Урок-эксперимент "Выделение ДНК: гены на ладони".
методическая разработка по биологии по теме

Урок-эксперимент «Выделение ДНК: гены на ладони»

На данном уроке применяются:

• технология проблемного обучения;
• информационная технология;
• технология групповой деятельности;
• технология исследовательского обучения.

Цель занятия: познакомить учащихся с простейшими методами биотехнологии на примере выделения молекулы ДНК, конкретизировать представления учащихся о молекуле ДНК.

Задачи занятия: создать условия для развития универсальны учебных действий:

1. познавательных: 

-через актуализацию теоретических знаний о строении функциях молекулы ДНК в процессе выполнения практических заданий;

 -владение логическими операциями (анализ, синтез, сравнение, обобщение), через развитие умения наблюдать за происходящими процессами и фиксировать результаты наблюдений

2. регулятивных: 

-через создание условий для развития умений, связанных с целеполаганием, планированием предстоящей деятельности, поиском способов решения поставленной проблемы, содержательной и личностной рефлексии, контролем и самооценкой достигнутого;

-посредством развития умения самостоятельно организовывать рабочее место;

-личностного самосовершенствования через проведение личностной рефлексии в рамках работы в группе.

-ценностно-смысловых посредством развития внутренней мотивации к изучению реальных объектов действительности, ощущения собственной уникальности;

3. Информационно – коммуникативных:

-посредством развития умения использовать разные источники информации (руководство по проведенияю работы, речь учителя)  для решения поставленной цели;

-посредством развития умений диалогической речи через организацию работы в группах на рабочих местах.

Ведущая педагогическая идея: реализация метапредметного подхода в преподавании биологии через организацию активной познавательной деятельности учащихся на уроке.

Оборудование: мультимедийная презентация по теме занятия, лабораторное оборудование для работы в группах (см. ниже), инструктивные карты для работы в группах (приложение №1), протокол выполнения работы для каждого учащегося (приложение №2).

Лабораторное оборудование: при проведении практикума использовался готовый набор рективов и оборудования предоставленные Институтом биологии гена РАН (лаборатория К.Северинова) и фондом «Династия». Набор рассчитан для проведения работы 36 – 40 учащимися на 9 рабочих местах и включает в себя:

Кроме того, необходимы следующие дополнительные реактивы и оборудование (из расчета на 9 рабочих мест):

* Если водяной бани нет, можно воспользоваться термоизолирующим контейнером, например пенопластовой коробкой (достаточно большой, чтобы туда поместился стакан или штатив с 36 пробирками), и налить туда воду, нагретую до 50°С.

Методические рекомендации:

Методические рекомендации по проведению и организации практической работы и данного практикума в целом, входящие  состав набора реактивов, представлены в приложении.

Настоящая разработка представляет собой их адаптированный вариант к конкретному классу. Занятие рассчитано на 2 учебных часа и проводится после изучения учащимися темы «Нуклеиновые кислоты», «Строение клетки» и перед изучением темы «Биосинтез белка». В нашем случае оно проводилось как дополнительное, факультативное занятие по биологии.

Использование презентации. Ссылки на источники иллюстраций приведены в комментариях к слайдам. Презентация содержит видеофрагмент, который может некорректно запуститься на Вашем компьютере. Вставьте видео заново, или продемонстрируйте отдельно.

Замечание! Если у вас нет возможности приобрести готовый набор реактивов, это не повод отказываться от проведения подобного практикума. Существуют методические рекомендации по выделению молекулы ДНК с помощью общедоступных реактивов и средств бытовой химии, стандартного набора лабораторного оборудования. Но, следует, отметить, что в этом случае работа учителя по подготовке занятия будет более трудоемкой. Некоторые методические указания можно найти тут http://wsyachina.narod.ru/technology/reduction_dna.html, http://www.venda.ru/mater/metod/bio/dnkvdomashnihuslovijah.htm, http://www.begin-edu.com/node/5824 .

Ход занятия

Актуализация знаний учащихся о строении молекулы ДНК.

Просмотр видеофрагмента о строении молекулы ДНК и её значении в организме [слайд №№ 1- 4].

Фронтальная беседа о строении молекулы, ее местоположении в клетке, способе укладки молекулы ДНК [слайд № 5].

Организация поисковой деятельности учащихся по решению проблемного вопроса «Предположите, что нужно сделать, чтобы увидеть молекулу ДНК?» [слайд]. При организации беседы надо подвести учащихся к тому, что способ извлечения есть результат «упаковки», т.е. зная, как упакована, молекула ДНК в клетке (а мы это повторили), мы должны ее распаковать. Предположения учащихся учитель кратко фиксирует на доске, чтобы потом проверить правильность их предположений.

С помощью схемы, представленной на слайде, учитель демонстрирует механизм процесса выделения молекулы ДНК, который сейчас будет осуществлен учащимися. Автору представляется это важным, чтобы проведения практикума не превратилось для учащихся в развлечение.

Объяснение учителя с элементами беседы может выглядеть следующим образом:

Для выделения молекулы ДНК нам необходимо получить клеточный материал.

• Т.к. мы будем выделять ВАШУ молекулу ДНК, то какие клетки своего организмы вы могли бы предложить для этого?

