Begleitkommentar

zum

interaktiven Operon-Modell

Entwickelt von Janique Bertschi

Im Rahmen der Fachdidaktik Biologie

Im FS17 an der PH Bern bei Meier Andreas

Begleitkommentar zum interaktiven Operon-Modell Janique Bertschi FS17

1

Was soll das Modell visualisieren?

Das interaktive Operon repräsentiert ein hands-on Modell, mit der die molekularbiologischen Prozes-

se der Genregulation in Bakterien nachgespielt werden können. Das einfache Konzept des Modells,

bestehend aus Ausschneidevorlage, Kulisse (Bakterium als Hintergrundbild) und ein paar wenigen

Bastel und Büromaterialen, erlaubt eine einfache Vervielfältigung des Modells für die ganze Schul-

klasse. Gerade bei einem komplexen Prozess wie diesem ist es wichtig, dass sich jeder Schüler einzeln

und in seinem eigenen Tempo mit der Materie auseinander setzen kann. Das Arbeitsblatt zum Mo-

dell leitet die Schüler und Schülerinnen (SuS) zum wiederholten gegenseitige erklären der Abläufe in

mündlicher, schriftlicher und auch visueller Form an. So wird eine gegenseitige Korrektur bei Fehlauf-

fassungen gefördert und im Falle von Verständnisproblemen kann eine Hilfestellung durch den Ar-

beitspartner oder die Lehrperson erfolgen. Die weiterführenden Fragen im Arbeitsblatt fördern eine

ganzheitliche Sicht auf das Thema Genregulation. Mit der anschliessenden Ergebnissicherung erhält

die Lehrperson Einblick in den Lernprozess der SuS und kann bei Bedarf agieren.

Bauanleitung:

Das Modell beinhaltet die Ausschneidevorlage (Blatt A) und die Kulisse (Blatt B) welche von der Lehr-

person in Farbe und im Format A4 (allenfalls auch A3) ausgedruckt werden können. In der Klasse

wird pro Zweiergruppe ein Modell gebaut. Zusätzlich werden einzig noch die in Tabelle 1 aufgeliste-

ten und in Abbildung 1 beispielhaft gezeigten Materialien benötigt.

Tabelle 1: Beschreibung und Hinweise zu den Zusatzmaterialien.

Gegens-tand

Beschreibung & Hinweise Anzahl pro Zweiergruppe

Abbildung 1: Beispiele für Zusatzmaterialien.

Weisse Schnur

Die Schnur stellt im Modell die mRNA dar. Es braucht ein langes (etwa so lang wie der Abschnitt der Strukturgene) und ein kurzes (so lange wie Regulatorgenabschnitt) Stück. Das lange kann zudem von der Lehrperson mit orangem Filzstift koloriert werden und das kurze mit Blauem.

Je ein langes und ein kurzes Stück

Büro-klammern

Rote und grüne. Sie sollten gut biegbare sein, darum eher weiche wählen.

3 Stück von jeder Farbe

„Chrälleli“ Rote und grüne. Sie sollten sich von der Lochgrösse her gut auf die Büroklammern auf-stecken lassen können.

Ca. 6-10 Stück von jeder Far-be

Scheren Zum ausschneiden der Modellele-mente.

1-2 Stück

Begleitkommentar zum interaktiven Operon-Modell Janique Bertschi FS17

2

Didaktische Begründung:

Im Schwerpunktfach Biologie und Chemie und im Ergänzungsfach Biologie, soll, respektive kann, man die Ent-

wicklungsbiologie thematisieren. Im Lehrplan gymnasialer Bildungsgang vom Kanton Bern ist unter dem Grob-

ziel „Die gen- und hormonregulatorische Wirkung erfassen.“ der Inhalt „Operon-Modell“ aufgeführt. Das hier

vorgestellte Modell in Kombination mit dem Arbeitsblatt dient der Erarbeitung dieses Inhalts. Dank dem im

Vorbereitungsauftrag bereitgestellten Lehrbuchtext kann das Arbeitsblatt auch bei SuS ohne spezifische Vor-

kenntnisse zur Entwicklungsbiologie eingesetzt werden. Das ganze bildet eine nahezu selbständig bearbeitbare

Lerneinheit für die SuS. Der Vorbereitungsauftrag (Lesen des Lehrbuchtextes und durchdenken der Abbildun-

gen dazu) könnte den SuS allenfalls als Hausaufgabe gegeben werden, ebenso der Teil der Ergebnissicherung.

