Unterrichtsentwurf Genexpression: Transkription, Translation

Der Unterrichtsentwurf Genexpression nutzt eine kostenlose Simulation, um den Schritt von der DNA zum Protein greifbar zu machen. Die Lernenden schreiben die mRNA für ein kurzes Gen von Hand, sehen zu, wie die RNA-Polymerase sie Base für Base aufbaut, und folgen dann dem Ribosom Codon für Codon bis zu einem Stopp. Danach verändern sie einzelne Basen und sehen, welche Mutationen eine Rolle spielen. Sie bekommen Lernziele, Vorbereitung, Vorhersagen, einen Schritt-für-Schritt-Ablauf mit den Sequenzen, die die Lernenden sehen sollten, ein Set mit fünf Fragen für den Klassenlink, eine Vertiefung zur Regulation und Ideen zur Differenzierung. Jedes Codon und jede Aminosäure unten wurde am Modell der Simulation selbst geprüft.

Die Stunde im Überblick

• Stufe: Klassen 9–12 (14–18 Jahre).
• Zeit: eine Stunde von 60 Minuten, oder zwei Stunden von 40 Minuten mit der Vertiefung.
• Vorwissen: Aufbau der DNA und Basenpaarung (A–T, G–C); dass Proteine Ketten aus Aminosäuren sind.
• Form: Paare an Laptops oder Tablets, oder die ganze Klasse mit einem Projektor. Die Sequenzzeilen lassen sich auf einem breiten Bildschirm leichter lesen.
• Simulation: Transkription, Translation und Punktmutationen. Vertiefung: Genexpression – Transkription, Translation und Regulation.

Lernziele

Am Ende der Stunde können die Lernenden:

1. Die mRNA aufschreiben, die von einem codogenen Strang gebildet wird, mit U statt T.
2. Mit der Tabelle des genetischen Codes die mRNA vom Startcodon bis zu einem Stoppcodon translatieren.
3. Die Aufgaben von RNA-Polymerase, Ribosom und tRNA erklären.
4. Eine Punktmutation als stumm, Missense, Nonsense oder Rasterschub einordnen und ihre Wirkung auf das Protein erklären.
5. (Vertiefung) Beschreiben, wie Transkriptionsfaktoren ein Gen an- oder ausschalten.

Was die Simulation macht

Das Standard-Gen ist ein codogener Strang aus 18 Basen, gelesen 3'→5': TAC AAA GGC TTA CCG ACT. Der Bildschirm zeigt vier Zeilen: den codogenen Strang, den Komplementärstrang, die mRNA (5'→3') und das Polypeptid. Darunter steht die vollständige Tabelle des genetischen Codes, und das gerade gelesene Codon leuchtet auf.

Ist Automatisch eingeschaltet (Standard), macht die Simulation alle 0,45 Sekunden einen Schritt: 18 Transkriptionsschritte, dann 6 Translationsschritte, insgesamt etwa 11 Sekunden. Schalten Sie den automatischen Ablauf aus und nutzen Sie Nächster Schritt, um in Ihrem eigenen Tempo vorzugehen. Die Anzeige kommentiert jeden Schritt:

• „Bereit: Das Gen hat 18 Nucleotide (6 Codons)“
• „Transkription: Nucleotid 1/18 – Matrize T → mRNA A“
• „Translation: Codon 1/6 – AUG → Met (Start)“

Bei der Translation zeigt das Bild das Ribosom auf der mRNA und das Anticodon der tRNA, zum Beispiel „Anticodon 3'-UAC-5'“ für AUG. Das Ergebnis ist Met–Phe–Pro–Asn–Gly, dann das Stoppcodon UGA: „fertig: 5 Aminosäuren“.

Mutationen: Ein Klick auf eine beliebige Base des codogenen Strangs ersetzt sie. Jeder Klick geht zur nächsten Base über, in der Reihenfolge A, T, G, C, wobei die ursprüngliche übersprungen wird. Zum Vergleich erscheint eine zusätzliche Zeile „Original (ohne Mutation)“, veränderte Aminosäuren werden hervorgehoben, und eine Zeile darunter nennt den Mutationstyp. Einfügungen und Verluste stellen Sie im Feld „Startwerte“ unter der Simulation ein: Mutation, Mutationsposition im codogenen Strang und Ausgetauschtes / eingefügtes Nucleotid.

