Der Regulation des Blutzuckerspiegels auf der Spur

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83 RAAbits Biologie Dezember 2014

Der Regulation des Blutzuckerspiegels auf der Spur

Cornelia Preidl, Koblenz

Mit Illustrationen von Julia Lenzmann und Oliver Wetterauer

Das Blut in unserem Körper transportiert die Nährstoffe zu unseren Körperzellen.

Bei dieser Energieverteilung spielt der Blutzuckerspiegel eine wichtige Rolle.

Doch welche Mechanismen regulieren ihn, sodass er auch bei schwankendem Energieverbrauch weitgehend konstant bleibt?

In diesem Beitrag lernen Ihre Schüler die wichtige Rolle von Insulin und Glucagon bei der Regulation des Blutzuckerspie- gels kennen. Dabei erfahren sie auch, wie Insulin aufgebaut ist und wie dieses Hormon im Körper synthetisiert wird.

Zudem sammeln Ihre Lernenden grundle- gendes Wissen über Diabetes: Sie setzen sich mit den Symptomen, Unterschieden und Therapieformen von Diabetes Typ 1 und Typ 2 auseinander

Der Beitrag im Überblick Niveau: Klasse 10–11

Dauer: 4–5 Stunden

Der Beitrag enthält Materialien für:

ü selbstständige Erarbeitung von Inhalten ü Rollenspiel

ü Kugellager

ü Problemorientierten Unterricht

Kompetenzen:

• Sich die Grundlagen der Blutzuckerregulation erarbeiten

• Sich den Ursachen, Symptomen und Therapieformen von Diabetes Typ 1 und Typ 2 widmen

• Erarbeiten, wie die Insulinsynthese in den β-Zellen der Bauchspeicheldrüse abläuft

• Textinformationen in verschiedene Darstellungsformen umsetzen (Tabelle, Schaubild, Erlebnisgeschichte,

Rollenspiel)

• In verschiedenen Sozialformen (Kugellagermethode, Rollenspiel, Gruppen- und Partnerarbeit) kooperieren und kommunizieren

Eine Insulinpumpe versorgt Diabetiker vom Typ 1 beständig mit Insulin. Die Pumpe lässt sich bequem unter der Kleidung tragen.

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Einzelmaterial 90 S 2

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Didaktisch-methodische Orientierung

Zunächst beschäftigen sich Ihre Schüler allgemein mit dem Blutzuckerspiegel und seiner Regulation. Dies erfolgt mithilfe von M 1 und M 2. Im Anschluss daran dienen die Materialien M 4 (Diabetes Typ 1) und M 5 (Diabetes Typ 2) der Wiederholung, Anwen- dung und vor allem Vertiefung des neu gelernten Wissens. Die Abbildungen 1–3 auf der Folie M 3 (Schüler mit unbehandelter Diabetes) dienen dem Einstieg in die Einheit. Auf den weiteren Abbildungen sind die Langerhans-Inseln (Abbildungen 4–5) sowie die Lage der Bauchspeicheldrüse (Illustration 6) zu sehen,

Ein wesentliches Merkmal des vorliegenden Beitrags ist seine Methodenvielfalt. Sie dient der effektiven Multicodierung des Gelernten und somit einer langfristigen Speicherung.

So steht in M 2 nach der Textarbeit und theoretischen Erarbeitung des Regelkreises zur Blutzuckerregulation in Einzelarbeit – bitte beachten Sie hier die Möglichkeit der Binnendifferenzierung – das Rollenspiel (Aufgabe 5) im Mittelpunkt.

Mit dem Rollenspiel festigen die Lernenden das Gelernte, um es anschließend in M 4 und M 5 anhand von Transferaufgaben anwenden zu können. Zudem verbessern die Schüler ihre kooperativen und kommunikativen Fähigkeiten.

Teilen Sie Ihre Klasse bzw. Ihren Kurs für die Bearbeitung von M 4 und M 5 in zwei Gruppen auf. Diese werden mithilfe der Informationstexte zu Diabetes Typ 1 bzw.

Diabetes Typ 2 zu Experten für die jeweilige Diabetesform. Um das Expertenwissen zu sichern, bauen die Lernenden die Textinformationen in eine Erlebnisgeschichte ein.

