Десять ступеней биомолекулярной грамотности
advertisement
Б.С. Беренфельд, Е.П. Романова, М.А. Ройтберг. «10 ступеней биомолекулярной грамотности: от атомов и электронов до ДНК и белков» Методическое руководство по использованию обучающей программной системы ЧАСТЬ 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ 1. Введение 2. Использование системы. 3. Средства компьютерного моделирования. 4. Предметное содержание ступеней. 5. Что необходимо для работы с системой. Часть 2. БАЗОВЫЕ КОМПЬЮТЕРНЫЕ МОДЕЛИ. 1. 2. 3. 4. 5. Введение. Электронные плотности. Изображение пространственных структур молекул. Молекулярная динамика. Биосинтез белка. 1 ЧАСТЬ 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ 1. Введение 1.1. .Назначение системы. "Десять ступеней биомолекулярной грамотности: от атомов и электронов до ДНК и белков" – это обучающая программная система, предназначенная для изучения молекулярных основ общей биологии, естествознания и биохимии. Он может применяться как при изучении соответствующих разделов курсов биологии, физики и химии, так и при проведении факультативных занятий, а также при самостоятельных занятиях учеников. Система содержит 10 блоков («ступеней»), два из которых (ступени 1 и 4) состоят из двух частей. Таким образом, курс рассчитан на 12 занятий. В конце каждого из занятий система автоматически (ученик должен просто нажать соответствующую кнопку) готовит отчет по рассмотренной теме. В отчет входят ответы, который ученик давал на вопросы системы (такие вопросы приводятся почти на всех страницах), а также «фотографии» - стопкадры работы моделей, сделанные учеником во время работы (см. раздел 3). Каждая из ступеней предназначена для углубленного знакомства с определенной темой. Таких тем (ступеней) – десять: 1. Типы химических связей. 2. Молекулярная геометрия (чем определяется форма молекул). 3. Взаимодействие между молекулами. 4. Межмолекулярные взаимодействия в живой природе. 5. Агрегатное состояние вещества. 6. Структура белков. 7. Самосборка белковых комплексов. 8. Биосинтез: от ДНК к белку. 9. Мутации и их последствия. 10. Сходство белков. Первые пять ступеней объясняют основы химии, необходимые для знакомства с молекулярной биологией. Вторые пять ступеней посвящены основным понятиям молекулярной биологии. Краткие аннотации ступеней приведены в разделе 4. «10 ступеней…» - это не замкнутый курс, а коллекция научноисследовательских этюдов по важнейшим разделам физики, химии и молекулярной биологии, входящим в школьную программу. В частности, предполагается, что ученики, хотя бы поверхностно, уже знакомы с понятиями атома и молекулы. Главной особенностью системы "Десять ступеней биомолекулярной грамотности: от атомов и электронов до ДНК и белков" является наличие 2 большого числа компьютерных моделей, на которых можно ставить компьютерные эксперименты. Указанные модели позволяют учащимся рассматривать трехмерные модели разнообразных биологических молекулярных структур, изменять параметры отдельных атомов (заряд, масса, эффективный радиус) и характеристики окружающей среды, например, электрическое поле. 1.2. Методические принципы. При разработке мы придерживались следующих принципов. 1. Ориентация на развивающее, деятельностное обучение. 2. Формирование базовых навыков молекулярной и научноинформационной грамотности, которые могут служить основой школьной и профессиональной деятельности во многих областях. 3. Сочетание динамических моделей, компьютерной анимации, графического и гипертекстового режимов. 4. Высокая интерактивность заданий и возможность их индивидуализации. 5. Наличие внедренных в каждый урок и каждый фрагмент урока («страницу») заданий и модулей проверки. Использование системы «10 ступеней биомолекулярной грамотности» в школьной практике послужит целям: - как содержательным, таким, как освоение знаний об основных биологических теориях, идеях и принципах, являющихся составной частью современной естественнонаучной картины мира; о методах биологических наук (цитологии, генетики), строении, многообразии и особенностях биосистем на уровне клетки, выдающихся биологических открытиях и современных исследованиях в биологической науке, -так и общеучебным, воспитывающим и развивающим, таким, как умение самостоятельно проводить естественно-научные исследования (наблюдение, измерение, эксперимент, моделирование) и грамотно оформлять полученные результаты; анализировать и использовать биологическую информацию; пользоваться биологической терминологией и символикой, а также развитию познавательных интересов, интеллектуальных и творческих способностей в процессе изучения проблем современной биологической науки; проведения экспериментальных исследований, решения биологических задач, моделирования биологических объектов и процессов; воспитанию убежденности в возможности познания закономерностей живой природы, возможность грамотно подойти к использованию приобретенных знаний и умений в повседневной жизни для оценки последствий своей деятельности по отношению к окружающей среде, собственному здоровью. 1.3. Соответствие уровню подготовки учеников Система «10 ступеней биомолекулярной грамотности» соответствует требованиям к подготовке ученика в соответствии с государственным образовательным стандартам по биологии как на базовом, так и на 3 профильном уровне среднего (полного) общего образования. В частности, «10 ступеней биомолекулярной грамотности» можно использовать при обучении следующим разделам Программы по Биологии Строение и функции хромосом. ДНК – носитель наследственной информации. Ген. Генетический код. Влияние мутагенов на организм человека. Значение генетики для медицины и селекции. Наследственные болезни человека, их причины и профилактика. Система «10 ступеней биомолекулярной грамотности» способствует, прежде всего, как того требует Программа, развитию у учащихся умений и навыков «проводить самостоятельный поиск биологической информации ... о живых организмах, в том числе, с использованием информационных технологий». Учащиеся смогут усвоить (на уровне, предполагаемом программой средней школы) основные положения молекулярной биологии и познакомиться с основами клеточной теории; хромосомной теории наследственности; синтетической теории эволюции строение биологических объектов: клетки, нуклеиновые кислоты, белки; сущность биологических и химических процессов и явлений: тепловые явления, изменения агрегатного состояния вещества, формирование пространственной структуры ДНК и белков, транскрипция, трансляция. Система способствует формированию и развитию умений объяснять: роль биологических теорий, идей, принципов, гипотез в формировании современной естественнонаучной картины мира, научного мировоззрения; единство живой и неживой природы, родство живых организмов, используя биологические теории, законы и правила решать задачи разной сложности по биологии исследовать биологические и физико-химические системы на компьютерных моделях, сравнивать биологические объекты, процессы и явления и делать выводы на основе сравнения осуществлять самостоятельный поиск биологической информации в различных источниках (учебных текстах, справочниках, научнопопулярных изданиях) и грамотного оформления результатов биологических исследований Система «10 ступеней биомолекулярной грамотности» может использоваться при организации обучения вместе с существующими в настоящее время учебниками, программами и моделями обучения. 