Программа элективного курса «Молекулярная генетика и генная инженерия»



Скачать 266.98 Kb.
Дата16.02.2017
Размер266.98 Kb.
Просмотров197
Скачиваний0
ТипПрограмма

Программа элективного курса «Молекулярная генетика и генная инженерия»
Рабочая программа элективного курса «Молекулярная генетика и генная инженерия» разработана в соответствии с требованиями федерального компонента государственного образовательного стандарта среднего общего образования (биология), на основе авторской программы В.В. Велькова.

Элективный курс предназначен для учащихся 10 класса и рассчитан на 34 часа учебных занятий (1 час в неделю).



Пояснительная записка

Предлагаемая программа охватывает основные разделы молекулярной генетики прокариот и эукариот, которые знакомят учащихся с современными представлениями об основных генетических и биохимических процессах, протекающих в клетках, с главными механизмами функционирования генов у микроорганизмов, растений и животных, с принципами организации их генов и геномов.

Особое внимание уделено развитию у учащихся понимания того, каким образом функционируют белки и гены; как различные генетические и метаболические процессы взаимосвязаны друг с другом и как они координировано регулируются факторами окружающей среды; каким образом знания молекулярно-генетических процессов применяются в генной инженерии для конструирования трансгенных организмов. Полученные знания могут стать основой, на которой в дальнейшем должно формироваться освоение основных биологических дисциплин, понимание механизмов эволюции и принципов, на которых основывается современная трансгенная биотехнология.

Наибольшее внимание в курсе уделено

- принципам строения генов у прокариот и эукариот и механизмам их функционирования;

-принципам и правилам конструирования трансгенных (рекомбинантных, генетически модифицированных организмов, имеющих заданные свойства;

-основным методам и приемам генной инженерии; - проблемам, связанным с возможной экологической опасностью трансгенных организмов.



Большое внимание уделено сравнению кардинально различных принципов строения генов прокариот и эукариот, а именно:

- различной организации структурных генов (кодирующих белки и стабильные РНК) у микроорганизмов, растений и животных;

- принципиально разной организации регуляторных генов прокариот и эукариот, регулирующих экспрессию генетической информации;

- строению регуляторных белков, взаимодействующих с регуляторными генами.

Особое внимание уделяется проблемам, возникающим при генно-инженерном конструировании прокариотных и эукариотных трансгенных организмов, содержащих чужеродные гены, соответственно из эукариот и прокариот, и методам решения этих проблем.

Курс базируется на обязательных учебных предметах, прежде всего на биологических дисциплинах и химии.

Элективный курс изучается в том числе дистанционно, предполагает использование современных компьютерных технологий (сайт школы, различные интернет-ресурсы, скайп).

Цель курса:

Формирование знания основных молекулярно-генетических процессов и представлений, как на их основе проводится генно-инженерное конструирование трансгенных организмов с заданными свойствами.

Задачи курса:

Расширить и углубить знания учащихся о строении функционировании генов прокариот и эукариот.

Дать представление о современном понимании молекулярных механизмов эволюции. Обосновать основные принципы и методы генной инженерии как необходимое условие применения на практике знаний молекулярно-генетических процессов и принципов строения различных генов. Расширить знания о молекулярных механизмах регуляции генов и о генно-инженерных методах, направленных на создание трансгенных организмов с заданными полезными свойствами.

Познакомить учащихся с основными принципами современной трансгенной биотехнологии основанной на применении организмов, полученных с помощью генной инженерии.
Общеучебные умения, навыки и способы деятельности

Ожидаемые результаты

Приоритетными для учебного курса являются: распознавание объектов, сравнение, классификация, анализ, оценка, поиск информации в различных источниках.

Данный элективный курс поможет учащимся расширить и систематизировать знания о важнейших проблемах, возникающих при генно-инженерном конструировании прокариотных и эукариотных трансгенных организмов, содержащих чужеродные гены, соответственно из эукариот и прокариот, и методах решения этих проблем; успешно пройти государственную итоговую аттестацию.

