Введение.
Предмет "Биология", как и любая другая учебная дисциплина средней школы, представляет собой систему понятий, отражающих основы науки. Основные научные понятия биологии для школьного курса специально отобраны, дидактически переработаны, расположены в определенном порядке, развиваются в логической последовательности и находятся во взаимосвязи между собой.
Биологические знания – важнейшая составная часть общечеловеческой культуры. В результате изучения биологического курса у выпускников средней школы должна быть сформирована биологическая картина мира, где центральным звеном биологического знания являются биологические понятия. Их формирование – это длительный и сложный процесс, требующий от учителя грамотного подбора педагогических технологий.
Одним из фундаментальных понятий, как биологии, так и жизни вообще, является понятие “генетический код”. Знание генетического кода имеет большое значение для любой области биологии, а также для многих отраслей химической, пищевой и фармацевтической промышленности, для развития генетики, микробиологии, генной инженерии, медицины, селекции и сельского хозяйства.
Фазы образования понятия “Генетический код”:
1. Мотивировка.
На этапе создания условий для осознания учащимися необходимости нового способа описания своего предыдущего опыта ученикам уже известна центральная догма молекулярной биологии:
| ДНК | иРНК | Белок |
| 1. Хранит наследственную информацию. 2. Позволяет сканировать часть (ген) информации и вынести из банка данных. |
1. Является копией части ДНК (гена), в котором заложена
информация о белке. 2. Позволяет многократно использовать сканированную информацию для синтеза белка. |
1. Является внешним проявлением гена: признак, свойство, качество организма. |
ДНК, иРНК и белки являются биополимерными макромолекулами, причем ДНК – двухцепочечная молекула, а иРНК и белок – одноцепочечные молекулы. Кроме того, нуклеиновые кислоты состоят из 4-х нуклеотидов, а белки – из 20-ти аминокислот.
Возникает вопрос: Как на матрице, состоящей из последовательности 4-х нуклеотидов, синтезировать белок, состоящий из последовательности 20-ти аминокислот?
2. Категоризация.
После постановки проблемного вопроса наступает следующая фаза образования понятия “генетический код”. На этом этапе вводятся знаково-символические и визуальные обозначения понятия, выделяются его частные и общие признаки.
Ученики понимают, что для выражения одной знаковой системы другой знаковой системой необходим код (шифр). Использование шифра ученикам хорошо известно из своего жизненного опыта, поэтому в ходе занятия приводятся различные примеры.
В произведении А. Конан Дойля “Пляшущие человечки” буквам английского алфавита соответствуют рисунки фигурок людей:
В произведении А.Э.По “Золотой жук” буквам английского алфавита соответствуют цифры и знаки:
Генетический код – свойственная всем живым организмам единая система "записи" наследственной информации в молекулах нуклеиновых кислот в виде последовательности нуклеотидов, которая определяет последовательность аминокислот в каждом белке животных, растений, бактерий и вирусов планеты Земля.
Алфавит генетического кода: А – аденин, Т – тимин (У – урацил), Г – гуанин, Ц – цитозин. Это названия азотистых оснований, которые входят в состав нуклеотидов и отличают их друг от друга. Таким образом, из 4-х нуклеотидов можно строить бесконечно длинные цепочки нерегулярных биополимеров: -А-А-Т-Г-Ц-Ц-Т-А-А-Т-Т-Ц– .
Синтез второй цепочки ДНК, сканирование информации с ДНК об одном белке и синтез иРНК осуществляется по принципу комплементарности или взаимодополняемости. По сути, принцип комплементарности – образование постоянных неизменных комплексов между азотистыми основаниями нуклеотидов:
Так как химическое строение всех нуклеиновых кислот и белков одинаково, ученики выходят на формулировку такого свойства генетического кода, как универсальность – единство для всех живущих на Земле.
Используя математический метод комбинаторики, ученики приступают к следующим рассуждениям:
4 нуклеотидами можно закодировать только 4 аминокислоты, а их 20.
Из комбинаций по 2 нуклеотида 42 =16. Такого количества комбинаций не
хватает.
Из комбинаций по 3 нуклеотида 43 = 64. Такого количества комбинаций
хватает с избытком. Таким образом, генетический код обладает следующими
свойствами:
– триплетный – для кодировки аминокислот используются тройки (триплеты,
кодоны) нуклеотидов;
– избыточный – одна аминокислота может быть зашифрована более чем одним
триплетом;
– специфичный – один и тот же триплет не может кодировать разные
аминокислоты.
В символическом и одновременно шуточном виде биологическую суть генетического кода можно выразить следующим образом:
3. Обогащение.
После формулировки основных свойств генетического кода можно приступать к фазе обогащения понятия – накопления опыта оперирования вводимым понятием, расширения возможных ресурсов осмысления его содержания.
В школьной программе молекулярной биологии принято считать, что ген – это участок (фрагмент) молекулы ДНК, несущий информацию о строении одного белка. Однако генетической единицей механизма регуляции синтеза белков следует считать оперон, в состав которого входят один или несколько структурных генов, несущих информацию о структуре иРНК, которая в свою очередь, несет информацию и структуре белка.