1.4. Содержание и структура. Биология стала молекулярной наукой. Молекулярный подход помог понять механизм наследственности и изменчивости. В последнее время он все больше проникает в медицину, выявляя молекулярные основы болезней и молекулярные методы их лечения. Нанотехнология, возникшая на стыке молекулярной биологии, физики, химии, вскоре станет одним из основных способов производства. Все это предъявляет новые требования к особому 4 виду грамотности – биомолекулярной. К сожалению, преподавание основ такой грамотности отстает от потребностей общества, особенно в школьном курсе биологии, где большинство явлений все еще объясняется на описательнофеноменологическом уровне. Система «10 ступеней биомолекулярной грамотности» призвана помочь учащимся в освоении ключевых концепций современной молекулярной биологии. Изучение основ молекулярной биологии требуют привлечения целого ряда абстрактных для школьника или не достаточно полно изучаемых в школьном курсе физики и химии сведений об атомах, молекулах и их взаимодействии. С целью ликвидации этого положения в предлагаемом учебном модуле последовательно предлагается серия учебных заданий, основанных на использовании интерактивных компьютерных моделей. Важным отличием предлагаемого нашей системы служит ее ориентация на активный деятельностный подход. Используемые в предлагаемом учебном модуле динамические молекулярные модели позволяют вовлечь школьника в виртуальные эксперименты с отдельными молекулами и сложными молекулярными системами. В этих экспериментах, как и в любом виде исследовательской деятельности, учащиеся могут формулировать вопросы и получать на них собственные ответы. Компьютерные динамические модели широко используются в фундаментальных научных исследованиях по молекулярной биологии, квантовой физике, химии полимеров, нанотехнологии, экологии, климатологии и др. Возможность их применения в средней школе основывается на специально проведенной адаптации. Созданные для изучения основ молекулярной биологии, предлагаемые динамические модели позволяют в миллионные доли секунды сосчитать и показать на экране компьютера результат взаимодействия сотен или даже тысяч единичных объектов - от сталкивающихся между собой молекул газа, до формирующегося кристалла, химической реакции или свертывающейся в клубок полимерной цепи. Работая с моделирующими средами, учащиеся могут сами формулировать вопросы типа «А что если? ...» и, меняя параметры системы, получать ответы на них, устанавливая, таким образом, причинноследственные отношения и оценивая относительный вклад в них отдельных параметров системы. Они могут делать прогнозы и наблюдать проявления качественно новых свойств, не сводимых к сумме более простых явлений, а являющихся качественно новыми состояниями системы. Структурно система поделена на 10 разделов, которые называются 10 ступенями биомолекулярной грамотности. Сначала рассматриваются основы молекулярно-кинетической теории. Постепенно модельные системы усложняются, включая водные растворы, межмолекулярные взаимодействия, химические реакции, матричному синтезу, генетический код, формирование белковых структур и мутации. Каждая последующая ступень использует знания, полученные учащимися на предшествующей ступени. Основной учебной формой предлагаемого модуля служат интерактивные электронные страницы, содержащие текстовые материалы, многоцветные иллюстрации, высокоинтерактивные динамические модели и тестовые задания, результаты которых могут сохраняться на сервере или распечатываться в конце урока. 1.5. Концепция. Использование в учебной деятельности Предлагаемая концепция интерактивного учебного модуля «Десять ступеней 5 биомолекулярной грамотности: от атомов и электронов до ДНК и белков» составлена на основе Российского федерального компонента государственного стандарта основного общего образования. Она характеризуется тем, что изучение предлагаемого материала происходит в контексте исследовательской деятельности учащегося и основано на использовании ИКТ как неотъемлемого атрибута учебного процесса. Цель предлагаемого учебного модуля состоит в том, чтобы ознакомить учащихся с принципами молекулярной организации живого в процессе компьютеризованного исследования молекулярных структур. Эти исследования будет осуществляться как методами трехмерной компьютерной визуализации, так и в процессе работы с динамическими молекулярными моделями, позволяющими изменять параметры системы и исследовать взаимодействия молекул в условиях возрастающей сложности. Образовательная цель системы «10 ступеней биомолекулярной грамотности» состоит в том, чтобы помочь учащимся освоить ключевые атомномолекулярные концепции, лежащие в основе современной биологии. Основанная на использовании высоко интерактивных динамических компьютерных моделей и ориентированный на активный деятельностный подход, система «10 ступеней биомолекулярной грамотности» позволит вовлечь учащихся в виртуальные эксперименты с молекулярными системами, в ходе которых они смогут формулировать вопросы и получать на них собственные ответы. Предлагаемые разновидности моделей с одной тороны способствуют пониманию явлений и процессов, уменьшая нагрузку «на запоминание», а с другой – объединяют внешне разнородные явления, облегчая перенесение знаний из одной предметной области в другую. Это приводит к более глубокому проникновению в суть изучаемых явлений или закономерностей. Интерактивный характер динамических моделей позволяет передать ключевые идеи и концепции в визуально привлекательном виде, бликом к игровой ситуации, делая их восприимчивыми учащимися с различными уровнями способностей. А исследовательский, деятельностный подход открывает альтернативные возможности для учащихся получить достаточно сведений общетеоретического плана, чтобы применить их к различным системам и ситуациям, минуя этап привлечения сложных математических моделей. Разработчики предлагаемой концепции полагают, что помимо помощи в изучении молекулярных основ биологии развитие этого направления позволит расширить область их применения в школе, в частности, для изучения основ химии, физической географии, экологии и т.п. Предлагаемая Вашему вниманию система состоит из десяти последовательных разделов. Каждый раздел – определенная ступень на пути к биомолекулярной грамотности – представляет собой компьютеризованное исследование основ «молекулярной логики» жизни в виде экспериментирования с динамическими молекулярными моделями. В отличие от традиционных для школьного курса биологии лекций и демонстраций слайдов, предлагаемый позволяет манипулировать параметрами молекулярных систем. Компьютерные программы поддержки уроковактивностей будут сопровождаться содержательным материалом и системой тестов, которые позволят преподавателю оперативно оценить степень усвоения учащимися нового материала. Предполагается, что данный 6 Учитель может использовать система «10 ступеней биомолекулярной грамотности» целиком при преподавании основного курса в виде 10 - 12 уроков. С другой стороны, материалы системы могут использоваться выборочно, на факультативных курсах, при самостоятельной (индивидуальной) работе учеников и т.п. 7 2. Использование системы. 2.1. Запуск. Запуск системы «10 ступеней биомолекулярной грамотности» производится стандартными средствами операционной системы, например, щелчком по пиктограмме программы на рабочем столе компьютера. 