Молекулярная биология - Детский эколого

Министерство образования Рязанской области
Областное государственное бюджетное учреждение
дополнительного образования «Детский эколого-биологический центр»
Изменения и дополнения внесены
Директор ОГБУДО «ДЭБЦ»
________________ Е.Е. Харитонова
Протокол методического совета
№1 от 4 сентября 2015 г.
Дополнительная образовательная программа
«Молекулярная биология»
(на 1 год обучения для детей 15-17 лет)
Составитель:
Сухих Елена Викторовна,
педагог дополнительного образования
ОГБУДО «ДЭБЦ»
Рязань, 2015 г.
1
I. Пояснительная записка
Рабочая программа составлена в соответствии с курсом школьного компонента
государственного образовательного стандарта;
На основе учебного плана эколого - биологического центра;
На основе учебного плана Кипчаковской СОШ на 2015-2016 учебный год.
Программа «Молекулярная биология» естественнонаучной направленности.
Современные достижения молекулярной биологии касаются целого ряда вопросов, в том числе
вопросов структурной и функциональной химии белков, биологической роли ферментов, механизма
ферментативного катализа, а также роли нуклеиновых кислот в механизме биосинтеза белка в явлениях
наследственности. Краткий обзор достижений современной молекулярной биологии поможет учащимся
разобраться в сложных вопросах этой науки.
Цель курса — познакомить учащихся с молекулярными основами жизни, с особенностями
строения и функциях биополимеров в клетке, их роли в образовании клеточных структур, с процессами
жизнедеятельности, делении клеток, с формированием и передачей наследственных признаков.
Весь материал курса можно условно разделить на два больших раздела:
1) физико-химические особенности и функции макромолекул;
2) процессы в клетке, связанные с функционированием макромолекул. Изучение этих разделов
поможет осознать наиболее трудные вопросы основного курса (основы цитологии, онтогенеза, генетики).
Успешному усвоению содержания теоретического материала способствует выполнение
практических работ, перечень которых дан в каждой теме курса. Все прикладные вопросы
рассматриваются в плане решения конкретных теоретических вопросов.
На занятиях учащиеся воочию убеждаются в материальности основ жизни, их познаваемости. Курс
«Молекулярная биология» окажет большое влияние на формирование научной картины мира, развитие
мышления и воспитания школьников.
Курс рассчитан на 144 часа.
Задачи курса:
1. Закрепить, систематизировать и расширить знания учащихся основ молекулярной биологии.
2. Сформировать представление о сущности биологических процессов и явлений.
3. Выработать практические умения решения задач.
4. Продолжить формирование умений анализировать ситуацию и делать прогнозы.
5. Развивать учебно-коммуникативные умения.
II.Учебно - тематический план:
№
п/п
Раздел
Кол – во часов
1.
2.
Введение
Биохимия клетки
6
54
3.
4.
Деление клетки
Генетика человека
12
50
Практические работы
1.Генетический
код.
Таблица
генетического кода. Эволюция
кода.
2.Изучение действия ферментов
каталазы, амилазы.
3. Анаболизм. Фотосинтез.
1.Решение
задач
на
кодоминирование.
2. Решение задач на аутосомно –
доминантный и аутосомно –
рецессивный типы наследования.
3. Решение задач на наследование,
2
сцепленное с полом.
4. Решение задач на применение
закона Харди – Вайнберга.
5. Наследование групп крови, Rh –
комплекса.
5.
Общая генетика
22
1.Моногибридное скрещивание. 1
– ый закон Менделя. Решение
задач. Анализирующее
скрещивание. Неполное
доминирование. Возвратное
скрещивание. Решение задач.
2. Ди – и полигибридное
скрещивание. Решение задач.
3. Множественные аллели.
Решение задач.
4. Плейотропия. Решение задач.
5. Пенетрантность. Решение задач.
6. Сцепление признаков. Закон Т.
Моргана. Решение задач.
7. Наследование, сцепленное с
полом. Решение задач.
8. Взаимодействие неаллельных
генов. Комплементарность.
