Кейс «Что такое ДНК?»

Муниципальное БЮДЖЕТНОЕ образовательное учреждение

дополнительного образования

«ДЕТСКИЙ ТЕХНОПАРК «КВАНТОРИУМ»

Кейс «Что такое ДНК?»

4 часа

Автор-составитель:

Овчинникова Людмила Павловна,

ПДО МБОУ ДО Кванториум

Комсомольск-на-Амуре,

2020

Содержание

1.    Проблемная ситуация. 3

2.    Привязка к предметным областям знаний: 3

3.    Цель кейса, задачи кейса. 3

4.    Планируемые результаты кейса. 4

5.    Оборудование и материалы. 4

6.    Этапы реализации. 4

8.    Список использованных источников. 13

1.      Проблемная ситуация.

В организме живых существ ДНК осуществляет хранение генетической информации, ее реализацию и передачу по наследству. В ДНК также закодирована информация о структуре РНК и белков. Возникновение нарушений в строении генома обуславливает развитие различных генетических заболеваний. Учёные выяснили, что в современном мире почти каждый второй человек (44%) является носителем как минимум одной генетической мутации, которая может передаться ребёнку по наследству и привести к его тяжёлой болезни. Поэтому очень важно знать особенности строения и функций ДНК.

Кейс имеет практическое значение, так как учащиеся с помощью различных видов деятельности знакомятся с понятием ДНК, строением, функциями способами выделения из растительной клетки. При работе над данным кейсом формируются навыки командной работы, презентации полученных результатов.

Педагогическая ситуация.

Учащиеся знают, что в животной клетке есть молекула ДНК, но то, что ДНК есть в растительной клетке знают далеко не все. Цель кейса показать, что у растительной клетки есть ДНК, её можно выделить и рассмотреть.

В рамках школьного курса биологии изучают строение ДНК, но как правило, этого недостаточно для понимания важности её специфических свойств. Учащиеся не имеют представлений о значении ДНК не имеют лабораторных навыков для её выделения.

Трудности, возникающие при изучении молекулы ДНК, её строении, функциях, выделении. Учащимся необходимо понимать правила работы с оборудованием, техникой выполнения работы.

2.                  Привязка к предметным областям знаний:

Биология, генетика.

3.                  Цель кейса, задачи кейса.

Цель: Сформировать представление о строении и способах выделения из растительной клетки молекулы ДНК.

Задачи:

1) Образовательные:

-                   сформировать знания о ДНК как о носителе наследственной информации;

-                   сформировать представление об особенностях строения молекулы ДНК как полимера;

-                   сформировать умения и навыки проведения лабораторной работы по выделению ДНК из растительной клетки;

2) Развивающие:

-                   способствовать развитию самостоятельного формулирования проблемы исследования и составления поэтапной структуры будущего самостоятельного исследования;

-                   формировать умение логически рассуждать, четко, кратко и исчерпывающе излагать свои мысли;

-                   создать условия для развития таких аналитических способностей учащихся, как умение анализировать, сопоставлять, сравнивать, обобщать познавательные объекты, делать выводы;

3) Воспитательные:

-                   воспитывать ответственность за результаты учебного труда, понимание его значимости, соблюдение техники безопасности;

-                   способствовать развитию культуры взаимоотношений при работе в малых группах;

-                   поддерживать интерес к предмету через выполнение практических работ.

4) Продуктовые:

- создание 3D модели молекулы ДНК при помощи 3D-ручки.

4.                  Планируемые результаты кейса.

-Выполнение практической работы «Выделение ДНК из растительных клеток»

- Создание модели молекулы ДНК с помощью 3D-ручки

5.                  Оборудование и материалы.

Презентация «Что такое ДНК?», интерактивная доска, проектор, раздаточный материал (технологическая карта «Выделение ДНК из растительной клетки», рабочийтекс «Строение ДНК», «Способы выделения ДНК»), растительный объект, поваренная соль, пищевая сода, дистиллированная вода, спирт этиловый от 95%, средство для мытья посуды, химический стакан, пробирки, ступка с пестиком, мерный стакан, чайная ложка, ступка с пестиком, пипетки, 3D-ручки.

6.      Этапы реализации.

