проектная работа "Моделирование биополимеров"

Муниципальное бюджетное образовательное учреждение

средняя общеобразовательная школа №5

города Лобни Московской области

ПРОЕКТ

Моделирование биополимеров

Авторы:

ученики 10 «А» класса

Илюхина Анастасия

Лаптева Арина

Лапенкова Алевтина

Насырова Фарида

Научный руководитель:

учитель биологии

Н.В.Тумакова

г.Лобня

2013

Содержание

Введение        3

Обзор литературы        5

Реализация проекта        9

Информация об инициативной группе        9

Рабочий план - график реализации проекта        9

Результаты реализации проекта        10

Материалы и оборудование        10

Заключение ………………………………………………………………………11

Список литературы        12

Приложение        13

Введение

Объемные модели и манипуляционные игры используются на уроках общей биологии нечасто. Однако это не только весьма эффективный способ изучения строения сложных молекул, но и важный компонент развития пространственного воображения у учеников, тренировки их мышления.

Обучающие модели – это строго выстроенные, структурированные интерактивные объекты, сценарии которых основаны на проверенных правилах, заданиях и стратегиях; задачей таких моделей является развитие определенных компетенций, которые могут быть перенесены пользователем в реальный мир. Игра – это вовлекающая самоподкрепляющаяся деятельность, преимущественно используемая для развлечения; однако накоплен большой опыт использования игр для изучения и практического применения чего-либо: набора инструментов, идей или действий. Хотя приведенные определения отнесены авторами к компьютерным играм и моделям – виртуальным симуляторам, их можно применить и к другим видам игр и моделей, в том числе основанным на манипулировании материальными объектами.

Заданиям с объемными моделями и пространственными манипуляционными играми в общеобразовательной школе очень не повезло. Учителя их воспринимают как роскошь и затратное времяпровождение без особой пользы. Ученики, привыкшие к логико-словесному методу обучения, также склонны воспринимать практически любое задание с пространственными объектами как игру. Многие учителя верят, что достаточно визуализировать объект (например, показать на рисунке модель молекулы), чтобы ученики проделали необходимые операции в воображении. В условиях когда «компьютерное» по умолчанию считается передовым, инновационным, расширять ассортимент манипуляционных заданий и вовсе кажется лишним – ненужными затратами времени и ресурсов. Так принцип наглядности «входит в клинч» с другими дидактическими принципами, в первую очередь доступностью и активностью обучения. Следствием этого являются проблемы с пространственным воображением у многих учащихся.

Главной целью нашего проекта является создание пространственных моделей биополимеров (белков, нуклеиновых кислот). Для реализации проекта мы поставили следующие задачи:

1. Изучить особенности строения полимеров.
2. Отобрать материалы для создания моделей.
3. Проанализировать варианты их использования.

Обзор литературы

1. Высокомолекулярные полимеры – белки

Из органических веществ, входящих в живую клетку, важнейшую роль играют белки. На их долю приходится около 50% массы клетки. Благодаря белкам организм приобрел возможность двигаться, размножаться, расти, усваивать пищу, реагировать на внешние воздействия и т. д.

 «Жизнь есть способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой, причем с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь, что приводит к разложению белка», – писал Энгельс в своих трудах.

Белки – это сложные высокомолекулярные природные соединения, построенные из аминокислот. В состав белков входит 20 различных аминокислот, отсюда следует огромное многообразие белков при различных комбинациях аминокислот. Как из 33 букв алфавита мы можем составить бесконечное число слов, так из 20 аминокислот – бесконечное множество белков. В организме человека насчитывается до 100 000 белков. Белки подразделяют на протеины (простые белки) и протеиды (сложные белки).

 Число аминокислотных остатков, входящих в молекулы, различно: инсулин – 51, миоглобин – 140. Отсюда Mr белка от 10 000 до нескольких миллионов.

Историческая справка. Первая гипотеза о строении молекулы белка была предложена в 70-х годах XIX в. Это была уреидная теория строения белка. В 1903 г. немецкий ученый Э.Г. Фишер предложил пептидную теорию, которая стала ключом к тайне строения белка. Фишер предположил, что белки представляют собой полимеры из остатков аминокислот, соединенных пептидной связью NH–CO. Идея о том, что белки – это полимерные образования, высказывалась еще в 1888 г. русским ученым А.Я. Данилевским. Эта теория получила подтверждение в последующих работах. Согласно полипептидной теории белки имеют определенную структуру.

