Domein 1: Atomen en moleculen in de biologie

Omschrijving

Moleculen zijn opgebouwd uit atomen die beschreven kunnen worden door atoommodellen. De basis van al het levende wordt gevormd door het vastleggen van energie in complexe moleculen die voornamelijk bestaan uit verbindingen van koolstof, waterstof, zuurstof, stikstof, fosfor en zwavel. Levensprocessen kunnen worden verricht door gecontroleerde ontbinding van deze hoogenergetische (complexe) moleculen. Atomen en moleculen bewegen voortdurend (bewegingen van Brown) en dit leidt tot de nettoverplaatsing van moleculen van een hoge concentratie naar een lage concentratie (diffusie). Bovendien trekken moleculen elkaar aan. De diffusie van een oplosmiddel, zoals water, van een lage naar een hoge concentratie opgeloste deeltjes noemen we ‘osmose’

Indicatoren

Indicator 1.1.1

De student kan atomen beschrijven op basis van het atoommodel van Bohr. (p)

Indicator 1.1.2

De student kan het verband leggen tussen atoombouw van onder andere C, H, O, N, P en S en het aantal bindingen dat deze aangaan. (p)

Indicator 1.1.3

De student kan veel voorkomende chemische bindingen onderscheiden (covalent, polair covalent, ion, Vanderwaals) en moleculaire interacties (H-bruggen, dipool, geladen deeltjes, hydrofobe interacties). (p)

Indicator 1.1.4

De student kan de opbouw in molecuulformules weergeven en de functie benoemen van in de biologie veel voorkomende eenvoudige moleculen en ionen, zoals O₂, H₂O, CO₂, CH₄, H⁺, K⁺, Na⁺, NH₄⁺, Ca²⁺, Fe²⁺, Cl^-, NO₂^-, NO₃^- en PO₄^3-. (p)

Indicator 1.1.5

De student kan de betekenis van zuren, basen en buffers in biologische systemen benoemen. (p)

Indicator 1.1.6

De student kan de rol van diffusie gebruiken om te verklaren hoe transport van stoffen in het organisme plaatsvindt. (p)

Indicator 1.1.7

De student kan de rol van osmose gebruiken om te verklaren hoe de verplaatsing van water in een organisme plaatsvindt. (p)

Indicator 1.1.8

De student kan in een reactieketen de overdracht van elektronen weergeven met behulp van een redoxvergelijking, en daarbij begrippen hanteren als gereduceerd, geoxideerd, oxidatie en reductie, reducerend vermogen en oxidatiemiddel. (v)

Indicator 1.1.9

De student kan inzicht tonen in de factoren waarvan de diffusiesnelheid afhankelijk is (wet van Fick) en toelichten dat dit heeft geleid tot een groot scala aan oppervlaktevergrotende aanpassingen en aanpassingen met betrekking tot het handhaven van concentratieverschillen. (p)

Didactische aanwijzingen

• Bouwen van diverse molecuulmodellen met behulp van bouwdozen.

• Uitvoeren en binnen een les ‘arrangeren’ van demonstraties en eenvoudige practica die diffusie zichtbaar maken voor leerlingen.

• Voorspellen hoe de morfologie van een cel (bijvoorbeeld van een rode ui) verandert nadat deze gelegd is in een zoutoplossing met een hoge of lage concentratie.

• Ervaren van osmose door middel van een spel, bijvoorbeeld ‘osmo-gooien’.

• Tekenen van een stripverhaal van de elektronentransportketen.

Omschrijving

De drie macromoleculen waaruit alle organismen zijn opgebouwd, zijn polysachariden, eiwitten en nucleïnezuren. Daarnaast zijn vetten van groot belang. Assimilatie en dissimilatie van deze moleculen vinden voortdurend plaats. Nucleïnezuren zijn tevens dragers van de erfelijke informatie.

Indicatoren

Indicator 1.2.1

De student kan op basis van hun structuurformule de drie typen macromoleculen (polysachariden, eiwitten en nucleïnezuren) en vetten herkennen en beschrijven. (p)

Indicator 1.2.2

De student kan in reactievergelijkingen en met behulp van structuurformules de opbouw en afbraak van macromoleculen en vetten in condensatie- en hydrolysereacties beschrijven. (p)

Indicator 1.2.3

De student kan diverse polysachariden vergelijken en de verschillen in samenstelling en structuur benoemen. (p)

Indicator 1.2.4

De student kan de bouw en functie van cholesterol, onverzadigde-, verzadigde- en transvetten in bijvoorbeeld het celmembraan benoemen en de relatie leggen tussen de vetzuursamenstelling van oliën, vetten en gezondheid. (p)

Indicator 1.2.5

De student kan het verschil tussen de primaire, secundaire, tertiaire en quaternaire structuur van eiwitten benoemen en daaraan gekoppeld de structuur van een eiwit relateren aan zijn functie. (p)

Indicator 1.2.6

De student kan de verschillen benoemen tussen de fosfolipiden in de membranen van Archaea (etherverbindingen) en Bacteria en Eukarya (esterverbindingen) en inzicht tonen in hoe dit gegeven gebruikt kan worden om de samenstelling van een microbioom te bepalen. (v)

Didactische aanwijzingen

• De verschillen vergelijken en benoemen in de samenstelling en structuur van polysachariden zoals glycogeen, cellulose, amylose, pectine en chitine.

