Antibiotica (5h) - Docentenhandleiding

U kunt het leerlingenmateriaal van de module voor 5 havo ook in z'n geheel downloaden als pdf-bestand.

In het kader van het project VNCI & Nieuwe Scheikunde worden acht verschillende Nieuwe Scheikunde-modules ontwikkeld. Al deze modules geven aandacht aan processen die plaatsvinden in de chemische industrie en aan het werken in de chemie.

Voor 5 havo is gekozen voor de thema’s ‘Groene Chemie’ en ‘Synthese’.
De module ‘Synthese’ is geschreven vanuit de context ‘Antibiotica’. Om de context zo realistisch mogelijk te maken is er intensief contact geweest met medewerkers van DSM Delft en de Vrije Universiteit. De module is in het schooljaar 2008/2009 getest. In augustus 2009 is de feedback van de scholen verwerkt.

De module krijgt een plek in de groene leerlijn (havo) van het Examenexperiment Nieuwe Scheikunde. De module kan het best gegeven worden in de periode september/november. De module “Groene chemie” kan goed voorafgaand aan de module “Antibiotica” gegeven worden.
We schatten in dat de module in 10 à 11 lessen uitgevoerd kan worden. De module bestaat uit leerlingenmateriaal en docentenmateriaal. De testversie wordt digitaal opgeleverd en is eenvoudig op papier af te drukken. Op de website http://www.scheikundeinbedrijf.nl zijn alle moduleteksten en de daarin genoemde links terug te vinden. De module bevat verdiepingsmateriaal en is daarmee ook geschikt voor 5 vwo.

 
1. Korte beschrijving van de inhoud van de module     
2. Schematisch overzicht van de module    
3. Kenniskaarten: wat zijn dat?        
4. Beschrijving van de lessen        
5. Voorbeeldproefopgaven
Bijlage: Welke domeinen en concepten komen in de module ‘Antibiotica’ aan de orde?

Bijlage: Benodigde voorkennis         

Bijlage: Overzicht van relaties/mogelijkheden van de module ‘Antibiotica’
Bijlage: Veiligheidsinformatie 6-APA
Bijlage: Veiligheidsinformatie HPGM
Bijlage: Veiligheidsinformatie Assemblage liquid
Bijlage: TOA-tips          

1. Korte omschrijving van de inhoud van de module

Allereerst activeren we de voorkennis op het gebied van antibiotica en introduceren we de contextvragen:

 Wordt het antibioticum van de toekomst gemaakt door de mens of door een micro-organisme?
En:Hoe kunnen leerlingen uit 5 havo een bijdrage leveren aan de ontwikkeling van een antibioticum?


Vervolgens laten we leerlingen op een simpele manier bacteriën opkweken. Het effect van antibiotica op bacteriegroei komt aan de orde. In het verloop van de module zoomen we steeds verder in op de moleculaire achtergronden. We bespreken de moleculaire bouw van de bacteriecelwand. Op een vereenvoudigde manier laten we zien hoe penicilline aangrijpt op de bacteriecelwand.

Bacteriecelwanden zijn opgebouwd uit gemodificeerde koolhydraatketens die onderling verbonden zijn door kleine stukjes eiwit. Daarom wordt in de module ook beknopt aandacht gegeven aan koolhydraten. Aminozuren en eiwitten - en de daarbij horende peptidebinding - worden uitvoeriger besproken.

In ons lichaam vinden duizenden reacties plaats onder milde omstandigheden. De ene keer worden moleculaire bouwstenen onderling gekoppeld. Bijvoorbeeld bij de vorming van een eiwit. Een volgende keer worden grote moleculen in kleinere eenheden geknipt. Steeds zijn daarbij enzymen betrokken. Daarom besteden we in de module aandacht aan de functie en werking van enzymen.