Многие белки состоят из нескольких полипептидных частиц, которые складываются в единый агрегат. Так, молекула гемоглобина (С738Н1166S2Fe4O208) состоит из четырех субъединиц. Отметим, что Mr белка яйца = 36 000, Mr белка мышц = 1 500 000.

Структура белка

Первичная структура белка – последовательность чередования аминокислотных остатков (все связи ковалентные, прочные) .

Вторичная структура – форма полипептидной цепи в пространстве. Белковая цепь закручена в спираль (за счет множества водородных связей).

Третичная структура – реальная трехмерная конфигурация, которую принимает в пространстве закрученная спираль (за счет гидрофобных связей), у некоторых белков – S–S-связи (бисульфидные связи)

Четвертичная структура – соединенные друг с другом макромолекулы белков образуют комплекс

Денатурация – нарушение природной структуры белка под действием нагревания и химических реагентов.

 Функции белков

Функции белков разнообразны.

1) Строительный материал – белки участвуют в образовании оболочки клетки, органоидов и мембран клетки. Из белков построены кровеносные сосуды, сухожилия, волосы.

2) Каталитическая роль – все клеточные катализаторы – белки (активные центры фермента). Структура активного центра фермента и структура субстрата точно соответствуют друг другу, как ключ и замок.

3)Двигательная функция – сократительные белки вызывают всякое движение.

4) Транспортная функция – белок крови гемоглобин присоединяет кислород и разносит его по всем тканям.

5) Защитная роль – выработка белковых тел и антител для обезвреживания чужеродных веществ.

6) Энергетическая функция – 1 г белка эквивалентен 17,6 кДж.

Содержание белков в различных тканях человека неодинаково. Так, мышцы содержат до 80% белка, селезенка, кровь, легкие – 72%, кожа – 63%, печень – 57%, мозг – 15%, жировая ткань, костная и ткань зубов – 14–28%.

 Белки – необходимые компоненты пищевых продуктов, они входят в состав лекарственных препаратов.

2. Нуклеиновые кислоты

ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) — сложное органическое соединение, обеспечивающее хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов. В ней содержится информация о структуре различных видов РНК и белков. Структура ДНК была смоделирована в 1953 г. в США учеными Д. Уотсоном и Ф. Криком. ДНК представляет собой двойной неразветвленный линейный полимер, закрученный спирально, за исключением одноцепочечной молекулы ДНК вирусов и кольцевой ДНК бактерий, пластид и митохондрий. В клетках эукариот (животных, растений и грибов) ДНК находится в ядре клетки в составе хромосом, а также в некоторых клеточных органоидах (митохондриях и пластидах). В клетках прокариотических организмов (бактерий и архей) она прикреплена изнутри к клеточной мембране. Мономерами ДНК являются нуклеотиды. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, остатка фосфорной кислоты и углевода дезоксирибозы. В одной молекуле ДНК насчитывается 10-25 тыс. нуклеотидов четырех типов, различающихся по азотистому основанию: в адениловый (А) нуклеотид входит аденин, в гуаниловый (Г) — гуанин, в тимидиловый (Т) — тимин, в цитидиловый (Ц) — цитозин. Нуклеотиды двух цепочек ДНК соединены комплементарно (дополняя друг друга) через азотистые основания водородными связями: А = Т, Г = Ц, а внутри одной цепочки — через остатки фосфорной кислоты. Комплементарность двойной спирали означает, что информация, содержащаяся в одной цепи, содержится и в другой цепи. Обратимость и специфичность взаимодействий между комплементарными парами оснований важна для репликации ДНК и всех остальных функций ДНК в живых организмах.

 Количество ДНК в ядре строго постоянно. Структура ДНК каждой особи постоянна и стабильна. Изменение молекулы ДНК (генная мутация) приводит к появлению новых признаков и свойств организма, так как вызывает синтез новых белков.

                                                    Функции ДНК.

1. Хранение наследственной информации о структуре белков или отдельных ее органоидов. Наименьшей единицей генетической информации после нуклеотида являются три последовательно расположенных нуклеотида - триплет. Последовательность триплетов в полинуклеотидной цепи определяет последовательность расположения аминокислот одной белковой молекулы (первичную структуру белка) и представляет собой ген. Вместе с белками ДНК входят в состав хроматина, вещества, из которого состоят хромосомы ядра клетки.              

