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Unterrichtsmaterialien in digitaler und in gedruckter Form
Auszug aus:
Modellierung der translationshemmenden Wirkung
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Modellierung der translationshemmenden Wirkung – Biokampfstoff Rizin von Beyda Acar und Dr. Monika Pohlmann © Restlesskath/iStock/Getty Images Plus Ein Mord wie im Spionagefilm: Georgi Markow, ein regimekritischer Autor aus Bulgarien, der 1978 in London für die BBC arbeitet, spürt in der rechten Wade einen stechenden Schmerz und sieht einen Mann mit einem Regenschirm davoneilen. Drei Tage später ist er tot. Der Regenschirmmörder hat ihm eine tödliche Dosis Rizin injiziert. Deutschland 2020: ein Ehepaar wird zu langen Haftstrafen verurteilt. Der Rizin-Bomber und seine Komplizin wollen mit dem hochgiftigen Biokampfstoff Rizin, verpackt in einer Splitter- bombe, möglichst viele Menschen töten. Doch was genau ist Rizin? Wie und wo wirkt es? Rizin, das toxische Protein aus den Samen der Rizinus-Pflanze, dem Wunderbaum, zählt zu den stärksten biologischen Giften. In dieser Lerneinheit erarbeiten und model- lieren Ihre Schülerinnen und Schüler die molekularbiologische Vergiftungsdynamik des Translationshemmers Rizin. Am spannenden Kontext wird die Translation, als Teilprozess der Proteinbiosynthese, kompetenzorientiert vertieft. Am Beispiel des Antibiotikums Chloramphenicol wird das Wissen rund um Translationshemmung transferiert und auf Nebenwirkungen von Antibiotika eingegangen.
G.2.29
Modellierung der translationshemmenden
Wirkung – Biokampfstoff Rizin
Niveau: weiterführend, vertiefend
von Beyda Acar und Dr. Monika Pohlmann
Methodisch-didaktische Hinweise 1
M 1: Regenschirmmord und Rizin-Bomber 4
M 2: Rizin – das Gift des Wunderbaumes 7
M 3: Molekularbiologische Vergiftungsdynamik 10
M 4: Das Antibiotikum Chloramphenicol 15
M 5: Modellierung der Translationshemmung 16
© RAABE 2021
Lösungen 21
Literatur 32
G.2.29
Kompetenzprofil:
Kompetenz Anforderungs- Basiskonzept Material
bereiche
Fachwissen, Erkenntnisgewinnung, I–II–II System M1
Kommunikation, Bewertung
Fachwissen, Erkenntnisgewinnung, II Struktur und M2
Kommunikation Funktion, Ent-
wicklung
Fachwissen, Erkenntnisgewinnung, I–II–III System, M3
Kommunikation Struktur und
Funktion
Fachwissen, Erkenntnisgewinnung, II–III System, M4
Kommunikation Struktur und
Funktion, Ent-
wicklung
© RAABE 2021
Fachwissen, Erkenntnisgewinnung, II–III Struktur und M5
Kommunikation, Bewertung FunktionG.2.29
Überblick:
Legende der Abkürzungen:
EA Einzelarbeit PA Partnerarbeit PL Plenum GA Gruppenarbeit
Inhaltliche Stichpunkte Material Methode
Problemstellung entdecken und Vorstellungen entwickeln: M1 EA, PA, PL
Kriminalfälle des Rizin-Bombers und Regenschirmmörders,
Symptomatik der Rizinvergiftung, Biowaffenkonvention
der UN, Exkurs „Agent Orange“, Ächtung biologischer und
chemischer Waffen
Monografisches Fachwissen zur Rizinuspflanze, Rizin als M2 EA, PA,
toxisches Protein im Rizinussamen, molekularer Feinbau von PL, GA
Rizin
Wiederholung des Ablaufs der Translation, molekularbio- M3 EA, PA, PL
logische Vergiftungsdynamik durch Rizin, Rizin als Transla-
tionshemmer bei Eukaryoten, gefährliches Zellgift
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Chloramphenicol, Inhibitor der prokaryotischen Translation, M4 EA, PL
antibiotische Wirkung, Vergleich mit Rizin, Nebenwirkung
von Antibiotika auf Mitochondrien, Endosymbiontentheorie
Merkmale und Funktionen von Modellen, Schritte im Mo- M5 PA, PL
dellierungsprozess, praktische Modellierung der zellulären
Vergiftungsdynamik durch Rizin, Reflexion des Modellie-
rungsprozesses, Beurteilung von Aussagekraft und Grenzen
der Modelle, Feedback nach GütekriterienG.2.29 Genetik Biokampfstoffe 1 von 32