Требования направлены на реализацию деятельностного, практикоориентированного и личностно ориентированного подходов: освоение учащимися интеллектуальной и практической деятельности; овладение знаниями и умениями, востребованными в повседневной жизни, позволяющими ориентироваться в окружающем мире, значимыми для сохранения окружающей среды и собственного здоровья.

Содержание курса
Общее количество часов — 34

Введение (3 ч)

Молекулярная генетика как наука. Связь молекулярной генетики с биохимией нуклеиновых кислот и биохимией белков, с генетикой микроорганизмов, молекулярной биологией и биоинформатикой. Генная инженерия как технология конструирования трансгенных организмов. Значение молекулярной генетики для развития генной инженерии. Роль генной инженерии в биотехнологии, сельском хозяйстве, пищевой промышленности, медицине, охране окружающей среды.

Объекты и методы молекулярной генетики и генной инженерии. История развития молекулярной генетики и генной инженерии.

Демонстрация схемы, иллюстрирующей взаимосвязь молекулярной генетики и генной инженерии между собой и с другими науками.

Прокариотные и эукариотные организмы. Клетки микроорганизмов, клетки животных, клетки растений: разница и сходство. Нуклеоид микроорганизмов и ядро эукариотных клеток. Строение бактериальной и эукариотной хромосомы. Уровни организации эукариотной хромосомы. Эухроматин и гетерохроматин — активные и инертные области эукариотной хромосомы.



Демонстрация схем:

- основные открытия в области молекулярной генетики;

- этапы развития генной инженерии;

- строение прокариотной и эукариотной клеток;


Раздел 1. Строение структурных генов (3ч)

Что такое ген: от морфологического признака к молекулярному механизму его формирования. Строение ДНК, РНК и белков. Центральный постулат молекулярной биологии: ДНКРНК — белок и его развитие. «Простое» строение генов прокариот и сложное «мозаичное» строение генов эукариот. Экзоны и интроны. Сплайсинг. Альтернативный сплайсинг — механизм, с помощью которого один эукариотный ген может кодировать множество разных белков. Расположение генов в прокариотной хромосоме — опероны. Расположение генов в эукариотной хромосоме — мультигенные семейства. Повторяющиеся последовательности (сателлитная ДНК), их роль в организации хроматина. Пути генно-инженерного преодоления несовместимости механизмов экспрессии генов у прокариот и эукариот. Методы разрезания ДНК — эндонуклеазы рестрикции. Методы выделения генов: химический синтез, комплементация, обратная транскрипция, полимеразная цепная реакция и др.

Демонстрация схем:

- строение типичного прокариотного гена;

- строение типичного эукариотного гена (экзоны и интроны);

- конститутивный и альтернативный сплайсинг;

- строение оперона;

- строение мультигенного семейства;

- механизм действия эндонуклеаз рестрикции;

- методы выделения генов.

Раздел 2. Механизмы экспрессии генов (5ч)

Молекулярные механизмы транскрипции. ДНК-зависимые РНК-полимеразы прокариот и эукариот, их функции. Активация генов как инициация транскрипции ДНК. Гены, регулирующие инициацию транскрипции: промотор, оператор, энхансер, сайленсер, инсулятор и другие. Белки - регуляторы транскрипции: репрессоры и активаторы. Модификация нуклеосом как фактор регуляции транскрипции генов у эукариот Элонгация и терминация транскрипции — терминаторы. Типичные механизмы регуляции транскрипции у прокариот: лактозный оперон. Типичные механизмы регуляции инициации транскрипции у эукариот — регуляция активности ДНК- зависимой РНК-полимеразы II — сборка транскриптосомы. Генно-инженерные методы обеспечения экспрессии чужеродных генов, векторы для экспрессии.



