Modul 1: Chemie der Vererbung –
Die molekularen Grundlagen der Genetik
Modul 1 vermittelt die Grundlagen der Genetik, die für das Verständnis der nachfolgenden Module unerlässlich sind.
Folgen Sie anhand ausgewählter Arbeiten gemeinsam mit Ihren Schülern dem Weg der Erkenntnis von den Anfängen der
genetischen Forschung bis zum Beginn des Humangenomprojekts. Eine Zeitleiste mit den
„Meilensteinen der Genetik“
hilft, die bedeutendsten Entdeckungen und Forscher übersichtlich zu präsentieren. Die an DER Entdeckung der
Genetik, der Aufklärung der DNA-Struktur, beteiligten Köpfe werden zudem in
Lebensläufen
vorgestellt, die auch ausgedruckt und an die Schüler verteilt werden können: Dies sind James Watson und Francis Crick sowie
Maurice Wilkins – der vergleichsweise unbekannte dritte Mann der Doppelhelix – und Rosalind Franklin, die bereits gestorben war,
als ihre drei männlichen Kollegen 1962 den Nobelpreis bekamen.
Die Schüler erkennen in Modul 1 die DNA als Trägerin der Erbinformation (Struktur und Funktion) und setzen sich
mit ihrer chemischen Struktur auseinander (Watson-Crick-Modell). Es wird erklärt, wie die DNA identisch verdoppelt
(Replikation) und die genetische Information realisiert wird (Transkription und Translation). Die Übersetzung des
genetischen Codes und der Umgang mit der Codesonne werden geübt. Beispiele illustrieren die verschiedenen Formen
der Punktmutation (Missense-, Nonsense-, Frameshift-Mutationen).
Begonnen wird mit den – zumindest unter einem Mikroskop – sichtbaren Trägern der Erbinformation: den Chromosomen.
Bei genauer Betrachtung offenbaren sie ihre Struktur: Der DNA-Faden wickelt sich um die Histone, welche wiederum
dicht gepackte Nukleosomen und schließlich das Chromosom bilden
(Arbeitsblatt 1 „Verdrehte
Verpackungskunst: Wie zwei Meter DNA in einen Zellkern passen“).
Beweise, dass die DNA – und nicht Proteine – die Trägerin der Erbinformation ist, erbrachten die Versuche von Oswald T.
Avery sowie Alfred Hershey und Martha Chase an Pneumokokken und Phagen in den Jahren 1944 und 1952
(Arbeitsblatt 2 „Kern oder Kapsel:
Wer trägt die Erbinformation, Proteine oder die DNA?“).
Zur selben Zeit entwickelte sich der wissenschaftliche Wettlauf um die Enträtselung der DNA-Struktur, deren
Grundbausteine bereits seit Beginn des Jahrhunderts bekannt waren. Erwin Chargaff brachte die Basen Adenin,
Thymin, Cytosin und Guanin ins rechte Verhältnis. Rosalind Franklin und Maurice Wilkins gaben schließlich
entscheidende Hinweise, wie die DNA aufgebaut sein müsste. James Watson und Francis Crick zählten daraufhin
Eins und Eins zusammen und bauten 1953 das Modell der DNA-Doppelhelix mit gegenläufigen DNA-Strängen
(Arbeitsblatt 3
„Molekulares Puzzlespiel: Wie die Struktur der DNA enträtselt wurde“).
Watson und Crick leiteten aus dem Aufbau der DNA auch einen möglichen Mechanismus ihrer Verdopplung ab.
Matthew Meselson und Franklin Stahl konnten 1958 schließlich zeigen, dass die Tochterstränge jeweils aus
einem alten und einem neuen DNA-Strang bestehen, also semikonservativ repliziert werden
(Arbeitsblatt 4 „Die Form gibt die Funktion vor: Wie die DNA verdoppelt wird“).
Wie das Alphabet der DNA in die Aminosäuresequenz der Proteine übersetzt wird, beschäftigte die Wissenschaftler
in den Jahren nach der DNA-Entschlüsselung. Die Entdeckung von Messenger-RNA und Transfer-RNA mündete 1961 in der
Entschlüsselung des Triplettcodes durch Marshall Nirenberg und Heinrich Matthaei
(Arbeitsblatt 5 „Mit Boten und Übersetzern:
Wie das Alphabet der DNA den Aufbau eines Proteins bestimmt“).
Welche Folgen winzige Änderungen der DNA-Basensequenz für den Menschen haben können, zeigen Arbeiten aus dem
NGFN zu Herz-Kreislauf-Erkrankungen oder dem Kufor-Rakeb-Syndrom, einer erblichen Form der Parkinson-Krankheit
(Arbeitsblatt 6 „Die Macht der
Fehler: Mutationen sorgen für Evolution – und verursachen Krankheiten“).
Modul 1 gibt es auch in multimedialer Form: Das Projekt „Naturwissenschaften entdecken!“ des Vereins
„Schulen ans Netz e. V.“ hat die Inhalte für das Internet aufbereitet und um Animationen, Filme und den
Besuch einer Online-Vorlesung ergänzt. Die Texte der Arbeitsblätter wurden zu diesem Zweck teilweise gekürzt
und die Reihenfolge der Themen geändert. So sollen die Schüler beispielsweise die DNA als Träger der
Erbinformation identifizieren und das Avery-Experiment eigenständig entwickeln. Zudem sollen sie die Packung
der DNA während der Metaphase als Schaubild darstellen und erklären. In einer anderen Aufgabe muss eine „stumme“
Animation zur Replikation fachlich korrekt kommentiert werden. Aus einer Grundvorlesung Biologie der Universität
Kaiserslautern sollen die Schüler die Informationen zur Proteinbiosynthese extrahieren und anschließend erklären.
Mithilfe eines Web-Quests müssen sie schließlich verschiedene Mutationstypen darstellen. Die Aufgaben befinden
sich auf den Internetseiten des Nationalen Genomforschungsnetzes
(http://www.ngfn.de).
Die Internetaufgaben zu Modul 1 sind laut Lehrer-Online besonders für das Blended-Learning geeignet, das heißt
sie lassen sich zur Unterstützung, Vor- oder Nachbereitung im Unterricht nutzen. Sie sind aber ausdrücklich
nicht für eine umfassende Erarbeitung der behandelten Sachverhalte im Selbststudium gedacht, sondern müssen
immer in den normalen Unterricht eingebunden werden. Tipps von Lehrern, wie mit dem Material gearbeitet werden
kann, finden sich unter
http://www.lehrer-online.de
Und nun viel Spaß mit den molekularen Grundlagen der Genetik. Eine Übersicht über die Arbeitsmaterialien von Modul 1 finden Sie hier: