Univerzita Karlova v Praze. Katedra učitelství a didaktiky chemie. Nové materiály na podporu výuky Biochemie na SŠ, Proteiny

Univerzita Karlova v Praze Pˇr´ırodovˇedecká fakulta Katedra uˇcitelstv´ı a didaktiky chemie

Diplomov´ a pr´ ace

ˇ Nov´ e materi´ aly na podporu v´ yuky Biochemie na SS, Proteiny

Anna Fendrychová

Vedouc´ı diplomové práce: RNDr. Václav Mart´ınek, Ph.D.

Praha 2010

Dˇekuji RNDr. Václavu Mart´ınkovi, Ph.D. za veˇskerou pomoc, kterou mi poskytl pˇri tvorbˇe této práce.

Prohlaˇsuji, ˇze jsem svou diplomovou práci napsala samostatnˇe a v´ yhradnˇe s pouˇzit´ım citovan´ ych pramen˚ u. Souhlas´ım se zap˚ ujˇcován´ım práce a jej´ım zveˇrejˇ nován´ım. V Praze dne

Anna Fendrychová

2

ˇ Proteiny Název práce: Nové materiály na podporu v´ yuky Biochemie na SS, Autor: Anna Fendrychová Katedra: Katedra uˇcitelstv´ı a didaktiky chemie Vedouc´ı diplomové práce: RNDr. Václav Mart´ınek, Ph.D. Abstrakt: Tato diplomová práce je zamˇeˇrena na pˇr´ıpravu didaktick´ ych materiál˚ u na podporu v´ yuky biochemie, konkrétnˇe tématu aminokyseliny a proteiny, na stˇredn´ıch ˇskolách. Vycház´ı z vlastn´ı anal´ yzy zpracován´ı daného tématu v ˇcesk´ ych stˇredoˇskolsk´ ych uˇcebnic´ıch, která v nich odhaluje nˇekteré nedostatky. Pˇredevˇs´ım se jedná o nedostateˇcn´ y grafick´ y doprovod prob´ırané látky, malé mnoˇzstv´ı motivaˇcn´ıch prvk˚ u a slabá integrace uˇciva s jin´ ymi obory i s bˇeˇzn´ ym ˇzivotem. Podp˚ urné v´ yukové materiály, vytvoˇrené v rámci této práce, byly proto zamˇeˇreny pˇredevˇs´ım na doplnˇen´ı tˇechto nedostatk˚ u. Tyto materiály zahrnuj´ı graficky bohatou prezentaci, interaktivn´ı animace denaturace a vysolován´ı protein˚ u, vizualizuj´ıc´ı tyto procesy na makroskopické i molekulárn´ı u ´rovni, plakát prezentuj´ıc´ı strukturn´ı vzorce kódovan´ ych aminokyselin, 3D modely nˇekolika v´ yznamn´ ych protein˚ u, rozˇsiˇruj´ıc´ı texty i návody na studentské laboratorn´ı práce. V rámci ovˇeˇren´ı byly tyto materiály otestovány ˇ Porovnán´ı v´ pˇri v´ yuce biochemie na SS. ysledk˚ u pretest˚ u a posttest˚ u ve tˇr´ıdˇe vyuˇcované s pouˇzit´ım pˇripraven´ ych materiál˚ u proti kontroln´ı tˇr´ıdˇe ukázalo, ˇze nasazen´ı materiál˚ u pomohlo student˚ um lépe pochopit vztahy mezi strukturou a vlastnostmi aminokyselin a protein˚ u, pˇreváˇznˇe proces denaturace a interakce urˇcuj´ıc´ı 3D strukturu protein˚ u. Kl´ıˇcová slova: aminokyseliny, biochemie, denaturace, PPT presentace, proteiny, uˇcebnice chemie, v´ yukové materiály, molekulové modely, 3D modely

3

Title: Proteins - New educational materials for education in biochemistry at secondary level Author: Anna Fendrychová Department: Department of Teaching and Didactics of Chemistry Supervisor: RNDr. Václav Mart´ınek, Ph.D. Abstract: Diploma thesis is focused on creation of educational materials supporting the education of biochemistry, specifically amino acids and proteins, at secondary level. At first the analysis of Czech chemistry textbooks concerning the two topics - amino acids and proteins was performed. The major problems found were related to the insufficient graphical representation of biomolecules, unsatisfactory motivational components and insufficient integration of the topic with biology or everyday life experience. The supporting educational materials, presented in this work, supplement the widely used chemistry textbooks. The materials includes a graphic oriented presentation, interactive animations demonstrating the process of denaturation and precipitating of proteins at macroscopic and molecular level, poster presenting the structural formulas of standard amino acids, 3D models of selected proteins, additional texts supporting the current topics concerning amino acids and proteins and the laboratory protocols for students. The presented support materials were evaluated at the secondary school conditions. They were tested in one class and the improvement of student’s understanding of the topic was compared to the second class employing only the classical educational methods. The comparison of the results of pretests and posttests in these classes has shown that the application of the new materials helped students better understand the relation between structure and properties of amino acids and proteins, especially the non-covalent interactions, which determine the 3D structure of proteins and the process of denaturation. Keywords: amino acids, biochemistry, denaturation, educational materials, chemistry textbooks, PPT presentation, proteins, molecular models, 3D models

4

Obsah ´ 1 Uvod

8

1.1

Anal´ yzy ˇcesk´ ych stˇredoˇskolsk´ ych uˇcebnic . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8

1.2

Proˇc zpracovávat dalˇs´ı uˇcebn´ı materiály . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9

1.3

Vzdˇelán´ı pro radost . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10

1.4

Aminokyseliny a proteiny v platn´ ych kurikulárn´ıch dokumentech . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

11

2 C´ıle pr´ ace

14

3 V´ ysledky

15

3.1

3.2

Zhodnocen´ı dostupn´ ych stˇredoˇskolsk´ ych uˇcebnic . . . . . . . . . . . . . . .

15

3.1.1

Kritéria hodnocen´ı stˇredoˇskolsk´ ych uˇcebnic . . . . . . . . . . . . . .

15

3.1.2

V´ ybˇer uˇcebnic pro hodnocen´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

16

3.1.3

Obsahová stránka uˇcebnic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

17

3.1.4

Závˇery plynouc´ı z hodnocen´ı ˇcesk´ ych stˇredoˇskolsk´ ych uˇcebnic chemie a biochemie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

25

3.1.5

Inspirace ze zahraniˇc´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

29

3.1.6

Seznam hodnocen´ ych uˇcebnic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

31

V´ yukové materiály . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

32

3.2.1

Prezentace vyrobená v programu PowerPoint . . . . . . . . . . . . .

32

3.2.2

Doprovodn´ y text k prezentaci . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

37

3.2.3

Rozˇsiˇruj´ıc´ı texty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

39

3.2.4

Plakát 21 kódovan´ ych aminokyselin . . . . . . . . . . . . . . . . . .

46

3.2.5

Protokoly k laboratorn´ımu cviˇcen´ı na téma denaturace protein˚ u . .

46

3.2.6

Animace denaturace a vysolován´ı vytvoˇrené v programu Macromedia Flash . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

51

3.2.7 3.3

3D modely molekul protein˚ u . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

55

Otestován´ı materiál˚ u v praxi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

55

3.3.1

Pretest . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

56

3.3.2

Posttest . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

62

4 Diskuze

68

5 Z´ avˇ er

76

Literatura

79

6

Seznam zkratek AMK - aminokyseliny ATP - adenosintrifosfát BSE - Bovinn´ı spongiformn´ı encefalopatie (Nemoc ˇs´ılen´ ych krav) CJD - Creutzfeldt-Jakobova choroba H-m˚ ustky - vod´ıkové m˚ ustky RVP - Rámcov´ y vzdˇelávac´ı program RVPG - Rámcov´ y vzdˇelávac´ı program pro gymnázia Sec - selenocystein 3D modely - prostorové modely

7

Kapitola 1 ´ Uvod Tato didakticky zamˇeˇrená diplomová práce zpracovává téma proteiny v rámci stˇredoˇskolské v´ yuky. Jej´ım c´ılem je vytvoˇrit podp˚ urné v´ yukové materiály na téma aminokyseliny a proteiny, protoˇze tato dvˇe témata spolu u ´zce souvisej´ı, bˇeˇznˇe b´ yvaj´ı vyuˇcována spoleˇcnˇe.

1.1

Anal´ yzy ˇ cesk´ ych stˇ redoˇ skolsk´ ych uˇ cebnic

ˇ aˇr by se mohl ptát, proˇc vytváˇret dalˇs´ı v´ Cten´ yukové materiály, kdyˇz maj´ı uˇcitelé a studenti v dneˇsn´ı dobˇe k dispozici velké mnoˇzstv´ı uˇcebnic, a pokud by uˇcebnice nestaˇcily, na internetu je nepˇreberné mnoˇzstv´ı informac´ı nejen o tˇechto biochemick´ ych tématech. Proto je souˇcást´ı této práce také anal´ yza dostupn´ ych uˇcebnic. Pokouˇs´ı se zhodnotit, jak tyto uˇcebnice pˇredkládaj´ı témata aminokyseliny a proteiny (viz kapitola 3.1). Podobná ˇsetˇren´ı byla provádˇena i dˇr´ıve, setkala jsem se vˇsak pouze s jednou prac´ı, která se zamˇeˇrovala pˇr´ımo na proteiny. Kudrnová ve své bakaláˇrské práci z roku 2008 [1] hodnotila témˇeˇr ˇ e uˇcebnice podle n´ı zaostávaj´ı v stejné uˇcebnice, jaké jsou hodnoceny v této práci. Cesk´ grafické u ´pravˇe, texty jsou nepˇrehledné, ˇcasto chyb´ı shrnut´ı na konci kapitol. Uˇcebnice sice nab´ızej´ı mnoho zaj´ımavost´ı a nadstavbového uˇciva, to vˇsak neb´ yvá od základn´ıho textu v´ yraznˇe oddˇeleno. Ze vˇsech kritéri´ı, která si Kudrnová zvolila pro své hodnocen´ı, dopadl nejh˚ uˇre vztah uˇciva k bˇeˇznému ˇzivotu a propojen´ı s biologi´ı. Podobné nedostatky byly shledány v ˇcesk´ ych uˇcebnic´ıch i v rámci této práce. Mnoho dalˇs´ıch prac´ı se vˇenuje hodnocen´ı ˇcesk´ ych stˇredoˇskolsk´ ych uˇcebnic, vˇetˇsinou se vˇsak nezamˇeˇruj´ı pˇr´ımo na aminokyseliny nebo proteiny. Napˇr. Roˇstejnská [3] hodnotila dostupné stˇredoˇskolské uˇcebnice v ˇ e republice podle celkového zpracován´ı biochemie. (Stejn´ Cesk´ ymi uˇcebnicemi se zab´ yvala i tato práce, jedna byla pˇridána nav´ıc.) Jej´ı v´ ysledky se vˇsak znaˇcnˇe liˇs´ı, coˇz pravdˇepodobnˇe 8

souvis´ı s rozsahem zkoumaného tématu (aminokyseliny a proteiny jsou pouze ˇcást´ı biochemie). Obrazov´ y materiál a doplnˇen´ı uˇcebnic o zaj´ımavosti a aktuality a integraci s jin´ ymi pˇr´ırodovˇedn´ ymi pˇredmˇety povaˇzuje Roˇstejnská u vˇetˇsiny uˇcebnic za dostateˇcné. S t´ım po anal´ yze tˇechto knih – ale pouze pro kapitoly aminokyseliny a proteiny – nemohu souhlasit, jak bude vysvˇetleno dále. Kuˇcerová [4] se ve své diplomové práci zamˇeˇrila na hodnocen´ı pouze nˇekolika (tˇech nejrozˇs´ıˇrenˇejˇs´ıch) uˇcebnic organické chemie a biochemie pro stˇredn´ı ˇskoly, konkrétnˇe na ˇca´sti t´ ykaj´ıc´ı se enzym˚ u, vitam´ın˚ u a hormon˚ u. I ona se, stejnˇe jako napˇr. Kudrnová, ˇcasto setkávala s t´ım, ˇze v uˇcebnic´ıch bylo málo obrázk˚ u, a to jeˇstˇe obrázk˚ u málo motivuj´ıc´ıch. Naopak Steinbauerová [2], která si vybrala stejné uˇcebnice jako Kuˇcerová, neuvád´ı ve své práci ˇza´dné nedostatky v naˇsich uˇcebnic´ıch, vesmˇes je hodnot´ı pozitivnˇe. Steinbauerová vˇsak hodnotila uˇcebnice z hlediska tématu sacharidy. Z tohoto struˇcného pˇrehledu m˚ uˇzeme usoudit, ˇze r˚ uzná biochemická (a pravdˇepodobnˇe ani chemická) témata neb´ yvaj´ı v uˇcebnic´ıch zpracována stejnˇe kvalitnˇe. Pˇri hodnocen´ı uˇcebnic je proto tˇreba zamˇeˇrit se na konkrétn´ı téma. Na závˇer se zm´ın´ım jeˇstˇe o jedné práci, která, aˇc byla napsaná uˇz v roce 1984, je stále velmi aktuáln´ı a jasnˇe ukazuje na to, ˇze za v´ıce neˇz dvacet let se autor˚ um ˇcesk´ ych uˇcebnic nepodaˇrilo vytvoˇrit vyhovuj´ıc´ı uˇcebn´ı materiál. Tekslová [5] mˇela k dispozici samozˇrejmˇe jiné uˇcebnice, neˇz máme dnes. Ve svém ˇsetˇren´ı vˇsak dospˇela k názoru, ˇze naˇse uˇcebnice ˇctenáˇre nemotivuj´ı, ˇcasto jsou psané sp´ıˇse pro uˇcitele neˇz pro ˇzáky a nab´ızej´ı málo pˇr´ıklad˚ u z praxe. Je zˇrejmé, ˇze se jedná o stejné problémy, s jak´ ymi se v naˇsich uˇcebnic´ıch setkáváme i dnes.

1.2

Proˇ c zpracov´ avat dalˇ s´ı uˇ cebn´ı materi´ aly

Z ˇsetˇren´ı, které bylo provedeno v rámci této diplomové práce, vypl´ yvá, ˇze ˇceské uˇcebnice zpracovávaj´ı témata aminokyseliny a proteiny nedostateˇcnˇe, zaostává pˇredevˇs´ım grafické zpracován´ı, vysvˇetlen´ı dané látky, pouˇzit´ı praktick´ ych pˇr´ıklad˚ u a ukázek ze ˇzivota nebo zaˇrazen´ı takov´ ych otázek a u ´kol˚ u, které by provˇeˇrily porozumˇen´ı danému tématu. Proteiny jsou v naˇsich uˇcebnic´ıch zpracovány sp´ıˇse okrajovˇe. A to pˇresto, ˇze témata aminokyseliny i proteiny jsou zaˇrazena do nov´ ych poˇzadavk˚ u ke státn´ı maturitˇe a do rámcovˇe vzdˇelávac´ıch program˚ u (dále jen RVP) [6],[7],[8]. Naˇse uˇcebnice b´ yvaj´ı vˇsak starˇs´ı neˇz tyto kurikulárn´ı dokumenty a d˚ uraz kladou na jiné oblasti chemie. Pravdou je, ˇze pro naplnˇen´ı oˇcekávan´ ych v´ ystup˚ u napˇr. RVPG (Rámcov´ y vzdˇelávac´ı program pro gymnázia) by student˚ um gymnázi´ı jistˇe staˇcilo proˇc´ıst si nˇekterou z uˇcebnic. RVPG poˇzaduje ob9

jasnˇen´ı struktury a funkce slouˇcenin nezbytn´ ych pro d˚ uleˇzité chemické procesy prob´ıhaj´ıc´ı v organismech [7], coˇz je tak obecnˇe pojaté, ˇze se tref´ı témˇeˇr kaˇzdá uˇcebnice, která téma aminokyseliny a proteiny alespoˇ n zm´ın´ı. Studenti vˇsak také maj´ı podle poˇzadavk˚ u ke spoleˇcné ˇca´sti maturity vysvˇetlit podstatu metabolick´ ych proces˚ u [6], coˇz bez znalosti problematiky protein˚ u nen´ı moˇzné. Pokud má ˇzák nˇeco vysvˇetlovat, mus´ı to dobˇre pochopit. Podle Bloomovy taxonomie c´ıl˚ u patˇr´ı vysvˇetlen´ı mezi c´ıle vyˇsˇs´ı, nen´ı to pouhé zapamatován´ı a interpretace fakt˚ u [9]. Pokud klademe na ˇza´ky takové poˇzadavky, mˇeli bychom jim dát moˇznost, aby je mohli splnit. Nestaˇc´ı pouze konstatován´ı, ˇze proteiny pln´ı nˇejaké funkce, studenti potˇrebuj´ı pochopit jak a proˇc tak funguj´ı, jak to souvis´ı s jejich strukturou. Nestaˇc´ı jen pár jednoduch´ ych schematick´ ych (vˇetˇsinou ˇcernob´ıl´ ych obrázk˚ u), aby si ˇza´k mohl dobˇre pˇredstavit, co to vlastnˇe je α-ˇsroubovice, proˇc vypadá tak, jak vypadá. Porozumˇen´ı dané látce také mnohokrát zvyˇsuje ˇsanci na zapamatován´ı [10]. Proto je základem této práce mnoho r˚ uzn´ ych zobrazen´ı protein˚ u a nˇekteré konkrétn´ı ukázky funkce protein˚ u.

1.3

Vzdˇ el´ an´ı pro radost

Nehledˇe na to, jaké znalosti a dovednosti maj´ı m´ıt studenti po absolvován´ı stˇredn´ı ˇskoly podle stávaj´ıc´ıch kurikulárn´ıch dokument˚ u (RVP a poˇzadavky ke spoleˇcné ˇcásti maturity), biochemie je pro studenty velmi aktuáln´ı a zaj´ımavá ˇca´st chemie. Nakonec nesm´ıme zapom´ınat na to, ˇze poznán´ı neslouˇz´ı pouze jako základ pro praktickou ˇcinnost, pro práci. Poznán´ı je také zdrojem radosti a uspokojen´ı, obohacuje lidsk´ y ˇzivot [10]. Proto bylo c´ılem této práce vytvoˇrit uˇcebn´ı materiál, kter´ y by doplˇ noval a rozˇsiˇroval naˇse uˇcebnice. Hlavn´ı v´ yhodou by mˇelo b´ yt grafické zpracován´ı. Je obecnˇe znám´ ym faktem, ˇze pokud vn´ımáme pˇredkládané informace v´ıce smysly, máme vˇetˇs´ı ˇsanci je uchovat v pamˇeti. Názorn´ y materiál (do této skupiny uˇcebn´ıch pom˚ ucek patˇr´ı i grafická znázornˇen´ı molekul, jejich modely, pˇr´ıpadnˇe fotografie) umoˇzn ˇuje lepˇs´ı formován´ı pˇredstav, pomáhá pochopit podstatné znaky a vztahy mezi jednotliv´ ymi poznatky. Zároveˇ n také znaˇcnˇe zvyˇsuje motivaci k uˇcen´ı a p˚ usob´ı na city ˇza´k˚ u, ˇc´ımˇz zvyˇsuje pozornost a moˇznost trvalého zapamatován´ı látky [10]. Tato práce také obsahuje texty s konkrétn´ımi pˇr´ıklady v´ yskytu nˇekter´ ych aminokyselin a protein˚ u v naˇsem ˇzivotˇe, návody na laboratorn´ı práce k tématu denaturace a animace vytvoˇrené v programu Macromedia Flash, které toto téma vysvˇetluj´ı na molekulárn´ı u ´rovni. Denaturaci se vˇenuje podrobnˇeji, protoˇze v naˇsich uˇcebnic´ıch b´ yvá ˇcasto opom´ıjena. C´ılem této práce bylo vytvoˇrit motivuj´ıc´ı materiály, protoˇze motivace je jedn´ım z nejd˚ uleˇzitˇejˇs´ıch 10

faktor˚ u napomáhaj´ıc´ıch pˇri uˇcen´ı [11].

1.4

Aminokyseliny a proteiny v platn´ ych kurikul´ arn´ıch dokumentech

Z tˇechto dokument˚ u jsem vycházela pˇri tvorbˇe vlastn´ıho v´ yukového materiálu. U kaˇzdého je uvedeno jejich zaˇrazen´ı aminokyselin a protein˚ u a oˇcekávané v´ ystupy tohoto uˇciva. R´ amcov´ y vzdˇ el´ avac´ı program pro gymn´ azia, RVPG ˇ ek a pˇr´ıroda, pˇredmˇetu chemie V RVPG [7] jsou aminokyseliny zaˇrazeny do oblasti Clovˇ vzdˇelávac´ı oblasti Organická chemie (uˇcivo deriváty uhlovod´ık˚ u a jejich klasifikace), proteiny pak do vzdˇelávac´ı oblasti Biochemie. Co se t´ yˇce aminokyselin, oˇcekávané v´ ystupy jsou: • ˇza´k charakterizuje základn´ı skupiny organick´ ych slouˇcenin a jejich v´ yznamné zástupce • zhodnot´ı jejich surovinové zdroje, vyuˇzit´ı v praxi a vliv na ˇzivotn´ı prostˇred´ı • aplikuje znalosti o pr˚ ubˇehu organick´ ych reakc´ı na konkrétn´ıch pˇr´ıkladech. Oˇcekávané v´ ystupy uˇciva proteiny (a tedy celé biochemie): • ˇza´k objasn´ı strukturu a funkci slouˇcenin nezbytn´ ych pro d˚ uleˇzité chemické procesy prob´ıhaj´ıc´ı v organismech • charakterizuje základn´ı metabolické procesy a jejich v´ yznam ˇ ek a pˇr´ıroda), konkrétnˇe Tato témata vˇsak také zasahuj´ı do pˇredmˇetu Biologie (oblast Clovˇ do vzdˇelávac´ı oblasti Obecná biologie. Jeden z oˇcekávan´ ych v´ ystup˚ u této oblasti totiˇz zn´ı: • ˇza´k objasn´ı stavbu a funkci strukturn´ıch sloˇzek a ˇzivotn´ı projevy prokaryotn´ıch a eukaryotn´ıch bunˇek. R´ amcov´ y vzdˇ el´ avac´ı program pro obor vzdˇ el´ an´ı Aplikovan´ a chemie RVP pro obor aplikovaná chemie [8] ˇrad´ı aminokyseliny do oblasti Pˇr´ırodovˇedné vzdˇelán´ı, konkrétnˇe Chemické vzdˇelán´ı, vzdˇelávac´ı oblasti Organická chemie, proteiny pak do vzdˇelávac´ı oblasti Biochemie. Co se t´ yˇce aminokyselin, oˇcekávané v´ ystupy jsou: 11

• ˇza´k charakterizuje skupiny uhlovod´ık˚ u a jejich deriváty a tvoˇr´ı jejich chemické vzorce a názvy • uvede v´ yznamné zástupce organick´ ych slouˇcenin a zhodnot´ı jejich vyuˇzit´ı v odborné praxi a v bˇeˇzném ˇzivotˇe • posoud´ı je z hlediska vlivu na zdrav´ı a ˇzivotn´ı prostˇred´ı. Oˇcekávané v´ ystupy uˇciva proteiny: • ˇza´k charakterizuje biogenn´ı prvky a jejich slouˇceniny • uvede sloˇzen´ı, v´ yskyt a funkce nejd˚ uleˇzitˇejˇs´ıch pˇr´ırodn´ıch látek • vysvˇetl´ı podstatu biochemick´ ych dˇej˚ u. Tato témata vˇsak také zasahuj´ı do oblasti Vzdˇelán´ı pro zdrav´ı. Mezi oˇcekávan´ ymi v´ ystupy z této oblasti totiˇz najdeme tyto: • ˇza´k uplatˇ nuje ve svém jednán´ı základn´ı znalosti o stavbˇe a funkci lidského organismu jako celku • orientuje se v zásadách zdravé v´ yˇzivy a v jej´ıch alternativn´ıch smˇerech. Katalog poˇ zadavk˚ u zkouˇ sek spoleˇ cn´ eˇ c´ asti maturitn´ı zkouˇ sky Katalog poˇzadavk˚ u ke spoleˇcné ˇcásti maturitn´ı zkouˇsky [6] v souvislosti s aminokyselinami a proteiny poˇzaduje, aby ˇza´k dovedl: • charakterizovat karboxylové kyseliny, jejich funkˇcn´ı deriváty . . . a substituˇcn´ı deriváty (halogenkyseliny, hydroxykyseliny, aminokyseliny) • pouˇz´ıvat jejich názvoslov´ı, popsat fyzikáln´ı vlastnosti, charakterizovat jejich základn´ı reakce, obzvláˇstˇe jejich pˇremˇeny na funkˇcn´ı a substituˇcn´ı deriváty • popsat metody pˇr´ıpravy karboxylov´ ych kyselin vˇcetnˇe pˇr´ısluˇsn´ ych funkˇcn´ıch a substituˇcn´ıch derivát˚ u • charakterizovat optickou izomerii u hydroxykyselin a aminokyselin • objasnit acidobazické vlastnosti aminokyselin 12

• popsat a vysvˇetlit vznik peptid˚ u z aminokyselin • pouˇz´ıt vzorce a názvoslov´ı vybran´ ych aminokyselin, charakterizovat esenciáln´ı aminokyseliny, vysvˇetlit tvorbu amfiont˚ u, popsat peptidovou vazbu v peptidech a v b´ılkovinách • klasifikovat b´ılkoviny a jejich strukturu • vysvˇetlit funkce b´ılkovin v organizmech.

