Lerarenopleidingen Science en Wiskunde/Rekenen

Lerarenopleidingen Science en Wiskunde/Rekenen

Moleculaire interacties als basis voor celactiviteiten

Leerlingen leren wel over eiwitten en hun structuur, maar niet hoe eiwitten een cruciale rol spelen in de activiteit van cellen. Daardoor zeggen leerlingen over celactiviteiten dingen als “Dat doet die cel gewoon”. Ook denken leerlingen dat er een rechtstreeks verband is tussen genen en eigenschappen, terwijl genen voor eiwitten coderen die weer bepalend zijn voor de celactiviteiten die bij eigenschappen een rol spelen (zie afbeelding). Daarom heeft Marc van Mil in zijn proefschrift onderzocht of het mogelijk is om vwo-leerlingen celactiviteiten te laten verklaren m.b.v. moleculaire interacties, zoals wetenschappers ook doen. Dit bleek mogelijk door o.a. gebruik te maken van het principe dat eiwitten botsen, binden en van vorm veranderen.

  • Leer je leerlingen hoe ze een moleculair plaatje moeten lezen. Besteed met je leerlingen veel aandacht aan het lezen van de plaatjes en animaties die je gebruikt. Doe voor hoe je dit zelf doet
  • Voor het lezen van moleculaire plaatjes heb je kennis nodig van eiwitten en eiwitinteracties. Besteed daarom met je leerlingen aandacht aan de functie van eiwitten en hoe zij samenwerken (bijvoorbeeld via botsen – binden – van vorm veranderen)
  • Maak gebruik van heen-en-weer denken om eiwitten minder abstract te maken: lichaam – orgaan – weefsel – cel(activiteit) – eiwit(interacties) – genen. Hierbij is het vooral belangrijk om goed voor ogen te hebben wat cellen doen in je lichaam. Stel met je leerlingen vast wat voor celactiviteiten er in je lichaam zijn, voordat je toewerkt naar hoe eiwitten hier dan voor zorgen

Wat is er belangrijk voor een opleider/docent?

Om te begrijpen hoe cellen bepaalde activiteiten uitvoeren, hebben leerlingen kennis nodig over eiwitfuncties en eiwitinteracties (bv. volgens het mechanisme van botsen – binden – van vorm veranderen). Tevens is het belangrijk dat de rol van de celactiviteit in het lichaam duidelijk wordt, volgens het principe van heen-en-weer denken.
Hoe eiwitten betrokken zijn bij celactiviteiten wordt vaak schematisch weergegeven in een plaatje of animatie. De lesboeken en BINAS staan vol met dit soort plaatjes. Om deze plaatjes te kunnen begrijpen, hebben leerlingen bovengenoemde kennis over eiwitten nodig. Verder is het belangrijk dat docenten met hun leerlingen oefenen hoe zij de plaatjes moeten lezen.

Tevens is het goed om, als docent, bij elk plaatje dat je gebruikt na te gaan wat er wordt weergegeven, hoe dat in werkelijkheid zou gaan en wat je verwacht dat je leerlingen hiervan weten.
Lerarenopleiders zouden hun studenten kunnen stimuleren om te bepalen of zij in staat zijn om plaatjes op moleculair niveau te interpreteren, en in welk groter geheel deze plaatjes horen. Ook docenten kunnen dit voor zichzelf bepalen.

Inhoud en opbrengst van het onderzoek: theoretisch kader

‘Een gen bepaalt een eigenschap’ is een achterhaald beeld, maar wel het beeld dat leerlingen momenteel aangeleerd krijgen. Voor vwo-leerlingen die worden voorbereid op een wetenschappelijke opleiding in de life sciences, is het belangrijk om een correct beeld te hebben van hoe genen zorgen voor erfelijke eigenschappen. Dit is ook belangrijk wanneer je een beeld wil geven van vragen waar wetenschappers zich mee bezig houden in genomics onderzoek.

Wanneer je leerlingen leert dat een gen een eigenschap bepaalt, kun je hiermee niet uitleggen dat veel eigenschappen en ziektes multifactorieel zijn (vele genen en omgevingsfactoren bij betrokken). Om ervoor te zorgen dat leerlingen genen niet gaan zien als de veroorzaker van een eigenschap of aandoening maar als één van de vele factoren die eraan bijdragen, is het cruciaal dat leerlingen niet alleen leren dat een gen een rol speelt in een bepaalde eigenschap, maar ook hoe een gen dit doet.