Zwei Details des Modells sollten Sie kennen:

• Die Translation beginnt am ersten AUG irgendwo in der mRNA. Zerstört eine Mutation das Startcodon, findet das Ribosom das nächste AUG, auch außerhalb des Leserasters.
• Am Stoppcodon zeigt das Bild trotzdem ein Anticodon-Kästchen. In einer Zelle liest keine tRNA ein Stoppcodon; ein Freisetzungsfaktor beendet die Translation. Eine gute Korrektur, die starke Lernende finden können.

Material und Vorbereitung vor dem Unterricht

Material: ein Gerät pro Paar (oder ein Projektor), eine gedruckte Codon-Tabelle für den handschriftlichen Schritt und die Protokolltabellen unten.

Vorbereitung (10 Minuten, einmalig):

1. Öffnen Sie die Simulation. Die Standardwerte sind das Gen oben, keine Mutation und Automatisch an.
2. Schalten Sie in den Startwerten Schrittweise automatisch ablaufen aus, damit das Gen bei „Bereit“ wartet, statt sofort abzulaufen, wenn die Seite sich öffnet. Klicken Sie dann auf Teilen und erstellen Sie für jede Klasse einen Link, zum Beispiel „Biologie · 5. Stunde“. Der Link bindet diese Startwerte.
3. Erstellen Sie einen zweiten Link namens „Nonsense-Gen“ und stellen Sie Codogener Strang des Gens auf TACAAAGGCATACCGACT (Schritt 6 nutzt ihn).
4. Optional: Geben Sie auf dem Tab Fragen das Fragenset unten ein und hängen Sie es an den ersten Link.
5. Posten Sie die Links, oder öffnen Sie den ersten im Präsentationsmodus und zeigen Sie den QR-Code.

Ablauf der Stunde

1. Einstieg und Vorhersagen (7 Minuten)

Fragen Sie: „Alle Ihre Zellen enthalten dieselbe DNA. Trotzdem stellen eine Muskelzelle und eine Hautzelle verschiedene Proteine her. Woher kommt das Protein eigentlich?“ Sammeln Sie einige Antworten. Dann legen sich die Lernenden auf zwei Vorhersagen fest, auf Papier oder am Link:

• V1. „Welches mRNA-Codon entsteht aus dem Matrizen-Triplett TAC? TAC / ATG / AUG / UAC“
• V2. „Eine Base in einem Gen wird durch eine andere ersetzt. Verändert sich das Protein immer?“

Erwarten Sie bei V1 ATG (Uracil vergessen) oder UAC (kopiert statt gepaart) und bei V2 „Ja, immer“. Korrigieren Sie noch niemanden.

2. Transkription von Hand, dann mit der Maschine (10 Minuten)

Die Paare schreiben die mRNA für den Standard-Strang auf, bevor sie irgendetwas drücken. Dann gehen sie die Transkription mit Nächster Schritt durch und prüfen jede Base:

Codogener Strang (3'→5')	TAC	AAA	GGC	TTA	CCG	ACT
mRNA (5'→3')	AUG	UUU	CCG	AAU	GGC	UGA

Fragen Sie: „Die mRNA stimmt mit einem der beiden DNA-Stränge fast genau überein. Mit welchem, und was ist der Unterschied?“ Sie stimmt mit dem Komplementärstrang überein, mit U anstelle von T. Prüfen Sie jetzt V1.

3. Translation und die Codetabelle (8 Minuten)

Gehen Sie weiter Schritt für Schritt. Für jedes Codon finden die Lernenden die Aminosäure in der Codetabelle und schreiben das Anticodon auf, das die tRNA tragen muss:

Codon	AUG	UUU	CCG	AAU	GGC	UGA
Aminosäure	Met (Start)	Phe	Pro	Asn	Gly	Stopp
Anticodon (3'→5')	UAC	AAA	GGC	UUA	CCG	keines

Fragen Sie: „Sechs Codons, aber nur fünf Aminosäuren. Warum?“ Das letzte Codon ist ein Stoppsignal und codiert keine Aminosäure.