• Nabouwen van macromoleculen met bouwmateriaal zoals lego of aminozuur, nucleotide en suikerbouwstenen.

• Online games: de game ‘fold-it’ spelen en zo het vouwen van eiwitten leren begrijpen (zie https://fold.it/portal/).

• Bestuderen van de bouw en reacties van de verschillende macromoleculen.

Omschrijving

Watson en Crick beschreven in 1953 de structuur van DNA. In de decennia daarna zijn DNA en RNA centraal komen te staan in de biologie. Met name het onderzoek van DNA en de daaraan gekoppelde toepassingen en de discussies over die toepassingen spelen een prominente rol in leefwereld, beroepswereld en onderzoekcontexten. Drie aspecten zijn van belang: DNA en RNA coderen via transcriptie en translatie voor de polypeptiden waaruit eiwitten worden gevormd, DNA wordt gerepliceerd in de cel(kern), en DNA wordt tijdens celdeling en reproductie van cel naar cel overgebracht. Op deze manier wordt informatie binnen biologische systemen doorgegeven.

Indicatoren

Indicator 1.3.1

De student kan DNA en RNA vergelijken en de verschillen in bouw en functie van deze macromoleculen benoemen. (p)

Indicator 1.3.2

De student kan benoemen dat het DNA met nucleosomen en verschillende andere eiwitten chromatine vormt. (p)

Indicator 1.3.3

De student kan benoemen dat diploïde organismen voor elk gen twee allelen bezitten die hetzelfde kunnen zijn maar ook van elkaar kunnen verschillen en dat deze eigenschap effect kan hebben op het fenotype. (p)

Indicator 1.3.4

De student kan verschillende typen RNA (mRNA, tRNA en rRNA) met verschillende functies benoemen. (p)

Indicator 1.3.5

De student kan het centrale dogma van de moleculaire biologie (Crick, 1970 ) dat stelt dat informatie overgedragen kan worden van nucleïnezuren (DNA en RNA) naar eiwitten, maar niet andersom, benoemen voor prokaryoten en eukaryoten en daarbij de begrippen transcriptie, initiatie, elongatie, terminatie, splicing, intron, exon, mRNA, translatie, ribosoom en polypeptide gebruiken. (p)

Indicator 1.3.6

De student kan verklaren wat het effect op het DNA en op de uiteindelijk gevormde polypeptiden is van mutaties zoals substituties, inversies, inserties en deleties. (p)

Indicator 1.3.7

De student kan benoemen dat naast de drie bekende typen RNA (zoals genoemd in 1.3.4.) een groeiende verscheidenheid aan typen RNA wordt beschreven met vooral een regulerende functie. (v)

Indicator 1.3.8

De student kan uiteenzetten hoe de moleculaire processen, waarbij een DNA-molecuul wordt gekopieerd of gerepareerd, werken en welke eiwitten en enzymen daarbij betrokken zijn. (p)

Indicator 1.3.9

De student kan uitleggen op welke vlakken transcriptie en translatie verschillen tussen pro- en eukaryoten. (v)

Indicator 1.3.10

De student kan verklaren hoe de expressie van genen wordt gereguleerd, bijvoorbeeld door transcriptiefactoren, en dat een verstoorde regulatie kan leiden tot diverse gezondheidsproblemen waaronder ook het ontstaan van kanker. (v)

Indicator 1.3.11

De student kan uitleggen dat de ‘epigenetica’ bestudeert hoe informatie, anders dan de genetische code zoals methylering en factoren die op het chromosoom liggen, een rol spelen bij het wel of niet tot expressie komen van genen. (v)

Indicator 1.3.12

De student kan uitleggen wat de relatie is tussen gecontroleerde genexpressie en differentiatie in meercellige organismen. (v)

Indicator 1.3.13

De student kan inzicht tonen in genomics: het brede spectrum van onderzoekstechnieken die gebruikt worden om inzicht te krijgen in de opbouw en de werking van het erfelijk materiaal van planten, dieren en micro-organismen. (v)

Didactische aanwijzingen

• Opdrachten ontwerpen en uitvoeren waarbij door middel van het aflezen van een code van DNA een antwoord wordt gegeven op een vraag, bijvoorbeeld bij het opsporen van daders van een misdrijf in forensisch onderzoek.

• Kralenkettingen waarbij elke kraal overeenkomt met een aminozuur vertalen naar mRNA en DNA en andersom vanuit DNA een bijpassende ketting rijgen.

