Урок "Молекулярная структура живого"

Оборудование: таблица “ДНК”, “РНК”, “Структура белка”, “Образование молекулы воды”, “Репликация ДНК”, “Биосинтез белка”

Цели урока:

1. Развивающие цели.

1. Развивать у школьников логическое мышление, изучить молекулярную структуру живого, процессы протекающие внутри клетки, рассматривать ДНК, как самую главную молекулу клетки.
2. Рассмотреть роль катионов и анионов в жизнедеятельности клетки, изучить особенности строения молекулы воды в связи с ее важнейшей ролью в жизнедеятельности клетки, научиться устанавливать взаимосвязи строения и функций веществ в клетке.
3. Формирование у детей целостности естественно - научной картины мира.
4. Развивать волю и самостоятельность. Развивать умение владеть собой: уверенность в своих силах, умение преодолевать трудности в учении естествознания.
5. Формировать интеллектуальные умения: умения анализировать, сопоставлять молекулы ДНК иРНК.

2. Образовательные цели.

1. Обеспечить усвоение учащимися основ науки.
2. Обобщить и закрепить, систематизировать, ранее полученные знания по свойствам и механизму функционирования молекул ДНКа и РНКа.
3. Обобщить и закрепить, систематизировать ранее полученные знания по предметам биологии, физики, химии.
4. Формировать навыки работы с игровыми элементами, видеофрагментами, иллюстративными материалами.
5. Формировать культуру здоровья на уроках биологии.
6. Формировать целостное представление о живой и неживой природе.

3. Воспитательные цели.

1. Воспитывать самостоятельного, свободного человека, имеющее чувственное восприятие природы, владеющего различными способами познания.
2. Воспитать валеологическую культуру и мышление учащихся.

Тип урока: урок-лекция.

Вид урока: урок с применением компьютера (мультимедийная презентация).

Средства обучения: компьютер, проектор, мультимедиа-средств обучения, слайды с иллюстрациями, терминами, понятиями, опытами, демонстрациями на видео.

План урока:

I. Актуализация знаний.

Контрольный тест.

II. Изучение нового материала:

1. Элементарный и молекулярный состав живого. Работа с текстами.

2. Минеральные соли. Функции минеральных солей.

3. Строение молекулы и свойства воды. Демонстрация опыта.

4. Аминокислоты и белки. Лабораторная работа “Химический состав клетки”.

5. Нуклеотиды и нуклеиновые кислоты.

III. Закрепление. Заполнение таблицы “Свойства воды”, “Сравнительная хаpaктеристика ДНК и РНК”

IV. Рефлексия. Подведение итогов урока.

V. Домашняя работа: (в трех уровнях)

Презентация

Слайд 1.

Ключевые слова: атомный состав клетки, вода, белки, ДНК, РНК, репликация,

Из старого портфеля: Химические элементы. Типы химических связей. Липиды. Сахара. Аминокислоты. Полимеры. Белки. Катализаторы. Нуклеиновые кислоты (Химия, 9 класс).

Актуализация знаний.

Контрольный тест.

1. Какова функция нуклеиновых кислот в клетке?

А) хранение и передача наследственных свойств;
Б) контроль за синтезом белка;
В) регуляция биохимических процессов;
Г) деление клеток;
Д) все перечисленное.

2. Что представляет собой мономер нуклеиновых кислот?

А) аминокислота;
Б) нуклеотид;
В) молекула белка;
Г) сахара.

3. К каким веществам относится рибоза?

А) белок;
Б) жир;
В) углевод.

4. Какие соединения являются мономерами молекул белка?

А) глюкоза;
Б) глицерин;
В) жирные кислоты;
Г) аминокислоты.

5. В каких растворителях жиры растворимы?

А) вода;
Б) спирт;
В) эфир;
Г) бензин.

Изучение нового материала:

На уроках естествознания вы прикоснулись к раскрытию тайны живого, пытаясь ответить на вопрос: “Что такое жизнь?”. И в первую очередь связываем явление жизни с теми веществами, из которых построены живые организмы — углеводами, жирами, нуклеиновыми кислотами и, конечно же, белками.