In de industrie gaat men steeds vaker over op enzymatische omzettingen om moleculen om te zetten of om moleculen te knippen. Leerlingen voeren de laatste synthesestap uit van de omzetting van penicilline G in amoxicilline. Het aardige hiervan is dat de tussenproducten (PAA en 6-APA) niet werken als antibioticum, maar amoxicilline wel.
We gaan in op de vraag waarom men in de industrie steeds vaker overstapt op enzymatische omzettingen. En we gaan in op de vraag hoe men in de industrie aan enzymen komt om syntheses te doen.

Hier komt het eigen onderzoek van de leerlingen in beeld. We ondernemen samen met de leerlingen een speurtocht naar nieuwe enzymen. We maken daarbij uiteraard gebruik van de natuurwetenschappelijke methode. Samen met medewerkers van DSM en de VU zijn we op zoek gegaan naar een aantal ‘huis-tuin-en-keuken-enzymen’. Om een zo groot mogelijke kans op succes te hebben gaan we op zoek naar een ‘fosfatase’. Fosfatases splitsen een fosfaat-groep van een organisch molecuul af. Voor deze omzetting bestaat een eenvoudige testreactie. De fosfatase kan bijvoorbeeld vrij gemakkelijk gevonden worden in fruit.

Dit is het spannendste gedeelte van de module! (Trouwens ook tijdens het ontwikkelen van de module).
In de afsluitende les kijken we terug op het onderzoek. Ook kijken we vooruit. We gaan daarbij in op één van de nieuwste ontwikkelingen binnen de natuurwetenschap: de ‘synthetische biologie’.
Tot slot formuleren de leerlingen hun antwoord op de contextvragen. 
 

2. Schematisch van de module:    

Soort les: 

 
 

3. Kenniskaarten: wat zijn het?

De lastigste leerstofonderdelen zijn apart beschreven in zogenaamde kenniskaarten. Een leerling die de inhoud van de kenniskaarten leert moet in staat zijn om het proefwerk over de modulestof te maken. Kenniskaarten zijn dus bedoeld als ondersteuning van het modulemateriaal. Er zijn kenniskaarten beschikbaar over:

 Kenniskaart 

 soort informatie 

 hoort bij les

 1. Micro-organismen  voorkennis,  leerstof  1 en 3
 2. Antibiotica  leerstof  1 en 2
 3. Penicilline  leerstof  2 en 3
 4. Onderzoek, hoe doe je dat?  leerstof  2 en 7 t/m 9
 5. Structuurformules   voorkennis, leerstof  4
 6. Naamgeving organische chemie  voorkennis, leerstof  4
 7. Eigenschappen van alkanolen, alkaanzuren, alkaanaminen en aminozuren leerstof  4
 8. Condensatiereacties  leerstof  4
 9. Enzymen  leerstof  3 en  6
 10. Reactiesnelheid  leerstof  6
 11. Responsible Care  informatie  1 t/m 6


4. Beschrijving van de lessen

Les 1: 

In deze les halen we de voorkennis op. Leerlingen moeten een mindmap ontwerpen.

  • Een eenvoudige - maar zeer goede – introductie over antibiotica vinden de leerlingen in een programma van Klokhuis uit augustus 2006. Dit programma duurt 14’23’’ en is in te korten door de ‘toneelstukjes’ die tussendoor worden gespeeld over te slaan.  http://www.hetklokhuis.nl/tv-uitzending/660/Penicilline
  • Biobits: een video met een prima inleiding op antibiotica. Te bestellen via www.schooltv.nl. Of kijk even in de videotheek van uw biologiecollega.


