РАЗРАБОТКА УРОКА ПО БИОЛОГИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭЛЕМЕНТОВ КЕЙ-ТЕХНОЛОГИИ НА ТЕМУ: «АПОПТОЗ И НЕКРОЗ КЛЕТКИ» Выполнил Преподаватель биологии государственного бюджетного нетипового общеобразовательного учреждение «Республиканский лицей-интернат «Эрудит» - центр для одаренных детей» Министерства образования и науки Донецкой Народной Республики Бездверная Любовь Владимировна Октябрь, 2017 ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА В современных условиях использования различных инновационных технологий, стало необходимым условием познавательного обучения и формирования у учащихся навыков работы с информацией, а также воспитание личности, способной найти правильный путь решения любой проблемы. Данная разработка составлена для урока по предмету «Биология», для 10 класса профильного уровня. Использование на этом уроке кейс-технологии относится к одной из методик развивающих познавательную активность. Особенностью кейсметода обучения является его образовательная открытость с одной стороны, а с другой, закрытость и жесткость в результативности обучения. Новизна разработки заключается в том, что данный кейс дает возможность получить навыки решения реальных проблем, возможность работы группы на едином проблемном поле, он более адекватен в жизненной ситуации, чем заучивание терминов с последующим пересказом. Большую часть урока учащиеся работают в малых группах, что дает максимум возможности для формирования образовательных компетенций. Урок рассчитан на 90 минут. Данный кейс обучающий, основной задачей которого является обучение (классификация кейсов по степени воздействия их основных источников). Для решения кейса использован метод дискуссия: обмен взглядами по поводу проблемы и путей ее решения. Урок с использованием рейтинговой системы и с опережающим домашним заданием. Тема: Апоптоз и некроз клетки Цель: сформировать знания учащихся о механизмах апоптоза и некроза; сформировать умения выявлять причины некроза и апоптоза; факторы, вызывающие некроз и апоптоз; помочь усвоить им основные понятия и научные факторы, которые качаются апоптоза и некроза. Задачи: Обучающиеся: дать представления о апоптозе и некрозе клетки; научиться анализировать информацию, используя кейс- технологии; активизровать познавательную активность. Развивающая: продолжить развивать умение анализировать, сопоставлять, сравнивать, выделять главное; устанавливать причинно-следственные связи; продолжить развивать навыки умения работы в группе; продолжить развивать умения вести дискуссию; продолжить развивать умение работать с различными источниками информации. Воспитательные: формировать у учащихся познавательный интерес к предмету через использование нестандартных форм обучения, которые способствует ситуации успеха; формировать у учащихся умение планировать сотрудничество со сверстниками и учителем; воспитывать чувство взаимопомощи; умение работать в команде. Тип урока: изучение и первоначальное закрепление знаний с применением кейс-технологий (обучающий кейс) с использованием дискуссии, как приема для решения кейса. Методы обучения: проблемно-ситуативного анализа. Основные понятия: апопноз, некроз. Раздаточный материал: обучающий кейс с вопросами; жетон для распределения по группам; примерный перечень правил; работы участников дискуссии; Оборудование: компьютер, мультимедийный проектор. План урока 1. Организационная деятельность (4-5 минут): а) жеребьевка групп; б) ознакомление с рейтингом. 2. Вступительное слово учителя по теме и цели урока (5 минут). 3. Работа с кейсом (65 минут): а) отчеты спикеров; б) дискуссия; в) составление кластера и таблицы. 4. Домашнее задание (4-5 минут). 5. Рефлексия (10 минут). Ход урока 1. Учащиеся входят в кабинет и рассаживаются по группам за столы, на которых лежит жетон. Учитель предлагает спикерам подойти на жеребьевку. 