Projektforløb om energiproduktion og præstation, inkl. laboratorieøvelser

Kendskab til energiproduktion i forhold til energiindtag er et vigtigt redskab for at kunne optimere såvel livsfunktioner som de fleste typer præstationer. Med forløbet arbejdes der med biokemiske processer: Respiration og gæring herunder carbohydraternes intermediære stofskifte i læreplan for Biologi A og Bioteknologi A på stx.

Eleverne vil efter forløbet have øget indsigt i sammenhængen mellem kulhydratoptag og energiproduktion. Den virtuelle øvelse Cellular respiration fra Labster kan anvendes til at koble teori og praksis sammen.

Planlægning/overvejelser

Forløbet består af fem moduler. Det anbefales først at anvende dette forløb efter gennemgang af teori om fordøjelsessystemets nedbrydning af kulhydrater, hjertekredsløbets glukosetransport til cellerne og indsigt i ATP-behov i kroppen såsom celleprocesser, nervesignaler og fysisk aktivitet.

Herved øges elevens forståelse for kroppens ATP-produktion som livsnødvendig ressource.

I forløbet introduceres metabolisme og katabolisme generelt og kulhydratnedbrydning specifikt. Et forsøg omhandlende kulhydratindtag, fysisk aktivitet og energibehov foretages. Energimolekylet ATP og dets anvendelse i kroppen fremlægges, hvorefter gennemgangen af de tre katabolske processer glykolysen, Krebs Cyklus og elektrontransportkæden foregår i detaljer med indsigt i ATP-dannelsen undervejs.

Der afsluttes med repetition af forløbets detaljer.

Forløbet kan kombineres med Labsters virtuelle laboratorieøvelse Cellular respiration, som er frikøbt og derfor frit tilgængelig for alle til og med juni 2020.

Den virtuelle øvelse er på engelsk og går ud på, at eleverne skal rådgive en basketballspiller til at bevare et højt energiniveau under hele kampen i forhold til kostindtag før kampen.

© Labster.com

© Labster.com

Opbygning

I det følgende beskrives indholdet i de 6 moduler.

Første modul – Katabolisme

En god opstart til hele forløbet kunne være at starte med en introduktion til metabolisme, herunder anabolisme (opbygning) og katabolisme (nedbrydning).

Herefter kan der vises en oversigtsfigur med de katabolske processer; kulhydratnedbrydning, fedtnedbrydning og proteinnedbrydning. Kulhydratnedbrydningens ATP-dannelse kan herefter kobles til sammenhængen med ATP-forbrug under fx konditionstræning med en figur om energiforsyningen af muskler under et konstant submaksimalt arbejde; iltunderskud, steady state, iltgæld.

Forsøg: Et forsøg kunne være at foretage løbende blodprøver, fx hvert 10. minut, med glukosesticks i løbet af en time på tre forsøgspersoner (gerne samme køn på grund af muskelfiberforskelle), som cykler på kondicykler efter en fast rytme sat af en metronom (søg ”metronom” på Google). Den ene har fastet i et halvt døgn, den anden har konsumeret en skålfuld stivelsesholdig morgenmad (havregryn), den tredje har indtaget en skålfuld glukoserig morgenmad (fx Guldkorn). Forsøgspersonerne cykler med indlagte kortvarige intervaller mod maxpuls undervejs, fx hvert 3. minut i 30 sek. Forsøgspersonernes energiniveau vurderes hvert 10. minut på en skala fra 1 (udmattet) til 10 (energioverskud). Blodglukosemålinger og udtalelser sammenlignes til sidst. Hypoteser sammenlignes med reelle resultater, og vigtigheden af glukoseindtag og kulhydrattype diskuteres herefter i forhold til fysisk aktivitet og energibehov.

Vigtige læringsbegreber: Metabolisme, anabolisme, katabolisme, katabolske processer, ATP-forbrug, iltunderskud, steady state, iltgæld, kreatinfosfat, laktacid, alaktacid, anaerob/aerob nedbrydning og blodglukose.

