Методическая разработка урока -исследования

Министерство образования Ставропольского края

государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение

«Кисловодский государственный многопрофильный техникум»

Методическая разработка «Метапредметный урок-исследование на тему

«Нуклеиновые кислоты»

по учебной дисциплине ОУДП.02 Химия

Профессия 43.01.09 Повар. Кондитер

1 курс

Составитель:

преподаватель высшей квалификационной

категории ГБПОЙ КГМТ

_________ Глушко Ирина Борисовна

Рекомендовано методической комиссией преподавателей общеобразовательных дисциплин государственного бюджетного профессионального образовательного учреждения «Кисловодский государственный многопрофильный техникум». Протокол заседания методической комиссии №1 от 31 августа 2023г Председатель МК С. А. Кайраманова

2023 г.

Метапредметный урок-исследование по химии на тему

«Нуклеиновые кислоты»

Проводится в 14 группе, профессия 43.01.09 Повар. Кондитер.

Продолжительность урока – 70 минут

Тип урока: урок исследование.

Технология: развивающего обучения, ИКТ

Цель урока: углубление знаний студентов о строении и функциях нуклеиновых кислот, развивать познавательный интерес, реализуя межпредметные связи курсов химии, биологии, истории. Создатьусловия для изучения химического состава и химических свойств нуклеиновых кислот; научиться решать задачи с помощью правила Чаргаффа;

Задачи урока:

Предметные:

1.Обобщить знания о нуклеиновых кислотах как макромолекулах-биополимерах, о ведущей роли в процессах жизнедеятельности.

2.Изучить химические свойства нуклеиновых кислот.

Методологические:

1.Развивать умения анализировать результаты исследований, устанавливать причинно-следственные связи используя знания различных предметов и областей знаний, делать выводы.

2.Развивать познавательный интерес учащихся на основе метапредметных связей.

3.Метапредметные:

1 Формирование мышления обучающихся через активизацию представлений о взаимосвязи строения веществ с их свойствами на примере нуклеиновых кислот; понимания значения естественных наук в современном обществе.

2. Способствовать формированию интереса к знаниям, умениям, самооценке своей деятельности.

Методы обучения:

- объяснительно- иллюстративный

- частично – поисковый

- репродуктивный

Методические приемы: рассказ с элементами беседы, демонстрация, а также приемы «Третий лишний», «Круги Эйлера» (технология критического мышления), работа в «Яклассе», заполнение графологической структуры,индивидуальный опрос, решение задач, исследовательскаяработа студентов, просмотр презентации студентов, самостоятельная работа студентов.

Формы работы: индивидуальная, групповая, фронтальная.

Оборудование:мультимедиа проектор, компьютер, презентация, материал для проведения исследования, конспект, схемы строения молекул ДНК и РНК.

Ход урока:

1 группа. Историки — история открытия НК.

Открытие нуклеиновых кислот как класса органических веществ, связано с именем молодого швейцарского врача Фридриха Мишера, работавшего в Тюбингенской физиолого-химической лаборатории, известной в середине 19 века всему учёному миру. Изучая химический состав лейкоцитов гноя, молодой учёный получил вещество с необычными для известных тогда органических соединений свойствами. Мишер предположил, что это вещество сдержится в ядре клетки. В то время ещё никто в биохимических лабораториях не пытался выделить ядра или какие-либо другие субклеточные компоненты. Поэтому Мишер предпринял более тщательные эксперименты по выделению клеточных ядер. Он повторно выделил новое вещество, которое не разлагалось протеолитическими ферментами, то есть не являлось белком. Отсутствие растворимости в горячем спирте указывало на то, что вещество не являлось фосфолипидом. По-видимому, оно относилось к новому классу биохимических соединений. Ввиду ядерного происхождения Мишер предложил для него название «нуклеин» (от лат. nucleus - ядро). Исследования дали важные результаты: удалось разделить нуклеин на белок (протамин), необходимый для стабилизации молекулы - полимера и кислый остаток. Свободный от белка остаток нуклеина был назван в 1889 году нуклеиновой кислотой. Так были открыты нуклеиновые кислоты и новая группа сложных белков - нуклеопротеины, содержащие в качестве простетической группы нуклеиновые кислоты.

В 1879-88 гг. немецкий ученый Альбрехт Коссель   и Эмиль Фишер нашли в составе нуклеина пиримидиновые и пуриновые азотистые основания. Тогда же немецкий ученый Рихард Альтман впервые ввел термин «Нуклеиновая кислота» и разработал удобный способ выделения этих веществ.

