Урок "Регуляция биохимических процессов клетки"

Методические рекомендации по проведению урока

Урок на тему «Регуляция биохимических процессов клетки» проводится в C или в IХ классе после изучения разделов: «Учение о клетке», «Размножение и развитие организма», «Основы генетики и селекции», и рассчитан на 2 часа (90 мин).

На предлагаемом уроке различными формами и методами работы формируется целостное представление о механизмах регуляции в живой природе на разных уровнях жизни.

В ходе подготовки к уроку учащиеся класса распределяются на 5 групп по своим интересам, и выбирают предложенные преподавателем тему, для групповой проектной деятельности с использованием ИКТ.

В группах в ходе консультаций распределяются вопросы между учениками. Определяются темы конкретных выступлений с методическим обеспечением, позволяющих максимально эффективно решить задачи, поставленные перед группой.

Составляются алгоритмы для подготовки выступлений и работы над проектом. Каждая группа в результате работы над проектом готовят свои презентационные работы на компьютере.

Первая и вторя группы: генетики – строение гена и регуляция на молекулярном уровне

Третья, четвертая и пятая группы: цитологи – регуляция клеточных функций.

Информационно-методическое обеспечение: Таблицы-схемы строения гена и процессинга, регуляции работы лактозного оперона, регуляции митоза. Видеофрагмент «Регуляция мочеотделения», презентации проектов учащихся на темы «Регуляция клеточных функций», «Регуляция на молекулярном уровне», электронные курсы и уроки на CD, модель работы лактозного оперона, мультимедиа-игра «Регуляция на молекулярном уровне». Мультимедийные презентации учащихся к уроку.

Примерный алгоритм работы учащихся на уроке

ПЛАН УРОКА

1. Актуализация темы урока – 10 мин.
2. Изучение нового материала – 60 мин.
3. Обобщение (закрепление) урока – 15 мин.
4. Подведение итогов урока – 4 мин.
5. Домашнее задание – 1 мин

ХОД УРОКА 

I. Актуализация знаний.

Перед учащимися ставятся вопросы:

1. Рассматривали ли мы вопросы регуляции при изучении биологии?
2. Когда впервые мы говорили о процессах регуляции? При изучении каких тем, разделов и курсов биологии?
3. Происходит ли регуляция функций у растений, одноклеточных организмов?

Учащиеся отвечают на вопросы, используя знания предыдущих разделов биологии.

По итогам беседы формулируем цели урока:

• повторить и обобщить учебный материал о регуляции функций в органическом мире,
• совершенствовать и расширить понятия о регуляции развития организмов и роли генотипа в этом процессе,
• продолжать формировать и совершенствовать навыки учебной деятельности (классификация, обобщение, выделение существенных признаков и закономерностей с использованием средств мультимедиа),

Затем предлагается просмотреть видеофрагмент гумopaльная регуляция мочеотделения человека и ответить на вопрос: Какие способы регуляции вы еще знаете?

После обсуждения этих вопросов ставится проблемный вопрос:

Какие способы и механизмы регуляции могут существовать в биологических системах?

II. Работа групп

1 и 2 группы – генетики. 

Регуляция на молекулярном уровне 

Цель работы: Обобщить и расширить знания о регуляции биологических процессов на молекулярном уровне.

 Выступление представителей первой группы с сообщением о тонкой структуре гена (слайд 3, приложение 1).

Цель: Углубить и систематизировать знания обучающихся о строение гена.

В результате анализа строения гена делается вывод:

Сама структура гена предполагает процесс регуляции трaнcкрипции – наличием промотора и терминатора, а трaнcляции – наличием старт-кодона и стоп-кодона.

Следующее выступление о механизме процессинга. (слайд 4, приложение 1)

Цель: Раскрыть механизм процессинга с целью формирования знаний о роли этого процесса, опираясь на знания молекулярной биологии и генетики.