1. Элементарный и молекулярный состав живого.

Атомный состав: (Слайд 2)

В организме человека находятся 81 химический элемент из 92 встречающихся в природе. Человеческий организм – сложная химическая лаборатория. Трудно себе представить, что ежедневно наше самочувствие, настроение и даже аппетит могут зависеть от минеральных веществ. Без них бесполезными оказываются витамины, невозможны синтез и распад белков, жиров и углеводов.

Содержание химических элементов в клетке (Слайд 3).

На столах у учеников – таблицы “Биологическая роль химических элементов”. Дается время на знакомство с ней. Учитель вместе с учениками проводит анализ таблицы, задавая вопросы.

Основу жизни составляют шесть элементов первых трех периодов (H, C, N, О, Р, S), на долю которых приходится 98% массы живого вещества (остальные элементы периодической системы составляют не более 2%).

Три основных признака биогенных элементов (H, C, N, O, P, S):

• малый размер атомов,
• небольшая относительная атомная масса,
• способность образовывать прочные ковалентные связи.

Ученикам раздаются тексты. Задание: внимательно прочитать текст; выделить элементы, необходимые для жизни, и элементы, опасные для живых организмов; найти их в Периодической системе и объяснить их роль.

После выполнения задания несколько учеников проводят анализ разных текстов.

Текст 1.

Химический элемент кальций участвует в образовании костной ткани животных и человека, в белковом обмене. Магний входит в состав хлорофилла растений, регулирует кровяное давление. Он необходим для выpaбатывания энергии организма.

Барий - элемент этой же подгруппы, даже в небольших количествах опасен для организма. Соли бария очень ядовиты. При остром отравлении ими поражается нервная система, сосуды, а при хроническом – костная ткань, костный мозг, печень. Барий вытесняет из костей кальций и фосфор – это приводит к размягчению костей.

Текст 2

Элемент побочной подгруппы II группы цинк – незаменимый для живых организмов микроэлемент. Он входит в состав ферментов и гормонов (например, инсулина, выpaбатываемого поджелудочной железой). А также цинк влияет на рост растений и животных (недостаток его вызывает карликовость), участвует в анаэробном дыхании растений (спиртовое брожение), в трaнcпорте углекислого газа в крови позвоночных, в усвоении белков.

Содержание кадмия и ртути в живом организме минимально. Биологическая роль кадмия отрицательная. Он проявляет канцерогенные свойства. Растворимые соединения кадмия после всасывания в кровь поражают центральную нервную систему, печень, почки. Этот элемент попадает в биосферу с минеральными удобрениями (как примесь в составе суперфосфата), при сжигании мусора, содержащего изделия из пластмассы. В легкие человека, выкурившего одну сигарету, попадает 1-2 микрограмма кадмия, 25% от этого количества остается в организме.

Ионы ртути в ультрамикроколичествах участвуют в образовании белков и передаче наследственной информации. В то же время в повышенных дозах они разрушают белковые молекулы, вызывают расстройства нервной системы, ухудшают работу сердца, угнетают синтез фитопланктона (водорослей).

Текст 3.

Бор – элемент главной подгруппы III группы – обязательный для организма микроэлемент (содержание его составляет 10^-3 %). Этот элемент положительно влияет на рост растений, процессы дыхания, углеводный обмен. Недостаток бора приводит к отмиранию у растений точек роста стeблей и корней. Концентрация галлия, талия в организме человека 10^-6 % и 10^-12 %. Таллий – сильный яд. В Интернете в 1995 году появилось сообщение, что у студентки Пекинского университета внезапно начались головокружения, сильные кишечные спазмы, жгучие боли в ладонях и ступнях. Затем у нее прядями начали выпадать волосы. Родители срочно отправили ее в больницу, но дeвyшка погрузилась в кому. По мнению врачей, головокружения и боли указывали на серьезное невралгическое расстройство. Однако пункция позвоночника не выявила никаких отклонений. Анализы на отравление мышьяком и свинцом также оказались отрицательными. Выпадение волос – это действие таллия на организм человека.

Текст 4.

