Урок по теме «Реализация наследственной информации в клетке. Биосинтез белка»
advertisement
Урок по теме «Реализация наследственной информации в клетке. Биосинтез белка» (раздел «Клетка») Биология, 10 класс Ларионова Светлана Константиновна, учитель биологии МОУ средняя общеобразовательная школа № 18 г. Волгограда Учебник: Биология. 10-11 классы (базовый уровень) / И.Б. Агафонова, В.И. Сивоглазов. Урок проводится в форме лекции с элементами беседы и с опорой на имеющиеся знания учащихся. После каждого этапа урока происходит закрепление материала с привлечением школьников к работе в интерактивном режиме. Цели урока: Дать возможность учащимся изучить явления и сложные процессы биосинтеза белка на основе применения средств компьютерной графики и моделирования с использованием интерактивной доски. Расширить знания учащихся о различных формах обмена веществ в клетке и организме; сформировать представление о биосинтезе белковых молекул. Научить школьников определять роль различных веществ и структур клетки в процессе биосинтеза белка. Развивать позитивную мотивацию учеников к изучению предмета биологии, превратив их из пассивных слушателей в активных участников учебного процесса. Ход урока Организационный момент. Сообщить ученикам тему урока, его цели и задачи, познакомить с планом работы на уроке (страницы 1-4). Ссылки, в виде цветных стрелок, отсылают на слайды этой же презентации для ознакомления с целями, задачами и планом урока (рис.1). Урок Рис. 1 Изучение нового материала. (Лекция учителя с опорой на имеющиеся знания учащихся, с использованием страниц интерактивной доски, с закреплением материала в конце каждого этапа урока) Органические и неорганические вещества клетки принимают участие в разнообразных химических превращениях, составляющих суть обмена веществ и энергии. Информация открывается по мере объяснения материала об обмене веществ и энергии. По щелчку каждое окно поочередно появляется в процессе анимации. Ученики составляют схему «Обмен веществ и энергии» в тетради (рис. 2 а, б) Обмен веществ и энергии = МЕТАБОЛИЗМ Обмен веществ и энергии = МЕТАБОЛИЗМ Внешний обмен (поглощение и выделение веществ клеткой) Внутренний обмен (химические превращения веществ в клетке) Пластический обмен (АССИМИЛЯЦИЯ) Энергетический обмен (ДИССИМИЛЯЦИЯ) Совокупность всех процессов синтеза сложных органических веществ из более простых Совокупность реакций расщепления (распада) сложных веществ до более простых Сопровождается поглощением энергии Сопровождается выделением (освобождением) энергии Рис. 2 а Рис. 2 б Учитель использует инструмент «линия» и линия со стрелкой проводит соответствующие стрелки на схеме (рис. 3) Организм человека – открытая система Выводятся Поступают Пища, вода, кислород, витамины, минеральные соли Пищеварительная система Белки – аминокислоты Углеводы – глюкоза Жиры – глицерин и жир. к-ты Кровеносная система Легкие Кожа, почки О2, СО2 красного цвета и Углекислый газ, мочевина, аммиак, соединения фосфора, натрия, хлора Биосинтез белка в клетке Примерами пластического обмена являются процесс биосинтеза белка и фотосинтез. Информация о первичной структуре белковой молекулы содержится в ДНК, которая находится в ядре эукариотической клетки. Одна цепочка (нить) молекулы ДНК может содержать информацию о многих белках. Ген — это участок (фрагмент) ДНК, несущий информацию о строении одного белка. В молекуле ДНК записан код о последовательности аминокислот в белке в виде определенной последовательности нуклеотидов. Клетка Ассимиляция Каждой аминокислоте в будущей белковой молекуле соответствует Диссимиляция (энергия) участок из трех нуклеотидов (триплет) в