Решение задач.
9. Взаимодействие неаллельных
генов. Эпистаз. Решение задач.
10. Взаимодействие неаллельных
генов. Полимерия. Решение задач.
11. Решение задач.
III. Содержание учебной программы:
ВВЕДЕНИЕ (6ч)
Возникновение науки о наследственности – генетики. Эксперименты чешского монаха –
ботаника Георга Менделя со скрещиванием растений.
Выявление им закономерностей в наследовании признаков, изменившие в корне представления о
передаче наследственной информации и её дискретном характере. Повторение экспериментов Менделя
другими учеными: Гуго де Фризом, К. Корренсом и Г. Чермаком – переоткрытие законов Менделя.
Материальные основы наследования, развитие представлений о них.
Биохимия клетки (54 ч)
Цитология – изучающая клетку. Многообразие клеток. Химический состав клеток. Строение
клетки. Органоиды клетки и их функции.
Нуклеиновые кислоты - сложные, высокомолекулярные, органические биополимеры. История
открытия нуклеиновых кислот. Виды нуклеиновых кислот. Место расположения нуклеиновых кислот в
клетке.
ДНК – основа хромосом. Зависимость содержания ДНК в клетке от числа хромосом в них.
Видовое постоянство числа хромосом и ДНК. Познакомить со строением и химической структурой
молекулы ДНК. Мономеры ДНК – нуклеотиды. Структура и виды нуклеотидов ДНК. Образование
полинуклеотидных цепочек. Знакомство с правилом Э. Чаргаффа. Модель двойной спирали ДНК Дж.
Уотсона и Ф. Крика. Рентгеноструктурный анализ ДНК М. Уилкинса.
Образование двойной спирали молекулы ДНК, антипараллельность, правозакрученность,
комплементарноть цепей ДНК. Способность молекул к денатурации и ренатурации, зависимость от
условий среды и значение процессов.
3
Определение длины, молекулярной массы, числа витков в спирали и соотношение нуклеотидов в
молекуле ДНК.
Самовоспроизведение – уникальное свойство молекулы ДНК. Процесс репликации и участие в
нем ферментов. Значение репликации ДНК для передачи наследственной информации при размножении
клеток и организмов.
РНК, строение и разнообразие и роль в клетке. ДНК – матрица для синтеза всех видов РНК.
ДНК и РНК эукариотических, прокариотических клеток и вирусных частиц
Белки – основа жизни. Строение белка. Аминокислоты – мономеры белка: разнообразие
аминокислот и образование полипептидных цепей. Зависимость разнообразия белковых молекул от
числа, количественного состава и последовательности аминокислот в полипептидной цепи. Структуры
белковой молекулы. Денатурация и ренатурация белка. Функции белков.
Генетическая обусловленность белкового состава организма. ДНК – носитель информации о
белковом составе. Понятие о гене, как о единице наследственности. Принцип реализации
наследственной информации: «ген-белок-признак».
Генетический код и его свойства. Универсальность генетического кода.
Биосинтез белка. Транскрипция – синтез и-РНК на кодирующей цепи ДНК.
Переход и-РНК из ядра в цитоплазму к рибосомам. Процесс трансляции на рибосомах и роль в
нем т-РНК и р-РНК. Сборка полипептидной цепи. Матричный синтез белков.
Концепция оперона Ф. Жакоба, Ж. Моно и М. Львова. Строение оперона и механизм регуляции
синтеза белка.
Ошибки в молекуле ДНК. Мутации и причины возникновения. Мутагенные факторы. Типы
мутаций. Наследственные болезни человека, связанные с изменениями в ДНК.
Задачи гений инженерии. Плазмиды и их роль в клетке. Методы генной инженерии: рестрикция,
лигирование, трансформация, скрининг.
Клонирование генов. Создание клонотеки человека и ряда сельскохозяйственных животных.
Создание рекомбинированых молекул ДНК.
Генно-инженерная фармакология. Возможность исправления наследственных болезней человека.