Die SuS erreichen mit der Lerneinheit zum Operon-Modell eine tiefe und praktische Auseinandersetzung mit

den molekularen Abläufen der Genregulation. Somit gewinnen sie Einblick in einen grundlegend wichtigen und

omnipräsenten Prozess der über Funktion und Form von Zellen entscheidet. Zudem wird das gelernte mit der

Frage nach dem Sinn dieser Steuerung auch vor einem Evolutionsbiologischen Hintergrund beleuchtet.

Kritische Reflexion:

Das interaktive Modell ist absichtlich sehr nahe an der Abbildung aus dem Lehrbuch gehalten. Dies sollte den

Transfer erleichtern. Eine starke Formmässige Abweichung ist einzig beim Büroklammern-Modell als Repres-

sorprotein gegeben. Hier könnte den SuS der Transfer darum etwas schwerer fallen. Die Abweichung bei der

Struktur der DNA ist bewusst so gewählt, um die Zirkularität von bakterieller DNA visualisieren zu können. Dies

kann als Mehrwert gesehen werden, kann sich aber durch die wegfallende Vereinfachung auch als erschwe-

rend herausstellen. Ebenso verhält es sich mit dem zusätzlich eingeführten Kulissenbild (das Bakterium als

Hintergrundbild). Zudem gilt anzumerken, dass die Grössen- oder besser gesagt die Längenverhältnisse der

DNA zur Grösse des Bakteriums nicht naturgetreu modelliert sind und so zu einer Fehlvorstellung führen könn-

ten. Es wäre darum anzuraten als Lehrperson auf diesen Sachverhalt hinzuweisen. Die Abbildung im Lehrbuch

vernachlässigt es leider darzustellen, dass die mRNA des Regulatorgens kontinuierlich synthetisiert wird und

somit immer Repressor Proteine in der Zelle vorhanden sind. Auch dieser Hinweis könnte für die SuS von zu-

sätzlichem Nutzen sein, was ein tiefes und vollständiges Verständnis des Operon-Modells begünstigt.

Quellen:

Lehrbuchtext sowie die Abbildungen 1 und 2 des Aufgabenblattes entstammen

Markl J., Markl Biologie Oberstufe, Ernst Klett Verlag GmbH Stuttgart, 2010, S. 168-169

Weitere Inspiration wurde aus folgender Quelle geschöpft

Campbell N.A., Reece J.B., Campbell Biologie: Gymnasiale Oberstufe, Pearson Deutschland

GmbH, 2011, S. 231-235

Janique

Schreibmaschine

Blatt A

Janique

Schreibmaschine

Blatt B

1

Aufgabenblatt zum Operon-Modell

Vorbereitungsauftrag:

Lesen Sie den folgenden Text und denken Sie die dazugehörenden Abbildungen 1 und 2 auf der

nächsten Seite für sich sorgfältig durch.

