Tuntisuunnitelma 9 luokkalaisille Tekijät: Jarkko Huusko & Ville-Pekka Kääriäinen Proteiinit historiallista opetustapaa hyödyntäen NOS-teemat: Tieteellinen tutkimusprosessi NOS-teeman voi halutessaan vaihtaa muokkaamalla proteiinien historiaa koskevan tarinan (liite 2) huomiolaatikoita ja kysymyksiä. Tarinaan voi myös palata keskustelemalla ja esitellä siitä jonkin muun NOS-teeman, esimerkiksi käsitteen muutosprosessi tai tieteen epävarmuus. Ajankäyttösuunnitelma 75min oppitunti 0-5min. Tunnin aloitus ja aiheen esittely. 5-20min. Kokeellinen työ Onks täs protskuu? (liite 1) opettajan ohjaamana demonstraationa. 20-35min. Proteiinien teoria. 35-60min. Tarina proteiinien historiasta ja siihen liittyvät tehtävät. 60-65min. Pariporina tarinan tehtävästä 3. 65-75min. Tarinan tehtävien läpikäynti yhteisesti. 2 x 45min oppitunnit 0-5 min. Tunnin aloitus ja aiheen esittely. 5-35 min. Oppilastyönä kokeellinen työ Onks täs protskuu? (liite 1). 35-45 min. Proteiinien teoria. ------------- 45-50 min. Proteiinien teoria loppuun tai kertaus. 50-75 min. Tarina proteiinien historiasta ja siihen liittyvät tehtävät. 75-80 min. pariporina tarinan tehtävästä 3. 80-90 min. tarinan tehtävien läpikäynti yhteisesti.
Kokeellinen työ Suoritus demonstraationa: Opettaja voi suorittaa demonstraation parhaaksi katsomallaan tavalla. Oppilaiden tulee kuitenkin tehdä oma hypoteesinsa, mitkä ruoka-aineet sisältävät proteiinia. Suoritus oppilastyönä: Ensin virittäytyminen pohtimalla, mitä yhteistä on valkuaisaineilla ja proteiineilla. Ovatko oppilaat törmänneet jossain niihin? Ei kerrota tai pyydetä vastauksia missä proteiineja on. Työn ohjeistus näyttämällä ja selittämällä, miten työ suoritetaan. Lopuksi käydään yhdessä läpi havainnot ja todetaan, mitkä ruoka aineet sisälsivät proteiinia. Missä muualla oppilaat tietävät olevan proteiinia. Teoria Opettaja esittää hyväksi valitsemallaan tavalla proteiineihin liittyvän yleisen teorian. Historiallinen tarina proteiineista Oppilaat lukevat tarinan ja tekevät tehtävät itsenäisesti. Tehtävien jälkeen pariporina, jolloin opettaja voi kuulla oppilaiden mietteitä ja auttaa tarvittaessa sisäistämään tieteellistä prosessia paremmin. Tehtävien tarkistus yhdessä.
Liite 1 Onks täs protskuu?? Proteiinien kemiaa Suojavälineet Laboratoriotakki ja suojalasit. Reagenssit noin 10% natriumhydroksidiliuos (NaOH) laimea kuparisulfaattiliuos (CuSO 4 ) ruoka-aineet: kananmuna, vehnäjauho, jauheliha ja sokeri Tarvikkeet koeputkia keitinlasi 400ml vesihauteeseen kuumennusvälineet keittolevy tussi tai muu järjestely, jotta tunnistaa koeputkien sisällön pipetti Työohje Valkuaisaineen eli proteiinin osoittaminen Vastaa Kysymyksiin: Hypoteesi: Missä ruoka-aineissa on proteiinia? Kopioi alla oleva taulukko vihkoosi havaintojen ja tulosten kirjaamista varten. ruoka-aine havainnot valkuaisainetta kyllä/ei? kananmuna sokeri jauheliha vehnäjauho Merkitse tussilla tyhjät koeputket. Lisää kaikkiin koeputkiin noin 2ml eli noin 2cm koeputken pohjalle kuparisulfaattiliuosta. Lisää kuparisulfaattiliuoksen päälle pisaroittain natriumhydroksidiliuosta sekoittaen välillä, kunnes turkoosin liuoksen väri muuttuu siniseksi. Lisää lusikan kärjellinen kaikkia tutkittavia aineita omiin koeputkiinsa. Lämmitä koeputkia vesihauteessa. Muista tarkkailla koeputkia lämmön noustessa ja kirjaa havainnot taulukkoon. Mikäli tutkittava aine sisältää proteiinia liuoksen väri muuttuu. Työn jälkeen Toimiko tekemäsi hypoteesi? Mitä voit havaintojen perusteella päätellä?