Среди элементов IV группы углерод – основа жизни (концентрация его в организме человека – 10%), а свинец (10^-6 – 10^-12 %) и его соединения – яды, вызывающие paк почек и желудочно-кишечного тpaкта, препятствуют газообмену у рыб (уплотняют слизь, покрывающую жабры). Наличие свинца в природной среде связано с применением его в промышленности в технических целях. Основной вид использования свинца, при котором он широко рассеивается, - производство и применение алкилсвинцовых присадок к топливу. Большие количества свинца сбрасываются с отходами в почву и воду при добыче и переработке руд, производстве стали, аккумуляторных батарей, печатных шрифтов, пигментов, взрывчатых веществ, нефтепродуктов, фотографических материалов, стекла и телевизионных трубок. Для снижения выбросов свинца переходят к широкому использованию на трaнcпорте электричества, ведут работы по сокращению содержания свинца в автомобильном бензине и переходу на сжиженный газ. Совершенствуются двигатели внутреннего сгорания, создаются новые системы двигателей и электромобилей, свинцовые кабели заменяют на мелковолнистые материалы и малотоксичные металлы. В “свинцовую” промышленность внедряют безотходные технологии.

Возможные причины вырождения династии римских военачальников: существует гипотеза, что полководцев погубили домашняя утварь и водопровод, изготовленные из свинца. Значительные дозы этого металла попадали в организмы вместе с пищей и водой и там накапливались. Хроническое свинцовое отравление сказывалось прежде всего на функциях центральной нервной системы: ослабевала воля, снижалась быстрота реакции, утрачивалась способность принимать верные решения и т. п.

Текст 5.

Элементы V группы – азот и фосфор – истинные биогены. Их содержание – по 10^-1 %. Они, как и углерод, входят в состав живых организмов. Их аналог – мышьяк (10^-6 %) изменяет толщину стенок сосудов, наблюдается расстройство сердечной деятельности. А также – обезвоживание организма и потеря солей, нарушение переноса кислорода гемоглобином крови (развивается анемия). Отравление мышьяком повышает заболеваемость paком кожи, лимфатической системы и желудочно-кишечного тpaкта. Предполагается также, что мышьяк заменяет в организме фосфор в молекуле ДНК и нарушает передачу наследственной информации. Соединения мышьяка содержатся в отходящих доменных газах, в угольной золе, в отходах медеплавильного и сернокислотного производств.

2. Минеральные соли.

Функции минеральных солей.

3. Строение молекулы и свойства воды (полярная связь, водородная связь). Примеры содержания воды в различных клетках организма (Слайд 4).

Чем определяется различие в содержании воды в клетках? Анализируют факты, делают вывод о соответствии содержания воды интенсивности процесса обмена веществ.

Вывод учащихся: Воды больше в тех клетках, в которых обмен веществ интенсивнее. Слушают объяснения, делают записи в тетрадях.

Функция воды (Слайд 5)

Демонстрация опытов: (Слайд 6)

1. Растворить в воде следующие вещества: поваренную соль, этиловый спирт, сахарозу, растительное масло

2. Опустить кусочек льда в стакан с водой.

3. В пробирку с хлопьями яичного белка добавить желудочный сок

Подумай?

1. Почему одни вещества растворяются, а другие нет?

2. Что вы можете сказать о плотности воды и льда?

3. Какие реакции произошли?

4. Какие свойства Вы наблюдали?

4. Аминокислоты и белки (слайд7)

Грибы, растения, животные, бактерии – все имеют белки.

Белки есть высокомолекулярные органические вещества, построенные из остатков 20аминокислот. Существует более 150 аминокислот, но из них лишь 20 представлены в белковых структурах, причём только левосторонние изомеры. Наличие правостороннего изомера нарушает структуру белка.

Белки – важнейший компонент нашей пищи. Белки составляют 1 часть человеческого тела, единственным источником их образования в организме являются аминокислоты белков в пище. Вот почему белки незаменимы в питании человека.

Белки – высокомолекулярные соединения, масса их колeблется от 5000 до 1000 000 и выше. Состоят из остатков 22 аминокислот. В природе существует только малая часть теоретически возможного количества белка.