4. Substitutionen: eine Klassenumfrage (15 Minuten)

Jedes Paar bekommt drei Positionen im codogenen Strang (1–18). Für jede Position klicken sie einmal, zweimal und dreimal auf die Base und notieren jedes Mal das Polypeptid und den Mutationstyp. Sammeln Sie die Ergebnisse an der Tafel. Einige Beispiele, die die Lernenden finden werden:

Änderung	mRNA-Codon	Polypeptid	Angezeigter Typ
Position 5: A → T	UUU → UAU	Met–Tyr–Pro–Asn–Gly	Missense
Position 5: A → G	UUU → UCU	Met–Ser–Pro–Asn–Gly	Missense
Position 9: C → A	CCG → CCU	Met–Phe–Pro–Asn–Gly	stumm
Position 1: T → A	AUG → UUG	Met–Ala (von einem späteren AUG)	Startcodon verloren

Von allen 54 möglichen Substitutionen in diesem Gen ergibt die Simulation 36 Missense (8 davon machen aus dem Stoppcodon eine Aminosäure), 9 stumme und 9 Änderungen am Startcodon. Keine ist Nonsense: Keine einzelne Änderung macht aus einem früheren Codon UAA, UAG oder UGA. Acht der neun stummen liegen an den Positionen 6, 9, 12 und 15, der dritten Base eines Codons. Fragen Sie: „Warum die dritte Base?“ Der Code ist degeneriert: Viele Aminosäuren haben mehrere Codons, die sich nur in der letzten Base unterscheiden. Prüfen Sie V2.

5. Rasterschübe (7 Minuten)

Im Feld „Startwerte“ stellen die Paare Mutation auf Einfügen eines Nucleotidpaars, Position 5, Base G. Dann probieren sie Verlust eines Nucleotidpaars an Position 5:

Mutation	Gelesene mRNA-Codons	Polypeptid
Keine	AUG UUU CCG AAU GGC UGA	Met–Phe–Pro–Asn–Gly
G nach Position 5 einfügen	AUG UUC UCC GAA UGG CUG	Met–Phe–Ser–Glu–Trp–Leu
Position 5 entfernen	AUG UUC CGA AUG GCU	Met–Phe–Arg–Met–Ala

Jedes Codon nach der Änderung wird in einem neuen Raster gelesen, und in beiden Fällen trifft das Ribosom auf kein Stoppcodon, bevor das Gen endet. Fragen Sie: „Was erwartet ihr als schädlicher, eine Substitution oder eine Einfügung? Warum?“

6. Eine Nonsense-Mutation (5 Minuten)

Öffnen Sie den Link „Nonsense-Gen“. Ein Codon unterscheidet sich vom Standard, daher lautet das Protein Met–Phe–Pro–Tyr–Gly. Die Paare klicken dreimal auf Position 12:

• Einmal (A → T): Das Codon UAU wird zu UAA, einem Stopp. Die Kette ist nur Met–Phe–Pro: eine Nonsense-Mutation.
• Zweimal (A → G): UAC, weiterhin Tyr. Stumm.
• Dreimal (A → C): UAG, ein weiterer Stopp. Wieder Nonsense.

Eine Base, drei Ergebnisse.

7. Abschlusskontrolle (5 Minuten)

Nutzen Sie die Fragen 3–5 des Sets unten. Öffnen Sie dann Antworten ansehen und zeigen Sie die Spalten „Vorhersage“ und „Danach“ für V1 und V2 nebeneinander. Die Anleitung zur formativen Leistungsbewertung erklärt, wie Sie diese Spalten zur Planung der nächsten Stunde nutzen.

Fragenset für diese Stunde

Geben Sie diese auf dem Tab Fragen der Simulation ein. Vorgeschlagene Anleitung für Schüler: „Nutze Nächster Schritt, um eine Base nach der anderen zu gehen. Drücke vor jedem neuen Test auf Zurücksetzen. Klicke auf eine Base des codogenen Strangs, um sie zu ändern.“

1. Multiple Choice · Vorher, als Vorhersage · Nach der Simulation noch einmal fragen

• Frage: „Welches mRNA-Codon entsteht aus dem Matrizen-Triplett TAC?“
• Optionen: TAC / ATG / AUG (richtig) / UAC
• Erklärung: „Die RNA-Polymerase paart jede Base der Matrize mit ihrem Partner: T mit A, A mit U, C mit G. RNA verwendet Uracil (U) statt Thymin (T). Also ergibt TAC das AUG, das Startcodon für Methionin.“

