Изучение вопросов биотехнологии в курсе химии средней школы
p align="left">3. Изучение нового материала

Ферменты сохраняют свои уникальные свойства (какие?) и вне клеток, поэтому их традиционно широко применяют в практике.

Применение ферментов

Фермент

Химико-биологический процесс

Область применения

Амилазы

Гидролиз крахмала до мальтозы и глюкозы

Спиртовая промышленность, хлебопечение, получение глюкозы

Глюкоизомераза

Глюкоза фруктоза

Кондитерская промышленность

Липазы

Гидролиз жиров и масел

Пищевая и медицинская промышленность

Пептидогидролазы

Гидролиз белка

Получение аминокислот, производство сыра, выделка кожи, медицина

Целлюлазы

Гидролиз целлюлозы до глюкозы

Производство этанола, глюкозо-фруктозных сиропов

Сахараза

Гидролиз сахарозы

Сиропопроизводство

Но если смешать фермент с реагентами, то после окончания реакции его будет очень трудно отделить от продуктов. Еще в 1916 году Дж. Нельсон и Е. Гриффин показали, что сахараза, сорбированная на угле, сохраняла свою каталитическую активность, а уголь можно отделить от раствора продуктов без особых затруднений, и, следовательно, фермент можно применять многократно.

В настоящее время (с 1971 года) применяется термин «иммобилизация» - полное или частичное ограничение движения белковых молекул. Иммобилизованными ферментами называют ферменты, искусственно связанные с нерастворимым носителем, но сохраняющие свои каталитические свойства (под запись). Иммобилизованный ферментный препарат включает в себя непосредственно фермент и носитель (природные полимеры - целлюлоза, хитин, желатин; синтетические - полистирол, поливиниловый спирт; неорганические - керамика, силикагель, графит).

Методы иммобилизации ферментов

физические химические

(ковалентное связывание с носителем)

·Прочное и необратимое связывание

адсорбция включение в гель

(активированный (фермент вводят в

уголь, глины) раствор мономера

и полимеризуют,

или сразу в раствор

полимера)

·Обратимое связывание и при изменении

условий - деградация ферментного препарата

Примеры химической иммобилизации:

1) образование амидной связи:

H - C(O) Cl + H2N - Ф = H - C(O) NHФ + HCl

2) образование дисульфидного мостика:

H - SH + 0,5O2 +HS - Ф = H - S - S - Ф +Н2О

3) образование оснований Шиффа:

H - C(O) H + H2N - Ф = H - CH = N - Ф + Н2О

Промышленное применение иммобилизованных ферментов:

1. Иммобилизованная сахараза работает до 10 лет, при этом активность фермента теряется незначительно:

С12Н22О11 + Н2О = С6Н12О6 + С6Н12О6

глюкоза фруктоза

инвертный сахар

2. Глюкоизомераза превращает глюкозу во фруктозу и таким образом получают глюкозо-фруктозный сироп (50 х 50).

3. Осуществлен промышленный синтез аминокислот из их аналогов на иммобилизованных ферментах:

НООС - СН = СН - СООNH4 HOOC - CH2 - CH(NH2) - COOH

фумарат аммония аспарагиновая кислота

HOOC - CH2 - CH(NH2) - COOH H3C - CH(NH2) - COOH + CO2

аспарагиновая кислота аланин

4. Яблочную кислоту - заменитель лимонной в продуктах питания - получают из химически синтезируемой фумаровой:

НООС - СН = CH - СООН + Н2О НООС - СН(ОН) - СН2СООН

фумаровая кислота яблочная кислота

4. Заключение

Итак, нам стало ясно, какое значение играют ферменты в современной химической промышленности. На следующем уроке мы попробуем сами получить иммобилизованный ферментный препарат.

УРОК №7 Практическая работа «Приготовление иммобилизованных ферментных препаратов»

Задачи:

1. Образовательная: освоение простейших методов получения ферментных препаратов в растворенном и иммобилизованном виде.

2. Развивающая: а) развитие познавательного интереса учащихся;

б) формирование логического мышления в ходе выполнения практической работы;

в) формирование умений и навыков умственного и практического труда.

3. Воспитательная: а) в целях формирования диалектического мировоззрения проведением качественных проб на ферменты показать реальность процесса иммобилизации;

б) воспитание мотивации к обучению.

Ход урока:

1. Организация класса

Какие способы иммобилизации ферментов вы знаете?

2. Постановка учебных задач

На сегодняшнем занятии вы попробуете самостоятельно выделить фермент из природного объекта и иммобилизовать его на полимерном носителе.

Класс делится на 3 группы, и каждая работает со своим ферментом.