На молекуле ДНК между генами есть специальные “знаки препинания”: АУГ (метионин) – промотор (от лат. promoveo – продвигаю), всегда инициирует (от лат. initiator – зачинатель) начало сканирования информации о гене. Мы видим, что промотором выступает постоянный триплет.
Сканируемая часть ДНК (транслируемая область) и есть оперон – “связная фраза”.
Определенные триплеты: УАА, УАГ, УГА – это триплеты-терминаторы (от лат. termino – разграничиваю), которые указывают на окончание сканирования. Их еще называют стоп-кодоны.
Внутри гена “знаков препинания” нет, смысл становится понятен при считывании информации триплетами:
ЖИЛ БЫЛ КОТ ТИХ БЫЛ СЕР МИЛ МНЕ ТОТ КОТ
Становится понятно, что при малейшем сбое программы смысл теряется, идет синтез несвойственного организму белка, происходит внешнее проявление отклонения от нормы:
ИЛБ ЫЛК ОТТ ИХБ ЫЛС ЕРМ ИЛМ НЕТ ОТК ОТ
В дальнейшем становится целесообразным решение задач на перевод генетического кода.
Задача № 1.
Сколько нуклеотидов содержит ген, в котором запрограммирован белок инсулин из 51 аминокислоты?
Ответ: 51х 3 = 153 нуклеотида.
Задача № 2.
В лаборатории исследован участок ДНК, с которого происходило сканирование информации на иРНК:
– Г – Т – Г – Т – А – А – Ц – Г – А – Ц – Ц – Г – А – Т – А – Ц – Т – Г –
Изобразите участок и РНК.
Ответ: – Ц – А – Ц – А – У – У – Г – Ц – У – Г – Г – Ц – У – А – У – Г –А – Ц –
Задача № 3.
На фрагменте одной цепи ДНК нуклеотиды расположены в последовательности:
– А – А – Г – Т – Ц – Т – А – Ц – Г – Т – А – Т –
- Нарисуйте схему структуры второй цепи данной ДНК.
- Какова длина в нм этого фрагмента ДНК, если один нуклеотид занимает около 0,34 нм?
- Сколько (в %) содержится нуклеотидов в этом фрагменте молекулы ДНК?
Решение.
- Достраиваем вторую цепь данного фрагмента молекулы ДНК, пользуясь правилом комплементарности: – Т – Т – Ц – А – Г – А – Т – Г – Ц – А – Т – А –.
- Определяем длину данного фрагмента ДНК: 12 х 0, 34 = 4, 08 нм.
- Рассчитываем процентное содержание нуклеотидов в этом фрагменте ДНК.
24 нуклеотида – 100%
8А – x %, отсюда x = 33, 3% (А); т.к. по принципу комплементарности А=Т, значит содержание Т = 33, 3%.
24 нуклеотида – 100%
4Г – x %, отсюда x = 16, 7 % (Г); т.к. по принципу комплементарности Г=Ц, значит содержание Ц = 16, 7%.
Ответ: – Т – Т – Ц – А – Г – А – Т – Г – Ц – А – Т – А -; 4, 08 нм; А=Т=33, 3%; Г=Ц=16, 7%.
Задача № 4.
Каков будет процентный состав второй цепочки ДНК, если первая содержит 18% гуанина, 30% аденина, 20% тимина?
Решение.
1. Зная, что цепи молекулы ДНК комплементарны друг другу, определяем
содержание нуклеотидов (в %) во второй цепи:
Т.к. в первой цепи Г=18%, значит во второй цепи Ц=18%;
Т.к. в первой цепи А=30%, значит во второй цепи Т=30%;
Т.к. в первой цепи Т=20%, значит во второй цепи А=20%.
2. Определяем содержание в первой цепи цитозина (в %). Суммируем содержание трех других типов нуклеотидов в первой цепи ДНК: 18% + 30% + 20% = 68% (Г + А + Т). Определяем долю цитозина в первой цепи ДНК: 100% – 68% = 32% (Ц). Если в первой цепи Ц = 32%, тогда во второй цепи Г = 32%.
Ответ: Ц = 18%; Т = 30%; А = 20%; Г = 32%.
4. Перенос.
Следующим важным этапом образования понятия “генетический код” является его применение в разных ситуациях. В школьной программе биологии довольно часто приходится сталкиваться с реакциями матричного синтеза.
Реакции матричного синтеза – особая категория химических реакций, происходящих в клетках живых организмов. На одной матрице может быть синтезировано неограниченное количество молекул-копий. К этой категории реакций относятся:
- самоудвоение молекул ДНК;
- биосинтез белка;
- репродуктивная способность клеток (деление);
- рост, развитие, размножение и др.
Таким образом, при изучении каждой последующей темы курса общей биологии, учащимся необходимо опираться на понятие генетического кода. Некоторые ученики с большим интересом принимаются за проектную деятельность, делают попытку исследовать, обобщить, применить полученные знания на практике, сформулировать собственные рекомендации. Выходя со своими работами на школьную научно-практическую конференцию, ученики демонстрируют использование понятия генетический код:
- в изучении возможностей продления жизни;
- в вопросах клонирования;
- в генетике и селекции;
- в медицине и др.