2.2. Начало сеанса работы. Сразу же после запуска появляется временная заставка со словами «Молекулярная мастерская», в нижней части заставки есть полоса статуса, сообщающая о ходе загрузки системы. После завершения загрузки появляется стартовая страница (см. рис.1). Рис.1. Стартовая грамотности». страница системы «10 ступеней биомолекулярной Для перехода к выбранной ступени нужно нажать прямоугольникпиктограмму с соответствующим номером. После этого появится стартовая страница ступени, содержащая в правом поле аннотацию ступени (см. рис.2). Нажав на стрелку-треугольник в правом нижнем углу поля аннотации, ученик попадает на страницу-оглавление выбранной ступени. Перейти к аннотации другой ступени можно, нажав пиктограмму этой ступени в основном поле. 2.3. Заголовок рабочего окна. Инструменты и меню. В течение всего сеанса работы верхняя часть окна имеет постоянную часть, включающую: - заголовок; - панель инструментов и меню. 8 Заголовок содержит титул текущей страницы. Панель инструментов содержит 4 стандартные инструментальные кнопки, характерные для Интернет-браузеров («Вперед», «Назад», «К стартовой странице», «Напечатать страницу») и 3 пункта главного меню: - Открыть фотогалерею; - Файл; - Закладки. Пункт «Открыть фотогалерею» вызывает окно управления фотогалереей (см. пп. 3.3, 3.4). Пункт «Закладки» позволяет запомнить нужные страницы, чтобы переходить сразу к ним. Пункт «Файл» вызывает раскрывающееся подменю. Его пункты, в основном, стандартны для современных программ, и пояснений не требуют. Единственное исключение – пункты «Создать отчет» и «Загрузить отчет». Работа с отчетами описана в п. 2.7. 2.4. Работа внутри ступени. Каждая ступень имеет заглавную страницу (см. рис.3) и рабочие страницы, с которыми собственно и работает ученик. ВНИМАНИЕ! Как правило, высота основной страницы больше высоты экрана (см. рис. 5, 6, 7). Для работы с основными страницами стандартным образом поддерживается вертикальная прокрутка В верхней части каждой страницы ступени (заглавной или основной) есть заголовок. В правой части заголовка есть шкала ступеней, позволяющая перейти на заглавную страницу любой ступени. Текущая ступень на шкале выделена белым. Вверху и внизу каждой страницы (заглавной или основной) расположены две идентичные шкалы переходов, разделенные на две группы клавиш. Три клавиши левой группы обеспечивают переходы соответственно 1) на стартовую страницу системы; 2) на предыдущую страницу ступени» 3) на следующую страницу ступени. Клавиши правой группы обеспечивают переход на соответствующую страницу ступени. 9 Рис.2. Стартовая страница ступени 2. Рис.3. Заглавная страница ступени 2. 10 Рис.4. Верхняя часть стр.4 ступени 2. 2. 5. Работа с рабочей страницей. На рабочей странице есть заголовок (тот же, который был указан на заглавной странице) и краткое введение в страницу, выделенное полужирным шрифтом. Как правило, страница разбита на разделы, заголовки которых выделены жирным шрифтом (см. рис. 4, 5). Рис. 5. Верхняя часть стр. 9 ступени 2. 11 На каждой странице, как правило, есть задание по работе с моделью (см. рис. 6). В конце страницы, как правило, есть контрольные вопросы, на которые должен ответить ученик (см. стр. 7). Рис.6. Средняя часть стр.9 ступени 2. Работа с моделью. Рис. 7. Нижняя часть стр.9 ступени 2. Контрольные вопросы. 12 2.6. Включение системы в учебный процесс. Система «10 ступеней биомолекулярной грамотности» может использоваться в различных режимах – при проведении основного курса биологии, химии или физики, факультативных курсов, в индивидуальных занятиях с учениками. Однако выбор тех форм работы, которые будут использоваться, остаются за учителем. Напомним (см. раздел 1), что «10 ступеней биомолекулярной грамотности» – это набор этюдов («ступеней»), позволяющих проиллюстрировать и закрепить важнейшие понятия атомномолекулярной теории, она не претендует на всеобъемлющее освещение соответствующих разделов курсов биологии, химии или физики. Работа с системой рассматривается как дополнение к объяснениям учителя, учебникам и т.п. Ступень соответствует одному - двум урокам – в зависимости от желательной глубины проработки материала, уровня подготовки ученика и т.п. В зависимости от имеющегося технического обеспечения и целей урока занятия можно проводить фронтально (класс работает с одним компьютером, изображение с которого проектируется на экран) или, что предпочтительнее, индивидуально (каждый ученик или пара учеников работает на своем компьютере). Возможно и, видимо, желательно, комбинированное проведение урока. При этом каждый ученик (пара учеников) работает с системой индивидуально, однако эта индивидуальная работа чередуется с объяснениями учителя и обсуждением хода работы. Если позволяют технические возможности, при этом можно проецировать на экран результаты работы отдельных учеников. 2.7. Контроль знаний учеников. В систему «10 ступеней биомолекулярной грамотности» встроена подсистема подготовки отчетов учеников. Отчет – это страница в принятом формате (текст на языке cml), в которой фиксируется работа ученика: - ответы на вопросы типа «выбор варианта ответа»; - тексты, введенные в качестве ответов на вопросы без предлагаемых вариантов (в обоих случаях выводятся и сами вопросы); - сделанные фотографии вместе с подготовленными учеником комментариями к фотографиям. Отчет может быть подготовлен как по любой отдельной странице (с помощью пункта «Создать отчет» меню «Файл» (см. п. 2.3), так и по ступени в целом с помощью кнопки «Подготовить отчет». Кнопка «Подготовить отчет» присутствует в нижней части последней страницы каждой ступени. Если ступень состоит из двух частей (ступени 1 и 5), то такая же кнопка находится и на последней странице первой части. В последнем случае отчет строится отдельно по каждой из частей. После того, как ученик нажимает кнопку «Подготовить отчет» или выбирает пункт «Создать отчет» в меню «Файл», система готовит страницуотчет, в которой фиксируются работа ученика по каждой из страниц ступени. После подготовки отчета появляется всплывающее окно с кнопками: - Напечатать - Сохранить - Посмотреть В последнем случае создается новое окно, в котором показывается отчет. В этом окне отчет можно смотреть так же, как и обычную страницу. Если ученик хочет что-то изменить в своем отчете, он должен в основном окне вернуться к 13 нужным страницам и переделать нужные задания (заново ввести нужный ответ, сделать новую фотографию, удалить старую и т.п.). После этого нужно снова нажать «Подготовить отчет» Учитель может посмотреть отчеты с помощью пункта «Загрузить отчет» меню «Файл» в заголовке рабочего окна. В последнем случае появляется стандартное окно ввода файла, однако доступными для ввода являются только файлы с расширением «report». 3. Средства компьютерного моделирования. 3.1. Компьютерное моделирование как современное образовательное средство. Система «10 ступеней биомолекулярной грамотности» направлена на помощь учащемуся в освоении ключевых концепций современной молекулярной биологии, которые затрагиваются при изучении ряда тем программы средней школы (см. п.1.5); эти концепции требуют владения рядом достаточно абстрактных для школьника понятий, а также знания недостаточно полно изучаемых в школьных курсах физики и химии сведений об атомах, молекулах и их взаимодействии. Система предлагает серию учебных заданий, основанных на использовании интерактивных компьютерных моделей, и рассчитанную на выполнение в течение 15-20 уроков. Важной особенностью «10-и ступеней биомолекулярной грамотности» служит его ориентация на активный деятельностный подход в обучении. Используемые в предлагаемом учебном модуле динамические молекулярные модели позволяют вовлечь школьника в виртуальные эксперименты с отдельными молекулами и сложными молекулярными системами. В этих экспериментах,как и в любом виде исследовательской деятельности, учащиеся могут формулировать вопросы и самостоятельно находить на них ответы. Возможность управления параметрами моделей, позволяет проверять возникающие предположения, устанавливать причинно-следственные связи. 