Liite 2 Proteiinien historia Ihmisen kuivapainosta noin 50 % on proteiinia, josta suurin osa toimii entsyyminä. Entsyymit ovat elimistön robotteja, jotka ovat mukana lukuisissa elimistön tehtävissä aina ruuansulatuksesta hengitykseen. Ihmiset kuten muutkin elävät olennot koostuvat soluista, jotka ovat käytännössä solukalvolla ympäröityjä entysyymilaukkuja. Proteiinit ovat siis elintärkeitä ja mukana kaikissa ihmisen toiminnoissa. Proteiinit ovat monimutkaisia yhdisteitä ja niiden tutkiminen on selittänyt paljon siitä, mitä tiedämme eläimistä ja kasveista. Mutta miten kaikki tämä on saatu selville? Itse asiassa suurin osa edellä mainitusta tiedosta on saavutettu vasta viimeisen sadan vuoden aikana. Tieteen historiassa usein kuvataan tieteen kehitystä nopeana prosessina, jossa yksi suurmies on keksinyt kaiken kerralla, vaikka todellisuudessa tiede kehittyy pitkällä aikavälillä ja monen henkilön kautta. Kiinnitä tekstiä lukiessasi huomiota siihen, miten tieto proteiinin käsitteestä on muodostunut. Ennen kun proteiinit tunnistetaan omaksi yhdistetyypiksi Jo muinaiset egyptiläiset ja antiikin kreikkalaiset filosofit päättelivät, että kaikessa elävässä täytyy olla jokin erikoinen voima visvitalis, mikä ylläpitää elämää. Tätä ajatusmallia kutsutaan vitalismiksi ja se oli voimassa aina 1800-luvulle saakka ja pitkään uskottiinkin, ettei tiede edes pysty selittämään, miten elävät olennot tulevat toimeen. Aluksi kasvien ei tiedostettu elävän samalla lailla kuin eläinten. Niinpä luultiin, että elämä siirtyi pelkästään liharuuan mukana ja syöty liha siirtyi osaksi lihansyöjän omaa elävää kehoa. Tämän ajatusmallin heikkous oli kuitenkin se, kuinka kasvisyöjät tulevat toimeen syömällä pelkkää kasvisravintoa. Täten kasvikuntakin täytyi liittää osaksi vitalismia, vaikka kasvien ja eläinten samankaltaisuutta ja niiden välistä kiertokulkua ei aluksi ymmärretty kokonaan. Siksi olikin merkittävä löytö, kun vuonna 1728 Jacopo Beccari eristää vehnäjauhosta samankaltaisen yhdisteen, mitä oli aiemmin löydetty eläinten lihasta. Tämän yhdisteen löytyminen avarsi tutkijoille hieman mysteeriä, mitä yhteistä kasvikunnan ja eläinkunnan välillä on. Proteiinien historiaan liittyy vahvasti muun modernin kemian kehitys. Mitään niin monimutkaista kuin proteiini ei pystytty tutkimaan ennen kuin oli selvitetty kemian perusteet, jotka tuntuvat tänä
päivänä itsestäänselvyyksinä. 1800-luvun vaihteessa syntynyt moderni kemia selitti meille muun muassa, että kaikki koostuu pienistä rakennusosista, joita kutsutaan atomeiksi. Atomit muodostavat monen atomin yhdisteitä kiinnytymmällä toisiinsa sidoksilla. Yhdisteet jaettiin ominaisuuksiensa perusteella kahteen ryhmään, orgaanisen ja epäorgaanisen kemian yhdisteisiin. Tämä jako on voimassa vielä nykyäänkin. Orgaaninen kemia on hiiliyhdisteiden kemiaa, johon sisältyvät kaikki elollisen luonnon yhdisteet. Epäorgaanisiin yhdisteisiin taas kuuluvat elottomat yhdisteet kuten mineraalit ja metallit. Tieteiden kehitykselle on tyypillistä, että tieteen yleinen kehitys vaikuttaa yksittäisiin tutkimuksiin. Voit kuvitella, että on vaikea esimerkiksi keksiä Internetiä jos ei ole vielä keksitty tietokoneita. 