Общая биология, органическая химия, экология, 11 класс.

Тема урока Мутационная изменчивость, раздел «Наследственная (генотипическая) изменчивость».
Тип урока: Урок усвоения новых знаний (лекционное занятие – школьная лекция – с элементами индивидуальной работы учащихся).
I. Цель урока

• 
  Познакомить с молекулярными основами возникновения изменений в генетическом материале и их связи с принципами хранения, передачи и реализации наследственной информации, строением и ролью нуклеиновых кислот.
  
• 
  Продемонстрировать успехи современной науки в решении вопросов, связанных с расшифровкой наследственной информации и пути использования этих знаний в решении прикладных задач (формирование естественнонаучной картины мира).
  
• 
  Формировать навыки решения биологических задач, имеющих математическую или логическую основу (расчетные задачи).
  

II. Основная воспитательная идея

• 
  Формирование естественнонаучной картины мира на основе современных данных и теорий молекулярной биологии, углубление основных понятий курсов биологии, экологии, химии на основе представлений о роли изменений в биоорганических молекулах.
  

III. Комплексные задачи урока

А. Доминирующие образовательные задачи.

• 
  Актуализировать знания о молекулярных основах хранения, передачи и реализации наследственной информации, строении и роли нуклеиновых кислот в этих процессах.
  
• 
  Сформировать представления о формах, уровнях и механизмах мутационной изменчивости, рассмотреть современное состояние среды обитания человека с точки зрения мутагенной загрязненности.
  

Б. Доминирующие воспитательные задачи урока.

• 
  Развитие познавательного интереса при привлечении информации (и способов ее усвоения и применения) из разных областей естественных наук.
  

В. Доминирующие задачи развития.

• 
  Развивать навыки работы с разными видами информации и способами ее предъявления.
  
• 
  Продолжить работу над применением навыков решения математических и логических задач применительно к молекулярной биологии (расчеты по длине и молекулярной массе биополимеров, задачи на использование принципа комплементарности).
  
• 
  Актуализировать навыки навигации по компьютерному курсу «Химия, Биология, Экология» и возможностям его использования в учебном процессе.
  

IV. Учебное оборудование

Модель ДНК; модель-аппликация «Синтез белка». Компьютер с мультимедийным проектором (большим монитором). Компьютерный курс «Химия, Биология, Экология» («Дрофа»-«Физикон», 2004) или «Открытая биология 2.6.» «Физикон», 2003).

V. Структура урока

Краткий план занятия:

Занятие рассчитано на один академический час в кабинете биологии с одним компьютером (оптимальный вариант - с мультимедийным проектором).

1. 
   Организационный момент - 2-4 минуты;
   
2. 
   Актуализация знаний о нуклеиновых кислотах как биополимерах, принципах взаимодействия биомолекул. Повторение теоретического материала, работа с интерактивными моделями Комплементарность нуклеотидов, Строение хромосомы, Репликация ДНК, Транскрипция, Синтез белка – 6-8 минут;
   

Репликация ДНК	Строение хромосомы
Транскрипция	Комплементарность нуклеотидов
Синтез белка

3. 
   Изучение нового материала – понятие мутаций, мутагенные факторы, классификация мутаций (школьная лекция, ведущий предмет - биология, изучение теоретического материала в сочетании с индивидуальной и фронтальной работой учащихся) - 10-12 минут;
   
4. 
   Решение расчетных задач (распечатанные задачи) - 5-8 минут;
   
5. 
   Изучение нового материала – механизм действия мутагенных факторов (школьная лекция, ведущий предмет - химия, изучение теоретического материала, работа с интерактивной моделью Комплементарность нуклеотидов, в сочетании с индивидуальной и фронтальной работой учащихся) - 7-9 минут;
   
6. 
   Изучение нового материала – экологические аспекты мутагенеза (школьная лекция, ведущий предмет - экология, изучение теоретического материала, работа с интерактивной моделью Разрушение озонового слоя) - 6-8 минут;
   
7. 
   Закрепление знаний по изученной теме (работа с учебным материалом, комментирование рисунков и моделей Комплементарность нуклеотидов, Транскрипция, Разрушение озонового слоя, выполнение тестовых заданий) - 5-7 минут;
   
8. 
   Домашнее задание – 2-3 минуты.
   

Подробный конспект занятия.