13

Kapitola 2 C´ıle pr´ ace 1. zhodnotit dostupné ˇceské uˇcebnice z hlediska zpracován´ı témat aminokyseliny a proteiny 2. vytvoˇrit uˇcebn´ı materiály (PPT prezentaci, doprovodné texty, pracovn´ı listy k laboratorn´ım pokus˚ um, animace v programu Macromedia Flash a 3D modely molekul protein˚ u) k danému tématu 3. ovˇeˇrit tyto materiály v praxi

14

Kapitola 3 V´ ysledky 3.1 3.1.1

Zhodnocen´ı dostupn´ ych stˇ redoˇ skolsk´ ych uˇ cebnic Krit´ eria hodnocen´ı stˇ redoˇ skolsk´ ych uˇ cebnic

Pˇri hodnocen´ı dostupn´ ych stˇredoˇskolsk´ ych uˇcebnic byla tato práce zamˇeˇrena pouze na zpracován´ı témat aminokyseliny a proteiny. Do hodnocen´ı nebyly zahrnuty takové parametry jako napˇr. pˇr´ıtomnost rejstˇr´ıku, obsahu, explicitn´ıho vyjádˇren´ı c´ıl˚ u uˇcen´ı, moˇznost´ı sebehodnocen´ı v´ ykon˚ u ˇza´k˚ u, grafick´ ych symbol˚ u vyznaˇcuj´ıc´ıch urˇcité ˇca´sti textu, citac´ı z pramen˚ u a dalˇs´ı, které by mˇela obsahovat kaˇzdá modern´ı uˇcebnice [12]. Prostudován byl pˇredevˇs´ım: obsah v´ ykladov´ ych text˚ u, pˇr´ıtomnost zaj´ımavost´ı a pˇr´ıklad˚ u ze ˇzivota (nebo alespoˇ n konkrétn´ıch pˇr´ıklad˚ u aminokyselin nebo protein˚ u), otázky a u ´koly, návody na laboratorn´ı cviˇcen´ı a grafická zpracován´ı tohoto tématu. Co se obsahové stránky t´ yˇce, bylo zkoumáno pˇredevˇs´ım, zda daná uˇcebnice dostateˇcnˇe a srozumitelnˇe popisuje a vysvˇetluje vˇse, co k témat˚ um aminokyseliny a proteiny patˇr´ı. Zda nepouˇz´ıvá pojmy, které ˇzáci neznaj´ı a kter´ ym nerozumˇej´ı, zda tuto látku dokumentuje na pˇr´ıkladech nebo námˇetech pro praktická cviˇcen´ı. Dalˇs´ım hlediskem bylo také propojen´ı chemie s biologi´ı. Biochemie (jak uˇz toto slovo napov´ıdá) propojuje chemii s biologi´ı sama o sobˇe, ale uˇcebnice ji ˇcasto oklest´ı, vyjmou z n´ı pouze chemické vzorce a reakce a na tˇesnou souvislost s biologi´ı, se stavbou a funkc´ı ˇziv´ ych organism˚ u zapomenou. Ostatnˇe RVPG zahrnuj´ı pˇredmˇety biologie a cheˇ ek a pˇr´ıroda) a vyz´ mie do jedné oblasti (Clovˇ yvaj´ı k integraci pˇredmˇet˚ u a vyuˇz´ıván´ı mezipˇredmˇetov´ ych vztah˚ u ve v´ yuce. Uˇcitel by mˇel tedy ˇza´k˚ um ukazovat souvislosti mezi jednotliv´ ymi pˇredmˇety [7]. 15

Grafické zpracován´ı povaˇzuji pro v´ yuku protein˚ u za velmi podstatné. Pojmy jako primárn´ı, sekundárn´ı, terciárn´ı struktura, interakce mezi postrann´ımi ˇretˇezci aminokyselin, ˇsroubovice nebo skládan´ y list jsou velmi abstraktn´ı a pro ˇzáky naprosto neznámé, nepˇredstavitelné. Ani pˇredchoz´ı znalosti anorganické nebo organické chemie nezaruˇcuj´ı jejich lepˇs´ı porozumˇen´ı. Vzhledem k tomu, ˇze se pohybujeme na molekulárn´ı u ´rovni, mus´ıme tyto jevy a struktury znázorˇ novat pouze schematicky. V dneˇsn´ı dobˇe vˇsak máme ˇsiroké moˇznosti, nestaˇc´ı pouze naˇcrtnout ˇsroubovici jako svinutou stuhu nebo jako r˚ uznˇe zoh´ yban´ y polypeptidov´ y ˇretˇezec ohraniˇcen´ y modrob´ıl´ ymi obdéln´ıky (jaké ˇcasto v uˇcebnic´ıch nacház´ıme). Z takov´ ych znázornˇen´ı nen´ı snadné z´ıskat pˇresnou pˇredstavu o tom, jak tyto látky vypadaj´ı. Nezapom´ınejme, ˇze studenti se s proteiny, jakoˇzto s nov´ ym uˇcivem, setkávaj´ı poprvé. Pˇr´ıliˇs zjednoduˇsen´ y nákres nebo obrázek je ani nezaujme. Zvláˇstˇe ne v dobˇe, kdy jsou mu bˇeˇznˇe ve sdˇelovac´ıch prostˇredc´ıch pˇredkládány kvalitn´ı a detailn´ı znázornˇen´ı r˚ uzn´ ych struktur z nanosvˇeta. Proto klade tato práce d˚ uraz na schemata, modely a obrázky, které by mˇely aminokyseliny a proteiny v uˇcebnic´ıch doprovázet a snaˇz´ı se tyto látky znázorˇ novat co nejvˇernˇeji.

3.1.2

V´ ybˇ er uˇ cebnic pro hodnocen´ı

Které uˇcebnice byly vybrány pro hodnocen´ı a proˇc? 1. Uˇcebnice bˇeˇznˇe pouˇz´ıvané pro v´ yuku organické chemie a biochemie v ˇcesk´ ych ˇskolách (a to pˇreváˇznˇe na gymnázi´ıch). Mareˇcek, Honza, Chemie pro ˇctyˇrletá gymnázia; Koláˇr, Chemie organická a biochemie; Ban´ yr, Chemie pro stˇredn´ı ˇskoly a Odstrˇcil, Biochemie pro stˇredn´ı zdravotnické ˇskoly. ˇ arsky, 2. Starˇs´ı uˇcebnice, které jsou stále dostupné, ale ve ˇskolách se pˇr´ıliˇs nepouˇz´ıvaj´ı. C´ Chemie pro III. Roˇcn´ık gymnázi´ı. 3. Uˇcebnice, které slouˇz´ı sp´ıˇse jako pˇr´ıruˇcky pro ˇza´ky nebo uˇcitele, nejsou vhodné na to, aby se podle nich vyuˇcovalo [12]. Vac´ık, Pˇrehled stˇredoˇskolské chemie; Beneˇsová, Odmaturuj z chemie; Kotl´ık, Chemie II v kostce. 4. Ménˇe dostupné uˇcebnice, které jsou ale velmi dobˇre zpracované a podrobnˇejˇs´ı neˇz ty pˇredchoz´ı. Mohou slouˇzit uˇcitel˚ um i ˇza´k˚ um jako rozˇsiˇruj´ıc´ı materiály. Amann, Chemie pro stˇredn´ı ˇskoly 2b, Vodráˇzka, Biochemie pro studenty stˇredn´ıch ˇskol a vˇsechny, které láká tajemstv´ı ˇzivé pˇr´ırody a Voet, Voetová, Biochemie.

16

5. Na závˇer je pˇriloˇzen krátk´ y komentáˇr k nˇemecké uˇcebnici Biologie pro 11. roˇcn´ık stˇredn´ı ˇskoly, kterou dostávaj´ı bavorská gymnázia od nˇemeckého státu. Jedná se o uˇcebnici biologie. Zamˇeˇruje se na strukturn´ı a energetické základy ˇziv´ ych systém˚ ua genetiku, a to jak z biologického, tak z chemického hlediska (pokud je v˚ ubec moˇzné tato hlediska na bunˇeˇcné, molekulárn´ı u ´rovni rozliˇsovat). Uˇcitel˚ um ani ˇzák˚ um v ˇ e republice nen´ı k dispozici, u nás se neprodává, neexistuje ˇcesk´ Cesk´ y pˇreklad. Pˇresto je zde uvedena jako ukázkov´ y pˇr´ıklad integrace pˇr´ırodovˇedn´ ych pˇredmˇet˚ u.

3.1.3

Obsahov´ a str´ anka uˇ cebnic

Zamˇeˇr´ıme se nejprve na obsahovou stránku uˇcebnic. V uˇcebnic´ıch, kter´ ymi se tato práce zab´ yvala, nebyly nalezeny ˇzádné faktické chyby. Nebylo shledáno, ˇze by pojmy byly vysvˇetlovány vyslovenˇe chybnˇe, docház´ı sp´ıˇse k pˇr´ıliˇsnému zjednoduˇsen´ı. A to pˇredevˇs´ım pˇri v´ ykladu denaturace. Problémy v obsahové stránce tkv´ı pˇredevˇs´ım v tom, ˇze celé téma je nedostateˇcnˇe vysvˇetlené, rozkouskované, nejsou ukázány souvislosti mezi jednotliv´ ymi ˇca´stmi. Ve vˇsech uˇcebnic´ıch navazuje téma proteiny na téma aminokyseliny. Bud’ jsou vykládány dohromady (vˇetˇsinou), nebo jsou aminokyseliny zaˇrazeny mezi deriváty karboxylov´ ych kyselin (jako souˇca´st organické chemie) a proteiny mezi pˇr´ırodn´ı látky do biochemie, a to u Mareˇcka a Kotl´ıka. Druhé pojet´ı propojuje biochemii s organickou chemi´ı, zab´ yvá se v´ıce chemick´ ymi vlastnosti aminokyselin, jejich reaktivitou. Nestav´ı aminokyseliny pouze do role základn´ıch stavebn´ıch jednotek protein˚ u, ale ukazuje je jako samostatné látky se sv´ ymi specifick´ ymi vlastnostmi. Nicménˇe ani v tˇechto uˇcebnic´ıch Mareˇcek, Honza, Chemie pro ˇctyˇrletá gymnázia a Kotl´ık, R˚ uˇziˇcková, Chemie v kostce se ˇctenáˇr nedozv´ı pˇr´ıliˇs mnoho o r˚ uzn´ ych biologick´ ych vlastnostech aminokyselin nebo o jejich jiném vyuˇzit´ı neˇz jen pro stavbu protein˚ u. Stejnˇe tak i ve vˇetˇsinˇe dalˇs´ıch uˇcebnic. Jedin´ı, kteˇr´ı uvádˇej´ı i dalˇs´ı biologické funkce aminokyselin nebo jejich vyuˇzit´ı napˇr. v potravináˇrském pr˚ umyslu, jsou Amann, Vodráˇzka a Voet. Druhé pojet´ı má jeˇstˇe jednu ˇ arsky, kter´ v´ yhodu. Jak Mareˇcek, tak i Kotl´ık, ale vlastnˇe i C´ y ˇrad´ı aminokyseliny pˇred proteiny v rámci jedné hlavn´ı kapitoly, vysvˇetluj´ı optické nebo amfotern´ı vlastnosti aminokyselin pomoc´ı reakc´ı, které uˇz studenti znaj´ı z organické chemie. Takov´ y pˇr´ıstup je v souladu s pedagogick´ ym konstruktivismem. Novˇe osvojované poznatky a dovednosti jsou dávány do vztah˚ u s poznatky a dovednostmi osvojen´ ymi dˇr´ıve. To napomáhá k lepˇs´ımu porozumˇen´ı a zapamatován´ı [13].

17

Aminokyseliny v ˇ cesk´ ych uˇ cebnic´ıch Vˇsichni autoˇri rozdˇeluj´ı aminokyseliny do skupin podle povahy jejich postrann´ıch ˇretˇezc˚ u (polárn´ı, nepolárn´ı atd.) Nˇekteˇr´ı z nich vˇsak neuvedou k jednotliv´ ym skupinám pˇr´ıklady takov´ ych aminokyselin. T´ım se dostáváme k dalˇs´ımu problému. Naˇse uˇcebnice ˇcasto neuvádˇej´ı souvislost povahy postrann´ıch ˇretˇezc˚ u se skládán´ım a s prostorov´ ym uspoˇra´dán´ım protein˚ u. U Mareˇcka jsem sice naˇsla, ˇze napˇr. keratin obsahuje velké mnoˇzstv´ı cysteinu a kolagen glycinu, prolinu a hydroxyprolinu. Toto konstatován´ı vˇsak z˚ ustává nevysvˇetleno. Vztahy mezi postrann´ımi ˇretˇezci aminokyselin a stavbou protein˚ u ukazuj´ı ve sv´ ych knihách Amann, Vodráˇzka a Voet. Vodráˇzka se dokonce vˇenuje kaˇzdé kódované aminokyselinˇe zvláˇst’, uvád´ı jej´ı specifické vlastnosti a zp˚ usob, jak´ ym m˚ uˇze ovlivˇ novat skládán´ı protein˚ u. Takové informace jsou jistˇe pro studenty stˇredn´ıch ˇskol pˇr´ıliˇs podrobné, mohou je vˇsak velmi dobˇre vyuˇz´ıt uˇcitelé pˇri hledán´ı doplˇ nuj´ıc´ıch informac´ı ke svému v´ ykladu. Bylo ˇreˇceno, ˇze se autoˇri uˇcebnic nˇekdy dopouˇstˇej´ı aˇz pˇr´ıliˇs velkého zjednoduˇsen´ı. To plat´ı napˇr´ıklad pro v´ yklad esenciality aminokyselin. Vˇetˇsina uˇcebnic (napˇr.: Koláˇr, Ban´ yr, Odstrˇcil a Beneˇsová) vysvˇetluje pojem esenciáln´ı aminokyselina pouze ve vztahu k ˇclovˇeku. (Vac´ık tento pojem neuvád´ı v˚ ubec, Kotl´ık ho ve své Chemii v kostce vysvˇetluje následovnˇe: ...nejvˇetˇs´ı v´ yznam – kódované AMK ... vˇetˇsina – esenciáln´ı AMK – pˇr´ıjem potravou ve ” formˇe b´ılkovin.“) Dozv´ıme se, ˇze esenciáln´ı aminokyseliny si ˇclovˇek neum´ı sám vytvoˇrit a mus´ı je pˇrij´ımat s potravou. Ale kdo je um´ı vˇsechny syntetizovat? Jak souvisej´ı aminokyseliny s pˇr´ıjmem vyváˇzené stravy? Jak jsou na tom ostatn´ı ˇzivoˇcichové? Nˇekteˇr´ı autoˇri se snaˇz´ı toto téma aspoˇ n troˇsku vysvˇetlit, Koláˇr se zmiˇ nuje o dietologii a plnohodnotn´ ych a neplnohodnotn´ ych b´ılkovinách (pˇresto bohuˇzel neuvád´ı, proˇc ˇclovˇek v˚ ubec aminokyseliny potˇrebuje, s v´ yjimkou tvorby b´ılkovin), Mareˇcek zase pˇripom´ıná, ˇze rostliny jsou schopny ´ e syntetizovat vˇsechny aminokyseliny (ale neuvád´ı souvislosti se správnou v´ yˇzivou). Upln´ a uspokojivé vysvˇetlen´ı najdeme vˇsak jen u Vodráˇzky a Voeta. Zkoumané uˇcebnice také v naprosté vˇetˇsinˇe (kromˇe Amannovy, Vodráˇzkovy a Voetovy biochemie) nepopisuj´ı vlastnosti a charakter peptidové vazby. Omezuj´ı se pouze na jej´ı vznik, vˇzdy ukáˇzou kondenzaˇcn´ı reakci nˇekter´ ych dvou aminokyselin, ale o jej´ı stabilitˇe a o jej´ım charakteru uˇz se nezmiˇ nuj´ı. A to pˇresto, ˇze v katalogu poˇzadavk˚ u ke státn´ı maturitˇe v´ yslovnˇe stoj´ı, ˇze:

...student objasn´ı strukturu organick´ ych slouˇcenin a pop´ıˇse typy ” vazeb v organick´ ych slouˇceninách a vysvˇetl´ı vliv charakteru vazeb na vlastnosti látek...“ a také ˇze:

... pop´ıˇse peptidovou vazbu v peptidech a b´ılkovinách...“ [6]. ” Mareˇcek vˇsak alespoˇ n doplˇ nuje v´ yklad aminokyselin a peptid˚ u o vznik polyamidov´ ych

18

vláken. Ukazuje tak pouˇzit´ı podobn´ ych látek v bˇeˇzném ˇzivotˇe. Peptidy v ˇ cesk´ ych uˇ cebnic´ıch Pokud jde o peptidy a proteiny dodrˇzuj´ı uˇcebnice vˇetˇsinou shodnou v´ ykladovou linii. Od vzniku peptidové vazby pˇrejdou k peptid˚ um, o nichˇz pojednávaj´ı jen velmi struˇcnˇe, pak pˇrijdou na ˇradu proteiny, jejich prostorové uspoˇra´dán´ı a na závˇer jejich funkce a nˇekolik pˇr´ıklad˚ u. Peptidy sice nejsou natolik obsáhlou skupinou jako proteiny, nˇekteré uˇcebnice je vˇsak ˇ arsky, Koláˇr a Vac´ık tyto slouˇceniny u naprosto pˇrehl´ıˇzej´ı. C´ ´plnˇe vynechali, neuvádˇej´ı ani jeden pˇr´ıklad v´ yskytu peptid˚ u v organismech. Naopak napˇr. Beneˇsové Odmaturuj z chemie nebo Ban´ yrova Chemie pro stˇredn´ı ˇskoly uvádˇej´ı jako pˇr´ıklady peptid˚ u nˇekteré hormony, antibiotika nebo jedy. Beneˇsová dokonce vysvˇetluje u ´lohu glutathionu pˇri udrˇzován´ı stálého redoxn´ıho potenciálu v buˇ nkách. Proteiny v ˇ cesk´ ych uˇ cebnic´ıch Pˇri posuzován´ı v´ ykladu protein˚ u bylo v ˇcesk´ ych uˇcebnic´ıch v rámci tohoto hodnocen´ı nalezeno nˇekolik nedostatk˚ u. Uˇcebnice se hodnˇe zamˇeˇruj´ı na rozdˇelován´ı protein˚ u do r˚ uzn´ ych skupin – skleroproteiny, sferoproteiny, proteiny zásobn´ı, transportn´ı, fosfoproteiny, chromoproteiny, glykoproteiny a dalˇs´ı. Vyjmenuj´ı takto vˇsechny skupiny protein˚ u (aˇc ve skuteˇcnosti tento v´ yˇcet samozˇrejmˇe nen´ı u ´pln´ y, proteiny maj´ı i mnoho dalˇs´ıch funkc´ı, o nichˇz ale uˇcebnice neinformuj´ı) a uvedou nˇekolik pˇr´ıklad˚ u. Mareˇcek a Ban´ yr dokonce u nˇekter´ ych funkc´ı protein˚ u ani neuvádˇej´ı konkrétn´ı pˇr´ıklad takového proteinu. Seznamy funkc´ı, v´ yskytu, pˇr´ıklad˚ u se obvykle studenti uˇc´ı nazpamˇet’. Vzhledem k tomu, ˇze tyto uˇcebnice neukazuj´ı nˇejak´ y konkrétn´ı protein, jeho strukturu a z n´ı plynouc´ı funkci, neumoˇzn ˇuj´ı student˚ um, aby v´ yznam protein˚ u pochopili. V nˇekter´ ych kn´ıˇzkách se napˇr. doˇcteme, ˇze proteiny maj´ı zásobn´ı funkci, ale uˇz nezjist´ıme, ˇc´ım organismus zásobuj´ı. Jinde se zase pojednává o albuminech a globulinech, nap´ıˇse se, kde se vyskytuj´ı a ˇze patˇr´ı mezi sferoproteiny a reaguj´ı neutrálnˇe, aˇz slabˇe kysele. Chyb´ı vˇsak vysvˇetlen´ı, k ˇcemu takové proteiny slouˇz´ı a proˇc je podstatné, ˇze reaguj´ı tak, jak reaguj´ı. Uˇcebnice, které ve vˇetˇsinˇe kritéri´ıch hodnocen´ı dopadaly nejlépe, Vodráˇzka a Voet, zvolily jinou strategii. Vybraly si jeden dva konkrétn´ı proteiny a pomoc´ı jejich sloˇzen´ı a struktury ukazovaly, jak mohou proteiny fungovat, k ˇcemu mohou v organismech slouˇzit. Jak p´ıˇse napˇr. Petty ve svém Modern´ım vyuˇcován´ı, d˚ uleˇzité je vˇzdy ukázat student˚ um konkrétn´ı pˇr´ıklad toho, o

19

ˇcem je uˇc´ıme. Velmi jim to pom˚ uˇze pˇri pochopen´ı dané látky [11]. Uˇcebnice se také soustˇred’uj´ı na popis prostorov´ ych uspoˇra´dán´ı protein˚ u. Ve vˇetˇsinˇe pˇr´ıpad˚ u se vˇsak jedná témˇeˇr jen o popis, chyb´ı k nˇemu názorné obrázky a schemata. Ve vˇsech uˇcebnic´ıch (kromˇe Chemie v kostce) samozˇrejmˇe najdeme minimálnˇe jednoduch´ y nákres α-helixu a β-skládaného listu, vˇetˇsinou i s vyznaˇcen´ım vod´ıkov´ ych vazeb, kromˇe Koláˇrovy uˇcebnice. Ta m´ısto toho uvád´ı pojem supersekundárn´ı struktura αα a αβα, coˇz povaˇzuji ve stˇredoˇskolské uˇcebnici za zbyteˇcnˇe podrobné (v ˇza´dné jiné uˇcebnici se s t´ım nesetkáme). Kromˇe toho tyto pojmy nijak nepˇrisp´ıvaj´ı k vysvˇetlen´ı sekundárn´ı struktury protein˚ u. Ve vˇetˇsinˇe uˇcebnic chyb´ı také, kromˇe obrázk˚ u, ukázky jednotliv´ ych struktur v konkrétn´ıch proteinech nebo na konkrétn´ıch pˇr´ıkladech, kdy se napˇr. projev´ı v´ yznam dané struktury. Pˇritom k tomu nejsou potˇreba barevné obrázky. Napˇr. Mareˇcek, Odstrˇcil a Voet demonstruj´ı vliv primárn´ı struktury na funkci proteinu pomoc´ı nemoci srpkovité anemie. Amann naproti tomu popisuje, jak je moˇzné primárn´ı strukturu stanovit, ˇc´ımˇz pˇrirozenˇe dojde k vysvˇetlen´ı samotné primárn´ı struktury. U sekundárn´ı struktury zase pˇripom´ıná vliv postrann´ıch ˇretˇezc˚ u aminokyselin na uspoˇra´dán´ı polypeptidového ˇretˇezce. Ukazuje, jak na velikosti postrann´ıho ˇretˇezce záleˇz´ı, kter´ y prvek sekundárn´ı struktury vznikne, jak ovlivˇ nuje prolin tvorbu vod´ıkov´ ych vazeb a jak´ y vliv na tuto strukturu má teplota. To dokládá na pˇr´ıkladu lidsk´ ych vlas˚ u a ovˇc´ı vlny. Terciárn´ı strukturu nakonec popisuje na molekule inzul´ınu. Pro vysvˇetlen´ı kvartern´ı struktury si vyb´ırá Voet pˇredevˇs´ım molekulu hemoglobinu, na n´ıˇz pˇresnˇe popisuje, jak prob´ıhá pˇrenos molekul kysl´ıku, jak tento protein funguje. Voetovu Biochemii ale nem˚ uˇzeme s ostatn´ımi srovnávat. Je to velmi podrobná vysokoˇskolská uˇcebnice. Pˇresto byla zahrnuta do hodnocen´ı uˇcebnic, protoˇze u nás dostupná je a uˇcitel˚ um nebo nadan´ ym student˚ um by mohla poslouˇzit jako vynikaj´ıc´ı doplˇ nuj´ıc´ı a rozˇsiˇruj´ıc´ı materiál. Denaturace protein˚ uvˇ cesk´ ych uˇ cebnic´ıch Posledn´ı téma, které u ´zce souvis´ı s prostorov´ ym uspoˇra´dán´ım protein˚ u a je lehce propojitelné s bˇeˇznou denn´ı prax´ı, je denaturace. V uˇcebnic´ıch vˇsak b´ yvá zpracováno sp´ıˇse okrajovˇe. Napˇr. Mareˇcek vynechává denaturaci protein˚ u u ´plnˇe. V jeho knize o n´ı nen´ı ani zm´ınka. Ban´ yr, Koláˇr, Odstrˇcil a Vac´ık zavádˇej´ı pojem denaturace a vysvˇetluj´ı ho jako ztrátu nativn´ı konformace a funkce proteinu, neukazuj´ı vˇsak souvislost denaturace ˇ arského a Kotl´ıka sice velmi s bˇeˇzn´ ym ˇzivotem. Tuto souvislost najdeme u Beneˇsové, C´ ˇ arsky p´ıˇse: Denaturace b´ılkovin má praktick´ struˇcnˇe, ale v´ ystiˇznˇe. Napˇr. C´ y v´ yznam v ” 20

potravináˇrském pr˚ umyslu i v domácnosti pˇri uchován´ı potravin. Varem denaturované b´ılkoviny jsou snadno stravitelné, a pˇritom si zachovávaj´ı svoji v´ yˇzivnou hodnotu.“ Tento fakt nen´ı sice bl´ıˇze objasnˇen, alespoˇ n vˇsak upozorˇ nuje na praktické vyuˇzit´ı denaturace. Kromˇe toho, ˇze uˇcebnice nezd˚ urazˇ nuj´ı souvislost denaturace s tráven´ım a bˇeˇzn´ ym ˇzivotem, zamˇen ˇuj´ı také nˇekdy pojmy nevratná a vratná denaturace, tedy vysolován´ı. S pojmem vysolován´ı se setkáme u Beneˇsové, Odstrˇcila a samozˇrejmˇe u Voeta. Voet vysvˇetluje tento proces stejnˇe jako proces denaturace na molekulárn´ı u ´rovni, popisuje, co se s molekulami protein˚ u pˇri denaturaci a vysolován´ı dˇeje, vysolován´ı uvád´ı také jako jednu z technik izolace protein˚ u. Beneˇsová a Odstrˇcil pouze uvádˇej´ı, ˇze nˇeco takového existuje. Ostatn´ı uˇcebnice mezi vratnou a nevratnou denaturac´ı nerozliˇsuj´ı, denaturace podle nich m˚ uˇze b´ yt nˇekdy vratná, jindy nevratná, záleˇz´ı na pouˇzit´ ych denaturaˇcn´ıch ˇcinidlech. Toto je opˇet pˇr´ıliˇs velké zjednoduˇsen´ı, protoˇze mechanismy vysolován´ı a denaturace jsou rozd´ılné, tyto procesy se od sebe znaˇcnˇe liˇs´ı [14]. Metody pr´ ace s proteiny v ˇ cesk´ ych uˇ cebnic´ıch Nˇekteré uˇcebnice kromˇe tohoto klasického pojet´ı v´ ykladu protein˚ u pˇridávaj´ı jeˇstˇe metody práce s proteiny. Kromˇe Voeta, kter´ y velmi podrobnˇe popisuje metody izolace protein˚ u, chromatografii, elektroforézu, dial´ yzu a dalˇs´ı, se této problematice vˇenuje i Amann. Popisuje princip chromatografie, v´ yklad doprováz´ı obrázky, schématy jednotliv´ ych aparatur a také návody na laboratorn´ı cviˇcen´ı zamˇeˇrená na chromatografii. Drobné zm´ınky o izolaˇcn´ıch technikách protein˚ u (dial´ yza, elektroforéza, koagulace) najdeme i u Beneˇsové a Kotl´ıka. Tyto uˇcebnice je vˇsak nevysvˇetluj´ı, uvádˇej´ı pouze, ˇze takové metody existuj´ı. Ot´ azky, u ´ koly, n´ avody na praktick´ a cviˇ cen´ı t´ ykaj´ıc´ı se aminokyselin a protein˚ u Kromˇe samotného uˇcebn´ıho textu by mˇely uˇcebnice, alespoˇ n klasické uˇcebnice (takˇze m˚ uˇzeme vyˇradit Kotl´ıkovu Chemii v Kostce, Beneˇsové Odmaturuj z chemie a Vac´ık˚ uv Pˇrehled stˇredoˇskolské chemie, coˇz jsou sp´ıˇse pˇr´ıruˇcky neobsahuj´ıc´ı ˇza´dné otázky, u ´koly ani návody na praktická cviˇcen´ı), poskytovat student˚ um také procviˇcuj´ıc´ı a kontroln´ı otázky au ´koly, pˇr´ıpadnˇe i návody na praktická cviˇcen´ı. Co se t´ yˇce otázek a u ´kol˚ u, d˚ uraz byl kladen na ty, které by pouze neprovˇeˇrovaly zapamatován´ı fakt (ty najdeme ve vˇsech zbyl´ ych uˇcebnic´ıch kromˇe Vodráˇzkovy Biochemie, která neobsahuje ˇza´dné otázky ani návody na praktická cviˇcen´ı), ale které by provˇeˇrovaly porozumˇen´ı látce, schopnost aplikace poznatk˚ u,