Демонстрация: таблиц с изображением строения макромолекул белка и нуклеиновых кислот;
таблиц с изображением строения ДНК и РНК;
сборки структурных элементов в молекулу ДНК иРНК;
комплементарности оснований в ДНК;
таблицсо схемами фотосинтеза и этапов обмена веществ.
Практикум:Генетический код.
Катализ процессов разложения.
Энергетический обмен как совокупность реакций разложения. Этапы обмена. Подготовительный
этап, количественные характеристики и значение.
Бескислородный этап обмена—неполное расщепление веществ. Промежуточные и конечные
продукты, количественные характеристики и значение.
Кислородный этап обмена. Циклические реакции, их роль в образовании энергии.
Приуроченность кислородного обмена к митохондриям. Суммарные уравнения реакций обмена.
Фотосинтез. Автотрофы и гетеротрофы. Хлоропласты как материальная основа процессов
фотосинтеза. Современные представления о строении хлоропластов. Граны, мембранная основа их
строения. Совокупность пигментов хлоропласта. Особенности строения молекул хлорофилла.
Кооперативное функционирование пигментов. Пигментные системы. Спектры поглощения пигментов.
Пигментная система I. Световая фаза фотосинтеза. Однонаправленный процесс передачи квантов света
к реакционным центрам. Передача электронов промежуточными переносчиками к молекулам НАДФ и
их восстановление. Образование АТФ.
Функционирование пигментной системы II. Фотолиз воды с выделением кислорода и
образованием водорода. Темновая фаза. Поглощение углекислого газа и его восстановление до
углеводов. Потребление энергии и водорода в процессах синтеза.
Суммарное уравнение процессов фотосинтеза. Значение фотосинтеза и пути повышения его
продуктивности: оптимальный температурный режим, влагообеспечение, минеральный обмен, насыщение воздуха углекислым газом.
4
3. ДЕЛЕНИЕ КЛЕТКИ (12 ч)
Деление клетки как способ передачи наследственной информации. Способы деления клетки.
Митоз—часть жизненного цикла клетки. Стадии митоза. Интерфаза—подготовительный этап к
делению. Синтез белков, НК Редупликация ДНК, накопление энергии. Хромосомы как структурные
элементы ядра,их состав и строение. Хроматиды и хромонемы.
Профаза. Деление клеточного центра, образование веретена. Исчезновение оболочки ядра и
ядрышка. Спирализация хромосом Метафаза. Поведение хромосом. Образование метафазной
пластинки.
Анафаза. Расхождение хроматид к полюсам. Деспирализация
хромосом, формирование оболочки ядра, ядрышка, перегородки
клетки, Распределение органоидов,
Телофаза. Образование двух дочерних клеток.
Значение митоза. Мейоз—редукционное и эквационное деление. Редукционное деление как
процесс уменьшения хромосом вдвое. Профаза, конъюгация гомологичных хромосом, кроссинговер.
Метафаза, анафаза, телофаза редукционного деления. Фазы эквационного деления, особенности их и
значение: уменьшение числа хромосоми комбинации генов при мейозе.
Демонстрация таблиц, иллюстрирующих процессы митоза и
мейоза.
Практикум: Рассматривание под микроскопом митоза (на постоянных препаратах).
Проращивание лука. Приготовление временных и постоянных препаратов мейоза в клетках
корешков лука.
Генетика человека (50 ч)
Генетические
основы
антропогенеза.
Биомолекулярные
доказательства
животного
происхождения человека. Молекулярно-генетическое сходство человека и других приматов.
Происхождение рас и расогенез. Генетическое родство и генетические различия представителей разных
рас. Роль географической и социальной изоляции в формировании генофонда человечества.
Homosaрiens как единый полиморфический вид. Перспективы человека как биологического вида с точки
зрения генетики. Евгеника. Клонирование человека: морально-этический и научный аспекты проблемы.