1700-luvulla eläimistä ja kasveista oli jo eristetty yhdisteitä kuten munan valkuainen, veriplasma ja vehnän gluteeni, jotka nykyään tiedämme proteiineiksi. Niitä ei kuitenkaan vielä yleisesti kutsuttu proteiineiksi vaan ne oli jaettu moneen eri ryhmään. Näiden ryhmien välistä samankaltaisuutta tutkittaessa ensimmäisiin havaintoihin liittyi se, että ne hyytyivät kuumennettaessa (denaturoituminen) ja niissä oli typpeä. Se että ne sisälsivät typpeä, oli mysteeri, sillä muissa ravintoaineissa eli hiilihydraateissa ja rasvoissa ei ollut typpeä.typen luultiinkin olevan ratkaisun avain siihen, miten eläin voi kasvattaa lihasta kasvisravinnolla. Syntyi teoria, jonka mukaan eläinten ruuansulatus lisäsi kasvisravintoon typpeä, jolloin se muuttui eläimen lihaksi. Tämä teoria kuitenkin pian kumottiin. Huomaa, kuinka mielikuvituksellisia teorioita on ollut olemassa ennen, kuin asioista on saatu kattavammin tietoa. Tieteeseen kuulukin, että tutkijat tarvitsevat luovuutta osatakseen ajatella uudella tavalla ja kehittäessään vanhoja käsityksiä. Proteiinien tunnistus yhdeksi yhdistetyypiksi ja nimeäminen Modernin kemian kehitys vei proteiinien tutkimusta eteenpäin ja mahdollisti sen, että proteiinit pystyttiin luokittelemaan omaksi yhdistetyypikseen. Luokittelu ja nimeäminen tapahtuivat hollantilaisen Gerardus Johannes Mulderin ja ruotsalaisen Jöns Jacob Berzeliuksen yhteistyönä 1830-luvulla.
Jöns Jacob Berzelius (1779 1848) Berzelius oli ruotsalainen kemisti, joka tunnetaan yhtenä modernin kemian isänä. Hän muun muassa oli ensimmäisten joukossa kannattamassa jakoa orgaanisen ja epäorgaanisen kemian välillä ja löysi viisi alkuainetta (litium, pii, seleeni, torium ja cerium). Berzeliuksen ura alkoi lääketieteen opinnoilla, mutta hän oli koko ajan kiinnostunut myös kemiasta. Berzelius kärsi pitkään taloudellisista vaikeuksista, koska tutkimuksien rahoittaminen lääkärin ammatilla ei ollut tuohon aikaan kannattavaa ja tiedettä ei rahoitettu samalla tavalla kuin nykyään. Berzeliuksen ura lähti nousukiitoon 1810-luvulla, kun hän pääsi mukaan Ruotsin tiedeakatemiaan ja nousi pian sen johtajaksi. Berzelius on tunnettu siitä, että hän oli aktiivisessa kirjeenvaihdossa muiden kemistien kanssa. 1800-luvun alussa matkanteko oli hankalaa, joten tiedeyhteisö kommunikoi pääasiassa kirjeenvaihdolla. Gerardus Johannes Mulder (1802 1880) Mulder oli yli kaksikymmentä vuotta kollegaansaberzeliusta nuorempi, mutta hänen urakehityksensä oli samanlainen. Mulder syntyi vuonna 1802 Hollannin Utrechtista. Hänen isänsä oli kirurgi ja hän innostui sitä kautta urasta lääketieteen parissa. Koulutuksen aikana Mulder kuitenkin innostui kemiasta ja varsinkin sen orgaanisesta haarasta.mulder sai jo nuorena viranyliopistosta ja ei kärsinyt taloudellisista vaikeuksista kuten Berzelius.