1 группа (красный жетон) – утверждающая. 2 группа (синий жетон) – отрицающая. 3 группа – модераторы, которые выслушав мнения, озвучат окончательный вывод по теме дебатов. Далее учитель знакомит учащихся с рейтингом урока (см. Приложение 1). 2. Слово преподавателя Сегодня тема урока: Апоптоз и некроз клетки. Цели нашего урока подробнее изучить сущность и механизм апоптоза и некроза клетки. 3. Слово преподавателя У Вас на столах лежит кейс, с которым вы должны работать. Ознакомьтесь с описанием ситуации, поработайте в группах над вопросами (см. Приложение 2 и Доп.Приложение 2). Далее проводится дискуссия между группами. На столах у учащихся правила работы для участников дискуссии (см. Приложение 3). 4. Слово преподавателя Итак, в результате обсуждения мы пришли к выводу, что апоптоз – запрограммированное «самоубийство» клетки, является частным случаем отдельной клетки и нацелен на вычленение старой или мутирующей клетки. Апоптоз имеет как положительное значение для живого организма (апоптоз+), так и может привести к заболеваниям, в случае ослабления или усиления апоптоза (апоптоз-) (см. Презентация). Некроз – является смертью клетки отрицательных воздействий, он происходит и тканей в результате массово, поражая соседние клетки. Некроз (-): массовая гибель клеток, секвестрация; некроз (+): выраженная симптоматика, повышение защитных сил организма (см. Презентация). Предлагаю 1-й и 2-й группе составить кластер механизм апоптоза и некроза (см. Приложение 4). Группа модераторов составляет таблицу сравнение апоптоза и некроза (см. Приложение 5). Заключительная часть урока 5. Слово преподавателя Итак, мы сегодня с Вами нашли ответ на самый главный вопрос кейса: Каким образом с помощью знаний о механизмах апоптоза можно помочь раковому больному? (1. Научиться активировать апоптоз в раковых клетках, таким образом уничтожая их и не давая им размножаться. (2. Для запуска апоптоза нужно вскрыть мембраны митохондрий в раковых клетках и доставлять препарат, способный активировать апоптоз, путем инициации доменов смерти.) 6. Подведение итогов (рейтинг) Отчеты групп Дискуссия 30 баллов 30 баллов Кластер Таблица 20 баллов 20 баллов 90-100 – «5»; 89-69 – «4»; 68-49 – «3»; 48 и меньше – «2». 7. Домашнее задание: Подберите из литературы, интернета, случаи из жизни, связанные с использованием знаний о апоптозе в лечение онкологических больных. 8. Рефлексия Заполните в рейтинговых тетрадях таблицу «Плюс-минус-интересно». Плюс (что Минус (что не понравилось на уроке) понравилось на уроке) Интересно (все любопытные факты) Литература 1. Анисимов В. Н. Молекулярные и физиологические механизмы старения. — 2-ое, переработанное и дополненное. — СПб.: Наука, 2008. — Т. 1. — 481 с. 2. Гордеева А. В., Лабас Ю. А., Звягильская Р. А. Апоптоз одноклеточных организмов: механизмы и эволюция // Биохимия, 2004, том 69, вып. 10, с. 1301—1313 3. Галицкий В. А. Возникновение эукариотических клеток и происхождение апоптоза // Цитология, 2005, том 47, вып. 2, с. 103—120 Приложение 1 Рейтинг Работа в группах Дискуссия Кластер Таблица Сумма 30 баллов 30 баллов 20 баллов 20 баллов 100 баллов 100-85 балов – 5; 84-65 баллов – 4; 64-50 баллов – 3; 49 и меньше – 2. Приложение 2 Задача к кейсу: Самурайский закон биологии По мнению академика Скулачева, клетки «уходят в апоптоз» по многим причинам. Одна из основных – появление «бездомных» клеток. Клетки в организме «привязаны» к определенному органу и существует только в соответствующем окружении. И если вдруг какая либо клетка попадает в «чужой» орган или ткань, то она быстро «кончает жизнь самоубийством». Агонизирующая клетка отмирает очень аккуратно: как бы сама себя разбирает на части, которые соседние клетки используют в качестве строительного