Stundenentwurf __________________________________________________________________________ Vorname: Julia Nachname: Sundermeier E-Mail-Adresse: juliasundermeier@googlemail.com.

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1 Stundenentwurf __________________________________________________________________________ Vorname: Julia Nachname: Sundermeier -Adresse: Thema der Stunde: Fluid-Mosaik-Model __________________________________________________________________________ Sachanalyse Plasmamembranen grenzen den wässrigen Inhalt einer Zelle von ihrer leblosen wässrigen Umgebung ab. Sie steuern den Stoffaustausch mit der Umgebung, wobei sie nicht für alle Substanzen gleichdurchlässig sind (Semipermeabilität) (Campell & Reece, 2009, S.163). Auch innerhalb einer Zelle spielt die Plasmamembran eine wichtige, denn sie ermöglicht die Bildung einzelner Zellkompartimente, so dass dadurch eine Trennung von Reaktionsräumen vorliegt, welche verschiedenste Reaktionen auf engstem Raum ermöglicht. Bereits Ende des 19. Jahrhunderts interessierte man sich für den Aufbau der Plasmamembran und kam, ohne das Vorhandensein von Lichtmikroskopen und alleine aufgrund der Tatsache das Plasmamembranen lipophile Stoffe leichter durchlassen als lipophobe, zu dem Ergebnis, dass Plasmamembranen aus Lipiden bestehen müssen. (Linder Biologie Gesamtband, 22.Auflage, S.25) Das häufigste Plasmamembranlipid ist das Phospholipid (siehe Abb. 1). Dies ist ähnlich aufgebaut wie Fett, besitzt aber statt drei nur zwei Fettsäuren. „ Die dritte Hydroxygruppe des Glycerins ist mit einer Phosphatgruppe verbunden […].“(Campbell & Reece, 2009, S.84). Abb.1: Struktur eines Phospholipids [1] Die zwei Fettsäuren bilden den sog. Schwanz des Phospholipids, welcher aufgrund der hydrophoben Eigenschaft der Fettsäuren hydrophob ist. Die Phosphatgruppe bildet aufgrund ihrer hydrophilen Eigenschaften den hydrophilen Kopf (Campbell & Reece, 2009, S.85) Aufgrund dieser amphipathischen Molekülstruktur lagern sich die hydrophoben Schwänze in wässriger Umgebung zusammen, so dass die hydrophilen Köpfe nach außen, in die wässrige Lösung, gerichtet sind (siehe Abb. 2.) Folglich sind Membranen doppelschichtig.

2 Plasmamembranen sind keine unbeweglichen Gebilde aus starr fixierten Molekülen sondern werden vielmehr von hydrophoben Wechselwirkungen zusammengehalten (Campbell & Reece, 2009, S. 165) Die meisten Lipidmoleküle können sich um ihre Längsachse drehen oder sich seitwärts verschieben (Campbell & Reece, 2009, S.166). Sobald allerdings die Temperatur unter einen kritischen Wert absinkt verfestigt sich die Membran gelartig. (Campbell & Abb. 2: Schematische Darstellung einer Lipiddoppelschicht [2] Reece, 2009, S. 166). Die kritischen Werte sind von der Lipidzusammensetzung der Membran abhängig, denn je mehr Phosphlipide mit ungesättigten Fettsäuren diese enthält, desto größer ist die Kälteresistenz (Campbell & Reece, 2009, S.166). Das liegt daran, dass die Doppelbindungen, die die ungesättigten Fettsäuren ausmachen, den einzelnen Molekülen mehr Bewegungsfreiheit verschaffen. Die bisher beschriebene Membraneigenschaft wird durch den Begriff Fluid in „Fluid-Mosaik-Model“ beschrieben. Der zweite Hauptbestandteil von Membranen sind Proteine. Diese sind in die Lipiddoppelschicht eingelagert und für die meisten spezifischen Funktionen verantwortlich (Campell & Reece, 2009, S.167). Es gibt Integrale und Periphere Membranproteine, wobei Membranen von verschiedenen Organellen ganz charakteristische Proteinzusammensetzungen aufweisen. Die Tatsache, dass die Proteine nicht wie im Davson-Danielli-Modell (siehe Abb.3a) flächendeckend auf der Lipiddoppelschicht aufliegen sondern einzeln in die Lipiddoppelschicht eingelagert sind (siehe Abb.3b), begründet die Wahl des Begriffs „Mosaik“ in „Fluid-Mosaik-Model“. Abb. 3: a) Davson-Danielli-Modell b) Fluid-Mosaik-Modell nach Singer und Nicolson [3] [4]

