Муниципальное бюджетное образовательное учреждение
средняя общеобразовательная школа №5
города Лобни Московской области
ПРОЕКТ
Моделирование биополимеров
Авторы:
ученики 10 «А» класса
Илюхина Анастасия
Лаптева Арина
Лапенкова Алевтина
Насырова Фарида
Научный руководитель:
учитель биологии
г. Лобня
2013
Содержание
Введение. 3
Обзор литературы.. 5
Реализация проекта. 9
Информация об инициативной группе. 9
Рабочий план - график реализации проекта. 9
Результаты реализации проекта. 10
Материалы и оборудование. 10
Заключение ………………………………………………………………………11
Список литературы.. 12
Приложение. 13
Введение
Объемные модели и манипуляционные игры используются на уроках общей биологии нечасто. Однако это не только весьма эффективный способ изучения строения сложных молекул, но и важный компонент развития пространственного воображения у учеников, тренировки их мышления.
Обучающие модели – это строго выстроенные, структурированные интерактивные объекты, сценарии которых основаны на проверенных правилах, заданиях и стратегиях; задачей таких моделей является развитие определенных компетенций, которые могут быть перенесены пользователем в реальный мир. Игра – это вовлекающая самоподкрепляющаяся деятельность, преимущественно используемая для развлечения; однако накоплен большой опыт использования игр для изучения и практического применения чего-либо: набора инструментов, идей или действий. Хотя приведенные определения отнесены авторами к компьютерным играм и моделям – виртуальным симуляторам, их можно применить и к другим видам игр и моделей, в том числе основанным на манипулировании материальными объектами.
Заданиям с объемными моделями и пространственными манипуляционными играми в общеобразовательной школе очень не повезло. Учителя их воспринимают как роскошь и затратное времяпровождение без особой пользы. Ученики, привыкшие к логико-словесному методу обучения, также склонны воспринимать практически любое задание с пространственными объектами как игру. Многие учителя верят, что достаточно визуализировать объект (например, показать на рисунке модель молекулы), чтобы ученики проделали необходимые операции в воображении. В условиях когда «компьютерное» по умолчанию считается передовым, инновационным, расширять ассортимент манипуляционных заданий и вовсе кажется лишним – ненужными затратами времени и ресурсов. Так принцип наглядности «входит в клинч» с другими дидактическими принципами, в первую очередь доступностью и активностью обучения. Следствием этого являются проблемы с пространственным воображением у многих учащихся.
Главной целью нашего проекта является создание пространственных моделей биополимеров (белков, нуклеиновых кислот). Для реализации проекта мы поставили следующие задачи:
1. Изучить особенности строения полимеров.
2. Отобрать материалы для создания моделей.
3. Проанализировать варианты их использования.
Обзор литературы
1. Высокомолекулярные полимеры – белки
Из органических веществ, входящих в живую клетку, важнейшую роль играют белки. На их долю приходится около 50% массы клетки. Благодаря белкам организм приобрел возможность двигаться, размножаться, расти, усваивать пищу, реагировать на внешние воздействия и т. д.
«Жизнь есть способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой, причем с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь, что приводит к разложению белка», – писал Энгельс в своих трудах.
Белки – это сложные высокомолекулярные природные соединения, построенные из аминокислот. В состав белков входит 20 различных аминокислот, отсюда следует огромное многообразие белков при различных комбинациях аминокислот. Как из 33 букв алфавита мы можем составить бесконечное число слов, так из 20 аминокислот – бесконечное множество белков. В организме человека насчитывается до белков. Белки подразделяют на протеины (простые белки) и протеиды (сложные белки).
Число аминокислотных остатков, входящих в молекулы, различно: инсулин – 51, миоглобин – 140. Отсюда Mr белка отдо нескольких миллионов.
Историческая справка. Первая гипотеза о строении молекулы белка была предложена в 70-х годах XIX в. Это была уреидная теория строения белка. В 1903 г. немецкий ученый предложил пептидную теорию, которая стала ключом к тайне строения белка. Фишер предположил, что белки представляют собой полимеры из остатков аминокислот, соединенных пептидной связью NH–CO. Идея о том, что белки – это полимерные образования, высказывалась еще в 1888 г. русским ученым . Эта теория получила подтверждение в последующих работах. Согласно полипептидной теории белки имеют определенную структуру.