2. Передача наследственной информации в результате репликации при клеточном делении от материнской клетки - дочерним.

3. Реализация наследственной информации (хранящейся в виде генов) в результате матричных реакций биосинтеза через выработку специфических для клетки и организма белков. При этом на одной из ее цепей по принципу комплементарности из нуклеотидов окружающей молекулу среды синтезируются молекулы информационной РНК.

                                        Взаимодействие с белками

Все функции ДНК зависят от её взаимодействия с белками. Взаимодействия могут быть как неспецифическими, когда белок присоединяется к любой молекуле ДНК или зависеть от наличия особой последовательности. Ферменты также могут взаимодействовать с ДНК, из них наиболее важные это РНК-полимеразы, которые копируют последовательность оснований ДНК на РНК в транскрипции или при синтезе новой цепи ДНК — репликации.

Реализация проекта

Для реализации проекта была создана инициативная группа из учеников 10 класса, составлен план работы над проектом. Изучение теоретического материала проводилось на уроках биологии и во внеурочное время. Было предложено несколько вариантов создания моделей: из пластилина, бумаги, кубиков и даже мармелада. При моделировании из пластилина было предложено закреплять детали лаком для долговечности. Ученики смоделировали модели:  нуклеотида, ДНК, первичной, вторичной, третичной структуры белка. (Приложение). Было решено продолжить проект на следующий год и сделать другие варианты.

Инициативная группа

Ученики 10 А класса:

1. Илюхина Анастасия
2. Лаптева Арина
3. Лапенкова Алевтина
4. Насырова Фарида

Учитель : Тумакова Наталия Валентиновна

Рабочий план – реализация проекта

Сентябрь 2012 года – определение темы проекта и инициативной группы учащихся.

Октябрь 2012 года – изучение теоретического материала. Выбор материалов для создания моделей, сборка моделей.

Ноябрь 2012 года – показ моделей на уроках биологии.

Декабрь 2012 года – оформление работы.

Материалы для реализации проекта

1. Пластилин
2. Бумага
3. Клей, лак
4. Разноцветные конфеты
5. Кубики цветные

Результаты реализации проекта

1. Познакомились с историей открытия белков и ДНК, их строением и функциями.
2. Разобрали возможные варианты создания моделей.
3. Смоделировали модели: нуклеотида, ДНК, первичной, вторичной, третичной структуры белка.
4. На уроках биологии и химии показывали модели, изучали их строение.

Заключение

Создание пространственных моделей весьма эффективный способ изучения строения сложных молекул, а также важный компонент развития пространственного воображения у учеников, тренировки их мышления. При сборке таких моделей улучшается запоминание сложных тем курса «Общей биологии».  В ходе реализации проекта сформировалась дальнейшая работа над проектом:

1. Использовать модели на уроках биологии при изучении нового материала и закрепления;
2. Создать разборные модели биополимеров для проведения практических работ на уроках биологии;
3. Использовать модели на уроках химии для укрепления метапредметных связей;
4. Смоделировать биополимеры из более разнообразных материалов;
5. Вовлечь в моделирование большее количество учеников.

Список литературы

1. Беляев Д.К., Воронцов Н.Н., Дымишц Г.М. и др. Общая биология. М.: Просвещение, 1999, 287 с
2. Высоцкая М.В. Биология. Экология. 10-11 классы. Проектная деятельность учащихся. Изд.Учитель. 2008.
3. Игры на уроках биологии. Классификация игр. Логические игры// Биология. № 14. 2011. С. 31–36.
4. Козленко А.Г. Моделирование биополимеров // Биология. 1 сентября, № 3. 2012. С.24-29
5. Кузовая Т.В., Калякина Е.А. Белки. «Химия» (Издательский дом «Первое сентября»), 2003, № 3, с. 14;
6. Мустафин А.Г. Биология. Для выпускников школ и поступающих в вузы. Учебное пособие. Изд. КноРус. 2013.
7. Смирнов А.В. Мир белковых молекул: жизнь на молекулярном уровне. Элективный курс. Учебное пособие. Изд. Бином. Лаборатория знаний. 2011.

Приложения