В 1909 г. Фибус Левин предположил, что НК состоят из мономеров – нуклеотидов. А в 1930 г. установил различия нуклеотидов по типу углеводной компоненты. НК, содержащие рибозу – РНК, дезоксирибозу – ДНК. 

В 1934 г. Торбьёрн Оскар Касперссон вместе с Эйнаром Хаммерстеном показали, что НК — это гетерополимеры, мономерами которых  являются нуклеотидные звенья.

Одновременно с изучением структуры нуклеиновых кислот проводились исследования, направленные на установление их биологической роли.

В 1881 г. Эдуард Захариас доказал, что нуклеин содержится в хромосомах, которые уже тогда считались ответственными за наследственные признаки. Однако идея о том, что нуклеиновые кислоты являются материальной основой наследственности, в науке не утвердилась.

Так, советский биолог Н.К. Кольцов считал, что за передачу наследственности отвечает белковая компонента хромосом. Считалось также, что РНК встречается только у растений, а ДНК – у животных.

И только в 1936 г. благодаря работам Ж. Браше и Дж. Дэвидсона, а также А.Н. Белозерского стало ясно, что оба вида нуклеиновых кислот присуще как для животных, так и для растений.

Ф. Гриффит (1928 г.), О. Эвери (1944 г.), А. Херши (1952 г.) опытным путем доказали, что нуклеиновые кислоты обеспечивают хранение, передачу и реализацию наследственной информации в процессе синтеза белка в клетке.  В 1950-е г. Э. Чаргафф установил строгие количественные соотношения азотистых оснований в молекулах ДНК, при помощи бумажной хроматографии которые получили название правил Чаргаффа. Первые рентгенограммы молекул ДНК, полученные английскими биофизиками М.Уилкинсом и Р. Франклин свидетельствовали о наличии в их пространственной структуре элементов периодичности.

Основываясь на этих открытиях, в 1953 г. американский генетик Джеймс Уотсон и английский физик Френсис Крик сформулировали основные представления о структуре двойной спирали ДНК. Модель ДНК Уотсона-Крика позволила объяснить многие фундаментальные биологические феномены, такие как структурная организация молекул ДНК, способ  хранения и точного копирования генетической информации, возможность изменения структуры генов в процессе эволюции.

В 1957 г. Ф.Крик сформулировал центральную догму молекулярной биологии, согласно которой наследственная информация (генетическая) информация реализуется однонаправленно. Заключенная в последовательностях нуклеотидов ДНК информация о первичной структуре белка сначала переписывается на молекулу РНК (процесс транскрипции), а затем в процессе биосинтеза белка реализуется в последовательности аминокислотных остатков полипептидной цепи (процесс трансляции).  Согласно этой концепции, ДНК является хранилищем информации о структуре белка. Посредником между ними является РНК, реализующая генетическую информацию, заключенную. в ДНК, в структуру белка.

 В 1967г. Артур Корнберг синтезировал молекулу ДНК in vitro с помощью открытого им фермента – ДНК-полимеразы.

В 1977 г. Фредрик Сенгер разработал различные методы определения первичной структуры (секвенирования) ДНК.

В 1983 г. Кэри Муллис открыл полимеразную реакцию, благодаря которой стало возможно искусственно увеличивать количество молекул ДНК в растворе для дальнейшей работы.

В 1982-1983 была открыта каталитическая функция РНК.

В 1998 г. Крейг Мелло и Эндрю Фаер описали механизм РНК-интерференции, при котором небольшая двухцепочная молекула РНК приводит к специфичному подавлению экспрессии (активности) гена.

Исследование нуклеиновых кислот открывает возможности для их практического использования в медицине, биотехнологии и других областях жизни человека.

2 группа. Биологи.Понятие о нуклеиновых кислотах. Нахождение их в природе. Классификация. Структура ДНК и РНК .

Нуклеиновые кислоты - биологические полимерные молекулы, хранящие всю информацию об отдельном живом организме, определяющие его рост и развитие, а также наследственные признаки, передаваемые следующему поколению.

Нуклеиновые кислоты содержатся в ядрах клеток всех растительных и животных организмов и выполняют главную роль в хранении, передаче наследственной информации и ее реализации в процесса синтеза белков.