• Een bio-informaticapracticum uitvoeren waarin een vergelijking gemaakt wordt tussen verschillende aminozuursequenties.

• De game ‘eterna’ gaat over het vouwen van RNA (zie http://www.eternagame.org/web/).

• Het boekje ‘Genetica in beweging’ (Domis-Hoos, Kapteijn en Boerwinkel, 2012) bevat een breed scala aan didactische opdrachten die van betekenis kunnen zijn in dit subdomein (zie ook www.nvon.nl/genetica).

• Uitleggen van translatie met behulp van een zelfgemaakte film.

• Een practicum PCR en gel-elektroforese uitvoeren.

• Een bezoek brengen aan, of laten brengen door, een reizend DNA-lab.

• Bezoek van/aan een veredelingsfirma, ingebed in een lessenserie over een beroepscontext van een analist in een dergelijk bedrijf.

• Inventarisatie van toepassingen van DNA-technologie in diverse sectoren, bijvoorbeeld gezondheidszorg, landbouw en voedselproductie waarbij bij deze laatste voorbeelden ook ingegaan wordt op de overeenkomsten en verschillen in de klassieke en moderne biotechnologie.

Omschrijving

Hoewel DNA de informatiedrager is, zijn het uiteindelijk de eiwitten die de belangrijkste functies in een levende cel en dus ook in een organisme vervullen. Eiwitten regelen gezamenlijk vrijwel alle processen in levende cellen. De meeste eiwitten, bijvoorbeeld enzymen, hebben specifieke bindingspartners. Maar ubiquitine bijvoorbeeld, dat betrokken is bij de afbraak van eiwitten, heeft een universele functie. Sinds 2004 is proteogenomics waarbij proteomics gecombineerd wordt met genomics een belangrijk onderzoeksthema.

Indicatoren

Indicator 1.4.1

De student kan de primaire structuur van een (deel van) een eiwit afleiden uit een gegeven nucleotidenvolgorde. (p)

Indicator 1.4.2

De student kan eiwitten als enzymen, receptoren, pigmenten, transporteiwitten, antilichamen en hormonen onderscheiden op basis van hun functie en het type interactie dat ze aangaan in een organisme. (p)

Indicator 1.4.3

De student kan inzicht tonen in hoe een structurele mutatie in het DNA kan leiden tot gewijzigde eiwitten die de veroorzaker kunnen zijn van bepaalde erfelijke aandoeningen (bijvoorbeeld taaislijmziekte). (p)

Indicator 1.4.4

De student kan de belangrijkste functies van eiwitten benoemen: (p)

• katalyseren van chemische reacties (enzymen);

• overbrengen van signalen van de buiten- naar de binnenkant van de cel of zelfs de celkern (hormoon-receptor complexen);

• zorgen voor structuur en beweging van cellen;

• transporteren van ionen en moleculen;

• zorgen voor osmotische waarde in weefsels;

• zorgen voor gereguleerde afbraak van eiwitten via het ubiquitineproteasoom systeem;

• zorgen voor correcte vouwing van eiwitten (als chaperone-eiwitten);

• mediëren van zowel aspecifieke als specifieke immuunreacties;

• reguleren van genexpressie (transcriptie factoren);

• reguleren van geprogrammeerde celdood.

Indicator 1.4.5

De student kan zich oriënteren op moleculair biologische en biotechnologische technieken waarbij de vorming van eiwitten wordt gestimuleerd of geremd door aanpassingen aan het DNA door bijvoorbeeld ‘knock-out’- of ‘knock-in’-technieken en zich een mening vormen over wenselijkheid en toelaatbaarheid van dergelijke toepassingen. (v)

Indicator 1.4.6

De student kan benoemen dat bepaalde eiwitten en RNA-moleculen de genexpressie reguleren door zich aan het DNA te binden en dat dit ook van belang is in de epigenetica. (p)

Indicator 1.4.7

De student kan benoemen hoe polypeptides in chaperonne-eiwitten (HSP’s) hun uiteindelijke vorm krijgen en dat proteasomen een rol spelen bij de afbraak van verkeerd gevouwen eiwitten waarbij ubiquitine een belangrijke rol speelt. (v)

Didactische aanwijzingen

• Een kralenketting van aminozuren maken op grond van een gegeven DNA-sequentie.

• Bepalen van de aminozuurvolgorde die gemaakt kan worden uit een gegeven basenvolgorde met behulp van een codontabel waarbij aangeven wordt wat het effect kan zijn van deleties, inserties, inversies en substituties.

• Spelen van de game ‘fold-it’ en zo het vouwen van eiwitten leren begrijpen (https://fold.it/portal/).

• Journal-club: In PubMed of Google Scholar een recent artikel over eiwitfuncties zoeken, dit lezen en analyseren en vervolgens uitleggen aan studiegenoten.