DNA, οργάνωση και δομή του γενετικού υλικού

Transcript

1 DNA, οργάνωση και δομή του γενετικού υλικού Κιούπη Βασιλική, εκπαιδευτικός κλ.πε04.04 Μια εκπαιδευτική δραστηριότητα βασισμένη σε εκθέματα του ιδρύματος Ευγενίδου

2 Εισαγωγικός τομέας και προκαταρτική φάση Μικρή Περιγραφή: οι μαθητές θα ασχοληθούν με το μήκος διαφορετικών μορίων DNA, τον τρόπο που οργανώνεται το DNA στον πυρήνα των κυττάρων στα διάφορα στάδια του κυτταρικού κύκλου και με τη δομή του DNA (στο χώρο και χημική), μέσα από αλληλεπίδραση με εκθέματα της διαδρομής 7 της ιαδραστικής Έκθεσης Επιστήμης και Τεχνολογίας του Ιδρύματος Ευγενίδου. Λεξιλόγιο: DNA, συσπείρωση, χρωμοσώματα, χρωματίνη, διπλή έλικα, νουκλεοτιδικές βάσεις (A, T, G, C), μεσόφαση, μίτωση, γονίδια, γονιδίωμα, μεταλλάξεις, κυτταρικός κύκλος Κοινό που απευθύνεται: μαθητές Β τάξης Γενικού Λυκείου Ηλικία: ετών Περιβάλλον: σχολείο (εργαστήριο φυσικών επιστημών), διαδραστική έκθεση επιστήμης και τεχνολογίας ιδρύματος Ευγενίδου Χρονική διάρκεια: Πριν την επίσκεψη 2 διδακτικές ώρες Επίσκεψη 1 ώρα Μετά την επίσκεψη 2 διδακτικές ώρες

3 Εισαγωγικός τομέας και προκαταρτική φάση Τεχνικές απαιτήσεις: υπολογιστής με πρόσβαση στο internet, βιντεοπροβολέας, πλαστικό μοντέλο DNA, άλλα υλικά εργαστηρίου. Υπόβαθρο συγγραφέα: εκπαιδευτικός κλ.πε04.04 (Βιολόγος) Σύνδεσημετηδιδακτέαύλη: Βιολογία Γενικής Παιδείας Β Λυκείου κεφ.1 Νουκλεϊκά οξέα: νήματα και αγγελιοφόροι της ζωής. ιδακτικοί στόχοι: οι μαθητές.. Να κατανοήσουν ότι: το DNA έχει διαφορετικό μήκος για κάθε οργανισμό, σε κάποιους οργανισμούς δεν είναι ένα ενιαίο μόριο, συσπειρώνεται με τη βοήθεια πρωτεϊνών για να πακεταριστεί στον πυρήνα των ευκαρυωτικών κυττάρων, εμφανίζει διαφορετικό βαθμό συσπείρωσης στα διάφορα στάδια του κυτταρικού κύκλου, έχει στο χώρο τη μορφή δεξιόστροφης διπλής έλικας, αποτελείται από ένα σταθερό σκελετό (σακχάρου-φωσφορικού) και από ένα μεταβλητό τμήμα από αζωτούχες βάσεις, Να κάνουν απλούς μαθηματικούς υπολογισμούς και μετρήσεις, να κατασκευάσουν μοντέλο του DNA, να συνδέσουν τη μάθηση με την ψυχαγωγία, να τεκμηριώνουν λογικά την άποψή τους, να συνεργάζονται Καθοδήγηση για προετοιμασία: Η δραστηριότητα προτείνεται να πραγματοποιηθεί μετά τη διδασκαλία του αντίστοιχου κεφαλαίου του σχολικού βιβλίου. Για καλύτερη εφαρμογή της δραστηριότητας προτείνεται η προετοιμασία από τον εκπαιδευτικό μιας παρουσίασης ppt καθώς και φύλλων εργασίας και υποστηρικτικού υλικού για τους μαθητές.

4 Πριν την επίσκεψη 1 η ιδακτική φάση: ραστηριότητες για την εκμαίευση ερωτήσεων ΠΡΟΚΛΗΣΗ ΕΝ ΙΑΦΕΡΟΝΤΟΣ ΣτηΓημαςυπάρχει τεράστια ποικιλομορφία ζωντανών οργανισμών; Τι είναι αυτό που καθορίζει τα χαρακτηριστικά του κάθε ανθρώπου και κάθε οργανισμού γενικότερα;

5 Πριν την επίσκεψη 1 η ιδακτική φάση: ραστηριότητες για την εκμαίευση ερωτήσεων ΕΚΜΑΙΕΥΣΗ ΕΡΩΤΗΣΕΩΝ Αλλά πόσο μήκος μπορεί να έχει το μόριο (ή ταμόρια) του DNA στον άνθρωπο; Το ανθρώπινο DNA έχει μήκος 2m όσο είναι το ύψος του καλύτερου μπασκετμπολίστα όλων των εποχών, του Michael Jordan!!