Образовавшийся после трaнcкрипции РНК, в дальнейшем подвергается «созреванию». Ген имеет «активные» участки экзоны – кодирующие аминокислоты и интроны – не кодирующие аминокислоты. Интроны вырезаются особыми ферментами, а оставшиеся экзоны, сшиваются лигазами (сплайсинг)

В итоге формулируем вывод:

В ходе процессинга происходит изменение первичной структуры гена и путем кэпирования и полиаденилирования стабилизируются молекулы и-РНК и создаются информосомы.

Цель следующего выступления: раскрыть особенности регуляции синтеза белка на примере работы лактозного оперона (слайды 5-7, приложение 1).

Ген-регулятор кодирует белок-репрессор. Если в бактерию попадает лактоза, она связывается с белком-репрессором, образуя комплекс, который не может блокировать оператор. Оператор и промотор освобождаются, с промотором связывается фермент РНК-полимераза и начинается трaнcкрипция и-РНК, с которой синтезируются ферменты, необходимые для усвоения лактозы.

Вывод: регуляция лактозного оперона осуществляется на этапе трaнcкрипции продуктами, которые вступают в реакции метаболизма (в данном случае лактозы).

Работа с терминами. Один из члeнов группы генетиков готовит представление терминов, которые применялись при изученни регуляции на молекулярном уровне: белок-репрессор, ген-регулятор, интрон, лактоза, оператор, промотор, процессинг, сплайсинг, старт-кодон, стоп-кодон, трaнcкрипция, трaнcляция, терминатор трaнcкрипции (слайд 9, приложение 1).

Закрепление и обобщение знаний. Работа по закреплению рассмотренного материала на предлагаемом уроке можно проводить в двух вариантах.

Первый вариант – предлагаются задания разного уровня сложности, проецируемые на экран:

1. Проанализируйте соответствие следующих утверждений данным современной науки:
   а) белковые молекулы служит матрицами, вокруг которых кристаллизуются новые молекулы (Кольцов) ;
   б) ген может сохранятся в неизменном виде в течение миллионов лет (Серебряковский) ;
   в) гены продуцируют копии самих себя, которые выходят в цитоплазму, обладают способностью к самовоспроизведению и контролируют типы и количество синтезируемых белков (Шпигельманн)
2. У большинства эукариот есть несколько сотен генов, кодирующих одну и ту же и-РНК. Как вы думаете, в чем смысл такого излишества?
3. Мутации в каких участках ДНК кишечной палочки, могут приводить к появлению бактерий:
   а) не растущих на лактозе?
   б) способных усваивать лактозу в присутствии глюкозы?
4. Механизм регуляции работы лактозного оперона работает с отрицательной или положительной обратной связью?

Второй вариант – с целью более глубокого познания механизма регуляции работы лактозного оперона в профильных классах можно использовать элементы биологического моделирования. Принцип моделирования заключается в том, что в Excel задаются определенные параметры (в конкретном случае) работы лактозного оперона. Ученик, изменяя содержание разных компонентов модели, реально на графике наблюдает происходящие события. При моделировании используем ноутбуки мобильного компьютерного класса.

Для работы с моделью предлагается следующий алгоритм:

1. Внимательно рассмотрите предложенную модель
2. Измените количество лактозы (индуктора, поступающего из внешней среды)
   - уменьшите (отметьте, что происходит)
   - увеличите (отметьте, что происходит)
3. Такие же действия проделайте с другими компонентами процесса.
4. Изменяйте только содержание лактозы (индуктора), что наблюдаете? Как меняется работа лактозного оперона? Обоснуйте результаты эксперимента.

Наличие индуктора (лактозы) определяет процесс синтеза белка, содержание которого играет важную роль в регуляции механизма синтеза белка фермента

Далее изменяем показатель коэффициента синтеза белка при одной трaнcляции и получаем следующую картину

Изменяем пороговое значение для включения репрессора и результат другой

Обсуждаются предложенные задания, или результаты моделирования и формулируется вывод:

Все механизмы регуляции происходят на уровне трaнcкрипции или трaнcляции. Рассмотренный механизм регуляции лактозного оперона работает с положительной обратной связью.

После представления проектов каждой группой, с целью контроля знаний, возможно использование различных игровых и тестовых заданий с использованием компьютера (естественно все виды деятельности не вместить в один или даже в два урока, но здесь предлагаются варианты). В данном случае предлагаем игровую тестовую проверку (презентация-игра «Регуляция на молекулярном уровне» приложение 2).

