Методическая разработка интегрированного занятия (биология, информатика) ««Мутации гемоглобина крови человека» с применением технологий 3D моделирования»

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение «Средняя общеобразовательная школа №3 г. Шебекино Белгородской области»

Методическая разработка интегрированного занятия

(биология, информатика)

««Мутации гемоглобина крови человека» с применением технологий 3D моделирования»

Подготовили:

Аникеева Наталья Сергеевна

учитель биологии МБОУ

«Средняя общеобразовательная школа №3

г. Шебекино Белгородской области»

Верхотин Денис Геннадьевич

учитель информатики МБОУ

«Средняя общеобразовательная школа №3

г. Шебекино Белгородской области»

Шебекино, 2018

Тема: «Мутации гемоглобина крови человека с применением технологий 3D моделирования»

Цель занятия: создать условия для развития личности, способной к техническому творчеству.

Образовательные:

-закрепить умения учащихся работать в команде над целями и задачами проекта,

-расширить знания о строении молекулы гемоглобина; о гемоглобинопатиях, причинах и последствиях этих заболеваний.

-научить работать в программах Blender, Microsoft Office Publisher.

Развивающие:

-развивать логическое мышление (в сравнении, анализе, установлении причинно-следственных связей);

-развивать пространственное воображение.

Воспитательные:

-воспитывать потребность общения в работе со сверстниками;

-способствовать воспитанию ответственности за выполнение задания по проекту.

Возраст учащихся: 14-16 лет.

Форма проведения занятия: интегрированное учебное занятие.

Методы проведения учебного занятия: словесный, наглядный, практический.

Оборудование и материалы: компьютерный класс, памятка

«Алгоритм создания буклета»;

План занятия:

1.Организационный момент.

2.Основная часть.

3.Практическая часть.

4.Рефлексия.

5.Итог.

Ход занятия.

1.Организационный момент.

Учитель биологии.

Добрый день, ребята!

Мы продолжаем работу над исследовательским проектом «Мутации гемоглобина крови человека».

Сегодня мы проведем обработку изученного вами теоретического материала и займемся оформлением документации проекта. Проводить занятие будем совместно с учителем информатики.

Давайте вспомним этапы работы над проектом и подведем итоги проделанной работы.

Ученик.

Прогресс в области медицинской науки и практики тесносвязан с развитием общей и медицинской генетики, биотехнологии. Получила развитие клиническая генетика – одно из важнейших направлений современной медицины, приобретающих реальное профилактическое значение.

Своеобразным зеркалом человеческого организма является кровь и по одной капле можно определить состояние здоровья человека. Какие генетические заболевания крови характерны для жителей Белгородской области, каковы их причины. Можно ли их предотвратить? Перед нами была поставлена цель: изучить гемоглобин с позиций генетики, выяснить к чему приводят мутации гемоглобина.

Объект исследования: гемоглобин крови человека.

Предмет исследования: мутации гемоглобина.

Задачи:

1.Провести анализ современной литературы по проблеме исследования;

2.Изучить строение гемоглобина, его виды.

3.Выяснить причины и последствия возникновения мутаций гемоглобина;

4.Выяснить факторы риска и меры профилактики наследственных болезней крови человека.

5. Выпуск буклета «Гемоглобинопатии»

6.Изготовить модель гемоглобина.

Мы выдвинули гипотезу: если люди будут больше знать о том, что такое мутация, факторах, вызывающих ее проявление, и последствиях этого явления, то можно будет избежать нежелательных последствий.

Для получения результатов исследования мы работали в группах по заданиям.

Задание I группы.

Подготовить вопросы и провести опрос среди учащихся школы. Подготовить материал о результатах опроса. Отразить его в виде диаграммы.

Задание II группы.

Изучить специальную литературу по теме «Строение молекулы гемоглобина».

Задание III группы.

Изучить типы генетических заболеваний крови человека (гемоглобинопатии) и подготовить материал для изготовления буклета.