3.2. Инструментальная платформа для моделирования. Используемые нами компьютерные динамические модели являются упрощенными вариантами известных аппаратно-программных средств, широкоиспользуемых в фундаментальных и прикладных научных исследованиях по молекулярной биологии, квантовой физике, химии полимеров, нанотехнологии и др. В рамках создания универсальной обучающей платформы «Молекулярная мастерская» («Molecular Workbench», см. http://mw.concord.org/modeler/) эти модели были специально адаптированы для применения в средней школе так, чтобы исключить необходимость использования знаний и навыков, не включенных в стандарты школьного естественно-научного образования. При разработке данного ИССС была произведена доработка моделей, чтобы упростить их использование с учетом специфики изучаемого материала. Управление моделями основывается на простейших операциях с визуальной информацией и клавиатурой обычного компьютера и внешне могут напоминать типичные компьютерные игры. При этом, модели позволяют в миллионные доли секунды сосчитать и показать на экране персонального компьютера результат взаимодействия сотен или даже тысяч единичных объектов - от сталкивающихся между собой молекул газа, до формирующегося 14 кристалла, химической реакции или свертывающейся в клубок полимерной цепи. Модели, используемые в системе «10 ступеней биомолекулярной грамотности», были первоначально разработаны в рамках программной среды Molecular Workbench/Молекулярная Мастерская в 2001-2005 г.г. Этот продукт получил высокую оценку в научной и педагогической литературе (Science 2005; Journal of Chemical Education, 2005). Молекулярная Мастерская - это открытая программная платформа, которая распространяется бесплатно. Ее ядро – ряд математических моделей, которые позволяют рассчитывать поведение систем, содержащих до нескольких сот молекул, что дает возможность моделировать такие сложные процессов, как фазовые переходы, химические реакции, изменения конформации полимеров и т.п. 3.3. Базовые компьютерные модели. В «10 ступеней биомолекулярной грамотности» используется четыре базовые компьютерные моделей: - электронные оболочки; - изображение пространственных структур молекул; - молекулярная динамика; - биосинтез белка. Таким образом, ученику нет нужды на каждом уроке тратить время на изучение техники работы с новой моделью; однажды изученное может применяться многократно. Базовые модели описаны в части 2 настоящего руководства. 3.4. Фотографии. Система «10 ступеней биомолекулярной грамотности» предоставляет ученику возможность делать «фотоснимки» – запоминать в виде рисунков мгновенные состояния (стоп-кадры) моделей. Эти снимки в дальнейшем могут быть снабжены комментарием и размечены. Работа с фотоснимками сближает работу ученика с реальной работой исследователя и облегчает учителю контроль за успехами ученика. Фотографирование производится с помощью специальной кнопки, расположенной обычно под соответствующей моделью. На рис. 8 показано окно системы «10 ступеней биомолекулярной грамотности» при работе со страницей 9 ступени 2 (см. выше рис. 5 – 7). . В правой части основного поля видна модель плавления жиров и кнопка «Сделайте снимок» под ней. Слева от модели расположено всплывающее окно снимка. После нажатия кнопки картинка совпадает с картинкой модели. Затем ученик может добавить пометки на снимок и пояснения в текстовое поле под снимком. Если снимок удовлетворил ученика, он может занести его в фотогалерею (см. ниже). Снимки, находящиеся в фотогалерее, включаются в отчет о работе ученика (см. п. 2.6). Всплывающее окно фотогалереи на рисунке расположено под моделью. Открыть фотогалерею можно с помощью пункта «Фотогалерея» главного меню (см. п. 2.3). 15 Рис. 8. Фотоснимок и фотогалерея. 3.5. Работа с фотоснимками. Работа с отдельным снимком и с фотогалереей в целом производится с помощью инструментальных кнопок, расположенных в левом верхнем углу соответствующих окон. Смысл кнопок ясен из пиктограмм и всплывающих комментариев. Здесь мы ограничимся перечислением этих кнопок и краткими пояснениями. Окно фотоснимка. Пользователь может создавать поверх фотоснимка объекты-пометки. Поддерживаются следующие виды пометок: - линия; - прямоугольник; - эллипс; - текстовая область. Инструментальные кнопки окна фотоснимка (см. рис.8) предназначены для работы с этими объектами. Пример пометок на фотоснимках даны на рис. 8 и 9. Две одинаковые линии и три одинаковых прямоугольника на рис. 9 получены копированием. Ниже даны краткие пояснения ко всем кнопкам (слева направо). - Выделить объект (нажать на кнопку, затем – на нужный объект). - Измерить расстояние (нажать курсором на начальной точке, не отпуская левой кнопки мыши, подвести курсор к конечной точке; результат измерения в условных единицах появится в всплывшем окошке (см. рис. 9 длина стороны тетраэдра равна 84 у.е.). Это окошко исчезает при начале следующей операции с объектами. - Вставить текстовую область-врезку (нажать кнопку, появится диалоговое окно создания текстовой области, см. рис. 10). После создания область можно передвигать мышью (как обычно, при нажатой левой клавише), при этом исходная «точка привязки» остается на месте. Чтобы 16 отредактировать ранее созданную область-врезку, нужно щелкнуть по ней правой кнопкой мыши. - Нарисовать линию (нажать кнопку, затем нажать начальную точку и «тащить линию» при нажатой левой кнопке). После этого, не нажимая кнопку еще раз, можно рисовать новые линии. - Нарисовать прямоугольник (нажать кнопку, затем нажать начальную точку и «раздвигать прямоугольник» при нажатой левой кнопке). После этого, не нажимая кнопку еще раз, можно рисовать новые прямоугольники;). - Нарисовать эллипс – аналогично рисованию прямоугольника. - Нарисовать сетку; - Удалить выделенный объект; - Скопировать выделенный объект в буфер; - Создать копию скопированного в буфер объекта. Рис. 9. Пометки на фотоснимке. Окно фотогалереи. Чтобы выделить снимок, нужно щелкнуть по нему левой кнопкой мыши. Выделенный снимок обведен красной рамкой. Окно фотогалереи имеет четыре инструментальные кнопки. Их смысл поясняется ниже (кнопки перечислены слева направо): - открыть окно снимка для просмотра и редактирования выделенного снимка; - удалить выделенный снимок; - сохранить выделенный снимок в виде графического файла; - очистить галерею; 17 Рис. 10. Диалоговое окно подготовки текстовой области-врезки расположено в левой нижней части экрана. 18 4. Предметное содержание ступеней. 4.0. Общие сведения. Система «10 ступеней биомолекулярной грамотности» состоит из десяти последовательных разделов («ступеней»). Каждый раздел – определенная ступень на пути к биомолекулярной грамотности – представляет собой компьютеризованный урок, большая часть которого состоит в исследовательской деятельности учащихся, экспериментирующих с динамическими компьютерными молекулярными моделями. Далее, мы будем называть такой урок для краткости «урок-активность», имея в виду, что именно компьютерное моделирование составляет эту «активность». Предлагаемые 10 ступеней желательно проходить последовательно. Однако, в зависимости от обстоятельств, опытный учитель может отступить от этого требования. Система «10 ступеней биомолекулярной грамотности» включает следующие ступени. 1. Типы химических связей. 2. Молекулярная геометрия. 3. Взаимодействие между молекулами. 4. Межмолекулярные взаимодействия в живой природе. 5. Агрегатное состояние вещества. 6. Структура белков. 7. Самосборка белковых комплексов. 8. Биосинтез: от ДНК к белку. 9. Мутации и их последствия. 10. Сходство белков. Первые пять ступеней объясняют основы химии, необходимые для знакомства с молекулярной биологией. Вторые шесть ступеней посвящены основным понятиям молекулярной биологии. Ниже для каждой ступени приводится оглавление и краткая аннотация. 