21

pˇr´ıpadnˇe i problémové u ´lohy1 . Situace je vˇsak taková, ˇze Mareˇckova uˇcebnice, jedna z nejbˇeˇznˇejˇs´ıch uˇcebnic u nás, k témat˚ um aminokyseliny a proteiny ˇza´dné otázky, u ´koly, ani návody na laboratorn´ı neuvád´ı. U Koláˇre je to o nˇeco lepˇs´ı. Nˇekteré otázky jsou zaj´ımavé, nároˇcné. Studenti maj´ı napˇr´ıklad sami odhadnout, které aminokyseliny se budou pod´ılet na tvorbˇe vod´ıkov´ ych vazeb, které na tvorbˇe iontov´ ych vazeb nebo hydrofobn´ıch interakc´ı. Nebo maj´ı urˇcit, kde budou v základn´ım polypeptidovém ˇretˇezci delokalizované elektrony, které vazby budou ˇca´steˇcnˇe rigidn´ı. Taková otázka je docela obt´ıˇzná, vyˇzaduje aplikaci znalost´ı z organické chemie, coˇz uˇz je jeden z vyˇsˇs´ıch stupˇ n˚ u kognitivn´ıch c´ıl˚ u Bloomovy taxonomie. Otázka je, zda Koláˇrova uˇcebnice vysvˇetluje delokalizaci dostateˇcnˇe v rámci organické chemie. Koláˇr uvád´ı také návody na praktické cviˇcen´ı denaturace a vysolován´ı protein˚ u. Studenti pak maj´ı objasnit ’vratnou’ denaturaci. Problém je, ˇze o vysolován´ı nen´ı v textu ani zm´ınka, nen´ı ani uveden rozd´ıl mezi p˚ usoben´ım nˇekter´ ych sol´ı a denaturaˇcn´ıch ˇcinidel na proteiny. ˇ arského a Amanna. Prvn´ı dva poˇzaduj´ı Otázky a u ´koly najdeme jeˇstˇe u Ban´ yra, C´ pouze zapamatován´ı a interpretován´ı nauˇcen´ ych fakt˚ u. U Amanna doplˇ nuj´ı otázky a ´ u ´koly provˇeˇruj´ıc´ı znalost daného tématu témˇeˇr kaˇzdou stránku v´ ykladu. Ukoly jsou docela nároˇcné, nut´ı k hlubˇs´ımu zamyˇslen´ı, ne jen interpretaci fakt˚ u. Student potˇrebuje k jejich zodpovˇezen´ı ˇsiroké chemické základy. Nˇekteré u ´lohy vyˇzaduj´ı i spolupráci s jinou literaturou. Amann také pˇrikládá návody na laboratorn´ı praktika. Kromˇe klasického xanˇ arsky, vysvˇetluje i thoproteinového a biuretového testu, kter´ y popisuj´ı také Ban´ yr a C´ práci s polarimetrem. Zv´ yˇsenou pozornost v souvislosti s návody na laboratorn´ı cviˇcen´ı ˇ arského Chemii. V pˇr´ıloze laboratorn´ı cviˇcen´ı uvád´ı C´ ˇ arsky mnoho je tˇreba vˇenovat C´ r˚ uzn´ ych návod˚ u. K tématu aminokyseliny a proteiny se váˇze d˚ ukaz argininu, tryptofanu a sirn´ ych aminokyselin, sráˇzec´ı reakce b´ılkovin, urˇcen´ı teploty koagulace b´ılkovin nebo ˇ arsky nejvˇetˇs´ı mnoˇzstv´ı ˇstˇepen´ı ˇskrobu amylasou z lidsk´ ych slin. Z naˇsich uˇcebnic nab´ız´ı C´ návod˚ u na praktická cviˇcen´ı. Integrace pˇ r´ırodovˇ edn´ ych pˇ redmˇ et˚ u v naˇ sich uˇ cebnic´ıch (v r´ amci t´ emat aminokyseliny a proteiny) Dalˇs´ı oblast´ı, která byla hodnocena, je integrace pˇredmˇet˚ u chemie a biologie. Proteiny ˇ adná patˇr´ı mezi biochemická témata, biochemie propojuje chemii s biologi´ı sama o sobˇe. Z´ uˇcebnice nevynechává biologickou funkci protein˚ u, vˇsechny uvedou alespoˇ n nˇekolik pˇr´ıklad˚ u, 1

Problémov´ a je takov´ au ´loha, jej´ıˇz zp˚ usob ˇreˇsen´ı nen´ı ˇzák˚ um znám, musej´ı ho objevit sami [15].

22

kde se v organismech proteiny nacházej´ı a k ˇcemu slouˇz´ı. Toto hodnocen´ı vˇsak nepovaˇzovalo pouhé vyjmenován´ı pˇr´ıklad˚ u biologick´ ych funkc´ı protein˚ u za dostateˇcné propojen´ı chemie s biologi´ı. Nˇekteré uˇcebnice uvádˇej´ı konkrétn´ı pˇr´ıklady, jak se napˇr. denaturace nebo zahˇr´ıván´ı protein˚ u projev´ı na konkrétn´ıch látkách z naˇseho ˇzivota, jak souvis´ı denaturace s tráven´ım, jak prob´ıhá svalov´ y stah a dalˇs´ı. Právˇe takové ukázky a zaj´ımavosti byly hodˇ arskeho Chemii. Je nejstarˇs´ı noceny pozitivnˇe. Na tomto m´ıstˇe se nab´ız´ı vyzdvihnout C´ ze vˇsech tˇechto uˇcebnic, zaj´ımavosti o proteinech zde témˇeˇr ˇzádné nenajdeme, ale celá kapitola b´ılkoviny zaˇc´ıná obecnou charakteristikou protein˚ u, jejich obsahem v r˚ uzn´ ych organismech (i v rostlinách), jejich obecn´ ym v´ yznamem a také porovnán´ım jejich velikosti s jin´ ymi slouˇceninami uhl´ıku. Tento u ´vod je krátk´ y a struˇcn´ y, neobsahuje ˇzádné pˇrevratné myˇslenky, pokouˇs´ı se vˇsak nahl´ıˇzet na proteiny i z jiného hlediska neˇz chemického, propojuje je s biologi´ı a naˇs´ım bˇeˇzn´ ym ˇzivotem. Amann, Vodráˇzka a Voet dávaj´ı do souvislosti prostorové uspoˇra´dán´ı protein˚ u s evoluc´ı, s postupn´ ym v´ yvojem jednotliv´ ych druh˚ u. Odstrˇcil a Vodráˇzka se zase podrobnˇe vˇenuj´ı imunologii, Odstrˇcil pˇrikládá tabulku s proteiny krevn´ı frakce a popisuje strukturu imunoglobulinu G. U Voeta najdeme velmi mnoho zaj´ımavost´ı, mezi jin´ ymi napˇr. vysvˇetlen´ı pˇr´ıˇciny onemocnˇen´ı zvaného kurdˇeje (v souvislosti s prostorov´ ym uspoˇra´dán´ım kolagenu a s modifikovan´ ymi aminokyselinami). Jak z celého v´ yˇctu vypl´ yvá, chemii s bioˇ arsky, Odstrˇcil, Vodráˇzka a Voet. logi´ı se ve sv´ ych uˇcebnic´ıch pokouˇs´ı propojit Amann, C´ Ostatn´ı uˇcebnice (Ban´ yr, Beneˇsová, Koláˇr, Kotl´ık, Mareˇcek a Vac´ık) se drˇz´ı klasického pojet´ı protein˚ u jako chemick´ ych látek s r˚ uzn´ ymi biologick´ ymi funkcemi, ˇza´dné zaj´ımavosti, ˇza´dné odboˇcky do biologie nebo jin´ ych pˇredmˇet˚ u. (Toto téma se dá propojit i s fyzikou, napˇr. funkce polarimetru, kterou vysvˇetluje Amann, nebo principy r˚ uzn´ ych biochemick´ ych technik, které najdeme u Voeta) Grafick´ e zpracov´ an´ı aminokyselin a protein˚ uvˇ cesk´ ych uˇ cebnic´ıch Na závˇer je zaˇrazeno grafické zpracován´ı témat aminokyseliny a proteiny v jednotliv´ ych uˇcebnic´ıch. Jak bylo naznˇceno v´ yˇse, ˇceské uˇcebnice neb´ yvaj´ı vybaveny kvalitn´ım obraˇ arsky, Koláˇr, Kotl´ık, Mareˇcek a Vac´ık se omezuj´ı zov´ ym materiálem. Ban´ yr, Beneˇsová, C´ je na jednoduchá schémata, která b´ yvaj´ı ˇcernob´ılá (pˇr´ıpadnˇe obohacená o fialovou nebo modrou), velmi zjednoduˇsená, terciárn´ı struktura b´ yvá ˇcasto ukazována jako smotan´ y provázek (obrázek 3.1). V tˇechto uˇcebnic´ıch najdeme vˇzdy znázornˇen´ı peptidové vazby a vzorce kódovan´ ych aminokyselin, k protein˚ um schémata sekundárn´ıch struktur (kromˇe

23

Kotl´ıka, kter´ y nemá u protein˚ u ˇza´dné obrázky). Tˇemito obrázky konˇc´ı Ban´ yr. Ostatn´ı pˇridávaj´ı jeˇstˇe obrázky terciárn´ı struktury a nˇekteˇr´ı i vazby stabilizuj´ıc´ı terciárn´ı strukturu. ˇ arskeho a Vac´ıka se setkáme i s jednoduch´ U C´ ym nákresem procesu denaturace, u Mareˇse se strukturou molekuly inzul´ınu. A to je v podstatˇe vˇse, nejsou zde sice vyjmenovány vˇsechny vzorce, které se jeˇstˇe v tˇechto uˇcebnic´ıch objevuj´ı, nicménˇe ˇza´dné motivaˇcn´ı obrázky nebo obrázky k rozˇsiˇruj´ıc´ımu uˇcivu v nich nenajdeme. Schémata prostorov´ ych uspoˇrádán´ı protein˚ u b´ yvaj´ı tak zjednoduˇsená, ˇze z nich ˇctenáˇr nez´ıská pˇredstavu o tom, jak takov´ y protein vypadá, co je to vlastnˇe za molekulu. A pˇritom proteiny jsou vˇetˇsinou prvn´ım tématem, kdy se studenti s tak sloˇzit´ ym prostorov´ ym uspoˇra´dán´ım, které má pro jejich funkci tak velk´ y v´ yznam, setkávaj´ı. Podle bˇeˇzného uspoˇrádán´ı uˇciva v ˇcesk´ ych uˇcebnic´ıch pˇredcházej´ı proteiny nukleov´ ym kyselinám. Grafické zpracován´ı zbyl´ ych uˇcebnic - Amann, Odstrˇcil, Vodráˇzka, Voet - je o mnoho lepˇs´ı. Vˇsechny obsahuj´ı alespoˇ n nˇekolik barevn´ ych obrázk˚ u nebo i fotografi´ı. Barevné obrázky a fotografie vˇsak nejsou to jediné, co tyto knihy nab´ızej´ı. Je dobˇre pochopitelné, ˇze uˇcebnice, která má b´ yt pro studenty i finanˇcnˇe dostupná, nem˚ uˇze b´ yt plná barevn´ ych fotografi´ı. Amannova, Odstrˇcilova, Vodráˇzkova a Voetova uˇcebnice vˇsak obsahuj´ı mnoho obrázk˚ u, které jsou motivaˇcn´ı, zaj´ımavé, rozˇsiˇruj´ı dané uˇcivo nebo se ho snaˇz´ı pˇribl´ıˇzit na konkrétn´ıch ukázkách. Tak napˇr. u Odstrˇcila najdeme obrázek molekuly oxytocinu a imunoglobulinu G, kromˇe toho schéma dial´ yzy a elektroforézy. Vodráˇzka seznám´ı ˇctenáˇre napˇr. s v´ yvojov´ ym stromem vytvoˇren´ ym podle rozd´ıl˚ u v poˇrad´ı aminokyselinov´ ych zbytk˚ u v enzymu cytochromu c, pomoc´ı obrázku ukáˇze transport kysl´ıku a oxidu uhliˇcitého mezi pl´ıcemi a tkánˇemi, nebo kontrakci svalov´ ych vláken. Amann vysvˇetluje vlastnosti aminokyselin pomoc´ı titraˇcn´ı kˇrivky hydrochloridu glycinu, na molekule peptidu vyznaˇcuje barevnˇe povahu peptidové vazby atd. Tento v´ yˇcet samozˇrejmˇe nen´ı u ´pln´ y. Vypisovat obrázky z Voetovy Biochemie by bylo pˇr´ıliˇs zdlouhavé, nicménˇe jen na ukázku: makroskopická a molekulová struktura vlasu, trojitá ˇsroubovice kolagenu, schemata gelové filtrace, elektroforézy a dial´ yzy, sn´ımky z elektronového mikroskopu (napˇr. pyruvátdehydrogenasy), fotografie kalotov´ ych model˚ u β-skládan´ ych list˚ ua kolagenov´ ych vláken z k˚ uˇze a mnoho dalˇs´ıch. Motivaˇcn´ı funkce zaj´ımav´ ych a neobvykl´ ych obrázk˚ u je nezpochybnitelná, obzvláˇstˇe propojuje-li uˇcivo s nˇeˇc´ım znám´ ym, s nˇeˇc´ım, co se student˚ u t´ yká. U tohoto tématu je vˇsak povaˇzuji za d˚ uleˇzité i proto, ˇze velmi pˇrisp´ıvaj´ı (pokud jsou názorné a srozumitelné) k pochopen´ı dané látky.

24

Obrázek 3.1: Grafické znázornˇen´ı sekundárn´ı a terciárn´ı struktury protein˚ u v naˇsich uˇcebnic´ıch (Ban´ yr, Vac´ık).

3.1.4

Z´ avˇ ery plynouc´ı z hodnocen´ı ˇ cesk´ ych stˇ redoˇ skolsk´ ych uˇ cebnic chemie a biochemie

Z tohoto hodnocen´ı jasnˇe plyne, ˇze nejlépe aminokyseliny a proteiny zpracovávaj´ı uˇcebnice, které u nás nejsou bˇeˇznˇe pouˇz´ıvané, tj. Amann (ukázka grafického zpracován´ı protein˚ u na obrázku 3.2), Vodráˇzka a také Odstrˇcilova skripta pro stˇredn´ı zdravotnické ˇskoly. (Voetova Biochemie nen´ı zaˇrazena, protoˇze se nejedná o stˇredoˇskolskou uˇcebnici.) Vˇsechny ostatn´ı uˇcebnice nebo pˇr´ıruˇcky se pot´ ykaj´ı v zásadˇe se stejn´ ymi problémy (nebo alespoˇ n s velkou ˇca´st´ı z nich): uˇcivo vysvˇetluj´ı izolovanˇe, pouze z chemického pohledu, ˇcasto se zamˇeˇruj´ı jen na základn´ı uˇcivo, nerozˇsiˇruj´ı danou látku o zaj´ımavosti, o praktické pˇr´ıklady, témˇeˇr neobohacuj´ı text o obrázky, a co je moˇzná nejhorˇs´ı, orientuj´ı se pˇredevˇs´ım na znalost fakt, ne na porozumˇen´ı. M´ısto konkrétn´ıch pˇr´ıklad˚ u jednotliv´ ych protein˚ u a vysvˇetlen´ı jejich funkce vyjmenovávaj´ı ˇcasto r˚ uzné skupiny a podskupiny protein˚ u, popisuj´ı skupiny aminokyselin, aniˇz by ukázaly konkrétn´ı vzorce slouˇcenin, které do tˇechto skupin patˇr´ı, kontroln´ımi otázky také vˇetˇsinou provˇeˇruj´ı jen zapamatován´ı látky dané uˇcebnice. Pˇredchoz´ı odstavce vˇsak ukázaly, ˇze i tyto uˇcebnice se v r˚ uzn´ ych ohledech daj´ı hodnotit velmi pozitivnˇe. Témata aminokyseliny a proteiny jsou vˇsak nejlépe zpracována v Amannovˇe, Vodráˇzkovˇe, 25

´ Obrázek 3.2: Uvodn´ ı strana k tématu aminokyseliny a proteiny a ukázka kvartern´ı struktury proteinu (Amann).

Odstrˇcilovˇe a samozˇrejmˇe Voetovˇe uˇcebnici. Celkové shrnut´ı hodnocen´ı je pˇriloˇzeno v tabulce 3.1. V´ ysledek se vˇsak vztahuje pouze ke zpracován´ı témat aminokyseliny a proteiny a je také zamˇeˇren´ y jen na ta kritéria, která byla pro toto hodnocen´ı zvolena.

26

Tabulka 3.1: V´ ysledek hodnocen´ı ˇcesk´ ych stˇredoˇskolsk´ ych uˇcebnic chemie a biochemie. Známky jsou udˇeleny jako ve ˇskole, jedniˇcka vypov´ıdá o nejlepˇs´ım zpracován´ı, ˇctyˇrka

s jin´ ymi pˇ redmˇ ety

Obr´ azky

Pr˚ umˇ er

Integrace chemie

2

3

3

2,5

2

2

2

2

3

2

2,2

pro stˇredn´ı ˇskoly

3

2

3

3

3

3

2,8

Odstrˇcil - Biochemie ˇ arsky - Chemie pro C´

1

4

4

1

2

2

2,3

III. roˇcn´ık gymnázi´ı

1

2

1

2

2

3

1,8

1

4

4

3

4

2

3

2

4

4

2

3

3

3

1

4

4

3

3

4

3,2

1

1

1

1

1

1

1

1

4

4

1

1

1

2

ˇ zivota

3

pˇ r´ıklady ze

3

Zaj´ımavosti a

Ot´ azky a u ´ koly

1

Uˇ cebnice

N´ avody na

Z´ akladn´ı uˇ civo

praktick´ a cviˇ cen´ı

oznaˇcuje absenci daného prvku v uˇcebnici.

Mareˇcek - Chemie pro ˇctyˇrletá gymnázia Koláˇr - Chemie organická a biochemie Ban´ yr - Chemie

Vac´ık - Pˇrehled stˇredoˇskolské chemie Beneˇsová Odmaturuj z chemie Kotl´ık Chemie II v kostce Amann - Chemie pro stˇredn´ı ˇskoly 2b Vodráˇzka Biochemie..

27

Legenda k tabulce 3.1: • Základn´ı uˇcivo: toto kritérium hodnot´ı obsahovou správnost, pˇr´ıpadnˇe v´ yskyt chyb, dále naplnˇen´ı základn´ıho uˇciva t´ ykaj´ıc´ıho se tématu aminokyseliny a proteiny, pˇr´ıtomnost základn´ıch definic a pojm˚ u a hlavnˇe jejich vysvˇetlen´ı. Známkován´ı je jako ve ˇskole, nejkvalitnˇejˇs´ı zpracován´ı oznaˇcuje ˇc´ıslo 1, chyby a dalˇs´ı nedostatky ve v´ ykladu uˇciva by byly oznaˇceny ˇc´ıslem 4. • Otázky a u ´koly a návody na praktická cviˇcen´ı: pokud se v uˇcebnici ˇza´dné otázky a u ´koly, ˇci návody na praktická cviˇcen´ı nevyskytuj´ı, hodnot´ım ˇctyˇrkou. Ostatn´ı známky vyjadˇruj´ı u ´roveˇ nu ´kol˚ u, zda pouze provˇeˇruj´ı zapamatován´ı fakt˚ u (3), nebo vyˇzaduj´ı i aplikaci znalost´ı. Nejv´ yˇse hodnocené je kombinace r˚ uzn´ ych typ˚ uu ´loh a zaˇrazen´ı u ´loh problémov´ ych. • Zaj´ımavosti a pˇr´ıklady ze ˇzivota: známky poukazuj´ı na mnoˇzstv´ı zaj´ımav´ ych a doplˇ nuj´ıc´ıch informac´ı a na jejich propojen´ı s bˇeˇzn´ ym ˇzivotem nebo se zkuˇsenostmi a zájmy ˇza´k˚ u. Jedniˇcka oznaˇcuje maximum zaj´ımavost´ı souvisej´ıc´ıch s ˇzivotem student˚ u, pokud se v uˇcebnici ˇza´dné zaj´ımavosti a doplˇ nuj´ıc´ı informace nevyskytuj´ı, obdrˇz´ı kniha ˇc´ıslo 4. • Integrace chemie s jin´ ymi pˇr´ırodovˇedn´ ymi pˇredmˇety (pˇreváˇznˇe s biologi´ı): známka 1 opˇet vyjadˇruje ideáln´ı a maximáln´ı propojen´ı daného tématu s ostatn´ımi pˇr´ırodovˇedn´ ymi pˇredmˇety, ukazován´ı souvislost´ı, vysvˇetlován´ı nejen pomoc´ı chemické terminologie atd. Pokud z´ıskala uˇcebnice známku 4 a 3, zamˇeˇrila se pˇreváˇznˇe jen na chemii. • Obrázky: toto kritérium nehodnot´ı pouze mnoˇzstv´ı obrázk˚ u, ale i jejich kvalitu, v´ ypovˇedn´ı hodnotu, splnˇen´ı jejich motivaˇcn´ı u ´lohy v uˇcebnic´ıch, jejich aktuálnost (v dneˇsn´ı dobˇe si nevystaˇc´ıme jen s ˇcernob´ıl´ ymi nákresy). 1 opˇet vyjadˇruje nejlepˇs´ı grafické zpracován´ı tématu aminokyseliny a proteiny, 4 zpracován´ı nedostateˇcné. • Voetova Biochemie nen´ı do tabulky zahrnuta, protoˇze se nejedná o stˇredoˇskolskou uˇcebnici.

28

3.1.5

Inspirace ze zahraniˇ c´ı

Na závˇer je pˇriloˇzen krátk´ y popis nˇemecké uˇcebnice Fokus Biologie (m˚ uˇzeme pˇreloˇzit jako Zaostˇreno na biologii), pˇrestoˇze je to uˇcebnice biologie a v Nˇemecku je také pˇri v´ yuce biologie pouˇz´ıvána. Kniha je rozdˇelena na tˇri hlavn´ı kapitoly: Strukturn´ı a energetické základy ˇzivota, Genetika a genové inˇzen´ yrstv´ı a Nervové zpracován´ı informac´ı. Proteiny a aminokyseliny najdeme v prvn´ı a druhé kapitole. Nen´ı zde vˇsak pouze vysvˇetlen jejich v´ yskyt v organismu nebo jejich funkce, uˇcebnice popisuje také chemickou povahu aminokyselin ˇ aˇr se seznám´ı se vznikem peptidové vazby, s typick´ a protein˚ u. Cten´ ymi zástupci aminokyselin reprezentuj´ıc´ımi jejich jednotlivé skupiny (rozdˇelené klasicky podle povahy jejich postrann´ıho ˇretˇezce), stejnˇe jako s prostorov´ ym uspoˇrádán´ım protein˚ u. Kromˇe základn´ıch informac´ı, které poskytuj´ı i naˇse uˇcebnice organické chemie nebo biochemie, uvád´ı tato i principy skládán´ı protein˚ u v závislosti na postrann´ıch ˇretˇezc´ıch aminokyselin, coˇz ukazuje na podrobnˇe probran´ ych membránov´ ych a signáln´ıch proteinech. Najdeme zde mnoho barevn´ ych obrázk˚ u protein˚ u a model˚ u enzym˚ u, spolu napˇr. se schématem centrifugace, barevn´ ymi fotografiemi bunˇek z elektronového mikroskopu a mnoho dalˇs´ıch (ukázka dvou stránek z této uˇcebnice na obrázku 3.3). Z uˇciva chemie pokr´ yvá tato uˇcebnice aminokyseliny a proteiny dostateˇcnˇe (jediné, co chyb´ı oproti základu v naˇsich uˇcebnic´ıch, je vysvˇetlen´ı optické aktivity aminokyselin). Toto téma ale poj´ımá u ´plnˇe jinak, zasazuje ho do kontextu stavby a funkce bunˇek a uplatnˇen´ı genetické informace. Pˇrestoˇze je to uˇcebnice biologie, nevyh´ ybá se pouˇz´ıván´ı chemick´ ych vzorc˚ u, vysvˇetluje biologické jevy na základˇe chemické podstaty z´ uˇcastnˇen´ ych látek. Integruje pˇredmˇety biologie a chemie. Kromˇe toho je velmi krásná, plná barevn´ ych obrázk˚ u a fotografi´ı (jak demonstraˇcn´ıch tak motivaˇcn´ıch), otázek a u ´kol˚ u, které uˇz jsou ale nároˇcnˇejˇs´ı (studenti maj´ı napˇr. sami naplánovat nˇejak´ y experiment), návod˚ u na laboratorn´ı praktika nebo odkaz˚ u na jiné ˇca´sti uˇcebnice. Pro studenty ˇcesk´ ych ˇskol tato uˇcebnice dostupná nen´ı, m˚ uˇzeme se j´ı nechat alespoˇ n inspirovat pˇri tvorbˇe dalˇs´ıch materiál˚ u.

29

Obrázek 3.3: V zahraniˇcn´ıch uˇcebnic´ıch b´ yvá obrázk˚ um vˇenováno témˇeˇr stejnˇe m´ısta jako textu (nˇemecká uˇcebnice Fokus Biologie).

