Aarhus University Seal / Aarhus Universitets segl


Forløbsbeskrivelse: Cellemembran

Introduktion

Formålet med forløbet er trefold:

  • Generelt at introducere de studerende til udvalgte elementer af computational thinking: abstraktion, modellering og algoritmer (sekvens, iteration og selektion).
  • Generelt at arbejde med et centralt emne i bioteknologi/biologi/kemi vha. en computationel thinking (CT) indgangsvinkel. Her er cellebiologi oplagt. I cellebiologi arbejdes der bl.a. med at identificere og analysere forskellige typer af transportformer af stoffer over cellemembranen. Der er identificeret over 300 forskellige transportformer, men i cellebiologiundervisningen fokuseres der typisk på tre til fire typer. Simuleringen præsenterer to af disse typer henholdsvis passiv diffusion ved osmose (vandmolekyler) og passiv diffusion vha en ligandstyret ionkanal (transportprotein til natriumioner).
  • Konkret - som eksemplifikation af kombinationen af de to ovenstående formål - at lade de studerende arbejde med en simpel repræsentation af transportformerne over cellemembranen og derved bruge, ændre i og tilføje elementer til simuleringen. 

Forløbet strækker sig i alt over 75 minutter. Ekstra tid skal påregnes til evt. introduktion mm.

De studerende arbejder med deres egne computere, hvorfor det forudsættes, at de kan installere NetLogo software på denne.

Der er ingen faglige forudsætninger indenfor hverken bioteknologi/biologi eller CT.

I løbet af forløbet bliver de studerende bedt om at løse specifikke opgaver i NetLogo og om at gemme deres modeller som filer. Desuden bliver eleverne bedt om at udfylde et arbejdsark med besvarelser på arbejdsopgaver der stilles undervejs i forløbet.

Beskrivelse af forløbet

Dette forløb kan afholdes selvstændigt, men kan også bruges som optakt til, eller perspektivering af, et forløb om nervesystemet. Dette forløb kan også være optakt til et forløb om udvikling af lægemidler, hvor transporten over cellemembranen er af stor betydning.

Introduktion:

Start med en generel introduktion til transportprocesser over cellemembranen (f.eks udfra en lærebog eller evt. ved at anvende Khan Academy eller TedEd) F.eks: KhanAcademy Transport across a cell membrane

Herunder listes nogle gode eksempler som kan bruges enkeltvis eller flere sammen i en indledende introduktion og som illustrerer påvirkninger af transporten over membranen. Disse kan bruges som udgangspunkt for et gruppearbejde, hvor eleverne skal finde information om de forskellige giftstoffer, og deres påvirkning af nervecellemembrantransporten. Dernæst kan eleverne arbejde med at fremstille en model over cellemembranen og transportprocesserne over denne. Evt. kan eleverne inkludere fejl i transporten, som følge af nogle af de giftstoffer nedenstående eksempler præsenterer.

Besvimende geder:

Brug evt. disse link til illustration og forklaring af fænomenet "besvimende geder" (Myotonia congenital), hvilket er en beskadigelse af nervecellemembranens clorid-ionkanalerne, som giver krampe i muskelcellerne.

Som intro : You tube (National Geographic): National Geographic Dernæst evt. Illustreret videnskab: Besvimende geder og You tube (Science channel): Science Channel

James Bond 007:

Casino Royale, hvor 007 bliver forgiftet med Digitalis gift, som hæmmer Na+/K+ ATPasen (Natrium/Kalium-pumpen).

klip fra Casino Royale alternativt klip: klip fra Casino Royale Brug dette link til forklaring af giften: Science Direct God figure af Na+/K+-ATPase (vender som i NetLogo simuleringen): Na+/K+-ATPase:

Bullet Ants:

Bullet ants producerer en nervegift, poneratoxin, i deres bagdel som de kan påvirke nerveceller med, ved at stikke en modstander. Denne video beskriver et ritual hos Amazon indianere, hvori unge mænd, som del af en manddomsprøve, skal stikkes af disse myrer. Giften påvirker natriumion-kanalerne ved at blokerer dem og forlænger aktionspotentialet i visse muskelceller. Toxinet består af 25 aminosyrer og har været foreslået som et potentielt smerte lindrende lægemiddel. Brug evt. denne video som introduktion: National Geographic

Keglesnegle:

Conussnegle lever primært i subtropiske eller tropiske farvande. Sneglene producerer peptidtoksiner som påvirker flere ionkanaler i nervecellers cellemembran. Brug denne video som introduktion (brug kun fra min.: 3.50 - slut) Cone Snail Toxin og nervesystemet

(Dansk Kemi): Dansk Kemi om giftstofferne i keglesnegle Brug også gerne denne artikel om “Giftsnegle som medicinskabe”: Aktuel Naturvidenskab no.2, 2014

Forslag til elevspørgsmål

Download af og introduktion til NetLogo som program (tre faneblade, settings, speed, check…), samt af simulationen (setup, go, go once).

