Демонстрационные материалы программной обучающей системе

10 ступеней
биомолекулярной грамотности
Образовательный консорциум «Конкорд»
по заказу НФПК
2008
Презентация управляется по щелчку (вперёд - PgDn; назад - PgUp)
ВВЕДЕНИЕ
Что за ступени?
"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.
Система может применяться как при изучении
ряда разделов школьных курсов биологии, физики и
химии, так и при проведении факультативных
занятий, а также при самостоятельных занятиях
учеников.
Как устроены
ступени?
Система содержит 10 блоков («ступеней»),
каждый из которых рассчитан на 1 – 2 занятия.
В конце каждого из занятий система
автоматически (ученик должен просто нажать
кнопку) готовит отчет, который позже сможет
посмотреть учитель.
В отчет входят ответы, который ученик давал
на вопросы системы (такие вопросы приводятся
почти на всех страницах), а также «фотографии» стоп-кадры работы моделей, сделанные учеником
во время работы.
Компьютерные эксперименты с моделями –
основная особенность системы.
Ступени и модели
Главная особенность системы - большое
число компьютерных моделей, на которых можно
ставить компьютерные эксперименты.
Модели позволяют ученикам:
- просматривать трехмерные модели различных
биологических молекулярных структур,
- изучать взаимодействие атомов и молекул,
изменять параметры отдельных частиц (например,
заряд, форму) и характеристики окружающей среды,
например, электрическое поле.
О чем ступени?
Каждая ступень посвящена
определенной теме:
1. Электроны, атомы и связи (что такое химические связи).
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
Ступени. Итак:
«10 ступеней биомолекулярной грамотности» это не замкнутый курс, а коллекция научноисследовательских этюдов по важнейшим
разделам физики, химии и молекулярной биологии,
входящим в школьную программу.
Первые пять ступеней объясняют основы
химии и физики, необходимые для знакомства с
молекулярной биологией. Вторые пять ступеней
посвящены основным понятиям молекулярной
биологии.
СТУПЕНИ в ШКОЛЕ
Ступени и
программа
Система соответствует требованиям к подготовке
ученика, которые представлены в государственном
образовательном стандарте. 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
Шагая по ступеням,
ученики смогут
(на своем уровне):
• усвоить основные положения молекулярной биологии;
• познакомиться с основами клеточной теории; теории
наследственности; синтетической теории эволюции
• рассмотреть строение биологических объектов: клеток,
нуклеиновых кислот, белков;
• изучить природу таких важных биологических и физических
процессов и явлений, как:
- тепловые явления,
- изменения агрегатного состояния вещества,
- формирование пространственной структуры ДНК и белков,
- транскрипция,
- трансляция.
Ступени
помогут формированию и
развитию умений:
• объяснять: единство живой и неживой природы,
родство живых организмов;
•исследовать биологические и физико-химические
системы на компьютерных моделях,
• сравнивать биологические объекты, процессы и
явления и делать выводы на основе сравнения
• осуществлять самостоятельный поиск
информации в различных источниках (учебных
текстах, справочниках, научно-популярных
изданиях)
• грамотно оформлять результаты исследований
Ступени: что
нужно знать
От учителя не требуется специальной подготовки, кроме
базовых пользовательских навыков работы на компьютере. В
тех случаях, когда представленный материал выходит за
рамки школьной программы, система дает необходимые
пояснения.
Точно так же мы не требуем от учеников подготовки,
выходящей за рамки самых общих представлений об
атомно-молекулярном строении органических и
неорганических веществ.
Более того, мы надеемся, что знакомство с новыми
сведениями подтолкнет хотя бы часть учеников к более
глубокому изучению материала.
Ступени: что
нужно иметь
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 на компьютере должны
быть установлены свободно распространяемые
программные продукты сторонних производителей:
• Java Runtime Environment версии не ниже 1.5
• Adobe Flash Player Plugin версии не ниже 8.0
СТУПЕНИ в ЦЕЛОМ
Ступени
и Интернет-страницы
Система «10 ступеней биомолекулярной
грамотности организована как набор Интернетстраниц.
Стартовая страница системы изображена в
левом верхнем углу этого слайда и на предыдущем
слайде
Эта страница появляется после запуска
системы.
Это – стартовая страница 1-й ступени
Чтобы попасть на эту страницу нужно на стартовой странице
системы нажать на клавишу под цифрой 1. Стрелка в правом
нижнем углу ведет к основной части ступени.
Это – стартовая страница 2-й ступени
Такие же страницы есть у всех ступеней
Со стартовой страницы ступени ученик попадает на
оглавление, в котором перечислены все страницы ступени.
Номер ступени показан на панели индикаторов ступеней
в правом верхнем углу. Это – оглавление первой ступени.
Оглавления остальных ступеней – дальше.
РАБОТА со СТРАНИЦЕЙ
Это – верхняя часть девятой страницы второй ступени. Примерно
так же устроены все «рабочие» страницы. Вверху – «шапка», такая
же, как на оглавлении. Далее – заголовок страницы.
На каждой странице, как правило, есть задание по работе с моделью.
Это – средняя часть той же страницы. Страница часто не
помещается на экран полностью.
В конце страницы, как правило, есть контрольные вопросы, на которые
должен ответить ученик. Это конец все той же девятой страницы второй
ступени.
Ученики могут делать «фотографии» моделей, снабжать их
пометками и комментариями, сохранять фотографии в фотогалерее.