Voor alle links geldt dat ze gecontroleerd zijn op 3 augustus 2009. Vragen waarbij Internet nodig is zijn voorzien van het volgende teken: 
De contextvragen komen aan de orde. Aan het eind van de module moeten leerlingen antwoord kunnen geven op: Wordt het antibioticum van de toekomst gemaakt door de mens of door een micro-organisme? En: Hoe kunnen leerlingen uit 5 havo een bijdrage leveren aan de ontwikkeling van een antibioticum? De leerlingen doen een practicum waarbij ze het effect van antibiotica op de groei van bacteriën onderzoeken. Aan het einde van les 2 bestuderen de leerlingen de resultaten van het practicum. Tips voor TOA’s zijn apart beschreven in de paragraaf TOA-tips.

 

 

Les 2:

De ontdekking en ontwikkeling van antibiotica komen aan de orde. De Natuurwetenschappelijke methode wordt beknopt besproken. Ook gaan we voor het eerst in op de structuurformules van de belangrijkste antibiotica, namelijk penicilline G en daarvan afgeleid amoxicilline.
Leerlingen beantwoorden vragen naar aanleiding van een aantal bronnen. Ze kunnen gebruik maken van de bronnen op http://www.scheikundeinbedrijf.nl. Het staat natuurlijk vrij om eigen bronnen te gebruiken. De volgende bronnen zijn zeer geschikt.

• Chemische Feitelijkheid editie 52 nr 234 maart 2007
• Natuur & Techniek, 1995, jaargang 63, afl. 6 
• Natuurwetenschap en Techniek nummer 2 (2007)
• Natuurwetenschap en Techniek nummer 9 (2003)

  
Les 3:

De werking van antibiotica staat centraal. We zoomen steeds verder in. We starten met een schematisch overzicht van de bouw van een bacteriecelwand. Uiteindelijk komen we uit bij de moleculaire bouwstenen, zoals aminozuren. De werking van penicilline komt op een vereenvoudigde wijze aan de orde. Leerlingen zullen de theorie als pittig ervaren. Door de stapsgewijze aanpak denken we dat ze zich de theorie eigen kunnen maken. Wilt u precies weten hoe het zit kijk dan eens bij: http://www.scq.ubc.ca/prescription-antibiotics-how-exactly-do-these-drugs-work/
Bij deze les geven we een verdiepinsgsmogelijkheid. Via Chris Oostenbrink van de VU hebben we de beschikking gekregen over fraaie plaatjes van de interactie tussen penicilline en een enzym dat een rol speelt in de opbouw van de bacteriecelwand.  
In C2W 21 nov 2008 staat een artikel over antibiotica gebruik bij varkens. We geven de leerlingen nog de suggestie om een bezoek te brengen aan http://fold.it. Op deze site staan games waarmee de gunstigste 3-dimensionale structuur van eiwitten benaderd kan worden. Elke gamer kan – na enige oefening – een bijdrage leveren aan serieus wetenschappelijk onderzoek. In de module werken we dit verder niet uit. Een artikel over fold-it staat in Natuurwetenschap en Techniek nummer 3 (2009)

  
Les 4:De vorming van eiwitten vanuit aminozuren wordt besproken.
Aminozuren, eiwitten en peptidebinding komen aan de orde. Ook gaan we in op de hydrolyse van eiwitten. Steeds weer komen we terug op de context. Hoe zit het met de eiwitbrug in de celwand van een bacterie? Hoe kan het dat penicillinemoleculen kapot gaan voordat ze hun werk gedaan hebben? Steeds geldt dat we de werkelijkheid zo nauwkeurig mogelijk volgen. Omdat de moleculaire werkelijkheid vaak toch nog weer complexer is hebben we vereenvoudigingen toegepast.
  