Демонстрация схем:

- ДНК-зависимые РНК-полимеразы прокариот и эукариот, их функции;

- строение регуляторных областей транскрипции у прокариот и эукариот;

- основные типы белков, регуляторов транскрипции у прокариот и эукариот;



- механизм регуляции транскрипции эукариотных генов за счет ковалентной модификации нуклеосом;

- строение и функционирование лактозного оперона;

- сборка транскриптосомы и активация ДНК-зависимой РНК-полимеразы II;

- векторы для экспрессии клонированных генов



Раздел 3. Механизмы репликации, репарации и рекомбинации ДНК (8 ч)

Полуконсервативный механизм репликации ДНК. ДНК-зависимые ДНК-полимеразы прокариот и эукариот, их функции, механизм их действия. Белки и ферменты репликации: ДНК-лигаза, топоизомераза, ДНК-гираза и др. Суперспирализация ДНК. Участок инициации репликации хромосомы — origin. Применение ферментов (репликации в генной инженерии. Векторы для автономной репликации чужеродной ДНК.

Обеспечение точности репликации ДНК и спонтанный мутагенез. Механизмы репарации неправильно спаренных оснований и их роль в эволюции. Эксцизионная респирация ДНК. Индуцируемая репарация, SOS-ответ, индуцируемые стрессами мутагенные ДНК-зависимые

ДНК-полимеразы, их роль в адаптивном мутагенезе эволюции. Применение ферментов репарации в ген и инженерии. Направленная модификация генов — сайт - направленный мутагенез. Основные принципы белковой инженерии.

Механизмы рекомбинации. Законная (гомологическая) рекомбинация и сайт-специфическая рекомбинация. Рекомбинационная репарация. Их генетическая роль. Эволюционная роль рекомбинации. Применение гомологической и сайт-специфической рекомбинации в генной инженерии для интеграции чужеродных генов в хромосому реципиентного организма и для инактивации хромосомных генов. Векторы для адресованной интеграции чужеродной ДНК в хромосому. Получение новых высокоактивных генов путем рекомбинационной «перетасовки» экзонов.

Незаконная рекомбинация и мобильные генетические элементы прокариот и эукариот. Механизм перемещения бактериальных мобильных генетических элементов. Роль транспозонов в эволюции микроорганизмов, в распространении лекарственной устойчивости среди микроорганизмов. Применение транспозонов в генной инженерии для конструирования векторных молекул и для проведения перестроек в геноме.

Мобильные генетические элементы эукариот. Транспозиция за счет обратной транскрипции — ретротранспозоны. Связь между ретротранспозонами и ретровирусами. Роль мобильных генетических элементов в эволюции эукариот. Применение обратной транскрипции в генной инженерии. Мобильные генетические элементы как векторы для эукариот. Плазмиды, бактериофаги и вирусы эукариот. Принципы их строения и методы их применения в генной инженерии в качестве векторов. Трансмис- сибельные и конъюгативные плазмиды, их роль в эволюции микроорганизмов и в генной инженерии. Умеренные бактериофаги как векторы. Эукариотные вирусы в генной инженерии эукариот. Проблемы структурной и репликатив- ной стабильности рекомбинантных ДНК.
Раздел 4. Механизмы трансляции (4ч)

Основные свойства генетического кода: вырожденность (избыточность), систематичность, помехоустойчивость. Разные эффективности декодирования различных синонимичных кодонов при кодировании различных типов генов. Аппарат трансляции у прокариот и эукариот. Строение рибосомы, белковые факторы трансляции. Связь между транскрипцией и трансляцией у прокариот. Механизм регуляции экспрессии оперонов биосинтеза аминокислот — аттенюация транскрипции за счет трансляции лидерного пептида — триптофановый оперон. Происходит ли трансляция в ядрах эукариот? Строение зон у матричных РНК прокариот и эукариот, ной инженерии, обеспечивающие высокоэффективную трансляцию чужеродных мРНК. Векторы для суперпродукции белков клониронанных генов. Проблемы генной инженерии штаммом суперпродуцентов низкомолекулярных соединений (аминокислот) — принципы метаболической инженерии.

Демонстрация схем:

- строение рибосом прокариот и эукариот, рРНК, рибо- сомальных белков;

- стадии трансляции у прокариот и эукариот;

- механизм регуляции транскрипции триптофанового оперона;

- векторы для суперпродукции.