2. Основная часть.

Обсуждение выполненной работы и определение направлений деятельности на занятии.

I группа (выступление учащихся).

Мы подготовили 3 вопроса и провели опрос 20 учащихся нашей школы.

Вопросы:

1. Знаете ли вы, что такое мутация?

2. Встречались ли вам примеры мутации в жизни?

3. Знаете ли вы, какие факторы могут вызвать проявление мутаций?

Отвечая на вопросы, учащиеся выбрали два варианта ответа: да и нет.

Сегодня мы отобразим результаты опроса с помощью диаграммы.

II группа (выступление учащихся).

Строение и функции гемоглобина. 

Гемоглобин (Hb) (от греч. haemo– кровь и лат. globus– шар), красный железосодержащий пигмент крови человека. У мужчин в крови содержится в среднем 130—160 г/л гемоглобина, у женщин — 120—150 г/л. В одном эритроците человека содержится 340 000 000 молекул гемоглобина.

Относится к сложным белкам – хромопротеидам. В организме Hb выполняет транспортно-дыхательную и буферную функции.

Строение гемоглобина

Пространственная структура молекулы гемоглобина в деталях изучена методом рентгеноструктурного анализа еще в конце 40-х гг. XX в., главным образом благодаря работам английского биофизика М. Перутца. За эти исследования он был удостоен Нобелевской премии.

Гемоглобин является сложным белком, представленным двумя частями: небелковая часть – гем(4 % молекулы гемоглобина) и белковая глобула(96 %).

В состав ядра гема входит ион Fe2+, он можетсвязываться с кислородом, а не ион Fe+3.

Глобин – белковый компонент гемоглобина. Числоаминокислотных остатков в полипептидной цепи разных типов колеблется в диапазонеот 140 до 150, причем чаще встречаются числа 141, 146, 153. В состав мономеров гемоглобина человека входит либо 141 (ά-цепь), либо 146 (β-, γ-, δ-цепи) аминокислотных остатков.

Вторичная структура гемоглобинов представлена ά-спиралью.

Третичная структура гемоглобина соответствует принципам третичной укладки большинства глобулярных белков: максимальная компактность.

Физиологической формой четвертичной структуры гемоглобинов человека является тетрамерная. Все четыре протомера гемоглобина располагаются пространственно в определенном соотношении («кватернерная структура»), образуя по отношению друг к другу тетраэдрическую конфигурацию.

Гемоглобин А - основной гемоглобин взрослого организма, составляет около 98% от общего количества гемоглобина, тетрамер, состоит из 2 полипептидных цепей α и 2 β (2α2β).

Гемоглоби́н S (Hemoglobin S, HbS) — это особая мутантная форма гемоглобина, образующаяся у больных с серповидноклеточной анемией и склонная к кристаллизации вместо образования нормальной четвертичной структуры и растворения в цитоплазме эритроцита.

Для того, чтобы наглядно представить структуру молекулы гемоглобина, мы предлагаем изготовить её с помощью 3D принтера.

Учитель информатики: Необходимо с помощью компьютерной программы «Blender» разработать модель молекулы гемоглобина.

Программа Blender - это пакет для создания трехмерной компьютерной графики. Её используют для 3D моделирования и визуализации — они нужны для различных сфер деятельности.

В первую очередь они необходимы для 3D модельеров — они создают 3D модели персонажей, зданий, техники животных для игр, и реже в киноиндустрии.

Что же умеет этот пакет 3D графики и чем он приметен:

Во - первых он является свободным движком 3Д моделирования - это означает, что вы можете его использовать как в личных, так и в коммерческих целях. А так же у него есть открытый исходный код, что позволяет при навыках программирования изменять эту программу по своему усмотрению.

Во вторых  это объем дистрибутива он составляет порядка 50 мегабайт.

В третьих в него уже интегрировано 6 движков рендеринга, включено по умолчанию 2 Cycles Render и Blender Render.

