Развивающие занятия для старшеклассников по митохондриологии
|
Введение 3
Глава 1. Обзор литературы по истории и современным проблемам митохондриологии. 6
1.1. Открытие и основные этапы изучения структуры, функций и
происхождения митохондрий 6
1.2. Роль митохондрий в энергетике аэробной клетки 10
1.3. Митохондрии как связующее звено между разными видами обмена 17
1.4. Митохондрии, апоптоз и аутофагия 18
1.5. Динамика митохондрий и функциональное состояние клетки 21
1.6. Происхождение митохондрий 23
1.7. Современные проблемы митохондриологии 25
Глава 2. Материалы к научно-популярной лекции "Митохондрии и медицина будущего" 26
Глава 3. Разработка и апробация практического занятия "Митохондриальная медицина" 40
Выводы 47
Список литературы 49
Глава 1. Обзор литературы по истории и современным проблемам митохондриологии. 6
1.1. Открытие и основные этапы изучения структуры, функций и
происхождения митохондрий 6
1.2. Роль митохондрий в энергетике аэробной клетки 10
1.3. Митохондрии как связующее звено между разными видами обмена 17
1.4. Митохондрии, апоптоз и аутофагия 18
1.5. Динамика митохондрий и функциональное состояние клетки 21
1.6. Происхождение митохондрий 23
1.7. Современные проблемы митохондриологии 25
Глава 2. Материалы к научно-популярной лекции "Митохондрии и медицина будущего" 26
Глава 3. Разработка и апробация практического занятия "Митохондриальная медицина" 40
Выводы 47
Список литературы 49
Большой объем и систематизация сведений о молекулярных механизмах функционирования клетки на рубеже 20 и 21 вв обеспечило широкие возможности направленного изменения и управления биологическими процессами вплоть до искусственного создания живых клеток (направление синтетической биологии), имитации сложных межклеточных взаимодействий нейронных ансамблей в технических системах. Уже достигнутые и ожидаемые успехи в фармакологии, терапии, профилактической медицине, в агронауке, в сохранении биоразнообразия, в создании систем искусственного интеллекта тесно связаны с развитием биоинженерных технологий. С учетом стремительного развития биотехнологий в 2020 г в поручении президента правительству РФ выдвинута задача создания современной системы подготовки кадров в области молекулярной и клеточной биоинженерии, начиная со школьной скамьи [1].
В настоящее время возник серьезный разрыв между содержанием школьного курса биологии и современным уровнем теории и методологии биологической науки, которая носит выраженный интегративный характер, т.е. описание, классификация, моделирование любого биологического процесса начинается от молекулярно-клеточных физико-химических механизмов. Переход к такому пути биологического познания возможен и необходим в старших классах в разделе общей биологии. Однако даже удачно подобранные учебные материалы, логично составленные системы понятий, в отдельных учебниках по общей биологии из-за недостаточного количества учебного времени не усваиваются в должной степени. Преодолеть разрыв между образованием и современными направлениями, проблематикой биологической науки могут помочь развивающие занятия в рамках кружков, факультативов, научных обществ обучающихся как в общеобразовательной школе, так и вне ее - в технопарках, кванториумах и других видах образовательной среды.