молекуле ДНК. Рис. 3 Рис. 4 Одним из примеров пластического обмена является процесс биосинтеза белка. Актуализация знаний. Устные ответы на вопросы: - Вспомните, где и в чем содержится наследственная информация клетки? - Из каких мономеров состоит молекула ДНК? Какие виды нуклеотидов вы знаете? - Одинаков ли состав нуклеотидов у молекул ДНК и РНК? - Какие виды РНК вы знаете? - Какие функции они выполняют? - Из каких мономеров состоит молекула белка? Сколько этих мономеров вы знаете? - Где происходит биосинтез белка в клетке? Где образуются рибосомы? Примечание: анимация «сжатие и расширение» по щелчку для каждого отдельного вопроса. Понятия: ген, код, триплет. Используется «шторка» (рис. 4). Информация при опускании шторки выходит на постепенно, давая возможность ученикам сделать записи. Информация о первичной структуре белковой молекулы содержится в ДНК, которая находится в ядре эукариотической клетки. Одна цепочка (нить) молекулы ДНК может содержать информацию о многих белках. Принято считать, что ген – это участок (фрагмент) ДНК, несущий информацию о строении одного белка. Таким образом, в молекуле ДНК записан код о последовательности аминокислот в белке в виде определенной последовательности нуклеотидов. При этом каждой аминокислоте в будущей белковой молекуле соответствует участок из трех нуклеотидов (триплет) в молекуле ДНК. Записать в тетради определения понятий ген, код, триплет. Работа со слайдом-конструктором. В символическом и одновременно шуточном виде эту взаимосвязь можно выразить следующим образом. Учитель передвигает на экране условные «триплеты» и «аминокислоты», стрелки и скобки, создавая картинку (рис. 5 а, б) В символическом и одновременно шуточном виде эту взаимосвязь можно выразить следующим образом. К О МД А Л Символическое изображение кодонов (триплетов нуклеотидов) в одной из цепочек молекулы ДНК Б Ы Л Н Ё С Г Е Н В символическом и одновременно шуточном виде эту взаимосвязь можно выразить следующим образом. О Б Л Е К Символическое изображение последовательности аминокислотных звеньев в будущей молекуле полипептида Символическое изображение кодонов (триплетов нуклеотидов) в одной из цепочек молекулы ДНК Г Е Н Б Б Ы Л Е М А Л Л Н Ё С О К О Д К Символическое изображение последовательности аминокислотных звеньев в будущей молекуле полипептида Рис. 5 а Рис. 5 б Постановка проблемы урока. Учитель проблему урока вставляет в красную рамку на странице доски - Каким образом клетка синтезирует необходимый белок, если информация о нем хранится в ядре, а синтез белка происходит в рибосомах цитоплазмы? Ученики выдвигают свои гипотезы и предположения Работа со слайдом-конструктором. Слайд-конструктор подтверждает верные предположения учащихся. Из имеющихся на слайде фигур и надписей учитель собирает процессы транскрипции и трансляции (рис. 6 а, б) Процесс биосинтеза белка включает в себя ряд последовательных событий. Рис. 6 а Рис. 6 б Анимация «появление». Ученики записывают определения понятий «транскрипция» и «трансляция». Синтез информационной РНК (и-РНК) происходит в ядре. Он осуществляется по одной из нитей ДНК с помощью ферментов и с учетом принципа комплементарности азотистых оснований. Процесс переписывания информации, содержащейся в генах ДНК, на синтезируемую молекулу и-РНК называется транскрипцией. Трансляция – это процесс перевода генетической информации с «языка» нуклеиновых кислот на «язык» белка. Очевидно, что информация переписывается в виде последовательности нуклеотидов РНК. Нить ДНК в этом случае выступает в качестве матрицы. В молекулу РНК в процессе ее образования вместо азотистого основания тимина (Т) включается урацил (У). Молекулы иРНК индивидуальны, каждая из них несет информацию об одном гене. Раскрывает понятие «генетический код» (рис.7). Используется «шторка». Генетический код ДНК ААА – фенилаланин ЦГТ - аланин ЦЦТ - глутамин ГТА - гистидин 20 аминокислот 64 триплета из 4-х нуклеотидов Рис. 7 Реакции матричного синтеза. Страницы 14-15 поясняют понятия «матрица» и «матричный синтез». На странице 14 по щелчку определение понятия «матрица» всплывает на экране. На 15 – всплывают реакции матричного синтеза (рис. 8, 9). Матрица (левая цепь ДНК) ДНК – матрица для синтеза белков это форма для отливки детали Матрица для изготовления десерта Стальная матрица для изготовления медали Книга, изданная тиражом n экземпляров, все n книги отпечатаны с одного шаблона – типографской матрицы, поэтому они совершенно одинаковы. Если бы в матрицу вкралась ошибка, то она была бы воспроизведена во всех экземплярах. и-РНК Т А А Т А Г Ц Г Ц Г Ц Т А У А Т А Ц Г Ц Г Ц Г Г Ц Г Ц Г Ц Ц Г Ц Т А У А Матрица - Матрица (правая цепь ДНК) Лиз Лей Арг А У А Т А Т А У Т Белок Про Тир Рис. 8 Рис.9 На странице 16 ссылка на вложенную презентацию «Анимация процесса транскрипции» (рис.1 0 а, б). Транскрипция (переписывание ДНК Транскрипция (переписывание ДНК Ф И-РНК Ф А Т Г Ц Ц Г А А Т Т А Ц Г Г Ц Транскрипция – это матричный синтез А Т А Г Ц Г Ц Г Ц ДНК ДНК И-РНК Т И-РНК Ядро Цитоплазма Рибосома Т А У А Т А Т А У Ц Г Ц Г Ц Г Ядро Цитоплазма Рибосома И-РНК Транскрипция – это матричный синтез Рис. 10 а Рис. 10 б Закрепление материала. Интерактивная работа учащихся на доске. Перетаскивание свободных нуклеотидов для построения левой цепи ДНК и и-РНК по принципу комплементарности (рис. 11 а, б) Рис. 11 а Рис. 11 б Далее молекулы и-РНК выходят из ядра клетки через поры оболочки ядра и направляются в цитоплазму к рибосомам. Сюда же с помощью транспортных РНК (т-РНК) доставляются аминокислоты. Строение транспортной РНК. Молекула т-РНК состоит из 70-80 нуклеотидов. Общий облик молекулы напоминает лист клевера. На «верхушке» листа расположен антикодон (кодовый триплет нуклеотидов), который соответствует определенной аминокислоте. Следовательно, для каждой аминокислоты существует своя, конкретная т-РНК. На странице 17 три объекта с анимацией «сжатие расширение» (рис. 12). Строение транспортной РНК Антикодон Молекула т-РНК состоит из 70-80 нуклеотидов Для каждой аминокислоты существует своя, конкретная т-РНК. Рис. 12. Полирибосома. На одной молекуле информационной РНК последовательно располагаются несколько рибосом. На странице 19 ссылка на вложенный файл. Презентации «Анимация сборки полирибосомы». Здесь же ссылка на анимационный файл «Процесс трансляции». Сначала щелкнуть на слове «Полирибосома», а затем – на «Процесс трансляции» (рис. 13 а, б). Полирибосома (полисома) Инфо рмаци онная Полирибосома (полисома) Инфо р РНК мацио н Полипептидные цепи Рибосомы ная Р Н К Рис. 13 а Рис. 13 б В функциональном центре каждой рибосомы способны поместится два триплета информационной РНК. Предположим, что кодовый триплет нуклеотидов молекулы транспортной РНК, подошедшей к месту синтеза белка, соответствует триплету нуклеотидов информационной РНК, находящемуся в данный момент в функциональном центре рибосомы. Тогда рибосома по цепочке и-РНК делает шаг, равный трем нуклеотидам. Аминокислота отделяется от транспортной РНК и становится в цепочку мономеров белка. Освободившаяся т-РНК уходит в сторону и через некоторое время может снова соединиться с определенной аминокислотой, которую будет транспортировать к месту синтеза белка. Напомним, что в функциональном центре рибосомы находятся два триплета информационной РНК. На первом