Логические задачи можно использовать как при закреплении изученного вопроса, так и вначале рассматриваемых вопросов.

Так, перед выступление группы «цитологов», по вопросам регуляции клеточных функций, классу предлагаются логические задачи с целью создания проблемной ситуации:

1. Что произойдет, если клетку, ядро которой приступило к митозу слить клеткой, находящейся в интерфазе?
2. Как вы считаете, на каких стадиях метаболических путей, обычно расположены ключевые ферменты? На начальных или на конечных?
3. Рецепторы стероидных гормонов расположены в цитоплазме. Как они достигают рецепторов?
4. Боевые нервно-паралитические ОВ (зарин, зоман, V-газы) необратимо ингибируют ацетилхолинэстеразу. Отчего наступает cмepть при отравлениях ими?

Обсуждение предложенных заданий проводят члeны группы цитологов.

В ходе беседы выясняется, что не на все вопросы заданий обучающиеся дают достаточно обоснованные ответы. Создается проблемная ситуация. Учащиеся сами формулируют цели работы этой группы:

Определить особенности и механизмы регуляции функций на клеточном уровне

Регуляция клеточных функций (цитологи)  

Работа цитологовначинается с освящения механизма регуляции клеточного деления.

Цель: раскрыть процесс и условия регуляции клеточного деления.

Регуляция деления происходит не только при достижении клеткой определенного размера. В клетке приступающей к делению начинают синтезироваться белки – регуляторы митозстимулирующий фактор (МСФ) и циклины, концентрация которых постепенно растет в интерфазе. При достижении определенной концентрации начинается синтез МСФ и начинается митоз (слайд 3, приложение 3)

Вывод: В клетке происходит компактизация хромосом и деление начинается даже, если не произошло удвоение хромосом при наличии МСФ, который запускает механизм деления.

Затем цитологии представляют вопросы регуляции процессов самоподдержания в клетке. Синтез АТФ в клетке зависит от его концентрации в клетке. Высокое содержание АТФ в клетке ингибирует ключевой фермент и расщепление веществ не происходит, что в конечном итоге исключает образование АТФ (слайды 4 приложение 3)

Вывод:

• высокое содержание АТФ ингибирует синтез ферментов, необходимых для собственного синтеза
• ключевой фермент находится в начале метаболического пути;
• такая регуляция называется ингибирующей обратной связью.

Следующее выступление о механизме действия стероидных гормонов. (слайд 5, приложение 3)

Цель: Определить условия и продолжительность действия стероидных гормонов

Они действуют путем изменения генетической активности. Это гормоны длительного стресса. Приблизительно их метаболические действия можно описать как угнетение синтеза пластических веществ, и активизацию реакций распада. Связываясь с рецепторами, они проходят в ядро и, контактируя с ДНК, запускают или ингибируют работу генов. Так регулируется генетическая активность

Вывод: Стероиды – гидрофобные молекулы и легко проходят через мембрану клетки и регулируют работу генов. Их действие значительно продолжительнее, чем действие нервных импульсов

Продолжением представления проекта «цитологов» является освещение регуляции работы ионных каналов (слайды 6, 7, приложение 3).

Цель: Рассмотреть и обобщить особенности механизма нервной регуляции клеточных функций.

Передача нервного возбуждения с нервной клетки на мышечную происходит через синапс – контакт этих клеток. Через синаптическую щель передача возбуждения происходит нейромедиатором – ацетилхолином. При поступлении возбуждения по нервным клеткам, мембранные пузырьки, наполненные нейромедиатором, подходят к наружной мембране и сливаются с ней. Ацетилхолин связывается рецепторами, расположенными на мембране мышечной клетки.Снимается возбуждение ферментом ацетилхолинэстеразой, быстро разрушающий ацетилхолин.