3 Quellen: [1] http://www. google. de/imgres
[2] [3] [4] Campbell, N. A. und Reece, J. B.: Biologie. 6. aktualisierte Auflage. München: Pearson Studium. Gilbert, P.und Scharf, K.-H.:Grüne Reihe: Materialien für den Sekundarbereich II: Zellbiologie. 1.Auflage. Braunschweig: Schroedel Bayrhuber, H. und Kull U.: Linder Biologie. 22. aktualisierte Auflage. Braunschweig: Schroedel

4 Didakatisch-methodischer-Komentar
Die Schülerinnen und Schüler (im Folgenden abgekürzt mit SuS) sollen in dieser Einzelstunde lernen, dass eine Plasmamembran aus Phospholipiden besteht, die zu einer Doppelschicht zusammengelagert sind. Desweiteren sollen die SuS verstehen, dass eine Membran nicht starr sondern flüssig ist. Das erste Problem, welches aufgeworfen wird, ist die Frage woraus Plasmamembranen eigentlich bestehen. Um dies herauszufinden wird den SuS zunächst ein Cartoon am Smartboard gezeigt, der zwei wichtige Entdeckungen wiedergibt. Die erste Entdeckung ist, dass fettlösliche Substanzen viel leichter durch Plasmamembranen in Zellen eindringen können als fettunlösliche, die zweite Entdeckung ist, dass Gleiches sich gut in Gleichem löst. Die SuS werden dazu aufgefordert die Sprechblase zu lesen. Dann werden sie gefragt, ob sie sich unter dem Satz „Gleiches löst sich in Gleichem“ etwas vorstellen können. Um dieses Phänomen noch einmal sehen zu können, wird zu einem Experiment übergeleitet. Die SuS sollen Vermutungen dazu aufstellen, was denn wohl passiert, wenn man versucht Öl (Öl ist ein Fett) in Wasser bzw. Öl zu lösen. Die Hypothesen werden von den jeweiligen SuS an der Tafel festgehalten und sollen von den SuS auf das Arbeitsblatt übertragen werden. Ein Schüler wird gebeten, Öl in einen Behälter mit Wasser bzw. Öl zu geben und dann umzurühren. Er soll den anderen SuS mitteilen was er beobachten kann. Auch die Beobachtungen sollen auf dem Arbeitsblatt notiert werden. Anschließend sollen die Hypothesen verworfen bzw. bestätigt werden. Die SuS erkennen so, dass Wasser und Öl nicht „gleich“ sind. Anhand dieser Informationen sollen die SuS in einer kurzen Arbeitsphase zusammen mit ihrem Nachbarn, begründete Vermutungen anstellen, aus welchem Stoff die Plasmamembran sein könnte. Nach der Arbeitsphase werden einzelen SuS dazu aufgefordert ihre Vermutung vorzulesen. Die SuS sollten aufgrund der beiden Entdeckungen aus der Sprechblase auf die Idee kommen, dass die Membran aus Fett sein muss.) Als nächstes wird am Smartboard eine Abbildung von einem Fett gezeigt und mit dem wissenschaftliche Name „ Trigycerin“ benannt. Den SuS wird mitgeteilt, dass Trigycerine eine Untergruppe der Lipide sind. Als nächstes wird dann eine Abbildung einer weiteren Untergruppe der Lipide gezeigt, ein Phospholipid. Die SuS sollen Unterschiede zwischen den beiden Molekülen nennen und diese am Smartboard und auf dem Arbeitsblatt fixieren. Die SuS sollen schließlich zu der Aussage gelangen, dass das Phospholipid eine andere „Form“ hat, weil ein Teil des Moleküls nach „oben“ zeigt. Sobald diese Aspekte genannt wurden, teilt die Lehrerin mit, dass der Teil der nach „oben“ zeigt eine Phosphatgruppe ist, und dass diese für eine wichtige Eigenschaft des Phospholipids verantwortlich ist nämlich die Amphiphilie und dass Phospholipide aufgrund dieser Eigenschaft besonders geeignet als Membranbestandteile sind.