Dies geschieht im Rahmen der Aufgabe 2 in M 4 bzw. M 5. Damit trainieren Ihre Schüler ihre Fähigkeit zur Umsetzung von Sachinformationen. Sie stellt eine weitere wichtige Kompetenz dar. Bei Zeitknappheit bietet es sich an, die Schüler diesen Arbeitsauftrag als Hausaufgabe bearbeiten zu lassen.

Der anschließende Informationsaustausch erfolgt in Form eines Kugellagers (siehe Abbildung). Die Experten für Diabetes Typ 2

(E 2) bilden dabei den Innenkreis, die Experten für Diabetes Typ 1 (E 1) den Außenkreis.

Es ist möglich, dass Sie die gesamte Klasse ein einziges Kugellager bilden lassen, wobei dann etwa jeweils 15 Schüler im Außen- und Innen- kreis stehen oder sitzen. Oder Sie teilen die Klasse bzw. den Kurs auf und bilden zwei klei- nere Kugellager.

In der ersten Runde informieren die Experten für Diabetes Typ 1 (E 1) ihren jeweiligen Partner im Innenkreis (E 2), indem sie ihre Geschichte präsentieren und gegebenenfalls Verständnis- nachfragen beantworten. Nun erfolgt ein Platz- wechsel: Die Schüler im Außenkreis (E 1) rücken eine Position nach rechts weiter, sodass neue Paarungen entstehen. In der jetzt

folgenden zweiten Runde geben nun die Experten E 2 den Experten E 1 wieder, was sie soeben über Diabetes Typ 1 gelernt haben. Dabei werden sie gegebenenfalls von den Experten E 1 korrigiert. Diese Aufgabe ist für beide Partner anspruchsvoll. Denn der Experte E 2 muss aus der Erinnerung heraus sowie unabhängig von der Geschichte die Sachinformationen wiedergeben, der Experte E 1 hingegen muss diese ebenfalls unab- hängig von seiner eigenen Geschichte kontrollieren.

Im Anschluss findet erneut ein Platzwechsel statt. Dabei rücken die Experten E 1 im Außenkreis wieder eine Position nach rechts weiter. In der nun folgenden dritten Runde informieren die Experten E 2 ihre jeweiligen neuen Partner über Diabetes Typ 2 mithilfe der geschriebenen Geschichten und beantworten eventuelle Rückfragen ihres jeweiligen Partners.

Ablauf der Kugellagermethode

E 2 E 1

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Nach einem weiteren Platzwechsel gibt jetzt in der vierten Runde jeder Experte E 1 seinem neuen Partner wieder, was er über Diabetes Typ 2 gelernt hat, und wird gegebenenfalls von diesem korrigiert. Auch hier ist das Anspruchsniveau, wie oben erläu- tert, hoch. Nach dem letzten Platzwechsel erstellen die neuen Partner in der fünften Runde gemeinsam eine Tabelle mit einer Gegenüberstellung der beiden Diabetes- formen (Aufgabe 3) sowie die Schaubilder zum Regelkreisschema der Blutzuckerregu- lation (Aufgabe 4). Bei Zeitknappheit kann der Informationsaustausch anstatt über die Methode des Kugellagers in Partnerarbeit erfolgen. Das Material M 7, das sich mit dem Bau des Hormons Insulin und seiner Herstellung im menschlichen Körper beschäftigt, setzen Sie nur in einer Oberstufenklasse ein.

Verlauf

Material Verlauf Stunde

M 1–M 3

Einstieg in die Unterrichtseinheit: Abbildungen 1–3 von der Folie M 3 zeigen (Schüler mit unbehandeltem Diabetes, die beim Sport eine Leistungsschwäche zeigen oder Konzentrati- onsstörungen haben); sprechen Sie über die Ursachen und kommen Sie so auf die Zuckerkrankheit zu sprechen.

Die Schüler bearbeiten zur Vorbereitung die Materialien M 1 und M 2 mit den Texten und Aufgaben über die Blutzucker- regulation. Dies geschieht in Einzelarbeit.

Verkürzungsmöglichkeit: Bei Zeitknappheit erfolgt die Bearbei- tung zu Hause.

Hinweis: In der Aufgabe 4 von M 2 beschriften die Lernenden ein Schaubild zur Blutzuckerregulation (hierbei besteht die Möglichkeit zur Binnendifferenzierung; siehe Erläute- rungen). Das Schaubild dient den Schülern als Grundlage für die Entwicklung eines Rollenspiels zur Blutzuckerregulation (Aufgabe 5).