Вывод: Регуляция происходящих в клетке процессов регулируется нервной системой по следующей схеме: нерв – медиатор – рецепторы медиаторов – деполяризация мембраны – выход ионов кальция в цитоплазму – сокращение мышцы

Работа с терминами: ацетилхолин, ацетилхолинэстераза, ионный канал, ключевой фермент, синапс, синаптическая щель, стероидный гормон (слайд 9, приложение 3).

Рассмотрев механизм регуляции метаболических процессов, протекающих в клетке, в ходе обсуждения формулируем выводы.

Выделяется два основных способа регуляции:

а) поддержание на нужном уровне концентрации веществ, необходимых самой клетке;
б) ответ клетки на сигналы, поступающие от специальных регулирующих систем (нервной и эндокринной).

Регуляция клеточных функций происходит по принципу отрицательной обратной связи, когда конечный продукт (АТФ) ингибирует свой собственный синтез; работа синапса идет с положительной обратной связью.

ΙΙΙ. Обобщение материала.

После рассмотренных вопросов учащимся с целью ответа на проблемный вопрос:

«Какие способы и механизмы регуляции могут существовать в биологических системах обучающимся разных групп, предлагаются следующие задания (слайд 22, приложение 4):

• Составьте самостоятельно общую схему регуляции биологических процессов в организме (первая группа)
• Составьте схему регуляции с положительной и отрицательной обратной связью (вторая группа)
• Между организмом и внешней средой (третья группа)
• Между популяциями живых организмов (четвертая группа)
• В экосистеме (пятая группа)

Варианты работы обучающихся на заключительном этапе урока

• Группы могут выполнять свои работы на бумажных носителях, и в таком случае защищают свои работы, проецируя через документ-камеру.
• Каждая группы работает на ноутбуках и для демонстрации используют мультимедийный проектор
• В ходе защиты обучающиеся отвечают на проблемный вопрос, поставленный в начале урока Представляются работы учащихся, выполненные на компьютере (см. приложение 4, слайды 23-28)

ΙV. Подведение итогов.

Обучающиеся анализируют и оценивают свою работу на уроке, отмечают наиболее трудные вопросы, вызвавшие затруднения (приложение 4, слайд 29).

После представлений своих схем, выполненных на уроке обсуждаем проблемный вопрос (Какие способы и механизмы регуляции могут существовать в биологических системах?)

Затем учащимся предлагается опять вспомнить цели урока и проанализировать степень их выполнения на уроке.

Проанализируйте свою работу на уроке: что у вас получилось, а что нет.

Какие вопросы вызвали у вас затруднения?

Оцените свою работу на уроке.

Для подведения итогов работы обучающиеся используют краткий конспект работы на уроке (алгоритм конспекта представлен в начале урока)

V. Домашнее задание

(творческое, приложение 4, слайд 30) составьте схему регуляции развития личинки яблоневой плодожорки в зависимости от температуры среды (можно будет использовать электронный учебный курс экология в кабинете биологии).

Литература 

1. М. Б. Беркинблит, С.М. Глаголев, В.А. Фуралев. Общая биология. М, МИРОС, 1999.
2. В. А. Голиченков, Е.А. Иванов, Е.Н. Никерясова Эмбриология. М, АКАДЕМИЯ, 2004.
3. Р. Г. Заяц и др. Общая медицинская генетика. РнД, Феникс, 2002.
4. В. Б. Захаров и др. Общая биология. М, Дрофа, 2002.
5. Н. В. Чебышев и др. Биология пособие для поступающих в вузы. М. Новая Волна, 2004.
6. С. Гилберт. Биология развития. в 3-х томах. «Мир» Москва. 1993.

Электронные курсы и уроки на CD:

1. Биология (анатомия и физиология человека)
2. Биология в школе (электронные уроки и тесты)
3. Биология (лабораторный пpaктикум)
4. Открытая биология
5. Экология (электронное учебное издание)
6. Биология (библиотека электронных наглядных пособий)
7. Уроки биологии (КиМ – животные, растения, анатомия и физиология человека)

Интернет-ресурсы, материалы которых, использованы при подготовке к уроку:

1. bio.fizteh.ru/student/files/biology/biolections/lection15.html
2. festival.1september.ru
3. humbio.ru
4. ru.wikipedia.org/wiki
5. bio.clow.ru