Herzlich Willkommen in der gymnasialen Oberstufe der Kopernikusschule! Ich wünsche allen Schülerinnen und Schülern viel Erfolg im Schuljahr 2012 / 2013.

Die Schülerinnen und Schüler der Einführungsphase weise ich hiermit ausdrücklich auf §6 (Versäumnisse, Entschuldigung und ärztliche Atteste), §9 (Leistungsbeurteilung und -nachweise), speziell #2, #3 und Anlage 9a, sowie §12 (Zulassung zur Qualifizierungsphase), speziell #2 und #3 der OAVO (Oberstufen- und Abiturverordnung) hin.

Auf meinen Internetseiten stelle ich meinen Schülerinnen und Schüler zusätzliche Materialien, Linktipps (z.B. zu Animationen biologischer Vorgänge im Internet) und Downloads verschiedener Unterrichtsmaterialien zu einigen Themen meines Biologieieunterrichts zur Verfügung. Diese online-Unterlagen können das sorgfältige Mitschreiben im Unterricht und die jeweilige Nachbereitung des Unterrichts jedoch AUF KEINEN FALL ERSETZEN.

Themen im Biologieunterrricht der Einführungsphase werden sein:

• Aufbau der Zelle, des universellen Grundbausteins aller Lebewesen
• zelluläre Strukturen und ihre Aufgaben
• Die Zelle als Teil eines Organismus
• Zellteilung und -differenzierung

ÜBERBLICK ÜBER DIE THEMEN DER SEITE:

1) Aufbau der Zellen

2) Biomembranen

3) Diffusion und Osmose

4) Proteinbiosynthese

5) DNA - unser Erbinformationsspeicher

6) Enzyme: Biokatalysatoren als Werkzeuge von Zellen

Alle Zellen besitzen eine äußere Begrenzung durch eine Zellmembran. Pflanzenzellen haben zusätzlich eine Zellwand, an deren Innenseite die Zellmembran anliegt. Im Innern aller Zelle befindet sich das Zytoplasma / Zellplasma. Höher entwickelte tierische Zellen und Pflanzenzellen (= eukaryotische Zellen, Eukaryoten) besitzen einen Zellkern. Bakterien (Prokaryoten) besitzen dagegen keinen Zellkern! In Pflanzenzellen findet man zusätzlich Zellsafträume (Vakuolen) und Plastide, z.B. Chloropyhll-gefüllte Chloroplasten bei Fotosynthese betreibenden Pflanzen.

Zellaufbau interaktive Animation

Die verschiedenen Zelltypen (Planet Wissen) 

Zellen bei Wikipedia

Aufbau der Zelle / Zellorganellen und ihre Aufgaben I

Aufbau der Zelle / Zellorganellen und ihre Aufgaben II

Die Zellmembran grenzt die Zelle nach außen ab. Als typische Biomembran ist sie aus einer Doppelschicht aus verschiedenen Lipiden (Fetten), hauptsächlich Phospholipiden, und ein- und angelagerten Proteinen aufgebaut. Die Proteine können durch angehängte Zuckermoleküle modifiziert sein. Die Lipide und Proteine können sich auf ihrer Seite in der Membran (laterale Diffusion) relativ frei bewegen, aber wechseln normalerweise nicht durch den hydrohoben Kern der Membran auf die andere Seite (transversale Diffusion, Flip-Flop-Wechsel). Kleinere polare Teilchen wie Wasser, Kohlenstoffdioxid und hydrophobe Teilchen können durch die Membran diffundieren. Durch ihren hydrophoben Kern ist die Membran undurchlässig für größere polare und alle geladenen Teilchen. Diese Stoffe müssen durch spezielle Transportmoleküle (Kanäle, Pumpen und Carrier) durch die Membran gebracht werden. Mehr bei Wikipedia: Flüssig-Mosaik-Membranmodell (Fluid-Mosaic-Modell von Singer und Nicolson).

Diffusion und Osmose

Diffusion ist die Verteilung der Stoffteilchen eines Stoffes in einem anderen. Sie gleicht bestehende Konzentrationsunterschiede aus. Sie geschieht aufgrund der Wärmebewegung der Teilchen, der Brownschen Molekularbewegung. Bei der Osmose verhindert eine teildurchlässige Trennschicht die Diffusion. Nur eine Teilchensorte, z.B. die Lösungsmittelteilchen, können die Trennschicht durchwandern. In dem Lösungsmittel gelöste Teilchen können nicht durch die Trennschicht. Besteht ein Konzentrationsunterschied bei zwei durch die Trennschicht separierten Lösungen, so strebt das System den Konzentrationsausgleich an, indem die Lösungsmittelteilchen in die stärker konzentrierte Lösung wandern um sie dadurch zu verdünnen. Osmose wird auch bei den folgenden Links erklärt: 

Link zum virtuellen Osmose-Versuchslabor von Planet Schule

Animation zur Osmose

Sehr gute Animation mit Erklärung zur Osmose: "How osmosis works".