1–2

M 4–M 5

Einstieg: Folie M 3 mit der mikroskopischen Aufnahme (Abbildung 4) und der Zeichnung von den Langerhans’schen Inseln (Abbildung 5) zeigen; die Lernenden die α- und β-Zellen zeigen und benennen lassen sowie als Wiederholung deren Funktion (Insulin- und Glucagonproduktion) ansprechen. Die Lage der Bauchspeicheldrüse mithilfe von Abbildung 6 zeigen.

Jeweils die Hälfte der Klasse erarbeitet sich das Experten- wissen zu Diabetes Typ 1 oder Diabetes Typ 2. Dazu lesen sich die Schüler den Text durch und lösen die Aufgaben 1–2.

Anhand der Aufgabe 2 entwickeln sie eine Geschichte über einen Schüler mit Diabetes vom Typ 1 bzw. Diabetes vom Typ 2. Die Aufgaben bearbeiten die Jugendlichen in Einzelarbeit (im Unterricht oder als Hausaufgabe).

Im Unterricht erfolgt mithilfe der Aufgaben 3–4 ein Informa- tionsaustausch unter den Schülern sowie die Anwendung des Gelernten. Der Austausch (Aufgabe 3) geschieht bevorzugt anhand der Kugellagermethode (siehe didaktisch-methodische Orientierung) und bei Zeitknappheit in Partnerarbeit.

Mithilfe der Aufgabe 4 erstellen die Lernenden ein Regel- kreisschema zur Blutzuckerregulation bei unbehandeltem Diabetes (separat für Typ 1 und Typ 2).

3–4

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^{M 6}

Setzen Sie im Anschluss an die Bearbeitung von M 4 und M 5 die Folie M 6 ein. Zeigen Sie die Fotos der Reihe nach. Kommen Sie so auf den typischen Alltag von Diabetikern zu sprechen.

Dabei sollten Sie vor allem die unterschiedlichen Therapie- formen bei Diabetes vom Typ 1 und Typ 2 thematisieren (siehe auch Erläuterung zu M 6).

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M 3, M 7

M 7 thematisiert die Vorgänge bei der Insulinsynthese in den β-Zellen. Es ist ausschließlich für die Oberstufe gedacht.

Als Einstieg den feinmikroskopischen Aufbau der Langerhans- Inseln mit den β-Zellen und α-Zellen als Foto und Zeichnung zeigen (Folie M 3, Abbildungen 4–5). Nochmals über die einzelnen Zellen sprechen und M 7 zur Bearbeitung ausgeben.

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Minimalplan

Ist wenig Zeit vorhanden, so bearbeiten die Jugendlichen M 1 komplett zu Hause, lesen von M 2 als Hausaufgabe den Text durch und bearbeiten die Aufgaben 1–4 ebenfalls als Hausaufgabe. Das Rollenspiel (Aufgabe 5 in M 2) entfällt dann. Die Lösung der Aufgaben sollten Sie dann aber unbedingt im Unterricht besprechen und auch für Fragen der Lernenden offen sein.

Eine weitere Gelegenheit zur Verkürzung besteht bei M 4 und M 5: Die Lernenden lesen sich jeweils die Texte zu Hause durch und lösen jeweils als Hausaufgabe die Aufgaben 1–2. Die restlichen Arbeitsaufträge bearbeiten die Jugendlichen dann im Unterricht.

Des Weiteren haben Sie die Möglichkeit, bei M 4–M 5 den Informationsaustausch zu den Diabetesformen anstatt mit der Methode des Kugellagers in Partnerarbeit durchführen zu lassen. Die Lernenden stellen sich dann gegenseitig Ihre Geschichten zu Diabetes vor und erstellen anschließend die Tabelle sowie die Schaubilder. Die oben geschilderten positiven Effekte im Hinblick auf Lernerfolg und Kompetenzerweiterung der Schüler kommen dann jedoch zum Teil nicht zustande.

Das Material M 7 widmet sich dem Bau des Insulins sowie seiner Herstellung im menschlichen Körper. Es ist für die Sekundarstufe II gedacht und wird nur dort im Anschluss an die anderen Materialien eingesetzt. Beim Unterricht in einer zehnten Klasse entfällt es.

Die dem Material M 7 vorangehenden Materialien dienen in der Oberstufe der Wieder- holung, Festigung und Erweiterung bereits vorhandenen Wissens. Es kann entsprechend den Vorschlägen im Minimalplan verkürzt werden.