Дорожная карта кейса:

Этап работы	Цель	Описание	Планируемый результат
Введение 40 мин.	1. Познакомить учащихся с темой кейса и педагогической ситуацией. 2. Сформировать знания обучающихся о понятии ДНК, истории её изучения. 3. Создать условия для формирования учащимися целей и задач кейса.	1. Проведение блиц-опрос «Что мы знаем о ДНК?». Выявление уровня знаний, информирования молекуле ДНК. Демонстрация презентации «Что такое ДНК?»: рассматриваем понятие ДНК, история изучения. После изучения презентации, учащиеся выходят на определение цели кейса, формулируют шаги к достижению этой цели – задачи. Педагог направляет, корректирует их рассуждения.	1. Учащиеся ознакомлены с темой кейса, педагогической ситуацией. 2. Сформированы знания обучающихся о понятии, история изучения ДНК. 3. Обучающимися сформированы цели и задачи кейса.
Подготовительный 30 мин.	1. Разделение учащихся на 2 команды (2-6 человек).	Каждому учащемуся выдается цветной жетон. 1.Желтый жетон обозначает, что ребенок будет работать в группе «Профессоры генетики». Данная группа будет создавать 3D молекулу ДНК. 2.Зеленый жетон обозначает, что ребенок будет работать в группе «Генные инженеры» Данная группа будет выделять ДНК из растительных клеток. После получения стикеров, учащиеся объединяются в группы.	Сформированы рабочие команды обучающихся.
	2. Составление плана вопросов на которые следует ответить в течение занятия каждой команде.	Педагог выдает командам распечатанные текстовые заготовки по темам с заданиями: 1.  Рабочий текст «Строение ДНК». Задание: Создать модель молекулы ДНК при помощи 3D-ручки (приложение 2). 2.  Рабочий текст «Способы выделения ДНК»; Лабораторная работа: «Растительный микромир: ДНК растений своими глазами» приложение 1). Обучающиеся составляют вопросы, которые следует изучить, чтобы выполнить задания. Педагог направляет, корректирует их рассуждения.	Определены ряд вопросов, на которые стоит ответить при  решении задания кейса.
Реализационный 100 мин	1. Создание 3D модели молекулы ДНК с помощью 3D-ручки.	1. Группа «Профессоры генетики» Участники команд изучают выданный рабочий текст, подготавливают краткий доклад по вопросам, создают презентацию в PowerPoint (3-5 слайдов). В Хайтек–цехе (совместно с педагогом Хайтек) изучают принцип работы 3D-ручки, создают модель (или фрагмент) молекулы ДНК любого существа.	Создана 3D модель молекулы ДНК с помощью 3D-ручки.
	2. Выделение ДНК из растения.	Группа «Генные инженеры» Участники команд изучают выданный рабочий текст, подготавливают краткий доклад по вопросам, создают презентацию в PowerPoint (3-5 слайдов). Выполняют лабораторную работу по выделению ДНК из растения.	Выполнена практическая работа по выделению ДНК.
	Учащиеся меняются командами, выполняют задания и сравнивают результаты работ.
Наблюдательный	Наставник мониторит работу в группах, следит за общением, направляет деятельность обучающихся на достижение поставленных задач.
Экспертный 30 минут	Защита командами выполненных заданий.	Каждая команда по очереди представляет результаты своей деятельности, демонстрирует выполненные задания. Другие учащиеся задают интересующие вопросы. Обсуждение результатов работы над задачами кейса.	Учащиеся самостоятельно анализируют уровень овладения учебным материалом.
	Рефлексия	Учащимся раздаются конструкторы химических молекул, нужно составить правильно молекулу ДНК.	Учащиеся составляют молекулу.

7. Дополнение:

История изучения.

Сегодня почти каждый знает, что такое ДНК и зачем она нужна, но так было, естественно не всегда. Люди, изучая наследование признаков, не знали, какое именно вещество несет информацию.

Впервые ДНК была выделена в 1869 году Фридрихом Мишером, но этому веществу не было придано должного значения. В 1928 году Грифитс проводил опыты на пневмококке и пришел к странным выводам: он обнаружил, что непатогенных бактерий можно превратить в патогенных посредством введения какого-то вещества, которое содержится в клетках и его можно оттуда извлечь. Решение этому курьезу было найдено только через 15 лет.

В то время, когда на планете бушевала вторая мировая война, и на полях ее сражений решались судьбы человеческой цивилизации, в тиши лабораторий Эвери и Мак Карти решали судьбу самого человечества. Естественно, они об этом даже не подозревали. Но именно ими тогда было показано, что полимерными молекулами дезоксирибонуклеиновой кислоты, т. е. химически очищенным веществом, впервые полученным еще в конце прошлого столетия Мишером, можно передавать наследственные признаки. Вещество является материальным носителем наследственности.