Daarom heeft Van Mil doordacht hoe 5/6 vwo leerlingen over genen zouden moeten kunnen nadenken. Leerlingen leren al dat genen coderen voor eiwitten. Van Mil adviseert om bij erfelijke eigenschappen de vraag te stellen wat de betrokken cellen doen, om vervolgens de rol van de eiwitten in de celactiviteiten te gaan bestuderen (dit is weergegeven in onderstaande afbeelding). Op deze manier kun je verklaren hoe een gen bijdraagt aan een eigenschap, maar ook hoe meerdere genen bij kunnen dragen aan een eigenschap. In het rode kader is weergegeven op welk onderdeel het proefschrift dieper ingaat.

Leerlingen op het vwo moeten kennis hebben van de structuur van eiwitten en DNA, en moeten weten dat DNA codeert voor eiwitten (moleculair niveau). Tevens moeten vwo-leerlingen dingen weten over celstructuur/organellen en celactiviteiten (cellulair niveau). De koppeling tussen moleculair en cellulair niveau, namelijk dat eiwitten bepalend zijn voor celactiviteiten, ontbreekt echter. Leerlingen denken dat ‘cellen dat gewoon doen’. Als er een verbinding gelegd zou worden tussen moleculair en cellulair niveau, zou dit:

  • inzicht geven in hoe cellen werken
  • de moleculaire kennis betekenis geven

Onderstaande afbeelding laat een voorbeeld zien van heen en weer denken tussen cellulair en moleculair niveau. Om de celactiviteit ‘celdeling’ te kunnen laten plaatsvinden, is het nodig om de celinhoud te verdubbelen en verdelen. Om dit te bewerkstelligen zijn DNA replicatie, eiwitsynthese, transport van chromosomen en organellen nodig. Eiwitten zijn verantwoordelijk voor deze vier processen.

Hoe gebruiken wetenschappers hun kennis over moleculen in de cel om het gedrag van cellen te verklaren en hoe zien de verklaringen die ze presenteren eruit?

Hoe wetenschappers gedrag van cellen verklaren
Wetenschappers verklaren celactiviteiten door te kijken welke moleculaire onderdelen in de cel de activiteit tot stand brengen. Wetenschappers proberen de mechanismen van celprocessen te beschrijven in termen van moleculaire interacties.

Hoe wetenschappers hun verklaringen presenteren
Wetenschappers brengen moleculaire mechanismen in kaart door een uitgebreide beschrijving te geven van de ketens van moleculaire interacties en geven dit schematisch weer in plaatjes of animaties. Van Mil noemt dit de moleculair mechanistische verklaring. Zo’n plaatje ziet er bijvoorbeeld zo uit:

Model hoe een polypeptide het ER binnengaat

Om dergelijke plaatjes van moleculaire processen te kunnen begrijpen, is moleculair mechanistisch redeneren nodig: nagaan welke (ketens van) moleculaire interacties het plaatje symboliseert. In zijn onderzoek probeert Van Mil leerlingen (een versimpelde vorm van) moleculair mechanistisch redeneren aan te leren.

Inhoud en opbrengst van het onderzoek: het onderzoek

Hoofd- en deelvragen
De hoofdvraag van het onderzoek was: “Hoe kunnen leerlingen in de bovenbouw van het vwo gestimuleerd worden om moleculaire interacties als basis te gebruiken voor hun denken over celprocessen?”

De bijbehorende deelvragen waren:

Hoe gebruiken wetenschappers hun kennis over moleculen in de cel om het gedrag van cellen te verklaren en hoe zien de verklaringen die ze presenteren eruit?Hoe kan deze typering van het werk van wetenschappers helpen bij het ontwerpen van onderwijs over de moleculaire basis van levensprocessen?Is het mogelijk om een leertraject te ontwerpen waarin leerlingen het gedrag van cellen en de interacties van moleculen in die cel betekenisvol met elkaar verbinden?

Onderzoeksmethoden
Om deelvraag 1, hoe wetenschappers moleculen gebruiken om gedrag van cellen te verklaren, te kunnen beantwoorden heeft Van Mil een literatuuronderzoek gedaan. De resultaten hiervan heeft hij bij deelvraag 2 voor 5 vwo leerlingen gedidactiseerd. De belangrijkste vraag hierbij was: Wat moeten leerlingen over eiwitten weten om ze te kunnen gaan zien als schakelingen in een moleculair mechanisme? Vervolgens heeft Van Mil op basis van de resultaten van deelvraag 2 een lessenserie ontworpen.