5 Was der Begriff Amphiphilie bedeuteten, sollen die SuS in einer kurzen Arbeitsphase herausfinden, in der sie einen kurzen Text lesen und den zweiten Arbeitsauftrag ausführen. Zur allgemeinen Sicherung soll ein Schüler die beiden Begriffe mit eigenen Worten erklären und ein anderer soll am Smartboard die Begriffe an der Abbildung des Phospolipid hinzufügen und erklären wie er zu seiner Zuordnung kommt. Das zweite Problem, das anschließend aufgeworfen wird, ist die Frage, wie die Phospholipide in einer Membran angeordnet sind. Es werden 4 Mögliche Anordnungen am Smartboard gezeigt. Mit Hilfe der im ersten Teil erlernten Begriffe „hydrophob und hydrophil“ sollen die SuS nun versuchen zu erklären, von welcher Beschaffenheit die Umgebung bei den 4 Anordnungen sein muss. Nachdem das im Lehrer-Schüler-Gespräch geklärt wurde, soll der Lückentext auf dem Arbeitsblatt ausgefüllt werden. Anschließend soll ein Schüler sein Ergebnis vorlesen. Gegebenenfalls müssen die anderen SuS ihren Mitschüler korrigieren. Am Ende wird so sichergestellt, dass alle SuS die Lücken richtig ausgefüllt haben. Die Lehrerin erklärt dann, dass Plasmamembranen das wässrige Zellinnere vom wässrigen Zelläußeren trennt, und die SuS werden gefragt, welche Abbildung dem Aufbau der Plasmamembran entsprechen sollte. Sie sollen die Hypothese auf dem Arbeitsblatt festhalten. Den SuS wird nun aber klar gemacht, dass diese Behauptung nur eine Hypothese ist und sie werden gefragt, was man mit Hypothesen machen muss ( überprüfen z.B. durch ein Experiment) Die SuS werden gefragt, ob sie die beiden Wissenschaftler „Gorter und Grendel“ kennen, und ob sie erklären können, wie die diese Hypothese bestätigt haben. Wenn einer der SuS das Experiment kennt, soll er dies beschreiben, wobei die Lehrerin die wichtigsten Schritte des Experiments an der Tafel festhält. Die Versuchsanleitung von Gorter und Grentel liegt den SuS auf dem Arbeitsblatt vor. Sie sollen den Versuch lesen, und dann zusammen mit ihrem Nachbarn die Fragen beantworten. Nach der Arbeitsphase werden die Ergebnisse von einzelnen SuS an der Tafel gesammelt und Schritt für Schritt erkärt. Die Lehrerin macht nun deutlich, dass die Hypothese durch diesen Versuch bestätigt werden kann. Wenn genug Zeit ist wird den SuS als kleine Transferübung eine elektronenmikroskopische Aufnahme einer Plasmamembran gezeigt, die sie kurz beschreiben und erklären sollen. Als nächstes soll ein Schüler zum Lehrerpult kommen, wo zwei Membranmodelle stehen. Er/sie soll die Modelle genau anschauen und die Bestandteile der Modelle benennt (z.B. Steroporkugel = hydrophiler Kopf (Phosphat)). Dann soll ausprobiert werden, wie beweglich die „Phospholipide“ sind. Der Schüler geht zu seinem Platz zurück und alle werden dazu aufgefordert die Tabelle auf dem Arbeitsblatt auszufüllen und die Modelle hinsichtlich der Bewegungsfreiheit der