Менделизм; закономерности наследования признаков у человека и типы их наследования —
аутосомно-доминантный и аутосомно-рецессивный. Наследственные заболевания. Моногенные
заболевания, наследуемые как аутосомно-рецессивные (фенилкетонурия, галактоземия, муковисцидоз и
т. д.), аугосомно-доминантные (ахондроплазия, полидактилия, анемия Минковского— Шоффара и т. д.),
сцепленные с Х-хромосомой рецессивные (дальтонизм, гемофилия, миопатия Дюшенна), сцепленные с
Х-хромосомой доминантные (коричневая окраска эмали зубов, витамин D-резистентный рахит и т. д.),
сцепленные с Y-хромосомой (раннее облысение, ихтиозис и т. д.).
Хромосомные и геномные наследственные заболевания, связанные с изменением числа целых
аутосом и их фрагментов (трисомии — синдром Дауна, синдром Патау, синдром Эдвардса; делеции —
синдром «кошачьего крика») и с изменением числа половых хромосом (синдромы Шерешевского—
Тернера, Кляйнфельтера, трисомии Х и т. д.).
Врожденные заболевания. Критические периоды в ходе онтогенеза человека. Терратогенные
факторы. Физические терратогены. Химические терратогены. Пагубное влияние на развитие плода
лекарственных препаратов, алкоголя, никотина и других составляющих табака, а также продуктов его
горения, наркотиков, принимаемых беременной женщиной. Биологические терратогены.
Болезни с наследственной предрасположенностью (мультифакториальные): ревматизм,
ишемическая болезнь сердца, сахарный диабет, псориаз, бронхиальная астма, шизофрения и т. д.),
особенности их проявления и профилактика.
Профилактика
наследственно
обусловленных
заболеваний.
Медико-генетическое
консультирование. Методы пренатальной диагностики. Достижения и перспективы развития
медицинской генетики. Генная терапия.
Демонстрация таблиц,иллюстрирующих схемы наследования признаков.
Практикум: решение задач на кодомирование, на аутосомно- доминантный и аутосомно –
рецессивный тип наследования, на наследование, сцепленное с полом. «Генеалогические древа»,
5
«Популяционная генетика и закон Харди—Вайнберга в применении к популяции человека»,
знакомство.
Общая генетика (22 ч)
Генетические эксперименты Г. Менделя. Закон единообразия гибридов первого поколения. Закон
расщепления. Доминантные и рецессивные признаки. Гомозиготы и гетерозиготы. Признаки:
сцепленные с полом, детерминированные полом, ограниченные полом. Кроссинговер, его роль в
обогащении наследственного аппарата клеток. Полигенное наследование у человека:
комплементарность, эпистаз, полимерия, плейотропное взаимодействие генов. Закон Т. Моргана.
Демонстрация таблиц,иллюстрирующих схемы наследования признаков.
Практикум: решение задач на: моногибридное скрещивание, анализирующее скрещивание,
неполное доминирование, возвратное скрещивание, ди – и полигибридное скрещивание, плейотропия,
наследование, сцепленное с полом и др.
IV. По окончании курса учащиеся должны:
уметь характеризовать:
-строение и роль в клетке биополимеров;
-строение макромолекул белка; имеющих характер информационных биополимеров;
-виды РНК, строение этих молекул и функции в клетке;
-особенности строения молекул нуклеиновых кислот как биополимеров; локализацию их в клетке.
уметь:
-выявлять, раскрывать, использовать связи строения и функции веществ в клетке,
-схематично изображать процесс удвоения ДНК;
- решать молекулярные задачи и упражнения;
-распознавать, узнавать, сравнивать молекулы ДНК и РНК.
знать:
-основные термины, понятия молекулярной биологии, биохимии, цитологии.
владеть умениями:
-излагать основное содержание курса;
-находить ответы на вопросы;
-использовать рисунки;
-самостоятельно изучать отдельные вопросы.
V.Литература
Для учащихся:
1.Богданова Т., Солодова Е. А. –Биология, справочник для старшеклассников и поступающих в вузы
2.Тарасенко Н. Д., Лушанова Г. И. –Что вы знаете о своей наследственности.
3.Франк-Каминецкий М. Д.- Самая главная молекула
4.Богданов А. А., Медников Б. М. – Власть над геном
6.Росмэн М. пер с англ. Большая книга для любознательных.