30

3.1.6

Seznam hodnocen´ ych uˇ cebnic

1. Mareˇcek, A.; Honza, J. Chemie pro ˇctyˇrletá gymnázia 3. d´ıl. Olomouc: Nakladatelstv´ı Olomouc, 2000. 2. Koláˇr, K. a kol. Chemie organická a biochemie. Praha: SPN, 2005. 3. Ban´ yr, P.; Beneˇs, J. Chemie pro stˇredn´ı ˇskoly. Praha: SPN, 1995. 4. Odstrˇcil, J. Biochemie, Uˇcebn´ı text pro stˇredn´ı zdravotnické ˇskoly. Brno: Institut pro dalˇs´ı vzdˇeláván´ı pracovn´ık˚ u ve zdravotnictv´ı, 1995. ˇ arsky, J. a spol. Chemie pro III. Roˇcn´ık gymnázi´ı. Praha: SPN, 1990. 5. C´ 6. Vac´ık, J. a kol. Pˇrehled stˇredoˇskolské chemie. Praha: SPN, 1995. 7. Beneˇsová, M.; Satrapová, H. Odmaturuj z chemie. Brno: DIDAKTIS, 2002. 8. Kotl´ık, B.; R˚ uˇziˇcková, K. Chemie II v kostce pro stˇredn´ı ˇskoly - organická chemie a biochemie. Havl´ıˇck˚ uv Brod: Fragment, 1997. 9. Amann, W. a kol. Chemie pro stˇredn´ı ˇskoly 2b. Praha: Scienita 2000. 10. Vodráˇzka, Z. Biochemie pro studenty stˇredn´ıch ˇskol a vˇsechny, které láká tajemstv´ı ˇzivé pˇr´ırody. Praha: Scientia, 1998. 11. Brott, A. a kol. Fokus Biologie, 11. Berlin: Cornelsen, 2009.

31

3.2

V´ yukov´ e materi´ aly

Za u ´ˇcelem podpory v´ yuky biochemie na stˇredn´ıch ˇskolách byly po d˚ ukladné anal´ yze zpracován´ı témat aminokyseliny a proteiny v ˇcesk´ ych stˇredoˇskolsk´ ych uˇcebnic´ıch pˇripraveny v´ yukové materiály, které by mˇely slouˇzit jako doplnˇek k bˇeˇznˇe pouˇz´ıvan´ ym uˇcebnic´ım. ˇ e reTyto materiály by mˇely b´ yt v souladu se stávaj´ıc´ımi standardy vzdˇeláván´ı v Cesk´ publice, s RVP. Jejich podoba pˇr´ımo vypl´ yvá z anal´ yzy ˇcesk´ ych uˇcebnic. C´ılem tˇechto materiál˚ u bylo: • zpracovat téma aminokyseliny a proteiny v takové grafické podobˇe, která odpov´ıdá souˇcasnému stupni poznán´ı a dostupn´ ym technick´ ym moˇznostem; vytvoˇrit motivaˇcn´ı, ale i didakticky nosné obrázky, schémata, modely dan´ ych látek (viz PPT prezentace, Plakát kódovan´ ych aminokyselin a 3D modely molekul protein˚ u) • propojit dané téma s jin´ ymi pˇredmˇety neˇz je chemie, pˇreváˇznˇe s biologi´ı, ale pomoc´ı pˇr´ıklad˚ u konkrétn´ıch slouˇcenin i s bˇeˇzn´ ym ˇzivotem a obohatit toto téma o zaj´ımavosti (viz Rozˇsiˇruj´ıc´ı texty) • problematiku skládán´ı a prostorového uspoˇrádán´ı protein˚ u dát do souvislosti s denaturac´ı, s jej´ım dopadem na strukturu a protein˚ u; vyuˇz´ıt proces denaturace protein˚ u pro lepˇs´ı vysvˇetlen´ı struktury a správné funkce protein˚ u (viz Protokoly k laboratorn´ımu cviˇcen´ı na téma denaturace protein˚ u a animace denaturace a vysolován´ı) • pomoc´ı obrázk˚ u, animac´ı a zaj´ımavost´ı motivovat studenty ke studiu tématu aminokyseliny a proteiny.

3.2.1

Prezentace vyroben´ a v programu PowerPoint

Základn´ı jednotkou v´ yukového materiálu vytvoˇreného v rámci této diplomové práce je ˇ powerpointová prezentace (PPT prezentace). Skoly uˇz v dneˇsn´ı dobˇe b´ yvaj´ı vybavené modern´ı didaktickou technikou. V´ yzkum technické vybavenosti základn´ıch a stˇredn´ıch ˇskol provádˇen´ y v roce 2000 ukázal, ˇze aˇz 90% ˇcesk´ ych stˇredn´ıch ˇskol vlastn´ı poˇc´ıtaˇcovou techniku, ˇze uˇcitelé i ˇzaći jsou zvykl´ı s n´ı pracovat. Pˇresto neb´ yvá vyuˇzito vˇse, co mohou poˇc´ıtaˇce ˇskolám nab´ıdnout. Hlavn´ım problém tedy nen´ı nedostatek poˇc´ıtaˇc˚ u, ale pˇredevˇs´ım zaˇrazen´ı v´ ypoˇcetn´ı techniky do bˇeˇzné v´ yuky a také nedostatek ˇcasu a mnohdy i nezájem uˇcitel˚ u o pˇr´ıpravu materiál˚ u [16]. Materiály pˇripravené pro tuto práci vyuˇz´ıvaj´ı v´ ypoˇcetn´ı techniku a budou snad v budoucnu dostupné pro uˇcitele stˇredn´ıch ˇskol. Pouˇzit´ı PPT 32

prezentace je pro uˇcitele levnou (maj´ı-li ve ˇskole potˇrebné vybaven´ı) a pohodlnou moˇznost´ı pˇredkládán´ı daného uˇciva. Prezentace m˚ uˇze zˇcásti nahradit i tabuli, d˚ uleˇzité pojmy a definice vyznaˇcuje v bodech, jasnˇe a struˇcnˇe. M˚ uˇze také, pokud je zaj´ımavˇe a peˇclivˇe pˇripravená, studenty motivovat k uˇcen´ı. Pˇri pouˇzit´ı prezentac´ı nesm´ıme vˇsak zapom´ınat na to, ˇze doprovodné slovo uˇcitele je vˇzdy nezbytné [17]. Prezentace také vˇetˇsinou doprováz´ı v´ yklad uˇcitele (alespoˇ n tato prezentace je k tomu u ´ˇcelu pˇripravovaná), takˇze by se uˇcitelé nemˇeli pˇri pˇr´ıpravˇe na v´ yuku spoléhat jen na ni. V´ yklad (aˇc doplnˇen´ y sebelepˇs´ım a velmi motivuj´ıc´ım materiálem) je metoda, od které se v posledn´ı dobˇe ustupuje, nese s sebou mnoho problém˚ u. Nezapojuje studenty do hodiny, klade pˇr´ıliˇs vysoké nároky na jejich pozornost, nezohledˇ nuje rozd´ıly mezi nimi, nenut´ı je pouˇz´ıvat z´ıskané znalosti atd. Proto je tˇreba i pouˇz´ıván´ı prezentac´ı stˇr´ıdat s jin´ ymi didaktick´ ymi prostˇredky, dát student˚ um pˇr´ıleˇzitost aktivnˇe uplatˇ novat znalosti a dovednosti [11]. Obsah prezentace Prezentace by mˇela poslouˇzit pro kompletn´ı v´ yklad témat aminokyseliny a proteiny. Rozsah byl upraven podle naˇsich uˇcebnic a podle stávaj´ıc´ıch kurikulárn´ıch dokument˚ u – ˇ en´ı je také klasické, dodrˇzuje v podstatˇe stejn´ Rámcov´ ych vzdˇelávac´ıch program˚ u. Clenˇ y postup jako vˇetˇsina stˇredoˇskolsk´ ych uˇcebnic. Toto ˇclenˇen´ı bylo zvoleno pˇreváˇznˇe proto, ˇze b´ yvá logické a uˇcitelé jsou na nˇej zvykl´ı. Zvolen´ı jiného ˇrazen´ı uˇciva by mohlo uˇcitele i studenty sp´ıˇse zmást. Prezentace zaˇc´ıná tématem aminokyseliny. Pˇripom´ıná obecn´ y vzorec aminokyselin, jejich zaˇrazen´ı do systému organick´ ych látek jako deriváty karboxylov´ ych kyselin. Jako analogii s D- a L- glyceraldehydem ukazuje v organismech zastoupen´ y optick´ y izomer aminokyselin. Pomoc´ı rotuj´ıc´ıch optick´ ych izomer˚ u alaninu se snaˇz´ı názornˇe pˇribl´ıˇzit rozd´ıl mezi tˇemito molekulami. Dále vysvˇetluje pojem izoelektrick´ y bod a ukazuje, v jakém prostˇred´ı a jak´ ym zp˚ usobem se z elektroneutráln´ıch aminokyselin tvoˇr´ı kationty a anionty. Potud se prezentace naprosto shoduje se stˇredoˇskolsk´ ymi uˇcebnicemi. Dalˇs´ım bodem jsou vˇsak kódované aminokyseliny rozˇs´ıˇrené o aminokyselinu selenocystein (Sec), kterou naˇse uˇcebnice neuvádˇej´ı. Do prezentace je zahrnuta jako zaj´ımavost a doplnˇen´ı informac´ı. Kódovan´ ych aminokyselin je 21, nen´ı d˚ uvod uvádˇet vˇzdy jen 20 [18]. Ve zkratce je poukázáno na funkci selenocysteinu v organismech. Hlavn´ı funkc´ı aminokyselin (jak uvádˇej´ı stˇredoˇskolské uˇcebnice) je tvorba protein˚ u. Pro skládán´ı protein˚ u je urˇcuj´ıc´ı povaha postrann´ıch ˇretˇezc˚ u aminokyselin. Aminokyseliny jsou v prezentaci rozdˇeleny do

33

Obrázek 3.4: Rozdˇelen´ı aminokyselin do skupin podle povahy postrann´ıho ˇretˇezce.

ˇctyˇr skupin na aminokyseliny: s hydrofobn´ım, polárn´ım, zásadit´ ym a kysel´ ym postrann´ım ˇretˇezcem. Ke kaˇzdé skupinˇe je ukázáno pár pˇr´ıklad˚ u s vyznaˇcen´ ym postrann´ım ˇretˇezcem (ukázka na obrázku 3.4). Vliv na skládán´ı protein˚ u je podrobnˇeji popsán n´ıˇze, nicménˇe prezentaci doprováz´ı v´ ykladov´ y text vysvˇetluj´ıc´ı detailnˇeji tuto problematiku (viz kapitola 3.2.2). Na závˇer této ˇcásti t´ ykaj´ıc´ı se aminokyselin je upozornˇeno jeˇstˇe na r˚ uzné funkce aminokyselin v organismech, protoˇze ty b´ yvaj´ı v uˇcebnic´ıch pˇrehl´ıˇzeny. Pˇrechod od aminokyselin k peptid˚ um a protein˚ um zajiˇst’uje vznik a vlastnosti peptidové vazby. Kromˇe rovnice vzniku peptidové vazby je uveden také jej´ı charakter, vlastnosti (obrázek 3.5) a m´ısto vzniku. Proteosyntéza byla nad rámec této prezentace, drobná zm´ınka o n´ı vˇsak k protein˚ um patˇr´ı. Pˇrestoˇze peptidy nejsou tak v´ yznamnou skupinou látek jako proteiny, nem˚ uˇze je uˇcebn´ı materiál k tomuto tématu vynechat. Proto zaˇc´ıná ˇca´st t´ ykaj´ıc´ı se protein˚ u právˇe názvoslov´ım peptid˚ u, uvád´ı nˇekolik pˇr´ıklad˚ u v´ yznamn´ ych peptid˚ u. Na pˇr´ıkladu glutathionu je ukázáno, jak´ ym zp˚ usobem mohou látky v organismech fungovat jako redukˇcn´ı ˇcinidla (rovnice oxidace glutathionu). Téma proteiny je zamˇeˇreno pˇreváˇznˇe na jejich prostorové uspoˇra´dán´ı. Zaˇc´ıná vysvˇetlen´ım pojmu nativn´ı konformace a snaˇz´ı se vysvˇetlit, ˇze prostorové uspoˇra´dán´ı protein˚ u je urˇcuj´ıc´ı pro jejich funkci. Zároveˇ n dává prostorové uspoˇra´dán´ı protein˚ u do souvislosti 34

Obrázek 3.5: Charakter peptidové vazby vysvˇetlován pomoc´ı tautomer˚ u dipeptidu.

s postrann´ımi ˇretˇezci aminokyselin tvoˇr´ıc´ıch základn´ı polypeptidov´ y ˇretˇezec. Prostorové uspoˇrádán´ı protein˚ u je rozdˇeleno klasicky na primárn´ı, sekundárn´ı, terciárn´ı a kvartern´ı strukturu (na obrázku 3.6 je ukázka u ´vodn´ı stránky k prostorovému uspoˇrádán´ı protein˚ u). Ke kaˇzdé struktuˇre jsou uvedeny (a na obrázc´ıch ukázány) vazby, které ji stabilizuj´ı a tvoˇr´ı. Ke kaˇzdé struktuˇre je také uveden pˇr´ıklad nˇejakého konkrétn´ıho proteinu, kter´ y tuto strukturu vystihuje (napˇr. molekula keratinu nebo kolagenu, kter´ y sice neobsahuje α-helix, ale je tvoˇren tˇremi ˇsroubovicemi jiného typu, nebo molekulu trypsinu v rámci terciárn´ı struktury jako kombinaci struktur sekundárn´ıch). Primárn´ı struktura, v´ yznam zastoupen´ı a poˇrad´ı jednotliv´ ych aminokyselin v základn´ım polypeptidovém ˇretˇezci jsou demonstrovány na pˇr´ıkladu nemoci srpkovité anemie (viz zaj´ımavosti srpkovitá anemie). S nativn´ı konformac´ı také u ´zce souvis´ı denaturace, ztráta prostorového uspoˇra´dán´ı. V ˇcesk´ ych stˇredoˇskolsk´ ych uˇcebnic´ıch b´ yvá denaturace skoro aˇz vynechána, proto se j´ı tato práce vˇenuje d˚ ukladnˇeji (viz návody na laboratorn´ı cviˇcen´ı, animace denaturace a vysolován´ı, doprovodn´ y text k prezentaci). Souˇca´st´ı prezentace je vysvˇetlen´ı rozd´ılu mezi denaturac´ı a vysolován´ım protein˚ u, stejnˇe jako vyuˇzit´ı tˇechto proces˚ u v praxi (vaˇren´ı a tráven´ı potravy, izolace protein˚ u). Nativn´ı konformace protein˚ u nen´ı rigidn´ı struktura, proto na pˇr´ıkladu hemoglobinu a svalového stahu (viz zaj´ımavosti) ukazuji jejich promˇenlivost. 35

Obrázek 3.6: R˚ uzné u ´rovnˇe pohledu na proteiny a z nich plynouc´ı struktury protein˚ u.

Závˇer tématu proteiny tvoˇr´ı ukázky nˇekolika skupin protein˚ u podle jejich tvaru, sloˇzen´ı a funkce v organismu. Ke kaˇzdé skupinˇe se snaˇz´ı uvést nˇekolik pˇr´ıklad˚ u takov´ ych protein˚ u a alespoˇ n trochu pˇribl´ıˇzit jejich v´ yznam a u ´lohu v organismu. Kromˇe klasick´ ych skupin, vyjmenovan´ ych ve vˇsech uˇcebnic´ıch (napˇr. proteiny jednoduché a sloˇzené, biokatalyzátory nebo strukturn´ı proteiny), jsou zaˇrazeny i proteiny pohybové, signáln´ı, receptorové a proteinové jedy. Tento v´ yˇcet samozˇrejmˇe nen´ı u ´pln´ y, proteiny maj´ı jeˇstˇe mnoho a mnoho jin´ ych funkc´ı. V´ yhody prezentace ve v´ yuce Hlavn´ı v´ yhoda této prezentace (a prezentac´ı obecnˇe) tkv´ı v obohacen´ı o mnoho ilustraˇcn´ıch materiál˚ u. Prezentaci nemus´ıme tisknout, m˚ uˇzeme tedy pouˇz´ıt mnoho barevn´ ych obrázk˚ u a fotografi´ı, které budou studenty motivovat a zároveˇ n snad pˇrispˇej´ı k hlubˇs´ımu porozumˇen´ı látky. Pokud nen´ı v uˇcebnˇe pˇr´ıtomen dataprojektor, m˚ uˇze uˇcitel prezentaci vytisknout na folie a prom´ıtat pˇres meotar. Tato prezentace se zamˇeˇruje na obrázky jednotliv´ ych struktur a r˚ uzn´ ych molekul protein˚ u. Obrázky byly vytváˇreny ve volnˇe dostupn´ ych programech Chemsketch a DS visualiser. Ze zaj´ımavˇejˇs´ıho obrazového materiálu objevuj´ıc´ıho se v prezentaci je uvedeno jen nˇekolik: animované rotuj´ıc´ı molekuly L a D α-alaninu, 36

Obrázek 3.7: Interakce aktinov´ ych a myosinov´ ych vláken jako ukázka zmˇeny prostorového uspoˇrádán´ı protein˚ u napˇr. po navázán´ı molekuly ATP.

model molekuly Sec, glutathion peroxidasy, peptidu s vyznaˇcen´ ymi rovinami peptidové vazby, modely molekul r˚ uzn´ ych protein˚ u (napˇr. trypsin, kolagen a dalˇs´ı), znázornˇen´ı interakc´ı stabilizuj´ıc´ıch terciárn´ı strukturu nebo obrázek aktinov´ ych a myosinov´ ych vláken (obrázek 3.7). Dalˇs´ı v´ yhodou PPT prezentace je moˇznost editace. Uˇcitelé, kteˇr´ı ji budou pouˇz´ıvat si mohou upravit nejen samotnou prezentaci, ale (budou-li m´ıt potˇrebn´ y software) i jednotlivé obrázky podle sv´ ych potˇreb. Pouˇzit´ı takové prezentace by mˇelo zajistit i vˇetˇs´ı motivovanost student˚ u, pokud vˇsak uˇcitel podobné prezentace nezaˇrazuje do v´ yuky pˇr´ıliˇs ˇcasto [10].

3.2.2

Doprovodn´ y text k prezentaci

Jak bylo uvedeno v´ yˇse, PPT prezentace sama o sobˇe k v´ yuce nestaˇc´ı. V hodinˇe budou studenti potˇrebovat doprovodné slovo uˇcitele, pro ty, kteˇr´ı se podle n´ı budou cht´ıt sami uˇcit, je pˇriloˇzen doplˇ nuj´ıc´ı text. Text je ponˇekud obsáhlejˇs´ı, látka je v nˇem probrána podrobnˇeji neˇz b´ yvá ve stˇredoˇskolsk´ ych uˇcebnic´ıch. Nen´ı také urˇcen pro studenty stˇredn´ıch ˇskol, ale sp´ıˇse pro uˇcitele, pˇr´ıpadnˇe pro ty, kteˇr´ı se chtˇej´ı biochemii vˇenovat v´ıce. V´ yhodou

37

by mohlo b´ yt, ˇze text nen´ı zase tak podrobn´ y jako ve vysokoˇskolsk´ ych uˇcebnic´ıch, ale snaˇz´ı se pˇredevˇs´ım doplnit informace a vysvˇetlen´ı, která v PPT prezentaci chyb´ı. Tento text navazuje na prezentaci, odkazuje se na ni, vysvˇetluje a rozˇsiˇruje vˇsechna témata, vˇsechny pojmy v prezentaci uvedené, rozˇsiˇruje ji o nˇekteré souvislosti a pˇr´ıklady konkrétn´ıch aminokyselin a protein˚ u. Tyto dva materiály by bylo ideáln´ı pouˇz´ıvat dohromady. Z hodnocen´ı ˇcesk´ ych stˇredoˇskolsk´ ych uˇcebnic vypl´ yvá, ˇze v nich ˇcasto chyb´ı vysvˇetlen´ı: v´ yznamu aminokyselin v organismu; souvislosti chemické povahy postrann´ıch ˇretˇezc˚ u aminokyselin s prostorov´ ym uspoˇra´dán´ım protein˚ u; vlastnost´ı peptidové vazby; prostorového uspoˇrádán´ı protein˚ u; denaturace (viz kapitola 3.1). Uˇcebnice také vˇetˇsinou neposkytuj´ı mnoho ukázek konkrétn´ıch peptid˚ u a protein˚ u a jejich stavby a funkce. A obecnˇe nedávaj´ı do souvislost´ı r˚ uzné pˇr´ırodovˇedné pˇredmˇety, v daném pˇr´ıpadˇe hlavnˇe chemii s biologi´ı. Právˇe na tyto nedostatky je v´ ykladov´ y text zamˇeˇren. (Text nen´ı doplnˇen témˇeˇr o ˇza´dné obrázky, protoˇze se pˇredpokládá, ˇze bude vyuˇz´ıván spolu s prezentac´ı, která se naopak soustˇred´ı na zaˇrazen´ı obrazového materiálu.) Vzhledem k tomu, ˇze tento materiál byl vytvoˇren jako doprovodn´ y text k prezentaci, nebude zde popisován cel´ y. V zásadˇe se snaˇz´ı objasnit vˇse, co bylo byt’ tˇreba jen naznaˇceno v prezentaci. Nˇekteré informace a pˇr´ıklady jsou v nˇem vˇsak nav´ıc, proto jsou uvedeny i zde. ˇ ast textu je vˇenovaná postrann´ım ˇretˇezc˚ C´ um aminokyselin. Skupiny, do kter´ ych m˚ uˇzeme kódované aminokyseliny rozdˇelit podle povahy postrann´ıch ˇretˇezc˚ u, ukazuje i prezentace. V textu je vˇsak popsáno jak mohou jednotlivé ˇretˇezce vypadat, jaké atomy ˇci funkˇcn´ı skupiny se v nich mohou vyskytovat a jak´ ym zp˚ usobem mohou ovlivnit chován´ı ˇci skládán´ı protein˚ u. Pˇri popisu sekundárn´ı struktury je také vysvˇetleno, proˇc napˇr. aminokyselina prolin nen´ı vhodná pro stavbu α-ˇsroubovice. Co se aminokyselin t´ yˇce, ˇceské uˇcebnice také ˇcasto opom´ıjej´ı jejich v´ yznam pro organismus, obvykle uvádˇej´ı jen tvorbu protein˚ u. Aminokyseliny maj´ı vˇsak v organismech mnoho jin´ ych u ´loh. Ty jsou ˇca´steˇcnˇe popsány i v prezentaci, v doprovodném textu je vˇsak podrobnˇeji popsáno, jaké funkce mohou aminokyseliny a jejich deriváty zastávat. Pˇres vznik a vlastnosti peptidové vazby pˇrecház´ı text k peptid˚ um. Popisuje jejich názvoslov´ı a také funkci a v´ yznam nˇekter´ ych peptid˚ u. Vysvˇetluje také pˇr´ıpadné praktické pouˇzit´ı nˇekter´ ych peptid˚ u jako vakc´ın proti vir˚ um nebo bakteri´ım. V ˇca´sti t´ ykaj´ıc´ı se protein˚ u jsou podrobnˇeji popsané jednotlivé u ´rovnˇe prostorového uspoˇra´dán´ı protein˚ u, vazby, které je stabilizuj´ı, pˇr´ıklady konkrétn´ıch protein˚ u, vˇse je v bodech uvedeno i v prezentaci. Nav´ıc je pˇridán jeˇstˇe princip pˇrenosu kysl´ıku hemoglobinem jako pˇr´ıklad toho, ˇze proteiny jsou flexibiln´ı látky schopné mˇenit v rámci své funkce svoji 38

strukturu. Jak bylo ˇreˇceno, denaturace protein˚ u je u ´stˇredn´ım tématem této práce, a to z nˇekolika ˇ e stˇredoˇskolské uˇcebnice tento dˇej vˇetˇsinou dostateˇcnˇe nevysvˇetluj´ı, neud˚ uvod˚ u. Cesk´ kazuj´ı jeho aplikaci v kaˇzdodenn´ım ˇzivotˇe. Pˇresto povaˇzuji toto vysvˇetlen´ı za d˚ uleˇzité, protoˇze právˇe denaturace je d˚ ukazem toho, ˇze prostorové uspoˇra´dán´ı protein˚ u podmiˇ nuje jejich funkci, ˇze pouze v nativn´ım stavu jsou schopné vykonávat své u ´lohy v organismu. S denaturac´ı se také kaˇzd´ y student ve svém ˇzivotˇe setkává, tento znám´ y dˇej posouvá uˇcivo o jednotliv´ ych prostorov´ ych strukturách a uspoˇrádán´ı protein˚ u do oblasti nám vˇsem bl´ızké – potrava, zaˇz´ıvan´ı, vaˇren´ı. Nakonec chemické experimenty zamˇeˇrené na denaturaci a také na vysolován´ı protein˚ u jsou velmi jednoduché, daj´ı se rychle a snadno provést i v laboratoˇr´ıch, které nejsou dobˇre vybavené. A jejich vysvˇetlen´ı by mˇelo b´ yt pro studenty srozumitelné i na molekulárn´ı u ´rovni (i kdyˇz jen zjednoduˇsenˇe). Proto se denaturaci vˇenuje v´ıce do hloubky i doprovodn´ y text k prezentaci. Popisuje ji na pˇr´ıkladu denaturace pomoc´ı moˇcoviny. Tento proces vysvˇetluje na základˇe povahy postrann´ıch ˇretˇezc˚ u aminokyselin a jejich interakc´ı s molekulami rozpouˇstˇedla (v tomto pˇr´ıpadˇe vody), denaturaˇcn´ıho ˇcinidla (moˇcoviny) a s ostatn´ımi denaturovan´ ymi molekulami protein˚ u. Poukazuje také na v´ yznam denaturace pˇri tepelném zpracován´ı a p˚ usoben´ı kyselého prostˇred´ı v ˇzaludku na proteiny v potravˇe.Na závˇer je detailnˇeji popsán pojem vysolován´ı. Dále uˇz doprovodn´ y text nepˇrináˇs´ı nic, co by se v prezentaci nevyskytovalo. Ve zkratce jen zmiˇ nuje membránové proteiny, jako hlavn´ı sloˇzku bunˇeˇcn´ ych membrán, receptory a kanály, umoˇzn ˇuj´ıc´ı pr˚ uchod mnoha r˚ uzn´ ym látkám skrz bunˇeˇcné membrány.