1. 
   Организационный момент - пояснение цели урока, его места в изучаемой теме, особенностей проведения.
   
2. 
   Актуализация знаний о нуклеиновых кислотах как биополимерах, принципах взаимодействия биомолекул. В ходе актуализации знаний в форме беседы важно вспомнить особенности состава нуклеиновых кислот как биополимернов (мономеры, виды нуклеиновых кислот, их роль в хранении, передаче и реализации наследственной информации), работа с интерактивной моделью. Целесообразно осуществить комментированный разбор интерактивных моделей компьютерного курса «Химия, Биология, Экология» Комплементарность нуклеотидов, Строение хромосомы, Репликация ДНК, Транскрипция, Синтез белка.
   
3. 
   Изучение нового материала – понятие мутаций, мутагенные факторы, классификация мутаций (школьная лекция, ведущий предмет – биология)
   

Ключевые понятия этапа урока: мутации, мутагенные факторы; классификация мутаций.

При работе с первым термином (мутации) возможно применение таких приемов работы с определениями:

А) переформулировка определения по заданному алгоритму:

На доске записано базовое определение, например: «Мутация - внезапно возникающее естественное или вызываемое искусственно стойкое изменение наследственных структур, ответственных за хранение наследственной информации и передачу ее от клетки к клетке и от предка к потомку» (Современный словарь иностранных слов. – СПб.: «Дуэт», 1994. – 752 с. – С. 399). Предлагается в определении выделить ответы на вопросы алгоритма Цицерона и дописать ответы на те вопросы, которые не "разрешены" определением (в таком виде):

Что? _____________________________

Где? _____________________________

Когда? _____________________________

Как? _____________________________

Чем? _____________________________

Почему? _____________________________

Зачем? _____________________________

Б) анализ построенного по заданному алгоритму определения:

На доске записано базовое определение, в виде, например, такой таблицы:

Мутации	-
Что?	стойкие дискретные (прерывчатые) изменения
Где?	в наследственном аппарате (отдельных генах, участках хромосом или в наборе хромосом в целом),
Когда?	внезапно возникающие под действием химических, физических или биологических факторов (мутагенов)
Как?	и вызывающие изменения признаков и свойств организма через изменения в свойствах кодируемых генами продуктов (прежде всего - белков).
Зачем?	Наследуясь в ряду поколений (от клеток к клеткам, от предков к потомкам), М. являются основой наследственной изменчивости как фактора эволюции,
Почему?	поставляющего материал для естественного (и искусственного) отбора и повышающего полиморфизм (генетическое разнообразие) природных популяций.

(заранее заготовленной и выведенной на экран с компьютера, распечатанной на бланке урока для каждого ученика или написанной на задних «крыльях» доски), его разбирают и комментируют в ходе беседы, давая попутно пояснения всем встречающимся понятиям.

В) формулировка определения «глазами» разных специалистов:

На доске записано базовое определение, например, приведенное выше. Предлагается сразу или в ходе урока сформулировать определение мутации с точки зрения биолога, химика, эколога, с позиции рядового обывателя (или определенных групп – религиозных, политических, социальных – с учетом классного контингента и его готовности к игровым, ролевым моментам на «серьезном» уроке).

При работе с термином мутагена (мутагенный фактор) достаточно на этом этапе урока ограничиться констатацией основных групп мутагенов (физические, химические, биологические), и указать на роль биологических мутагенов (вирусов) в формировании онкологических заболеваний (механизмы действия химических и физических мутагенов будут рассмотрены дальше).

Изучение классификации мутаций осуществляется при помощи серии схем, выводимых на экран или распечатанных на бланке урока.

Мутации		По природе изменений
		ГЕННЫЕ (выпадение, замена или вставка нуклеотидов ДНК)	ХРОМОСОМНЫЕ (изменение структуры хромосом)	ГЕНОМНЫЕ (изменение числа хромосом):
				Кратное изменение: 2n – 4n, 6n, 8n полиплоидия	Потеря или добавление отдельных хромосом 2n±1 (2, 3…) сомии
По месту возникновения	СОМАТИЧЕСКИЕ (в клетках тела, не влияют на гаметы)
	ГЕНЕРАТИВНЫЕ (в гаметах, передаются потомкам)

Таблица может заполняться учениками в ходе лекции, наполняясь приведенными примерами.

