Разработка факультативного занятия «Жизнь внутри организма: взаимосвязь процессов биосинтеза белка, строения цитоскелета клетки с выходом лейкоцита за пределы кровеносного сосуда».

Тема занятия: «Жизнь внутри организма: взаимосвязь процессов биосинтеза белка, строения цитоскелета клетки с выходом лейкоцита за пределы кровеносного сосуда».

1.Движение крови по сосудам 2. Выход лейкоцита за пределы сосуда

Факультативное занятие п теме рассчитано для учащихся 9-11 классов, изучающих «Общую биологию» и проявляющих интерес к углубленному изучению предмета биологии. Данное занятие адаптировано для учащихся старшего звена, изложенная тема содержит сведения о нанотехнологиях, имеет предметное содержание общеобразовательного школьного курса, а также имеет межпредметные связи с курсом органической химии.

Актуальность заключается в необходимости повышения интереса учащихся к изучению анатомии, общей биологии, химии, понимания механизмов химических процессов, происходящих на клеточном уровне в организме человека. Проводя дополнительные факультативные курсы, школа ориентирует учащихся на выбор следующих специальностей: врача, микробиолога, генетика, биохимика и др.

Новизна Шагая в ногу с научно-техническим прогрессом сегодняшний школьник имеет возможность рассмотреть эти процессы не только в учебной литературе, под микроскопом, но и в формате 3D, используя новейшие компьютерные технологии. Учащиеся могут посмотреть микромир человеческого организма, не выходя за пределы классной комнаты, что было практически невозможно каких-то 10 лет назад, побывать в роли специалистов, о которых в конце 20 века еще никто не знал. Кроме того, осваивая компьютерную технику, учащиеся могут связать полученные навыки с изучением фундаментальных наук, таких как биология, химия.

Цель. На данном занятии необходимо изучить механизм эмиграции лейкоцита в область воспаления за пределами кровеносного сосуда. Увидеть взаимосвязь строения клеточной мембраны, биосинтеза белков, проходящих в клетке, с иммунной реакцией организма. Связать биологические процессы, проходящие в клетках, с химическими реакциями.

Задачи. Рассмотреть:

- взаимодействие лейкоцита и клеток сосуда

- значение селектина и хемокина в стимуляции лейкоцита

- значение цитоскелета в работе двигательных белков

- значение комплекса Гольджи в химических процессах, стимулирующих лейкоцит на эмиграцию

- взаимодествие белков мембраны клетки и лейкоцита.

Результатом таких занятий является глубокая осведомленность учащихся о сложных химических процессах, протекающих в клетках человеческого организма. Уважительное отношение к собственному здоровью и несомненно повышение интереса к биологическим и медицинским наукам.

Введение.

Имму́нная систе́ма - подсистема, существующая у позвоночных животных и объединяющая органы и ткани, которые защищают организм от заболеваний, идентифицируя и уничтожая опухолевые клетки и патогены. Иммунная система распознает множество разнообразных возбудителей: от вирусов до паразитических червей, и отличает их от биомолекул собственных клеток. Распознавание возбудителей усложняется их адаптацией и эволюционным развитием новых методов успешного инфицирования организма-хозяина. Конечной целью иммунной системы является уничтожение чужеродного агента, которым может оказаться болезнетворный микроорганизм, инородное тело, ядовитое вещество или переродившаяся клетка самого организма. Этим достигается биологическая индивидуальность организма. В иммунной системе развитых организмов существует множество способов обнаружения и удаления чужеродных агентов, этот процесс называется иммунным ответом. Все формы иммунного ответа можно разделить на приобретённые и врождённые реакции. Основное различие между ними в том, что приобретённый иммунитет высокоспецифичен по отношению к конкретному типу антигенов и позволяет быстрее и эффективнее уничтожать их при повторном столкновении. Иммунная система у позвоночных (например, у человека) состоит из множества видов белков, клеток, органов и тканей, взаимодействия между которыми сложны и динамичны. Благодаря такой усовершенствованной иммунной реакции система позвоночных со временем приспосабливается, и распознавание конкретных чужеродных веществ или клеток становится более эффективным. Воспаление - одна из наиболее ранних реакций иммунной системы на инфекцию. К симптомам воспаления относятся покраснение и отек, что свидетельствует о усилении притока крови к вовлеченным в процесс тканям. В развитии воспалительной реакции важную роль играют эйкозаноиды и цитокины, высвобождаемые поврежденными или инфицированными клетками. К эйкозаноидам относятся простагландины, вызывающие повышение температуры и расширение кровеносных сосудов, и лейкотриены, которые привлекают определённые виды белых кровяных телец (лейкоцитов). К наиболее распространённым цитокинам относятся интерлейкины, отвечающие за взаимодействие между лейкоцитами, хемокины, стимулирующие хемотаксис, и интерфероны, обладающие противовирусными свойствами, в частности способностью угнетать синтез белка в клетках макроорганизма. Эти цитокины и другие биоорганические соединения привлекают клетки иммунной системы к очагу инфекции и способствуют заживлению поврежденных тканей путём уничтожения возбудителей. Система комплемента представляет собой биохимический каскад, который атакует мембрану чужеродных клеток. В него входят более 20 различных белков. Комплемент является основным гуморальным компонентом врождённого иммунного ответа. Система комплемента имеется у многих видов, в том числе у ряда беспозвоночных. У человека этот механизм активируется путём связывания белков комплемента с углеводами на поверхности микробных клеток, либо путём связывания комплемента с антителами, которые прикрепились к этим микробам. Сигнал в виде прикрепленного к мембране клетки комплемента запускает быстрые реакции, направленные на разрушение такой клетки.. После того, как белки комплемента прикрепились к микроорганизму, запускается их протеолитическое действие, что, в свою очередь, активирует другие протеазы системы комплемента, и так далее. Таким образом возникает каскадная реакция, усиливающая исходный сигнал при помощи управляемой положительной обратной связи. В результате каскада образуются пептиды, привлекающие иммунные клетки, усиливающие проницаемость сосудов и опсонизирующие поверхность клетки, помечая её «к уничтожению». Кроме того, отложение факторов комплемента на поверхности клетки может напрямую разрушать её посредством разрушения цитоплазматической мембраны.