Mulder ja Berzelius olivat koulutukseltaan lääkäreitä, mutta ajautuivat silti tutkimaan kemiaa. Tieteen tekeminen on usein hyvin poikkitieteellistä, joten tutkijat tarvitsevat tietoa monelta eri alalta. Kuten tarinasta käy ilmi, proteiinit ovat tutkimuskohteena hyvin poikkitieteellisiä ja niiden tutkimiseen tarvitaan kemian tiedon lisäksi muun muassa biologiaa. 1830-luku oli proteiinien historian tärkein vuosikymmen. Berzeliuksen kannustamana Mulder ryhtyi tutkimaan aiemmin löydettyjä eläin- ja kasviperäisiä yhdisteryhmiä joiden välillä uskottiin olevan yhteys. Mulderin piti aluksi tutkia vain yhdisteiden typpipitoisuuksia, mutta törmäsi tutkimuksissaan mielenkiintoiseen huomioon. Hän huomasi, että eri lähteistä olevat eläin- ja kasviyhdisteet muistuttivat rakenteellisesti lähes tismalleen toisiaan. Tätä ei ollut voitu tutkia aikaisemmin, koska ei ollut olemassa sopivaa kokeellista tutkimusmenetelmää yhdisteiden rakenteiden selvittämiseksi. Berzelius innostui Mulderin löydöksistä ja yhdisteet nimettiin proteiiniksi. Proteiini tulee kreikan kielen sanasta proteios, joka tarkoittaa ensisijaista tai elintärkeää, mikä tulikin kuvaamaan hyvin niiden tärkeyttä, sillä ne avasivat olennaisesti ihmisten käsitystä elollisesta luonnosta. Yleensä kuvitellaan tutkijan toimivan yksin kammiossaan, jossa hänen päähänsä ajatellaan syttyvän hehkulamppu, kun hän yhtäkkiä keksii jotain. Todellisuudessa tutkijat tietävät usein mitä tutkimuksillaan hakevat ja toimivat yhteistyössä muiden tutkijoiden kanssa. Elämän mysteeri tuntui siis selvinneen ja luultiin, että koko luonnossa on olemassa vain yksi kasvien valmistama proteiini. Tämän teorian mukaan kasvien tekemä proteiini siirtyy aluksi kasvisyöjiin ja sitä kautta myös lihansyöjiin lihan muodossa. Ilo siitä, että oli löydetty yksi elämän eliksiiri, oli kuitenkin lyhytikäinen, sillä pian huomattiin, että kaikilla eläin- ja kasvilajeilla onkin omat proteiininsa. Yhdestä elämän eliksiiristä siirryttiin pian käsitykseen, että proteiineja oli olemassa rajaton määrä ja mysteerinä pysyi yhä se, miten eläimet ja kasvit muodostivat juuri sellaisia proteiineja, joita ne tarvitsivat. Huomaa kuinka tieteellinen tieto on kehittynyt siten, että väärät hypoteesit ovat olleet voimassa kunnes ne on todistettu vääriksi. Jopa kuuluisat ja merkittävät tutkijat ovat tehneet aluksi vääriä päätelmiä, mitkä ovat vain unohtuneet historian saatossa, kun ne on todettu vääriksi.