3.2.3

Rozˇ siˇ ruj´ıc´ı texty

Kromˇe základn´ıho uˇciva m˚ uˇze uˇcitel doplˇ novat sv˚ uj v´ yklad o r˚ uzné zaj´ımavosti, konkrétn´ı pˇr´ıklady ze ˇzivota. Takové informace probouzej´ı zájem student˚ u, zvyˇsuj´ı jejich motivaci k uˇcen´ı [11]. Proto je tato práce doplnˇena o nˇekolik text˚ u zamˇeˇren´ ych na urˇcité téma. Téma vˇzdy souvis´ı s dan´ ym uˇcivem (s aminokyselinami nebo proteiny), snaˇz´ı se vˇsak látku propojit s bˇeˇzn´ ymi ˇzivotn´ımi situacemi, poukázat na nˇeco zaj´ımavého, vysvˇetlit princip jev˚ u, které jsou student˚ um známy, ale jejichˇz podstatˇe nerozumˇej´ı. C´ılem nen´ı, aby uˇcitel zaˇradil do v´ yuky vˇsechny tyto texty, a pak je jeˇstˇe pouˇzil jako podklad pro zkouˇsen´ı. To v ˇzádném pˇr´ıpadˇe. Texty obsahuj´ı doplˇ nuj´ıc´ı informace, které by student˚ um mˇely sp´ıˇse pomoci, aby porozumˇeli základn´ımu uˇcivu. Jsou také doplnˇeny o soubor otázek nebo u ´kol˚ u pro pˇr´ıpad, ˇze by je uˇcitel chtˇel pouˇz´ıt jako aktivizuj´ıc´ı pom˚ ucku. Studenti si pˇreˇctou text,

39

a pak, stále s jeho pomoc´ı, vyˇreˇs´ı otázky, které by ideálnˇe mˇely vést k diskuzi na dané téma. Tomu napomáhá fakt, ˇze na otázky se nˇekdy nedá jednoznaˇcnˇe odpovˇedˇet, u ´myslnˇe nab´ızej´ı zavádˇej´ıc´ı, nesprávná ˇreˇsen´ı, o kter´ ych pak m˚ uˇze uˇcitel se ˇzáky diskutovat. Tyto doprovodné texty m˚ uˇzeme rozdˇelit do dvou skupin; jedny se t´ ykaj´ı aminokyselin, druhé protein˚ u. V prvn´ım okruhu najdeme pov´ıdán´ı s otázkami o: • selenocysteinu, jakoˇzto 21. aminokyselinˇe, objevené nejpozdˇeji ze vˇsech kódovan´ ych aminokyselin, látce d˚ uleˇzité pro správnou ˇcinnost nˇekter´ ych enzym˚ u [32, 33] • esenciáln´ıch aminokyselinách z pohledu jin´ ych ˇzivoˇcich˚ u neˇz ˇclovˇeka a v souvislosti s onemocnˇen´ım fenylketonurie (citace v textu; obrázek 3.8 ukazuje biosyntézu aminokyseliny tyrosinu z fenylalaninu) • kyselinˇe glutamové a jej´ıch derivátech – glutamáty vyvolávaj´ıc´ı pátou chut’ umami a jako pˇr´ıˇcina onemocnˇen´ı zvaného syndrom ˇc´ınsk´ ych restaurac´ı [34, 35, 36, 37]. Rozˇsiˇruj´ıc´ı texty na téma proteiny se t´ ykaj´ı: • glutathionu a jeho u ´loze v udrˇzován´ı redoxn´ı rovnováhy v buˇ nkách [38] • srpkovitá anemie – souvislost s primárn´ı strukturou protein˚ u a s ochranu pˇred malári´ı [39] • trvalé ondulace – svého ˇcasu modern´ı, ale velmi nepˇrirozen´ y u ´ˇces, jak ho vlastnˇe doc´ıl´ıme [14] • principu svalového stahu – jeˇstˇe jedno pˇripomenut´ı, ˇze proteiny jsou flexibiln´ı, pohyblivé molekuly schopné reagovat konformaˇcn´ı zmˇenou (a tud´ıˇz i zmˇenou své funkce) na pˇr´ıtomnost r˚ uzn´ ych látek [40] • prion˚ u - znovu ukázka toho, jaké d˚ usledky m˚ uˇze m´ıt zmˇena prostorového uspoˇrádán´ı protein˚ u, jak fatálnˇe se pak m˚ uˇze zmˇenit funkce a proˇc nen´ı kanibalismus u ´plnˇe bezpeˇcn´ y (citace v textu). Uk´ azka rozˇ siˇ ruj´ıc´ıho textu na t´ ema aminokyseliny Kdo si tvoˇr´ı své aminokyseliny u ´plnˇe sám? 21 kódovan´ ych aminokyselin potˇrebuj´ı vˇsechny organismy pro tvorbu sv´ ych protein˚ u. Nˇekteré z nich si um´ı sami syntetizovat, jiné ne, mus´ı je proto pˇrij´ımat 40

s potravou. Takové aminokyseliny naz´ yváme esenciáln´ı (podobnˇe jako jsou esenciáln´ı nˇekteré mastné kyseliny). Esenciáln´ı neznamená, ˇze by byly d˚ uleˇzitˇejˇs´ı nebo v´ıce potˇrebné neˇz ty ostatn´ı. Nˇekteré organismy ztratily bˇehem evoluce enzymy (biokatalyzátory) potˇrebné pro syntézu nˇekter´ ych aminokyselin, protoˇze pro nˇe byla v´ yroba jejich sloˇzit´ ych postrann´ıch ˇretˇezc˚ u pˇr´ıliˇs nároˇcná a v jejich pˇrirozené potravˇe byl tˇechto aminokyselin vˇzdy dostatek. Od té doby se pro nˇe tyto aminokyseliny staly esenciáln´ımi, musej´ı je pˇrij´ımat s potravou, protoˇze v proteinech se vyskytuj´ı vˇsechny kódované aminokyseliny. Aminokyseliny, které jsou esenciáln´ı pro ˇclovˇeka, se mohou liˇsit od tˇech, které jsou esenciáln´ı pro organismy ˇzij´ıc´ı odliˇsn´ ym zp˚ usobem ˇzivota, pˇrij´ımaj´ıc´ı jinou potravu neˇz ˇclovˇek (pro bakterie, prvoky, ale jiné tˇreba i pro koˇcky a psy)[14]. Organismy, které jsou schopny syntetizovat vˇsechny aminokyseliny, jsou autotrofn´ı organismy (jakoˇzto primárn´ı producenti organick´ ych látek) a nˇekteré mikroorganismy (napˇr. kvasinka pivn´ı) [21]. Pro dospˇelého ˇclovˇeka jsou esenciáln´ı tyto aminokyseliny: fenylalanin, valin, threonin, tryptofan, isoleucin, methionin, histidin, leucin a lysin.Lidsk´ y plod a malé dˇeti jsou sice schopny tvoˇrit aminokyselinu arginin, ale pouze v pˇr´ıliˇs mal´ ych dávkách (v moˇcovinovém cyklu). Arginin je proto pro nˇe esenciáln´ı aminokyselinou [14]. Dalˇs´ım pˇr´ıkladem toho, ˇze esencialita závis´ı na metabolick´ ych drahách organismu, jsou lidé postiˇzeni dˇediˇcnou chorobou fenylketonuri´ı. Toto onemocnˇen´ı je zp˚ usobeno mutac´ı genu pro enzym fenylalaninhydroxylasu. Ten pˇremˇen ˇuje aminokyselinu fenylalanin na aminokyselinu tyrosin. Pokud tento enzym nefunguje, hromad´ı se v tˇele fenylalanin, kter´ y je ve vyˇsˇs´ıch dávkách toxick´ ya m˚ uˇze poˇskodit mozek plodu nebo d´ıtˇete. Pacienti s fenylketonuri´ı mus´ı drˇzet pˇr´ısnou n´ızkoproteinovou dietu, aby se maximálnˇe vyhnuli fenylalaninu, kter´ y se nacház´ı v mnoha b´ılkovinách. Protoˇze ale tito pacienti nepˇrij´ımaj´ı s potravou esenciáln´ı fenylalanin, ze kterého se v tˇele následnˇe tvoˇr´ı tyrosin (pro zdravého ˇclovˇeka nen´ı tyrosin esenciáln´ı aminokyselina, tvoˇr´ı si ji z fenylalaninu), stává se pro nˇe tyrosin esenciáln´ı aminokyselinou [22, 23]. Urˇcitˇe také vˇsichni znáte octomilky (rod Drosophila), malé muˇsky, které se vám doma zniˇcehonic vyl´ıhnou, jen co se vám zaˇcne kazit ovoce. Drosophily jsou v´ yznamn´ ym modelov´ ym organismem genetiky a molekulárn´ı biologie (d´ıky tomu, ˇze se velmi snadno pˇestuj´ı, pouˇz´ıvali je vˇedci pro v´ yzkum 41

Obrázek 3.8: Biosyntéza aminokyseliny tyrosinu z aminokyseliny fenylalaninu. Nosiˇcem elektron˚ u a proton˚ u je redukovan´ y kofaktor tetrahydrobiopterin.

uˇz od poˇca´tku minulého stolet´ı, a postupnˇe se jim podaˇrilo osekvenovat cel´ y genom octomilky a popsat funkci mnoha a mnoha gen˚ u). Vˇedci se zab´ yvali i t´ım, jaké aminokyseliny jsou esenciáln´ı pro octomilku obecnou. Zjistili, ˇze octomilka si um´ı, na rozd´ıl od lid´ı, syntetizovat arginin, methionin i histidin [24]. To souvis´ı s jej´ı potravou. Octomilky se ˇziv´ı hlavnˇe ovocem, zat´ımco histidin, methionin i arginin se vyskytuj´ı pˇreváˇznˇe v ˇzivoˇciˇsné stravˇe [25]. Proto mus´ı b´ yt octomilka schopná si tyto aminokyseliny syntetizovat sama, pˇrestoˇze je jejich syntéza energeticky nároˇcná [26]. Vˇedˇet, které aminokyseliny jsou pro nás esenciáln´ı, má znaˇcn´ y v´ yznam pro v´ yˇzivu. Esenciáln´ı aminokyseliny potˇrebujeme a mus´ıme je pˇrij´ımat s potraˇ ym argumentem proti vegetariánstv´ı je nedostatek protein˚ vou. Cast´ u a tedy i aminokyselin, coˇz ˇskod´ı zdrav´ı. Jako hlavn´ım zdrojem protein˚ u a potaˇzmo aminokyselin b´ yvá uvádˇena ˇzivoˇciˇsná strava, hlavnˇe maso. Nesm´ıme vˇsak zapom´ınat, ˇze rostliny jsou schopny syntetizovat vˇsechny aminokyseliny. Vegetariáni nebo vegani tak mohou vˇsechny esenciáln´ı aminokyseliny z´ıskávat z rostlinné stravy. Jde jen o to vˇedˇet, ve kter´ ych rostlinách a ˇca´stech rostlin se esenciáln´ı aminokyseliny vyskytuj´ı, a ty konzumovat [27]. (Napˇr. na této stránce: http://www.veganhealth.org/articles/protein je seznam plodin a mnoˇzstv´ı esenciáln´ıch aminokyselin, které se v nich vyskytuj´ı.)

42

Otázky a u ´koly:

1. Posud’te správnost následuj´ıc´ıch tvrzen´ı (oznaˇcte je p´ısmeny R – správnˇe, F – ˇspatnˇe). (a) Esenciáln´ı aminokyseliny jsou hlavn´ımi stavebn´ımi látkami pro tvorbu protein˚ u, v proteinech se vyskytuj´ı ˇcastˇeji neˇz ostatn´ı aminokyseliny. (b) Esenciáln´ı aminokyseliny jsou: fenylalanin, valin, threonin, tryptofan, isoleucin, methionin, histidin, leucin a lysin. (c) Rostliny poskytuj´ı ˇzivoˇcich˚ um vˇsechny kódované aminokyseliny. (d) V mase, které j´ıme, jsou pˇr´ıtomny vˇsechny esenciáln´ı aminokyseliny pro ˇclovˇeka. (e) V proteinech se vyskytuj´ı pouze tzv. kódované aminokyseliny. (f) Pro osoby trp´ıc´ı fenylketonuri´ı nen´ı fenylalanin esenciáln´ı aminokyselinou. (g) Pro osoby trp´ıc´ı fenylketonuri´ı je, na rozd´ıl od lid´ı zdrav´ ych, esenciáln´ı aminokyselina tyrosin. (h) Podle toho, ˇc´ım se dan´ y organismus ˇziv´ı, zjiˇst’ujeme, které aminokyseliny jsou pro nˇej esenciáln´ı. 2. Podle obrázku zkuste pˇrij´ıt na to, jaká alela (dominantn´ı / recesivn´ı) je odpovˇedná za pˇrenos fenylketonurie. Jakou kombinaci alel mus´ı m´ıt ˇclovˇek, kter´ y fenylketonuri´ı onemocn´ı?

43

Uk´ azka rozˇ siˇ ruj´ıc´ıho textu na t´ ema proteiny Priony Priony jsou látky, o kter´ ych jste moˇzná slyˇseli v souvislosti s nemoc´ı ˇs´ılen´ ych krav. Jedná se o proteiny, které bˇeˇznˇe vznikaj´ı v tˇelech organism˚ u (lid´ı i zv´ıˇrat). Jejich funkce jeˇstˇe nen´ı dostateˇcnˇe prozkoumaná, ale je známo, ˇze jsou syntetizovány v endoplazmatickém retikulu bunˇek (nervov´ ych, bunˇek imunitn´ıho systému a dalˇs´ıch). Jejich c´ılov´ ym m´ıstem je cytoplazmatická membrána, kde vykonávaj´ı zat´ım neznámou u ´lohu [28]. Pot´ıˇz je v tom, ˇze tyto proteiny mohou zauj´ımat dvˇe r˚ uzné konformace, dvˇe prostorová uspoˇra´dán´ı. Jak uˇz jsme si ˇr´ıkali, prostorové uspoˇrádán´ı je urˇcuj´ıc´ı pro funkci a chován´ı protein˚ u. Pokud se prion pˇri svém vzniku sloˇz´ı ’správnˇe’ – do jedné urˇcité konformace, vykonává v buˇ nce svoji obvyklou funkci. Nic se nedˇeje. Pokud ale zaujme svoji druhou, nemoc zp˚ usobuj´ıc´ı konformaci, zaˇcne tvoˇrit agregáty (ˇretˇezce stejnˇe prostorovˇe spoˇra´dan´ ych prion˚ u). Takto zmˇenˇen´ y prion je infekˇcn´ı, dokáˇze pˇremˇenit konformaci správnˇe sloˇzen´ ych prion˚ u na svoji ˇskodlivou konformaci. Vzniklé priony jsou velmi odolné a také infekˇcn´ı, proto se v buˇ nkách mohou rychle hromadit. Za normáln´ıch okolnost´ı je buˇ nka schopná ˇskodlivé priony zniˇcit. Ty se ale nˇekdy zaˇcnou hromadit (protoˇze je buˇ nka z nˇejakého d˚ uvodu nest´ıhá rozkládat), shlukuj´ı se do dlouh´ ych ˇretˇezc˚ u (obrázek 3.9) a vyplˇ nuj´ı vnitˇrek buˇ nky, která nakonec odumˇre. Situaci jeˇstˇe komplikuje fakt, ˇze prionov´ y protein je velmi stabiln´ı - na rozd´ıl od bakteri´ı, vir˚ u a ostatn´ıch patogen˚ u je odoln´ y v˚ uˇci vysoké teplotˇe, ˇstˇep´ıc´ım enzym˚ um, radiaci a napˇr. i formaldehydu [28]. Pokud se priony mnoˇz´ı v mozkov´ ych neuronech, zaˇcne se postupnˇe poˇskozovat mozková tkán ˇ. Priony pak zp˚ usobuj´ı BSE (nemoc ˇs´ılen´ ych krav), CJD (Creutzfeldt-Jakobovu chorobu), scrapii (onemocnˇen´ı ovc´ı), nebo nemoc zvanou kuru (opˇet degenerativn´ı onemocnˇen´ı mozku). Prionové choroby mohou m´ıt tˇri formy (podle toho, jak vznikaj´ı): 1. vrozenou, vznikaj´ı mutac´ı genu kóduj´ıc´ıho prionov´ y protein 2. sporadickou, zdravé priony se spontánnˇe zmˇen´ı v priony ˇskodlivé 3. z´ıskanou, infekˇcn´ı. Nakazit se prionov´ ym onemocnˇen´ım m˚ uˇzeme pˇri r˚ uzn´ ych lékaˇrsk´ ych operac´ıch (transfuze, transplantace, chirurgické zákroky), z potravy, ale napˇr. i nˇekter´ ymi vakc´ınami. Pˇrenos mezi jedinci stejného druhu je prokázan´ y, mezidruhov´ y 44

Obrázek 3.9: Bˇeˇzná a ˇskodlivá konformace prionov´ ych protein˚ u. Priony se zmˇenˇenou konformac´ı se shlukuj´ı do dlouh´ ych ˇretˇezc˚ u.

pˇrenos je zkoumán [29]. Nemoc kuru jasnˇe dokazuje pˇrenos prionov´ ych onemocnˇen´ı potravou mezi jedinci stejného druhu. Byla popsána u domorodc˚ u z ostrova Papua Nová Guinea. Ti provozuj´ı tradiˇcnˇe rituáln´ı kanibalismus. Epidemie kuru pravdˇepodobnˇe vzniká tak, ˇze se u jednoho domorodce objev´ı sporadická forma nemoci, a ostatn´ı se nakaz´ı, kdyˇz tohoto jedince konzumuj´ı [30]. Prionová onemocnˇen´ı jsou nevyléˇcitelná a smrtelná. V posledn´ı dobˇe se vˇsak vˇedc˚ um podaˇrilo zjistit, jak se transportuje ˇskodliv´ y prionov´ y protein ze stˇrev do mozku, a snaˇz´ı se nalézt takové látky, které by tento pˇrenos (v pˇr´ıpadˇe, ˇze se nakaz´ıme z potravy) znemoˇznily [31]. Otázky a u ´koly: 1. Posud’te (napiˇste ano / ne), zda daná tvrzen´ı vypl´ yvaj´ı z textu: (a) Priony jsou proteiny, které se v lidsk´ ych buˇ nkách normálnˇe nevyskytuj´ı. (b) Funkce prion˚ u v organismu nen´ı známa, v´ıme vˇsak, ˇze ji pln´ı v cytoplazmatické membránˇe r˚ uzn´ ych bunˇek, napˇr. neuron˚ u. (c) Organismus nen´ı schopen priony likvidovat. (d) V organismech vznikaj´ı priony ve 2 konformac´ıch. (e) Prion dokáˇze zmˇenit prostorové uspoˇrádán´ı ostatn´ıch prion˚ u. (f) Creutzfeldt-Jakobova choroba je zp˚ usobena postupn´ ym poˇskozen´ım mozkové tkánˇe. 45

ˇ e republice se prionová onemocnˇen´ı nevyskytuj´ı. (g) V Cesk´ (h) Mezidruhov´ y pˇrenos prionov´ ych onemocnˇen´ı nen´ı moˇzn´ y. (i) Prostorové uspoˇra´dán´ı proteinu urˇcuje jeho funkci.

3.2.4

Plak´ at 21 k´ odovan´ ych aminokyselin

Jako doplnˇek k v´ yukov´ ym materiál˚ um pro témata aminokyseliny a proteiny byl vytvoˇren plakát kódovan´ ych aminokyselin (obrázek 3.10). Tento plakát ukazuje strukturn´ı vzorce vˇsech 21 kódovan´ ych aminokyselin, rozdˇelen´ ych do skupin právˇe podle povahy postrann´ıch ˇretˇezc˚ u. Vyznaˇceny jsou také aminokyseliny esenciáln´ı pro ˇclovˇeka. U jednotliv´ ych skupin aminokyselin je struˇcn´ y komentáˇr charakterizuj´ıc´ı tuto skupinu (vysvˇetluje d˚ uvod pro zaˇrazen´ı aminokyselin do jednotliv´ ych skupin, moˇznost chován´ı aminokyselin v proteinech). Tento plakát by mohl poslouˇzit jak uˇciteli pˇri v´ ykladu, tak student˚ um pˇri samostudiu. Bylo by vhodné vyvˇesit ho napˇr. v uˇcebnˇe chemie, aby ho studenti mohli studovat i mimo vyuˇcován´ı.

3.2.5

Protokoly k laboratorn´ımu cviˇ cen´ı na t´ ema denaturace protein˚ u

Jak jiˇz bylo nˇekolikrát zd˚ uraznˇeno, aktivn´ı zapojen´ı student˚ u do v´ yuky znaˇcnˇe zvyˇsuje jejich motivaci k uˇcen´ı a ˇsanci dosáhnout lepˇs´ıch studijn´ıch v´ ysledk˚ u. Ve v´ yuce chemie b´ yvaj´ı takovou nejaktivnˇejˇs´ı formou v´ yuky laboratorn´ı práce. Navzdory obecnému pˇresvˇedˇcen´ı, nepatˇr´ı laboratorn´ı práce mezi pˇr´ıliˇs obl´ıbené ˇcinnosti student˚ u. Jak uvád´ı Petty ve svém Modern´ım vyuˇcován´ı, z v´ yzkumu anglick´ ych student˚ u vypl´ yvá, ˇze pouze 50% z nich se rádo u ´ˇcastn´ı laboratorn´ıch cviˇcen´ı, 11% student˚ u takovou formu v´ yuky v˚ ubec v oblibˇe nemá. Ostatn´ım je to zˇrejmˇe jedno [11]. 50% vˇsak nen´ı nezanedbatelné mnoˇzstv´ı, a pokud budeme dodrˇzovat jisté zásady pˇr´ıpravy laboratorn´ıch ˇcinnost´ı, m˚ uˇzeme toto ˇc´ıslo jistˇe i zv´ yˇsit. Podle Pettyho je naprosto nezbytné, aby studenti vˇedˇeli pˇresnˇe, co a proˇc pˇri laboratorn´ı práci dˇelaj´ı. Jedinˇe tak si mohou ze své ˇcinnosti odnést i nˇejaké znalosti a dovednosti. Studenti by podle nˇej také nemˇeli slepˇe následovat návod, kter´ y jim uˇcitel pˇriprav´ı. Aby pracovali jako podle kuchaˇrky. Uˇcitel by mˇel studenty vézt k samostatnému uvaˇzován´ı, plánován´ı pokus˚ u. Na zaˇcátku se jich proto m˚ uˇze zeptat, jak by pokus provedli, nebo jaké oˇcekávaj´ı v´ ysledky. Na závˇer hodiny je pak dobré tato oˇcekáván´ı porovnat s v´ ysledky dosaˇzen´ ymi [11]. S t´ım souhlas´ı i J. Halbych, ve sv´ ych základech didaktiky or-

46

Obrázek 3.10: Plakát 21 kódovan´ ych aminokyselin.

47

ganické chemie. Jde dokonce jeˇstˇe dál a p´ıˇse, ˇze ˇskoln´ı experimenty by mˇely b´ yt student˚ um pˇredkládány formou problémov´ ych u ´loh. Studenti by nemˇeli znát v´ ysledky své ˇcinnosti, jejich aktivita pˇri praktickém cviˇcen´ı by mˇela b´ yt co nejvyˇsˇs´ı. Uˇcitel vˇsak mus´ı jejich ˇcinnost d˚ ukladnˇe kontrolovat [13]. Protokoly, které jsou souˇca´st´ı této práce, byly proto smˇeˇrovány k tomu, aby je uˇcitel mohl pouˇz´ıt bud’ jako problémové u ´lohy, nebo jako klasick´ y návod na proveden´ı dané laboratorn´ı práce. Aby studenti jasnˇe vˇedˇeli, co dˇelaj´ı a proˇc to dˇelaj´ı, obsahuj´ı protokoly vˇzdy teoretick´ yu ´vod. Ten je zpracován formou krátkého textu s vynechan´ ymi pojmy, které maj´ı studenti doplˇ novat. Takové cviˇcen´ı klade vyˇsˇs´ı nároky na jejich aktivitu a zároveˇ n student˚ um napov´ıdá správné ˇreˇsen´ı. C´ılem nen´ı vyzkouˇset, co si studenti pamatuj´ı z hodin, ale ujasnit, jak´ y je princip následuj´ıc´ı u ´lohy. Protokoly obsahuj´ı také seznam pom˚ ucek a chemikáli´ı potˇrebn´ ych pro proveden´ı tˇechto u ´loh a postup práce. Tyto ˇca´sti by uˇcitel, kter´ y by experiment zadával jako problémovou u ´lohu, z protokolu pochopitelnˇe vynechal. Student˚ um nˇekdy dˇelá problémy ujasnit si, co maj´ı vlastnˇe pˇri práci pozorovat. Proto je souˇca´st´ı protokol˚ u i jak´ ysi formuláˇr pro zápis pozorován´ı – jak se chovaly dané roztoky po pˇridán´ı jedné ˇci druhé látky nebo co se stalo po dalˇs´ım pˇridán´ı destilované vody. Neˇz zaˇcnou psát studenti závˇer, mˇeli by odpovˇedˇet na nˇekolik kontroln´ıch otázek a splnit nˇekolik jednoduch´ ych u ´kol˚ u. Ty slouˇz´ı uˇciteli, aby si mohl ovˇeˇrit, zda studenti u ´loze porozumˇeli, a také samotn´ ym student˚ um pro utˇr´ıdˇen´ı myˇslenek pˇr´ıpadnˇe pro ujasnˇen´ı toho, co jim pˇri jejich ˇcinnosti nebo pozorován´ı nebylo jasné. (To si ˇclovˇek mnohdy uvˇedom´ı právˇe aˇz pˇri zpˇetném dotazován´ı.) Protokol je zakonˇcen závˇerem, shrnut´ım poznatk˚ u z´ıskan´ ych nebo ovˇeˇren´ ych t´ımto laboratorn´ım cviˇcen´ım nebo vysvˇetlen´ım pˇr´ıpadného ne´ uspˇechu. V takové podobˇe slouˇz´ı protokoly také jako klasické návody na praktická cviˇcen´ı, kde studenti postupuj´ı krok za krokem podle pˇripraveného scénáˇre, jejich ˇcinnost je od zaˇca´tku do konce vedena uˇcitelem. Takov´ y pr˚ ubˇeh nemus´ı b´ yt vˇzdy ˇza´douc´ı, jak bylo vysvˇetleno vu ´vodu této podkapitoly. Souˇcást´ı protokol˚ u je také zadán´ı experiment˚ u jako problémov´ ych u ´loh (problémová u ´loha viz kapitola 3.1.3). Studenti jsou vedeni k tomu, aby sami navrhli experiment, kter´ ym maj´ı dokázat napˇr´ıklad vliv zv´ yˇsené teploty na ˇcinnost protein˚ u. V zadán´ı je ˇreˇceno, jaké chemikálie maj´ı k dispozici a struˇcná doplˇ nuj´ıc´ı informace, napˇr. ˇze i ve svém vlastn´ım tˇele mohou naj´ıt proteiny (enzymy) ˇstˇep´ıc´ı polysacharidy. Studenti by v takovém pˇr´ıpadˇe postupovali podle vlastn´ıho plánu. Uˇcitel by musel v tomto pˇr´ıpadˇe upravit protokoly, vynechat postup a tˇreba i potˇrebné pom˚ ucky. Kontroln´ı otázky nebo teoretické doplˇ novac´ı u ´vody by vˇsak pouˇz´ıt mohl. Nev´ yhodou tohoto postupu vˇsak je, ˇze u ´spˇech a v´ ysledky 48

takového laboratorn´ıho cviˇcen´ı nejsou zaruˇceny. Pro zv´ yˇsen´ı motivace, a proto aby byly tyto pokusy proveditelné i v podm´ınkách nedostateˇcnˇe vybavené ˇskoln´ı laboratoˇre, maj´ı studenti pˇri jedné z u ´loh pracovat s vlastn´ımi slinami (konkrétnˇe s amylasou ptyalinem, kterou lidské sliny obsahuj´ı). Doufám, ˇze taková laboratorn´ı u ´loha, samozˇrejmˇe s dodrˇzen´ım pravidel chován´ı v laboratoˇri, bude studenty bavit a pom˚ uˇze jim lépe si zapamatovat v´ ysledek tepelné denaturace enzym˚ u. Taková u ´loha splˇ nuje i poˇzadavky na integraci pˇr´ırodovˇedn´ ych pˇredmˇet˚ u. Pˇri laboratorn´ım cviˇcen´ı k pˇredmˇetu chemie si studenti zopakuj´ı také funkci nˇekter´ ych trávic´ıch enzym˚ u a jejich um´ıstˇen´ı v lidském organismu. Uk´ azka: Teoretick´ y u ´ vod k laboratorn´ımu cviˇ cen´ı vysolov´ an´ı protein˚ u s doplˇ nov´ an´ım chybˇ ej´ıc´ıch v´ yraz˚ u Vratná denaturace, neboli ....................., vlastnˇe nen´ı denaturac´ı. Proteiny pˇri n´ı neztrácej´ı své prostorové uspoˇra´dán´ı, svoji nativn´ı konformaci. Jsou pouze vysráˇzeny z roztoku v d˚ usledku pˇridán´ı nˇekter´ ych ................, napˇr. (NH4 )2 SO4 . Ty totiˇz v roztoku disociuj´ı na ................ , které jsou solvatovány (obalovány) pˇr´ıtomn´ ymi molekulami vody. Nakonec nezbude ˇza´dná voda pro rozpouˇstˇen´ı (solvatován´ı) proteinu, jehoˇz molekuly se proto shlukuj´ı k sobˇe a tvoˇr´ı sraˇzeninu. Po pˇridán´ı vody se vˇsak sraˇzenina ....................... Vysolován´ı je tedy ................... proces. Uk´ azka zad´ an´ı: Laboratorn´ı u ´ loha jako probl´ emov´ yu ´ kol Navrhnˇete jednoduch´ y experiment, v nˇemˇz ovˇeˇr´ıte, jak´ yu ´ˇcinek m˚ uˇze m´ıt na ˇcinnost protein˚ u zv´ yˇsená teplota. K dispozici máte destilovanou vodu, zdroj tepla (mikrovlnou troubu, kahan), 0,2% roztok ˇskrobu, roztok jódu (I2 v KI, ten pouˇz´ıváme k d˚ ukazu pˇr´ıtomnosti ˇskrobu). Protein si mus´ıte obstarat sami. Nezapomeˇ nte, ˇze v lidském tˇele je mnoho enzym˚ u (protein˚ u), které ˇstˇep´ı sacharidy. Uvˇedomte si, kde ˇstˇepen´ı sacharid˚ u zaˇc´ıná. Pokus naplánujte tak, abyste mohli srovnat funkci proteinu ovlivnˇeného zv´ yˇsenou teplotou a proteinu pracuj´ıc´ıho za normáln´ı teploty.