Практическое занятие



Разработка и защита проектов конструирования рекомбинантных ДНК, предназначенных для решения различных научных и практических задач.
Раздел 5. Методы получения трансгенных микроорганизмов, растений и животных (4 ч)

Методы введения рекомбинантных ДНК в реципиентные организмы. Трансформация микроорганизмов и методы селекции трансформантов. Векторы для селекции рекомбинантных ДНК. Основные классы трансгенных микроорганизмов: суперпродуценты полезных соединений, штаммы биодеструкторы для очистки (биоремедиации) окружающей среды от загрязнителей, трансгенные микроорганизмы, повышающие эффективность сельского хозяйства.

Культуры клеток растений.

Трансформация клеток растений, методы селекции трансформантов и регенерации из них трансгенных растений. Векторы для растений. Основные классы трансгенных растений: инсектицидные, устойчивые к гербицидам, устойчивые к стрессам, ирующие ценные соединения.

Культуры клеток животных. Трансформация клеток животных и методы селекции трансформантов. Получение трансгенных животных. Микроинъекция рекомбинантных ДНК в ядра яйцеклеток. Основные типы трансгенных животных: с повышенной продукцией биомассы, трансгенные животные как биореакторы для получения ценных белков.

Принципы и проблемы репродуктивного клонирования животных. Эпигенетические эффекты и жизнеспособность клонов.



Демонстрация схем:

- методы трансформации микроорганизмов, клеток растений и клеток животных;

- методы селекции трансформантов; к получение трансгенных растений и животных;

- репродуктивное клонирование



- строение лидерных зон прокариотных и эукариотных мРНК;

Раздел 6. Трансгенные организмы и проблемы обеспечения биобезопасности (4 ч)

Потенциальные опасности, связанные с применением трансгенных организмов. Токсикологический риск при применении трансгенных организмов для производства пищи и кормов. Типы экологических рисков при интродукции трансгенных организмов (в особенности, трансгенных растений) в окружающую среду и принципы их оценки. Государственное регулирование промышленного применения трансгенных организмов. Отношение общества к трансгенной биотехнологии. Принципы биоэтики при генной терапии.

Демонстрация схем:

- основные типы рисков, связанных с применением трансгенных организмов;

- принципы оценки рисков, связанные с интродукцией трансгенных организмов в окружающую среду.

Заключение (1 ч)

Итоговая конференция «Молекулярная генетика и генная инженерия в XXI веке».
Тематическое планирование.





Тема

Дата

Демонстрации

Фома занятия

Форма контроля

Тема 1. Введение (3 ч)

1.

1.Молекулярная генетика как наука.

Связь молекулярной генетики с

другими науками.





- основные открытия в области молекулярной генетики;


лекция

Фронтальная беседа

2.

2. Генная инженерия как технология конструи-

рования трансгенных организмов. Роль генной

инженерии в биотехнологии, сельском хозяйстве, медицине,

охране окружающей среды.






- этапы развития генной инженерии;

лекция

Самостоятельная работа

Тест. Молекулярно-генетический уровень

http://biouroki.ru/test/


3.

3.Объекты и методы молекулярной генетики и

генной инженерии.






- строение прокариотной и эукариотной клеток;

лекция




Тема 2. Строение структурных генов. (3 ч.)

4.

1. Строение ДНК, РНК и белков.




- строение типичного прокариотного гена;

- строение типичного эукариотного гена (экзоны и интроны);




лекция




5.

2. Экзоны и интроны. Сплайсинг.




- конститутивный и альтернативный сплайсинг;

- строение оперона;

- строение мультигенного семейства;


Дистанционно.

http://test.biologii.net




Проверка тестовых заданий.

Раздел 3. Молекулярная биология.

Тест № 34. Репликация ДНК и центральная догма


6.

3. Пути генно-инженерного преодоления несовмести-

мостимости механизмов экспрессии генов у прокариот и у экариот.






- механизм действия эндонуклеаз рестрикции;

- методы выделения генов.



лекция

Тестирование

Тема3. Механизмы экспрессии генов.(5ч).

7.

1. Молекулярные механизмы транскрипции.







лекция

Решение задач

8.

2. Белки – регуляторы транскрипции: репрессоры и активаторы.







Сообщение учащихся

Решение задач

9.