Les 5:

Centraal staat de synthese van Amoxicilline zoals DSM die uitvoert. Ook is er aandacht voor het verschil tussen organische syntheses en enzymatische omzettingen. Leerlingen voeren zelf de laatste, enzymatische, stap uit van de omzetting van penicilline G naar Amoxicilline. Chemicaliën, zoals (6-APA en HPGM), zijn beschikbaar. Stuur – op tijd(!) - een mail naar: info@scheikundeinbedrijf.nl U ontvangt dan z.s.m. informatie over de manier waarop de beginstoffen te verkrijgen zijn. Let op: ook voor het onderzoek dat de leerlingen tijdens de lessen 7 t/m 9 doen zijn chemicaliën beschikbaar.
Als er nog tijd over is dan kunnen de leerlingen de bacterieremmende werking van Amoxicilline, 6-APA en HPGM onderzoeken.
Een vraag die onze aandacht verder nog gehad heeft is waarom amoxicilline nu stabieler in de maag is dan penicilline. Het antwoord – van dr. Jeroen Codée van de Universiteit Leiden – is niet opgenomen in de leerlingentekst… Voor docenten is het wellicht wel interessant. Codée schreef:

 “Wat betreft de zuurlabiliteit (want daar gaat het waarschijnlijk om als het om afbraak in de maag gaat), is Peniciline G labieler tov amoxicilline. Waarschijnlijk wordt het PenG (en andere penicilines) afgebroken door het openen van de labiele lactamring. Deze is labiel zoals je weet en misschien ook wel uitlegt omdat het een vierkant is. Verder is stabilisatie van de peptide band (het amide) moeilijk omdat resonantie in deze starre structuur moeilijker is (d.w.z. de resonantiestructuur waarbij het lactam N electronen doneert aan de lactam C=O). Het betreft dus een labiele peptide band, die onder zure condities geopend kan worden. Amoxicilline is waarschijnlijk stabieler omdat het nog een animogroep heeft in zijn structuur (in de tyrosine eenheid, de lactamringen zijn identiek natuurlijk). Dit interne amine is de meest basische functie in het molekuul en zal dus in zuur milieu het eerst geprotoneerd worden, met een postieve lading in het molecuul tot gevolg. Dit heeft dan weer een effect op de basekarakter van het molecuul, namelijk dat protonering (van de lactam N, wat moet leiden tot ringopening) moeilijker is, omdat het nou eenmaal moeilijker is om een molekuul te protoneren dat al positief geladen is. Amoxicilline heeft dus een "bufferende" amino groep.” 

  
Les 6:De functie en werking van enzymen wordt uitgediept. Reactie-energie, activeringsenergie en het effect van een enzym komen aan de orde. In de module Scooter is al aandacht gegeven aan ‘actief complex’. Daarop kan eventueel worden teruggegrepen. Er is aandacht voor de vraag hoe bedrijven aan enzymen komen. En hoe ze oplossingen testen op enzymactiviteit.
In deze les krijgen de leerlingen een aantal voorbeelden van enzymreacties, o.a. een peptidase, een protease en een fosfatase. Prachtig achtergrondmateriaal over enzymen is te vinden op: http://www.vib.be/InfoEdu/Nl/Educatief+materiaal/. Op deze site staan uitstekend leesbare brochures, bijvoorbeeld: “Enzymen: in je lijf en in je leven.”
  
Les 7 t/m 9:

In deze lessenserie gaan leerlingen zelf op zoek naar een enzymbron met hopelijk(!) daarin een werkzame fosfatase. In verband met dit eigen onderzoek komen we terug op de Natuurwetenschappelijke methode, die in les 2 ook al aan de orde kwam. Leerlingen onderzoeken hun enzymbron met behulp van een testreactie. Ook hiervoor geldt dat de benodigde chemicaliën beschikbaar zijn. Stuur een mail naar: info@scheikundeinbedrijf.nl.
Leerlingen zullen zelf moeten plannen. En: de uitkomst is onzeker…
Bewust laten we de leerlingen op zoek gaan naar een fosfatase. Er is een goede kans dat leerlingen dit enzym aantreffen in fruit of in groente. De testreactie geeft een heel duidelijke kleurverandering van kleurloos naar geel. Het kleurloze p-nitrofenylfosfaat wordt omgezet in het gele p-nitrofenol.
Waar het enzym fosfatase in de cel voor gebruikt wordt is nog niet helemaal bekend, maar het speelt waarschijnlijk een rol bij het produceren van vrije fosfaatgroepen zodat de cel die makkelijk op kan nemen. Losse fosfaationen zijn ook een belangrijke regelfactor in micro-organismen bij de productie van antibiotica. (zie: Journal of Bacteriology, August 2004, p. 5197-5201, Vol. 186, No. 16)