Основная часть.

Рассматривая механизм иммунной реакции организма, попробуем пройти путь лейкоцита из кровотока за пределы кровеносного сосуда. Заглянем внутрь клетки, чтобы понять, какие процессы, проходящие в ней, помогают осуществить этот самый механизм. Наше занятие мы превратим в путешествие в микромир человеческого тела. Для этого нам необходимо уменьшится до размеров наночастиц, пройти в наномобиль и начать свое путешествие.

1. Особенности строения лейкоцита.(прил.1)

Лейкоциты (от греч. λευκως - белый и κύτος - клетка, белые кровяные клетки) - неоднородная группа различных по внешнему виду и функциям клеток крови человека или животных, выделенная по признаку отсутствия самостоятельной окраски и наличия ядра. Все виды лейкоцитов способны к активному движению и могут переходить через стенку капилляров и проникать в ткани, где они поглощают и переваривают чужеродные частицы- фагоцитоз, а другие могут вырабатывать антитела. Лейкоциты, или белые кровяные тельца, выполняют защитную функцию. 1 мм3 крови содержит от 5000 до 9000 лейкоцитов. Средний размер лейкоцита 15 микрон, а всего их содержится в организме 35 миллиардов. Если их выложить в ряд, то он вытянется на расстояние от Парижа до Бордо (525 км). Лейкоциты различаются по происхождению, функциям и внешнему виду. По морфологическим признакам лейкоциты делят на две группы: - зернистые лейкоциты, или гранулоциты - клетки имеющие крупные сегментированные ядра и обнаруживающие специфическую зернистость цитоплазмы и незернистые лейкоциты, или агранулоциты - клетки, не имеющие специфической зернистости и содержащие простое несегментированное ядро, к ним относятся лимфоциты и моноциты.

2. Строение внутренней стенки кровеносного сосуда:

Все кровеносные сосуды выстланы изнутри слоем эндотелия, непосредственно прилегающим к просвету сосуда. Эндотелий обычно состоит из одного слоя плоских клеток, образующих гладкую внутреннюю поверхность сосудов. Если эта поверхность не повреждена, то она препятствует свертыванию крови. Кроме эндотелия, во всех сосудах, за исключением капилляров, имеются эластиновые волокна , коллагеновые волокна и гладкомышечные волокна , количество которых различается в разных сосудах (прил.№ 2). Эластические волокна, особенно волокна внутренней оболочки, образуют относительно густую сеть. Они создают эластическое напряжение , которое противодействует кровяному давлению, растягивающему сосуд. На создание такого напряжения не расходуется энергия биохимических процессов.