материала. Этим апоптоз отличается от травматической гибели клеток - некроза, когда разрывается клеточная мембрана и содержимое клеток выплескивается наружу. По мнению академика Скулачева, апоптоз нужен организму еще и для «дезинфекции». Клетка зараженная вирусом, тоже получает биохимический сигнал о самоуничтожении. Скулачев называет это «самурайским законом биологии» - лучше умереть, чем ошибаться. А на научном языке «самурайский закон» формулируется следующим образом: во всех живых системах, начиная с внутриклеточных органелл до организма, существует система самоликвидации. Следуя данному «закону» и используя знания о механизмах апоптоза решите проблему: как можно помочь онкологическому больному? Вопросы к обсуждению 1. Согласны ли вы с утверждением академика Скулачева? Приведите доказательства «за» и «против» такого утверждения? 2. Всегда ли апоптоз является благом для организма? 3. Апоптоз это патология или физиология? 4. Какая связь между механизмом программированной клеточной гибелью и ритуальным самоубийством японцев? 5. Когда и при каких обстоятельствах в клетке включается программа апоптоза? 6. Что означает «апоптоз изнутри» и « апоптоз по команде»? 7. Какое место в жизни клетки занимает некроз ? 8. Существует ли связь между апоптозом и некрозом ? 9. Влияет ли апоптоз на продолжительность жизни ? 10. Каким образом с помощью знаний о механизмах апоптоза можно помочь раковому больному? 11. Составьте кластер: Механизм апоптоза и некроза 12.Составьте таблицу: Сравнение апоптоза и некроза Доп. Приложение 2 ИНФОРМАЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ Апоптоз В организме здорового человека клеточный гомеостаз определяется балансом между гибелью и пролиферацией клеток (размножение). Апоптоз - программированная клеточная гибель, энергетически зависимый, генетически контролируемый процесс, который запускается специфическими сигналами и избавляет организм от ослабленных, ненужных или повреждённых клеток. Ежедневно, примерно около 5% клеток организма подвергаются апоптозу, а их место занимают новые клетки. В процессе апоптоза клетка исчезает бесследно в течение 15-120 минут. Апоптоз - это биохимически специфический тип гибели клетки, который характеризуется активацией нелизосомных эндогенных эндонуклеаз, которые расщепляют ядерную ДНК на маленькие фрагменты. Морфологически апоптоз проявляется гибелью единичных, беспорядочно расположенных клеток, что сопровождается формированием округлых, окруженных мембраной телец (“апоптотические тельца”), которые тут же фагоцитируются окружающими клетками. Это энергозависимый процесс, посредством которого удаляются нежелательные и дефектные клетки организма. Он играет большую роль в морфогенезе (возникновение и развитие органов, систем и частей тела организмов) и является механизмом постоянного контроля размеров органов. При снижении апоптоза происходит накопление клеток, пример - опухолевый рост. При увеличении апоптоза наблюдается прогрессивное уменьшение количества клеток в ткани, пример - атрофия. Морфологические проявления апоптоза Апоптоз имеет свои отличительные морфологические признаки, как на светооптическом, так и на ультраструктурном уровне. При окраске гематоксилином и эозином апоптоз определяется в единичных клетках или небольших группах клеток. Апоптотические клетки выглядят как округлые или овальные скопления интенсивно эозинофильной цитоплазмы с плотными фрагментами ядерного хроматина. Механизм апоптоза TNF-α и Fas-лиганд (CD178) запускают каскад биохимических реакций, финальным этапом которых является дефрагментация хромосом и гибель клетки. На поверхности клеток организма имеются специальные рецепторы для TNF-α, это TNF-RI и TNF-RII, а для Fas-лиганда рецептор Fas / APO-1 (CD95). TNF-R и Fas / APO-1(CD95) имеют гомологию в