Modellierung der translationshemmenden
Wirkung – Biokampfstoff Rizin
Methodisch-didaktische Hinweise
Am Beispiel des natürlichen Giftstoffes Rizin, ein toxisches Protein des Wunderbaumes
Ricinus communis, welches auch als Biokampfstoff missbraucht werden kann, tauchen
die Schülerinnen und Schüler in dieser Lerneinheit tief in die molekularbiologischen
Wirkmechanismen ein. Das komplex aufgebaute Protein Rizin erfährt im Körper des
Konsumenten eine Zerlegung seiner Struktur, die es ihm erst ermöglicht, seine Toxizität
zu entfalten. Die biologische Forschung hat geklärt, wie der Giftstoff und die mensch-
liche Zelle interagieren. Letztlich baut die menschliche Zelle das Protein Rizin in ver-
schiedenen Kompartimenten so um, dass sie damit ihren eigenen Tod bewirkt durch den
völligen Stopp der Translation und damit der gesamten Proteinbiosynthese. Rizin ist ein
gefährlicher Translationshemmer.
Begeisterung für molekularbiologische Prozesse wecken, wie kann das aber funktionie-
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ren? Lebensweltliche und forscherische Bezüge, im didaktischen Sinne also fachliche
Kontexte, erzeugen, passend ausgewählt, Motivation und Interesse. Im Fall von Rizin
können direkt zwei spektakuläre Fälle dazu verwendet werden, das Regenschirmattentat
von 1978 und der sogenannte Rizin-Bomber von Köln.
Regenschirmattentat: Der Kritiker des bulgarischen Regimes Georgi Markow wurde im
September 1978, als er auf den Bus in London wartete, am helllichten Tag Opfer eines
spektakulären Attentats. Er wurde scheinbar unachtsam von einem Mann, der an ihm
vorbeihastete, von dessen Schirm an der Wade gestoßen. Der Autor verspürte einen
kurzen Schmerz und dachte sich nichts weiter nach dem Vorfall. Es vergingen nur ein
paar Stunden und er entwickelte Fieber, sein Blutdruck fiel drastisch ab und er verstarb
letztendlich nach drei Tagen im Krankenhaus. Die behandelnden Ärzte fanden in seiner
Wade eine kleine Kapsel, die das Gift Rizin verströmte. Erst 2010 klärte der frühere Gene-
ralmajor des sowjetischen Geheimdienstes KGB, Oleg Kalugin, im bulgarischen Radio die
wahren Umstände der Tat auf. Der bulgarische Partei- und Staatschef Todor Schiwkow
hatte für den geplanten Mordanschlag ein russisches Geheimlabor um technische Unter-
stützung gebeten, um den Journalisten Markow, der mit satirischen Bemerkungen den
Staatschef persönlich angegriffen hatte, zu beseitigen.
RAABE UNTERRICHTS-MATERIALIEN Biologie Sek. II2 von 32 Biokampfstoffe Genetik G.2.29
Rizin-Bomber: Aber auch heute ist das Thema aktuell. Im Jahr 2020 wurden der so-
genannte Rizin-Bomber von Köln und seine Komplizin als islamistisch motivierte Extre-
misten in Deutschland zu langen Haftstrafen verurteilt. Das Paar hatte das tödliche Rizin
aus Rizinussamen extrahiert, um es in einer Splitterbombe gegen unschuldige Menschen
zum Einsatz zu bringen.
Beide spektakulären Fälle bilden den didaktischen Kontext, um für die Problematik biolo-
gischer Kampfstoffe mit Blick auf ihre molekularbiologische Wirksamkeit zu motivieren.
Biologische und chemische Kampfstoffe sind seit 1997 durch die Biowaffenkonvention
der Vereinten Nationen international geächtet. Maßgeblich für das Zustandekommen
der internationalen Übereinkunft waren die weltweiten Proteste gegen den massiven
Einsatz des chemischen Kampfstoffs „Agent Orange“ durch die USA im Vietnamkrieg. In
dieser Lerneinheit wird damit am konkreten Beispiel von Rizin detailliert die molekulare
Wirkung eines Zellgiftes und einer potenziellen biologischen Waffe erarbeitet. Darüber
hinaus wird der Horizont auch interdisziplinär, hinsichtlich des chemischen Kampfstoffes
„Agent Orange“ mit seinen verheerenden Langzeitfolgen, erweitert als auch die Bewer-
tungskompetenz der Schülerinnen und Schüler vertieft.