из них происходит «сверка» на комплементарность триплета нуклеотидов информационной РНК и антикодона транспортной РНК, несущей аминокислоту. На втором — отделение аминокислоты от т-РНК и присоединение ее к синтезируемой молекуле белка. Если кодон в молекуле и-РНК и антикодон в молекуле тРНК не комплементарны, описанные выше события не происходят. От молекулы т-РНК аминокислота не отделяется. Когда т-РНК временно покидает рибосому, ее место занимает другая молекула транспортной РНК с иной аминокислотой, и снова происходит «сверка» на комплементарность кодона и антикодона. (Анимация процесса сборки молекулы белка на рибосоме (рис. 14 а-и) Трансляция Трансляция Трансляция Рибосома У А А Г Г У Г Ц А У А Ц А У Г У У Ц А А А Г У Г Ц А У А Ц А У Г А У Г У А Ц У А А Г Г У Г Ц А У А Ц А У Г А У Г У А Ц Ц А Ц Тир У Г Г У Ц Г и-РНК и-РНК А Ц Рибосома Рибосома и-РНК Ц Г Ц А Тир Ц Мет Ц У Г Ц А Тир Мет У Мет Ц т-РНК Гли Ала Ц Гли а б в Трансляция Трансляция Трансляция Рибосома Рибосома и-РНК У Рибосома и-РНК и-РНК А А Г Г У Г Ц А Гли Ала Ала У А Ц А У Г А У Г У А Ц У А А Г Г У Г Ц А У А Ц А У Г А У У Г А А Г Г У Г Ц Ц А Г У У А Ц А У Г А У Г Ц Ц Ц Г Ц А Ц Тир У Ц Г Ц А Ц А Ала Тир У Мет Мет Мет Ц Ц Тир Гли Гли Ала Гли Ала г д е Трансляция Трансляция Трансляция Рибосома и-РНК У А А Рибосома Рибосома и-РНК и-РНК Г Г У Г Ц Ц А Г У У А Ц А У Г У Стоп-кодон А А Г Ц Г У Ц А Г Ц Ц А Г У У А Ц А У У Г А А Г Ц Г Ц У Г Ц А У А Ц А У Г А Ц Ц Ц А Гли Ала Гли Тир Ала Гли Ала Тир Мет Мет Тир Мет ж з и Рис. 14 Закрепление изученного материала. Страница 20 содержит гиперссылками на страницы 21 и 22. Учащиеся перетаскивают «нуклеотиды» и «аминокислоты» с определением их по генетическому коду (рис. 15 а, б, в) Для выполнения задания использовать инструмент произвольного выбора . Выделить необходимую фигуру нуклеотида или аминокислоты. При наведении на маркер свободного перемещения форма курсора изменится на . За появившийся маркер , перетащить ее в определенное место на слайде. Использовать гиперссылку с генетическим кодом и-РНК. Определение антикодона т-РНК и аминокислоты по кодону и-РНК Кодон и-РНК У А Аминокислоты У Антикодон т-РНК Ц У Т А У Ц Т Г Т Ц А Т А Т А Ц А У Г Г Г Ц Г Г У Ц У А Г У Т Генетический код и-РНК Лей Фен Изо Мет Вал Сер Про Тре Ала Тир Гис Глн Асн Лиз Цис Три Арг Гли Асп Глу Стопкодон Старткодон Рис. 15 а Рис. 15 б Названия и обозначения аминокислот 1. Аланин Ала 2. Цистеин 3. Аспарагиновая кислота Асп 13. Пролин 4. 5. Глутаминовая кислота Глу Фенилаланин 14. Глутамин 6. Глицин 7. Гистидин Цис 11. Метионин Мет Лей Гли 12. Аспарагин Асн Про Глн 15. Аргинин Арг 16. Серин Гис 8. Изолейцин 9. Лизин 10. Лейцин Иле Лиз Лей 17. Треонин 18. Валин Сер Тре Вал 19. Триптофан Трп 20. Тирозин Тир 21. Старт-кодон АУГ 22. Стоп-кодон УГА Рис. 15 в Образовавшийся белок попадает в каналы эндоплазматической сети и в другие части клетки. Таким образом, последовательность нуклеотидов в триплете ДНК соответствует последовательности нуклеотидов в триплете и-РНК. Кроме того, последовательность кодонов в молекуле ДНК соответствует последовательности кодонов в молекуле и-РНК, последовательности используемых в данном синтезе антикодонов молекул т-РНК, и в конечном счете последовательности аминокислот в образующейся молекуле белка. Решение задачи. Работа со страницей 23. Щелкнуть на значке Перо , курсор примет форму ручки . Использовать его для написания буквенного обозначения триплетов кодонов и антикодонов, а также аминокислот. В случае допущенной ошибки использовать инструмент Ластик . Щелкнуть левой кнопкой мыши по значку. Когда выбран инструмент резинки, курсор принимает форму карандаша