Организуется обсуждение предложенных вариантов. Подводим учащихся к мысли о слюне, которая содержит клетки эпителия слизистой оболочки рта. Чтобы увидеть вашу ДНК, вам придется собрать клетки с внутренней поверхности вашей щеки, лизировать их, и собрать ДНК из всех клеток вместе. Для того, чтобы собрать тысячи клеток достаточно просто пожевать внутренние поверхности щек и промыть рот водой. Эпителиальные клетки внутри вашего рта делятся один или два раза в день. Старые клетки постоянно слущиваются, а их место занимают новые. Это происходит каждый раз, когда вы едите.

• Как можно установить, что в слюне действительно есть клетки?
• Какое лабораторное оборудование можно для этого использовать? (посмотреть в микроскоп)
• Что нужно сделать с этими клетками, чтобы получить из них молекулу ДНК?

После того, как вы собрали клетки, их необходимо лизировать (разрушить), чтобы высвободить ДНК. Мембраны клеток сделаны из жиров и белка и детергент (моющее средство) растворяет их точно так же, как растворяет жиры и белки на грязной сковородке. Процесс разрушения клеток называется лизисом, а содержащий детергент раствор – буфером для лизиса. После растворения мембран, ДНК оказывается в растворе.

• Как вы думаете, будет ли ДНК видна после того, как вы разрушили клетки? Почему вы так думаете?

Молекулы ДНК по отдельности очень мелкие, и увидеть мы их можем только в большом скоплении. ДНК плотно упакована с помощью белков, она фактически намотана на них, как нитки намотаны на катушку. Благодаря этому она не запутывается и имеет сложно организованную структуру. Чтобы вы смогли увидеть ДНК, надо удалить эти белки, чтобы молекулы ДНК из разных клеток собрались в один большой комок. Для этого вы будете инкубировать ваши лизированные клетки с протеазой, ферментом, расщепляющим белки, так что они больше не способны связывать ДНК. Протеаза это фермент, который работает лучше всего при 50ºС – это температура слегка горячей воды. Помимо белков, связанных с ДНК, протеаза  расщепляет любые оставшиеся клеточные или мембранные белки, которые могут помешать выделению ДНК.

• Почему протеаза будет работать плохо при температурах выше и ниже 50о?

Это белок, может денатурировать при слишком высоких или низких температурах. Все ферменты имеют узкий диапазон условий для эффективного катализа биохимических реакций.

• Как «собрать» молекулы ДНК в один комок, чтобы сделать их видимыми?

Чтобы отделить ДНК от других молекул в вашем экстракте клеток, вы добавите к вашему образцу примерно три объема холодного спирта. При этом ДНК начнет выпадать в осадок, так как она гораздо хуже растворима в спирте, чем в воде. При наличии в растворе положительно заряженных ионов, они будут взаимодействовать с отрицательно заряженными фосфатными группами ДНК и будет образовываться нерастворимая соль. Положительно заряженные ионы натрия уже присутствуют в растворе, так как раствор протеазы, который вы добавляли на предыдущем этапе, содержал соль.

Чем более холодный спирт вы берете, тем хуже растворяется ДНК – это можно сравнить с тем, как сахар хуже растворяется в холодном чае, чем в горячем.

В присутствии соли и спирта ДНК, выделенная из ваших клеток, собирается вместе и выпадает в осадок, который можно видеть невооруженным глазом! Другие мелкие молекулы, содержащиеся в растворе, такие как аминокислоты или углеводы, остаются растворенными в спирте. Одна видимая глазом нить состоит из тысяч цепей ДНК, на каждой из которых расположены тысячи генов, так что вы сразу смотрите на миллионы генов. Помните, что вы видите ДНК из многих тысяч клеток.

Знакомство с новыми видами лабораторного оборудования (если Ваши ученики работали с таким оборудованием, то данный этап можно пропустить)

Пипетка Петри

Микроцентрифужные пробирки

Конические (центрифужные) пробирки

Обратить внимание на необходимость строгого соблюдения инструкции [слайд].

Организация выполнения практической части в соответствии с инструктивными картами. По ходу практической части учащиеся заполняют протокол практической работы.

Протокол практической работы «Выделение ДНК: гены на ладони».

Хозяин выделяемой молекулы ДНК _________________________________________________________________

Шаги 1 и 2. Сбор и лизис клеток.

Шаг 3. Удаление белков.

Шаг 4 и 5. Делаем ДНК видимой.

Заполнение протокола позволяет сделать работу учащихся более осознанной, развивать способности к рефлексии собственной деятельности, умению формулировать результаты наблюдений на письме. Следует обратить внимание, что колонка «Что делали?», не должна быть заполнена списанными из руководства по выполнению фразами, а должна быть заполнена самостоятельно, т.е. кратко описывать проделанную работу на данном этапе.  

Подведение итогов работы. Обсуждения практической значимости исследований молекулы ДНК. Например, значение ПЦР в медицине, вопрос о генномодифицированных организмах (объяснить учащимся, что это не мутанты, подобные рыбе на картинке, а организмы, обладающие необходимыми признаками и свойствами, искусственно добавленными через изменение молекулы ДНК)

В качестве дополнительного задания учащимся можно предложить создать презентацию о проведенном практикуме, сообщение по темам связанным с ДНК и ее исследованиями, попробовать получить молекулу ДНК из других объектов.