6 Phospholipide zu beschreiben
Phospholipide zu beschreiben. Die Lehrerin erklärt ihnen dann, dass wenn die Moleküle sich so stark bewegen können wie in dem ersten Modell, man die Membran „flüssig“ nennt. Die zweite Membran ist starr. ____________________________________________________________________________ Prozessbezogene Kompetenzen Die Schülerinnen und Schüler benennen und beurteilen Auswirkungen der Anwendung biologischer Erkenntnisse und Methoden in historischen und gesellschaftlichen Zusammen-hängen an ausgewählten Beispielen, indem sie aus zwei grundlegenden Entdeckungen der frühen Wissenschaft (lipophile Substanzen können einfache durch die Membran in die Zelle eindringen lipophobe und „Gleiches löst sich nur in Gleichem“) folgern, dass die Membran aus Lipiden bestehen muss. Die Schülerinnen und Schüler interpretieren Daten, Trends, Strukturen und Beziehungen, erklären diese und ziehen geeignete Schlussfolgerungen, indem sie einen Text zu den Begriffen hydrophil und hydrophob lesen, diese auf die Struktur der Phospholipide beziehen und schließlich zu der Erkenntnis kommen, dass Membranen eine Doppellipidschicht sind. Die Schülerinnen und Schüler analysieren Ähnlichkeiten und Unterschiede durch kriteriengeleitetes Vergleichen, indem sie zwei Modelle der Plasmamembran (feste oder flüssige Membran) betrachten, die Modellteile auf die Wirklichkeit übertragen und die unterschiedliche Beweglichkeit der Membranen erkennen. ____________________________________________________________________________

7 Die Plasmamembran und das „Flüssig-Mosaik-Modell“
Alle Lebewesen der Erde bestehen aus Zellen und all diese Zellen sind von Plasmamembranen umgeben. Auch die Organellen innerhalb einer Zelle sind von Plasmamembranen umgeben. Teil 1: Moleküle der Membran Ohhh, ich kann es sehen... …fettlösliche (lipophile) Substanzen können viel einfacher durch die Membran in die Zelle eindringen als solche, die nicht fettlöslich sind (lipophob) und ich weiß: „Gleiches löst sich nur in Gleichem“! (Charles Overton, 1895) 1.)Was passiert, wenn man in einen Behälter mit Wasser Öl (Öl ist ein Fett!!!) hinzugibt und umrührt? Hypothese:_____________________________________________________________________________________________________________________________________________ 2.)Was passiert, wenn man in einen Behälter mit Öl weiteres Öl gibt und umrührt? Hypothese:______________________________________________________________________________________________________________________________________________ Beobachtung zu 1.)____________________________________________________________ Beobachtung zu 2.)____________________________________________________________ Ergebnis:________________________________________________________________________________________________________________________________________________ Was konnte Charles Overton bzw. was können Sie aus diesen Entdeckungen (siehe Sprechblase) in Bezug auf die Bestandteile der Membran schließen? ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ Fette heißen wissenschaftlich Triglycerine und sind eine Untergruppe der Lipide. Eine weitere Untergruppe der Lipide sind die Phospholipide aus welchen die Membranen von Zellen bestehen.