1. Типы химических связей. Все вещества в нашем мире состоят из атомов. Атомы соединятся друг с другом различными химическими связями. Каким образом атомы связываются вместе? Ключевую роль в образовании химических связей играют электроны. Зная и понимая, как образуются различные типы связей, можно предсказывать свойства различных материалов или объяснять процессы, которые проходят в живых клетках. Оглавление: 1. Введение 2. Электрическое поле и электронное окружение атома 3. Образование ковалентной связи 4. Электроотрицательность 5. Разность электроотрицательностей 6. Полярность и электроотрицательность 7. Химические связи и электроотрицательность 8. Химические связи и периодическая система элементов 9. Определение типа связи по электроотрицательности 10. Полярность больших молекул 11. Предсказание свойств больших молекул 19 2. Молекулярная геометрия. Химические и физические свойства молекулы сильно зависят от её формы. Структура молекулы определяется балансом сил притяжения электронов к ядру и отталкивания электронов между собой. Расположение электрона описывается в терминах областей повышенной электронной плотности, т. е. областей, локализации электронов, где нахождение их наиболее вероятно. - Форма молекулы и тип симметрии распределения электронной плотности взаимосвязаны. Ковалентные связи и области повышенной электронной плотности (структурная формула, точечные структуры Льюиса). Знание распределения электронной плотности в молекулах позволяет разрабатывать и синтезировать молекулярные структуры с нужной геометрией. - Геометрия электронного окружения и геометрическая форма молекулы - не одно и тоже. Молекулы с одинаковым числом атомов могут различаться по форме. Прогнозирование формы больших молекул. Форма молекул отражается на физических свойствах веществ, которые можно непосредственно наблюдать. Примеры практического применения знаний в области молекулярной геометрии. Оглавление 1. Введение 2. Геометрическая форма молекул 3. Силы притяжения и отталкивания 4. Распределение электронной плотности 5. Области локализации электронов 6. Предсказание формы молекул, часть 1 (Структуры Льюиса и форма молекулы) 7. Предсказание формы молекул, часть 2 (Неподеленные электронные пары оказывают влияние на форму молекулы ) 8. Предсказание формы молекул, часть 3 (Молекулы с одинаковым числом атомов могут различаться по форме) 9. Форма молекул и их свойства, часть 1 10. Форма молекул и их свойства, часть 2 (Модель для исследования свойств сливочного и растительного масла) 11. Будущее с молекулярной геометрией (ДНК-белковое взаимодействие и нанотехнология) 3. Межмолекулярные взаимодействия Все молекулы притягиваются друг к другу посредством взаимодействий, которые существенно слабее ковалентных связей. Эти взаимодействия называются силами Ван-дер-Ваальса. Ковалентная связь между двумя атомами может быть неполярной (электроны распределены поровну между двумя атомами) и полярной (электроны распределены неравномерно между двумя атомами). Полярность больших молекул складывается из полярностей составляющих её связей и симметрии их расположения. - Характер и сила межмолекулярного притяжения зависит от свойств молекул. Между всеми атомами и молекулами, вне зависимости - являются они полярными или нет, действуют слабые силы - дисперсионные силы Лондона. Между полярными молекулами в дополнение к дисперсионным возникают диполь20 дипольные взаимодействия. В совокупности дисперсионные и диполь-дипольные взаимодействия создают то, что мы называем силами Ван-дер-Ваальса. Растворимость - физическая характеристика, которая определяется вандер-ваальсовыми взаимодействиями. Существует взаимосвязь между увеличением полярности и усилением диполь-дипольного притяжения. Сила дисперсионных взаимодействий Лондона может сильно различаться в зависимости от формы и размера молекул. Оглавление 1. Силы Ван-дер-Ваальса: Введение 2. Силы Ван-дер-Ваальса: место и объекты 3. Диполь-дипольные и дисперсионные взаимодействия 4. Температура кипения 5. Силы Ван-дер-Ваальса и растворимость 6. Сила диполь-дипольных взаимодействий 7. Полярность реальных молекул 8. Сила дисперсионных взаимодействий зависит от формы и величины молекул 4. Межмолекулярные взаимодействия в живой природе ! Водородные связи играют большую роль в структуре и функционировании важнейших биологических молекул – нуклеиновых кислот и белков. Водородная связь - это особый вид диполь-дипольного взаимодействия между полярными молекулами. Притяжение между атомом водорода одной молекулы и отрицательно заряженной частью другой молекулы называется водородной связью. Водородная связь на порядок сильнее других ван-дер-ваальсовых взаимодействий, но слабее ковалентной связи. Молекулы ДНК в наших клетках состоят из двух длинных цепочек, образующих двойную спираль. Для выполнения своей функции цепочки должны сначала расходиться, а затем снова соединяться. Это происходит довольно легко, так как они связаны между собой только водородными связями. В основе работы иммунной системы лежит синтез молекул, называемых антителами. Они прилипают к "чужим" молекулам, антигенам - токсинам, которые вырабатываются микробами, или молекулам на поверхности бактерии или вируса. Во взаимодействии антигена и антитела участвуют оба вида ван-дерваальсовых сил: диполь-дипольные и дисперсионные. В природе ящерицы гекконы используют Ван-дер-ваальсовы силы лучше, чем кто-либо другой. Оглавление 1. Водородные связи: введение 2. Что такое водородные связи? 3. Водородные связи: модель 4. Водородные связи в ДНК 5. Иммунная система: введение 6. Иммунная система: строим антитело 7. Ящерицы гекконы и силы Ван-дер-Ваальса 21 5. Агрегатное состояние вещества Фазовым переходом называется смена агрегатного состояния вещества, переход из одного в другое. Фазовые переходы можно встретить повсюду вокруг нас. Как устроены и чем отличаются на молекулярном уровне газ, жидкость, твердое тело? Агрегатное состояние вещества зависит от сил притяжения. Состояние материи при заданной температуре зависит от того, насколько велики силы притяжения между составляющими ее частицами - атомами или молекулами. Агрегатное состояние вещества меняется при передаче энергии. Наиболее распространенный способ передачи энергии - нагревание. Скрытая теплота – это энергия, необходимая для того, чтобы увеличить расстояние между частицами материала. Это потенциальная энергия. Для перехода от твёрдого тела к жидкости, нужно лишь слегка увеличить расстояние между частицами, чтобы они могли скользить друг относительно друга. Для перехода от жидкости к газу, частицы должны быть должны быть полностью разделены. Испарение - процесс перехода частиц из жидкого состояния в газообразное при температуре ниже температуры кипения. Объясняется механизм испарения и его охлаждающий эффект на молекулярном уровне. Оглавление Часть 1 1. Введение 2. Газ 3. Жидкость 4. Твердое тело Часть 2 5. Межмолекулярные взаимодействия и агрегатное состояние 6. Изменения состояния вещества, вызванные притоком энергии 7. Скрытая теплота 8. Испарение 9. Итоговые вопросы 6. Структура белков Белки представляют собой очень важный класс органических соединений. Подавляющее большинство функций в живом организме выполняется с участием белков. В этой ступени рассказывается, из чего состоят белки, как они устроены, как приобретают свою рабочую структуру, как выглядит рабочая структура белка и от чего эта структура зависит. Оглавление 1. Введение 2. Знакомство с аминокислотами 3. Гидрофобные и гидрофильные аминокислоты. 