В четвертых вы можете подключать сторонние как платные так и бесплатные движки рендеринга такие как V-Ray.

В пятых можно работать со скульптурном и ощутить себя профессиональным скульптором. На вооружении в blender имеется большое количество инструментов.

В шестых при сохранении проекта можно все текстуры и ресурсы сохранить в едином файле и они никогда не потеряются как это бывает в других 3d редакторах.

В седьмых он имеет множество языков как интерфейса так и подсказок. Так что проблем с языком возникнуть не должно.

В восьмых можно создавать анимацию (видеоролики, полнометражные и короткометражные фильмы).

Работать с редактором видео (редактировать видео и совмещать с объектами 3D сцены и анимацией).

Возможность постобработки (добавление эффектов уже к готовому видео).

Единственный недостаток у Blender - плохая документированность. Так обычно бывает у свободных пакетов. Это мы как раз и будем исправлять.

Итак, программа Blender позволит вам развить пространственное мышление, делать замечательные открытки друзьям или родственникам, видеоролики и персонажей. Вполне возможно, что это окажет вам неоценимую помощь к выбору будущей вашей профессии.

Определение группы учащихся, которые будут заниматься разработкой модели.

III группа (выступление учащихся).

Мы изучали типы генетических заболеваний крови человека (гемоглобинопатии) и подготовили материал для изготовления буклета «Гемоглобинопатии». Мы займемся изготовлением буклета.

Нарушение функций гемоглобина ведет к возникновению заболеваний, известных под названием гемоглобинопатии.

Гемоглобинопатии - это группа патологических состояний, обусловленные нарушениями структуры цепей глобина - заменой одной или нескольких аминокислот в цепи глобина, отсутствие участка цепи или ее удлинением. Существуют четыре основных типа болезней гемоглобина:

1.Гемолитические анемии, вызванные нестабильностью гемоглобина. 2.Метгемоглобинемии, обусловленные ускоренным окислением гемоглобина.

3.Эритроцитоз, вызванный нарушением сродства гемоглобина к кислороду. 4.Серповидноклеточные нарушения как следствие повреждений клеточных мембран эритроцитов гемоглобином S.Во всех случаях, кроме серповидноклеточных нарушений, гетерозиготы страдают различными заболеваниями, то есть мутации ведут себя как аутосомно-доминантные.

Серповидно-клеточная анемия.

Изучение гемоглобина человека началось с открытия наследственного заболевания – серповидно-клеточной анемии. В 1910г. Херрик обнаружил у студента-негра, страдающего анемией, особую аномалию эритроцитов: они были серповидной формы. Вскоре выяснилось, что такая патология довольно часто встречается у американских негров. Больные страдали от гемолитической анемии, частых болей в кишечнике и скелетных мышцах. Было показано, что больные серповидно-клеточной анемией гомозиготны по гену, который в гетерозиготном состоянии (примерно у 8% американских негров) вызывает гораздо менее выраженное отклонение: присутствие в крови некоторого количества серповидных эритроцитов.

Наследование: Серповидноклеточная анемия наследуется по аутосомно-рецессивному типу, то есть, чтобы родился больной ребенок, он должен унаследовать мутантные гены от обоих родителей.
Исследования показали, что легкая форма болезни обычно обнаруживается у гетерозигот по данному признаку – у тех, кто унаследовал дефектный ген лишь от одного из родителей и передаст его только половине своих возможных потомков. Самой тяжелой формой заболевания страдают гомозиготы по дефектному гену, т. е. унаследовавшие его и от матери, и от отца; они передадут этот ген всем своим потомкам.

Причиной может быть:

• Малярийная инфекция. Данное заболевание вызывается малярийными плазмодиями, которые при попадании в организм человека поражают эритроциты, вызывая их массовую гибель. Это может приводить к мутациям на уровне генетического аппарата красных клеток крови, обуславливая появление различных заболеваний, в том числе серповидноклеточной анемии и других гемоглобинопатий.