6 Πριν την επίσκεψη 1 η ιδακτική φάση: ραστηριότητες για την εκμαίευση ερωτήσεων ΕΚΜΑΙΕΥΣΗ ΕΡΩΤΗΣΕΩΝ Πώς λοιπόν ένα (ή περισσότερα) τόσο μακρύ μόριο μπορεί και χωράει στον πυρήνα ενός ευκαρυωτικού κυττάρου που έχει πολύ μικρή διάμετρο;

7 Πριν την επίσκεψη 1 η ιδακτική φάση: ραστηριότητες για την εκμαίευση ερωτήσεων ΕΚΜΑΙΕΥΣΗ ΕΡΩΤΗΣΕΩΝ Μπορούμε άραγε να ανακαλύψουμε τη δομή του DNA στο χώρο κάνοντας ακτινογραφία;

8 Πριν την επίσκεψη 2η ιδακτική φάση: Ενεργή διερεύνηση ΠΡΟΤΑΣΗ ΑΡΧΙΚΩΝ ΥΠΟΘΕΣΕΩΝ Ή ΠΡΟΒΛΕΨΕΩΝ Σχετικά με το μήκος του DNA: Πώς θα μπορούσε να μετρηθεί το μήκος του DNA εργαστηριακά, εφόσον είναι ένα μόριο; (χρήση μικροσκοπίου) Ποιό μικροσκόπιο θα ήταν πιο κατάλληλο: οπτικό ή ηλεκτρονικό; Το μήκος ενός μορίου DNA μετριέται σε ζεύγη βάσεων (base pairs ή bp) και είναι γνωστό από εργαστηριακές μετρήσεις ότι το μήκος 10 ζευγών βάσεων είναι 3,4 nm. Σχετικά με τη συσπείρωση του DNA: Πώς καταφέρνει το DNA καιχωράειστονπυρήναενός ευκαρυωτικού κυττάρου; Συρρικνώνεται ή τυλίγεται με κάποιον ειδικό τρόπο; Ο εκπαιδευτικός ζητά από τους μαθητές να αναφέρουν παραδείγματα από την καθημερινή ζωή τα οποία να δείχνουν με ποιόν τρόπο μπορούμε να περιορίζουμε το μήκος κάποιων αντικειμένων για μείωση χώρου ή αποθήκευση, π.χ. μετροταινία, καλώδια κ.τ.λ. Οι μαθητές συμπληρώνουν κατάλληλο φύλλο εργασίας 1, βασιζόμενοι και στο Υποστηρικτικό υλικό 1,

9 Πριν την επίσκεψη 2 η ιδακτική φάση: Ενεργή διερεύνηση ΣΧΕ ΙΑΣΜΟΣ ΚΑΙ ΚΑΘΟ ΗΓΗΣΗ ΕΡΕΥΝΑΣ Με λίγο σχοινί και πολλή φαντασία Θα χρειαστούμε σχοινί (σπάγκο) μήκους 2m, ψαλίδι και μετροταινία. Το μήκος του ανθρώπινου DNA είναι 2m και προσομοιώνεται με το σχοινί. Οι μαθητές μπορούν να το μετρήσουν χρησιμοποιώντας μετροταινία. Ο εκπαιδευτικός εξηγεί ότι ενώ σε κάποιους οργανισμούς το DNA ως γενετικό υλικό είναι ένα ενιαίο μόριο σε κάποιους άλλους αποτελείται από περισσότερα μόρια. Στον άνθρωπο το γενετικό υλικό του πυρήνα κάθε σωματικού κυττάρου αποτελείται από 46 μόρια DNA. Ο εκπαιδευτικός ενθαρρύνει τους μαθητές να κόψουν σε διάφορα μήκη το σχοινί για να προσομοιώσουν τα διαφορετικά μόρια DNA που μπορεί να υπάρχουν στον πυρήνα ενός κυττάρου. Στη συνέχεια τα τοποθετούν το ένα ως συνέχεια του άλλου ώστε να κατανοήσουν ότι μετρούμε το συνολικό μήκος όλων των μορίων DNA ενός κυττάρου προκειμένου να υπολογίσουμε το μήκος του γενετικού υλικού. Παραθέτουμε παραδείγματα μήκους γενετικού υλικού άλλων οργανισμών όπως: του γαϊδουριού (2,35 m), της μύγας του ξυδιού (0,15 m) και του ιού της ηπατίτιδας (2 μm), που αναφέρονται και στο αντίστοιχο έκθεμα της διαδραστικής έκθεσης.