3. Лейкоциты, влекомые кровяным потоком, прикасаются и катятся по эндотелиальным клеткам сосуда (прил. № 3). Поверхность лейкоцита и клеток кровеносного сосуда соприкасаются в точках, между молекулами P- селектином со стороны сосуда и L- селектином со стороны лейкоцита. ¹ Сцепления возможны, благодаря тому, что селектины покрывают поверхность обоих клеток. Существующие сцепления раскрепляются в тот момент, когда создаются новые (механизм адгезии) ². Внутри клетки мы видим липидный плот, плывущий по липидному бислою клеточной мембраны. Плот представляет собой передвижные области внутри мембраны, более плотные и твердые, нежели остальные части поверхности мембраны, из-за расположенных в них различных молекул жиров белков и холестерола (прил. № 4).

4. Выделенный хемокин ³ связывается с гепарансульфатпротеогликаном ⁴, присутствующем в

7 трансмембранных рецепторах лейкоцита. Такое связывание стимулирует лейкоцит и запускает внутриклеточный каскад сигнальных реакций: на внутренней поверхности мембраны, там где снаружи клетки сцепились рецепторами, собираются сигнальные молекулы, они передадут сигнал о том, что лейкоцит вступил в контакт с эндотелием, дальше - вглубь клетки. Эта связь протеинов критически необходима для передачи сигнала через мембрану.

5. Синтез протеинов.

Откуда берутся протеины, необходимые для передачи сигнала? Они синтезируются самой клеткой. По поверхности клеточного ядра разбросаны поры, через которые выходят молекулы

матричной РНК с информацией о строении белка. Выходя из пор, они соединяются в кольца ________________________________________

1.Селектины - белки из семейства молекул клеточной адгезии. Селектины являются трансмембранными гликопротеинами и состоят из единственной полипептидной цепи.

2.Адгезии. (от лат. adhaesio - прилипание), слипание поверхностей двух разнородных твёрдых или жидких тел.

3. Хемокины - полипептиды, вызывающие движение клеток в определенной направленности. У человека выделено около 40 отдельных подобных белков, их подразделили на альфа- и бета-хемокины.

4. Кооперацию клеток определяют медиаторно-рецепторные взаимоотношения, три системы клеточной защиты :системы полиморфоядерного лейкоцита (ПЯЛ), коллаген типа IV и отрицательно заряженные гепарансульфатпротеогликаны.

(прил.№ 5). На м- РНК происходит вычисление стартового кодона и рибосомой создается новая полипептидная/белковая цепочка (прил. № 6). Синтезированные рибосомами белки, упаковываются в образующиеся вокруг них мембранные пузырьки, которые отшнуровываются от эндоплазмотического ретикулума (ЭР) и перемещаются по микротрубочкам - цитоскелет клетки к комплексу Гольджи. (прил. № 7). В цистернах комплекса Гольджи дозревают белки, предназначенные для секреции, трансмембранные белки плазмотической мембраны, белки лизосом и др. (прил. № 8). От противоположного конца комплекса Гольджи отпочковываются пузырьки, содержащие полностью зрелые белки. Они переносят белки от комплекса Гольджи к мембране клетки (прил. № 9, 10). Когда пузырек соединяется с мембраной клетки, белки, находящиеся внутри пузырька выделяются и рассредоточиваются по мембране клетки.

6. Вернемся к процессу, заставляющему лейкоцит эмигрировать за пределы клеток сосуда.

Хемокин, выделенный эндотелиальной клеткой, связывается с рецепторами мембраны. Эта связь служит причиной конформационных изменениях в некоторых частях рецептора мембраны и побочной активации G- протеина ⁵. Активация G- протеина запускает каскад реакций, приводящий к активации интегрина на липидных плотах ⁶. Это позволяет интегрину взаимодействовать с белками на поверхности клетки. Такое взаимодействие немедленно останавливает лейкоцит. Он изменяет свой цитоскелет, что приводит к расширению лейкоцита в плоский «блин» (прил. № 11). «Блин» лейкоцита внедряется между двумя клетками сосуда и он эмигрирует через стенку сосуда к воспаленным тканям (прил. № 12).

Пояснительная записка

Для проведения занятия, по данной теме, мною применялись элементы следующих технологий: «Педагогическая мастерская», «Ролевые игры», «Компьютерные технологии».

Педагогическая мастерская Эта технология привлекательна тем, что учитель (мастер) имеет возможность выбора материала, вида деятельности, способа предъявления результата, ибо без выбора нет свободы. Ненасильственное привлечение к процессу познания, поиску знаний с помощью создания личностной мотивации делает урок успешным, а учебный материал интересным, что в свою очередь повышает уровень качества знаний и умений учеников. В конечном итоге работа любого учителя сводится к одной конкретной цели - результативность применения получаемых знаний и умений. Я совершенно убеждена, что нет неталантливых детей, есть равнодушные учителя, работа которых сводится к монотонному объяснению учебного материала.