• Вирусная инфекция. В качестве мутагена могут выступать цитомегаловирусы, вирусы краснухи и кори, гепатита и многие другие.

• Ионизирующее излучение.  Помимо естественного радиационного фона Земли дополнительными источниками радиации могут стать аварии на АЭС (атомных электростанциях) и взрывы атомных бомб, частные рентгенологические исследования.

• Вредные факторы окружающей среды.  Сильнейшими мутагенами являются эпихлоргидрин, используемый в производстве множества медикаментов, стирол, использующийся при изготовлении пластмасс, соединения тяжелых металлов (свинца, цинка, ртути, хрома), табачный дым и множество других химических соединений. Все они обладают высокой мутагенной и канцерогенной (вызывающей рак) активностью.

• Лекарственные препараты. Наиболее опасными лекарственными мутагенами являются большинство противоопухолевых препаратов (цитостатиков), препараты ртути, иммунодепрессанты (угнетающие деятельность иммунной системы).

В Белгородской области экологические проблемы, связаны с загрязнением воздуха диоксидами азота, оксидом углерода и формальдегидами. Если оценивать вклады всех промышленных объектов в загрязнение атмосферы Белгородской области, то первые места законно присудить предприятиям:

• 1.Обрабатывающей промышленности (металлургия, производство готовых металлических изделий, производство неметаллических минеральных продуктов) – 56,8%;

• 2.Добычи полезных ископаемых в открытых карьерах (Лебединское, Стойленское, Большетроицкое) – 20,4%;

Сильнее всего страдает город Старый Оскол: на него приходится свыше 56% вредных выбросов с промышленных предприятий. Второе место принадлежит городу Губкину – чуть более 18% загрязняющих веществ со стационарных источников; третье – Белгороду – 7,2%; на атмосферу остальных населённых пунктов, вместе взятых, приходится всего 18,5% вредных выбросов с объектов промышленности.

Распространение:

Данное заболевание крови широко распространено в странах Африки часто встречается в Азербайджане и Дагестане. Но ввиду миграции населения и смешивания этнических групп сегодня данный вид анемии может встречаться у людей любой расы в различныхрегионах мира.

Данное заболевание не характерно для жителей Белгородской области.

Однако эритроцитоз, гемолитическая анемия выявляется у жителей нашего региона в 35% случаев.

Вывод: У человека имеется, несколько десятков тысяч генных локусов, около 15% всех половых клеток могут мутировать. Не менее 70 млн. новорожденных несут новые мутации. Эта огромная цифра может еще увеличиться, если мы будем пренебрегать профилактическими мероприятиями, которые, по мнению генетиков, снижают риск быть подверженными действию мутагенов:

- Проходить обследования, лицам, вступающим в смешанные браки;

- Строительство жилых комплексов и домов производить согласно требованиям Санитарно-эпидемиологических правил и нормативов, разработанных на основании Федерального закона «О санитарно-эпидемиологическом благополучии населения»(от12.03 1999 года с изменениями на 3.07 2016 года);

- Людям, проживающим недалеко от перерабатывающих предприятий знать состояние радиационного фона.

- Систематически проводить диспансеризацию населения.

- Питание должно быть полноценным, с достаточным количеством продуктов с кальцием, йодом (йодированная соль, морская капуста, грецкие орехи, морская рыба, печень, чеснок и другие).

Эти данные можно использовать для оформления буклета «Гемоглобинопатии».

Учитель информатики.

(информация об оформлении и содержании буклета).

1.Перед созданием буклета перед собой следует поставить следующие вопросы:

1. Для чего этот буклет?

2. Для кого он создается? Кто будет его читать?

3. Каким образом он будет распространяться?

2. Знакомство с программой Microsoft Office Publisher:

Приложение Microsoft Office Publisher предназначено для работы с деловыми публикациями, позволяет разрабатывать, макетировать и публиковать профессионально оформленные материалы.