Durch Genregulation hat jede Zelle eine typische Proteinausstattung Lesen Sie eigentlich eine Tageszeitung von der ersten bis zur letzten Zeile? Vermutlich nicht. Viel-leicht interessieren Sie sich neben der Tagespolitik speziell für die Sportnachrichten, an Wochenen-den zusätzlich für den Veranstaltungskalender oder das Wetter. Ähnlich ist es in einer Zelle: Alle Muskelzellen, Nervenzellen oder Epidermiszellen in unserem Körper enthalten die gleichen Gene, denn sie sind aus einer einzigen befruchteten Eizelle durch Replikation und Mitose hervorgegangen. Allen Zellen stehen damit zwar die gleichen genetischen Informationen zur Verfügung, je nach Auf-gabe und Alter lesen sie aber einen anderen Teil davon ab. Die Genexpression ist also von Zelle zu Zelle verschieden und lässt die Zellen entsprechend unterschiedlich aussehen und arbeiten. Die Akti-vität von Genen wird reguliert. Bakterien können durch Genregulation flexibel auf Umweltbedingungen reagieren: Die Biosynthese von Proteinen beansprucht Energie und Rohstoffe. Lebewesen, die nur die gerade nötigen Proteine produzieren, haben einen Vorteil gegenüber weniger sparsamen Vertretern. Sie setzen sich im Laufe der Evolution durch. So entstanden verschiedene Wege der Genregulation. FRANÇOIS JAKOB und JACQUES L. MONOD (Nobelpreis 1965) beschrieben Wege der Genregulation bei Prokaryoten. Ihre Schlussfolgerungen sind als Operon-Modell bekannt. Das Modell erklärt, ob und wann die Enzyme für einen Stoffwechselweg synthetisiert werden. Sehen Sie sich das Modell im Schema an (Abb.1). Anders als bei Eukaryoten sind Transkription und Translation bei Prokaryoten räumlich und zeitlich nicht getrennt. Sie erfolgen direkt und fast zeitgleich. Gene sind in Funktionseinheiten organisiert, denn Gene eines Stoffwechselwegs werden gemeinsam reguliert und abgelesen. Eine solche Funkti-onseinheit besteht aus Promotor, Operator und Strukturgenen, zusammen bilden sie ein Operon. Die Strukturgene eines Operons codieren für eine Enzymkette, die schrittweise ein Substrat in ein Endprodukt überführt (Abb. 1). Die Strukturgene eines Operons haben einen gemeinsamen Promo-tor, also eine Bindungsstelle für die RNA-Polymerase. Ob die Transkription startet, entscheidet ein Operator. Er liegt zwischen dem Promotor und den Strukturgenen und ist gewissermaßen der An-Aus-Schalter für die Aktivität der Strukturgene. Bedient wird dieser Schalter durch einen Repressor, ein vom Regulatorgen codiertes Protein. Der Repressor blockiert den Operator (Schalterstellung "aus"). Nur wenn der Repressor inaktiv ist, steht der Operator in Schalterstellung "an", die RNA-Polymerase kann die Strukturgene ablesen. Die Aktivität eines Repressors hängt davon ab, ob ein Substrat bzw. ein Endprodukt an ihn bindet oder nicht.

Im abbauenden Stoffwechsel (Katabolismus) wird die Transkription abbauender Enzyme erst dann gestartet, wenn bestimmte Nährstoffe als Substrat zur Verfügung stehen. Hier inaktiviert der Nährstoff den Repressor und schaltet die Enzymsynthese an. Der Vorgang heißt Substratindukti-on (Abb. 1).

Im aufbauenden Stoffwechsel (Anabolismus) ist es sinnvoll, dass die Transkription synthetisieren-der Enzyme nur so lange läuft, bis ausreichend Endprodukte gebildet worden sind. Hier aktiviert das Endprodukt den Repressor und stoppt so die Enzymsynthese. Dieser Vorgang heißt Endpro-duktrepression (Abb. 2).

2

Abbildung 1: Das Lac-Operon. Im abbauenden Stoffwechsel starten Substrate die Genexpression. Durch diese

Substratinduktion werden die zum Abbau notwendigen Enzyme gebildet.

Abbildung 2: Das Trp-Operon. Im aufbauenden Stoffwechsel stoppen die Produkte eines Stoffwechselwegs die

Genexpression. Durch diese Endproduktrepression werden die entsprechenden Enzyme und damit das Produkt

nicht mehr gebildet.