10 Πριν την επίσκεψη 2η ιδακτική φάση: Ενεργή διερεύνηση ΣΧΕ ΙΑΣΜΟΣ ΚΑΙ ΚΑΘΟ ΗΓΗΣΗ ΕΡΕΥΝΑΣ Με ακόμα λίγο σχοινί και ακόμα περισσότερη φαντασία Πως μπορείτε να μειώσετε το μήκος του σχοινιού (σπάγκος 20cm) που κρατάτε ώστε να χωρέσει μέσα σε ένα δοκιμαστικό σωλήνα; Αφού οι μαθητές προσπαθήσουν να τυλίξουν πρόχειρα το σχοινί ώστε να χωρέσει στο δοκιμαστικό σωλήνα ο εκπαιδευτικός ρωτά εάν νομίζουν ότι υπάρχει κάποιος τρόπος ώστε να γίνει πιο «τακτικά» το τύλιγμα του DNA. Μπορεί να δειχθεί το τύλιγμα του σχοινιού γύρω από ένα δάκτυλο του χεριού που έχει σταθερό σχήμα και διάμετρο. Τον ρόλο του «δακτύλου» μέσα στον πυρήνα ενός ευκαρυωτικού κυττάρου τον παίζουν ειδικές πρωτεΐνες που ονομάζονται ιστόνες, γύρω από τις οποίες τυλίγεται το DNA, μάλιστα γύρω από κάθε οκταμερές ιστονών τυλίγεται μήκος DNA ίσο με 146 ζεύγη βάσεων. Γίνεται προβολή του flash animation 1 που δείχνει τον τρόπο που πακετάρεται το DNA στον πυρήνα ενός κυττάρου για καλύτερη κατανόηση από τους μαθητές.

11 Πριν την επίσκεψη 2η ιδακτική φάση: Ενεργή διερεύνηση ΣΧΕ ΙΑΣΜΟΣ ΚΑΙ ΚΑΘΟ ΗΓΗΣΗ ΕΡΕΥΝΑΣ ΠώςβρέθηκεηδομήτουDNA στο χώρο; Με μια τεχνική που μοιάζει με την ακτινογραφία και ονομάζεται κρυσταλλογραφία ακτίνων Χ οι επιστήμονες Wilkins και Franklin το 1953 απέδειξαν πως το DNA στο χώρο έχει τη δομή δεξιόστροφης διπλής έλικας. Άλλα εργαστηριακά πειράματα σχετικά με το DNA έδειξαν ότι: Περιέχει φωσφορικές ομάδες, το σάκχαρο δεοξυριβόζη (ποσότητα φωσφ. ομάδων = ποσότητα δεοξυριβόζης) και τέσσερεις αζωτούχες βάσεις (αδενίνη Α, θυμίνη Τ, γουανίνη G, κυτοσίνη C) ώστε A=Τ καιg=c. Οι επιστήμονες Watson και Crick το 1953 συνθέτοντας και συνδυάζοντας όλα τα παραπάνω δεδομένα κατέληξαν στο μοντέλο για τη δομή του DNA.

12 Επίσκεψη 3 η ιδακτική φάση: ημιουργία ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΣΗ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΑΠΟ ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΗ Οι μαθητές κατά την επίσκεψή τους στη διαδραστική έκθεση επιστήμης και τεχνολογίας του ιδρύματος Ευγενίδου θα ακολουθήσουν τη διαδρομή 7 και θα ασχοληθούν ειδικότερα με τα εκθέματα Γ6 «τα νημάτια του DNA», Γ7 «από το DNA στα χρωμοσώματα» και Γ9 «η διπλή έλικα» και θα συμπληρώσουν κατάλληλο φύλλο εργασίας.