Het artikel dat als bron is gebruikt voor het experiment is te vinden op de site:
http://www.jbc.org/cgi/reprint/167/1/57.pdf
Een andere optie is om ‘phophatase’ en ‘citrus’ in een zoekmachine in te voeren. De bovenstaande link was bij ons de eerste hit (JBC, 1946, Citrus Fruit Phosphatase, Bernard Axelrod).

De bronnen die in het artikel gebruikt worden zijn het vruchtvlees en (verschillende lagen van) de schil van grapefruits en sinaasappelen. Uit onze tests is gebleken dat met name de schil van een grapefruit een uitstekende bron van fosfatase is.
Andere opties die waarschijnlijk gevonden worden door leerlingen: garnaal (Pandalus borealis), kalfdarm (slachtafval dus bij voorkeur niet gebruiken) of lever. Andere citrusvruchten zoals limoen en citroen zouden ook goede bronnen kunnen zijn.

In de (positieve) test die wij hebben gebruikt hebben we de volgende monsters getest:
• Eén (roze) grapefruitschil + 100 mL acetaatbuffer in een blender en daarna de suspensie gefiltreerd.
• Eén (roze) grapefruitvrucht + 25 mL acetaatbuffer in een blender en daarna de suspensie gefiltreerd.
• Eén (hand)sinaasappelvrucht + 25 mL acetaatbuffer in een blender en daarna de suspensie gefiltreerd.
• Van elk monster werd ook een blanco gemengd (zoals hieronder) met buffer, maar dan zonder aanwezigheid van de testverbinding.
• Een algemene blanco van alleen de testverbinding + buffer.

Van de filtraten werd steeds 2 mL gemengd met 5 mL teststock. Na 15 minuten was er al een duidelijk meetbaar effect als 0,5 mL van het mengsel werd toegevoegd aan de 20 mL carbonaatbuffer. De meting gebeurde in een UV-spectrofotometer bij 440 nm. De resultaten waren als volgt:

 

Absorptie bij 440 nm

Bron  15 min Blanco (15 min)180 min Blanco (180 min)
Grapefruitschil (GS / GS0)0,08 0,05 0,13 0,04
Grapefruitvrucht (GV / GV0)0,060,050,09 0,04 
Sinaasappelvrucht (SV / SV0)0,040,02 0,05 0,02 
Blanco algemeen 0,00   0,00  


Wellicht wilt u met 5 havo niet werken met de UV-spectofotometer. Dit in verband met de geringe beschikbaarheid van apparatuur of tijd. Dan volstaat een kwalitatieve meting. De verschillen tussen blanco’s en de fruitsappen waren ook duidelijk met het blote oog waar te nemen.

In de testfase van de module is deze opdracht o.a. uitgevoerd tijdens een projectdag. Na een introductie over het doen van onderzoek en de wijze van verslaglegging hebben leerlingen tussen 9.30u en 14.00u hun onderzoek uitgevoerd en een verslag geschreven. Ze hadden zelf fruit en groenten meegenomen. Daarbij zaten o.a. kokosnoten (die nog fosfatase bleken te bevatten ook)! Op school waren nog extra groenten en fruit aanwezig. Leerlingen hadden zelf ook mixers bij zich. Dat was nodig omdat er 75 leerlingen tegelijkertijd het onderzoek uitvoerden. Op school waren te weinig blenders voorhanden. Leerlingen vonden het onderzoek heel goed te doen en tegelijkertijd heel spannend omdat ze heel benieuwd waren of hun fruit/groente fosfatase bevatte. Over eigenaarschap gesproken! In 5 VWO diende deze ‘onderzoeksprojectdag’ meteen ook als start voor het profielwerkstuk.