Белки – основа жизни клетки. В теле нет участка, где бы не было белков. В крови и мышцах белки составляют 1/5  от их общей массы, в мозгу 1/12, 1/100 от общей массы эмали зубов - белки. В разных органах белки составляют 45-85% сухого вещества.

Химический состав белков.

В состав белков входят химические элементы: углерод, водород, азот, кислород.

Элементарный состав белков

наименование элемента	содержание в %
Углерод, С	50-55
Водород, Н	6,5 –7,3
Азот, N	15- 18
Кислород, О	21 –24

Лабораторная работа “Химический состав клетки”

Чтобы доказать что в состав белков входит азот проведем лабораторную работу. В раствор белка куриного яйца приливаем раствор щелочи и нагреем. Универсальную бумажку, смоченную водой подносим к отверстию пробирки, бумажка посинела так как выделяется газ аммиак NH3, значит, состав белка входит азот.

Пептидная связь.

Структура белка (Слайд 8, 9, 10).

Обмен белков в организме

Все белки растительные и животные состоят из аминокислот. Белки, поступающие с пищей под влиянием ферментов подвергаются гидролизу. Повторим, что называют гидролизом?

Гидролиз – это разложение веществ водой. В желудке, в кишечнике белки расщепляются до аминокислот. Аминокислоты всасываются ворсинками кишечника в кровь и поступают во все ткани организма. Затем основная масса аминокислот идет на синтез собственных белков. Синтез идет с поглощением энергии. Такие реакции называются эндотермическими. Часть аминокислот подвергаются распаду и окислению при этом азот отщепляется в виде аммиака, который превращается в мочевину и выводится с мочой. Углерод и водород окисляются до  углекислого газа и воды. Эти реакции идут с выделением энергии и являются экзотермическими.

В процессе  обмена белков происходит обмен энергии. Синтез белков организма в клетке сопровождается поглощением энергии ( ассимилиция), а при расщеплении белков и аминокислот энергия выделяется (процесс диссимиляции).

5. Нуклеотиды и нуклеиновые кислоты.

1. Нуклеиновые кислоты. Строение нуклеиновых кислот (Слайд 11)

Существует три типа нуклеиновых кислот: ДНК (дезоксирибонуклеиновые кислоты), РНК (рибонуклеиновые кислоты) и АТФ (аденозинтрифосфат). Подобно углеводам и белкам, это полимеры. Как и белки, нуклеиновые кислоты являются линейными полимерами. Однако их мономеры – нуклеотиды – являются сложными веществами, в отличие от достаточно простых сахаров и аминокислот.

2. Нуклеотиды. Нуклеотиды состоят из трёх компонентов: азотистого основания, сахара-пентозы и остатка фосфорной кислоты. Существует 5 азотистых оснований: аденин, гуанин, урацил, тимин, цитозин. Помимо азотистых оснований в образовании нуклеотидов принимают участие два сахара: рибоза – в РНК и дезоксирибоза в ДНК. Третьим компонентом нуклеотидов как в ДНК, так и в РНК является остаток фосфорной кислоты – фосфат.

Комплекс азотистого основания с сахаром называется нуклеозидом, а присоединение к последнему фосфата даёт нуклеотид. Названия нуклеотидов немного отличаются от названий соответствующих оснований, и те и другие принято обозначать заглавными буквами:

цитозин – цитидин – Ц урацил – уридин - У

аденин - аденозин - А тимин - тимидин - Т

гуанин - гуанозин – Г

3. Строение ДНК (Слайд 12)

ДНК – дезоксирибонуклеиновая кислота – высокомолекулярный линейный полимер, состоящий из двух полинуклеотидных цепей. Мономерами ДНК являются нуклеотиды 4 типов: А, Т, Г и Ц; все они построены на основе сахара дезоксирибозы. Повторяться внутри ДНК нуклеотиды могут бесчисленное количество раз: 23 молекулы ДНК человека, например, содержат в себе более 3 млрд. пар нуклеотидов!

Каждая из цепей ДНК является линейным полимером, в котором нуклеотиды последовательно соединены друг с другом при помощи ковалентной фосфодиэфирной связи, которая образует между молекулой сахара, одного нуклеотида и фосфорной кислотой другого нуклеотида.