3. Модификация нуклеосом как фактор регуляции транскрипции генов у эукариот.







Самостоятельная работа учащихся с дополнительными источниками

Тестирование

10.

4. Типичные механизмы регуляции у прокариот: лактозный оперон.







Дистанционно.

http://test.biologii.net

http://biouroki.ru/test/


Проверка теста. Раздел 3. Молекулярная биология.

Тест № 37. Транскрипция и трансляция

Тест. Молекулярный уровень http://biouroki.ru/test/


11.

5. Генно-инженерные методы обеспечения экспрессии чужеродных

генов, векторы для экспрессии.









Дистанционно.

http://test.biologii.net




Проверка теста. Раздел 3. Молекулярная биология

Тест 35. Репликация ДНК - 2



Тема 4. Механизмы репликации, репарации и рекомбинации ДНК .(8ч).

12.

1. Полуконсервативный механизм репликации ДНК.




- строение рибосом прокариот и эукариот, рРНК, рибосомальных белков;


лекция




13.

2.Белки и ферменты репликации: ДНК-лигаза, топоизомераза, ДНК-гираза.




- стадии трансляции у прокариот и эукариот;

- механизм регуляции транскрипции триптофанового оперона;




Самостоятельная работа учащихся с дополнительными источниками




14.

3. Суперспирализация ДНК




- векторы для суперпродукции.

http://test.biologii.net

Дистанционно.



Проверка теста. Раздел3: Молекулярная биология

Тест 36. Генетический код



15.

4. Применение ферментов репликации в генной инженерии.







Практическое занятие

Разработка и защита проектов конструирования рекомбинантных ДНК, предназначенных для решения различных научных и практических задач.



Практическое занятие

16.

5. Векторы для автономной репликации чужеродный ДНК.







лекция




17.

6. Обеспечение точности репликации ДНК и спонтанный мутагенез.







Дистанционно.

http://test.biologii.net




Проверка теста. Раздел2: Клетка

Тест 62. Синтез белка в клетке



18.

7. Эволюционная репарация ДНК. Основные принципы белковой инженерии.







лекция




19.

8.Незаконная рекомбинация и мобильные генетические

элементы прокариот и эукариот.









Самостоятельная работа учащихся с дополнительными источниками

Решение задач

Тема5. Механизмы трансляции. (4ч.)

20.

1.Основные свойства генетического кода: вырожденность,

систематичность, помехоустоичивость. Аппарат трансляции у

прокариот и эукариот.





методы трансформации микроорганизмов, клеток растений и клеток животных;


Самостоятельная работа учащихся с дополнительными источниками




21.

2.Связь трансляции и транскрипции у прокариот.




- строение лидерных зон прокариотных и эукариотных мРНК;

Дистанционно.

http://test.biologii.net

http://biouroki.ru/test/


Проверка теста Раздел1: Химия клетки

Тест 2. Функции белков

Тест. Основы цитологии http://biouroki.ru/test/


22.

3.Методы генной инженерии, обеспечивающие высокоэффективную

Трансляцию чужеродных Мрнк.






- методы селекции трансформантов; к получение трансгенных растений и животных;

лекция




23.

4. Проблемы генной инженерии штаммов суперпродуцентов

низкомолекулярных соединений (аминокислот)-

принципы метаболической инженерии.





- репродуктивное клонирование

лекция

Тестирование

Тема 6. Методы получения трансгенных микроорганизмов,

растений и животных. (11 ч.)



24.

1. Методы введения рекомбинантных ДНК в реципиентные

организмы.







http://test.biologii.net

Дистанционно.

http://www.issep.rssi.ru


Проверка тестов. Раздел2: Клетка

Тест 48. Транспорт через мембраны

Раздел2: Клетка

Тест 14. Прокариота.



25.

2. Основные классы трансгенных организмов.




- основные типы рисков, связанных с применением трансгенных организмов;

лекция

Тестирование

26.

3.Культуры клеток растений. Трансформация и векторы для растений.







лекция




27.

4. Основные классы трансгенных растений: инсектицидные,

устойчивые к гербицидам, устойчивые к стрессам, продуцирующие

ценные соединения.








