Unterrichtsstunde: Ermittlung der Katalysatorfunktion der Urease beim enzymatischen Abbau von Urease (11. Klasse Gymnasium)

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1 Naturwissenschaft Robert Kirchner Unterrichtsstunde: Ermittlung der Katalysatorfunktion der Urease beim enzymatischen Abbau von Urease (11. Klasse Gymnasium) Unterrichtsentwurf

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3 Entwurf des ersten Besonderen Unterrichtsbesuchs im Fach Biologie von R. Kirchner 1 Robert Kirchner; Studienreferendar Studienseminar für das Lehramt an Gymnasien Entwurf für den ersten besonderen Unterrichtsbesuch im Fach Biologie am Schule: Gymnasium Klasse: 11.1 Zeit: 5. Stunde, 11:25 Uhr bis 12:10 Uhr Raum: Bio Hörsaal Pädagogische Leitung: StR T. Fachleitung: StR Dr. F. Schulleitung: StR` H. 1. Thema der Unterrichtseinheit Enzyme 2. Thema der Unterrichtsstunde Ermittlung der Katalysatorfunktion der Urease beim enzymatischen Abbau von Harnstoff 3. Bemerkungen zur Lerngruppe Die Klasse 11.1 besteht aus 16 Schülerinnen und 6 Schülern. Seit Februar, zum Halbjahreswechsel, halte ich in dieser Klasse eigenverantwortlichen Unterricht. Ich habe bemerkt, dass der Unterricht häufig durch nur wenige Schüler getragen wird, die sich an Hypothesenbildung und der Überprüfung rege beteiligen. Die Schüler haben durch den, von mir erteilten Unterricht, das forschend- entwickelte Unterrichtsverfahren kennen gelernt und können mit diesem gut umgehen, auch wenn ich anfangs die Schwierigkeit hatte, dass die Schüler nicht verstanden, weshalb ich ihnen nicht einfach die Lösung des Problems präsentiert habe. Die Schüler weisen ein Defizit in der Durchführung von Experimenten auf. In meinem Unterricht übte ich das Verfahren einfacher Versuc he, was ihnen nun keine Schwierigkeiten mehr macht. Getragen wird der Unterricht im Wesentlichen durch K., die durch die Teilnahme am Schüleraustausch nicht benotet wird, F.,J.., L. und C.. F. ist sehr bemüht, weil sie zu den Aprilwarnungen 04 Punkte bekam und sich verbessern muss, um versetzt zu werden. W.glänzt häufig durch fehlen, entschuldigt sich aber selbst schriftlich, weil er volljährig ist. Das Potential der Klasse lässt sich steigern, wenn sie durch anschaulichen Unterricht motiviert wird. Passiert das nicht, ist die Klasse träge und der Unterrichtsverlauf zäh. 4. Bemerkungen zum Unterrichtszusammenhang Dies ist die fünfte Stunde, in der die Enzyme thematisiert werden. Es wurde ein Einstieg getätigt, bei dem Quark mit Kiwi- und Bananenpüree vermischt wurden und nach einiger Zeit der Kiwi-Ansatz unangenehm bitter schmeckte. Die Schüler erkannten, dass der Stoff Actinidin für den bitteren Geschmack verantwortlich ist. Es wurde ihnen mitgeteilt, dass es sich dabei um ein Enzym handelt.

4 Entwurf des ersten Besonderen Unterrichtsbesuchs im Fach Biologie von R. Kirchner 2 In den darauf folgenden Stunden wurde und wird die Wirkungsweise der Enzyme thematisiert. Als zu untersuchende Reaktion ist der enzymatische Abbau von Harnstoff mit Urease gewählt worden. Zunächst wurde besprochen was Harnstoff ist, wo er hergestellte wird, und dass er auch wieder abgebaut werden muss (bakteriell). Dass er abgebaut werden kann, wurde an der Erhitzung des Harnstoffs mit Durchleitung der Abbauprodukte durch Phenolphthaleinlösung als Indikator demonstriert. Die Abbauprodukte sind bekannt. In diesem Rahmen eruierte ich wie viel die Schüler über ph- Werte und das Ammonium/ Ammoniak- Gleichgewicht in Wasser wissen. Es wurde problematisiert, dass Bakterien unter den Temperaturen, bei denen Harnstoff thermisch zersetzt wird, nicht existieren können. Es stellte sic h die Frage wie Bakterien Harnstoff abbauen. Die Schüler führten die Reaktion von Harnstoff in wässriger Lösung versetzt mit Phenolphthalein und Urease unter der Messung der Temperatur durch. So wurde erkannt, dass Urease Harnstoff abbaut, und dies bei Temperaturen unter denen Bakterien leben können. Die letzte Stunde schloss damit, dass die Schüler ein Reaktionsschema formulierten. Dieses war nicht stimmig, weil Urease als Edukt genannt wurde, aber auf der Produktseite keine Abbauprodukte der Urease genannt wurden. Das Aufstellen der Reaktionsgleichung machte einige Schwierigkeiten. Einige Schüler erkannten, dass genaue Kenntnisse über die Urease vorhanden sein müssen, um die Produkte nennen zu können. Ich stellte die Frage für die nächste Stunde zurück und beließ die Reaktionsgleichung in der folgenden stöchiometrisch nicht ausgeglichenen Form: (NH 2 ) 2 -CO + H 2 O + Urease? NH OH - + CO 2? färbt Phenolphthalein rot Die Schüler kennen: - Die Harnstoffabbaureaktion - ph- Werte und deren Messung mit Indikatoren - Reaktionsschemata, bei denen Stoffe, die als Edukt eingesetzt werden irgendwie verändert auch als Produkt erscheinen müssen - Urease als Stoff, der den Harnabbau bei niedrigen Temperaturen ermöglicht - Temperatur als Indikator für Energie - Das Durchführen einfacher Experimente 5. Überlegungen zur Didaktik 5.1 Legitimation Das Thema Enzyme bietet in besonderem Maße die Betrachtung von Stoffwechselvorgängen auf molekularer Ebene ausgehend von Phänomenen. So kann anhand dieses Themas erklärt werden, weshalb Organismen nur in einem bestimmten Temperaturbereich existieren können. Auch wird den Schülern bewusst, dass sie nicht einfach so funktionieren, sondern dass für das Phänomen des Lebens nichts anderes als chemische Reaktionen verantwortlich sind. Enzyme nehmen für diese Betrachtung eine Schlüsselstellung ein, weil nahezu alle Reaktionen in Organismen enzymkatalysiert sind.

