizer Think-Pair-Share zu bekannten Elementen Selbstlernplattform von Mallig Materialien (z. B. Knetgummi, Moosgummi) Arbeitsblätter SI-Wissen wird reaktiviert, ein Ausblick auf Neues wird gegeben. Zentrale Aspekte der Meiose werden selbstständig wiederholt und geübt. Schlüsselstellen bei der Keimzellenbildung werden erarbeitet und die theoretisch möglichen Rekombinationsmöglichkeiten werden ermittelt.

2 intrachromosomale Rekombination Merkmal/ Allel Wie kann man ein Vererbungsmuster von genetisch bedingten Krankheiten im Verlauf von Familiengenerationen ermitteln und wie kann man daraus Prognosen für den Nachwuchs ableiten? Erbgänge/Vererbungsmodi Genetisch bedingte Krankheiten: - Cystische Fibrose - Muskeldystrophie Typ Duchenne - Chorea Huntington Welche therapeutischen Ansätze ergeben sich aus der Stammzellenforschung und was ist von ihnen zu halten? Gentherapie Zelltherapie Chromosomen) bei Meiose und Befruchtung (UF4). formulieren bei der Stammbaumanalyse Hypothesen zu X- chromosomalen und autosomalen Vererbungsmodi genetisch bedingter Merkmale und begründen die Hypothesen mit vorhandenen Daten auf der Grundlage der Meiose (E1, E3, E5, UF4, K4). recherchieren Unterschiede zwischen embryonalen und adulten Stammzellen und präsentieren diese unter Verwendung geeigneter Darstellungsformen (K2, K3). stellen naturwissenschaftlichgesellschaftliche Positionen zum therapeutischen Einsatz von Stammzellen dar und beurteilen Interessen sowie Folgen ethisch (B3, B4). Checkliste zum methodischen Vorgehen bei einer Stammbaumanalyse. Exemplarische Beispiele von Familienstammbäumen Selbstlernplattform von Mallig Recherche zu embryonalen bzw. adulten Stammzellen und damit verbundenen therapeutischen Ansätzen in unterschiedlichen, von der Lehrkraft ausgewählten Quellen: - Internetquellen - Fachbücher / Fachzeitschriften Checkliste: Welche Quelle ist neutral und welche nicht? Checkliste: richtiges Belegen von Informationsquellen Ggf. Powerpoint-Präsentationen der SuS Verbindlicher Beschluss der Fachkonferenz: Die Auswertungskompetenz bei humangenetischen Stammbäumen wird im Unterricht an mehreren Beispielen geübt. Prognosen zum Auftreten spezifischer, genetisch bedingter Krankheiten werden für Paare mit Kinderwunsch ermittelt und für (weitere) Kinder begründet angegeben. Das vorgelegte Material könnte von SuS ergänzt werden. An dieser Stelle kann auf das korrekte Belegen von Text- und Bildquellen eingegangen werden, auch im Hinblick auf die Facharbeit. Neutrale und interessengefärbte Quellen werden kritisch reflektiert. Am Beispiel des Themas Dürfen Embryonen getötet werden, um Krankheiten zu heilen? kann die

3 Dilemmamethode Gestufte Hilfen zu den verschiedenen Schritten der ethischen Urteilsfindung Methode einer Dilemma-Diskussion durchgeführt und als Methode reflektiert werden. Diagnose von Schülerkompetenzen: Selbstevaluationsbogen mit Ich-Kompetenzen am Ende des Unterrichtsvorhabens Leistungsbewertung: KLP-Überprüfungsform: Analyseaufgabe ; angekündigte Kurztests möglich, z. B. zu Meiose / Karyogrammen / Stammbaumanalyse ggf. Klausur / Kurzvortrag

4 Unterrichtsvorhaben II: Thema/Kontext: Modellvorstellungen zur Proteinbiosynthese Wie entstehen aus Genen Merkmale und welche Einflüsse haben Veränderungen der genetischen Strukturen auf einen Organismus? Schwerpunkte übergeordneter Kompetenzerwartungen: Proteinbiosynthese Die Schülerinnen und Schüler können Genregulation UF1 ausgewählte biologische Phänomene und Konzepte beschreiben. UF3 die Einordnung biologischer Sachverhalte und Erkenntnisse in Zeitbedarf: 18 Std. à 45 Minuten gegebene fachliche Strukturen begründen. UF4 bestehendes Wissen aufgrund neuer biologischer Erfahrungen und Erkenntnisse modifizieren und reorganisieren. E6 Modelle zur Beschreibung, Erklärung und Vorhersage biologischer Vorgänge begründet auswählen und deren Grenzen und Gültigkeitsbereiche angeben. Mögliche didaktische Leitfragen / Sequenzierung inhaltlicher Aspekte Konkretisierte Kompetenzerwartungen des Kernlehrplans Die Schülerinnen und Schüler Empfohlene Lehrmittel/ Materialien/ Methoden Didaktisch-methodische Anmerkungen und Empfehlungen sowie Darstellung der verbindlichen Absprachen der Fachkonferenz Reaktivierung von SI-Vorwissen Modell und Abb. zu DNA und Chromosomen Mind Map SI-Wissen wird reaktiviert, ein Ausblick auf Neues wird gegeben. Das Leben hängt an einem dünnen Faden - Was ist für die Weitergabe der Erbinformationen zuständig und wie ist sie organisiert? Bau der DNA und deren Entdeckung Zellzyklus/ Mitose/ Zelldifferenzierung Semikonservative begründen die Verwendung bestimmter Modellorganismen (u.a. E. coli) für besondere Fragestellungen genetischer Forschung Materialien (Moosgummi, DNA- Modell) Arbeitsblätter Film Der Aufbau der DNA und deren Funktion werden wiederholt und die Funktion unterschiedlicher Modelle und Modellorganismen und entsprechende Forschungsergebnisse werden erläutert.