8 Nennen Sie Unterschiede zwischen einem Fett (Triglycerin) und einem Phospholipid!
___________________________________________ ___________________________________________ ___________________________________________ ___________________________________________ Arbeitsauftrag 1: Lesen Sie den nachfolgenden Text und benennen Sie anschließend die wichtigste Eigenschaft von hydrophoben bzw. hydrophilen Substanzen. Bringen Sie diese Begriffe in Verbindung mit den Begriffen aus der Sprechblase (lipophob und lipophil).Kennzeichnen Sie außerdem in der Abbildung des Phospholipids die hydrophoben und hydrophilen Bereiche. Abb 1: Triglycerin und Phospholipde Phospholipide und ihr besonderer Aufbau: Phospholipide sind amphiphile Lipide, das bedeutet, dass sie hydrophile und hydrophobe Bereiche aufweisen. „Hydrophil“ bedeutet „wasserliebend“, das heißt hydrophile Stoffe lösen sich gut in Wasser. Wasser (H2O) ist ein polares Molekül, das bedeutet, dass ein Teil des Moleküls eher negativ und ein anderer Teil eher positiv geladen ist. Beim Wasser entsteht die Polarität dadurch, dass der Sauerstoff (O2) Elektronen (negativ geladen) vom Wasserstoff (H) zu sich zieht. Auch bei Verbindungen zwischen Phosphor (P) und Sauerstoff (O2) zieht der Sauerstoff die Elektronen zu sich. Da sich hydrophile Stoffe gut in Wasser lösen und weil Wasser polar ist und weil Gleiches sich gut in Gleichem löst, kann man daraus schließen, dass hydrophile Stoffe polar sind. „Hydrophob“ bedeutet „wassermeidend“, das heißt, dass hydrophobe Moleküle sich nicht gut in Wasser lösen. Hydrophobe Stoffe sind unpolar, es gibt also keine eher positiven bzw. eher negativen Bereiche im Molekül. Beispiele für hydrophobe Moleküle sind Kohlenstoffketten, wie z.B. Hexan. Unpolare Stoffe lösen sich gut in Fetten und Ölen, da auch diese unpolar sind. - +

9 Teil 2: Wie sind die Phospholipide in einer Plasmamembran angeordnet?
HYDROPHIL: _________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ HYDROPHOB: ________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ Teil 2: Wie sind die Phospholipide in einer Plasmamembran angeordnet? Arbeitsauftrag 2: Beschreiben Sie, wie die innere und äußere Umgebung bei den jeweiligen Anordnungen der Phospholipide aussehen müsste? (Fett oder Wasser) Möglichkeit Möglichkeit Möglichkeit Möglichkeit 4 Wenn die Phospholipide der Membran so angeordnet sind wie in Möglichkeit 1, bedeutet das, dass das Innere der Zelle __________ ist, also __________ und dass das Äußere der Zelle __________ ist, also __________. Wenn die Phospholipide der Membran so angeordnet sind wie in Möglichkeit 2, bedeutet das, dass das Innere der Zelle __________ ist, also __________ und dass das Äußere der Zelle __________ist, also __________. Wenn die Phospholipide der Membran so angeordnet sind wie in Möglichkeit 3, bedeutet das, dass Inneres und Äußeres der Zelle __________ sind, also __________. Wenn die Phospholipide der Membran so angeordnet sind wie in Möglichkeit 4, bedeutet das, dass Inneres und Äußeres der Zelle __________ sind, also __________. Benutzen Sie folgende Begriffe: 3 x hydrophob, 3 x hydrophil, 3 x Wasser, 3 x Öl HYPOTHESE: Zellinneres und -äußeres sind ______________, daher sind die Phospholipide der Membran angeordnet wie in Möglichkeit____.