Ролевые игры Применение данной технологии ничуть не стесняет учителя, а наоборот, такая постановка урока позволяет сделать его насыщенным, ярким, впечатляющим. Главное, детям предоставляется возможность хотя бы в рамках урока побывать в качестве ученых, специалистов, просто экспертов, могущих реально оценить силы своего одноклассника и выставить ему реальную оценку. Для детей разного возраста характерны яркость и непосредственность восприятия, легкость вхождения в образы. Они легко вовлекаются в любую деятельность,

5. G-белки (англ. G proteins) - это семейство белков, функционирующих в качестве вторичных посредников во внутриклеточных сигнальных каскадах. G-белки названы так, поскольку в своём сигнальном механизме они используют молекулярный функциональный «выключатель» для регулировки клеточных процессов.

6. Интегрины - поверхностные клеточные рецепторы, передающие различные межклеточные сигналы. От них зависит форма клетки, её подвижность, они участвуют в регулировке клеточного цикла.

особенно в игровую, самостоятельно организуют работу в группах. В возрастной периодизации детей особая роль отведена деятельности, имеющей для каждого возраста свое содержание. В результате освоения игровой деятельности у учащихся формируется готовность к общественно-

значимой и общественно-оцениваемой деятельности учения.

Компьютерные технологии Модернизация современного образования заключается и в том, что наряду с использованием новых педагогических технологий, учитель может использовать на своих уроках информационные средства обучения. Компьютерные технологии развивают идеи программированного обучения, открывают новые варианты, связанные с уникальными возможностями современных компьютеров и телекоммуникаций.

Ход занятияЭтапы учебного занятия

Деятельность учителя

Деятельность учащихся

1. Организационный момент

Приветствует учащихся, проверяет готовность рабочего места школьников к учебному занятию.

Приветствует учителя, проверяют наличие дидактического материала для работы на занятиях.

2. Мотивация и целеполагание

( индукция)

1.Формирует творческие группы учащихся по профессиям: нанотехнолог, микробиолог, биохимик, а также экспертную группу по оцениванию ответов учеников.

2. Предлагает учащимся записать слова по ассоциации со словосочетанием: «микромир», «иммунитет», биосинтез».

3. Вопрос учащимся: что бы вам хотелось узнать о микромире тела человека?

4. Записывает ответы учащихся на доске в виде схемы, на их основании формулирует «информационный «запрос» учеников на данное учебное занятие.

Рассаживаются по группам

Выполняют задание по группам, а затем записывают свои слова на доске

(не повторяясь).

Отвечают на вопросы

3. Изучение нового материала и закрепление.

Реконструкция.

Социализация

1.Сообщает, что представляет собой лейкоцит, их функции и какое количество лейкоцитов содержит кровь, о строение внутренней стенки кровеносного сосуда. Кратко напоминает о том, что представляет собой иммунитет человека.

2. Предлагает учащимся рассмотреть строение лейкоцита, сравнить его по строению с эритроцитом, Найти определение иммунитета и связать иммунитет с функцией лейкоцита.

3. Предлагает обсудить результаты работы в группах и подготовится к защите.

Ищут информацию в учебнике.

Обсуждают информацию в группах, записывают ответы.

Афиширование

Рефлексия

Индивидуальная работа с группами

Проверка правильности выполнения задания

Объявляют результаты работы.

Сравнивают результаты своей работы с образцом на доске

Делают записи.

Реконструкция.

Социализация

Афиширование

5.Заключение.Поведение итогов учебного занятия.

1.Рассказывает о процессах протекающих в клетке, в частности о биосинтезе белка, роли цитоскелета, комплекса Гольджи в переносе белковых молекул, а также о связи этих процессов с переходом лейкоцита за пределы клеток сосуда

2. Задает вопрос: какие проблемы возникнут со здоровьем человека, если в клетках процесс биосинтеза белка будет проходить не по строго установленному порядку, как это скажется на поведении лейкоцита? Какое значение имеют селектин, хемокин в стимуляции лейкоцита?

1. Предлагает совершить воображаемое путешествие внутрь клетки и посмотреть изученные процессы своими глазами (демонстрируется видеоролик).

2. Предлагает обсудить просмотренный фильм в группах.