Über die Biomembran erfolgt ein kontrollierter Stofftransport, siehe

Stofftransport durch die Membran .

Mitochondrien sind die Orte der Energieerzeugung in der Zelle. Nährstoffe werden zum universellen Energieträger der Zelle, das Adenosintriphosphat (ATP), verarbeitet. Dazu benötigt das Mitochondrium einen sehr speziellen Aufbau (siehe Buch und folgende Links):

Mitochondrien: Aufbau und Funktion

Aufgabe der Mitochondrien (interaktive Animation)

Zur Speicherung von Erbinformation benutzt die Natur ein Makromolekül, die DNA. Ihr Aufbau, ihre Struktur und der Vervielfältigungsmechanismus wurde vor allem durch die Arbeit der späteren Nobelpreisträger Francis Crick und James Watson aufgeklärt. Allerdings hätten diese beiden ihre Pionierarbeit nicht ohne die wertvolle Vorarbeit anderer, z.B. Erwin Chargaff, Maurice Wilkins und vor allem Rosalind Franklin, bewältigt. Watson, Crick und Wilkins erhielten für ihre Arbeit einen Nobelpreis. Rosalind Franklin war bereits verstorben und konnte daher nicht mehr mit dem Nobelpreis ausgezeichnet werden. Dieser Film zeigt die phänomenale Arbeit zur Entschlüsselung dieser ursprünglich sehr rätzelhaften Vorgänge: Meilensteine der Naturwissenschaften .

1. Link zu einer kommentierten Version der Veröffentlichung im Magazin Nature (1953). 
2. Original-Veröffentlichung als pdf

Die Proteinbiosynthese erfolgt im Zytoplasma in den Ribosomen. Es wird ein funktionsfähiges Ribosom aus kleiner und großer Untereinheit, die Bauanleitung in Form einer Boten-RNA (messenger-RNA, mRNA) und die verschiedenen, mit den jeweils passenden Aminosäuren beladenen Transfer-RNAs (tRNA) gebraucht. Im Kern wird als erstes durch die so genannte Transkription eine Abschrift der Erbinformation, die mRNA, erzeugt. Die mRNA wird vom Kern ins Zytoplasma transportiert. Dort findet dann durch die Ribosomen die Biosynthese des Proteins, die Translation, statt.

Die folgenden zwei Filme veranschaulichen die Vorgänge bei der Proteinbiosynthese:

1. Diese Animation zeigt die Translation: Protein Synthesis Animation (in Englisch).
2. In diesem Film erklären Schüler den vollständigen Prozess von der Herstellung der mRNA im Zellkern bis zum Protein in deutsch.

Die in einer Zelle erforderlichen chemischen Reaktionen müssen alle bei relativ niedrigen Temperaturen stattfinden. Daher verwenden Zellen katalytisch wirksame Eiweiße/Proteine, die so genannten Enzyme. Als Katalysator ermöglichen die Enzyme durch die Erniedrigung der Aktivierungsenergie chemische Reaktionen beim Menschen bei nur 37°C. Ein erstes Beispiel einer enzymatische Reaktion war im Unterricht die Verdauung von Stärke im Mund durch das im Speichel enthaltene Enzym α-Amylase 1 (Ptyalin). Aus der Stärke wird durch die Amylase-Verdauung Zucker, welcher sich mit der Fehlingprobe nachweisen lies.

Die alkoholische Gärung als Beispiel für enzymatische Reaktionen

Die alkoholische Gärung wurde zuerst am Beispiel Bierbrauen betrachtet. Mit einem Experiment haben wir dann genauer untersucht, welche Zucker für Bäckerhefe geeignet sind. Traubenzucker (Glucose), Fruchtzucker (Fructose), Haushaltszucker (Saccharose, ein Zweifachzucker aus einem Glucose- und einem Fructosemolekül) und Maltose (ein Zweifachzucker aus zwei Glucose-Molekülen) werden von der Bäcker- und Bierhefe Saccharomyces cerevisiae mit Hilfe ihrer Enzyme bei Sauerstoffausschluss zu Ethanol und Kohlenstoffdioxid verarbeitet. Milchzucker (Lactose) und Stärke kann diese Hefe mit den ihr zur Verfügung stehenden Enzymen dagegen nicht verarbeiten. Im Kühlschrank findet die alkoholische Gärung sogar mit den richtigen Zuckern (siehe oben) kaum statt, da die Enzyme bei den niedrigen Temperaturen sehr ineffizient arbeiten.