Introduktion til og "fri leg" med simulering ( i grupper a' 2 personer) med følgende fokus:

Beskriv for hinanden hvad der sker i simuleringen. Beskriv også om der er noget i simuleringen, som ikke passer med teorien om cellemembraner. Notér dette i et dokument (med jeres gruppenavn i filnavnet)/ på papir.

Dernæst kan eleverne selv arbejde med følgende arbejdsspørgsmål:

Opgave 1: Lav flere vandmolekyler, og observer hvornår der opnås ligevægt over membranen. Lav færre vandmolekyler, og observer hvornår der opnås ligevægt over membranen.

Spørgsmål 1a: Er der forskel på hvornår ligevægten opnås alt efter, hvor mange vandmolekyler der er i simuleringen? Hvorfor/hvorfor ikke? Skriv jeres svar i dokumentet fra før.

Spørgsmål 1b: Hvorfor er vandmolekylerne trekantede? Begrund jeres svar med faglige begreber. Skriv jeres svar i dokumentet fra før.

Opgave 2: Sæt mængden af transportproteiner til det maximale. Tryk på "Setup" og dernæst på "Go" og observer, hvor lang tid (ticks) der går før alle natriumionerne er transporteret ind i cellen (internal area). Gentag dette mindst 10 gange og vurdér gennemsnitstiden.

Spørgsmål 2: Hvis du halverer antallet af transportproteiner i simuleringen, hvor lang tid (ticks) tror du så der vil gå, før vandmolekylerne opnår ligevægt?

Prøv at udføre "forsøget" med simuleringen. Gentag forsøget mindst 10 gange. Hvor lang tid (ticks) tog det før alle natriumionerne var transporteret ind i cellen når der var halvt så mange transportmolekyler? (Vurdér ud fra et gennemsnit af de 10 gange)

Opgave 3: Observér natriumionerne både i "Interface" og i procedurerne i "Code". Lav dernæst kaliumioner i simuleringen ved at tilføje dem i koden. Tænk grundigt over hvilken farve, form og placering i simuleringen de skal have. Overvej også hvor mange der skal være i forhold til antallet af natriumioner.

Når I er færdige med at lave kaliumioner, skal I gemme jeres arbejde i en NetLogo-fil der hedder 1X.nlogo, hvor X er jeres gruppenavn. Send derefter filen til hold-konferencen.

Vælg en anden fil end jeres egen fra hold-konferencen. Åbn den i NetLogo.

Spørgsmål 3: Hvorfor tror I at (den anden) gruppe valgte netop denne form, farve og placering til repræsentation af kaliumionerne? Skriv jeres svar ned i dokumentet som I har brugt tidligere.

Opgave 4: Sæt slideren "speed" til "slower". Tryk derefter på "Go" og observér hvad der sker i simuleringen. Hold øje med "Plot" funktionen og beskriv for hinanden hvad der sker.

Spørgsmål 4: Hvilken af de to elementer: vandmolekyler eller natriumioner når en ligevægtstilstand først? Hvorfor? Skriv jeres svar i dokumentet fra tidligere. Notér også andre observationer i dokumentet.

Opgave 5: Tryk på "Go-Once" knappen og observér, hvad der sker i simuleringen.

Spørgsmål 5: Hvad er funktionen af "Go-Once" knappen og hvorfor er denne knap mon tilføjet i simuleringen? Skriv jeres svar i dokumentet fra tidligere.

Opgave 6: Sammenhold den model som I lavede af transportprocesser over cellemembranen med modellen i denne simulering. Hvilke ligheder og afvigelser er der?

Spørgsmål 6: Hvis I skulle ændre i simuleringen, så den bedre repræsenterer fænomenerne introduceret i begyndelsen af dette forløb (de besvimende geder, 007's hjertestop og myrernes stik), hvilke elementer skulle så tilføjes? Hvordan skulle disse se ud, og hvordan skulle de opføre sig? Når simuleringen kørte over tid, hvad skulle der så helst ske? Skriv jeres svar i dokumentet fra tidligere.

 

Netlogo introduktion

Eleverne skal starte med at downloade Netlogo og derefter se nedenstående to videoer. Netlogo kan hentes her: http://ccl.northwestern.edu/netlogo/

Introduktion til Netlogo

Introduktion til model interfacet

Link til netlogo model, introduktionsvideo og løsningsvideo

Netlogo modellen kan hentes her:

Cellemembran Model

Introduktionsvideo

Løsningsvideo 

Relevant fagligt materiale

F.eks.

Fysiologibogen, 2011, 2.udg., Bodil Blem Bidstrup, Søren Mortensen, Svend Erik Nielsen, Inge Marie Rasmussen, Nucleus

Biologi i fokus, 2013, 2. udg., Bodil Blem Bidstrup, Kirsten Hede, Paul Paludan-Müller, Kristine Raae, Nucleus

Biologi til tiden, 2005, 2.udg., Lone Als Egebo, Paul Paludan-Müller, Kresten Cæsar Torp, Steen Ussing, Nucleus