Индивидуальная работа с группами

В заключении учащиеся самостоятельно формулируют выводы о значении цитоскелета в работе двигательных белков; о значение комплекса Гольджи в химических процессах, стимулирующих лейкоцит на эмиграцию; о значении взаимодействия белков мембраны клетки и лейкоцита

Учащиеся, выполняющие роль нанотехнологов, микробиологов, биохимиков дают разъяснительные справки, остальные учащиеся пытаются ответить на вопросы.

Отвечают на вопросы, записывают в тетради названия белков, с пояснениями об их функциях, новые термины, используемые не только в биологии, но и в химии.

Учащиеся, выполняющие роль нанотехнологов, микробиологов, биохимиков комментируют кадры видеоролика, каждый строго в соответствии со своей специализацией.

Обсуждают результаты работы в группах.

Записывают в тетради процесс, заставляющий лейкоцит изменять свою структуру, а так же схему эмиграции лейкоцита за пределы кровеносного сосуда.

Объявляют результаты работы.

Записывают выводы в тетради.

Заключение

Кроме того, значительную роль на своих уроках я отвожу здоровьесберегающим образовательным технологиям, которые фиксируют соответствующие приоритеты в идеологии и принципах педагогической деятельности. Здоровьесберегающие технологии являются составной частью и отличительной особенностью всей образовательной системы. Поэтому все, что относится к образовательному учреждению - характер обучения и воспитания, уровень педагогической культуры учителя, содержание образовательных программ (особенно по курсу биология), условия проведения учебного процесса и т.д. - все это имеет непосредственное отношение к проблеме здоровья учащихся.

Список использованной литературы

1. Медицинская энциклопедия, под редакцией В.И. Покровского, Москва, 1993г.

2. Материалы по иммунологии от Российской академии наук, 1998г.

3. Справочник «База знаний по биологии человека», автор: доктор биологический наук, профессор Александров А.А.

4. Биология, авторы Н.Грин, Стаут У., Тейлор Д, изд.Мир, 1993г.

5. Видеоролик «Inner Life of a Cell-Full Version.mkv» с сайта www.xvivo.net/how-we-work/ авторы: Дэвид Болинский (Гарвардский университет, факультет молекулярной и клеточной биологии); Джон Леблер (студия XVIVO)

Приложения

Приложение № 1

Приложение № 2

Приложение № 3

Приложение № 4

Приложение № 5

Приложение № 6

Приложение № 7

Приложение № 8

Приложения № 9,10

Приложение № 11

Приложение № 12

Методическую разработку занятия составила: Рустамова Алла Александровна, учитель биологии МОУ СОШ № 17, г.Новый Уренгой, методист, Почетный работник общего образования РФ, победитель ПНПО на Федеральном уровне в 2006г.

МОУ СОШ № 17 г.Новый Уренгой, ЯНАО, Тюменская область: Как учебное заведение школа начала свою историю с сентября 2008 года. Площадь участка, на котором расположена школа- 1,67 га. Площадь застройки- 4205 кв.м, общая площадь 3-х этажей - 9351кв.м. Школа имеет: 36 класса- комплекта, 110 компьютеров, 18 интерактивных досок, сервер и локальную сеть, 3 лингафонных кабинета, 2 кабинета информатики, 3 кабинета с электронной системой опроса, мультимедийный методический кабинет, логопедический кабинет, кабинет психолога, спортзал -1200кв.м. Библиотека - читальный зал и мультимедиа блок на 50 мест, музей, студия-Дизайн-проект, студия звукозаписи, интерактивный киоск, столовая на 150 посадочных мест, сетевое видеонаблюдение с подключением на компьютеры администрации, охранная система с датчиками реагирования на движение, автономная система температурного режима, актовый зал на 500 посадочных мест с современным оборудованием. В школе внедрена система «Сетевой Город», разработанная компанией «РООС». Каждый пользователь образовательных учреждений (директор, завуч, ученик, учитель и т.д.) и родители учащихся имеют индивидуальные имя и пароль и могут входить в систему с любого компьютера, подключенного к городской сети или сети Интернет. Параллельно, в реальном времени к обобщённой информации по школам имеют доступ и специалисты органов управления образования для генерирования и вывода на печать необходимых отчётов и сведений. Каждый пользователь образовательных учреждений (директор, завуч, ученик, учитель и т.д.) и родители учащихся имеют индивидуальные имя и пароль и могут входить в систему с любого компьютера, подключенного к городской сети или сети Интернет. Параллельно, в реальном времени к обобщённой информации по школам имеют доступ и специалисты органов управления образования для генерирования и вывода на печать необходимых отчётов и сведений. Таким образом, осуществляется обеспечение связи на сервере «Сетевой город» между администрацией школы, преподавателями, учащимися, родителями, Управлением образования.

18