Van Mil heeft de lessenserie twee keer uitgevoerd, hierbij was hij zelf de docent (dit onderzoek richtte zich op de leerling en nog niet op de docent). De eerste keer testte hij de lessenserie met 14 leerlingen (uit 5 en 6 vwo). Op basis hiervan heeft hij de lessenserie verbeterd. Vervolgens heeft hij de verbeterde lessenserie getest met 12 leerlingen (uit 5 vwo). De resultaten en conclusies van zijn onderzoek zijn gebaseerd op deze laatste groep.
De leerlingen hadden zich vrijwillig aangemeld om de module op de universiteit te volgen; in elke groep zaten daarom leerlingen van 4 of 5 verschillende scholen. De leerlingen kregen zes keer een 3-urige les. Hiervan werden opnamen gemaakt en de uitwerkingen van de leerlingen werden ingenomen, zodat onderzocht kon worden of de theoretische didactiek in de praktijk ook werkt.

Deelvraag 1: Hoe gebruiken wetenschappers hun kennis over moleculen in de cel om het gedrag van cellen te verklaren en hoe zien de verklaringen die ze presenteren eruit?
De resultaten van deelvraag 1 worden besproken in het theoretisch kader, alinea ‘Moleculair mechanistisch redeneren’.

Deelvraag 2: Hoe kan deze typering van het werk van wetenschappers helpen bij het ontwerpen van onderwijs over de moleculaire basis van levensprocessen?
Om het moleculair mechanistisch redeneren wat wetenschappers doen voor 5vwo leerlingen toegankelijk te maken, hebben leerlingen de volgende kennis nodig:

  • Eiwitten zijn continue in beweging en botsen tegen elkaar aan
  • Sommige eiwitten passen in elkaar: als ze tegen elkaar botsen, binden ze met chemische interacties. Vaak veranderen beide eiwitten dan van vorm. Zo heb je dus een schakeling van gebeurtenissen die Van Mil ‘botsen – binden – van vorm veranderen’ noemt. Als eiwitten van vorm veranderd zijn, kunnen ze met andere eiwitten binden dan daarvoor
  • Eiwitten kunnen samenwerken, in schakelingen, volgens het principe van botsen – binden – van vorm veranderen. Wanneer meerdere eiwitten samenwerken in een proces noemt Van Mil dit een ‘moleculaire module’. Deze modules zijn niet altijd (met het oog) zichtbaar, zoals een organel, omdat je te maken hebt met botsende eiwitten

Van Mil veronderstelde dat door leerlingen te leren in schakelingen te denken, via botsen – binden – van vorm veranderen, zij hiermee moleculaire plaatjes en animaties kunnen lezen (als een schakeling van eiwitinteracties, die een verklaring zijn voor een celactiviteit).

Deelvraag 3: Is het mogelijk om een leertraject te ontwerpen waarin leerlingen het gedrag van cellen en de interacties van moleculen in die cel betekenisvol met elkaar verbinden?
Onder de alinea ‘De lessenserie’ leest u meer over het lesmateriaal dat Van Mil heeft ontworpen.

De leerlingen konden goed uit de voeten met het botsen – binden – van vorm veranderen. Ook wanneer een animatie dit niet liet zien, konden leerlingen vaststellen dat het wel gebeurde en dat het dus eigenlijk een ‘verkeerde’ weergave van het plaatje was.
Bijvoorbeeld: in animaties zie je vaak dat één molecuul recht naar een ander molecuul toevliegt en bindt. Leerlingen geven dan aan dat het random door de ruimte vliegen en het botsen niet is weergegeven, dus dat het in werkelijkheid anders gaat dan in de animatie.
Onduidelijk is wel of leerlingen ook echt begrijpen wat er gebeurt tijdens het botsen – binden – van vorm veranderen, of dat ze dit gewoon als gegeven aannemen en toepassen (kunnen zeggen dat het gebeurt zonder te weten waar ze het precies over hebben).

De term moleculaire module ervaren
leerlingen als vanzelfsprekend, als ze eenmaal de basis van schakelingen van eiwitten hebben geleerd. Het bleek niet moeilijk voor leerlingen om een groep eiwitten die samen iets doen als module te omschrijven, bijvoorbeeld de uitscheidingsmodule.

In de lessenserie werden veel plaatjes en animaties gebruikt. Hierbij ging het de leerlingen goed af om deze te interpreteren als een schakeling van eiwitten of modules waarmee ze het proces konden verklaren.