В отличие от остальных веществ клетки, ДНК представляет собой двухцепочную молекулу, в которой обе цепи прочно связаны друг с другом. Существование подобной структуры возможно благодаря особенностям строения нуклеотидов. Цепи ДНК ориентированы строго определённым образом: азотистые основания нуклеотидов обеих цепей обращены внутрь, а сахара и фосфаты – наружу; кроме того, цепи расположены очень близко друг к другу (около 1,8 нм).

Комплементарные пары (Слайд 13).

Между азотными основаниями пары А и Т образуются 2 водородные связи, а между Г и Ц - 3, поэтому прочность связи Г-Ц выше, чем А-Т:

Функцией ДНК является хранение, передача и воспроизведение в ряду поколений генетической информации. В организме ДНК, являясь основой уникальности индивидуальной формы, определяет, какие белки и в каких количествах необходимо синтезировать.

Репликация ДНК (Слайд 14). Существование механизма “размножения” молекул ДНК, благодаря которому воспроизводятся точные копии исходных молекул, делает возможным передачу генетической информации от материнской клетки дочерним во время деления.

Процесс удвоения молекул ДНК называется репликацией. Это сложный процесс, осуществляемый ферментами, полное название которых – ДНК-зависимые-ДНК-полимеразы типа I, II или III (или просто ДНК-полимеразы).

В основе репликации лежит способность нуклеотидов к комплементарному взаимодействию с образованием водородных связей между А и Т, Г и Ц.

Специальные белки разрывают связи между цепями и “расплетают” молекулу ДНК, так что её цепи разделяются. Это расплетение осуществляется на небольшом отрезке в несколько десятков нуклеотидов. На расплетённом участке ДНК-полимеразы строят дочерние цепи ДНК. При этом материнские цепи выступают в роли матриц, по которым ферменты, подбирая комплементарные нуклеотида один за одним, выстраивают новые После того, как дочерние клетки цепи ДНК построены и соединены с материнскими, происходит расплетение нового отрезка, и цикл репликации повторяется

Такой способ репликации, при котором в каждую дочернюю клетку отходит двухцепочечная ДНК, одна цепь которой является “старой”, материнской, а другая – новосинтезированной, называется полуконсервативным способом репликации ДНК. Точность воспроизведения информации (точность синтеза дочерних цепей) при репликации почти абсолютная – любая малейшая ошибка может привести к серьёзным последствиям

Однако ошибки встречаются и здесь, вызывая спонтанные мутации. Для повышения надёжности сохранения информации в клетке имеются систему репарации, восстанавливающие повреждённую цепь ДНК по неповреждённой. Все реакции репарации осуществляются ферментами.

Биологический смысл репликации заключается в точной передаче наследственной информации от материнской молекулы к дочерним, что и происходит при делении соматических клеток.

Репарация ДНК – механизм, обеспечивающий способность к исправлению нарушенной последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК. Изменение обычно происходит в одной из цепей ДНК, вторая цепь остаётся неизменной. Поврежденный участок первой цепи может “вырезаться” с помощью ферментов – ДНК репарирующих нуклеаз. Другой фермент – ДНК-полимераза копирует информацию с неповрежденной цепи, вставляя необходимые нуклеотиды в поврежденную цепь. Затем ДНК-лигаза “сшивает” молекулу ДНК, и повреждённая молекула восстанавливается.

Строение молекул РНК (Слайд15). Во многом сходно со строением молекул ДНК. Тем не менее имеется ряд существенных отличий. В состав нуклеотидов РНК вместо дезоксирибозы входит сахар рибоза. Основание тимин замещено на урацил. Главное отличие от ДНК состоит в том, что РНК имеет лишь одну цепь. Из-за этого химически РНК менее стабильна, чем ДНК: вводных растворах РНК быстрее подвергается расщеплению. Поэтому РНК менее подходит для долговременного хранения информации.

Существует три основных вида РНК.