4. Сворачивание молекул белка. Влияние растворителя 5. Пространственная структура белка 6. Структура белка: альфа-участки 22 7. Структура белка: бета-участки 7. Самосборка белковых комплексов В живой клетке деталями различных клеточных структур служат макромолекулы белки, углеводы, липиды и нуклеиновые кислоты. - Клеточные структуры, такие как мембраны, рибосомы, белковые и другие макромолекулярные комплексы, образуются путем самосборки. То есть, сборка происходит «сама», за счет теплового движения и взаимодействия макромолекул друг с другом и окружающим их раствором. - Тепловое движение и электростатические силы играют важную роль в самосборке макромолекулярных комплексов. Оглавление 1. Введение 2. Как происходит самосборка макромолекулярных комплексов 3. Роль электростатических сил 4. Самосборка белковых волокон 5. Самосборка микротрубочек и микрофиламентов 6. Как создаются монослои белков 7. Создай свой комплекс, способный к самосборке 8. Биосинтез: от ДНК к белку Биосинтез белков, т.е. синтез белков в клетках живых организмов - один из важнейших процессов для существования жизни на планете Земля. Этот процесс идет во многом одинаково у всех живых существ - от бактерий до человека. Приведены основные принципы биосинтеза белков. Транскрипция – процесс считывания генетической информации с ДНК на информационную РНК. Трансляция – процесс синтеза белков при линейном считывании информации c и-РНК. Молекула ДНК состоит из двух цепей. Каждая цепь образована соединенными в определенной последовательности друг с другом нуклеотидами. Эта последовательность определят, какими окажутся синтезированные клеткой белки. Аминокислоты записаны тройками нуклеотидов (кодонами). Стоп-кодон - кодон, останавливающий трансляцию. Генетический код – таблица, определяющая соответствие между кодонами и аминокислотами. Оглавление 1. Как синтезируются белки? 2. Транскрипция 3. Трансляция 4. Трехмерная архитектура ДНК 5. ДНК: от трехмерной спиральной модели к линейной двунитевой 6. Коды вокруг нас 7. Как устроен генетический код? 8. Модель биосинтеза белка 9. Модель биосинтеза белка - транскрипция 10. Модель биосинтеза белка - трансляция 11. Открытие генетического кода 1 (История) 12. Открытие генетического кода 2 (Эксперименты с моделью) 13. Проверь себя 23 9. Мутации и их последствия Вся наследственная информация в организме хранится в виде последовательности нуклеотидов ДНК. Повреждения ДНК, вызывающие нарушение генетического кода, называют мутациями. Обычно, мутации происходят редко, однако их частота повышается под влиянием неблагоприятных факторов. Три типа мутаций: - Замещения - Замена одного нуклеотида другим. Вставки - При разрыве цепи ДНК по месту разрыва иногда встраивается дополнительно один или несколько нуклеотидов.- Делеции - При возникновении двух разрывов цепи ДНК, может произойти потеря участка между точками разрыва. При замене или удалении нуклеотида в одной цепи происходит соответствующая замена или удаление нуклеотида в другой цепи. Серповидно-клеточная анемия - первая болезнь, изученная на молекулярном уровне, вызванная мутацией - заменой одного нуклеотида в гене, кодирующем бета-цепь гемоглобина. Нормальный и «дефектный» гемоглобин различаются лишь двумя аминокислотами. Мутантные молекулы гемоглобина образуют агрегаты. Оглавление 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Мутации - что это? Типы мутаций Мутации и структура белков Мутации, ведущие к появлению стоп-кодонов Инсерции (вставки) и делеции (удаления) Мутации и болезни Как устроен гемоглобин Почему мутантные молекулы гемоглобина склеиваются в агрегаты? 10. Сходство белков Поиск сходных последовательностей стал наиболее распространенным методом в биоинформатике, потому что он позволяет получить информацию о тех генах и белках, функции которых еще не известны, а также предсказывать функции искусственно создаваемых белков. Сворачивание белка определяется его аминокислотной последовательностью и обеспечивает выполнение необходимых функций. Если последовательности аминокислот двух белков похожи, высока вероятность, что белки сворачиваются в примерно одну и ту же структуру и, следовательно, выполняют сходные функции. Мутация в гене изменяет аминокислотную последовательность, что до некоторой степени изменяет структуру белка. Консервативная и неконсервативная замена. - Аминокислотная замена влияет на сворачивание белка, в зависимости от того, насколько похожа новая аминокислота на исходную по своим свойствам. Когда свойства аминокислот похожи, аминокислотная замена может быть безвредной и передаваться потомкам. Чем более схожи последовательности двух белков, тем более вероятно, что сходны и их функции. Один из путей выяснения функции нового белка − поиск похожих последовательностей. Некоторые белки очень похожи у самых разных видов живых организмов, что подтверждается рассмотрением строения у них белка тимидинсинтазы. 24 Оглавление 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. Введение Влияние мутаций на структуру белка Сравнение свойств аминокислот Сравнение пространственной структуры аминокислот Сходство последовательностей белков Анализ сходства последовательностей Сравнение трехмерных структур Эволюционное сходство белков . Изучение консервативности белков 25 5. Что необходимо для работы с системой. 5.1. Технические требования. Предлагаемая версия обучающей программной система «10 ступеней биомолекулярной грамотности» предназначена для использования в операционной системе Windows. Перенесение системы в операционные системы Linux и Mac OS возможна; для этого необходимо связаться с коллективом разработчиков (см. п. 5.3). Минимальные требования к компьютеру: процессор Pentium 3, 128М оперативной памяти, 50М свободного дискового пространства; монитор с разрешением 1024х768. Оптимально иметь процессор не ниже Pentium 4 и 256М оперативной памяти. Для работы системы «10 ступеней биомолекулярной грамотности» на целевом компьютере помимо операционной системы Windows должны быть установлены следующие свободно распространяемые программные продукты сторонних производителей: 1. Java Runtime Environment версии не ниже 1.5 (в новой нумерации Sun Microsistems— 5.0). Доступна по адресу в Интернете http://www.java.com/ru/ . 2. Adobe Flash Player Plugin версии не ниже 8.0. Доступен по адресу в Интернете http://www.adobe.com/go/EN_US-H-GET-FLASH . Данные программные продукты следует установить до начала установки «10 ступеней молекулярной грамотности». 5.2. Требования к учителю и ученикам. От учителя не требуется специальной подготовки, кроме базовых пользовательских навыков работы на компьютере. В тех случаях, когда представленный материал выходит за рамки школьной программы, программная система дает необходимые пояснения. Точно так же мы не требуем от учеников специальной подготовки, выходящей за рамки самых общих пред 5.3. Контакты с разработчиками. В случае возникновения вопросов, замечаний и предложений просим обращаться к координатору разработки к.ф.-м.н. Михаилу Абрамовичу Ройтбергу по электронной почте mroytberg@mail.ru . 26 Часть 2. БАЗОВЫЕ КОМПЬЮТЕРНЫЕ МОДЕЛИ. 1. Введение. В основе используемых в системе «10 ступеней биомолекулярной грамотности» компьютерных динамических моделей лежат программные средства, которые активно используются в исследованиях по ряду научных дисциплин (молекулярной биологии, квантовой физике, химии полимеров, нанотехнологии и др.). Эти программы были специально адаптированы для применения в средней школе в соответствии со стандартами школьного естественно-научного образования. Управление моделями основывается на простейших операциях с визуальной информацией и клавиатурой обычного компьютера и внешне могут напоминать компьютерные игры. При этом, модели позволяют в миллионные доли секунды сосчитать и показать на экране персонального компьютера результат взаимодействия сотен единичных объектов - от сталкивающихся между собой молекул газа, до формирующегося кристалла, химической реакции или свертывающейся в клубок полимерной цепи. Модели, используемые в системе «10 ступеней биомолекулярной грамотности», были первоначально разработаны в рамках создания программной среды Molecular Workbench/ Молекулярная Мастерская в 20012005 г.