Wenden Sie alle Maßnahmen, die in diesem Minimalplan beschrieben sind, an, dann verkürzt sich die Unterrichtszeit von 5 auf 4 Stunden.

Materialübersicht

M 1 (Ab) Der Blutzuckerspiegel und seine Regulation

M 2 (Ab) Insulin und Glucagon – Hormone der Bauchspeicheldrüse

M 3 (Fo) Folie zur Lage der Bauchspeicheldrüse und zur Struktur der Langerhans’schen Inseln

M 4 (Ab) Was passiert, wenn kein Insulin mehr produziert wird? – Diabetes Typ 1 unter der Lupe

M 5 (Ab) Wenn das Insulin keine Wirkung mehr erzielt – dem Diabetes Typ 2 auf der Spur

M 6 (Fo) Folie mit Fotos zum Alltag von Menschen mit Diabetes Typ 1 und Typ 2 M 7 (Ab) Von der prä-mRNA zum Insulin – was passiert in den β-Zellen?

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M 2 Insulin und Glucagon – Hormone der Bauchspeicheldrüse

Nahrungsaufnahme oder der Abbau von Körperreserven erhöhen den Blutzucker- spiegel. Demgegenüber senken ihn körperliche bzw. geistige Arbeit oder eine Nahrungs- karenz (eine Nahrungskarenz ist der Verzicht auf Nahrung für eine bestimmte Zeit).

Übrigens können auch Stress, Medikamente und Krankheiten zur Erhöhung des Blutzu- ckerspiegels führen.

Es ist jedoch sehr wichtig, dass der Blutzuckerspiegel konstant gehalten wird. Wie wird er nun reguliert? Leber und Muskulatur enthalten etwa 400 g Glykogen, das bei Bedarf in Glucose umgewandelt werden kann. Das Glykogen ist also die Zuckerreserve unseres Körpers. Durch Ab- und Aufbau von Glykogen kann der Blutzuckerspiegel geregelt werden.

So ist auch ohne eine Nahrungsaufnahme eine Anhebung des Blutzuckerspiegels möglich.

Über spezielle Rezeptoren misst unser Körper den Blutzu- ckergehalt und leitet die entsprechende Regulation ein. Der Regulation des Blutzuckerspiegels dienen zwei Hormone, die in bestimmten Zellen in der Bauchspeicheldrüse hergestellt werden: Insulin und Glucagon.

Die Bauchspeicheldrüse besteht aus verschiedenen Zell- typen. Zwischen dem Drüsengewebe, das Verdauungsen- zyme produziert, sind inselförmig Zellverbände eingelagert.

Diese nennt man nach ihrem Entdecker, dem deutschen Mediziner Paul Langerhans, Langerhans’sche Inseln.

Sie bestehen wiederum aus verschiedenen Zelltypen, die unterschiedliche Aufgaben erfüllen. Unter anderem gehören dazu die sogenannten α-Zellen und β-Zellen. Insulin wird dabei in den β-Zellen und Glucagon in den α-Zellen

produziert. Abbildung 1: Paul Langerhans

(1847–1888)

Abbildung 2:

Lage der Bauchspeicheldrüse

Mundspeicheldrüsen

Speiseröhre

Lunge

Magen

Bauchspeicheldrüse

Dickdarm Dünndarm

Gallenblase Leber

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Va r ia n te 1

Hinweis: BZS: Abkürzung für Blutzuckerspiegel

Bauchspeicheldrüse Leber Muskel Fettzellen

BZSSituation 1: Einnahme einer Mahlzeit Situation 2: körperliche oder geistige Aktivität, Nahrungs- karenz +

+

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M 7 Von der prä-mRNA zum Insulin – was passiert in den β-Zellen?

Mithilfe von Insulin erfolgt die Regulation des Blutzuckerspiegels. Doch wie ist dieses Hormon aufgebaut und wie wird es in den β-Zellen der Langerhans’schen Inseln syntheti- siert? Erfahre jetzt mehr darüber.

Insulin – ein Polypeptid aus zwei Aminosäureketten

Insulin setzt sich aus zwei Ketten zusammen, die als B-Kette und A-Kette bezeichnet werden (siehe Abbildung 1).

B-Kette

A-Kette

Abbildung 1: Struktur des Insulins

Die A-Kette besteht aus 21 Aminosäuren, während die B-Kette 30 Aminosäuren umfasst.