экстрацеллюлярных доменах, представленную в виде цистеин богатых доменов и гомологичную последовательность в интрацеллюлярной части рецептора. Связывание TNF-α и Fas-лигандов с рецепторами апоптоза активирует интрацеллюлярные "домены смерти" (DED - death effector domain) этих рецепторов: DED, DED1 и DED2 и ряд посредников, включая церамиды, ras, SAPK / JNK, протеиновые тирозинкиназы, катепсин D и протеазы ICE / CED3 семейства, которые каскадно проводят смертельный сигнал. Цистеиновые протеазы ICE / CED-3 семейства находятся в составе интрацеллюлярной части рецептора апоптоза в неактивной форме, они относятся к интерлейкинlβ расщепляющим ферментам (ICE). Это семейство включает ряд различных типов протеаз, многие протеазы имеют несколько обозначений. Семейство цистеин-аспартат протеаз ещё называют каспазами. Рис.2. Апоптоз Кроме семейства каспаз, в регуляции апоптоза принимает участие семейство Bcl-2 белков, в котором Bcl-2, Bcl-XL, Ced-9, Bcl-w, и Mcl-1 белки ингибируют апоптоз, а Bcl-2 гомологи (BH) 1-3, Bax подобный белок, Bak, Bok, и состоящие только из BH3 региона, Bad подобный белок, Bid, Bik, Bim, и Hrk выполняют проапоптозную функцию. Активация DED, DED1 и DED2 вызывает каскадную перестройку и активацию протеаз ICE / CED-3 семейства. Первым этапом является превращение не активной про-каспазы-8 в активную каспазу-8. Каспаза-8 активирует каспазу-3 и Bid. Bid взаимодействуя с Bax способствует выходу из митохондрий цитохрома C, который активизирует каспазу-9. В свою очередь активная каспаза-9 приводит к появлению активных каспаз-3, - 6, - 7. В свою очередь активные ICE начинают взаимодействовать с рядом внутриклеточных субстратов: поли-(АДФ-рибозо) полимеразой (PARP), участвующей в репарации ДНК и модификации активности некоторых ядерных белков, ламином В1, топоизомеразой I и Р-актином. Все члены семейства ICE / CED-3 протеаз содержат каталитический остаток цистеина и расщепляют субстраты после аспарагиновой кислоты. Специфическое расщепление PARP, ламина В1, топоизомеразы I и Р-актина под действием ICE-подобных протеаз на большие и малые фрагменты приводит клетку к гибели, так как большие фрагменты этих субстратов и являются активными нуклеазами, которые разрезают хромосомы на фрагменты. Например, PARP расщепляется CPP32 / Yama на два фрагмента 85 и 24 кДа, из которых апоптоз-специфическим является фрагмент 85 кДа. Активация протеаз ICE / CED-3 семейства может происходить и под действием фосфолипидов, например, церамидов, которые способны активировать CPP32 / Yama. Свободный сфингозин образуемый из церамидов в результате его гидролиза церамидазой так же активирует ICE-подобные протеазы и ускоряет апоптоз. Рис.3. Тироксин Важная роль в осуществлении апоптоза принадлежит тироксину (Т4). Он регулирует функционирование протеиновой тирозинкиназы, важного элемента реализации сигнала смерти. При недостатке этого гормона щитовидной железы происходит подавление апоптоза. IL-lβ блокирует апоптоз. ICE-подобные протеазы взаимодействуют с IL-lβ, а не с PARP, ламином В1, топоизомеразой I и Р-актином. В результате чего не происходит образования активных нуклеаз, и клетка избегает апоптоза. На взаимодействие TNF-α и Fas-лигандов с TNF-R и Fas / APO-1(CD95) и проведение апоптотического сигнала оказывают влияние Bcl и Bax белки. Так белки Bcl семейства: Bcl-2, Bcl-xL и Bcl-xS блокируют выход цитохрома С из митохондрий и таким образом предотвращают превращение прокаспазы-9 в активную форму, отменяют атоптотический сигнал. В свою очередь Bax белки способствуют выходу цитохрома С из митохондрий и образованию активной каспазы-9, которая инициирует продолжение и активацию апоптотическог каскада, начавшегося с присоединения TNF-α или Fas-лигандов к TNF-R и Fas / APO-1(CD95). Быть или не быть апоптозу зависит от соотношения