4. 
   Решение расчетных задач (распечатанные задачи)
   

Для начала работы можно предложить, например, такое задание:
Борис Бурда известный игрок Одесской команды клубов "Брейн-ринг" и "Что? Где? Когда?", придумал забавную игру, названную им "Траверси". Берется фрагмент известного литературного произведения, и все имена героев в нем заменяются на имена других литературных или исторических персонажей. Идя по пути выдающегося интеллектуала, можно придумать, например, такой фрагмент:

"И услышали голос Гена, ходящего в ядре во время прохлады дня, и скрылся Фермент и РНК его от лица Гена между органоидами. И воззвал Ген к Ферменту; и сказал Ген Ферменту: Где ты?... не ел ли ты субстрата, которого Я запретил тебе есть?" Фермент сказал: "РНК моя, которую ты мне дал, она дала мне сродство с субстратом, и я ел". И сказал Ген РНК: "Что ты это сделала?" РНК ответила: "Мутаген обольстил меня..."

1. Указать источник приведенной "траверси"

2. Указать, чему соответствуют в оригинале:

Ген -___, Фермент - ____, РНК- ____, Субстрат -____, Мутаген -____.

3. О каком типе РНК говорится во фрагменте?

4. Какой тип мутаций (по природе изменений) упоминается?

5. Придумай свой вариант "траверси" (домашнее задание)
Для лучшего знакомства с генными (точковыми) мутациями актуализируются свойства генетического кода.
1. Какое свойство генетического кода иллюстрирует фраза:

ВОТЛЕСДУББУКИВЫБЫЛПАЛДЫМШЕЛТРИДНЯ

(для облегчения чтения фразы выдели скобками отдельные кодоны).

2. Очень ли изменится смысл фразы, если произойдет замена 11-й буквы У на А?

3. Как изменится смысл фразы, если произойдет выпадение 4-й буквы? (снова отметь триплеты скобками):

ВОТЛЕСДУББУКИВЫБЫЛПАПДЫМШЕЛТРИДНЯ

4. Сделай вывод о последствиях выпадения, нуклеотидных пар ДНК, замены или вставки
Далее решаются сами задачи (индивидуально – на бланке или по условию на доске и таблице генетического кода или фронтально) – см. «Примеры задач».

5. 
   Изучение нового материала – механизм действия мутагенных факторов (школьная лекция, ведущий предмет - химия).
   

Работа с интерактивной моделью 3.7. Комплементарность нуклеотидов. Основные классы химических мутагенов. Пояснение механизма действия химических мутагенов, принадлежащих к аналогам азотистых оснований и сильным окислителям:

А) аналоги азотистых оснований: бромурацил в нормальной, кетоформе (как и урацил) комплементарен аденину, но после изомеризации может переходить из кетоформы в енольную форму, в которой комплементарен гуанину. Т.о., бромурацил может вызывать точечные мутации (замены азотистых оснований).

Б) сильные окислители: азотистая кислота HNO₂ при взаимодействии с аденином превращает его в гипоксантин, который комплементарен цитозину; под ее действием цитозин превращается в урацил, который комплементарен аденину, а не гуанину (как сам цитозин). Т.о., азотистая кислота может вызывать точечные мутации (замены азотистых оснований).

Целесообразно также рассмотреть механизм действия (хотя бы в общих словах) физических мутагенов, прежде всего – проникающей радиации.

6. 
   Изучение нового материала – экологические аспекты мутагенеза (школьная лекция, ведущий предмет - экология).
   

Деятельность человека и загрязнение среды мутагенными факторами. Мутагенез и различные средовые факторы. Возрастная структура популяций человека и мутации (частота рождения детей с синдромом Дауна и хромосомных мутаций в целом – зависимость от возраста, данные 1981 г.).

Демонстрация интерактивной модели 10.4. Разрушение озонового слоя компьютерного курса «Химия, Биология, Экология». Механизм действия ультрафиолетового излучения (образование тимидиновых димеров, золотистая ксеродерма); понятие репарации.

«Золотистая ксеродерма – редкое заболевание кожи у людей. Оно наследуется как аутосомный рецессивный признак. У гомозиготных больных кожа крайне чувствительна к солнечному и ультрафиолетовому свету. Серьезные поражения кожи наблюдаются уже в детстве, а с возрастом они приобретают все более тяжелый характер. Кожа становится сухой, и дерма в значительной степени атрофируется. Появляются кератозы, веки покрываются рубцами, поражается роговица. Обычно во многих местах возникает рак кожи. Многие больные погибают, не достигнув 30 лет, от метастазов этих злокачественных опухолей кожи.» - Страйер Л. Биохимия: В 3-х т. Т.3 Пер. с англ. – М.: Мир, 1985.- 400 с., ил. – С. 35-36.