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Ablauf
Die Schülerinnen und Schüler erfahren in dieser Lerneinheit am spannenden, einem Kri-
mi gleichenden Kontext exemplarisch an Rizin, welche Folgen die unfreiwillige Aufnahme
eines giftigen Naturstoffs für den Menschen haben kann (M 1). Das Unterrichtsmaterial
ermöglicht den Erwerb des botanischen Fachwissens zum Wunderbaum, Ricinus com-
munis, in dessen Samen das Protein Rizin gebildet wird (M 2). Die Lernenden wieder-
holen die Schritte der Translation der Proteinbiosynthese, um anwendungsbezogen und
detailliert die molekularbiologische Wirkung von Rizin, als Inhibitor der Translation, zu
erarbeiten (M 3). Sie vergleichen die Inhibition der prokaryotischen Translation durch
das Antibiotikum Chloramphenicol mit der Wirkung von Rizin auf eukaryotische Zellen
(M 4). Dabei kann auch auf Nebenwirkungen von Antibiotika eingegangen werden. Im
Falle des Translationshemmers Chloramphenicol werden beim Menschen die Ribosomen
der Mitochondrien funktional gestört, da diese prokaryotischer Abstammung sind (M 4).
Methodische Schwerpunkte sind Modellierungen der molekularbiologischen Prozesse.
Dies betrifft zum einen den Prozess der Beladung von tRNAs als Schnittstelle zwischen
den Nukleinsäuren und den Proteinen im Translationsablauf (M 3), zum anderen die Mo-
dellierung der molekularen Vergiftungs-dynamik durch Rizin (M 5). Die Schülerinnen und
RAABE UNTERRICHTS-MATERIALIEN Biologie Sek. IIG.2.29 Genetik Biokampfstoffe 3 von 32
Schüler reflektieren die Funktion von Modellen als Mittel der naturwissenschaftlichen
Erkenntnisgewinnung, aber auch als Anschauungsmittel. Sie beurteilen kriteriengelei-
tet die Güte ihrer Lernprodukte und machen sich die Schritte im Modellierungsprozess
bewusst (M 5). Die selbst gestalteten, kommunizierten und reflektierten Modelle ver-
tiefen das erworbene molekulargenetische Fachwissen über Rizin als Zellgift und damit
als potenziellen Biokampfstoff. In dieser Lerneinheit erweitern die Lernenden damit ihr
Fachwissen zur Proteinbiosynthese durch einen lebensweltlichen Praxisbezug.
Da die Unterrichtsmaterialien aufeinander aufbauen, sollten sie auch in dieser Rei-
henfolge bearbeitet werden. Die Arbeitsaufträge fördern das kooperative Lernen, und
berücksichtigen individuelle Denkzeiten, den kooperativen Austausch und Präsenta-
tionsmöglichkeiten innerhalb der gesamten Lerngruppe. Die Modellierung der Vergif-
tungsdynamik durch Rizin (M 5) könnte mit traditionellen Hilfsmitteln, wie Plakaten,
farbigem Tonpapier, Eddings und Scheren, bewerkstelligt werden. Es könnte den Schü-
lerinnen und Schülern allerdings auch freigestellt werden, das Modell animiert in Form
eines Erklärvideos zu entwickeln. Da dies mit den gängigen Handy-Kameras möglich ist
und das Schreiben eines Storyboards eine attraktive Herausforderung darstellt, sollte für
die Umsetzung viel Freiheit gewährt werden.
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Vorausgesetztes Fachwissen
Die Lernaufgabe fokussiert die Anwendung und Vertiefung des molekularbiologischen
Fachwissens der Schülerinnen und Schüler zum Inhaltsfeld Genetik. Die Proteinbiosyn-
these sollte bis in Details der Transkription und Translation beherrscht werden.
RAABE UNTERRICHTS-MATERIALIEN Biologie Sek. IIUnterrichtsmaterialien in digitaler und in gedruckter Form
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Modellierung der translationshemmenden Wirkung
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