с резинкой на конце . Выбрать размер резинки на индикаторе диаметра ластика. Ответ учитель закрывает шторкой. Щелкнуть по значку «Затемнить страницу», придать шторке необходимый размер и закрыть ответ задачи до завершения ее решения (рис.16 а, б). Синтезируйте соответствующие молекулы на основе заданного гена вазопрессина - гормона гипофиза Синтезируйте соответствующие молекулы на основе заданного гена Ген вазопрессина АЦА АЦА АЦА АЦА АЦА АЦА АЦА АЦА АЦА ? Ген АЦА АТА ААА ЦТТ ЦТА АЦА ГГА ГЦА ЦЦА И-РНК УГУ УАУ УУУ ГАА ГАУ УГУ ЦЦУ ЦГ У ГГУ АЦА АУА ААА ЦУУ ЦУА АЦА ГГА ГЦА ЦЦА Т-РНК ? 1 Белок ? Цис Тир Фен Глу Асп Цис Про Арг Гли 2 Ответ. Цис Тир Фен Глу Асп Цис Про Про Арг Ответ. Гли Цис Тир Фен Глу Асп Цис Про Про Арг Гли Рис. 16 а Рис. 16 б Тест. Установить соответствие (страница 24). Использовать инструмент Перо. Ответ закрыть шторкой (рис.17). Установите соответствие между веществами и структурами клетки, участвующими в синтезе белковой молекулы и их функциями 1. ДНК А.Доставляет аминокислоты в функциональный центр рибосомы (ФЦР) 2. И-РНК Б. Катализируют процессы построения молекул и-РНК по матрице ДНК, сборки полипептидной цепочки из аминокислот 3. Т-РНК В. Осуществляют сборку белковой молекулы Г. Переносит информацию о последовательности аминокислот в белке с ДНК к месту синтеза белка. Служит матрицей для синтеза молекул белка 4.Рибосомы 5.Ферменты Ж. Обеспечивают биосинтез белка необходимой энергией 6.Аминокислоты Д. Содержит информацию о структуре белка. Служит матрицей для синтезе и-РНК Е. Служат строительным материалом при построении белковой молекулы 7. АТФ 1 2 3 4 5 6 7 Ответ. 1-Д; 2-Г; 3-А; 4-В; 5-Б; 6-Е; 7-Ж. Рис. 17 Вопросы и задания для учащихся 1. Что следует понимать под обменом веществ? 2. Чем пластический обмен отличается от энергетического? 3. Каким образом информация о первичной структуре белковой молекулы «записана» на молекуле ДНК? 4. Скольким нуклеотидам в молекуле ДНК соответствует одна аминокислота в будущей белковой молекуле? 5. Какое вещество является «посредником» при переносе информации о первичной структуре белка из ядра клетки в цитоплазму? 6. Как называется процесс матричного синтеза молекулы информационной РНК по фрагменту молекулы ДНК в ядре клетки (в соответствии с принципом комплементарности азотистых оснований)? 7. Как называется процесс «сборки» белковой молекулы из аминокислот, происходящий в цитоплазме клетки? 8. Какова функция транспортной РНК в процессе биосинтеза белка? 9. Какой органоид клетки непосредственно «отвечает» за объединение аминокислотных звеньев в полипептидную молекулу? 10. В чем заключаются особенности строения и функционирования молекулы транспортной РНК? 11. В каком случае аминокислота отделится от доставившей ее к рибосоме транспортной РНК и займет свое место в цепочке аминокислотных звеньев синтезируемой полипептидной молекулы? 12. В каком случае аминокислота, принесенная транспортной РНК к рибосоме и информационной РНК, не встанет в цепочку аминокислотных звеньев белковой молекулы? 13. Какова роль в биосинтезе белка ферментов и АТФ? Домашнее задание: 1. §2.10. Повторяя изученный материал по учебнику, определите в процессе биосинтеза белка основные этапы. Подготовьте развернутый рассказ о каждом из них. 2. Из соответствующего параграфа учебника выпишите в тетрадь новые термины и понятия, выучите их определения. 3. Подготовьте содержательный ответ на вопрос: «Может ли в клетке возникнуть ситуация, при которой процесс биосинтеза белка был бы затруднен или нарушен? Если да, то каковы могут быть конкретные причины возникновения такой ситуации, и каковы ее возможные последствия для организма?»