Тогда это было сделано на микроорганизмах. Но иллюзий, что такое возможно только для них, уже не питал никто. И когда Уотсон и Крик выбрали для расшифровки пространственной структуры именно ДНК – они знали что делали.

В 1953 году Дж. Уотсон и Ф. Крик создали пространственную модель молекулы ДНК (показать модель). За эту самую модель они получили Нобелевскую премию. В чем важность этого открытия и что оно за собой повлекло?

Строение ДНК.

Нуклеиновые кислоты являются высокомолекулярными нерегулярными полимерами. Что это значит? Каков их элементарный состав? (C,H,O,N,P) Их мономеры – нуклеотиды – сложные вещества, состоящие из:

Ø    азотистого основания;

Ø    углевода;

Ø    остатка фосфорной кислоты.

Какой углевод входит в состав ДНК и РНК? Сколько атомов углерода в нем?

Мономеры соединяются между собой через пентозу в С₃ положении и остаток фосфорной кислоты с помощью фосфорной диэфирной связи.

Азотистое основание - пентоза (у РНК - рибоза, у ДНК - дезоксирибоза) - остаток фосфорной кислоты.

В природе существует всего 5 типов нуклеотидов, т.е. всего 5 типов азотистых оснований входит в состав нуклеиновых кислот. В ДНК это аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц), тимин (Т). В РНК вместо тимин – урацил (У). Основания принято обозначать первой буквой их названия.

Основания способны соединяться попарно А-Т(У), Г-Ц.

Они комплиментарные, т.е. дополняют друг друга. А-Т связаны двумя водородными связями, а Г-Ц – тремя (показать на таблице)

Нуклеиновые кислоты подобно белкам имеют первичную структуру – последовательность нуклеотидов. Расположение нуклеотидов важно, так как задает последовательность аминокислот в кодируемых белках. Вторичную структуру – две комплиментарные цепи, и третичную – пространственную структуру, которую и установили Уотсон и Крик.

Запишите: Структура ДНК - двухцепочная правозакрученная спираль, один виток которой –10 нуклеотидов, а расстояние между нуклеотидами 0.34 нм. Цепи направлены в противоположные стороны – антипараллельны.

ДНК – уникальнейшие молекулы в природе, благодаря которым возможно хранение, передача, и воспроизведение наследственной информации в разных поколениях клеток, организмов, видов и т.д.

А где хранится ДНК в клетке эукариот и прокариот?

Перед делением ДНК должно удвоиться, для того чтобы каждая клетка получила точно такую же генетическую информацию, какая была в исходной клетке. В какой фазе клеточного цикла это происходит?

Две цепи исходной молекулы расходятся, потому что разрываются слабые водородные связи между азотистыми основаниями. Каждая цепочка служит матрицей для новой (нарисовать на доске). Сборка идет по принципу комплиментарности А-Т, Г-Ц. Такой способ называется полуконсервативным.

РНК.

Информация, хранящаяся в ДНК должна реализоваться в виде белков. Для этого служит РНК – переносит информацию о последовательности аминокислот в белках, т.е. от хромосом к месту синтеза белков и участвует в синтезе.

Назовите 2 структурных отличия РНК от ДНК?

Существует три типа РНК – это информационная (матричная) и-РНК, транспортная т-РНК и рибосомная р-РНК.

Все три типа синтезируются непосредственно на ДНК.

АТФ.

Аденозинтрифосфорная кислота. Универсальный биологический аккумулятор энергии. Высококалорийное клеточное «топливо». Содержит 2 макроэргические связи. Макроэргическими называются соединения, в химических связях которых запасена энергия в форме, доступной для использования в биологических процессах.

Строение:

Аденин углевод

АДФ + энергия + 1 молекула Н3РО4

АМФ + энергия + 1 молекула Н3РО4

Приложение 1.