49

Uk´ azka: Kontroln´ı ot´ azky a u ´ koly k laboratorn´ı u ´ loze denaturace protein˚ u 1. Vyberte správné tvrzen´ı. Denaturace protein˚ u acetonem je vratn´ y / nevratn´ y proces. D˚ ukazem je fakt, ˇze v nadbytku vody se sraˇzenina ve zkumavce nerozpustila / rozpustila. 2. Na obrázku oznaˇcte struktury, které se naruˇsuj´ı pˇri denaturaci.

3. Na obrázku oznaˇcte vazby a interakce, které se pˇri denaturaci ˇstˇep´ı a které z˚ ustávaj´ı zachovány (min. dva pˇr´ıklady). Pˇreruˇsované ˇcáry znázorˇ nuj´ı vod´ıkové vazby.

4. Vyberte správné tvrzen´ı. Aceton (CH3 )2 CO je hydrofiln´ı / hydrofobn´ı rozpouˇstˇedlo. 50

3.2.6

Animace denaturace a vysolov´ an´ı vytvoˇ ren´ e v programu Macromedia Flash

Souˇcást´ı v´ yukového materiálu jsou také tˇri animace (vytvoˇrené v programu Macromedia Flash) znázorˇ nuj´ıc´ı denaturaci a vysolován´ı jak na u ´rovni bˇeˇzného ˇskoln´ıho experimentu, tak na u ´rovni molekulárn´ı. Pˇri tvorbˇe tˇechto animac´ı bylo spoléháno na to (stejnˇe jako pˇri tvorbˇe PPT prezentace), ˇze ve ˇskolách jsou dostupné poˇc´ıtaˇce a pˇr´ıpadnˇe i dataprojektory, takˇze nebude problém tyto materiály pouˇz´ıt. A i kdyby ve ˇskole technické vybaven´ı nemˇeli, animace se daj´ı jednoduˇse poslat student˚ um elektronickou poˇstou, aby je shlédli doma nebo kdekoliv jinde. C´ılem tˇechto animac´ı je pˇribl´ıˇzit proces denaturace student˚ um, kteˇr´ı nemaj´ı k dispozici chemickou laboratoˇr, nebo si z jiného d˚ uvodu nemohou dané pokusy vyzkouˇset. Jejich hlavn´ım u ´kolem je vˇsak vysvˇetlit princip proces˚ u denaturace a vysolován´ı pomoc´ı jednoduchého modelu jednotliv´ ych molekul z´ uˇcastnˇen´ ych látek. Prostˇrednictv´ım tˇechto animac´ı jsou jevy, které je moˇzné pozorovatelné pouh´ ym okem, pˇreneseny do svˇeta molekul. T´ımto zp˚ usobem je objasnˇena jejich molekulárn´ı podstata. Animace proto nejsou jen nahrazen´ım experiment˚ u (jsem si samozˇrejmˇe vˇedoma toho, ˇze sebelepˇs´ı zpracován´ı pouze samotn´ y experiment zprostˇredkovává a nem˚ uˇze ho ve v´ yuce zastoupit), ˇskoln´ı pokusy doplˇ nuj´ı, vysvˇetluj´ı. Tyto animace m˚ uˇze uˇcitel pouˇz´ıt bud’ pˇri v´ ykladu, pokud se nechystá provádˇet se studenty samotné pokusy (aby jim pˇredˇcasnˇe neprozradil v´ ysledek jejich ˇcinnosti), nebo na závˇer laboratorn´ıch cviˇcen´ı. Jak jiˇz bylo uvedeno, animace maj´ı student˚ um pˇribl´ıˇzit chován´ı molekul protein˚ u a dalˇs´ıch látek pˇri procesu denaturace a vysolován´ı. Animace jsou vˇsak pouze zjednoduˇsen´ ymi schématy. Nejedná se o pˇresné rekonstrukce proces˚ u denaturace a vysolován´ı, ale o pokus tyto dˇeje zpˇr´ıstupnit. Toto zjednoduˇsen´ı (vedouc´ı moˇzná i k drobn´ ym nepˇresnostem) je snad ospravedlnˇeno vˇetˇs´ı názornost´ı a pˇrehlednost´ı. Jednotlivé animace ukazuj´ı: 1. nevratnou denaturaci – denaturaci vajeˇcného b´ılku, tedy pˇreváˇznˇe proteinu ovalbuminu, acetonem 2. vratnou denaturaci – tedy vysolován´ı protein˚ u vajeˇcného b´ılku pomoc´ı s´ıranu amonného 3. tepelnou denaturaci – denaturaci lidské amylasy povaˇren´ım a následné ovˇeˇren´ı u ´ˇcinku denaturace nativn´ı amylasy.

51

Vˇsechny tyto animace dodrˇzuj´ı v podstatˇe stejn´ y scénáˇr. Zaˇc´ınaj´ı u ´vodem – jak´ y pokus budeme sledovat, jaké proteiny v nˇem budou vystupovat, co s nimi budeme dˇelat, pˇr´ıpadnˇe jaká denaturaˇcn´ı ˇcinidla pouˇzijeme. Jedná se o u ´vod, kter´ ym bychom mohli napˇr. zahajovat laboratorn´ı cviˇcen´ı zamˇeˇrené na tyto pokusy. Následuje ukázka samotného pokusu, tedy pˇridán´ı denaturaˇcn´ıho ˇcinidla, nebo povaˇren´ı roztoku a ovˇeˇren´ı pˇr´ıtomnosti ˇskrobu (obrázek 3.11 ukazuje denaturaci vajeˇcného b´ılku acetonem). V´ yjimkou jsou animace vysolován´ı, kde jsou hned po u ´vodu ukázány molekuly ovalbuminu rozpuˇstˇené ve vodˇe. Po proveden´ı prvn´ıch krok˚ u pokusu se pohled pˇresouvá z makrosvˇeta do nanosvˇeta (tak naz´ yvám jednotlivé u ´rovnˇe pohledu i v animac´ıch), kde je dˇej pozorovan´ y v makrosvˇetˇe znovu ukázán tentokrát vˇsak jako v´ ysledek interakce nebo zmˇeny struktury jednotliv´ ych molekul (obrázek 3.12). Pokud po prvn´ı ˇcásti pokusu následuj´ı jeˇstˇe ˇcásti dalˇs´ı, jsou vˇzdy ukázány nejprve tak, jak je pozorujeme v makrosvˇetˇe, a poté zrekonstruovány na modelu molekul. Jednotlivé scény jsou okomentované tak, aby jim rozumˇel stˇredoˇskolsk´ y student. Komentáˇr vysvˇetluje a shrnuje princip pozorovan´ ych dˇej˚ u. Animace by proto mohly student˚ um poslouˇzit samy o sobˇe, doprovodné slovo uˇcitele vˇsak zajisté pˇrispˇeje k lepˇs´ımu porozumˇen´ı a pˇredevˇs´ım k objasnˇen´ı souvislost´ı. (Komentáˇr napˇr. nevysvˇetluje, proˇc se k d˚ ukazu pˇr´ıtomnosti ˇskrobu pouˇz´ıvá roztok jódu, nebo jak vypadá hydrolytické ˇstˇepen´ı ˇskrobu.) Animace jsou tvoˇreny v programu Macromedia Flash. D´ıky tomu jsou ˇca´steˇcnˇe interaktivn´ı, uˇzivatel si sám urˇcuje, kdy pˇrejde k nˇekter´ ym dalˇs´ım scénám, nebo se m˚ uˇze vracet zpˇet. V tom vid´ım hlavn´ı v´ yhodu pro uˇcitele, kter´ y m˚ uˇze animaci pr˚ ubˇeˇznˇe vysvˇetlovat, nemus´ı ˇcekat aˇz na konec, nebo ji nˇejak pˇreruˇsovat. M˚ uˇze klást doplˇ nuj´ıc´ı otázky vztahuj´ıc´ı se k tomu, co bylo právˇe ukázáno, nebo to jen upˇresnit, poukázat na souvislosti.

52

Obrázek 3.11: Animace obsahuj´ı fotografie pokus˚ u k tématu denaturace a vysolován´ı protein˚ u. Na tˇechto obrázc´ıch pozorujeme denaturaci vajeˇcného b´ılku acetonem.

53

Obrázek 3.12: Souˇca´st´ı animac´ı jsou také modely protein˚ u a náznak jejich denaturace a následné tvorby sraˇzenin na molekulárn´ı u ´rovni. Horn´ı obrázek ukazuje ˇcásteˇcnˇe zdenaturovanou molekulu ovalbumin, spodn´ı naznaˇcuje agregaci molekul denaturovan´ ych protein˚ u. 54

3.2.7

3D modely molekul protein˚ u

Proteiny jsou molekuly s velmi sloˇzit´ ym prostorov´ ym uspoˇrádán´ım. Obrázky v PPT prezentaci mohou student˚ um tuto strukturu pˇribl´ıˇzit, lepˇs´ı pˇredstavu lze vˇsak z´ıskat pozorován´ım 3D modelu. V souˇcasnosti je k dispozici mnoho poˇc´ıtaˇcov´ ych program˚ u, které jsou schopné takové modely protein˚ u nebo napˇr. nukleov´ ych kyselin zobrazit. Tyto programy b´ yvaj´ı k dispozici na internetu a práce s nimi nen´ı sloˇzitá. Obrázky protein˚ u a proteinov´ ych struktur jsou proto v PPT prezentaci propojeny s jejich 3D modely vytvoˇren´ ymi ve volnˇe dostupném programu DS Visualiser. Takto byly vytvoˇreny napˇr.: 3D model glutathion peroxidasy, fibrinu, titinu, hemoglobinu, α-helixu a dalˇs´ı. Také k prohl´ıˇzen´ı tˇechto model˚ u je potˇreba m´ıt poˇc´ıtaˇc s nainstalovan´ ym programem pro zobrazován´ı protein˚ u. Tyto programy je vˇsak moˇzné, jak jiˇz bylo ˇreˇceno, z´ıskat zdarma na internetu. V bˇeˇzné v´ yuce nebude m´ıt uˇcitel pravdˇepodobnˇe ˇcas, aby se studenty prohl´ıˇzel vˇsechny 3D modely z prezentace. Pro lepˇs´ı pˇredstavu prostorového uspoˇra´dán´ı protein˚ u by vˇsak mohl ukázat alespoˇ n nˇekolik struktur. Zobrazován´ı protein˚ u by mohl také vˇenovat nˇejak´ y ˇcas v semináˇri. Tyto 3D modely by mohly m´ıt velmi dobr´ y motivaˇcn´ı u ´ˇcinek. Jedná se vˇetˇsinou o pˇekné a barevné molekuly, které si uˇcitel, nebo pˇr´ıpadnˇe i ˇzaći sami, m˚ uˇze zvˇetˇsovat, otáˇcet a upravovat podle sv´ ych pˇredstav.

3.3

Otestov´ an´ı materi´ al˚ u v praxi

Pro zjiˇstˇen´ı efektivity a uˇziteˇcnosti podp˚ urn´ ych v´ yukov´ ych materiál˚ u, které byly vytvoˇreny v rámci této diplomové práce, bylo tˇreba otestovat je ve stˇredoˇskolské praxi. Byly vybrány tˇri tˇr´ıdy na dvou gymnázi´ıch (Gymnázium Nad Alej´ı a Gymnázium Jana Nerudy). Ve dvou tˇr´ıdách byl testován tento v´ yukov´ y materiál (k v´ yuce byla pouˇzita PPT prezentace, uˇcitel mˇel k dispozici text k prezentaci, ve tˇr´ıdách byly vyvˇeˇseny plakáty vzorc˚ u kódovan´ ych aminokyselin, demonstraˇcn´ı pokusy denaturace protein˚ u byly objasnˇeny pomoc´ı animac´ı, pro zv´ yˇsen´ı motivace byly student˚ um pˇredkládány doplˇ nuj´ıc´ı texty o aminokyselinách a proteinech). Tˇret´ı tˇr´ıda (Gymnázium Nad Alej´ı) pak vystupovala jako tˇr´ıda kontroln´ı. Uˇcivo bylo pˇredkládáno klasicky, bez multimediáln´ıch pom˚ ucek, bez motivaˇcn´ıch text˚ u, v podstatˇe i bez uˇcebnice (na tomto gymnáziu uˇcitelé vˇetˇsinou uˇcebnice chemie k v´ yuce nepouˇz´ıvaj´ı). V této tˇr´ıdˇe byly vˇsak provedeny tyto demonstraˇcn´ı pokusy: biuretová reakce a denaturace protein˚ u vajeˇcného b´ılku. Hodinová dotace pro v´ yuku aminokyselin a

55

protein˚ u ˇcinila ve tˇr´ıdách na gymnáziu Nad Alej´ı 3 hodiny. Aby bylo moˇzné ovˇeˇrit, zda podp˚ urné materiály pˇrispˇej´ı k lepˇs´ımu porozumˇen´ı dané látce a k lepˇs´ım studijn´ım v´ ysledk˚ um, byly pˇripraveny dva testy - pretest a posttest. Testy byly zadány pouze ve dvou tˇr´ıdách na Gymnáziu Nad Alej´ı. (Ve tˇr´ıdˇe na Gymnáziu Jana Nerudy byly materiály pouˇz´ıvány, jejich efektivita vˇsak nebyla otestována pretestem a posttestem. Pan´ı uˇcitelka, která materiály pouˇz´ıvala vˇsak poskytla zpˇetnou vazbu, která je uvedena v diskuzi.) Pretest vypracovávali studenti jeˇstˇe pˇredt´ım, neˇz zaˇcali téma aminokyseliny a proteiny prob´ırat, posttest byl závˇereˇcn´ ym testem tématu.

3.3.1

Pretest

Otázky pretestu byly vyb´ırány a formulovány tak, aby na nˇe mohl odpovˇedˇet i student, kter´ y se jeˇstˇe o aminokyselinách a proteinech neuˇcil, nicménˇe absolvoval uˇcivo organické chemie. Otázky t´ ykaj´ıc´ı se aminokyselin byly zpracovány pˇreváˇznˇe jako uˇcivo o derivátech karboxylov´ ych kyselin. V oblasti protein˚ u ovˇeˇrovaly otázky obecné znalosti o tˇechto látkách. C´ılem pretestu bylo zjistit, jak jsou studenti pˇripraveni na dané uˇcivo, a také jaké jsou rozd´ıly mezi tˇr´ıdami. Jednotliv´ e ot´ azky pretestu 1. Do jaké skupiny organick´ ych látek ˇrad´ıme aminokyseliny? 2. K následuj´ıc´ım aminokyselinám napiˇste, jsou-li jejich postrann´ı ˇretˇezce polárn´ı, nepolárn´ı (hydrofobn´ı), kyselé nebo zásadité.

56

3. U dané aminokyseliny oznaˇcte vˇsechny chiráln´ı uhl´ıky.

4. Oznaˇcte správné tvrzen´ı: Esenciáln´ı aminokyseliny jsou takové aminokyseliny, které (a) si organismy um´ı samy vytváˇret. (b) si organismy neum´ı samy tvoˇrit a mus´ı je pˇrij´ımat s potravou. (c) organismy nepotˇrebuj´ı pro sv˚ uj ˇzivot. (d) ˇclovˇek nedokáˇze umˇele pˇripravit. 5. Pokuste se dokonˇcit rovnici vzniku dipeptidu.

6. Jaká nekovalentn´ı vazba m˚ uˇze propojovat tyto dva u ´seky proteinov´ ych ˇretˇezc˚ u?

7. Vyberte správné tvrzen´ı: Proteiny jsou (a) polymery, jejichˇz základn´ı stavebn´ı jednotku pˇredstavuj´ı molekuly sacharid˚ u. (b) makromolekuly, jejichˇz pˇresné sloˇzen´ı zat´ım nen´ı známé. 57

(c) polypeptidové ˇretˇezce, které se nacházej´ı pouze ve svalech obratlovc˚ u. (d) polymery, jejichˇz základn´ı stavebn´ı jednotku pˇredstavuj´ı molekuly aminokyselin. 8. Urˇcete, zda dané tvrzen´ı plat´ı nebo neplat´ı. (a) Proteiny jsou látky podobné b´ılkovinám. Vyrábˇej´ı se pˇreváˇznˇe z ropy. (b) Proteiny tvoˇr´ı podstatnou ˇca´st bunˇek organism˚ u, kde pln´ı mnoho r˚ uzn´ ych funkc´ı (stavebn´ı, ˇr´ıd´ıc´ı, kontroln´ı a dalˇs´ı). (c) Proteiny se tvoˇr´ı v organismech pomoc´ı RNA procesem zvan´ ym proteosyntéza. (d) Proteiny jsou syntetické látky (v pˇr´ırodˇe se bˇeˇznˇe nevyskytuj´ı) pouˇz´ıvané jako potravinov´ y doplnˇek. 9. Podtrhnˇete hlavn´ı funkce, které v organismech pln´ı proteiny (u kaˇzdé funkce je uveden´ y pˇr´ıklad látky, která ji zabezpeˇcuje). pohyb (aktin, myosin); struktura (kolagen, keratin); zásoba energie (ˇskrob, glykogen); transport (hemoglobin); stavba plazmatické membrány (fosfolipidová dvojvrstva); biokatal´ yza (enzymy - pepsin); regulace (nˇekteré hormony - insulin); skladován´ı a pˇrenos genetické informace (DNA, RNA) 10. Moˇzná jste nˇekdy slyˇseli o denaturaci protein˚ u. Pokuste se naj´ıt nˇejak´ y pˇr´ıklad, kdy vy osobnˇe vyuˇz´ıváte denaturaci protein˚ u. Zpracov´ an´ı v´ ysledk˚ u pretestu Následuj´ıc´ı dva grafy obrázek 3.13 a 3.14 porovnávaj´ı kontroln´ı a testovac´ı tˇr´ıdu v u ´spˇeˇsnosti ˇreˇsen´ı pretestu. Z graf˚ u je patrné, ˇze obecnˇe o nˇeco lépe ˇreˇsili pretest studenti testovac´ı tˇr´ıdy. Studenti testovac´ı tˇr´ıdy dosáhli pˇri ˇreˇsen´ı pretestu nejv´ yˇse 80% bod˚ u, studenti kontroln´ı tˇr´ıdy z´ıskali maximálnˇe 70% bod˚ u. V testovac´ı tˇr´ıdˇe se, na rozd´ıl od tˇr´ıdy kontroln´ı, nevyskytl ani jeden student, kter´ y by v pretestu z´ıskal 0% bod˚ u. Nejˇcastˇeji se vyskytuj´ıc´ı v´ ysledek byl v testovac´ı tˇr´ıdˇe 35% a 25%, v kontroln´ı tˇr´ıdˇe jen 25% bod˚ u. Rozd´ıl nejpopulovanˇejˇs´ıho v´ ysledku ˇcinil tedy jen 5% bod˚ u. obecnˇe nebyli studenti pˇri ˇreˇsen´ı pretestu pˇr´ıliˇs u ´spˇeˇsn´ı, ˇza´dn´ y z nich nedosáhl plného poˇctu bod˚ u.

58

Obrázek 3.13: Graf znázorˇ nuje u ´spˇeˇsnost student˚ u pˇri vypracováván´ı pretestu. Je patrné, ˇze studenti testovac´ı tˇr´ıdy byli ponˇekud u ´spˇeˇsnˇejˇs´ı neˇz studenti tˇr´ıdy kontroln´ı.

59

Obrázek 3.14: Graf porovnává u ´spˇeˇsnost odpovˇed´ı na jednotlivé otázky pretestu v testovac´ı a v kontroln´ı tˇr´ıdˇe. Z grafu je zˇrejmé, ˇze obecnˇe nebyli studenti pˇri ˇreˇsen´ı pretestu pˇr´ıliˇs u ´spˇeˇsn´ı, vˇetˇsinu otázek vyˇreˇsilo správnˇe ménˇe neˇz 50% student˚ u.

60

Hodnot´ıme-li jednotlivé otázky, byla u ´spˇeˇsnost jejich ˇreˇsen´ı velmi nevyrovnaná. S t´ım bylo vˇsak pˇredem poˇc´ıtáno, nˇekteré otázky byly u ´myslnˇe nároˇcnˇejˇs´ı, jiné snadnˇejˇs´ı. Vˇetˇsina student˚ u ˇreˇsila nejlépe otázky ˇc. 4 (esenciáln´ı aminokyseliny) a 7 (obecná definice protein˚ u). Studenti testovac´ı tˇr´ıdy byli u ´spˇeˇsnˇejˇs´ı v ˇreˇsen´ı otázky ˇc. 3 (oznaˇcován´ı chiráln´ıch uhl´ık˚ u v molekule aminokyseliny), 6 (propojen´ı dvou u ´sek˚ u peptidového ˇretˇezce H-vazbou) a 10 (denaturace protein˚ u). Ani jeden student z kontroln´ı tˇr´ıdy neodpovˇedˇel správnˇe na otázku ˇc. 2 (rozliˇsován´ı povahy postrann´ıch ˇretˇezc˚ u aminokyselin) a na otázku ˇc. 6. Pretest byl uloˇzen student˚ um jeˇstˇe pˇredt´ım, neˇz se zaˇcali o aminokyselinách a proteinech uˇcit. Pˇrestoˇze vˇsak byly otázky kladeny tak, aby na nˇe studenti mohli odpov´ıdat na základˇe sv´ ych pˇredchoz´ıch znalost´ı z organické chemie, ukázalo se, ˇze vˇetˇsina student˚ u tyto znalosti bud’ nemá, nebo je neum´ı aplikovat na jinou oblast chemie. Celková u ´spˇeˇsnost ˇreˇsen´ı pretestu byla v obou tˇr´ıdách pomˇernˇe n´ızká. Na základˇe v´ ysledk˚ u pretestu se tedy zdá, ˇze testovac´ı tˇr´ıda (ve srovnán´ı s tˇr´ıdou kontroln´ı) mˇela ponˇekud ˇsirˇs´ı základy organické chemie, a t´ım pádem i lepˇs´ı pˇredpoklady pro dalˇs´ı studium biochemie, konkrétnˇe aminokyselin a protein˚ u. Rozd´ıly mezi obˇema tˇr´ıdami nebyly vˇsak tak velké, ˇze by znemoˇznily porovnat u ´ˇcinnost ovˇeˇrovan´ ych studijn´ıch materiál˚ u.

61

3.3.2

Posttest

Posttest byl zadán v testovac´ı a kontroln´ı tˇr´ıdˇe po probrán´ı celého tématu aminokyseliny a proteiny. Student˚ um testovac´ı tˇr´ıdy bylo uˇcivo pˇredkládáno pomoc´ı podp˚ urn´ ych materiál˚ u, vytvoˇren´ ych v rámci této práce. Studenti kontroln´ı tˇr´ıdy byli vyuˇcováni klasicky, bez obrázk˚ u nebo model˚ u protein˚ u, bez motivaˇcn´ıch text˚ u nebo animac´ı. Pˇri hodinˇe jim vˇsak pan´ı uˇcitelka pˇredvedla demonstraˇcn´ı pokusy denaturace vajeˇcného b´ılku a biuretov´ y test. Posttest byl velmi podobn´ y jako pretest, nˇekteré otázky se shodovaly, jiné byly analogické, nˇekteré v posttestu pˇribyly. Vˇsechny otázky ale navazovaly na v´ yuku tématu aminokyseliny a proteiny v obou tˇr´ıdách. Jednotliv´ e ot´ azky posttestu 1. Uvedené aminokyseliny rozdˇelte do 4 skupin podle chován´ı jejich postrann´ıch ˇretˇezc˚ u ve vodném prostˇred´ı (zásadité, kyselé, polárn´ı, nepolárn´ı).