Митохондриология представляет быстро развивающееся направление биологии клетки. Его главный объект митохондрия - жизненно важный органоид, производящий более 90% свободной энергии эукариотической клетки. Интенсивное изучение митохондрий началось в рамках биоэнергетики в 50-60 г. Хотя механизм трансформации энергии в митохондриях в форме хемиосмотического сопряжения транспорта электронов от окисляемых субстратов и синтеза АТФ был описан уже более полувека назад Питером Митчелом, получены изящные экспериментальные доказательства [1], остается немало «белых пятен». Хемиосмотическая теория продолжает развиваться и обогащаться новыми представлениями о респирасомах, о новых функциях разобщения окислительного фосфорилирования и дыхания, включая митохондриальную теорию происхождения эндотермии [2]. После нобелевской премии 1978 г были открыты еще целый ряд важных функций этой органеллы. Митохондрия представляет своеобразный метаболический хаб, при необходимости (в условиях несбалансированного питания, голода, тренировочного процесса и др) обеспечивающий трансформацию метаболитов одного вида в другой, например, трансформацию углеводов в липиды [3]. Митохондрии ответственны за запуск апоптоза - программируемой клеточной смерти, которая играет важную роль в морфогенезе, в противовирусном и противоопухолевом иммунитете многоклеточных организмов [3]. Накапливаются все новые факты об участии митохондрий во внутриклеточной сигнализации. Открытие в последние годы ведущей роли митохондрий в чувствительности к лекарствам, в процессах старения, апоптозе, нейродегенеративных расстройствах и злокачественной трансформации клеток организма привело к созданию митохондриальной медицины. Важным ее разделом являются болезни, связанные с нарушением функции митохондрий, - митохондриальные цитопатии []. Таким образом, это современное направление клеточной биологии имеет значительный потенциал для развития интереса, исследовательской мотивации, обучения современному интегративному биологическому мышлению.
Цель работы: разработка развивающих занятий для старшеклассников по современным проблемам биологии митохондрий.
Цель реализовалась через следующие задачи:
1. Подготовить обзор истории и современных проблем митохондриологии по современным литературным источникам.
2. Разработать материалы к научно-популярной лекции «название» (например, «Митохондрии и здоровье» или «Митохондрии и медицина будущего» или «Митохондрии и происхождение эукариот» и пр).
3. Создать методические материалы к практическому занятию «Митохондриальная нутрициология» -медицинские ситуативные задачи по влиянию гиповитаминозов на митохондриальную энергетику.
4. Провести апробацию разработанных занятий для старшеклассников.
1. Методы выполнения работы включали [Образцов, 2004]:
Теоретические: - анализ литературных источников с использованием информационных баз данных - анализ, обобщение и систематизация полученной информации.
Психолого-педагогические методы обучения: технологии обучения в сотрудничестве
В настоящее время возник серьезный разрыв между содержанием школьного курса биологии и современным уровнем теории и методологии биологической науки, которая носит выраженный интегративный характер, т.е. описание, классификация, моделирование любого биологического процесса начинается от молекулярно-клеточных физико-химических механизмов. Переход к такому пути биологического познания возможен и необходим в старших классах в разделе общей биологии. Однако даже удачно подобранные учебные материалы, логично составленные системы понятий, в отдельных учебниках по общей биологии из-за недостаточного количества учебного времени не усваиваются в должной степени. Преодолеть разрыв между образованием и современными направлениями, проблематикой биологической науки могут помочь развивающие занятия в рамках кружков, факультативов, научных обществ обучающихся как в общеобразовательной школе, так и вне ее - в технопарках, кванториумах и других видах образовательной среды.
Митохондриология представляет быстро развивающееся направление биологии клетки. Его главный объект митохондрия - жизненно важный органоид, производящий более 90% свободной энергии эукариотической клетки. Интенсивное изучение митохондрий началось в рамках биоэнергетики в 50-60 г. Хотя механизм трансформации энергии в митохондриях в форме хемиосмотического сопряжения транспорта электронов от окисляемых субстратов и синтеза АТФ был описан уже более полувека назад Питером Митчелом, получены изящные экспериментальные доказательства [1], остается немало «белых пятен». Хемиосмотическая теория продолжает развиваться и обогащаться новыми представлениями о респирасомах, о новых функциях разобщения окислительного фосфорилирования и дыхания, включая митохондриальную теорию происхождения эндотермии [2]. После нобелевской премии 1978 г были открыты еще целый ряд важных функций этой органеллы. Митохондрия представляет своеобразный метаболический хаб, при необходимости (в условиях несбалансированного питания, голода, тренировочного процесса и др) обеспечивающий трансформацию метаболитов одного вида в другой, например, трансформацию углеводов в липиды [3]. Митохондрии ответственны за запуск апоптоза - программируемой клеточной смерти, которая играет важную роль в морфогенезе, в противовирусном и противоопухолевом иммунитете многоклеточных организмов [3]. Накапливаются все новые факты об участии митохондрий во внутриклеточной сигнализации. Открытие в последние годы ведущей роли митохондрий в чувствительности к лекарствам, в процессах старения, апоптозе, нейродегенеративных расстройствах и злокачественной трансформации клеток организма привело к созданию митохондриальной медицины. Важным ее разделом являются болезни, связанные с нарушением функции митохондрий, - митохондриальные цитопатии []. Таким образом, это современное направление клеточной биологии имеет значительный потенциал для развития интереса, исследовательской мотивации, обучения современному интегративному биологическому мышлению.