На протяжении второй половины XX века нуклеиновые кислоты были важнейшим объектом исследований химии и биологии. Биологи направили свои усилия на выяснение многочисленных аспектов функционирования нуклеиновых кислот в живых организмах. Поскольку было выяснено, что строение молекул нуклеиновых кислот специально приспособлено для выполнения некоторых основополагающих биологических функций, область биологии, изучающая поведение нуклеиновых кислот в живых и модельных системах, обособилась в автономную область знания, получившую название молекулярная биология.

В природе существует два вида нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновые, или ДНК, и рибонуклеиновые, или РНК. Название произошло от углевода, входящего в состав нуклеиновых кислот.

Молекула ДНК состоит из 2-х правозакрученных спиральных цепочек полинуклеотидов. Недавно была открыта левозакрученная ДНК.

РНК состоит из одной спирально закрученной полинуклеотидной цепочки. Полинуклеотидная цепь ДНК состоит из нуклеотидов. Две полимерные нити объединяются в одну молекулу водородными связями, возникающими между азотистыми основаниями разных цепочек, и образуют двойную спираль, состоящую из двух спирально закрученных нитей.

Расстояние между нуклеотидами одной нити равно 0,34 нм. На один виток спирали приходится 10 нуклеотидов, следовательно, длина одного витка спирали составляет 3,4 нм. В состав любого нуклеотида ДНК входит одно из четырех азотистых оснований: аденин (А), гуанин (Г). Они отличаются только азотистыми основаниями, которые попарно имеют близкое химическое строение: Ц (цитозин) подобен Т (тимин), (они относятся к пиримидиновым основаниям). А и Г по размерам несколько больше, чем Т и Ц. В ДНК входят нуклеотиды только четырех видов.

Между азотистыми основаниями нуклеотидов разных цепей образуются водородные связи (между А и Т – две, а между Г и Ц – три). При этом А соединяется водородными связями только с Т, а Г – с Ц. В результате у всякого организма число адениловых нуклеотидов равно числу тимидиловых, а число гуаниловых – числу цитидиловых.

Эта закономерность получила название правила Чаргаффа. Благодаря этому свойству последовательность в другой, т.е. цепи ДНК являются как бы зеркальными отражениями друг друга.

Такое избирательное соединение нуклеотидов называется комплементарностью и это свойство лежит в основе самосборки новой полинуклеотидной цепи ДНК на базе исходной.

Помимо водородных связей в стабилизации структуры двойной спирали участвуют и гидрофобные взаимодействия.

Функции ДНК. Репликация – процесс синтеза ДНК.

Рибонуклеиновая кислота (РНК), также линейный полимер, но гораздо более короткий.

Основания РНК комплементарны основаниям ДНК, но в молекуле РНК одно основание тимин (Т) – заменено на урацил (У) и вместо дезоксирибозы использована просто рибоза, имеющая на один атом кислорода больше.

Кроме того, РНК – одноцепочечная структура.

Виды РНК:

р-РНК – участвует в формировании активного центра рибосомы,

т-РНК – транспортирует аминокислоты к месту синтеза белка,

и-РНК – переносит информацию о структуре белка из ядра клеток к рибосомам, где эта информация реализуется.

Функции РНК: Биосинтез белка.

3 группа. Химики.Химические свойства нуклеиновых кислот:

Полимерная цепь нуклеиновых кислот собрана из фрагментов фосфорной кислоты Н₃РО₃ и фрагментов гетероциклических молекул, представляющих два вида нуклеиновых кислот, каждая построена на основе одного из двух типов таких гетероциклов – рибозы или дезоксирибозы .

Название рибоза имеет окончание – оза, что указывает на принадлежность к классу сахаров (например, глюкоза, фруктоза).

У второго соединения нет группы ОН (окси-группа), которая в рибозе отмечена красным цветом. В связи с этим втрое соединение называют дезоксирибозой, т.е., рибоза, лишенная окси-группы.

Полимерная цепь, построенная из фрагментов рибозы и фосфорной кислоты, представляет собой основу одной из нуклеиновых кислот – рибонуклеиновой кислоты (РНК).

Термин «кислота» в названии этого соединения употреблен потому, что одна из кислотных групп ОН фосфорной кислоты остается незамещенной, что придает всему соединению слабокислый характер.

Если вместо рибозы в образовании полимерной цепи участвует дезоксирибоза, то образуется дезоксирибонуклеиновая кислота, для которой повсеместно принято широко известное сокращение ДНК.