г. Этот продукт получил высокую оценку в научной и педагогической литературе (Science 2005; Journal of Chemical Education, 2005). Молекулярная Мастерская - это открытая программная платформа, которая распространяется бесплатно и включает несколько компонентов. Ее ядро – ряд математических моделей, которые позволяют моделировать такие сложные процессы, как фазовые переходы, химические реакции, изменения конформации полимеров и т.п. В системе «10 ступеней биомолекулярной грамотности» используется четыре базовые компьютерные моделей: - электронные оболочки; - изображение пространственных структур молекул; - молекулярная динамика; - биосинтез белка. Каждая из моделей используется во многих страницах и имеет стандартный интерфейс. Содержательное наполнение данной модели на различных страницах при этом может быть весьма разнообразным. Для каждой модели мы описываем основные возможности интерфейса и даем необходимые иллюстрации (снимки с экрана). 2. Электронные плотности. Эти модели построены по флэш-технологии и используются в ступени 1. В отличие от других моделей, работа с флэш-моделями производится с помощью Интернет-браузера (вызывается стандартный браузер, установленный на используемом компьютере) и в отдельном окне. По окончании работы с моделью, это окно нужно закрыть. 27 Управление моделью производится с помощью стандартных приспособлений (выбор из меню, ползунки, передвижение объектов мышью и т.п.). Пример использования модели дан на Рис.1а – 1г. 28 Рис.11а. Использование базовой модели электронных плотностей на странице 7 ступени 1 (см. эту страницу на рис. 11б). Модель вызывается в отдельном окне – окне стандартного Интернетбраузера. Электроотрицательность модельных атомов устанавливается с помощью бегунков в центре модели. Электроотрицательности реальных атомов задаются щелчком по нужному элементу в специальной таблице (см. 11в, 11г). Рис. 11б. Фрагмент страницы 7 ступени 1. 29 Рис. 11в. Таблица электроотрицательностей химических элементов (страница 8 ступени 1). Рис. 11г. Использование модели для молекулы NaCl. Атомы Na и Cl образуют ионную связь. 30 3. Изображение пространственных структур молекул. Эта базовая модель основана на популярной свободно распространяемой программе просмотра пространственных структур молекул Jmol (см. http://jmol.sourceforge.net/). Для любого изображения молекулы поддерживается: - вращение молекулы с помощью мыши (при нажатой левой клавише мыши); - изменение масштаба изображения (движение мышью вверх-вниз при нажатой левой клавиши мыши и клавише Shift на клавиатуре), различные способы изображения и раскраски молекул. Программа Jmol поддерживает следующие основные способы представления молекул и входящих в них атомов: - объемный (каждый атом представляется в виде непрозрачного шара, радиус которого зависит от типа атома и пропорционален т.н. Ван-дерВаальсову радиусу данного атома); - шаро-стержневой (атомы – небольшие шарики стандартного радиуса, соединяющие их ковалентные связи изображены стержнями); - с показом электронных оболочек (в шаро-стержневой модели дополнительно в виде прозрачных облаков изображены электронные оболочки атомов). Кроме того, для показа молекул белков, применяются специальные представления молекул: - схема структуры белка (молекула изображена в виде ленты, закрученной в виде спирали (участки альфа-структуры) или дополненной стрелкой (участки бета-структуры); участки цепи, не имеющие жесткой структуры («петли») изображены толстой линией, см. Рис.12а). остов цепи белка (показана только условная линия, соединяющая центры «опорных» атомов аминокислот, т.н. С-альфа-атомов, см. рис. 12б); сглаженный остов – то же, но линия сглажена для удобства просмотра. Рис 2а. Изображение схемы структуры белка. См. стр.5 ступени 6. 31 Рис. 12б. Та же молекула, изображенная в виде остова цепи белка. Пунктирными линиями можно изображать водородные связи между атомами (см. стр. 5, 6, 7 ступени 6), что особенно полезно при работе с молекулами белков и нуклеиновых кислот. В системе Jmol выбор способа изображения производится с помощью команд специального управляющего языка. В нашем случае эти команды заранее «встроены» в «10 ступеней биомолекулярной грамотности»; ученик управляет моделью с помощью выбора из меню. Точно так же, с помощью клавиш, которые запускают «встроенные» последовательностей команд Jmol, ученик может задавать движение молекул (см. рис13а, 13б). 32 Рис. 13а. Изображения трех условных молекул до начала расхождения атомов под действием сил электрического отталкивания (см. стр.2 ступени 2). Рис. 13б. Те же молекулы после расхождения атомов выполненного по нажатию кнопки «Пуск». Размер правой молекулы несколько увеличен. Еще одна возможность, предоставляемая системой Jmol и использованная в нашей системе – управление раскраской фрагментов молекул, что бывает крайне полезно. Эта возможность применяется, в 33 основном, при работе с биологическими полимерами – белками и ДНК. Так же, как и при выборе способа представления молекул, команды Jmol встроены внутрь обучающей системы; ученик имеет дело только с выбором из меню. Наиболее универсальный способ раскраски - по виду атомов (см. рис 4а, 4б). При этом на всех страницах применяется один и тот же общепринятый набор цветов: кислород – красный, азот – синий и т.п.); Рис. 14а. Раскраска молекулы по типам атомов. Использовано шаростержневое представление, атомы водорода не изображены. Показаны водородные связи между атомами (белые пунктирные линии).См. стр.1 ступени 4. Другие способы применяются только при изучении белковых молекул. Два способа особенно полезны, если белок изображаются в виде схемы структуры. Это раскраска вдоль цепи по спектру (цепь раскрашивается плавно переходящими друг в друга цветами радуги; это удобно, чтобы проследить ход цепи, см. рис. 5а ) и по типу структуры фрагмента белка (альфа-участки раскрашиваются розовым, бета-участки – желтым, а петли – белым, см. рис. 15б). Еще два способа – это раскраска по виду мономеров (нуклеотидов для ДНК или аминокислот для белков, см. рис. 16а). При этом для аминокислот иногда удобно не раскрашивать каждую аминокислоту своим цветом, а использовать только два цвета – один для полярных, а другой – для неполярных аминокислот (см. рис. 16б). 34 Рис. 14б. Изображение двунитевой молекулы ДНК, каждый тип атома раскрашен своим цветом (красный – кислород, синий – азот, серый – углерод, белый – водород). Одна нить ДНК дана в объемном представлении, другая – в шаро-стержневом. См. стр.4 ступени 8. Рис. 15а. Раскраска молекулы белка вдоль цепи по спектру (см. стр.5 ступени 6). 35 Рис. 15б. Та же молекула, раскрашенная по типу структуры Рис. 16а. Фрагмент вспомогательной таблицы аминокислот, которая используется в ступени 10. В каждой аминокислоте часть, входящая в остов белка, покрашена серым, а боковые группы – в свой для каждой аминокислоты цвет. Иногда, особенно при использовании объемного представления молекулы, остовная часть аминокислоты раскрашивается тем же цветом, что и боковая группа. 36 Рис. 16б. Три пептида (короткие цепочки аминокислот). Полярные аминокислоты покрашены розовым, неполярные – голубым. Остовные части аминокислот покрашены так же, как и боковые группы. 