2. Multiple Choice · Vorher, als Vorhersage · Nach der Simulation noch einmal fragen

• Frage: „Eine Base in einem Gen wird durch eine andere ersetzt. Verändert sich das Protein immer?“
• Optionen: Ja, immer / Nein, manchmal bleibt das Protein gleich (richtig) / Nein, eine einzelne Base spielt nie eine Rolle / Nur wenn die neue Base A ist
• Erklärung: „Der genetische Code ist degeneriert: Mehrere Codons codieren dieselbe Aminosäure. Im Standard-Gen ergibt die Änderung von CCG zu CCU weiterhin Prolin, eine stumme Mutation. Andere Einzeländerungen tauschen eine Aminosäure aus (Missense) oder erzeugen einen Stopp (Nonsense).“

3. Zahl · Nach der Simulation

• Frage: „Lasse das Standard-Gen bis zum Ende ablaufen. Wie viele Aminosäuren hat das fertige Polypeptid?“
• Antwort: 5, Toleranz ± 0
• Erklärung: „Die mRNA hat sechs Codons: AUG UUU CCG AAU GGC UGA. Die ersten fünf codieren Met, Phe, Pro, Asn und Gly. UGA ist ein Stoppcodon, das die Kette beendet, ohne eine Aminosäure hinzuzufügen.“

4. Multiple Choice · Nach der Simulation

• Frage: „Klicke einmal auf Position 9 des codogenen Strangs, sodass C zu A wird. Welche Art von Mutation ist das?“
• Optionen: stumm (richtig) / Missense / Nonsense / Rasterschub
• Erklärung: „Das Codon ändert sich von CCG zu CCU. Beide codieren Prolin, daher bleibt das Polypeptid Met–Phe–Pro–Asn–Gly. Eine Änderung, die das Protein unverändert lässt, ist eine stumme Mutation.“

5. Kurzantwort · Nach der Simulation

• Frage: „Warum verändert das Einfügen einer Base nahe dem Anfang eines Gens das Protein meist stärker als der Austausch einer Base?“
• Akzeptierte Antworten (optional): leer lassen und die Antworten selbst lesen.
• Musterantwort: „Das Ribosom liest die mRNA in Dreiergruppen ohne Lücken. Eine zusätzliche Base verschiebt das Leseraster, daher ändert sich jedes Codon danach, und ein Stoppcodon kann verloren gehen oder zu früh auftreten. Eine Substitution ändert höchstens ein Codon.“

Die Fragen 1 und 2 sind die Vorhersagen, die nach der Simulation noch einmal gestellt werden. Tipps zur Formulierung solcher Fragen finden Sie unter Gute Fragen für virtuelle Labore schreiben.

Vertiefung: Gene an- und ausschalten

Die erste Simulation zeigt, wie ein Gen gelesen wird. Die zweite zeigt, wie eine Zelle entscheidet, ob sie es überhaupt liest. Auf ihrem Bildschirm Expression trägt ein DNA-Abschnitt drei Gene. Die Lernenden ziehen Moleküle aus einem Werkzeugkasten und folgen bei jedem Schritt den Hinweisen:

1. Ziehen Sie einen positiven Transkriptionsfaktor auf den passenden gestrichelten Umriss in der regulatorischen Region des Gens.
2. Ziehen Sie die RNA-Polymerase auf den Promotor. Die mRNA wächst und verlässt die DNA.
3. Ziehen Sie ein Ribosom auf das 5'-Ende der mRNA. Das Polypeptid wächst und faltet sich zu einem Protein.
4. Ziehen Sie das Protein in die Sammelbox. Ein Protein von jedem der drei Gene einzusammeln schließt den Bildschirm ab.

Jedes Gen hat seine eigene Regel. Gen 1 braucht Faktor A. Gen 2 braucht Faktor B, und sein negativer Faktor B⁻ blockiert die RNA-Polymerase. Gen 3 braucht sowohl C1 als auch C2. Fragen Sie: „Warum braucht Gen 3 zwei Faktoren?“ So kann die Zelle das Gen nur anschalten, wenn zwei Bedingungen erfüllt sind. Die Lernenden finden auch heraus, dass eine mRNA oft translatiert werden kann und dass das abbauende Enzym sie entfernt.