7.Большой справочник по биологии. М. изд. «АСТ»
8.Шевцов И.А. Популярно о генетике. Киев Наукова думка.
Для учителя:
1.Акуличива А. В., Алипова Н. Н., Гинзбург А. С., Васецкий С. Г. - Генетика и наследственность
(сборник статей)
2.Робертис Э., Новинский В., Саэс Ф. – Биология клетки. М. Мир
3.Кемп П., Армс К. – Введение в биологию. М. Мир
4.Вилли К. Биология. М. Мир.
5.Слюсарев А.А., Биология. М. Высшая школа.
6.Грин Н.,Стаут У., Тейлор Д.Биология в 3х томах перевод с англ. М. Мир
6
VI. Методическое обеспечение
1. Модель-аппликация "Деление клетки. Митоз и мейоз"
2. Модель-аппликация "Дигибридное скрещивание"
3. Модель-аппликация "Классификация растений и животных"
4. Эволюция высших растений
5. Модель-аппликация "Моногибридное скрещивание"
6. Модель-аппликация "Перекрест хромосом"
7. Модель-аппликация "Наследование резус-фактора"
8. Цифровая лаборатория учащегося по биологии (базовый уровень с нетбуком)
9. Штатив лабораторный биологический
10.Микроскоп школьный с подсветкой
11.Видеокамера для работы с оптическими приборами (0,3Мпикс)
12.Стереомикроскоп учебный
13.Комплект микропрепаратов для стереомикроскопа
14.Набор для микроскопирования по биологии (лоток)
15.Расходные материалы для кабинета биологии
Комплект таблиц по генетике и молекулярной биологии:
16. Строение ДНК
17. Фотосинтез
18. Строение клетки эукариот и прокариот.
19. Репликация ДНК
20. И-РНК
21. Вирусы
22. Строение митохондрий и хлоропласта
23. Мутационная изменчивость у растений
24. Мутационная изменчивость у животных
25. Модификационная изменчивость
26. Деление клетки – митоз
27. Мейоз. Овогенез. Сперматогенез.
Презентации:
1. Клонирование
2. Старение клеток
3. Синтез белка
4. Мейоз
5. Митоз
6. Нуклеиновые кислоты
7. Ферменты
8. Вирусы
9. Хромосомные заболевания
10. Биотехнология
11. Фотосинтез
12. Строение и функции хромосом
13. Мутации. Мутагены
14. Закон гомологических рядов
15. Кариотип человека
7
VII.Учебно-тематический план.
№ п/п
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
Тема
Кол – во
часов
Введение
История науки генетики. Грегор Мендель. Вторичное
открытие законов наследственности.
Классическая генетика. Рождение молекулярной генетики.
Молекулярная биология. Задачи, методы, достижения.
Биохимия клетки (6 часов практики)
Из истории развития клетки.
Разнообразие клеток
Химический состав клетки.
Строение клетки.
Открытие нуклеиновых кислот. Химическое строение и
свойства нуклеиновых кислот.
Механизм репликации ДНК. ДНК – полимераза.
Перестройка ДНК.
Биосинтез белка – основа реализации наследственной
информации.
Транскрипция ДНК. Информационная (матричная РНК).
РНК – полимераза. Инициация транскрипции.
Транскрипция РНК. Направление роста полипептидной
цепи.
Ген с позиции молекулярной теории. Тонкая структура гена.
Регуляция работы генов. Оператор. Оперон Репрессор.
Промотор.
Теория один ген – один фермент. Зависимость ген – белое.
Генетический код. Таблица генетического кода. Эволюция
кода. Практикум.
Мутации. Мутагены.
Мутагенез.
6
2
Закон гомологических рядов.
Ферменты. Структура. Механизм действия.
Практикум: изучение действия ферментов каталазы,
амилазы.
Современные представления о строении клеток прокариот.
Бактерии. Сине – зеленые водоросли.
Вирусы.
Химия клетки.
Метаболизм. Энергетический обмен.