Информационная (матричная) РНК – мРНК. Наиболее разнородная по размерам, структуре и стабильности группа молекул РНК с длиной цепи 75-3000 нуклеотидов. мРНК представляет собой полинуклеотидную незамкнутую цепь. Единой прострaнcтвенной структуры, хаpaктерной хотя бы для большинства мРНК, не обнаружено. Все мРНК объединяет их функция – они служат в качестве матриц для синтеза белков, передавая информацию об их структуре с молекул ДНК.

Tрaнcпортная (акцепторная) РНК – тРНК. Самая маленькая из РНК. Молекулы тРНК состоят из 75-100 нуклеотидов. Функция тРНК – перенос аминокислот к синтезируемой молекуле белка. Число различных видов тРНК в клетке невелико: 20-61. Все они имеют сходную прострaнcтвенную организацию.

Рибосомная РНК – рРНК. Одноцепочечные нуклеиновые кислоты, которые в комплексе с рибосомными белками образуют рибосомы – органеллы, на которых происходит синтез белка. рРНК – разнородная группа молекул с длинной цепи 120-3500 нуклеотидов. В клетке больше всего содержится рРНК, значительно меньше тРНК и совсем немного мРНК. Так, у кишечной палочки E. coli соотношение этих видов РНК составляет примерно 82%, 16 и 2%, соответственно.

Заключение: Мы говорим о вступления в биохимический век, и это не пустые слова. Это явление огромной значимости, один из поворотных пунктов в истории человеческой мысли. Ученые говорят о нуклеопротеинах, о биохимической генетике и электронном микроскопе, о строение молекул и радиоактивных изотопах. Не подумайте, что все это – не более одна их забава. Это надежный путь к решению проблем наследственных и инфекционных заболеваний. На этом пути будут получены знания, на основе которых мы сможем решить проблему долгожительства. Это путь к познанию тайн жизни.

III. Закрепление. Заполнение таблицы:

Свойства воды	Роль воды в жизнедеятельности клеток.

Сравнительная хаpaктеристика ДНК и РНК.

Отличительные признаки	ДНК	РНК

IV. Рефлексия. Подведение итогов урока.

V. Домашняя работа: (в трех уровнях)

1 уровень: ответьте на вопросы на странице 93 учебника.

2 уровень. Познавательная задача: В ясный весенний день температура воздуха +10 градусов, влажность 80% . Будут ли ночью заморозки?

Моделируйте в прострaнcтве молекулу ДНК, используя шарики, пластилина.

3уровень: Творческая работа. Принести дополнительный материал по темам:

- Геном человека;

- Наследственные болезни;

- Клонирование животных;

- Геном человека в медицине;

- История открытия нуклеиновых кислот.

Список литературы: (Слайд16)

1. Г. Шлегель. Общая микробиология. М. : Мир,1987.

2. М. Д. Франк - Каменецкий. Самая главная молекула. - М. : “Наука”, 1988.

3. М. П. Шерстнев, О. С. Комаров. Химия и биология нуклеиновых кислот. - М. : “Просвещение”, 1990.

4. Р. К. Закиев. Избранные главы общей генетики. - Казань, 1991.

5. Т. Г. Богданова, Е. А. Солодова. Справочник для старшеклассников и поступающих в ВУЗы. - М. :Аст-Пресс школа, 2003.

6. З. С. Киселева, А. Н. Мягкова. Генетика. - М. : “Просвещение”,1983

7. М. Р. Сапин, Г. Л. Билич, Анатомия человека. - М. : “Высшая школа”, 1989.

8. Биология. Еженедельное приложение к газете “Первое сентября”, 1998-2005.

9. И. Ю. Павлов, Д. В. Вахненко, Д. В. Москвичёв. Биология, репетитор для поступления в вузы. “Ростов-на-Дону”, 2002 .

10. Селевко Г. К. Современные образовательные технологии. – М. : Народное образование, 1998.

11. С. Г. Мамонтов. Биология. - М. : Школа – пресс, 1994.

12. Роберт И. В. Современные образовательные технологии. - М. : Школа – пресс, 1994.

13. Диск 1С: Репетитор. Биология. Москва, 2002.

14. Диск “Энциклопедия Кирилла и Мефодия”. Москва, 2004.