3

Beschreibung des zu bauenden Modells:

Wir werden im Folgenden ein eigenes physisches (= berührbares) Operon-Modell bauen. Schneiden

Sie dazu alle Teile für das physische Operon-Modell aus (Blatt A, den gestrichelten Linien entlang

schneiden). Blatt B (das Bakterium) muss nicht ausgeschnitten werden, da es als Hintergrundbild

dienen wird. Bei der Lehrperson erhalten Sie zudem zwei Schnurstücke, mehrere Büroklammern

(rote und grüne) und „Chrälleli“ (rote und grüne).

Was die erhaltenen Gegenstände im Modell darstellen, könne Sie der Abbildung 3 entnehmen. Der

Repressor wird in unserem physischen Modell durch eine Büroklammer dargestellt. Die Büroklammer

kann wie ein echter Repressor zwei verschiedene Kon-

formationen (=Formen) einnehmen. Damit gemeint ist

eine aktive Kornformation (geschlossene, klemmende

Büroklammer) in der sie die DNA binden kann und eine

inaktive Konformation (offene Büroklammer) in welcher

sie sich von der DNA loslöst. Der Konformationszustand

wird je nach Operon Typ (Lac-Operon oder Trp-Operon)

durch die Bindung des Substrats (Lactose), respektive des

Endproduktes (Tryptophan), gesteuert. Das Substrat

(Lactose) ist im Modell durch ein grünes „ Chrälleli“ dar-

gestellt und dazu farblich passend wird im Lac-Operon-

Modell die grüne Büroklammer als Repressor verwendet.

Im und Trp-Operon-Modell stell das rote „Chrälleli“ das

Endprodukt (Tryptophan) dar und dazu farblich passend

die rote Büroklammer den Repressor. Abbildung 3: Zusatzmaterial, das bei der

Lehrperson bezogen werden soll.

Aufträge zum Modell:

1. Die Abbildung 4 zeigt auf wie Bindung des Substrats, respektive des Endprodukts, an den Re-

pressor im Modell aussieht. Spielen Sie diesen Ablauf für beide Modelle, sprich für das Lac-

und das Trp-Operon, nach und erklären sie dazu Ihrem Banknachbarn was dabei abläuft.

Beachten Sie dabei folgenden grundlegenden Unterschied zwischen den beiden Modellen: Im Lac-

Operon ist der ungebundene Repressor (grüne Büroklammer) im aktiven Konformationszustand (ge-

schlossene, klemmende Büroklammer) und wird durch die Bindung des Substrates (Lactose, grünes

„Chrälleli“) inaktiviert (Büroklammer öffnet sich und löst sich somit von der DNA los). Im Trp-Operon

hingegen verhält es sich genau umgekehrt. Der ungebundene Repressor (rote Büroklammer) ist im in-

aktiven Konformationszustand (offene Büroklammer) und wird erst durch die Bindung des Endprodukts

(Tryptophan, rotes „Chrälleli“) aktiviert (Büroklammer schliesst sich und lässt sich somit an die DNA

klemmen).

Abbildung 4: Konformationszustände der Repressoren unter Einfluss der Substrat-, respektive der Endprodukt-

bindung.

4

2. Besprechen Sie mit Ihrem Banknachbarn welche Folgen die Bindung eines Repressors am

Operator für die Strukturgene hat? Falls Sie auf diese Frage keine Antwort wissen, fragen Sie

bei der Lehrperson nach.

3. Nehmen Sie nun alle Teile des physischen Operon-Modells und legen Sie sie ins Bakterium

(Blatt B). Stellen Sie nun mit dem Modell die folgenden 4 Situationen dar und spielen sie zwei

davon Ihrem Banknachbarn vor. Ihr Banknachbar soll Ihnen die zwei anderen Situationen

vorspielen. Während dem Vorspielen erklären Sie jeweils was gerade passiert.