10 Arbeitsauftrag 3: Lesen Sie den folgenden Text und beantworten Sie die untenstehenden Fragen.
Die Entdeckung von Gorter und Grentel Im Jahr 1927 führten Gorter und Grentel ihren berühmtesten Versuch durch, den sie in 2 Teilversuche teilten. Im ersten Teilversuch zählten sie die rote Blutkörperchen in einer Blutprobe und kamen zu dem Ergebnis, dass 2mm³ Blut 1,04 x 107 (= 10,4 Millionen) rote Blutkörperchen enthalten. Die Oberfläche eines roten Blutkörperchens beträgt 145µm². In einem zweiten Teilversuch brachten Gorter und Grendel die roten Blutkörperchen zum Platzen, isolierten die Membranlipide und gaben sie auf eine Wasseroberfläche. Die Lipide breiteten sich auf der Wasseroberfläche kreisförmig aus und bildeten eine Schicht, die nur aus einer Lage von Lipid-Molekülen bestand, mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 6cm. Wichtig für ihren Versuch war die Tatsache, dass rote Blutkörperchen kaum Zellorganellen enthalten, die von einer Plasmamembran umgeben sind, so dass nur die äußere Plasmamembran Phospholipide enthält. Fragen: 1.) Berechnen Sie die Gesamt-Membranoberfläche (G) aller roten Blutkörperchen aus 2mm³ Blut (in cm²) _________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ 2.) Berechnen Sie die Fläche, die die isolierten Lipide auf der Wasseroberfläche einnehmen (Flächeninhalt (Kreis) = πr²). ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ 3.) Vergleichen Sie die Gesamt-Membranoberfläche mit der Fläche, die die isolierten Phospholipide aus den roten Blutkörperchen auf der Wasseroberfläche ausbilden. Was fällt ihnen dabei auf? Was können Sie aufgrund dieser Beobachtung in Bezug auf die Hypothese sagen?_____________________________________________________________ ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

11 Teil 3: Plasmamembranen – 2 Modelle Modellteil Originalteil
Sie sehen 2 verschiedene Modelle einer Plasmamembran. Wofür sehen die einzelnen Elemente? Füllen Sie die Tabelle aus. Benennen Sie die Unterschiede zwischen den Modellen (Beachten Sie insbesondere die Beweglichkeit der Phospholipide). ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ Im 1. Modell ist die Membran_____________________________ Im 2. Modell ist die Membran _____________________________ Modellteil Originalteil Styroporkugel Strohhalm Styroporkugel + Strohhalm Modell 1 Modell 2

12 Arbeitsauftrag 3: Lesen Sie den folgenden Text und beantworten Sie die untenstehenden Fragen.
Die Entdeckung von Gorter und Grentel Im Jahr 1927 führten Gorter und Grentel ihren berühmtesten Versuch durch, den sie in 2 Teilversuche teilten. Im ersten Teilversuch zählten sie die rote Blutkörperchen in einer Blutprobe und kamen zu dem Ergebnis, dass 2mm³ Blut 1,04 x 107 (= 10,4 Millionen) rote Blutkörperchen enthalten. Die Oberfläche eines roten Blutkörperchens beträgt 145µm². In einem zweiten Teilversuch brachten Gorter und Grendel die roten Blutkörperchen zum Platzen, isolierten die Membranlipide und gaben sie auf eine Wasseroberfläche. Die Lipide breiteten sich auf der Wasseroberfläche kreisförmig aus und bildeten eine Schicht, die nur aus einer Lage von Lipid-Molekülen bestand, mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 6cm. Wichtig für ihren Versuch war die Tatsache, dass rote Blutkörperchen kaum Zellorganellen enthalten, die von einer Plasmamembran umgeben sind, so dass nur die äußere Plasmamembran Phospholipide enthält. Fragen: 1.) Berechnen Sie die Gesamt-Membranoberfläche (G) aller roten Blutkörperchen aus 2mm³ Blut (in cm²) x 145µm² = µm² = 1508mm²______________ ________________________________________________________________________ 2.) Berechnen Sie die Fläche, die die isolierten Lipide auf der Wasseroberfläche einnehmen (Flächeninhalt (Kreis) = πr²). (3cm)² x π= (30mm)² x π= 2827mm²___________________________________________ ________________________________________________________________________ 3.) Vergleichen Sie die Gesamt-Membranoberfläche mit der Fläche, die die isolierten Phospholipide aus den roten Blutkörperchen auf der Wasseroberfläche ausbilden. Was fällt ihnen dabei auf? Was können Sie aufgrund dieser Beobachtung in Bezug auf die Hypothese sagen?_________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________