5 Entwurf des ersten Besonderen Unterrichtsbesuchs im Fach Biologie von R. Kirchner 3 Die Rahmenrichtlinien für die gymnasiale Oberstufe geben als Inhalt für die Vorstufe im Baustein Realisierung der genetischen Information den Inhalt Enzyme an. Als Hinweis findet sich dort die experimentelle Erarbeitung einiger Enzymeigenschaften, z.b. Wirkungs- und Substratspezifität, Temperatur und ph- Abhängigkeit. Auch soll auf den Aufbau der Enzyme eingegangen werden.[1] Damit liegt die Erarbeitung des Reaktionsmechanismus zwingend auf dem Weg zur experimentellen Erkenntnis der Enzymeigenschaften. 5.2 Motivation Wie bereits erwähnt muss die Klasse motiviert werden, um ihr Potential zu aktivieren. Ich köderte die Lerngruppe mit dem Früchtequarkexperiment, was auch funktionierte. Nach Wagenschein erfüllt diese Unterrichtseinheit alle vier Parameter. Des Elementare wird im Rahmen der Ureaseexperimente abgedeckt, in denen die elementaren Wirkungsweise der Enzyme beispielhaft erarbeitet werden. Der genetische Parameter wird bedient indem die Schüler die Experimente selbst durchführen und Ideen zur Erklärung der Phänomene suchen. Der Parameter Begegnung mit dem Phänomen wird zwar mit dem Früchtequarkexperiment erfüllt, lässt sich aber nicht durchgängig beibehalten, weil das Enzym Actinidin nicht zu kaufen ist, und damit auf die Urease zurückgegriffen wird, die nur bedingt eine Begegnung mit dem Phänomen ist. Harnstoff wird zwar im menschlichen Körper hergestellt, gilt aber als etwas schmutziges. Der Abbau des Harnstoffs ist für die Schüler nicht unmittelbar von Bedeutung. Diese Reaktion ist aber zu bearbeiten um dem elementarem Parameter gerecht zu werden. Zugegeben ist das Fundamentale ein großes Wort im Zusammenhang mit dem enzymatischen Abbau von Harnstoff. Trotz dessen werden mit dem Früchtequarkexperiment die Grenzen ihrer Erkenntnis markiert.[2] Durch das Quarkexperiment werden die Schüler also motiviert nach Wagenschein sich mit dem Thema Enzyme zu beschäftigen. Die Erarbeitung der Wirkungsweise dieser Stoffgruppe wird für die Schüler zunehmend unattraktiver, was versucht wird damit zu kompensieren, dass sie die Versuche selbst durchführen [3]. 5.3 Sachanalyse Enzyme katalysieren die meisten Stoffwechselreaktionen. Dabei werden diese nicht verbraucht. Sie können die selbe Reaktion immer wieder katalysieren. Damit ist ein Enzym kein Edukt, sondern ein Katalysator für eine ganz bestimmte Reaktion. Urease ist ein Enzym zum Harnstoffabbau und kommt in Harnstoff abbauenden Bakterien und vielen Pflanzen vor. Urease spaltet den Harnstoff zu Ammoniak und CO 2. Das aktive Zentrum, in dem Nickelionen komplex gebunden sind, ist für die Katalysatorfunktion verantwortlich. Ammoniak steht im chemischen Gleichgewicht mit Ammonium, das alkalisch reagiert. Mit Phenolphthalein lässt sich die Verschiebung des ph- Werts in den alkalischen Bereich durch intensive Rotfärbung nachweisen. Titriert man in die Lösung dann mit stark verdünnter Salzsäure, wird sie wieder Farblos, weil der ph- Wert in den neutralen Bereich verschoben wird. Nach einiger Zeit erkennt man eine erneute Rotfärbung. Das Enzym liefert also Ammonium nach. 5.4 Transformation Es ist der problemorientierte Unterricht gewählt worden, weil die Schüler in der letzten Stunde selbst ein Problem produziert haben, dass nun aufgegriffen wird. Die letzte Stunde endete damit, dass eine