Встроенные в программу мастера позволяют без проблем и потерь времени подготовить веб-страницу, красочно оформленное рекламное письмо, наклейку на компакт-диск, рекламный проспект, обложку для брошюры, календарь,бланк или открытку.

На основе шаблонов Publisher можно создавать собственные публикации и настраивать их в соответствии со своими требованиями, при необходимости изменяя их вид одним нажатием кнопки.

Учитель раздает памятки «Алгоритм создания буклета» для работы учащимся, которые будут работать над созданием буклета.

3.Физкультминутка.

4.Практическая часть

Работа в группах.

1. Построение диаграммы результатов опроса учащихся «Что такое мутации?» (Приложене № 1)

2. Совместная работа с учителем информатики по разработке модели молекулы гемоглобина с помощью компьютерной программы «Blender». (Приложение №2)

3. Изготовление буклета «Гемоглобинопатии» ( Приложение №4). Использовать памятку «Алгоритм создания буклета»

(Приложение №3).

Подведение итогов работы. Обмен мнениями и результатами работы.

Учитель биологии.

Следующим этапом работы над проектом будет посещение лаборатории ОГБУЗ «Шебекинская ЦРБ».

5.Рефлексия.

Продолжите предложения:

Я приобрёл…

Я научился…

У меня получилось…

Я смог…

Я попробую…

Мне захотелось…

6.Список литературы

1. Новые возможности системы MS Office 2007/Мюррей К. ; пер. с англ. – М.: Издательство «ЭКОМ», 2007- 256с.

2. Самоучитель работы на ПК / А. Левин. – Спб. : Питер, 2008. – 697с.

3.Биология. В 2 кн., Кн 1: Учеб.длямедиц. спец. вузов / В. Н. Ярыгин, В. И. Васильева, И. Н. Волков, В. В. Синельщикова; Под ред. В. Н. Ярыгина. – 2-е изд., испр. – М.: Высш. шк.,

4.Медицинская генетика (Руководство для врачей) / АМН СССР. – М., Медицина, 1984. Заяц Р. Г., Бутвиловский В. Э., Рачковская И. В., Давыдов В. В.

Приложение №1

Результаты опроса учащихся школы.

Вопросы:

1. Знаете ли вы, что такое мутация?

2. Встречались ли вам примеры мутации в жизни?

3. Знаете ли вы, какие факторы могут вызвать проявление мутаций?

Было опрошено 20 человек.

Отвечая на вопросы, учащиеся выбрали два варианта ответа:

Вывод: учащиеся нашей школы недостаточно полно знают о том, что такое мутации, и о факторах, которые могут вызвать их проявление.

Приложение №3

ПАМЯТКА

Алгоритм создания буклета:

1. Запускаем программу Microsoft Office Publisher:

Пуск Все программы Microsoft Office Microsoft Office Publisher 2007\2003 (сл. 2)

2. Выберем Типы публикаций (сл. 3) Буклеты (сл. 4) Выбираем вид букета Создать.

3. Измените (по желанию) дизайн буклета

Параметры (сл. 5) Цветовая схема (сл. 6) (выбрать) Шрифтовая схема (выбрать) (сл. 7) Макеты публикаций (выбрать (сл. 8)

4. Вставляем текст и картинки по необходимой тематике (из своих источников копировать - вставить).

Изменяем размер рисунка (сжимаем за угол картинки, располагаем в тексте. (сл. 9)

5. Оформляем страницу 1, затем страницу 2. (сл. 10)

6. Просмотрим общий вид буклета (для каждой страницы отдельно. Предварительный просмотр) (сл. 11)

7. Сохраним буклет в свою папку Файл Сохранить как (сл. 12) Находим свою папку (куда сохраняем) Имя файла (Буклет) Тип файла (Файлы Publisher) Сохранить (сл. 13)

8. Напечатаем буклет.

Файл Печать (сл. 14) Страница (1) Число копий (1) Печать (сл. 15)

Переворачиваем лист Файл Печать Страница (2) Число копий (1) Печать.