13 Επίσκεψη 4 η ιδακτική φάση: Συζήτηση ΕΡΜΗΝΕΙΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ Γίνεται μια συζήτηση με τους μαθητές πάνω στα εκθέματα της επίσκεψης και στις απαντήσεις του φύλλου εργασίας. Τονίζεται ότι το μήκος του DNA ενός οργανισμού δεν είναι ανάλογο της πολυπλοκότητάς του οργανισμού (παράδοξο της τιμής c). Για παράδειγμα η αμοιβάδα που είναι μονοκύτταρος ευκαρυωτικός οργανισμός έχει DNA μήκους 400m, ενώ ο άνθρωπος που είναι πολυκύτταρος ευκαρυωτικός οργανισμός έχει DNA μήκους 2m. Mόνο το 2% του γενετικού υλικού του κυττάρου αντιστοιχεί σε γονίδια που κωδικοποιούν πρωτεΐνες, το υπόλοιπο 98% δε γνωρίζουμε ποια λειτουργία έχει. Το DNA δεν εμφανίζει τον ίδιο βαθμό συσπείρωσης σε όλα τα στάδια του κυτταρικού κύκλου: στη μεσόφαση βρίσκεται με τη μορφή ινιδίων χρωματίνης (μέτρια συσπείρωση), ενώ στη μετάφαση της μίτωσης (κυτταρική διαίρεση) βρίσκεται σε μέγιστη συσπείρωση με τη μορφή χρωμοσωμάτων. Χρήση υποστηρικτικού υλικού 2 Προβολή του αντίστοιχου video.

14 Επίσκεψη 4 η ιδακτική φάση: Συζήτηση ΘΕΩΡΗΣΗ ΑΛΛΩΝ ΠΙΘΑΝΩΝ ΕΡΜΗΝΕΙΩΝ Παρατήρηση στο μικροσκόπιο πυρήνων σε μεσόφαση αλλά και πυρήνων σε μίτωση όπου διακρίνονται τα χρωμοσώματα με ειδική χρώση. Συμπλήρωση φύλλου εργασίας 2. Η σειρά των αζωτούχων βάσεων στο DNA δεν είναι τυχαία. Το DNA είναι ο φορέας της γενετικής πληροφορίας και συνεπώς καθορίζει τα χαρακτηριστικά κάθε οργανισμού. Στις περιοχές του DNA που αποτελούν γονίδια, η σειρά των βάσεων καθορίζει την αλληλουχία των αμινοξέων στην πολυπεπτιδική αλυσίδα που θα προκύψει μέσω των διαδικασιών της μεταγραφής και της μετάφρασης. Συζητούνται οι γονιδιακές μεταλλάξεις (οι αλλαγές στην αλληλουχία των νουκλεοτιδίων του DNA) καιοιπιθανέςσυνέπειεςτουςτόσο για το άτομο που τις φέρει όσο και για τους απογόνους του. Προβολή video Ο καρκίνος είναι αποτέλεσμα συσσώρευσης μεταλλάξεων στα σωματικά κύτταρα κάποιου ατόμου. Προβολή flash animation 2

15 Μετά την Επίσκεψη 5 η ιδακτική φάση: Ανάδραση ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΕΡΜΗΝΕΙΑΣ Οι μαθητές κατασκευάζουν πλαστικό μοντέλο DNA που υπάρχει στο εργαστήριο για να εμπεδώσουν τη συμπληρωματικότητα των βάσεων και τη δομή της διπλής έλικας. Γίνεται μικρή αναφορά στο Πρόγραμμα του Ανθρώπινου Γονιδιώματος και σε προγράμματα αλληλούχησης των γονιδιωμάτων και άλλων οργανισμών. Κλείνει η συζήτηση με τους μαθητές αφού τους παροτρύνουμε να προβληματιστούν και να σχολιάσουν το παρακάτω κείμενο: Σύμφωνα με τη μυθολογία των αρχαίων, η ζωή των ανθρώπων κρέμεται από μια κλωστή. Οι Μοίρες, ( Κλωθώ, Λάχεση, Άτροπος) για τους Αρχαίους Έλληνες, ήταν τρεις αδελφές θεότητες που τις παρίσταναν να κλώθουν το νήμα της ζωής. Ημιατο έκλωθε, η δεύτερη το μετρούσε και η τρίτη το έκοβε, και τότε πέθαινε ο άνθρωπος. Μήπως ο μύθος αυτός μπορεί σήμερα να μεταγραφεί με έναν απροσδόκητο τρόπο; Είναι γεγονός ότι, για τη σύγχρονη επιστήμη, τονήματηςζωήςείναιτοdna, πανταχού παρόν στους ζώντες οργανισμούς που κυβερνά άμεσα και έμμεσα όλες τις διαδικασίες της ζωής.