Situation 1: Ein Bakterium frisst Lactose und muss diese abbauen. (Person 1 spielt vor)

Situation 2: Ein Bakterium befindet sich in einer Lactose freien Umgebung. (Person 1 spielt

vor)

Situation 3: Ein Bakterium findet in seiner Umgebung Tryptophan vor und kann dieses auf-

nehmen. (Person 2 spielt vor)

Situation 4: Ein Bakterium befindet sich in einer Tryptophan freien Umgebung um muss die-

se für Bakterien lebenswichtige Aminosäure selber herstellen. (Person 2 spielt vor)

Beantworten Sie folgende Fragen:

4. Die im Operon-Modell beschriebenen Prozesse werden Substratinduktion und Endprodukt-

repression genannt. Warum ist diese Steuerung sinnvoll?

5. a) Warum wird überhaupt ein Bakterium als Hintergrundbild gewählt und nicht eine andere

Zelle?

b) Was wäre anders in einer eukaryotischen Zelle?

6. Stellen Sie sich folgende Situation vor. Durch eine Mutation im Lac-Operator wird dieser so

verändert, dass der Repressor nicht mehr binden kann. Wie würde sich das auf die Produkti-

on der Lactose abbauenden Enzyme im betroffenen Bakterium auswirken?

Für die Ergebnissicherung haben Sie zwei Optionen zur Auswahl. Ziel beider Optionen ist eine Lernhil-

fe zu schaffen die ein Maturand benützen könnte, der zwar schon weiss wozu das Operon-Modell

dient es aber noch nicht so gut und detailliert verstanden hat.

Option 1 - Bilddokumentation

Sie stellen mit dem physischen Operon-Modell nochmals alle 4 Situationen aus Aufgabe 3 dar

und fotografieren diese. Zu jeder der Situationen beschreiben sie die darin ablaufenden Prozesse

schriftlich. Die Bilder und der dazugehörende, erklärende Text werden in einem Word Dokument

zusammengestellt und der Lehrperson abgegeben.

Option 2 – Erklärvideo

Sie spielen nochmals alle 4 Situationen aus Aufgabe 3 mit dem physischen Operon-Modell durch

und erklären dazu schrittweise was passiert. Das ganze nehmen sie z.B. mit Ihrem Smartphone

auf Video auf und reichen die Datei bei der Lehrperson ein.

1

Lösungen

Aufträge zum Modell:

1. Die Lösung ist bereits in der Aufgabe enthalten (siehe Abbildung 4).

2. Die die Bindung eines Repressors am Operator verhindert die Transkription der Strukturgene,

somit werden die entsprechenden Enzyme nicht hergestellt.

3. Die Lösung wird im Auftrag zur Ergebnissicherung erläutert (siehe weiter unten).

4. Die im Operon-Modell beschriebenen Prozesse werden Substratinduktion und Endprodukt-

repression genannt. Warum ist diese Steuerung sinnvoll ist?

Eine Substratinduktion macht Sinn weil die das Substrat abbauenden Enzyme nur dann be-

nötigt werden wenn in der Zelle auch Substrat vorhanden ist. In anderen Worten das Sub-

strat (Lactose) schaltet seinen eigenen Abbau selber an. Die Endproduktrepression macht

Sinn da bei einer bereits hohen Verfügbarkeit (ob durch Eigenproduktion oder durch Auf-

nahme aus der Umgebung) eines Endproduktes (Tryptophan) dessen Herstellung eingestellt

werden kann. Beide Prozesse der Genregulation gewährleisten dass Bakterien nicht unnötig

Energie in die Herstellung von gerade unnützen Enzymen investieren. Es sind somit Energie-

sparmassnahmen die in einer Konkurrenzsituation einen selektiven Vorteil für das Bakterium

darstellen.

5. a) Das Bakterium wird als Hintergrundbild gewählt weil das Operon-Modell von FRANÇOIS

JAKOB und JACQUES L. MONOD (Nobelpreis 1965) für E. coli beschrieben wurde.

b) In einer eukaryotischen Zelle würde im Unterschied zur prokaryotischen Zelle die Transla-

tion räumlich und zeitlich getrennt von der Transkription ablaufen.