2. Do jaké skupiny organick´ ych slouˇcenin ˇrad´ıme aminokyseliny? 3. Vyberte správné tvrzen´ı o acidobazick´ ych vlastnostech aminokyselin: (a) vˇsechny aminokyseliny jsou silné organické kyseliny. (b) aminokyseliny se mohou chovat jako kyseliny nebo zásady v závislosti na pH prostˇred´ı. (c) d´ıky aminoskupinˇe jsou aminokyseliny siln´ ymi zásadami. (d) aminokyseliny nemaj´ı ani kysel´ y ani zásadit´ y charakter. 4. Pˇri jakém pH se aminokyseliny nepohybuj´ı v elektrickém poli? 62

5. Nakreslete takovou α-aminokyselinu, která nemá ve své molekule chiráln´ı uhl´ık. 6. U této aminokyseliny oznaˇcte vˇsechny chiráln´ı uhl´ıky.

7. Vysvˇetlete pojem esenciáln´ı aminokyselina. 8. Posud’te správnost následuj´ıc´ıch tvrzen´ı o funkci aminokyselin v organismu: (a) Aminokyseliny jsou moˇzn´ ym zdrojem energie. (b) Slouˇz´ı pouze jako stavebn´ı kameny pro tvorbu protein˚ u. (c) Pˇri velké námaze jsou 1. zdrojem energie. (d) Dodávaj´ı a pˇrenáˇsej´ı N. (e) Nˇekteré slouˇz´ı jako hormony. 9. V daném u ´seku molekuly peptidu vyznaˇcte vˇsechny vazby, které jsou rigidn´ı (atomy se kolem nich nemohou volnˇe otáˇcet).

10. Posud’te pravdivost následuj´ıc´ıch tvrzen´ı: (a) Peptidová vazba se i bez katalyzátoru ˇstˇep´ı jiˇz pˇri teplotˇe 50o C. (b) Peptidová vazba se ˇstˇep´ı u ´ˇcinkem kyseliny chlorovod´ıkové v ˇzaludku. 63

(c) Peptidovou vazbu ˇstˇep´ı pˇri zv´ yˇsené teplotˇe a tlaku koncentrované anorganické kyseliny (napˇr. 6M HCl pˇri 120o C). (d) Peptidová vazba se ˇstˇep´ı pˇri denaturaci. (e) Peptidová vazba se ˇstˇep´ı u ´ˇcinkem specializovan´ ych enzym˚ u, tzv. proteas. 11. K následuj´ıc´ım tvrzen´ı napiˇste, zda plat´ı nebo neplat´ı: Nativn´ı konformace proteinu (a) je stav, ve kterém protein m˚ uˇze vykonávat svoji biologickou funkci. (b) zahrnuje pouze primárn´ı strukturu (polypeptidov´ y ˇretˇezec). (c) zaniká pˇri denaturaci proteinu. (d) je sraˇzenina, kterou pozorujeme po denaturaci proteinu. 12. K jednotliv´ ym strukturám (prostorov´ ym uspoˇra´dán´ım) proteinu pˇriˇrad’te vˇsechny vazby, které v nich m˚ uˇzete nalézt: vod´ıkové vazby, hydrofobn´ı interakce, kovalentn´ı vazby, elektrostatické interakce, disulfidové vazby primárn´ı struktura, sekundárn´ı struktura, terciárn´ı struktura, kvartérn´ı struktura 13. Vyberte správnou moˇznost: Denaturace proteinu je proces, pˇri kterém (a) protein ztrác´ı svoji biologickou funkci. (b) se ˇstˇep´ı základn´ı polypeptidov´ y ˇretˇezec. (c) protein z´ıskává svoji nativn´ı konformaci (pˇrirozené prostorové uspoˇrádán´ı). (d) se nejdˇr´ıve naruˇsuje sekundárn´ı, poté terciárn´ı a nakonec kvartern´ı struktura proteinu. 14. Kde v lidském tˇele byste mohli naj´ıt nerozpustné, fibrilárn´ı proteiny a kde rozpustné proteiny globulárn´ı? Uved’te min. 1 pˇr´ıklad od kaˇzdé skupiny. 15. Vyberte si jeden protein a napiˇste jeho název, v´ yskyt a funkci v organismech. Pokuste se ho bl´ıˇze zaˇradit (napˇr. globulárn´ı nebo fibrilárn´ı protein). Zpracov´ an´ı v´ ysledk˚ u posttestu Následuj´ıc´ı grafy (obrázek 3.15 a 3.16) shrnuj´ı v´ ysledky ˇreˇsen´ı posttestu v testovac´ı a kontroln´ı tˇr´ıdˇe. Z graf˚ u je patrné, ˇze studenti obou tˇr´ıd ˇreˇsili posttest o mnoho lépe neˇz 64

pretest. Stejnˇe tak je vidˇet, ˇze studenti testovac´ı tˇr´ıdy uspˇeli i pˇri ˇreˇsen´ı posttestu o lépe neˇz studenti kontroln´ı tˇr´ıdy. Studenti testovac´ı tˇr´ıdy z´ıskali v posttestu maximálnˇe 96% bod˚ u a minimálnˇe 38% bod˚ u, zat´ımco studetni kontroln´ı tˇr´ıdy z´ıskali maximálnˇe 88% bod˚ u a minimálnˇe 25%. O tˇr´ıdˇe jako celku vˇsak lépe vypov´ıdá, kolika bod˚ u dosáhla vˇetˇsina. Nejˇcastˇeji opakovan´ y v´ ysledek v testovac´ı tˇr´ıdˇe byl 75% bod˚ u, ve tˇr´ıdˇe kontroln´ı jen 42% bod˚ u. Rozd´ıl tˇechto hodnot ˇcin´ı 37% bod˚ u. Rozd´ıl nejpopulovanˇejˇs´ıho v´ ysledku byl u pretestu jen 5% ve prospˇech testovac´ı tˇr´ıdy, coˇz dokládá v´ yrazné zlepˇsen´ı testovac´ı tˇr´ıdy.

Obrázek 3.15: Graf znázorˇ nuje u ´spˇeˇsnost student˚ u pˇri vypracováván´ı posttestu. Je zˇrejmé, ˇze v´ ysledky student˚ u testovac´ı tˇr´ıdy jsou o nˇeco lepˇs´ı, neˇz v´ ysledky student˚ u tˇr´ıdy kontroln´ı.

65

Studenti testovac´ı tˇr´ıdy tedy uspˇeli signifikantnˇe lépe pˇri ˇreˇsen´ı vˇetˇsiny otázek (10 otázek z 15). Nejvˇetˇs´ı rozd´ıl je patrn´ y u otázek ˇc. 2, 6 a 11. Otázka ˇc´ıslo 2 se shoduje s 1. otázkou pretestu (zaˇrazen´ı aminokyseliny do skupiny organick´ ych látek), která ˇcinila student˚ um velké problémy uˇz pˇri vypracováván´ı pretestu. Studenti testovac´ı tˇr´ıdy se pˇri ˇreˇsen´ı této otázky v´ yraznˇe zlepˇsili na rozd´ıl od student˚ u tˇr´ıdy kontroln´ı. Stejnˇe tak otázka ˇc. 6, urˇcován´ı chiráln´ıch uhl´ık˚ u aminokyseliny, se objevila v obou testech a studenti kontroln´ı tˇr´ıdy mˇeli s jej´ım ˇreˇsen´ım pokaˇzdé znaˇcné problémy. (Studenti testovac´ı tˇr´ıdy vˇsak vybrali správné atomy uhl´ıku uˇz v pretestu.) Otázka ˇc. 11 se t´ ykala nativn´ı konformace protein˚ ua v pretestu nemˇela podobnou variantu. Studenti testovac´ı tˇr´ıdy si s touto otázkou poradili v´ yraznˇe lépe neˇz studenti tˇr´ıdy kontroln´ı. Posledn´ı dvˇe otázky zkoumaj´ıc´ı rozdˇelen´ı protein˚ u na fibrilárn´ı a globulárn´ı a jejich funkci v organismu vˇsak ˇreˇsili o nˇeco lépe studenti tˇr´ıdy testovac´ı. Rozd´ıl vˇsak nebyl tak velk´ y, jako u 2., 6. a 11. otázky. Nejnároˇcnˇejˇs´ı byla otázka ˇc. 4 (urˇcit pH, pˇri kterém se aminokyseliny nepohybuj´ı v elektrickém poli), pˇrestoˇze term´ın isoelektrick´ y bod byl vysvˇetlován v obou tˇr´ıdách a vyskytuje se také ve vˇsech uˇcebnic´ıch. Naopak nejsnadnˇejˇs´ı byla otázka ˇc. 7, Vysvˇetlete pojem esenciáln´ı aminokyseliny. Podobnou otázku ˇreˇsili studenti velmi u ´spˇeˇsnˇe i v pretestu. Na závˇer m˚ uˇzeme ˇr´ıci, ˇze posttest ˇreˇsili studenti obou tˇr´ıd snadnˇeji neˇz pretest. Studenti testovac´ı tˇr´ıdy byli pˇritom u ´spˇeˇsnˇejˇs´ı neˇz studenti tˇr´ıdy kontroln´ı.

66

Obrázek 3.16: Graf srovnává mnoˇzstv´ı správn´ ych odpovˇed´ı na jednotlivé otázky posttestu v testovac´ı a kontroln´ı tˇr´ıdˇe.

67

Kapitola 4 Diskuze Jedn´ım z c´ıl˚ u diplomové práce bylo vytvoˇrit uˇcebn´ı materiály na podporu v´ yuky biochemie na stˇredn´ıch ˇskolách. Podklady pro tvorbu materiál˚ u poskytla anal´ yza ˇcesk´ ych stˇredoˇskolsk´ ych uˇcebnic chemie. Tato anal´ yza se stejnˇe jako v´ yukové materiály vˇenovala pouze témat˚ um aminokyseliny a proteiny. Podp˚ urné materiály byly zpracovány tak, aby byly v souladu s RVP. Anal´ yza ˇcesk´ ych stˇredoˇskolsk´ ych uˇcebnic byla velmi podrobnˇe popsána ve 3.1. Porovnán´ı dostupn´ ych ˇcesk´ ych uˇcebnic chemie s nˇekter´ ymi uˇcebnicemi zahraniˇcn´ımi (nˇemecká uˇcebnice Fokus Biologie a do ˇceˇstiny pˇreloˇzená Amannova Chemie pro stˇredn´ı ˇskoly) poukázalo na nˇekteré nedostatky ˇcesk´ ych uˇcebnic. Hlavn´ım problémem je, podle mého názoru, jejich nemodernost. Nejedná se o uˇcebnice staré, bˇeˇznˇe pouˇz´ıvaná Mareˇckova Chemie pro ˇctyˇrletá gymnázia (3. d´ıl) byla vydaná roku 2000, Koláˇrova Organická chemie a biochemie aˇz roku 2005. Pˇresto tyto uˇcebnice (a ostatn´ı ˇceské stˇredoˇskolské uˇcebnice chemie také) postrádaj´ı barevné obrázky nebo fotografie, barevnˇe rozliˇsen´ y text. Tyto uˇcebnice maj´ı velmi mal´ y pod´ıl obrazového materiálu. Jak bylo uvedeno v kapitole 3.1, v modern´ıch zahraniˇcn´ıch uˇcebnic´ıch b´ yvá zvykem, ˇze obrázk˚ um je vˇenováno témˇeˇr stejnˇe m´ısta jako textu. Takové proveden´ı zaujme ˇctenáˇre uˇz na prvn´ı pohled. To se o ˇcesk´ ych uˇcebnic´ıch chemie bohuˇzel ˇr´ıct nedá. B´ yvaj´ı pˇreplnˇeny textem, v´ ykladem, pojmy, definicemi, které uˇz od prvn´ı stránky vzkazuj´ı student˚ um, jaké kvantum informac´ı se budou muset nauˇcit. Na prvn´ı pohled je vˇsak také zˇrejmé, ˇze modern´ı uˇcebnice budou draˇzˇs´ı, neˇz uˇcebnice starˇs´ı, klasické. Studenti v Bavorsku maj´ı tu v´ yhodu, ˇze napˇr. uˇcebnici Fokus Biologie ˇ e republice si stˇredoˇskolˇst´ı studenti kupuj´ı uˇcebnice dostávaj´ı zdarma od státu. V Cesk´ sami. To m˚ uˇze b´ yt jeden z d˚ uvod˚ u proˇc autoˇri do uˇcebnic nezaˇrazuj´ı mnoho barevn´ ych 68

obrázk˚ u nebo fotografi´ı. Snaˇz´ı se vytvoˇrit uˇcebnice dostupné pro vˇetˇsinu student˚ u. Rozd´ıl v cenˇe a proveden´ı vˇsak nen´ı tak v´ yrazn´ y. Napˇr. Amannovu uˇcebnici chemie, která je velmi pˇeknˇe graficky provedená, obsahuje mnoho barevn´ ych obrázk˚ u i fotografi´ı, je moˇzné sehnat za 200 Kˇc. Mareˇckova Chemie se prodává cca po 130 Kˇc (jeden d´ıl), Koláˇrova Chemie a biochemie cca za 150 Kˇc [19]. Pˇrestoˇze rozd´ıl v cenách nen´ı pˇr´ıliˇs velk´ y, nesetkala jsem se s t´ım, ˇze by uˇcitelé chemie doporuˇcovali student˚ um Amannovu uˇcebnici. Napˇr´ıklad na gymnázi´ıch, kde byly testovány materiály pro tuto práci, je student˚ um doporuˇcována Mareˇckova uˇcebnice. Vyˇsˇs´ı cena modernˇejˇs´ı Amannovy uˇcebnice zˇrejmˇe nen´ı jedin´ ym d˚ uvodem, proˇc tato ˇ e republice. Stejnˇe jako uˇcebnice Fokus Biolokniha nepatˇr´ı mezi bˇeˇznˇe pouˇz´ıvané v Cesk´ gie ˇrad´ı Amann uˇcivo jinak neˇz uˇcebnice ˇceské (s v´ yjimkou Vodráˇzkovy Biochemie). (Uˇz samotn´ y fakt, ˇze uˇcebnici biologie uvád´ım v práci zamˇeˇrené na zpracován´ı chemick´ ych témat aminokyseliny a proteiny, poukazuje na netradiˇcn´ı pojet´ı uˇciva.) Proteiny prob´ırá Amann (i Vodráˇzka) spolu se sacharidy jako biopolymery. Kromˇe bˇeˇzného uˇciva zaˇrazuje napˇr. i kapitolu Chromatografie, propojuje základn´ı uˇcivo s jin´ ymi tématy. Takové pojet´ı povaˇzuji za pˇr´ınosné, splˇ nuje poˇzadavky RVP na integraci uˇciva, ukazuje student˚ um jin´ y pohled na dané téma, pˇrináˇs´ı zaj´ımavé a prakticky uˇziteˇcné informace. Na druhou stranu m˚ uˇze toto pojet´ı odradit uˇcitele i studenty, kteˇr´ı jsou zvykl´ı na urˇcité systematické ˇclenˇen´ı uˇciva. Jasné vymezen´ı jednotliv´ ych skupin organick´ ych látek, v´ yˇcet jejich struktur a vlastnost´ı, na závˇer nˇekolik konkrétn´ıch pˇr´ıklad˚ u. Takov´ y pˇrehled najde ˇctenáˇr i v Amannovˇe nebo Vodráˇzkovˇe uˇcebnici, v´ yklad na nˇem vˇsak nen´ı postaven. Podp˚ urné materiály byly v rámci této práce vytváˇreny nejen proto, ˇze anal´ yza ˇcesk´ ych stˇredoˇskolsk´ ych uˇcebnic odhalila nˇekolik nedostatk˚ u v jejich zpracován´ı daného tématu. ˇ e republice, kdy si stˇredoˇskolˇst´ı studenti kupuj´ı Dalˇs´ım d˚ uvodem je souˇcasná situace v Cesk´ uˇcebnice sami a uˇcitelé ˇcasto z tohoto d˚ uvodu ˇza´dnou uˇcebnici nepouˇz´ıvaj´ı. Tyto materiály by mˇely b´ yt zdarma k dispozici pro stˇredoˇskolské uˇcitele a jejich prostˇrednictv´ım pro studenty. Kromˇe toho se v posledn´ıch pˇeti letech na ˇceském trhu neobjevila nová, modern´ı uˇcebnice chemie, která by zpracovala dané téma na u ´rovni souˇcasného poznán´ı a technick´ ych moˇznost´ı. Samozˇrejmˇe nen´ı moˇzné pˇredpokládat, ˇze kvalitu uˇcebnice zaruˇcuje dostatek fotografi´ı, obrázk˚ u a barevnˇe rozliˇseného textu. Kvalitn´ı grafické zpracován´ı uˇcebnice vˇsak nen´ı to hlavn´ı, m˚ uˇze studenty zaujmout a motivovat, ale samo o sobˇe nestaˇc´ı. R˚ uzné anal´ yzy ˇcesk´ ych stˇredoˇskolsk´ ych uˇcebnic chemie se ve sv´ ych závˇerech znaˇcnˇe liˇs´ı [2], [3], [4]. Tato práce se shoduje s v´ ysledky Kudrnové [1] a Tekslové [5], které povaˇzuj´ı za hlavn´ı nedo69

statky ˇcesk´ ych stˇredoˇskolsk´ ych uˇcebnic izolovanost uˇciva chemie. Uˇcivo nen´ı propojováno s jin´ ymi pˇredmˇety, s biologi´ı nebo fyzikou, uˇcebnice pˇredkládaj´ı jen málo ukázek a pˇr´ıklad˚ u ze ˇzivota, málo zaj´ımavost´ı. pˇritom nen´ı nutné ukazovat zaj´ımavosti pouze na barevn´ ych fotografi´ıch nebo obrázc´ıch. Text je moˇzné obohatit zaj´ımav´ ymi u ´lohami nebo pˇr´ıklady konkrétn´ıch slouˇcenin, které znaj´ı studenti z praxe. Uˇcitelé pak maj´ı ˇcasto problémy zaujmout studenty, nadchnout je pro studium chemie (pro ostatn´ı pˇredmˇety to zˇrejmˇe také plat´ı). Domn´ıvám se, ˇze dostupné ˇceské uˇcebnice chemie, kromˇe napˇr. uˇcebnice Amannovy nebo Vodráˇzkovy, k vˇetˇs´ımu zaujet´ı student˚ u pˇr´ıliˇs nepˇrisp´ıvaj´ı. Proto bylo snahou doplnit materiály vytváˇrené v rámci této práci o zaj´ımavosti, o konkrétn´ı pˇr´ıklady protein˚ u a jejich funkce, o nˇekteré situace a jevy, jako je napˇr. vytváˇren´ı u ´ˇces˚ u nebo prionová onemocnˇen´ı, které by mohly b´ yt student˚ um z jejich ˇzivota známé. Takov´ ych pˇr´ıklad˚ u a zaj´ımavost´ı je pochopitelnˇe mnohem v´ıce, pro tuto práci bylo vybráno 8 takov´ ych ukázek. K této anal´ yze je tˇreba jeˇstˇe dodat, ˇze uˇcivo je v ˇcesk´ ych uˇcebnic´ıch pˇredkládáno bez chyb (hodnocena byla opˇet pouze témata aminokyseliny a proteiny). Stejnˇe tak uˇcebnice nevynechávaj´ı ˇza´dné podstatné ˇca´sti základn´ıho uˇciva aminokyselin a protein˚ u. Problém b´ yvá sp´ıˇse v tom, ˇze uˇcivo je ˇcasto pojato pˇr´ıliˇs obecnˇe a chyb´ı konkrétn´ı pˇr´ıklady látek, o kter´ ych se studenti uˇc´ı. Pouˇzit´ı podp˚ urn´ ych v´ yukov´ ych materiál˚ u, vytvoˇren´ ych v rámci této práce, je vˇsak ve v´ yuce také doprovázeno nˇekolika nesnázemi. Tyto problémy jsem zaznamenala pˇri testován´ı materiál˚ u na Gymnáziu Nad Alej´ı. V prvn´ı ˇradˇe je potˇreba m´ıt k dispozici poˇc´ıtaˇc a projektor, coˇz uˇz je v mnoha ˇcesk´ ych ˇskolách bˇeˇzné, nen´ı to vˇsak samozˇrejmost´ı. (Nen´ı-li projektor v uˇcebnˇe chemie, je nˇekdy moˇzné si p˚ ujˇcit projektor pˇrenosn´ y. To vˇsak uˇciteli znaˇcnˇe pˇridˇelává práci.) Pokud by uˇcitel chtˇel ukazovat 3D modely molekul protein˚ u, mus´ı m´ıt nainstalovan´ y program DS Visualiser, kter´ y si m˚ uˇze zdarma opatˇrit na internetu, je to vˇsak práce nav´ıc. Tyto technické problémy se vˇsak vˇetˇsinou daj´ı vyˇreˇsit, uˇcitelé se s nimi pravdˇepodobnˇe setkávaj´ı ˇcasto, chtˇej´ı-li uˇcit s pomoc´ı v´ ypoˇcetn´ı techniky. Vˇetˇs´ı problém pˇredstavuj´ı materiály jako takové. PPT prezentace je vytvoˇrena tak, ˇze pokr´ yvá celé téma aminokyseliny a proteiny. Jej´ı pouˇzit´ı v kaˇzdé hodinˇe vˇsak nen´ı vhodné. Ostatnˇe i Petty uvád´ı ve svém Modern´ım vyuˇcován´ı, ˇze by v´ yuka nemˇela b´ yt postavena na jedné vyuˇcovac´ı metodˇe (coˇz je v tomto pˇr´ıpadˇe v´ yklad s pouˇzit´ım PPT prezentace). Uˇcitel t´ım nakonec motivaci student˚ u sp´ıˇse sniˇzuje [11]. V´ yklad s prezentac´ı by mˇel b´ yt proto pravidelnˇe a ˇcasto stˇr´ıdán napˇr. samostatnou prac´ı student˚ u, demonstraˇcn´ım pokusem nebo tˇreba diskuz´ı. V PPT prezentaci, která je souˇca´st´ı této práce, je také relativnˇe mnoho textu. To potvrdila i pan´ı uˇcitelka, která testovala materiály na Gymnáziu Jana Nerudy. prezentaci 70

by si pro vlastn´ı u ´ˇcely upravila, ponechala by hlavnˇe obrázky, vzorce a struktury molekul, vˇetˇsinu textu by vynechala. Podle jej´ı zkuˇsenosti zaˇcnou totiˇz studenti text ihned opisovat a pˇrestanou vn´ımat uˇcitele. Zaj´ımavosti a rozˇsiˇruj´ıc´ı informace, které jim pak uˇcitel sdˇeluje, nakonec ani nepostˇrehnou. prezentaci bych proto doporuˇcila pouˇz´ıvat pouze jako doplnˇek k v´ ykladu uˇcitele nebo k jin´ ym formám v´ yuky. Doplnˇek, kter´ y by mˇel (spolu s animacemi denaturace a rozˇsiˇruj´ıc´ımi texty) pomoci student˚ um vytvoˇrit si lepˇs´ı pˇredstavu o prostorovém uspoˇrádán´ı, funkci a denaturaci protein˚ u. V´ yukové materiály bylo potˇreba ovˇeˇrit v praxi. Za t´ımto u ´ˇcelem byly vytvoˇreny dva testy, pretest a posttest. Byly zadány ve dvou tˇr´ıdách (jedné testovac´ı, kde bylo uˇcivo pˇrekládáno pomoc´ı tˇechto materiál˚ u, a jedné kontroln´ı, kde byli studenti vyuˇcováni bez nich). Pretest jako u ´vod (studenti se tedy o aminokyselinách a proteinech jeˇstˇe neuˇcili) a posttest jako závˇer daného tématu. V´ ysledky pretestu i posttestu jsou uvedeny v kapitole 3.3. V´ ysledky pretestu ukazuj´ı, ˇze mezi obˇema tˇr´ıdami existovaly drobné rozd´ıly v u ´rovni znalost´ı a schopnosti pouˇz´ıvat znalosti jeˇstˇe pˇredt´ım, neˇz jim bylo pˇredkládáno uˇcivo aminokyseliny a proteiny. Studenti kontroln´ı tˇr´ıdy byli pˇri ˇreˇsen´ı pretestu ménˇe u ´spˇeˇsn´ı neˇz studenti tˇr´ıdy testovac´ı. Nejvˇetˇs´ı pot´ıˇze jim ˇcinily otázky 2 a 6 (viz obrázek 3.14 strana 60). Druhá otázka byla problematická i ve tˇr´ıdˇe testovac´ı. Tyto otázky se t´ ykaly aminokyselin. Studenti kontroln´ı tˇr´ıdy evidentnˇe neznali pojem chiráln´ı uhl´ık, pˇrestoˇze jiˇz mˇeli probrané téma sacharidy, kde se s n´ım obvykle studenti setkávaj´ı poprvé. V kontroln´ı tˇr´ıdˇe bylo toto téma zˇrejmˇe nedostateˇcnˇe vysvˇetleno nebo procviˇceno. Rozpoznat povahu postrann´ıho ˇretˇezce aminokyselin (otázka ˇc. 2) se podaˇrilo jen nˇekolika student˚ um z testovac´ı tˇr´ıdy. Hlavn´ı problém tkvˇel v tom, ˇze studenti nevˇedˇeli, co je postrann´ı ˇretˇezec aminokyseliny. Tuto skuteˇcnost jsem si pˇredem neuvˇedomila, bylo by lepˇs´ı zv´ yraznit v zadán´ı u ´lohy pojem postrann´ı ˇretˇezce. (Zpˇetnˇe jsem materiál takto upravila, aby ho mohli uˇcitelé pouˇz´ıt bez podobn´ ych problém˚ u.) Nemohu proto posoudit, zda studenti rozumˇeli pojmu polárn´ı a nepolárn´ı látky, protoˇze ˇcasto pˇripisovali jedné aminokyselinˇe vˇsechny vlastnosti, které mˇeli v nab´ıdce (polárn´ı, nepolárn´ı, zásadité a kyselé). Posuzovali evidentnˇe vlastnosti cel´ ych aminokyselin. Nejlépe ˇreˇsili studenti otázku ˇc. 4 (esenciáln´ı aminokyseliny) a otázku ˇc. 7 (zaˇrazen´ı protein˚ u do urˇcité skupiny organick´ ych látek). U tˇechto otázek se mimo jiné ukázalo, ˇze studenti jsou zvykl´ı na podobn´ y typ testov´ ych u ´loh, kdy se vyb´ırá jen jedna správná odpovˇed’. At’ uˇz vyluˇcovac´ı metodou, kdy tˇri zb´ yvaj´ıc´ı moˇznosti byly v podstatˇe nesmyslné, nebo d´ıky obecnému povˇedom´ı o pojmu esencialita (studenti se s n´ım mohli 71