5 Replikation/ Meselson- Stahl-Experiment (E6, E3) Wie wird die DNA verpackt und transportfähig gemacht?- Vergleich DNA Eucyte Procyte - Chromosomen Ringförmige DNA/ Plasmide Wie kann die DNA für Proteine codieren und ist sie für alle Lebewesen gleich?- Vom Gen zum Merkmal. Proteine Genetischer Code Basen und Aminosäuren Unterschiede DNA und RNA Mutation/ Proto-Onkogen/ Tumor-Supressorgen erläutern Eigenschaften des genetischen Codes und charakterisieren mit dessen Hilfe Genmutationen (UF1, UF2) erklären die Auswirkungen verschiedener Gen-, Chromosom- und Genommutationen auf den Phänotyp (u.a. unter Berücksichtigung von Genwirkketten) (UF1, UF4) Arbeitsblätter Übungsaufgaben zur Übersetzung des genetischen Codes in Aminosäuresequenzen incl. Mutationen in der Basensequenz und deren Folgen (Genmutationen) Fallanalysen z.b. Ursachen und Auswirkungen des Downsyndroms, Unterschiede zwischen eukaryotische und prokaryotischer DNA werden ermittelt. Aufbau und Funktion der Proteine wird im Detail wiederholt. Die SuS sollen die Redundanz des genetischen Codes durch verschiedene Übungsaufgaben erkennen. Anwendung der Codesonne und der Tabelle. Vom genetischen Code zum Protein und von der Aminosäurensequenz zum genetischen Code. 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, UF1, UF3, UF4) Abbildungen und Modelle Aufgreifen der Modelle und Verknüpfung mit dem Zellzyklus

6 Welche Schritte und Bestandteile der Zelle benötigt die Decodiermaschinerie zur Übersetzung der Basensequenz der DNA in die Aminosäuresequenz der Proteine? Proteinbiosynthese Verschiedene RNA-Typen Transkription/ Translation Ribosomen Spleißen bei Eukaryoten vergleichen die molekularen Abläufe in der Proteinbiosynthese bei Pro- und Eukaryoten (UF1, UF3) Vergleichen die molekularen Abläufe mittels Anfertigen von Flussdiagrammen. An dieser Stelle kann am Beispiel der Immunabwehr und Bildung von Antikörper in ihrer großen Zahl auf das alternative Spleißen eingegangen werden und welche Aufgaben möglicherweise die vielen nicht codierenden Abschnitte der eukaryotischen DNA haben können (z.b. Telomere) Alle Zellen des Körpers enthalten die gleiche Erbinformation. Wie kommt es, dass die Genexpression von Zelle zu Zelle unterschiedlich sein kann und es so viele unterschiedlich spezialisierte Zelltypen gibt? Genregulation/ Transkriptionsfaktor Operon-Modell Endproduktrepression und Substratinduktion Epigenetik/ Methylierung erläutern und entwickeln Modellvorstellungen auf der Grundlage von Experimenten zur Aufklärung der Genregulation bei Prokaryoten (E2, E5, E6) erklären einen epigenetischen Mechanismus als Modell zur Regelung des Zellstoffwechsels (E6) Analysieren und vergleichen von Modellen am Beispiel des Lacund Tryptophan-Operon von Jacob Monod Vergleich der Wirkung des Repressors bei der Regulation von aufbauenden und Abbauenden Stoffwechselprozessen. Ermitteln der biologischen Bedeutung dieser beiden Abläufe Konfrontationsmethode: Erbinformationen werden mittels DNA weitergegeben. Aber auch Umwelteinflüsse können mittels Erbinformationsfluss in die nachfolgende Generation weitergegeben werden? Rechercheaufgabe (z.b. Epigenetische Vererbung mittels Methylierung von DNA Evtl. Filmmaterial Steuerung der Entwicklungsschritte des Embryos durch verschiedene Faktoren am Beispiel der Drosophila (z.b. Proteine als Transkriptionsfaktoren) An dieser Stelle kann auf den Lamarckismus eingegangen werden und dass durch neue Erkenntnisse in der Forschung die Sichtweisen ständig neu überprüft werden müssen.