Für ältere Lernende lässt der Bildschirm Viele Zellen dasselbe Gen in bis zu 90 Zellen laufen. Die Proteinmengen unterscheiden sich von Zelle zu Zelle, weil molekulare Ereignisse zufällig sind, aber die Anzeige gibt den Erwartungswert an. Mit den Standardeinstellungen zeigt sie E[P] = 182 Proteine. Verdoppelt man die Abbaurate des Proteins von 0,05 auf 0,10 pro Minute, halbiert sich der Wert auf 90,9. Die Zahlen der einzelnen Zellen ändern sich bei jedem Durchlauf, fragen Sie also nach dem Muster, nicht nach genauen Werten.

Differenzierung

Unterstützung:

• Geben Sie eine halb ausgefüllte mRNA-Zeile und eine Codetabelle in Großdruck aus.
• Nutzen Sie nur die Schritte 2–4 und die Substitutionen an den Positionen 5 und 9.
• Geben Sie Satzanfänge vor: „Das Codon hat sich von … zu … geändert, daher …“

Vertiefung:

• Erklären Sie, warum die Änderung von Position 1 Met–Ala ergibt statt einer verkürzten Version des ursprünglichen Proteins.
• Ändern Sie das Stoppcodon (Position 16, A → T ergibt AGA statt UGA). Die Simulation nennt das Missense, aber die Kette läuft jetzt bis zum Ende des Gens. Biologinnen und Biologen nennen das eine Stoppverlust-Mutation (Stop-Loss). Warum könnte sie schädlich sein?
• Entwerfen Sie einen codogenen Strang aus 12 Basen, der für Met–Trp–Lys und Stopp codiert. Geben Sie ihn zur Kontrolle bei Codogener Strang des Gens ein.

Lernende der Unterrichtssprache als Zweitsprache: Die Simulation gibt es in sechs Sprachen. Erstellen Sie einen zweiten Link in der Sprache der Lernenden, damit die Beschriftungen vertraut sind, während die Diskussion in der Unterrichtssprache bleibt.

Bezug zu Standards

Diese Stunde entspricht NGSS HS-LS1-1 (US-Standard): eine auf Belegen beruhende Erklärung dafür entwickeln, wie die Struktur der DNA die Struktur von Proteinen bestimmt. Die Mutationsaktivitäten unterstützen HS-LS3-2 zur vererbbaren genetischen Variation durch Mutationen. Sie passt zum Thema Proteinbiosynthese im britischen GCSE Biology und zu den Einheiten zur Genexpression in AP und IB Biology.

Weitere Aktivitäten für die Biologie finden Sie unter Ideen für interaktiven Biologieunterricht. Zu Unterrichtsroutinen lesen Sie Interaktive Simulationen im Unterricht einsetzen. Arbeiten Ihre Lernenden am besten in einem geführten Zyklus, zeigt die Anleitung zum 5E-Unterrichtsentwurf, wie Sie diese Aktivität in die Phasen Engage, Explore und Explain einbetten.

Häufige Fragen

Warum beginnt der codogene Strang mit TAC statt mit ATG?

Die Simulation zeigt den codogenen Strang, gelesen 3'→5'. TAC paart mit AUG auf der mRNA. Der Komplementärstrang, ATG, hat dieselbe Sequenz wie die mRNA, mit T anstelle von U.

Kann ich ein eigenes Gen verwenden?

Ja. Geben Sie in den Startwerten bei Codogener Strang des Gens eine beliebige Sequenz aus A, T, G und C mit 6 bis 60 Basen ein und binden Sie sie an einen Link. Beginnen Sie sie mit TAC, damit die Translation beim ersten Codon beginnt.

Warum gibt es im Standard-Gen keine Nonsense-Mutation?

Keines der fünf Codons vor UGA ist eine Base von einem Stoppcodon entfernt, daher kann keine einzelne Substitution die Kette vorzeitig beenden. Nutzen Sie den zweiten Link aus Schritt 6, bei dem Position 12 UAA oder UAG erzeugt.