Цель работы: разработка развивающих занятий для старшеклассников по современным проблемам биологии митохондрий.
Цель реализовалась через следующие задачи:
1. Подготовить обзор истории и современных проблем митохондриологии по современным литературным источникам.
2. Разработать материалы к научно-популярной лекции «название» (например, «Митохондрии и здоровье» или «Митохондрии и медицина будущего» или «Митохондрии и происхождение эукариот» и пр).
3. Создать методические материалы к практическому занятию «Митохондриальная нутрициология» -медицинские ситуативные задачи по влиянию гиповитаминозов на митохондриальную энергетику.
4. Провести апробацию разработанных занятий для старшеклассников.
1. Методы выполнения работы включали [Образцов, 2004]:
Теоретические: - анализ литературных источников с использованием информационных баз данных - анализ, обобщение и систематизация полученной информации.
Психолого-педагогические методы обучения: технологии обучения в сотрудничестве
1. Анализ исторического развития представлений о митохондриях включает следующие этапы: описание морфологического строения и распределения этих органелл в клетках; идентификация метаболических путей; выяснение роли митохондрий в энергетике клетки и молекулярных механизмов аэробного энергообмена; изучение их роли в патогенезе окислительного стресса, апоптозе. Современные проблемы связаны недостаточным пониманием связи между режимами работы ЭТЦ (одиночные комплексы и суперкомплексы-респирасомы), между динамикой процессов фрагментации и слияния и функциональным состоянием клетки, трудностями изучения митохондрий in vivo.
2. Разработан текст научно-популярной лекции «Митохондрии и старение» и презентационный материал к ней. В лекции рассмотрены современные представления о механизмах митохондриальной энергетики, свободнорадикального повреждения этих органелл при митохондриальных цитопатиях и старении, мерах профилактики митохондриального старения. Лекция апробирована в рамках встреч клуба «Любопытный кот» для старшеклассников на базе городской библиотеки им. Успенского (г. Минусинск)
3. Подготовлены материалы к практическому занятию по митохондриологии, включающие расчетные задачи, задачи, требующие анализа численных экспериментальных данных и графических зависимостей, задания, требующие прогнозирования эффектов витаминов, витаминоподобных субстанций, мутаций митохондриальных, в том числе ситуативные задачи с медицинским содержанием. Занятие апробировано с обучающимися старших классов - участниками клуба «Любопытный кот»
2. Разработан текст научно-популярной лекции «Митохондрии и старение» и презентационный материал к ней. В лекции рассмотрены современные представления о механизмах митохондриальной энергетики, свободнорадикального повреждения этих органелл при митохондриальных цитопатиях и старении, мерах профилактики митохондриального старения. Лекция апробирована в рамках встреч клуба «Любопытный кот» для старшеклассников на базе городской библиотеки им. Успенского (г. Минусинск)
3. Подготовлены материалы к практическому занятию по митохондриологии, включающие расчетные задачи, задачи, требующие анализа численных экспериментальных данных и графических зависимостей, задания, требующие прогнозирования эффектов витаминов, витаминоподобных субстанций, мутаций митохондриальных, в том числе ситуативные задачи с медицинским содержанием. Занятие апробировано с обучающимися старших классов - участниками клуба «Любопытный кот»