6. Eine Mutation im Lac-Operator welche die Bindung des Repressors verhindert würde auch

verhindern, dass die Herstellung der Lactose abbauenden Enzyme bei Nichtbedarf ausge-

schaltet werden kann. Dies führt im betroffenen Bakterium zu einer unnötigen Energiever-

schwendung durch die ständige Produktion der Lactose abbauenden Enzyme. In einer Kon-

kurrenzsituation wäre das für das betroffene Bakterium ein selektiver Nachteil. Folglich wür-

de eine solche Mutation wahrscheinlich nicht lange im Genpool bestehen bleiben.

Lösungen zur Ergebnissicherung:

Option 1 – Bilddokumentation

Situation 1: Ein Bakterium frisst Lactose und muss diese abbauen.

Beschreibung: Die Laktose bindet an den Repressor.

Dadurch ändert der Repressor seine Konformation

von aktiv (an DNA gebunden) zu inaktiv (nicht mehr

an DNA gebunden). Die an den Promotor gebundene

RNA-Polymerase kann nun die Strukturgene transk-

ribieren. Aus der mRNA der Strukturgene entstehen

durch Translation die entsprechenden Enzyme. Die

Enzyme katalysieren den Abbau der Lactose zum

Endprodukt (Glucose und Galactose).

2

Situation 2: Ein Bakterium befindet sich in einer Lactose freien Umgebung.

Die mRNA des Regulatorgens wird kontinuierlich

hergestellt, darum ist auch der Repressor stets vor-

handen. Wegen der Absenz der Lactose ist der Re-

pressor im aktiven Konformationszustand und somit

an den Operator gebunden. Weil so die an den Pro-

motor gebundene RNA-Polymerase nicht fortschrei-

ten kann zu den Stukturgenen, werden diese nicht

exprimiert. In anderen Worten, wenn es keine Lacto-

se in der Umgebung des Bakteriums gibt werden im

Bakterium auch keine Lactose abbauenden Enzyme

produziert.

Situation 3: Ein Bakterium findet in seiner Umgebung Tryptophan vor und kann dieses aufnehmen.

Die mRNA des Regulatorgens wird kontinuierlich

hergestellt, darum ist auch der Repressor stets vor-

handen. Das in der Zelle vorhandene Tryptophan

bindet den Repressor. Die Bindung hat für den Re-

pressor eine Konformationsänderung von inaktiv zu

aktiv zur Folge. Der nun aktive Repressor bindet an

den Operator. Weil so die an den Promotor gebun-

dene RNA-Polymerase nicht fortschreiten kann zu

den Stukturgenen, werden diese nicht exprimiert. In

anderen Worten, wenn es bereits ausreichend Tryp-

tophan im Bakterium gibt werden auch keine Tryp-

tophan herstellenden Enzyme produziert.

Situation 4: Ein Bakterium befindet sich in einer Tryptophan freien Umgebung um muss diese für

Bakterien lebenswichtige Aminosäure selber herstellen.

Der Repressor ist zwar im Bild nicht gezeigt, wäre

aber auch in dieser Zelle vorhanden. Er spielt hier

allerdings keine grosse Rolle, den in einer Zelle mit

sehr niedrigem Tryptophan Gehalt ist er vorwiegend

im inaktiven Konformationszustand und somit nicht

an den Operator gebunden. In einem Bakterium in

Tryptophan freier Umgebung kann folglich die RNA-

Polymerase an den Promotor binden und dazu fort-

schreiten die Strukturgene zu transkribieren. Aus der

mRNA der Strukturgene entstehen durch Translation

die entsprechenden Enzyme, welche die Herstellung

von Tryptophan katalysieren. Somit schaltet das

Bakterium in einer Tryptophan freien Umgebung seine eigene Tryptophan Synthese ein.

Option 2 – Erklärvideo

Das Erklärvideo sollte dieselben Inhalte wiedergeben wie die Bilddokumentation. Da die Bilder im

Video nicht statisch sind können die Prozesse allerdings noch zusammenhängender und detaillierter

präsentiert werden als in der Bilddokumentation.