Andet modul – Glykolysen

Man kan starte med at vise videoen om de tre katabolske respiratoriske processer og deres anvendelse. Her kan anbefales videoen af Amoeba Sisters: Cellular Respiration and the Mighty Mitochondria (youtube.com), 2014, varighed 7.48 min., som giver en animeret humoristisk overbliksforståelse på engelsk.

Efter videoen kan der vises en oversigtsfigur af de katabolske processer, som viser, at den anaerobe proces glykolysen foregår uden for mitokondriet, og de aerobe processer, Krebs Cyklus og elektrontransportkæden foregår inden i mitokondriet. Processernes forskellige ATP-produktion kan også pointeres her.

Herefter kan det anbefales at vise ATPs energimæssige rolle i kroppen i et udsnit af videoen af Paul Andersen: Cellular respiration (youtube.com), 2012, varighed 00.00-4.29 min.

En præsentation af ATP-molekylets opbygning, dets energirige bindinger og anvendelse i kroppen kan herefter gives med eksempler som transport mod koncentrationsgradienten (celletransport), nervesignalers behov for ATP (natrium-kalium-pumpen) samt en muskelfibers omdannelse af ATP fra kemisk energi til mekanisk energi. Teorien hertil kan hentes fra den aktuelle undervisningsbog.

Efter denne intro kan der vises en 3D-video om glykolysen. Her kan der anbefales videoen af NDSU VCell Production: Glycolysis: An Overview (youtube.com), 2013, varighed 3.10 min.

Glykolysens 10 trin i detaljer gennemgås herefter ud fra den aktuelle undervisningsbog. Undervejs kan klip fra videoen af NDSU VCell Production: Glycolysis: The Reactions, 2013, vises, efter hvert trin er gennemgået.

For at kunne huske de enkelte trins rækkefølge kan eleverne afslutte med at lægge et lodret puslespil (en kopi af glykolysens trin fra den aktuelle undervisningsbog kopieres og klippes ud til brikker). Eleverne kan også spille Memory parvis, hvor brikkerne lægges med bunden i vejret og skal vendes i den rigtige rækkefølge.

Som afsluttende opsummering kan det anbefales at vise eleverne videoen af Craig Savage: Cellular Respiration Part 1: Introduction & Glycolysis (youtube.com), 2012, varighed 8.49 min.

Vigtige læringsbegreber: Kulhydratnedbrydning, glykolysen og ATP-molekylets anvendelsesmuligheder

Tredje modul – Krebs Cyklus

Her kan man starte med at vise en video om, hvor vigtig mitokondrierne er i kroppen til generering af ATP. Her kan der anbefales videoen af Paul Andersen: Mitochondria: The Powerhouse of the Cell (youtube.com), 2016, varighed 8.59 min.

Efter videoen kan oversigtsfiguren vises igen til repetition af rækkefølgen af de katalytiske processer.

Mitokondriets rolle i kroppen fra glykolysen til Krebs Cyklus kan vises i et udsnit af videoen af Paul Andersen: Cellular respiration (youtube.com), 2012, varighed 4.29-8.57 min.

De enkelte trin i Krebs Cyklus kan herefter gennemgås ud fra den aktuelle undervisningsbog. For at kunne huske de enkelte trins rækkefølge kan eleverne udfylde et ark med Krebs Cyklus og numre, hvor nogle eller alle trin er fjernet før udlevering. De enkelte trin kan også lægges som udklippede brikker (lamineret og udklippet på forhånd).

Som afsluttende opsummering kan der anbefales videoen af Craig Savage: Cellular Respiration Part 2: The Kreb’s Cycle (youtube.com), 2012, varighed 7.43 min.

Vigtige læringsbegreber: Mitokondriet, indre og ydre membran, Krebs Cyklus, oxidativ fosforylering, ATP-regulering og ATP-regnskab.

Fjerde modul – Elektrontransportkæden

Her kan man starte med at vise videoen af Cortical Studios: How Mitochondria Produce Energy (youtube.com), 2016, varighed 1.42 min. Det kan anbefales at opsummere ATP-regnskabet fra glykolysen og Krebs Cyklus inden gennemgang af elektrontransportkæden trin for trin med oversigt over slutregnskabet for den samlede ATP-produktion til sidst.