Брожение. Цикл Кребса.
Анаболизм. Фотосинтез. Практикум.
Хемосинтез.
Биотехнология.
Генная инженерия. Задачи, достижения.
Деление клетки (2 часа практики)
Жизненный цикл клетки. Интерфаза. Редупликация ДНК.
Митоз. Практическая работа с микропрепаратами.
Амитоз. Онкологические заболевания.
Сроки
01.09
2
2
54
2
2
2
2
2
03.09
08.09
2
29.09
2
01.10
2
13.10
2
15.10
2
2
20.10
22.10
2
2
27.10
29.10
2
2
03.11
05.11
2
2
2
06.11
10.11
12.11
2
24.11
2
2
2
2
2
2
2
2
12
2
2
2
26.11
01.12
03.12
08.12
10.12
15.12
17.12
22.12
10.09
15.09
17.09
22.09
24.09
24.12
29.12
08.01
8
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
Мейоз- деление половых клеток. Конъюгация и
кроссинговер.
Причины старения клеток.
Факторы, влияющие на деление клеток.
Генетика человека (12 часов практики)
Первые достижения в области генетики человека. Евгеника.
Развитие медицинской генетики.
Индивидуальные биохимические отличия.
Цитогенетика, генетика соматических клеток.
Методы исследования ДНК в цитогенетики человека.
Нормальный кариотип человека в митозе и мейозе.
Хромосомные заболевания человека.
Синдромы, связанные со структурными аномалиями числа
хромосом. Структурные аномалии аутосом.
Половые хромосомы. Хромосомные абберации.
Тонкая структура генов человека. Хроматин. Динамичность
генома.
Менделеевские типы наследования и приложения их к
человеку.
Кодоминантный тип наследования.
Решение задач на кодоминирование. Практикум.
Аутосомно – доминантный и аутосомно – рецессивный
типы наследования.
Решение задач на аутосомно – доминантный и аутосомно –
рецессивный типы наследования. Практикум.
Х – сцепленные типы наследования.
Решение задач на наследование, сцепленное с полом.
Практикум.
Родословные.
Решение задач на родословные. Практикум.
«Летальные факторы». Гены – модификаторы.
Закон Харди – Вайнберга и его приложения. Генные
частоты.
Решение задач на применение закона Харди – Вайнберга.
Практикум.
Наследование групп крови, Rh – комплекса. Практикум.
Концепция: природа - воспитание. Близнецовый метод.
Современное представление о генетике широко
распространенных заболеваний.
Общая генетика. (20 часов практики)
Моногибридное скрещивание. 1 – ый закон Менделя.
Решение задач. Анализирующее скрещивание. Неполное
доминирование. Возвратное скрещивание. Решение задач.
Практикум.
Ди – и полигибридное скрещивание. Решение задач.
Практикум.
Множественные аллели. Решение задач. Практикум.
Плейотропия. Решение задач. Практикум.
Пенетрантность. Решение задач. Практикум.
Сцепление признаков. Закон Т. Моргана. Решение задач.
Практикум.
Наследование, сцепленное с полом. Решение задач.
Практикум.
2
12.01
2
2
50
2
2
2
2
2
2
2
2
14.01
19.01
2
2
25.02
26.02
2
01.03
2
2
2
03.03
10.03
11.03
2
15.03
2
2
17.03
22.03
2
2
2
2
24.03
29.03
31.03
05.04
2
07.04
2
2
2
19.04
21.04
26.04
22
2
29.04
2
29.04
2
2
2
2
03.05
05.05
10.05
12.05
2
17.05
21.01
26.01
28.01
02.02
04.02
09.02
11.02
24.02
9
69
70
71
72
Взаимодействие неаллельных генов. Комплементарность.
Решение задач. Практикум.
Взаимодействие неаллельных генов. Эпистаз. Решение
задач. Практикум.
Взаимодействие неаллельных генов. Полимерия. Решение
задач. Практикум.
Популяционная генетика.
2
18.05
2
19.05
2
23.05
2
24.05
10
11