4. Молекулярная динамика. Эта базовая модель представляет собой «контейнер» (прямоугольник), в котором движутся частицы («молекулы»). Частицы движутся как в рамках теплового движения, так и под действием внешних сил, например, электрических. Скорость частиц зависит от температуры системы и от величины внешних сил. Зная характеристики частиц (например, массу и электрический заряд), начальное положение частиц, их начальные скорости и величины внешних сил (т.е., в силу второго закона Ньютона, - ускорения), можно приближенно рассчитать положение и скорость каждой частицы через небольшой промежуток времени Δt. Затем точно так же можно рассчитать положения и скорости частиц в момент 2Δt и т.д. Таким образом, мы в каждый момент времени можем рассчитать любую характеристику (например, кинетическую энергию) каждой частицы и всей системы в целом. Такой метод компьютерного моделирования называется молекулярной динамикой. Он широко используется в исследованиях по физике полимеров, биофизике, молекулярной биологии. Реализованная в платформе «Молекулярная мастерская» базовая модель «Молекулярная динамика» применяется в нескольких ступенях и используется для представления разнообразных явлений. Эти явления можно разбить на следующие группы (ниже, например, стр. 2.9 обозначает стр.9 ступени 2). . 1. Тепловые явления: плавление (стр. 2.9), кипение (стр. 3.4), испарение (стр. 5.8), тепловое движение молекул (стр. 5.2 – 5.4) и др. На рис. 17а, 17б приведен пример использования такой модели для иллюстрации различия температур кипения неполярной (белые молекулы) и полярной жидкостей. Видны стандартные инструменты подобных моделей. В левом нижнем углу – 5 37 кнопок (сброс в начальное состояние, «перемотка в обратную сторону», шаг назад, останов, шаг вперед, запустить модель). Кроме того, под моделью есть две дополнительные кнопки: «Нагреть» и «Охладить», которые изменяют скорости движения «молекул». Рис. 17а. Использование молекулярной динамики для моделирования кипения. Исходное состояние модели. Рис. 17б. Та же модель после нагревания (температура условно показана на «термометре» справа). 38 Неполярная жидкость (белые молекулы) уже «закипела» (молекулы разошлись), а полярная – еще нет (часть молекул держится вместе). 2. Силы межмолекулярного взаимодействия. (см. рис. 18). Эти силы иллюстрируются моделями на стр. 3.2, 3.3, 3.6, 3.8, 4.6. В дополнение к рассмотренным выше инструментам здесь можно устанавливать величину силы, которая прикладывается к молекулам (регулятор справа внизу) и наносить заряд на частицы (инструментальные кнопки слева вверху). Рис. 18. Модель взаимодействия антигена и антитела (стр. 4.6). 3. Растворимость. Поведение белков и аминокислот в растворителе. (см. стр. 3.5, 6.3, 6.4). На рис. 19а, 19б показано различие в поведении гидрофобной (лейцин,L) и гидрофильной(глютаминовая кислота, E) аминокислот в воде и масле. Эта модель допускает смену растворителя, однако по остальным возможностям не отличается от моделей тепловых явлений, рассмотренных выше. 4. Самосборка белковых комплексов (см. ступень 7). Это самый сложный класс моделей молекулярной динамики. В дополнение к уже рассмотренным ранее возможностям запуска/останова движения, управления температурой и нанесения заряда в этих моделях используется работа с частицами различной формы, создание копий частиц и удаление частиц. Примеры таких моделей даны на рис. 20а -г. 39 Рис. 19а. Поведение аминокислот в воде (см. стр. 6.3) Рис. 19б. Поведение аминокислот в воде (см. стр. 6.3). 40 Рис 20а. Создание комплексов, допускающих самосборку (стр 7.7). В комплекс могут входить частицы трех заданных типов (показаны слева). На рисунке в качестве составных частей комплекса выбраны две квадратные и три треугольные частицы (справа). Частица, которая была скопирована последней, обведена пунктиром. Рис. 20б. На некоторые частицы нанесены заряды. Величина заряда кратна 0.5 условных единиц. 41 Рис. 20в. Из набора удалены все частицы, кроме треугольной частицы с двумя заряженными сторонами. Сделано еще 7 копий этой частицы. Рис 20г. После запуска молекулярной динамики шесть из восьми заготовленных частиц под действием электрических сил образовали микротрубочку. 42 5. Биосинтез белка. Модель «Биосинтез белка» используется в ступенях 8 и 9. Эта модель показывает процессы транскрипции и трансляции, внесение мутаций в кодирующую ДНК, а также (схематически) – сворачивание синтезируемого белка в зависимости от образующих его аминокислот. Внизу модели (см. рис. 21а) схематично изображен кодирующий фрагмент двунитевой ДНК; кодирующая цепь – верхняя (5’ – 3’ цепь). Голубой фон, на котором представлен фрагмент, напоминает, что ДНК окружена молекулами воды. Предполагается, что очередной кодон начинается с первой позиции, т.е. первый кодон образуют три первых нуклеотида, второй – нуклеотиды с второго по шестой и т.д. При наведении курсора на какой-либо нуклеотид выдается подсказка о кодируемой аминокислоте (см. рис. 21б). Каждый нуклеотид обозначен своим цветом (см. схему слева от модели), в исходном состоянии модели первый кодон выделен зеленым. Рис. 21а. Исходный вид модели биосинтеза белка (стр. 8 ступени 8). Основные действия с моделью – выполнение трансляции и транскрипции (см. рис. 22, 23а, 23б). Эти действия могут выполняться как сразу полностью, так и по шагам. Запуск этих действий производится с помощью кнопок, расположенных под моделью. 43 Рис. 21б. Подсказка об аминокислоте, кодируемой 4-м кодоном (курсор был наведен на нижнюю нить). Рис. 22. Результат выполнения транскрипции. На месте верхней кодирующей нити ДНК синтезирована РНК. Молекула ДНК «расплетена» и верхняя нить находится на расстоянии от нижней (см. анимацию на стр.2 ступени 8). 44 Рис 22а. Промежуточная стадия процесса трансляции. Уже синтезированы 5 первых аминокислот (R, F, G, L, M). Зеленый прямоугольник изображает рибосому. В текущий момент к цепи добавляется лейцин (L), который кодируется кодоном CUA - первым (левым) кодоном, покрытым «рибосомой». Рис 22б. Состояние модели после выполнения трансляции. Кроме перечисленных действий, модель поддерживает также внесение мутаций и выполнение ряда вспомогательных действий, например, установку исходного фрагмента ДНК. 45 Внесение мутаций (см. стр. 2, 3 и 5 ступени 8 и рис. 23а) производятся с помощью щелчка мыши по нужному нуклеотиду, щелчок можно выполнять правой кнопкой, или левой кнопкой при нажатой клавише Ctrl. Модель поддерживает удаление нуклеотида, замену нуклеотида на указанный нуклеотид, и вставку указанного нуклеотида перед указанной позицией (в последних двух случаях новый нуклеотид задается с помощью специального меню). Необходимые изменения в комплементарной цепи производятся автоматически. 46 Рис. 23а. Диалог при вставке нуклеотида C в верхнюю цепь перед нуклеотидом A. Рис. 23б. Результат вставки комплементарной пары C-G (см. Рис. 13а). 47 Вспомогательные действия выполняются с помощью клавиш в левом нижнем углу модели. Четыре правых клавиши (возврат в исходное состояние, останов, выполнить шаг и пуск) используются так же, как и в модели «Молекулярная динамика». Задание фрагмента ДНК производится с помощью второй слева клавиши (на ней схематически изображена двунитевая молекула ДНК), см. рис. 24. В диалоговом окне допускаются обычные операции редактирования, включая копирование и вставку. Однако, ввод любого символа, отличного от латинских букв A, T, G, C блокирован. Последовательность в диалоговом окне соответствует верхней (кодирующей) нити. Рис. 24. Задание фрагмента последовательности ДНК. Настройка параметров модели выполняется при помощи диалогового окна (см. рис. 25), которое вызывается нажатием первой слева инструментальной кнопки. Мы не рекомендуем изменять настройки модели. 48 Рис. 25. Настройка параметров модели «Биосинтез белка». 49