3. Проведение работы (более подробно см. [13].

I. Получение ферментных препаратов:

10 г. природного объекта (пекарские дрожжи - сахараза; бобы фасоли без кожуры - уреаза; проростки пшеницы - комплекс амилаз) тщательно растирается в ступке с кварцевым песком и заливается 20-30 мл воды; перемешивание - 10 мин. Фильтрование через складчатый фильтр.

II. Иммобилизация:

После пояснения термина «катионит» берут 1 г его и в химическом стакане перемешивают с полученным ранее фильтратом 40-60 мин. После фильтрования (обычный фильтр) массу промывают 2 раза водой.

III. Проведение качественных проб:

(Заранее на доске приготовлена таблица)

Фермент

Субстрат

Реагент обнаружения

Признаки реакции

Сахараза

3 мл 5% сахарозы

Фелингова жидкость (2 мл)

Образование красного Cu2O при нагревании

Уреаза

5 мл 1% мочевины

2 капли спиртового фенолфталеина

Малиновая окраска

Амилазы

5 мл 1% крахмала

Фелингова жидкость (2 мл)

Образование красного Cu2O при нагревании

Контроль выполняют 3 человека из класса со смоченным водой катионитом.

Выводы

Итак, что вы можете сказать после проведения качественных реакций? Почему катионит не дал положительных результатов в контрольных опытах? Оформите дома работу, попробуйте написать химический процесс, катализируемый «вашим» ферментом, и ответьте на вопрос: какой вид иммобилизации мы использовали в ходе работы?

УРОК №8 по теме «Основы генной инженерии»

Задачи:

1. Образовательная: знакомство с современной биотехнологией - генетической инженерией, основные направления и задачи. Принципиальные методы создания искусственных генетических структур.

2. Развивающая: а) развитие познавательного интереса учащихся;

б) формирование логического мышления в процессе освоения теоретических приемов конструирования генетических структур;

в) формирование умений и навыков умственного и практического труда.

3. Воспитательная: а) в целях формирования диалектического мировоззрения показать познаваемость тонких механизмов реализации генетической программы организма и возможности воздействия человека на геномы различных живых объектов;

б) воспитание мотивации к обучению.

Ход урока:

1. Организация класса

Обсуждение вопросов, возникнувших при оформлении практической работы.

2. Актуализация знаний

«…там, где природа кончает производить свои виды, там человек начинает из природных вещей создавать, с помощью этой же самой природы, бесчисленные виды новых вещей». (Л. Да Винчи: расшифрованные записные книжки)

С глубокой древности человек мечтал создавать новые виды животных … людей. Достаточно вспомнить множество мифов о русалках, кентаврах, сиренах и других сказочных (?!) персонажах. Кто знает, может в недалеком будущем они станут реальностью.

На сегодняшнем уроке мы попытаемся разобраться, что служит основанием для таких суждений.

3. Изучение нового материала

Если вы вспомните первое занятие, то сами скажете, в какой «биотехнологической эре» мы сейчас живем (эра генетической инженерии).

Попробуем разобраться в этом термине:

генетическая (генная) - затрагивающая генетические структуры (какие это структуры?);

инженерия подразумевает конструирование, модификацию в механическом смысле.

Итак, запишите определение:

Генная инженерия - система экспериментальных приемов, позволяющих конструировать лабораторным путем искусственные генетические структуры, вводить их в клетку и позволяющих в ней совершать работу.

Возможно, у вас вызвало недоумение словосочетание «совершать работу». Вспомним простейшую схему реализации генетической информации:

участок ДНК (ген) РНК белок (на доске)

и именно белок реализует генетическую информацию сам по себе или, если он фермент, запускает превращение каких-то веществ. Например, собаки не нуждаются в поступлении извне витамина С, а синтезируют его из компонентов углеводистой пищи. Следовательно, если гены, кодирующие нужные ферменты такого превращения, «пересадить» от собаки организму, испытывающему недостаток витамина С (морской свинке, человеку!?!), то проблема будет решена. Правда, данный перенос генов на современном этапе утопичен, но я привел его как наглядный пример биотехнологического использования.