Insgesamt bilden also 51 Aminosäuren das Polypeptid Insulin. Die beiden Ketten sind über zwei Disulfidbrücken (Schwefelbrücken) miteinander verbunden. Außerdem befindet sich eine dritte Disulfidbrücke innerhalb der A-Kette. Aufgrund dieser Schwefelbrücken faltet sich das ursprünglich gestreckte Insulinmolekül und bildet seine typische Tertiärstruktur aus (siehe Abbildung 2).

Abbildung 2: Tertiärstruktur des Insulins (die B-Kette ist weiß dargestellt, die A-Kette schwarz) Disulfidbrücken

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Glossar

Amplifikation Vervielfältigung der Nukleinsäure (DNA oder RNA)

Antagonist Glucagon wirkt dem Insulin entgegengesetzt. Es ist dessen Gegen- spieler (Antagonist). Dementsprechend hemmt es die aufbauenden Stoffwechselprozesse und fördert die abbauenden Stoffwechsel- prozesse.

α-Zellen Die Bauchspeicheldrüse hat verschiedene Zelltypen, die unterschiedliche Aufgaben erfüllen. Unter anderem gehören dazu die sogenannten α-Zellen: In ihnen wird das Glucagon produziert.

β-Zellen In den β-Zellen der Bauchspeicheldrüse wird Insulin produziert.

Basalinsulin Diabetiker nutzen bei der sogenannten Intensivierten konventio- nellen Insulintherapie (ICT) zwei verschiedene Formen des Insu- lins: das langwirkende Basalinsulin und das schnell wirksame Mahlzeiteninsulin. Für die Grundversorgung mit Insulin spritzen sie ein- bis zweimal am Tag das Basalinsulin. Dieses wird auch für die Nacht benötigt, um einen gesunden Blutzuckerspiegel aufrecht- zuerhalten (zum Einsatz des Mahlzeiteninsulins siehe unten).

Bauchspeicheldrüse Sie ist ein quer im Oberbauch liegendes Drüsenorgan und besteht aus verschiedenen Zelltypen. Zwischen dem Drüsengewebe, das Verdauungsenzyme produziert, sind inselförmig Zellverbände eingelagert. Diese nennt man nach ihrem Entdecker, dem deutschen Mediziner Paul Langerhans, Langerhans’sche Inseln. In ihnen befinden sich die α-Zellen und β-Zellen.

Blutzuckerspiegel Höhe des Glucoseanteils im Blut

Cap-Struktur Die eukaryotische mRNA wird im Zellkern vor dem Transport in das Cytoplasma an ihrem 5’-Ende durch Anhängen der Cap-Struktur modifiziert. Die Cap-Struktur erhöht die Halbwertszeit der mRNA und ist wichtig für den Transport der mRNA aus dem Kern ins Cytoplasma und für die Translation.

C-Terminus Der C-Terminus (auch Carboxy-Terminus) ist der Teil eines Proteins, an dem sich die Carboxylgruppe befindet. Hierbei sind nicht die Carboxylgruppen der Reste der Aminosäuren gemeint.

Codogen Der aus drei Basen bestehende Abschnitt der DNA, von dem das Codon abgelesen wird.

Codogener Strang Strang der DNA-Doppelhelix, der als Matrize für die Transkription genutzt wird.

Codon Abschnitt der mRNA aus drei Basen (Basentriplett). Er liefert die Information für eine Aminosäure, d.h. codiert eine Aminosäure.

Diabetes mellitus Zuckerkrankheit. Es gibt zwei Typen: Diabetes Typ 1 und Typ 2.

Beim Diabetes Typ 1 sind die ß-Zellen der Bauchspeicheldrüse zum Teil oder vollständig zerstört. Die Krankheit ist nicht heilbar, aber durch entsprechende Therapien kann der Betroffene ein weitgehend normales Leben führen. Beim Typ 2 entwickelt die Krankheit sich schleichend. Die Betroffenen halten auftretende Beschwerden oft für harmlose „Alltagsbeschwerden“ und denken dabei nicht an Diabetes. Wesentliche Risikofaktoren dafür, an Diabetes Typ 2 zu erkranken, sind Übergewicht und Bewegungsmangel. Dieser Form von Diabetes kann durch eine Änderung des Lebensstils entgegen- gewirkt werden.