Описанная картина заболевания как результат нарушения естественных систем репарации.

7. 
   Закрепление знаний по изученной теме.
   

Комментирование рисунков и моделей Комплементарность нуклеотидов, Транскрипция, Разрушение озонового слоя из компьютерного курса «Химия, Биология, Экология», выполнение тестовых заданий - фронтально или с выводом на экране, пример см. «Тесты по генетике человека»

8. 
   Домашнее задание – 2-3 минуты.
   

По учебнику: Общая биология: Учеб. для 10-11 классов общеобразоват. учреждений / Д.К.Беляев, Н.Н. Воронцов, Г.М. Дымшиц и др.; под ред. Д.К. Беляева. – 9-е изд. – М.: Просвещение, 2000. - § 31.

По учебнику: Рувинский А.О., Высоцкая Л.В. и др. Общая биология. Учебник для школ с углубленным изучением биологии. – М.: Просвещение, 2000. - § 35, 37.

По учебнику: Общая биология: Учеб. для 10-11 классов общеобразоват. учеб. заведений / В.Б. Захаров, С.Г. Мамонтов, Н.И. Сонин. – 2-е изд., дораб. – М.: Дрофа, 1999. - § 10.1, 18.3.1, 18.3.6.

Тесты по генетике человека

1. 
   Какова генетическая природа синдрома Клайнфельтера
   
   1. 
      Трисомия по 21-й хромосоме
      
   2. 
      Трисомия по 18-й хромосоме
      
   3. 
      Моносомия Х0
      
   4. 
      Трисомия XXY
      
2. 
   Какова генетическая природа синдрома Патау
   
   1. 
      Делеция короткого плеча 5-й хромосомы
      
   2. 
      Трисомия по 18-й хромосоме
      
   3. 
      Трисомия по 13-й хромосоме
      
   4. 
      Моносомия по 18-й хромосоме
      
3. 
   Определите принадлежность кариотипа:
   

   fig1.jpg

   Нормальная женщина  Нормальный мужчина  Женщина с синдромом Тернера  Мужчина с синдромом Клайнфельтера

4. 
   Определите принадлежность кариотипа:
   

   fig3.jpg

   Нормальная женщина  Нормальный мужчина   Женщина с синдромом Тернера   Женщина с трисомией ХХХ

5. 
   Рассмотрите микрофотографию и выберите неправильное утверждение
   

fig2.jpg

Имеет место трисомия по Х-хромосоме  Имеет место трисомия по 7-й и 13-й хромосомам  Имеет место транслокация между 8-й и 11-й хромосомами  Имеет место моносомия по 15-й хромосоме

Ответы: 1 – d, 2 – c, 3 – a, 4 – b, 5 – a.

Примеры задач:

Все приведенные в задачах последовательности нуклеотидов – фрагменты иРНК.

1. Переведите приведенную ниже последовательность иРНК в белок. Запишите полученный белок. А теперь попробуйте удалить первые два нуклеотида и получить другой пептид. Запишите полученный пептид и сравните с первым.

UAUGCUAAGAUUCCUUUCGGA
2. Переведите приведенную ниже последовательность иРНК в белок. Запишите полученный белок. А теперь попробуйте заменить в 6-й позиции C на G и получить другой пептид. Запишите полученный пептид и сравните с первым.

AUGUACCGUAUUCCAGAGCAU
3. Необходимо по молекуле белка восстановить последовательность нуклеотидов (точнее, один из возможных вариантов состава) иРНК:

Аминокислоты: Метионин - Аргинин - Лизин - Валин - Триптофан - (стоп-кодон)

Какие аминокислотные замены могут произойти при замене A в 7-й позиции на C, на U, на G?
Ответы:

1. Тир-Ала-Лиз-Иле-Про-Фен-Гли

Цис-стоп-кодон

2. Мет-Тир-Арг-Иле-Про-Глу-Гис

Мет-(стоп-кодон)

3. Лизин заменится на глутамин (при замене на C), на стоп-кодон (при замене на U), на глутаминовую кислоту (при замене на G)