Многие белки состоят из нескольких полипептидных частиц, которые складываются в единый агрегат. Так, молекула гемоглобина (С738Н1166S2Fe4O208) состоит из четырех субъединиц. Отметим, что Mr белка яйца =, Mr белка мышц = 1 500 000.
Структура белка
Первичная структура белка – последовательность чередования аминокислотных остатков (все связи ковалентные, прочные) .
Вторичная структура – форма полипептидной цепи в пространстве. Белковая цепь закручена в спираль (за счет множества водородных связей).
Третичная структура – реальная трехмерная конфигурация, которую принимает в пространстве закрученная спираль (за счет гидрофобных связей), у некоторых белков – S–S-связи (бисульфидные связи)
Четвертичная структура – соединенные друг с другом макромолекулы белков образуют комплекс
Денатурация – нарушение природной структуры белка под действием нагревания и химических реагентов.
Функции белков
Функции белков разнообразны.
1) Строительный материал – белки участвуют в образовании оболочки клетки, органоидов и мембран клетки. Из белков построены кровеносные сосуды, сухожилия, волосы.
2) Каталитическая роль – все клеточные катализаторы – белки (активные центры фермента). Структура активного центра фермента и структура субстрата точно соответствуют друг другу, как ключ и замок.
3)Двигательная функция – сократительные белки вызывают всякое движение.
4) Транспортная функция – белок крови гемоглобин присоединяет кислород и разносит его по всем тканям.
5) Защитная роль – выработка белковых тел и антител для обезвреживания чужеродных веществ.
6) Энергетическая функция – 1 г белка эквивалентен 17,6 кДж.
Содержание белков в различных тканях человека неодинаково. Так, мышцы содержат до 80% белка, селезенка, кровь, легкие – 72%, кожа – 63%, печень – 57%, мозг – 15%, жировая ткань, костная и ткань зубов – 14–28%.
Белки – необходимые компоненты пищевых продуктов, они входят в состав лекарственных препаратов.
2. Нуклеиновые кислоты
ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) — сложное органическое соединение, обеспечивающее хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов. В ней содержится информация о структуре различных видов РНК и белков. Структура ДНК была смоделирована в 1953 г. в США учеными Д. Уотсоном и Ф. Криком. ДНК представляет собой двойной неразветвленный линейный полимер, закрученный спирально, за исключением одноцепочечной молекулы ДНК вирусов и кольцевой ДНК бактерий, пластид и митохондрий. В клетках эукариот (животных, растений и грибов) ДНК находится в ядре клетки в составе хромосом, а также в некоторых клеточных органоидах (митохондриях и пластидах). В клетках прокариотических организмов (бактерий и архей) она прикреплена изнутри к клеточной мембране. Мономерами ДНК являются нуклеотиды. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, остатка фосфорной кислоты и углевода дезоксирибозы. В одной молекуле ДНК насчитывается 10-25 тыс. нуклеотидов четырех типов, различающихся по азотистому основанию: в адениловый (А) нуклеотид входит аденин, в гуаниловый (Г) — гуанин, в тимидиловый (Т) — тимин, в цитидиловый (Ц) — цитозин. Нуклеотиды двух цепочек ДНК соединены комплементарно (дополняя друг друга) через азотистые основания водородными связями: А = Т, Г = Ц, а внутри одной цепочки — через остатки фосфорной кислоты. Комплементарность двойной спирали означает, что информация, содержащаяся в одной цепи, содержится и в другой цепи. Обратимость и специфичность взаимодействий между комплементарными парами оснований важна для репликации ДНК и всех остальных функций ДНК в живых организмах.
Количество ДНК в ядре строго постоянно. Структура ДНК каждой особи постоянна и стабильна. Изменение молекулы ДНК (генная мутация) приводит к появлению новых признаков и свойств организма, так как вызывает синтез новых белков.
Функции ДНК.