7 Leistungsbewertung: KLP-Überprüfungsform: Analyseaufgabe ; angekündigte Kurztests möglich, z. B. zu Anwendung des genetischen Codes / Anwendungsaufgaben zur Unterscheidung zur Endproduktrepression und Substratinduktion ggf. Klausur / Kurzvortrag

8 Unterrichtsvorhaben III: Thema/Kontext: Angewandte Genetik Welche Chancen und welche Risiken bestehen? Schwerpunkte übergeordneter Kompetenzerwartungen: Gentechnik Bioethik Zeitbedarf: 11 Std. à 45 Minuten Mögliche didaktische Leitfragen / Sequenzierung inhaltlicher Aspekte Konkretisierte Kompetenzerwartungen des Kernlehrplans Die Schülerinnen und Schüler Die Schülerinnen und Schüler können K2 in vorgegebenen Zusammenhängen kriteriengeleitet biologischtechnische Fragestellungen mithilfe von Fachbüchern und anderen Quellen bearbeiten. B1 bei der Bewertung von Sachverhalten in naturwissenschaftlichen Zusammenhängen fachliche, gesellschaftliche und moralische Bewertungskriterien angeben. B4 Möglichkeiten und Grenzen biologischer Problemlösungen und Sichtweisen mit Bezug auf die Zielsetzungen der Naturwissenschaften darstellen. Empfohlene Lehrmittel/ Materialien/ Methoden Didaktisch-methodische Anmerkungen und Empfehlungen sowie Darstellung der verbindlichen Absprachen der Fachkonferenz Anwendung und Methoden der Gentechnik Wie werden Gene isoliert und in andere Organismen über Artgrenzen hinweg transferiert? Molekulargenetische Werkzeuge der Gentechniker - Restriktionsenyme und Vektoren (Plasmide) Restriktion und Ligation beschreiben molekulargenetische Werkzeuge und erläutern deren Bedeutung für gentechnische Grundoperationen (UF1) Materialien (Modelle und Abbildungen) Arbeitsblätter zum Zerschneiden Hier kann eine kurze Wiederholung zum Bau und Vermehrung von Prokaryoten und Viren eingebaut werden und ein Bezug zur Verwendung in der Gentechnik hergestellt werden.

9 Wie lassen sich transgene Organismen sich in der Arzneimittelproduktion nutzen? GvOs produzieren humanes Insulin Reportergene cdna reverse Transkriptase stellen mithilfe geeigneter Medien die Herstellung transgener Lebewesen dar und diskutieren ihre Verwendung (K1, B3) Übungsaufgabe: Erarbeitung mit Hilfe von Arbeitsblättern und weiterem Infomaterial am Beispiel der Insulinproduktion Übertragung der Technik auf andere selbstgewählte GvOs z.b. in der Lebensmittelproduktion Präsentation innerhalb von Kleingruppen Diskussion im Plenum über die Verwendung Pro und Contra Verwendung, Nutzen und Akzeptanz von GvOs in der Medizin und in der Lebensmittelindustrie Wer war der Täter?- Molekulargenetische Verfahren PCR, Gelelektrophorese Genetischer Fingerabdruck Gensequenzierung Lage und Aktivität von Genen erläutern molekulargenetische Verfahren (u.a. PCR, Gelelektrophorese) und ihre Einsatzgebiete (E4, E2, UF1) Arbeitsblätter Fallanalyse Möglichkeit am Beispiel von genetisch bedingtem Brustkrebs erläutern wie die Lage und Funktion von Genen zu erfassen ist. Automatisieren des Auffindens von Genen durch DNA-Chips Leistungsbewertung: KLP-Überprüfungsform: Analyseaufgabe ;Referate und Kurzvorträge z. B. zur Anwendung und Herstellung von GvOs / Ggfs. Klausur

10 Unterrichtsvorhaben I: Qualifikationsphase (Q1) GRUNDKURS 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: E5 Auswertung K2 Recherche B3 Werte und Normen Meiose und Rekombination Analyse von Familienstammbäumen Bioethik Zeitbedarf: ca. 16 Std. à 45 Minuten Unterrichtsvorhaben III: Thema/Kontext: Modellvorstellungen zur Proteinbiosynthese Wie entstehen aus Genen Merkmale und welche Einflüsse haben Veränderungen der genetischen Strukturen auf einen Organismus? Schwerpunkte der Kompetenzentwicklung: UF1 Wiedergabe UF3 Systematisierung UF4 Vernetzung E6 Modelle Proteinbiosynthese Genregulation Zeitbedarf: ca. 18 Std. à 45 Minuten Thema/Kontext: Angewandte Genetik Welche Chancen und welche Risiken bestehen? Schwerpunkte der Kompetenzentwicklung: K2 Recherche B1 Kriterien B4 Möglichkeiten und Grenzen Gentechnik Bioethik Zeitbedarf: ca. 11 Std. à 45 Minuten

11 Summe Qualifikationsphase (Q1) GRUNDKURS: 90 Stunden