Азотистые основания .

Пиримидин – шестичленное азотсодержащее гетероциклическое соединение, содержит два атома азота. Производные пиримидина входят в состав нуклеотидов, из которых состоят нуклеиновые кислоты.

Тимин – азотистое основание пиримидинового ряда, метил- оксопроизводное пиримидина, входит в состав нуклеотидов, образующих ДНК.

Урацил – азотистое основание пиримидинового ряда, оксопроизводное пиримидина, входит в состав нуклеотидов, образующих РНК.

Цитозин – азотистое основание пиримидинового ряда, амино- оксопроизводное пиримидина, входит в состав нуклеотидов, образующих нуклеиновые кислоты.

Пурин – азотистое основание, конденсированное азотсодержащее гетероциклическое соединение, состоит из шести- и пятичленного циклов, содержит четыре атома азота. Производные пурина входят в состав нуклеотидов, из которых состоят нуклеиновые кислоты

Аденин – азотистое основание пуринового ряда, аминопроизводное пурина, входит в состав нуклеотидов нуклеиновых кислот.

Гуанин – азотистое основание пуринового ряда, оксо- аминопроизводное пурина, входит в состав нуклеотидов нуклеиновых кислот.

Нуклеиновые кислоты хорошо растворимы в воде, практически не растворимы в органических растворителях. Очень чувствительны к действию температуры и критических значений уровня pH. Молекулы ДНК с высокой молекулярной массой, выделенные из природных источников, способны фрагментироваться под действием механических сил, например при перемешивании раствора ( денатурация)

Нуклеиновые кислоты являются многоосновными кислотами, которые при мягком гидролизе щелочами распадаются на мононуклеотиды. Мононуклеотиды при нагревании до 145°С с водным аммиаком теряют остаток фосфорной кислоты с образованием нуклеозидов.

Нуклеозиды в условиях кислотного гидролиза распадаются на азотистые основания и сахара.

Таким образом, при полном гидролизе нуклеиновых кислот образуются азотистые основания, моносахарид пентоза (рибоза или дезоксирибоза) и фосфорная кислота.

Если осталось время: решить задачи у доски.

Задача1 :На фрагменте одной цепи ДНК нуклеотиды расположены в последовательности: А-А-Г-Т-Ц-Т-А-Ц-Г-Т-А-Т.

1) Достройте вторую цепь ДНК.

2) Объясните, каким свойством ДНК при этом руководствовались.

3) Какова длина (в нм) этого фрагмента ДНК?

(Каждый нуклеотид занимает 0,34 нм по длине цепи ДНК)

Решение и ответ:

1. I цепь ДНК: А-А-Г-Т-Ц-Т-А-Ц-Г-Т-А-Т.

II цепь ДНК: Т-Т-Ц-А-Г-А-Т-Г-Ц-А-Т-А.

2. Принцип комплементарности: А с Т; Г с Ц.

3. Молекула ДНК всегда двухцепочная, поэтому ее длина равна длине одной цепи, а каждый нуклеотид в ней занимает 0,34нм; следовательно, 12 нуклеотидов в цепи 12 х 0.34 =4,09 нм.

Задача. 2. В молекуле ДНК адениновых нуклеотидов насчитывается 26% от общего числа нуклеотидов. Определите количество тиминовых и цитозиновых нуклеотидов.

Ответ: Т-26%;Ц-24%.

3. Решение задачи на вычисление выхода продукта реакции.

Условие задачи: При йодировании 50 г пиррола получили 360 г тетрайодпиррола. Чему равен выход продукта реакции? Ответ запишите с точностью до десятых долей.

Шаг первый: вычислим молярную массу пиррола.

 М₁ = 4·12 + 14 + 5·1 = 67 г/моль.

Шаг второй: вычислим молярную массу тетрайодпиррола:

 М₂ = 4·12 + 14 + 4·127 + 1 = 571 г/моль.

Шаг третий: найдем количество тетрайодпиррола при 100%-ном выходе. Для этого составим пропорцию:

50 : 67 = х : 571, откуда х = (50·571) : 67 = 426 г.

Шаг четвертый: найдём выход продукта реакции.

(360 : 426)·100 = 84,5 %.

Ответ: 84,5.

Адрес публикации: https://www.prodlenka.org/metodicheskie-razrabotki/563967-metodicheskaja-razrabotka-urokaissledovanija