Самостоятельная работа учащихся с дополнительными источниками

http://www.nature.ru




Самостоятельная работа

http://www.nature.ru




28.

5. Значение трансгенных организмов для человека.




- принципы оценки рисков, связанные с интродукцией трансгенных организмов в окружающую среду.

Самостоятельная работа учащихся с дополнительными источниками

Дистанционно.

http://www.nature.ru


Самостоятельная работа

http://www.nature.ru




29.

6. Значение трансгенных организмов для человека.




- принципы оценки рисков, связанные с интродукцией трансгенных организмов в окружающую среду.

Самостоятельная работа учащихся с дополнительными источниками

http://www.issep.rssi.ru

http://www.nature.ru


Самостоятельная работа

http://www.nature.ru




30.

7. Трансгенная инженерия в быту.




- принципы оценки рисков, связанные с интродукцией трансгенных организмов в окружающую среду.

лекция




31.

8. Овечка Долли. Кто она?







Дистанционно.

http://www.issep.rssi.ru

http://www.nature.ru


Фронтальная беседа, используя изученные материалы

http://www.nature.ru




32.

9. Итоговое тестирование.







тестирование

Тестирование

33.

10. Итоговое повторение.







Беседа. Письменная работа.




Заключение (1ч)

34.

1. Итоговая конференция.







Выступление докладчиков.






Требования к уровню подготовки выпускников

Учащиеся должны знать:

- строение различных классов генов прокариот и эукариот;

- основные молекулярные механизмы репликации, рекомбинации и репарации генов;

- основные механизмы регуляции транскрипции генов и процессинга

(сплайсинга) информационных РНК;

- основные механизмы, обеспечивающие биосинтез белков (трансляцию);

- важнейшие методы генной инженерии (выделение генов, модификацию генов, сшивание генов, внесение чужеродных генов в реципиентные организмы);

- принципы техники безопасности работ с трансгенными организмами;

- принципы оценки токсикологического и экологического риска при интродукции трансгенных организмов в окружающую среду (в особенности принципы оценки экологического риска трансгенных растений);

- важнейшие принципы биоэтики, связанные с генной терапией, с клонированием эмбриональных стволовых клеток человека, с репродуктивным клонированием человека.

Учащиеся должны уметь:

- охарактеризовать основные принципы строения структурных и регуляторных генов и регуляторных белков прокариот и эукариот;

- объяснить молекулярные механизмы репликации, репарации и рекомбинации генов и принципы применения этих механизмов в генной инженерии;

- охарактеризовать основные механизмы экспрессии генов и применение этих механизмов в генно-инженерном конструировании составлять принципиальные схемы конструирования рекомбинантных ДНК, экспрессирующих чужеродные гены и обосновать принципы такого конструирования;

- характеризовать основные области практического применения трансгенных организмов.



Материально-техническое оснащение

Кабинет биологии оснащен всеми необходимыми материалами для проведения лабораторных, практических работ и демонстраций. Также в кабинете имеются: ноутбук, выход в сеть Интернет, интерактивный комплекс IPBOARD, цифровые микроскопы, документ-камера.


Учебно-методическое обеспечение

  1. Альбертс Б. и др. Молекулярная биология клетки. М.: Мир, 1994.

  2. Введение в молекулярную биологию. М.: Мир., 1988г.

  3. Ченцов Ю.С. Общая цитология. М.: Изд-во Моск. Ун-та, 1998.


Интернет – сайты.

  1. http: //cellbio utmb.edu – сайт университета Юта (США) по клеточной биологии, гистологии, анатомии и физиологии.

  2. http: //www.nature.ru – сайт МГУ (Россия) по всем разделам биологии, медицины и другим наукам (статьи, рефераты, обзоры)

  3. http: //www.issep.rssi.ru – сайт Соросовского образовательного журнала (все статьи в свободном доступе)

  4. http://biouroki.ru/test/

  5. http://test.biologii.net



Поделитесь с Вашими друзьями:


База данных защищена авторским правом ©nethash.ru 2017
обратиться к администрации

войти | регистрация
    Главная страница


загрузить материал