1. Хранение наследственной информации о структуре белков или отдельных ее органоидов. Наименьшей единицей генетической информации после нуклеотида являются три последовательно расположенных нуклеотида - триплет. Последовательность триплетов в полинуклеотидной цепи определяет последовательность расположения аминокислот одной белковой молекулы (первичную структуру белка) и представляет собой ген. Вместе с белками ДНК входят в состав хроматина, вещества, из которого состоят хромосомы ядра клетки.
2. Передача наследственной информации в результате репликации при клеточном делении от материнской клетки - дочерним.
3. Реализация наследственной информации (хранящейся в виде генов) в результате матричных реакций биосинтеза через выработку специфических для клетки и организма белков. При этом на одной из ее цепей по принципу комплементарности из нуклеотидов окружающей молекулу среды синтезируются молекулы информационной РНК.
Взаимодействие с белками
Все функции ДНК зависят от её взаимодействия с белками. Взаимодействия могут быть как неспецифическими, когда белок присоединяется к любой молекуле ДНК или зависеть от наличия особой последовательности. Ферменты также могут взаимодействовать с ДНК, из них наиболее важные это РНК-полимеразы, которые копируют последовательность оснований ДНК на РНК в транскрипции или при синтезе новой цепи ДНК — репликации.
Реализация проекта
Для реализации проекта была создана инициативная группа из учеников 10 класса, составлен план работы над проектом. Изучение теоретического материала проводилось на уроках биологии и во внеурочное время. Было предложено несколько вариантов создания моделей: из пластилина, бумаги, кубиков и даже мармелада. При моделировании из пластилина было предложено закреплять детали лаком для долговечности. Ученики смоделировали модели: нуклеотида, ДНК, первичной, вторичной, третичной структуры белка. (Приложение). Было решено продолжить проект на следующий год и сделать другие варианты.
Инициативная группа
Ученики 10 А класса:
1) Илюхина Анастасия
2) Лаптева Арина
3) Лапенкова Алевтина
4) Насырова Фарида
Учитель :
Рабочий план – реализация проекта
Сентябрь 2012 года – определение темы проекта и инициативной группы учащихся.
Октябрь 2012 года – изучение теоретического материала. Выбор материалов для создания моделей, сборка моделей.
Ноябрь 2012 года – показ моделей на уроках биологии.
Декабрь 2012 года – оформление работы.
Материалы для реализации проекта
1. Пластилин
2. Бумага
3. Клей, лак
4. Разноцветные конфеты
5. Кубики цветные
Результаты реализации проекта
1. Познакомились с историей открытия белков и ДНК, их строением и функциями.
2. Разобрали возможные варианты создания моделей.
3. Смоделировали модели: нуклеотида, ДНК, первичной, вторичной, третичной структуры белка.
4. На уроках биологии и химии показывали модели, изучали их строение.
Заключение
Создание пространственных моделей весьма эффективный способ изучения строения сложных молекул, а также важный компонент развития пространственного воображения у учеников, тренировки их мышления. При сборке таких моделей улучшается запоминание сложных тем курса «Общей биологии». В ходе реализации проекта сформировалась дальнейшая работа над проектом:
ü Использовать модели на уроках биологии при изучении нового материала и закрепления;
ü Создать разборные модели биополимеров для проведения практических работ на уроках биологии;
ü Использовать модели на уроках химии для укрепления метапредметных связей;
ü Смоделировать биополимеры из более разнообразных материалов;
ü Вовлечь в моделирование большее количество учеников.
Список литературы
1. , , и др. Общая биология. М.: Просвещение, 1999, 287 с
2. Высоцкая . Экология. 10-11 классы. Проектная деятельность учащихся. Изд. Учитель. 2008.
3. Игры на уроках биологии. Классификация игр. Логические игры// Биология. № С. 31–36.
4. Козленко биополимеров // Биология. 1 сентября, №С.24-29
5. , Калякина . «Химия» (Издательский дом «Первое сентября»), 2003, № 3, с. 14;
6. Мустафин . Для выпускников школ и поступающих в вузы. Учебное пособие. Изд. КноРус. 2013.
7. Смирнов белковых молекул: жизнь на молекулярном уровне. Элективный курс. Учебное пособие. Изд. Бином. Лаборатория знаний. 2011.
Приложения