Успехи в генной инженерии стали возможны благодаря изучению простейших живых существ (вирусов и бактерий) на генетическом уровне. Прежде, чем извлечь нужный ген из микроорганизма, надо знать его местоположение. Составлены так называемые генетические карты многих штаммов бактерий и вирусов методами классической генетики. Нужен «почтальон» - носитель генов, предназначенных для переноса («вектор»). Такие имеются в природе с незапамятных времен: плазмиды и бактериофаги. Плазмиды - кольцевые молекулы ДНК, относительно небольших размеров, самостоятельно существующие независимо от хромосомы бактерии. Они обусловливают вне хромосомную наследственность (кстати, у человека её обусловливают митохондрии). И конечно нужны «хирургические скальпели» молекулярных размеров, позволяющие резать ДНК в нужных местах. И такие инструменты всегда были рядом с нами и даже в нас: ферменты специфического расщепления ДНК - рестриктазы. Роль их в клетке - разрушение вирусных ДНК. Каждая рестриктаза специфична по-своему, но все они имеют одну общую особенность - действуют на последовательности, читаемые в одной цепи ДНК, идентично другой, но в противоположную сторону:

5? ГААТТЦ 3?

5? ЦТТААГ 3?

«перевертыши»: «А роза упала на лапу Азора».

Обратите внимание, что образовались однотяжевые последовательности, комплементарные друг другу, «липкие концы». Уже известно более 500 рестриктаз, позволяющих расщеплять ДНК в 120 последовательностях. Впервые их применили в 1972 году в США.

Есть ферменты, сшивающие разрывы ДНК (на доске):

ААТТ ААТТ

______________________

____________________________________________

ТТАА ТТАА

рестриктаза =

ААТТ

ТТАА

(плазмида)

ААТТ

___________________

___________________

ТТАА

(нужный ген) =

ААТТ

___________________

___________________

ТТАА

(раскрытая плазмида)

ААТТ

ТТАА

ТТАА

ААТТ

гибридная ДНК

(после сшивки)

Теперь обновленные плазмиды, поглощенные бактериями из раствора, можно размножить в миллионы раз - клонировать. А встроенный ген будет работать и нарабатывать нужный белок, витамин, аминокислоту… Это мы рассмотрим на следующем уроке.

УРОК №9 по теме «Применение генной инженерии»

Задачи:

1. Образовательная: знакомство учащихся с применением достижений генной инженерии в биотехнологии: клонирование генов в различных организмах. Проблемы и перспективы данного направления.

2. Развивающая: а) развитие познавательного интереса учащихся в связи с занимательностью материала;

б) формирование логического мышления в ходе познания путей получения современных лекарственных препаратов и новых сортов растений;

в) формирование умений и навыков умственного и практического труда.

3. Воспитательная: а) в целях формирования диалектического мировоззрения показать хрупкость состояния природного равновесия и все возрастающую роль человека в поддержании этого равновесия;

б) воспитание мотивации к обучению.

Ход урока:

1. Организация класса

Объясните, как можно пересадить ген от одного микроорганизма другому?

2. Актуализация знаний

Итак, мы разобрались, как можно пересадить ген от одного организма другому. Сегодня посмотрим, к чему это приводит или может привести.

3. Изучение нового материала

В настоящее время основные работы по генной модификации организмов ведутся с бактериями, так как они наиболее изучены и просты. Многие штаммы микроорганизмов также являются сверхпродуцентами различных биологически активных веществ.

Материал к уроку смотри клонирование в клетках различных организмов(главаI).

«Мы почувствовали себя ничтожными существами, богохульно дерзнувшими затронуть силы, бывшие до сих пор в неприкосновенности». (Генерал Фарелл, очевидец взрыва первой экспериментальной атомной бомбы 16.07.1945)

УРОК №10 Итоговая проверочная работа

I вариант

1. Определение биотехнологии

2. Принцип работы биофильтра, аэротенка

3. Напишите уравнения реакций микробиологического окисления пирита, выщелачивания медных отвалов

4. Определение иммобилизованного фермента. Методы иммобилизации.

5. Что такое генная инженерия?

II вариант

1. Этапы развития биотехнологии

2. Уравнения процессов молочнокислого и спиртового брожения, получения уксуса

3. Определение биометаногенеза, этапы

4. Принцип отбора мутантов с нарушениями регуляторных систем

5. Как вы понимаете понятия: вектор, рестриктазы

3.3 Примерный план включения материала элективного курса в темы неспециализированной программы по химии

Занятия элективного курса

Материал «стандартных» уроков

Биотехнологические процессы в пищевой промышленности.

Углеводы, процессы брожения;

Получение этилового спирта

Биотехнологическая переработка отходов

Охрана гидросферы; получение низших УВ(биометаногенез)

Бактериальное выщелачивание

Получение металлов; экологические аспекты химии - переработка промышленных отходов

Основы получения БАВ.

Производство кормового белка.

Производство аминокислот, витаминов и антибиотиков

Химия и жизнь; биологически активные вещества

Применение ферментов

Белки, ферменты

Основы генной инженерии.