seznámit napˇr. u mastn´ ych kyselin) a proteiny (minimálnˇe v reklamách nebo v ˇcasopisech o ”zdravém ˇzivotn´ım stylu” se s t´ımto pojmem jistˇe ˇcasto setkávaj´ı) zvolili studenti vˇetˇsinou správnou odpovˇed’. Naproti tomu zadán´ı u ´lohy typu: Urˇcete, zda dané tvrzen´ı plat´ı nebo neplat´ı - bylo pro studenty zjevnˇe nezvyklé. M´ısto posouzen´ı daného tvrzen´ı ˇcasto jen zaˇskrtli jednu moˇznost. Moˇzná právˇe d´ıky formulaci zadán´ı se vˇetˇsinˇe student˚ u nepodaˇrilo vyˇreˇsit otázku ˇc. 8 (r˚ uzná tvrzen´ı o proteinech). V otázkách ˇc. 7 a 9 totiˇz prokázali, ˇze maj´ı pˇredstavu o tom, jakou skupinu látek proteiny pˇredstavuj´ı. Pˇrestoˇze v´ ysledky pretestu naznaˇcili, ˇze studenti testovac´ı tˇr´ıdy mˇeli o troˇsku lepˇs´ı v´ ychoz´ı pozici pro zvládnut´ı tématu aminokyseliny a proteiny neˇz studenti kontroln´ı tˇr´ıdy, rozd´ıly mezi tˇr´ıdami byly velmi malé. Obecnˇe pretest ukázal, ˇze studenti maj´ı bud’ málo znalost´ı z pˇredchoz´ıho studia chemie, nebo nejsou schopni aplikovat tyto znalosti na jinou ˇca´st chemie. Pˇri ˇreˇsen´ı prvn´ı otázky (zaˇrazen´ı aminokyselin do nˇejaké skupiny organick´ ych látek) byli ne´ uspˇeˇsn´ı témˇeˇr vˇsichni. Minimálnˇe studenti testovac´ı tˇr´ıdy vˇsak dobˇre znali aminokyseliny, byli schopni rozdˇelit jejich deriváty na funkˇcn´ı a substituˇcn´ı a uvést nˇekteré pˇr´ıklady tˇechto derivát˚ u. V jiném kontextu (téma proteiny) vˇsak nedokázali zaˇradit aminokyseliny mezi deriváty karboxylov´ ych kyselin. Závˇer, ˇze studenti nedokáˇz´ı aplikovat znalosti v nov´ ych souvislostech, je v souladu i s v´ ysledky publikovan´ ymi v odborné literatuˇre. Napˇr. Mokrejˇsová ve své Modern´ı v´ yuce chemie interpretuje v´ ysledky mezinárodn´ıho ˇsetˇren´ı TIMSS 1999 (v´ yzkum v´ yukov´ ych metod ˇ e republice se pˇri v´ v pˇr´ırodovˇedn´ ych pˇredmˇetech). Z tohoto ˇsetˇren´ı vypl´ yvá, ˇze v Cesk´ yuce pˇr´ırodovˇedn´ ych pˇredmˇet˚ u (tedy i chemie) vˇenuje mnoho ˇcasu osvojován´ı teoretick´ ych znalost´ı, fakt˚ u a definic na u ´kor budován´ı vztah˚ u mezi poznatky [20]. Zpracován´ı posttestu nepˇrineslo pˇrekvapivé v´ ysledky. Studenti testovac´ı tˇr´ıdy uspˇeli pˇri jeho ˇreˇsen´ı lépe neˇz studenti tˇr´ıdy kontroln´ı (viz obrázky 3.15 a 3.16, strany 65 a 67). Rozd´ıl byl v´ yraznˇejˇs´ı neˇz v pˇr´ıpadˇe pretestu, jak ukazuj´ı rozd´ıly nejˇcastˇeji z´ıskan´ ych v´ ysledk˚ u, tedy 5% ve prospˇech student˚ u testovac´ı tˇr´ıdy v pretestu a 37% pro tutéˇz tˇr´ıdu v posttestu. Vyˇsˇs´ı u ´spˇeˇsnost pˇri ˇreˇsen´ı posttestu v testovac´ı tˇr´ıdˇe má nˇekolik d˚ uvod˚ u. 1. Vzhledem k v´ ysledk˚ um posttestu pˇredpokládám, ˇze studenti testovac´ı tˇr´ıdy se obecnˇe uˇc´ı chemii lépe neˇz studenti tˇr´ıdy kontroln´ı. Obˇe tˇr´ıdy uˇcily na gymnáziu dvˇe r˚ uzné uˇcitelky, které maj´ı na své studenty velmi rozd´ılné nároky. Studenti testovac´ı tˇr´ıdy jsou proto zvykl´ı se na chemii pravidelnˇe pˇripravovat. 2. Studenti testovac´ı tˇr´ıdy mˇeli také o nˇeco lepˇs´ı v´ ychoz´ı podm´ınky pro zvládnut´ı tématu aminokyseliny a proteiny (viz kapitola V´ ysledky - Pretest). Mˇeli ˇsirˇs´ı základy 72

z organické chemie. Posttest ukázal, ˇze ani téma aminokyseliny nenauˇcilo studenty kontroln´ı tˇr´ıdy rozliˇsovat chiráln´ı uhl´ıky nebo povahu postrann´ıch ˇretˇezc˚ u aminokyselin. Tyto poznatky si studenti testovac´ı tˇr´ıdy osvojili lépe. Na druhou stranu studenti testovac´ı tˇr´ıdy dopadli h˚ uˇr pˇri ˇreˇsen´ı takov´ ych otázek, kdy mˇeli prokázat, zda se nˇeco nauˇcili nazpamˇet’ (rozdˇelen´ı protein˚ u na fibrilárn´ı a globulárn´ı, funkce protein˚ u v organismech atd.) 3. Uˇcivo bylo v obou tˇr´ıdách pˇredkládáno odliˇsn´ ym zp˚ usobem. Studenti kontroln´ı tˇr´ıdy se uˇcili bez uˇcebnice, pouze za zápisk˚ u, které si poˇr´ıdili z v´ ykladu pan´ı uˇcitelky. Vidˇeli dva demonstraˇcn´ı pokusy (biuretov´ y test a denaturaci vajeˇcného b´ılku). Pˇri v´ yuce vˇsak nebyly pouˇzity jiné motivaˇcn´ı prostˇredky ˇci metody, studenti si také molekuly protein˚ u mˇeli pouze pˇredstavovat, nepracovali s jejich obrázky nebo modely. Studenti testovac´ı tˇr´ıdy byly vyuˇcováni pomoc´ı r˚ uzn´ ych podp˚ urn´ ych materiál˚ u (viz kapitola V´ ysledky - V´ yukové materiály). Z tˇechto materiál˚ u byla pouˇzita PPT prezentace (podle které si studenti dˇelali zápisky do seˇsit˚ u), 3D modely molekul protein˚ u, rozˇsiˇruj´ıc´ı texty (Kdo si tvoˇr´ı své aminokyseliny u ´plnˇe sám?; Obrana proti reaktivn´ım formám kysl´ıku; Srpkovitá anemie a malárie; Trvalá ondulace; Priony) a demonstraˇcn´ı pokusy denaturace a vysolován´ı protein˚ u vajeˇcného b´ılku byly doplnˇeny animacemi znázorˇ nuj´ıc´ımi molekulárn´ı podstatu tˇechto dˇej˚ u. Ani s pouˇzit´ım mnoha motivaˇcn´ıch pom˚ ucek vˇsak nebyla v´ yuka v testovac´ı tˇr´ıdˇe snadná. Hlavn´ı problém spoˇc´ıval podle mého názoru v tom, ˇze chemie je jedn´ım z nejménˇe obl´ıben´ ych pˇredmˇet˚ u student˚ u této tˇr´ıdy. Je zde jen nˇekolik student˚ u, které chemie zaj´ımá, kteˇr´ı se j´ı chtˇej´ı v´ıce vˇenovat. Nejnároˇcnˇejˇs´ı ˇcást´ı v´ yuky bylo proto studenty zaujmout. V´ ysledky posttestu poukazuj´ı na efektivitu testovan´ ych materiál˚ u. Posledn´ı dvˇe otázky, t´ ykaj´ıc´ı se zaˇrazen´ı a funkc´ı protein˚ u ukázaly, ˇze tyto materiály kladou vˇetˇs´ı d˚ uraz na strukturu protein˚ u neˇz na jejich systematiku. Rozdˇelen´ı protein˚ u podle rozpustnosti a funkce tvoˇr´ı sice závˇer PPT prezentace, ke kaˇzdé skupinˇe je také uvedeno nˇekolik konkrétn´ıch pˇr´ıklad˚ u protein˚ u. Aminokyselinám a protein˚ um vˇsak byly vˇenovány pouze tˇri vyuˇcovac´ı hodiny. Problematika rozdˇelen´ı protein˚ u tak vyˇsla aˇz na druhou ˇcást posledn´ı hodiny a nezbylo dost ˇcasu na procviˇcován´ı. Uˇcitel by tento problém mohl vyˇreˇsit t´ım, ˇze bude vˇenovat ménˇe ˇcasu struktuˇre protein˚ u (ale nejsp´ıˇs na u ´kor porozumˇen´ı), nebo zv´ yˇsen´ım hodinové dotace pro téma protein˚ u. Druhá varianta by moˇzná byla ˇzádouc´ı pro celé uˇcivo biochemie. Na základˇe srovnán´ı dvou tˇr´ıd, které nemˇely u ´plnˇe stejné v´ ychoz´ı podm´ınky, pochopi73

telnˇe nelze rozhodnout, zda jsou podp˚ urné materiály vytvoˇrené v rámci této práce ideáln´ı uˇcebn´ı pom˚ uckou pro v´ yuku aminokyselin a protein˚ u. Pro pˇresnˇejˇs´ı urˇcen´ı jejich didaktického pˇr´ınosu, by bylo tˇreba ovˇeˇrit je na vˇetˇs´ım poˇctu student˚ u. Podle v´ ysledk˚ u posttestu vˇsak m˚ uˇzeme konstatovat, ˇze tyto materiály nezhorˇsily u ´roveˇ n vˇedomost´ı, naopak pˇrispˇely k lepˇs´ımu pochopen´ı daného tématu, ke snadnˇejˇs´ımu osvojen´ı daného uˇciva a motivován´ı student˚ u. D´ıky tomu, ˇze jsem tyto materiály testovala ve své tˇr´ıdˇe, mohu je posoudit i z pohledu uˇcitele. Pˇri v´ yuce jsem mˇela pˇr´ıleˇzitost srovnat vysvˇetlován´ı prostorové struktury protein˚ u pouze s pomoc´ı tabule a kˇr´ıdy (nebyl k dispozici projektor) a s pomoc´ı PPT prezentace s obrázky jednotliv´ ych struktur a se 3D modely molekul protein˚ u. Prvn´ı hodinu studenti nechápali, proˇc se vlastnˇe jednotlivé struktury rozliˇsuj´ı, podle jednoduch´ ych nákres˚ u na tabuli si neumˇeli pˇredstavit ˇsroubovici s vyˇcn´ıvaj´ıc´ımi postrann´ımi ˇretˇezci aminokyselin nebo jak sloˇzitá m˚ uˇze b´ yt terciárn´ı a kvartern´ı struktura proteinu. Teprve dalˇs´ı hodinu, kdyˇz vidˇeli obrázky a 3D modely protein˚ u, byli schopni odpov´ıdat na otázky typu - jak´ y je rozd´ıl mezi primárn´ı a sekundárn´ı strukturou proteinu, které vazby stabilizuj´ı tyto struktury nebo co ovlivˇ nuje skládán´ı protein˚ u. Stejnou zkuˇsenost jsem mˇela i s vysvˇetlován´ım procesu vysolován´ı, kter´ y sice studenti vidˇeli pˇri demonstraˇcn´ım pokusu, ale nechápali hlavn´ı rozd´ıl mezi vysolován´ım a denaturac´ı. Teprve po prom´ıtnut´ı animace denaturace a vysolován´ı odpov´ıdali správnˇe, ˇze pˇri vysolován´ı se struktura proteinu nemˇen´ı, zat´ımco pˇri denaturaci se naruˇsuj´ı prvky kvartérn´ı, terciárn´ı a sekundárn´ı struktury. Pozitivnˇe hodnotila animace i pan´ı uˇcitelka z Gymnázia Jana Nerudy. Do své v´ yuky totiˇz jiˇz nˇekolik let nezaˇrazuje studentské pokusy denaturace protein˚ u, protoˇze je studenti povaˇzuj´ı za nudné. Animace jsou podle n´ı pro studenty zaj´ımavˇejˇs´ı, kromˇe toho vysvˇetluj´ı proces i na molekulárn´ı u ´rovni, coˇz studenti pˇri provádˇen´ı experimentu nevid´ı. Pan´ı uˇcitelka z Gymnázia Jana Nerudy také velmi ocenila plakát kódovan´ ych aminokyselin. Vyvˇesila ho v uˇcebnˇe chemie, protoˇze tam dosud podobnou pom˚ ucku pro v´ yuku aminokyselin nemˇela. S pouˇzit´ım rozˇsiˇruj´ıc´ıch text˚ u k tématu aminokyseliny a proteiny mám dobrou zkuˇsenost. Pˇri testován´ı materiál˚ u jsem do v´ yuky zaˇradila text o esenciáln´ıch aminokyselinách, glutathionu, trvalé ondulaci, fenylketonurii a o prionech. Texty studenty zaujaly, otázky, které je doprovázej´ı, mnohdy vyvolaly diskuzi o daném tématu. Zapojili se i studenti, kteˇr´ı obvykle pˇri hodinách chemie aktivn´ı nejsou. Nˇekteré d´ıvky potˇeˇsilo, kdyˇz objevily souvislost mezi u ´ˇcesy a oxidac´ı a redukc´ı zbytku cysteinu v proteinech, ostatn´ı zase pˇrekvapilo, ˇze priony, o kter´ ych mnohokrát slyˇseli v souvislosti se smrteln´ ymi onemocnˇen´ımi, jsou proteiny 74

a nemoc zp˚ usobuje jen zmˇena jejich prostorového uspoˇra´dán´ı. Tyto texty byly pˇr´ıjemn´ ym oˇziven´ım v´ yuky nejen pro studenty, ale i pro mˇe jako uˇcitele, protoˇze ve studentech probudily alespoˇ n chvilkov´ y zájem o chemii. Hlavn´ı pˇr´ınos podp˚ urn´ ych materiál˚ u pro v´ yuku aminokyselin a protein˚ u spatˇruji v grafickém zpracován´ı, rozˇs´ıˇren´ı tématu o nˇekolik zaj´ımavost´ı (8 rozˇsiˇruj´ıc´ıch text˚ u) a podrobnost´ı, které bˇeˇzné uˇcebnice neuvádˇej´ı, a ve znázornˇen´ı proces˚ u denaturace a vysolován´ı na molekulárn´ı u ´rovni. V´ yhodou je také jejich flexibilita. Uˇcitelé je budou m´ıt k dispozici v takové podobˇe, kterou budou moci sami upravovat. Mohou si je proto pˇrizp˚ usobit podle vlastn´ıch potˇreb a pˇredstav.

75

Kapitola 5 Z´ avˇ er V rámci této diplomové práci byla provedena podrobná anal´ yza dostupn´ ych ˇcesk´ ych stˇredoˇskolsk´ ych uˇcebnic chemie, konkrétnˇe jejich zpracován´ı témat aminokyseliny a proteiny. Tato anal´ yza odhalila nˇekteré nedostatky v tˇechto uˇcebnic´ıch, pˇredevˇs´ım ˇspatné grafické zpracován´ı tématu, malé propojen´ı chemie s jin´ ymi pˇredmˇety nebo s bˇeˇzn´ ym ˇzivotem a malé mnoˇzstv´ı motivaˇcn´ıch prvk˚ u. C´ılem práce bylo vytvoˇrit podp˚ urné materiály pro v´ yuku aminokyselin a protein˚ u, které by stˇredoˇskolské uˇcebnice doplnily a zm´ınˇené nedostatky eliminovaly. Tyto materiály byly vytvoˇreny a jejich souˇcást´ı je: PPT prezentace obsahuj´ıc´ı obrázky a modely molekul protein˚ u, v´ ykladov´ y text k této prezentaci, plakát se strukturn´ımi vzorci a struˇcnou charakteristikou jednotliv´ ych skupin aminokyselin, interaktivn´ı animace denaturace a vysolován´ı vytvoˇrené v programu Macromedia Flash, doplˇ nuj´ıc´ı texty zamˇeˇrené na zaj´ımavosti z oblasti aminokyselin a protein˚ u, protokoly pro studentské laboratorn´ı práce a 3D modely molekul nˇekolika protein˚ u. C´ılem práce vˇsak bylo také ovˇeˇrit tyto materiály v praxi. Materiály byly proto vyuˇzity k v´ yuce aminokyselin a protein˚ u na dvou gymnázi´ıch. Ve dvou tˇr´ıdách byly zadány pretesty a posstesty, jejichˇz v´ ysledky lze shrnout do dvou hlavn´ıch bod˚ u. 1. Podp˚ urné materiály pomohly student˚ um lépe pochopit princip rozliˇsován´ı jednotliv´ ych struktur protein˚ u a vztahy mezi strukturou aminokyselin a skládán´ım protein˚ u. V posttestu prokázali studenti testovac´ı tˇr´ıdy (tˇr´ıda, ve které byly materiály nasazeny) lepˇs´ı schopnost urˇcován´ı povahy postrann´ıch ˇretˇezc˚ u aminokyselin, vyjádˇren´ı v´ yznamu nativn´ı konformace a denaturace protein˚ u, u ´spˇeˇsnˇeji dokázali vybrat, které vazby stabilizuj´ı jednotlivé struktury protein˚ u, neˇz studenti tˇr´ıdy kontroln´ı (vyuˇcováni bez podp˚ urn´ ych materiál˚ u).

76

2. Novˇe pˇripravené materiály vˇsak kladou menˇs´ı d˚ uraz na systematiku protein˚ u. Studenti testovac´ı tˇr´ıdy ˇcastˇeji neˇz studenti tˇr´ıdy kontroln´ı nedokázali rozdˇelit proteiny do skupin napˇr. podle jejich rozpustnosti ve vodˇe nebo podle jejich funkce. Z tˇechto v´ ysledk˚ u lze usoudit, ˇze nasazen´ı podp˚ urn´ ych materiál˚ u m˚ uˇze b´ yt pˇr´ınosné pro ˇ Materiály by vˇsak nemˇely slouˇzit jako jediná vyuˇcovac´ı pom˚ v´ yuku biochemie na SS. ucka, ideáln´ı by bylo jejich pouˇzit´ı v kombinaci se stˇredoˇskolsk´ ymi uˇcebnicemi chemie.

77

Seznam pˇ r´ıloh na DVD 1. Powerpointová prezentace Aminokyseliny a proteiny s doprovodn´ ym textem (prezentace proteiny.ppt, text proteiny.doc) 2. Animace vytvoˇrená v programu Macromedia Flash: denaturace protein˚ u vajeˇcného b´ılku acetonem (denaturace aceton.swf), denaturace enzymu (denaturace enzym.swf), vysolován´ı protein˚ u vajeˇcného b´ılku (vysolovani.swf) 3. Rozˇsiˇruj´ıc´ı texty (texty aminokyseliny.doc, texty proteiny.doc) • 21. kódovaná aminokyselina - Selenocystein • Kdo si tvoˇr´ı své aminokyseliny u ´plnˇe sám? • Syndrom ˇc´ınsk´ ych restaurac´ı • Obrana proti reaktivn´ım formám kysl´ıku • Srpkovitá anemie a malárie • Trvalá ondulace • Proteiny jako flexibiln´ı struktury – jak se stahuje sval? • Priony 4. Protokoly k laboratorn´ımu cviˇcen´ı na téma denaturace protein˚ u (PL denaturace.doc) 5. Plakát se strukturn´ımi vzorci a struˇcnou charakterizac´ı 21 kódovan´ ych aminokyselin (plakat AK.pdf) 6. 3D modely protein˚ u (sloˇzka 3D modely)

78

Literatura [1] Kudrnová, T. B´ılkoviny v uˇcivu chemie na základn´ıch a stˇredn´ıch ˇskolách. Bakaláˇrská práce PˇrF UK v Praze, katedra uˇcitelstv´ı a didaktiky chemie. 2008. [2] Steinbauerová, A. Sacharidy ve stˇredoˇskolském vzdˇeláván´ı. Diplomová práce PˇrF UK v Praze, katedra uˇcitelstv´ı a didaktiky chemie. 2009 [3] Roˇstejnská, M. Stˇredoˇskolská biochemie. Diplomová práce PˇrF UK v Praze, katedra uˇcitelstv´ı a didaktiky chemie. 2004. [4] Kuˇcerová, O. Enzymy, vitam´ıny a hormony ve stˇredoˇskolském vzdˇeláván´ı. Diplomová práce PˇrF UK v Praze, katedra uˇcitelstv´ı a didaktiky chemie. 2009. [5] Tekslová, L. Zjiˇst’ován´ı efektivity uˇcebnic v´ ypoˇctem u ´ˇcelové funkce. Diplomová práce PˇrF UK v Praze, katedra didaktik, metodologie a dˇejin pˇr´ırodn´ıch vˇed. 1984. [6] Nová maturita: http://www.novamaturita.cz/index.php, cit. 19. 10. 2009. [7] Ministerstvo

ˇskolstv´ı,

mládeˇze

a

tˇelov´ ychovy

(RVPG):

http://www.msmt.cz/vzdelavani/skolskareforma, cit. 19. 10. 2009. [8] Ministerstvo ˇskolstv´ı, mládeˇze a tˇelov´ ychovy (RVP obor aplikovaná chemie): http://www.msmt.cz/vzdelavani/skolskareforma, cit.19. 10. 2009 [9] Valiˇsová, A.; Kas´ıková, H. a kol. Pedagogika pro uˇcitele. Praha: Grada, 2007. ˇ ap, J. Psychologie v´ [10] C´ ychovy a vyuˇcován´ı. Praha: Karolinum, 1993. [11] Petty, G. Modern´ı vyuˇcován´ı. Praha: Portál, 1996. [12] Pr˚ ucha, J. Modern´ı pedagogika. Praha: Portál, 2002. [13] Halbych, J. Základy didaktiky organické chemie II. Praha: Univerzita Karlova, 1985. 79

[14] Voet, D.; Voetová, J. Biochemie. Praha: Victoria publishing, 1995. ˇ [15] Cipera, J. Rozpravy o didaktice II. Praha: Karolinum, 2001. [16] Kaˇspárková, L. Poˇc´ıtaˇce na základn´ıch a stˇredn´ıch ˇskolách, v´ ysledky mezinárodn´ıho ˇsetˇren´ı. Praha: Tauris, 2000. [17] Kubeˇs, J. a spol. Poˇc´ıtaˇce ve vyuˇcován´ı pˇr´ırodovˇedn´ ych pˇredmˇet˚ u. Plzeˇ n: Fraus, 2005. [18] Papp, L. V. a kol. From Selenium to Selenoproteins: Synthesis, Identity, and Their Role in Human Health. ANTIOXIDANTS & REDOX SIGNALING, Vol. 9, N. 7, 2007. [19] Kanzelsberger: http://www.kanzelsberger.cz, cit. 15. 4. 2010 [20] Mokrejˇsová, O. Modern´ı v´ yuka chemie. Praha: Triton, 2009

Literatura pouˇ zit´ a k tvorbˇ e v´ yukov´ ych materi´ al˚ u [21] Cherry, J.M. a kol. Genetic and physical maps of Saccharomyces cerevisiae. In: Nature 1997, 387, 67-73. [22] Williams, A.; Mamotte, C.; Burnett, J. R. Phenylketonuria: An Inborn Error of Phenylalanine Metabolism. In: Clin. Biochem. Rev. 2008, 29. [23] Spronsen, F. J. a kol. Phenylketonuria: tyrosine supplementation in phenylalaninerestricted diets. In: Am. J. Clin. Nutr. 2001, 73, 153–7. [24] Sang, J. H.; King, R. C. Nutritional Requirements of Axenically Cultured Drosophila Melanogaster Adults. In: Journal of Experimental Biology. 1961, 38, 793-809. [25] Natural health techniques: www.naturalhealthtechniques.com/dietnutrition/aminoacidlist1.htm, cit. 23. 11. 2009 [26] McKee T. A.; McKee J. Biochemistry. McGraw Hill Company, 1999. [27] Veganhealth: http://www.veganhealth.org/, cit. 16. 6. 2008 [28] Osel: www.osel.cz, cit. 2. 12. 2009

80

[29] MacKnight, Ch.; Rockwood, K. BOVINE SPONGIFORM ENCEPHALOPATHY AND CREUTZFELDT-JAKOB DISEASE: IMPLICATIONS FOR PHYSICIANS. In: Anadian medical association. 1996, 155, 5. [30] Protein data bank: http://www.rcsb.org/pdb/home/home.do, cit. 28. 10. 2008 [31] Osel: www.osel.cz, cit. 28. 10. 2008 [32] Greenwood, N.; Earnshaw, A. Chemie prvk˚ u. Praha: Informatorium, 1993. [33] Richardson, R. More roles for selenoprotein P: local selenium storage and recycling protein in the brain. In: Biochem. J. 2005, 386, e5–e7. [34] Ikeda, K. New Saeasonings. In: Chem. Senses. 2002, 27, 847–849. [35] Walker, R.; Lupien, J. R. The Safety Evaluation of Monosodium Glutamate. In: J. Nutr. 2000, 130, 1049S–1052S. [36] Freeman, M. Reconsidering the effects of monosodium glutamate: A literature review. In: Journal of the American Academy of Nurse Practitioners. 2006, 18, 482–486. [37] Sugimoto, K.; Ninomiya, Y. Introductory Remarks on Umami Research: Candidate Receptors and Signal Transduction Mechanisms on Umami. In: Chemical Senses. 2005, 30, i21-i22. [38] Auchere F. a spol. Glutathione-dependent redox status of frataxin-deficient cells in a yeast model of Friedreich’s ataxia. In: Human Molecular Genetics. 2008, 17, 18. [39] Brdiˇcka, R. Srpkovitá anemie. In: Vesm´ır. 1994/3, 73, 144. [40] Vodráˇzka, Z. Biochemie. Praha: Academia, 1996.

81

Univerzita Karlova v Praze. Katedra učitelství a didaktiky chemie. Nové materiály na podporu výuky Biochemie na SŠ, Proteiny

Recommend Documents