In de lessenserie staan drie voorbeelden van celactiviteiten centraal:

Taaislijmziekte: mensen met taaislijmziekte hebben onwerkzame chloridepompen. Bij gezonde mensen scheiden cellen chloride uit. Constatering: in je lichaam zitten dus cellen die chloride uit kunnen scheidenErfelijk hoog cholesterolgehalte: bij mensen die dit hebben, wordt LDL-cholesterol niet opgenomen. Constatering: in een gezond lichaam zitten dus cellen die LDL-cholesterol op kunnen nemenKorstje vormen op wondje: om een korstje op een wondje te vormen, moeten er collageenvezels gemaakt worden. Constatering: er zijn dus cellen die collageen kunnen maken en uitscheiden

Per voorbeeld gaan leerlingen een verklaring zoeken voor de celactiviteiten: hoe doen de cellen dat eigenlijk? Hiervoor is voorkennis nodig over eiwitten, daarom leren leerlingen:

  • wat een eiwit is
  • dat eiwitten botsen – binden – van vorm veranderen. Om leerlingen dit te leren, maakte Van Mil gebruik van animaties en simulaties

Met deze voorkennis kunnen leerlingen een verklaring opstellen voor voorbeeld 1, taaislijmziekte. Met de werking van slechts één eiwit kun je al verklaren hoe een cel chloride uitscheidt. Dit eiwit zit in het celmembraan. Wanneer chloride tegen het eiwit aan botst, bindt het hieraan en verandert het eiwit van vorm. Doordat het eiwit in het celmembraan zit, wordt het chloride naar de buitenkant van de cel getransporteerd.

In voorbeeld 2, erfelijk hoog cholesterolgehalte, kijken leerlingen naar het proces van endocytose waarin meerdere eiwitten samenwerken. Ze bekijken allerlei animaties waarin ze steeds het botsen – binden – van vorm veranderen moeten herkennen. Op die manier moeten ze de keten van gebeurtenissen vaststellen: alle eiwitten die elkaar beïnvloeden met als eindresultaat dat LDL-cholesterol opgenomen wordt door de cel. Deze keten kun je zien als één module, in het lesmateriaal wordt dit de opname-module genoemd.

In het derde voorbeeld, korstje vormen op wondje, ondervinden leerlingen dat dit proces (productie t/m uitscheiden van collageen) bestaat uit vier achter elkaar geschakelde modules. Dit stellen de leerlingen weer vast op basis van plaatjes en animaties. Ze hoeven nu niet alle details te weten van het botsen – binden – van vorm veranderen, maar moeten wel vaststellen dat je voor elke module weer een aparte procesbeschrijving kunt maken(route van schakelingen).

Deze drie voorbeelden kunnen samengevat worden in onderstaand schema, dat in de lessen gebruikt werd:

Hieronder vindt u voorbeelden van opdrachten die Van Mil gebruikt heeft in zijn lessen. Deze materialen zijn met name bedoeld ter illustratie en inspiratie.

In het huidige biologiecurriculum krijgen leerlingen wel les over het moleculaire niveau, maar doordat dit niet gebruikt wordt om dingen op cellulair niveau te verklaren, zorgt dit niet voor meer begrip van de biologie. Wanneer het moleculaire niveau als verklaringscontext gebruikt wordt, kan dit wel zorgen voor meer begrip. Dit houdt in: in plaats van leerlingen celactiviteiten te laten beschouwen als ‘dat gebeurt gewoon’, op zoek gaan naar een verklaring hoe de cel deze activiteit uitvoert. Om dit te kunnen doen, hebben leerlingen extra kennis nodig die nog niet in het curriculum zit, namelijk tenminste:

  • Eiwitten botsen – binden – veranderen van vorm
  • Eiwitten kunnen samenwerken, in schakelingen, om een bepaalde celactiviteit te bewerkstelligen (een ‘moleculaire module’)

Op deze manier kunnen leerlingen wat ze over cellen leren en wat ze over moleculen leren aan elkaar koppelen.

Om te laten zien wat er op moleculair niveau gebeurt, maken wetenschappers gebruik van plaatjes en animaties. Deze worden ook, versimpeld, in de biologieboeken gebruikt. Om deze plaatjes te kunnen begrijpen, moeten leerlingen moleculair visueel geletterd zijn: het vermogen om op moleculair niveau plaatjes en animaties te lezen. Uit het onderzoek van Van Mil is gebleken dat leerlingen de capaciteiten hebben om moleculair visueel geletterd te kunnen worden. Om dit te worden hebben leerlingen bovenstaande kennis over eiwitten nodig en training in het lezen van de plaatjes. Het is dus belangrijk dat docenten het lezen van plaatjes oefenen met hun leerlingen. Anders blijven plaatjes betekenisloos en kunnen leerlingen slechts het bijschrift uit hun hoofd leren.

Voorbeelden van opdrachten die Van Mil gebruikt heeft in zijn lessen

Deze materialen zijn met name bedoeld ter illustratie en inspiratie.

Gerelateerde artikelen

ELWIeR en Ecent als één STEM