Применение генной инженерии

Нуклеиновые кислоты, перспективы изучения

3.4 Педагогический эксперимент

Приведённая практическая работа была выполнена на занятиях школы №18 со школьниками 10 «А» и 10 «Б» и со студентами 5 курса биолого-химического факультета КГПУ им. К.Э. Циолковского.

Занятие по теме «Микробиологическое выщелачивание» было также проведено со студентами (БХ-51) за невозможностью использования резервов школы.

Кроме того, был изучен и переработан опыт учителей средней школы №18 г. Калуги в преподавании темы «Биотехнология». Данная тема затрагивается ими в 11 классе в модуле «Химия в жизни общества» (по программе О.С. Габриеляна).

Вывод

Педагогический эксперимент выявил некоторые технические и временные недостатки предлагаемой практической работы. По нашему мнению целесообразнее её проводить во внеурочное время: на факультативных занятиях и кружках.

В ходе беседы была выявлена заинтересованность студентов в предложенном материале. Несомненно, данное занятие расширило их кругозор и мотивировало к дальнейшему обучению.

Учитель химии средней школы №5 г. Калуги также считает нужным расширение предложенного О.С. Габриеляном модуля за границы лекарственных препаратов.

Заключение

В процессе работы для достижения цели нами были выполнены следующие задачи:

1. Проанализирована методическая литература и обоснована актуальность темы.

2. Проанализирована литература, дающая обзор основных вопросов биотехнологии.

3. Подобран материал к проведению уроков по данной теме и разработаны методические рекомендации по его использованию.

4. Подобрана лабораторная работа, которую следует включить в изучение данной темы.

5. Проведён педагогический эксперимент и освоен опыт учителей.

Таким образом, разработанная нами методика применима для обучения, так как повышает познавательный интерес у учащихся, что является важным условием формирования высокого качества знаний и эффективности их усвоения. Кроме того, предложены опыты, не требующие применения сложного оборудования.

Список литературы

1. Андреева Н.В., Левченко А.Л. Профильное обучение: вчера, сегодня, завтра // Биология в школе, №5, 2004-с. 21

2. Баранов В.С. Генная терапия - медицина XXI века // Соросовский образовательный журнал, №3, 1999-с. 63

3. Белозёрский А.Н. Молекулярная биология - новая ступень познания природы - М., «Советская Россия», 1970

4. Биотехнология. Принципы и применение: Пер. с англ. // Под ред. И. Хиггинса, Д. Беста и Дж. Джонса. - М.: Мир, 1988. - 480 с.

5. Браун А.Д. Фаддеева М.Д. Молекулярные основы жизни - М.: «Просвещение», 1976 - 206 с.

6. Геном, клонирование, происхождение человека // общ. ред. Корочкина Л.И. - Фрязино, 2004

7. Егорова Т.А., Клунова С.М., Живухина Е.А. Основы биотехнологии - М.: «Академия», 2003 - 208 с.

8. Ингрем В. Биосинтез макромолекул Пер. с англ. - М.: Мир 1966 -273 с.

9. Коничев А.С., Севастьянова Г.А. Молекулярная биология - М.: «Академия», 2003. - 400 с.

10. Концепция модернизации российского образования на период до 2010 года

11. Ленинджер А. Основы биохимии: в 3-х томах Т.3. Пер. с англ.-М.: Мир, 1985. - 320 с.

12. Лутова Л.А. «Генетическая инженерия растений: свершения и надежды» // Соросовский образовательный журнал, том 6, №10, 2000 - с. 10

13. Николаев А.А. Основы биотехнологии часть I Калуга, КГПИ им. Циолковского. 1989. - 43 с.

14. Овчинников Ю.А. Биоорганическая химия. - М.: Просвещение, 1987. - 815 с.

15. Программы для общеобразовательных учреждений: химия 8-11 кл. // сост. Габрусева Н.И., Суматохин С.В. - М.: Дрофа, 2001 - 288 с.

16. Садовникова Е.А., Шакир И.В. «Биотехнология - что это такое?» // Химия в школе №2 1994

17. Филиппович Ю.Б. Основы биохимии Высш.шк., 1985. - 503 с.

18. Франк-Каменецкий М.Д. Самая главная молекула - М.: Наука 1988. - 176 с.

19. Чирков Ю.Г. «Время химер. Большие генные игры». - М.: ИКЦ «Академкнига» 2002.

20. http://www.pravda.ru/science/technologies/209660-egg-0

21. http://www.vz.ru/society/2006/10/17/53162.html

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9



Реклама
В соцсетях
рефераты скачать рефераты скачать рефераты скачать рефераты скачать рефераты скачать рефераты скачать рефераты скачать