При изучении основ генетики понятие генетического кода вновь становится актуальным. Случайные изменения генотипа вызывают разнообразные мутации.
Генные мутации возникают при замене нуклеотидов в пределах одного гена. В результате деятельности “испорченного” гена будет искажена структура белка, и он не сможет выполнять свои функции в организме. Возникнут заболевания: гемофилия, дальтонизм, альбинизм, анемия.
Хромосомные мутации происходят из-за изменения структуры хромосом. Вновь воспользуемся символической записью сути хромосомных мутаций:
КИТ плывет по океану.
КОТ на лавке ест сметану.
КРОТ в земле копает яму.
Видим, что замена части хромосомы, ее удвоение и другие изменения неизбежно приводят к появлению нового смысла прочтения генетического кода.
АБВГДЕ – норма
АБВВВГДЕ – дупликация (удвоение)
АБВДЕ – делеция (утрата срединной части) – лейкоз, синдром “крика кошки”.
АБДГВЕ – инверсия (поворот фрагмента хромосомы на 180о) –
исчезновение алколоидности у люпинов.
АБВЖЗИ – транслокация (прикрепление участка одной хромосомы совершенно к другой
хромосоме).
Особое место в изучении реакций матричного синтеза отводится биосинтезу белка. И здесь в основе лежит понятие генетического кода. Общая схема механизма может быть представлена следующим образом:
5. Свертывание.
Как раз в момент перехода к следующему важному разделу биологии – Биосинтез белка – происходит экстренная реорганизация всего множества имеющихся у ребенка сведений относительно понятия “генетический код” и превращение их в обобщенную знаниевую структуру. Появляется таблица генетического кода:
Решаются задачи на использование таблицы генетического кода.
Задача № 1. Пользуясь таблицей генетического кода, определите, какие аминокислоты кодируются триплетами: ЦАТ, ТТТ, ГAT.
Задача № 2. Используя таблицу генетического кода, нарисуйте участок ДНК, в котором закодирована информация о следующей последовательности аминокислот в белке:
– аланин – аргинин – валин – глицин – лизин –
Задача № 3. Используя таблицу генетического кода, нарисуйте участок молекулы ДНК, в котором закодирована информация о следующей последовательности аминокислот в белке: – фенилаланин – лейцин – валин – изолейцин – серии – фенилаланин –
Выводы.
Необходимо отметить, что формирование понятия “генетический код” начинается в 9 классе, идет от простого к сложному. Наиболее сложный материал раскрывается в 10-м классе, это связано с разным уровнем развития учеников, с разной их способностью к восприятию сложного научного материала.
Развитие понятия “генетический код” способствует формированию у учащихся знаний, которые необходимы для расширения общего научного кругозора.
Осуществление задач всестороннего развития подрастающего поколения, подготовки его к активному участию в жизни общества предполагает вооружение учащихся глубокими и прочными знаниями по основам наук, чтобы они могли творчески мыслить, делать самостоятельные выводы на базе этих знаний, имели активную жизненную позицию. В решении этих задач особая роль принадлежит фундаментальным понятиям основ наук, поскольку они – главный компонент содержания и основная единица знаний. Понятие – это особая форма мышления, в то же время – важнейший объект учебных действий и фактор умственного развития учащихся.
В настоящее время понятия рассматриваются как основные единицы учебного содержания. Это обусловлено тем, что понятие фиксирует в своем содержании сущность предметов и явлений, отражает результаты обобщений. Кроме того, любое знание – законы, теории, идеи – раскрывается в форме научных понятий. Даже факты, если это реальные научные факты, являются ступенями на пути определения понятия.
Понятие – форма человеческого мышления, в которой выражаются общие существенные признаки вещей, явлений реального мира. Овладение понятием включает разнообразные операции памяти и мышления. Понятиями человек мыслит. Они помогают человеку в познании мира. Оперирование понятиями стимулирует умственное развитие учащихся, приучает их мыслить, осуществлять поиск, использовать в иных ситуациях при раскрытии новых понятий. Поэтому в системе современного обучения вопрос о формировании понятий – один из центральных.
Использованная литература.
- Васильева М. З. Методика преподавания биологии. Горно-Алтайск: РИО ГАГУ, 2008.
- Выготский Л.С. Экспериментальное исследование развития понятий //Собр. соч.: в 6-ти т. Т. 2 Проблемы общей психологии. – М.: Педагогика, 1982. – С П 8 – 184.
- Иванова Т. В. Методические основы развития общебиологических понятий в курсе биологии на базе естествознания: Дис. д-ра пед. наук: 13.00.02: Москва, 1999 401 c. РГБ ОД, 71:00 – 13/42 – 8
- Михайловская Л.В. Методика обучения предмету “Человек и мир” детей с нарушенным слухом. Мн.: БГПУ, 2004.
- Никишов А.И. Теория и методика обучения биологии. Изд. "КолосС", 2007.
- Холодная М.А. Психология интеллекта: Парадоксы исследования. Добавить комментари2-ое изд, перераб. и доп. СПб.: Питер, 2002.