 Les 7 t/m les 9 verdieping:

Door op regelmatige tijden monsters te nemen kan ook de snelheid van omzetting gemeten worden als maat voor de (kinetische) activiteit van het fosfatase.

Voor de enthousiaste leerling is het ook mogelijk om in verschillende delen van citrusvruchten naar een zo groot mogelijk fosfatase activiteit op zoek te gaan. In het artikel van Axelrod wordt gesproken over flavedo, albedo, sap en zaadjes. Het is nog best een uitdaging om uit die verschillende onderdelen van bijvoorbeeld een grapefruit ‘sap’ te produceren.

De flavedo (dus het buitenste randje van de schil) zou de meeste fosfataseactiviteit moeten geven.

Uitpersen in een kaasdoek met wat buffer kan een goede manier zijn om ‘sap’ uit een bron te persen. Een blender kan een andere optie zijn.

Bron plaatje: http://en.wikipedia.org/?title=Endocarp#Endocarp

 

 bron plaatje: http://en.wikipedia.org/?title=Endocarp#Endocarp

 

Les 7 t/m les 9 verdieping vervolg:

5 vwo leerlingen zouden ook zelf aan de buffer-oplossingen kunnen rekenen:

Acetaatbuffer pH 5,0 / 0,033 M / 1L

Kz = [Ac-]*[H3O+]) / [HAc] = 1,8*10-5  →  pH 5,0  →   [Ac-]/[HAc] = 1,8

NaAc.3H2O = 136,08 g/mol
Dichtheid ijsazijn = 1,0492 g/ml en molmassa: 60,05 g/mol
1,8 * 0,033 = 0,0594 mol NaAc = 8,08 gram NaAc.3H2O
1,0 * 0,033 = 0,033 mol HAc = 1,98 gram = 1,89 mL ijsazijn
Samen mengen en aanvullen tot 1L met demi-water

Carbonaatbuffer pH 10,0 / 0,17 M / 0,2 L

Kb = [HCO3-]*[OH-]) / [CO32-] = 2,1*10-4  →  pH 10,0  →  [HCO3-]/[CO32-]= 2,1

NaHCO3 = 84,01 g/mol
Na2CO3.10H2O = 286,14 g/mol
2,1 * 0,17 * 0,2 = 0,0714 mol NaHCO3 = 6,00 gram NaHCO3
1,0 * 0,17 * 0,2 = 0,034 mol Na2CO3.10H2O = 9,73 gram NaHCO3
Samen mengen en aanvullen tot 0,2 L met demi-water

Er kan ook voor gekozen worden om leerlingen zelf aan de p-nitrofenylfosfaat oplossing te laten rekenen:

1,98*10-3 M dinatrium paranitrofenylfosfaat in acetaatbuffer van pH 5,0
Molmassa = C6H4PNO6Na2 = 263,052 g/mol
Oplossing van 0,729 g/L =  73 mg in 100 mL

  
Les 10:

In laatste les komen de contextvragen terug.
Verder kijken we nog even vooruit. Welke ontwikkelingen zijn te verwachten? Daarbij stippen we één van de nieuwste ontwikkelingen aan: de synthetische biologie.
In het Chemisch2Weekblad (12 juli 2008) staat een fraai achtergrondartikel over synthetische biologie.

 

5. Voorbeeldproefwerkopgaven

Voorbeeldtoetsvragen zijn te vinden op het docentenforum van mijnscheikunde.nl. Om toegang te krijgen tot het forum dient u zich eenmalig te registeren. Hier zijn geen kosten aan verbonden. Voor aanvullende vragen kunt u mailen naar info@scheikundeinbedrijf.nl