Технологическая карта «Растительный микромир: ДНК растений своими глазами»

Название	«Растительный микромир: ДНК растений своими глазами»
ФИО преподавателя, должность, место работы	Овчинникова Людмила Павловна педагог дополнительного образования, МБОУ ДО «Детский технопарк «Кванториум» г. Комсомольск-на-Амуре
Цель	Познакомить учащихся со способами выделения ДНК из растительной клетки.
Задачи	Научить учащихся способам выделения ДНК из растительной клетки; Развитие познавательного интереса, умения обобщать и сравнивать, анализировать, способствовать творческому самовыражению, желания получить правильный результат через мотивацию успеха; Воспитывать культурно - гигиенические навыки, интерес к экспериментальной деятельности.
Оборудование	Растительный объект; поваренная соль; пищевая сода; дистиллированная вода; спирт этиловый от 95%; средство для мытья посуды; химический стакан; пробирки; ступка с пестиком; мерный стакан; чайная ложка, ступка с пестиком; пипетки.
Ход работы	Техника безопасности. Техника выполнения работы. Подготовка к работе: 1.                  Заморозить лёд. 2.                  Поставить спирт в холодильник, так как он тоже должен быть холодным. Практическая работа: 1.                  Наливаем 120 мл дистиллированной воды в стакан; 2.                  Добавляем 1/2 чайной ложки поваренной соли и 1 чайную ложку пищевой соды; 3.                  Ставим раствор охлаждаться в емкость, заполненную льдом; 4.                  Пока раствор охлаждается, готовим биологический материал, банан. Кладем его в ступку и тщательно разминаем пестиком; 5.                  Добавляем чайную ложку средства для мытья посуды, приливаем две столовые ложки охлажденного буфера и очень тщательно давим пестиком в течение 3-4 минут; 6.                  Отделяем раствор от оставшихся твердых частиц. Для этого фильтруем раствор через воронку и фильтровальную бумагу. Должно получиться 5-10 мл раствора; 7.                  Аккуратно переливаем в высокий узкий стеклянный сосуд (пробирку); 8.                  Дальше аккуратно по стеночке приливаем спирт к фильтрату; 9.                  Ждем минут 5-10. Можно поставить пробирку в стакан со льдом; Если присмотреться, то можно увидеть, что слой спирта находится над фильтратом, так как имеет другую плотность. И именно на границе слоев через несколько минут появятся полупрозрачные белые нити – это и будет то, ради чего затевался весь эксперимент.
Продолжительность	30 минут
Для кого	Обучающиеся ОУ города

Приложение 2.

Технологическая карта «Создание 3D – модели ДНК при помощи 3D- ручки»

Название	Создание 3D – модели ДНК при помощи 3D- ручки»
ФИО преподавателя, должность, место работы	Овчинникова Людмила Павловна педагог дополнительного образования, МБОУ ДО «Детский технопарк «Кванториум» г. Комсомольск-на-Амуре
Цель	Создание 3D – модели ДНК при помощи 3D- ручки
Задачи	Научить учащихся создавать 3D- модель ДНК. Развивать пространственное мышление, мелкую моторику, творческую фантазию. Воспитывать стремление к качеству выполняемых изделий, ответственность при создании индивидуального проекта, адекватную самооценку своей работе.
Оборудование	Трафарет «Молекула ДНК», 3D-ручка, пластик.
Ход работы	Техника безопасности. 1.         Включаем 3D- ручку. 2.         Кладем перед собой трафарет. 3.         После того, как ручка нагрелась, вставляем пластик. 4.         Обводим трафарет по контуру. 5.         Прорисовываем все оставшиеся детали. 6.         Ждем пока рисунок остынет и отлепляем модель ДНК от трафарета. 7.         При помощи фена немного нагреваем модель ДНК и пока она тёплая придаём ей форму спирали. 8.         Смотрим полученный результат.
Продолжительность	20 минут
Для кого	Обучающиеся ОУ города

8.      Список использованных источников.

1.      Франк-Каменецкий М. Самая главная молекула: От структуры ДНК к биомедицине XXI века / Максим Франк-Каменецкий ; — М. : Альпина нонфикшн, 2017. — 336 с. : ил ISBN 978-5-91671-648-1

2.      Клёсов А.А. ДНК-генеалогия от А до Т / А.А. Клёсов ; изд.: Книжный мир; Москва; 2016. -214 с.: ил ISBN 978-5-8041-0873-2

3.      Дж. Уотсон Двойная спираль / Дж. Уотсон Издательства Харвест, Neoclassic, АСТ, М. -2013. – 224 с. ил. ISBN 978-5-17-079796-7

4.     Строение ДНК Аксянов Е.А., 2008 ФББ МГУ 1. A-, B-DNA 2. Электронный учебник.