Proteiinien pitkä historia Vaikka proteiinit pystyttiin toteamaan omaksi samankaltaiseksi yhdisteryhmäksi vuonna 1834, pysyi niiden rakenne mysteerinä vielä yli 100 vuotta. Berzelius ja Mulderin tutkimukset paljastivat, että proteiinit koostuvat aminohapoista, jotka muodostavat pitkän ketjun. Tutkijoiden ensimmäinen tehtävä oli löytää kaikki mahdolliset aminohapot. Jälleen proteiinitutkimusten kehitys seurasi modernin kemian yleistä kehitystä. Ilman tiettyjä perustietoja ja työskentelytapoja ei voitu erottaa ja tunnistaa aminohappoja. Kaikki 20 aminohappoa löydettiin vasta 1900-luvun Sanger (s. 1918) alkuun mennessä ja niistä kahdeksan todettiin olevan ihmiselle välttämättömiä. Kun aminohapot oli löydetty, ongelmaksi muodostui se, miten aminohapot muodostavat ketjun ja missä järjestyksessä aminohapot ovat eri proteiineissa. Teoria tälle luotiin 1900-luvun alussa, mutta vasta toisen maailmansodan jälkeen 1950-luvulla kemisti Frederick Sanger selvitti aminohappojen väliset sidosrakenteet ja tavan miten selvitetään missä järjestyksessä ne ovat eri proteiineissa. Sanger sai tutkimuksistaan Nobelin palkinnon vuonna 1958. Hän oli myös mukana 30-vuotisessa työssä, jossa selvitettiin miten elimistö osaa itse tehdä monimutkaiset proteiinit. Tutkimuksissa selvisi, että soluissa oleva DNA on eräänlainen muisti, joka määrää miten proteiinit muodostuvat. DNA tutkimuksista Sanger sai toisen Nobelin palkinnon ja on yksi harvoista, jotka ovat saaneet sen kahdesti. DNA:n avulla elämän viimeiset mysteerit ovat alkaneet avautua geenitutkimuksien muodossa. Toisaalta proteiinien ja sitä kautta geenien tutkimus jatkuu yhä, eikä meillä ole vieläkään selvyyttä siitä mitä elämä todella on. Joten tavallaan vitalistit olivat oikeassa siinä, ettei tiede pysty täysin selittämään kaikkea.
Kuten proteiinin historiasta käy ilmi, tieteellinen prosessi, jossa tietoa kerätään ja muokataan, on yleensä pitkä ja moninainen prosessi. Sille ei voida luoda mitään järjestelmällistä kaavaa, mutta olennaisia piirteitä voidaan tunnistaa. Tiede ei synny hetkessä eikä se ole koskaan valmis, vaan meidän näkemyksemme asioista muuttuvat tai tarkentuvat jatkuvasti. Tiedettä ei tehdä sattumanvaraisesti vaan tutkijat usein tietävät mitä tutkivat ja käyttävät luovuutta hyväkseen muodostaessaan uutta tietoa. Tiedettä ei tutkita yksin vaan se on tutkijoiden välistä yhteistyötä. Tiedeyhteisön täytyy hyväksyä tutkimukset, ennen kuin niistä tulee yleisesti hyväksyttyjä faktoja. Kehityksen saatossa monet faktana pidetyt tiedot muuttuvat ja osa virheellisistä teorioista katoaa. Tehtävä 1. Yhdistä laatikot ja tapahtuma/ilmiö aikajanalle
Tehtävä 2. Totta vai tarua Väite Totta Tarua Ihmisen painosta 50 % on proteiinia Vitalismi uskoi tieteen kehitykseen Orgaaninen kemia tutkii elollista kemiaa Proteiinit sisältävät typpeä Berzelius piti yhteyttä kollegoidensa kanssa järjestämällä kokouksia Mulder ratkaisi miten aminohapot sitoutuvat DNA ei ole proteiini Ihmiselle on välttämätöntä saada ravinnosta 20 erilaista aminohappoa Tehtävä 3. Kirjoita vastaukset vihkoosi: Etsi tarinasta kolme asiaa, jotka kuvaavat tieteellistä tutkimusprosessia. Muuttuiko käsityksesi tieteellisestä prosessista proteiineista kertovan tarinan luettuasi? Mitkä käsitykset muuttuivat ja mitä uusia tai yllättäviä asioita opit? Vaikuttaako lisääntynyt tieto proteiineista sinun ruokavalioosi?