Ergebnis: Enzyme arbeiten substratspezifisch und sind temperaturabhängig. Dies bedeutet, dass ein Enzym nur ganz bestimmte Reaktionen mit genau festgelegten Ausgangsstoffen durchführen kann und die Reaktionen auch nur in einem bestimmten Temperaturbereich ausreichend effizient bewältigt. Zusätzlich ist die Wirksamkeit von Enzyme noch pH-abhängig und wird von Hemmstoffen (Inhibitoren) und Aktivatoren reguliert.

Ein weiteres Beispiel zur Substratspezifität: Das Enzym Katalase bewirkt ausschließlich die Unschädlichmachung des für Zellen giftigen, stark oxidierend wirkenden Wasserstoffperoxid (H2O2). Dieser Stoff entsteht als Nebenprodukt beim aeroben (Sauerstoff-abhängigen) Stoffwechsel. Durch Katalase wird es entsprechend der Gleichung

2 H202 ---> 2H20 + O2

zu Wasser und Sauerstoff umgewandelt. Deshalb schäumte eine Wasserstoffperoxidlösung sofort auf, als wir in ihr Hefe suspendierten. Als wir einen glühenden Glimmspan in das Reaktionsgefäß hielten, flammte er durch den freigesetzten Sauerstoff sofort auf. Auch alle anderen Zellen von aeroben Lebewesen haben dieses wichtige Enzym, zum Beispiel die Zellen von Kartoffeln.

Linktipp: Proteine und Enzyme

Wie wir gesehen haben, spielen Enzyme eine wichtige Rolle bei der Lebensmittelherstellung, in der Waschmittel- und Lederindustrie und in bei den chemischen Reaktionen in Pflanzen und Tieren. Sie haben einen sehr hohen Stellenwert in der medizinischen Diagnostik. Hier werden oft Enzymkonzentrationen in Körperflüssigkeiten (Blut, Urin, Sekrete) ermittelt, oder Enzyme bei der Messung der Konzentration von Stoffen eingesetzt. Ein Beispiel ist der ELISA (Enzyme-Linked Immunosorbent Assay), bei dem ein Enzym an einen Antikörper gekoppelt ist. Der Antikörper bindet spezifisch an den nachzuweisenden Stoff. Ein an einen Antikörper gebundenes Enzym bewirkt eine Farbreaktion für die quantitative Messung.  Schematischer Aufbau eines ELISA.

Bei jeder Teilung einer Körperzelle müssen beide Tochterzellen die vollständige Erbinformation erhalten. Daher werden vor der Zellteilung alle 46 Chromatinfäden kopiert / verdoppelt. Für die darauf folgende Zellteilung werden die Chromatinfäden in eine verdichtete Transportform, die Chromosomen, umgewandelt. Der ganze Vorgang der Zellteilung einer Körperzelle mit 46 Chromosomen, die Mitose, ist hier im Film dargestellt. Man kann sich die Vorgänge auch in dieser Mitose Animation ansehen.

Bei der Produktion der Keimzellen, Samenzellen beim Mann und Eizellen bei der Frau, muss die Anzahl der Chromosomen auf die Hälfte einer Körperzelle reduziert werden. Würde dies nicht erfolgen, so würden es durch die Verschmelzung von Samen- und Eizelle bei der Befruchtung zu einer wiederholten Verdoppelung der Chromosomenanzahl kommen. Die Reduktion des Erbgutes erfolgt bei der Reifeteilung, der Meiose. Die notwendigen Vorgänge verdeutlicht diese Meiose Animation .

Einstieg ins Thema: "Klonen kann sich lohnen" (Max Raabe)

Film über die Klonierung (Planet Schule Wissenspool)

Link in das virtuelle Klonlabor (interaktive Animation bei Planet Schule Wissenspool)

Alleskönner Stammzellen (Film)

Stammzellen aus embryonalen Blut

Hier gibt es das Arbeitsblatt zum Film. Neben den Aufgaben des AB sollt ihr beantworten: Man unterscheidet reproduktives und therapeutisches Klonen: Was sind die Ziele des therapeutischen Klonens?

 Meine Leseempfehlung: Klonen - was geht? , Therapeutisches Klonen 

TOPAKTUELL 15. Mai 2013: Erstmals wurde ein menschlicher Klon hergestellt.

TOPAKTUELL 4. Juli 2013: Funktionierendes menschliches Lebergewebe aus pluripotenten Stammzellen erzeugt

Termin der Bio-Klausur 2. Halbjahr 2012/2013: Mittwoch 22. Mai 2013

Leider wurde das Video bei Youtube wegen Copyright-Ansprüchen gelöscht:
    Das Herz von Jenin . Wer sich den Rest des Films ansehen möchte sollte mich ansprechen.

Schöne Ferien! M. Bauer