Denne gennemgang kan afsluttes med fremvisning af videoen af NDSU Virtual Cell Animations Project: Cellular Respiration (Electron Transport Chain) (youtube.com), 2018, varighed 3.50 min. Forinden kan eleverne parvis få udleveret et A3-ark og et molekylebyggesæt. Eleverne kan gives mulighed for undervejs i videoen at tegne de fire komplekser (NADH dehydrogenase, Cytochome bc₁, Cytochrome oxidase, ATP-syntase), klippe de mobile proteiner ud (Ubiquinone og Cytochrome c) og samle de resterende molekyler fra molekylebyggesættet (NADH, H⁺, to elektroner, O₂, H₂O, ATP). I slutningen af videoen kan eleverne, instrueret efter videoen, agere på arket som en elektrontransportkæde. Til slut vises ATP-syntasen i detaljer i videoen af NDSU Virtual Cell Animations Project: Gradients (ATP Synthases) (youtube.com), 2018, varighed 3.47 min.

Som afsluttende opsummering kan der anbefales videoen af Craig Savage: Electron Transport Phosphorylation (youtube.com), varighed 9.43 min.

Vigtige læringsbegreber: Elektrontransportkæden, elektrisk gradient, hydrogenioner, elektroner, ATP/ADP, fosforylering, NADH dehydrogenase, Cytochome bc₁, Cytochrome oxidase og ATP syntase.

Evt. femte modul – virtuel øvelse

Hele forløbet, som kan være tværfagligt mellem kemi og biologi, kan med fordel kombineres i Labsters virtuelle laboratorieøvelse Cellular respiration på engelsk. Øvelsen går ud på, at eleverne skal rådgive en basketballspiller til at bevare et højt energiniveau i løbet af en basketballkamp i forhold til kostindtaget før kampen. Der tages blodprøver fra start til slut for tjek af blodglukoseniveau til vurdering af cellernes tilgængelige glukosemængde og efterfølgende ATP-produktion. Eleverne skulle herved kunne koble teori om ATP-dannelse med praksis i forhold til kostindtagets sammensætning og dermed glukosetilgængelighed i forhold til energiforbrug under fysisk aktivitet. Eleverne arbejder sig igennem øvelsen fra en ende til en anden. Øvelsen er selvforklarende undervejs og med guides og tutorials, så eleverne kan bare kaste sig ud i det. Eleverne kan passende være 2-3 om en PC med øvelsen og så snakke om resultaterne undervejs eller lave udvalgte screendumps til fremlæggelse under en evt. opsamling. Det anbefales, at læreren har gennemgået øvelsen hjemmefra, så eleverne kan hjælpes videre, hvis de går i stå undervejs.

Sjette modul – Opsamling

Der kan startes med en opsamling på den virtuelle øvelse, hvis udført. For at undersøge elevernes læring kan der konstrueres en Jeopardy ud fra jeopardylabs.com med fx overskrifterne: Metabolisme, ATP, glykolysen, Krebs Cyklus og elektrontransportkæden.

Eleverne kan også i grupper konstruere 15-30 Trivial Pursuit-spørgsmål (forside) og svar (bagside), som byttes med en anden gruppe, før der spilles. Spillepladerne skal dog konstrueres enten af eleverne i modulet eller før modulet.

Der afsluttes med en evaluering af forløbet – se forslag.

Evaluering og refleksion

”Skriften fra væggen” fra marinos.dk kan fx anvendes. Underviseren definerer et fokuspunkt i forbindelse med et afsluttet forløb/modul og noterer det på tavlen. Underviseren forlader lokalet, og eleverne giver deres svar/holdning til kende på tavlen. Kan være holdningsidentificerende såvel som fagligt orienteret.

Der kan efter gennemførelsen af forløbet sættes fokus på spørgsmål som:

• Hvis du som lærer skulle gentage aktiviteten, hvilke læringsmetoder ville du så ændre på/bevare?
• Fungerede den virtuelle laboratorieøvelse som en god repetition af elevernes læring?

Kreditering

Forløbet er udarbejdet i 2019 af: Pia Dolberg Myler, lektor i biologi og idræt på Køge Gymnasium, ansat siden 2002.