На слайде: слева – фотоснимок, справа внизу - фотогалерея.
Фотографии включаются в отчет о работе ученика.
Чтобы создать отчет, достаточно нажать кнопку. В отчет будут
включены все ответы на вопросы и все сделанные фотографии.
КОМПЬЮТЕРНЫЕ МОДЕЛИ
• В основе используемых в системе компьютерных
динамических моделей лежат программы, которые
активно используются в исследованиях по химии
полимеров, молекулярной биологии 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 может напоминать
компьютерные игры.
• При этом, модели позволяют в доли секунды
сосчитать и показать на экране результат
взаимодействия сотен единичных объектов - от
сталкивающихся между собой молекул газа, до
формирующегося кристалла, химической реакции
или свертывающейся в клубок полимерной цепи.
В системе используется четыре базовые
компьютерные моделей:
– электронные оболочки;
– пространственные структуры молекул;
– молекулярная динамика;
– биосинтез белка.
Каждая из моделей используется во многих
страницах и имеет стандартный интерфейс.
Содержательное наполнение данной модели на
различных страницах может быть весьма
разнообразным
Далее мы рассмотрим каждую из этих моделей.
Электронные плотности
Использование модели электронных плотностей на странице 7
ступени 1 (эта модель показывается с помощью Интернетбраузера). Электроотрицательность модельных атомов
устанавливается с помощью бегунков в центре модели.
Электроотрицательности реальных атомов задаются
щелчком по нужному элементу в специальной таблице.
Так в модели изображается молекула NaCl.
Атомы Na и Cl образуют ионную связь
Изображение пространственных структур молекул.
Модель основана на свободно распространяемой программе
просмотра пространственных молекул Jmol.
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-дер-Ваальсову 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).
• nn
Те же молекулы после
расхождения атомов
выполненного по нажатию
кнопки «Пуск». Размер
правой молекулы
несколько увеличен
• nn
Изображения трех
условных молекул до
начала расхождения
атомов под действием сил
электрического
отталкивания (страница 2
ступени 2).
Для показа молекул белков, применяются специальные способы
представления:
- схема структуры белка (рис. слева, 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).
- остов цепи белка (рис. справа, показана только условная линия,
соединяющая центры «опорных» атомов аминокислот)
В изображении двунитевой молекулы ДНК на странице 4 ступени 8
каждый тип атома раскрашен своим цветом (красный – кислород, синий
– азот, серый – углерод, белый – водород). Одна нить ДНК дана в
объемном представлении атомов, другая – в шаро-стержневом.
Это – фрагмент таблицы аминокислот, которая используется во
многих страницах. Боковая группа каждой из аминокислот
раскрашена своим цветом. Как всегда, ученик может вращать
изображения и изменять их размеры.
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.
На странице 4 ступени 3 молекулярная динамика используется для
моделирования кипения. Исходное состояние модели.
Та же модель после нагревания (температура условно показана на
«термометре» справа). Неполярная жидкость (белые молекулы) уже «закипела»
(молекулы разошлись), а полярная – еще нет (часть молекул держится вместе).
Страница 3 ступени 6. Поведение аминокислот в воде….
... и в масле. Модель учитывает гидрофобные свойства
аминокислот. Это та же страница, но режим работы модели
изменен.
Модель взаимодействия антигена и антитела (страница 6 ступени 4).
Создание комплексов, допускающих самосборку (страница 7 ступени 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.
На некоторые частицы нанесены заряды. Величина заряда кратна 0.5
условных единиц.
Из набора удалены все частицы, кроме треугольной частицы с двумя
заряженными сторонами. Сделано еще 7 копий этой частицы
После запуска молекулярной динамики шесть из восьми заготовленных
частиц под действием электрических сил образовали микротрубочку
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 схематично изображен кодирующий фрагмент двунитевой ДНК;
Голубой фон, на котором представлен фрагмент, напоминает, что ДНК окружена
молекулами воды. При наведении курсора на какой-либо нуклеотид выдается
подсказка о кодируемой аминокислоте. Каждый нуклеотид обозначен своим цветом
(см. схему слева от модели), в исходном состоянии модели первый кодон выделен
зеленым. .
Результат выполнения транскрипции. На месте верхней кодирующей нити ДНК
синтезирована РНК. Молекула ДНК «расплетена» и верхняя нить находится на
расстоянии от нижней
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».
Состояние модели после выполнения трансляции.
В модели поддерживается внесение мутаций: удаление нуклеотида,
замена нуклеотида на указанный нуклеотид, вставка указанного
нуклеотида перед указанной позицией (в последних двух случаях новый
нуклеотид задается с помощью специального меню). Необходимые
изменения в комплементарной цепи производятся автоматически. На
рисунке - диалог при вставке нуклеотида C в верхнюю цепь перед
нуклеотидом A.
Результат вставки комплементарной пары C-G после нуклеотида А
Итак, ВЫ ПОСМОТРЕЛИ:
•
•
•
•
•
ВВЕДЕНИЕ
СТУПЕНИ в ШКОЛЕ
СТУПЕНИ в ЦЕЛОМ
РАБОТА со СТРАНИЦЕЙ
КОМПЬЮТЕРНЫЕ МОДЕЛИ
ВОТ, в основном, и ВСЁ…
ЖЕЛАЕМ УСПЕХА!