Bcl и Bax белков в митохондриях. Преобладание экспрессии белков Bcl семейства блокирует запуск апоптоза, а преобладание экспрессии Bax белков способствует реализации сигнала смерти. Снижение апоптоза Продукт р53 гена следит за целостностью генома при митозе. При нарушении целостности генома клетка переключается на апоптоз. Наоборот, белок bcl-2 ингибирует апоптоз. Таким образом, недостаток р53 или избыток bcl-2 приводит к накоплению клеток: эти нарушения наблюдаются в различных опухолях. Изучение факторов регулирующих апоптоз имеет важное значение в разработке лекарственных препаратов, усиливающих гибель клеток злокачественных новообразований. Аутоиммунные заболевания могут отражать нарушения в индукции апоптоза лимфоидных клеток, способных реагировать с собственными антигенами. Например, при системной красной волчанке наблюдается нарушение Fas-рецепторов на клеточной поверхности лимфоцитов, что ведет к активации апоптоза. Некоторые вирусы повышают свою выживаемость путем ингибирования апоптоза инфицированных клеток, например, вирус Эпштейна-Барра может воздействовать на обмен bcl-2. Ускорение апоптоза Ускорение апоптоза доказано при синдроме приобретенного иммунодефицита (СПИД), нейротрофических заболеваниях и некоторых заболеваниях крови, при которых наблюдается дефицит каких-либо форменных элементов. При СПИДе вирус иммунодефицита может активировать CD4 рецептор на неинфицированных Т-лимфоцитах, ускоряя, таким образом, апоптоз, что приводит к истощению клеток данного типа. Некроз – омертвление, гибель клеток и тканей в живом организме, при этом жизнедеятельность их полностью прекращается. Стадии некроза: паранекроз – обратимые изменения, подобные некротическим; некробиоз – необратимые дистрофические изменения (при этом катаболические реакции преобладают над анаболическими); апоптоз – вариант некроза, при котором происходит гибель клетки; аутолиз – разложение мертвого субстрата под действием того, изменения гидролитических ферментов и макрофагов. Термин некроз применяется после как при повреждении достигнут значительной степени выраженности. Их условно разделяют на две группы: 1) колликвационный некроз – в основе лежит растворение ядра (кариолиз) и цитоплазмы (цитолиз); 2) коагуляционный некроз – происходит конденсация хроматина с последующим распадом ядра и одновременной коагуляцией цитоплазмы. В начальном периоде некроза (некробиоза) клетка морфологически не изменена. Должно пройти 1—3 часа, прежде чем появятся изменения, распознаваемые при электронной микроскопии или гистохимически. Приложение 3 Правила дискуссии 1. «Свобода слова». Каждый участник должен иметь возможность высказать свое мнение, даже если оно отлично от мнения группы. 2. «Без потерь». Каждое высказывание, дополнение и уточнение должны быть учтены и внимательно рассмотрены. 3. Обсуждаются идеи, а не личности. В ходе обсуждения недопустимо «переходить на личности», навешивать ярлыки. Допускать уничижительные высказывания и т. д 4. Правило поддержки. Важно быть внимательным к высказываниям другого, стараться понять смысл его мнения, поддерживать тех, кому сложно говорить публично. 5. Правило цели. Говори кратко, ясно и четко. Говори по теме, старайся отражать суть разбираемой проблемы. Приложение 4 Открытие домена олигомеризации Образование апоптосомы 7APAF1 Цитохром с связывается с APAF1 Изменение конформации Связывание дАТФ из Демаскирация CARD доменов Только у позвоночных Активация прокаспазы-9 по механизму индуцируемой близости Связывание CARD доменов APAF-1 и прокаспазы-9 Расщепление каспазы-9 Активация эффекторных каспаз-3;-7 Высвобождение цитохрома с Изменения конформации APAF1 с Олигомеризация или Bax Smac (DIABLO) Механизм Ингибиторы XIAP Митохон дриальн ый путь IAPs Химиотерапевтич еские агенты Повреждение радиацией ДНК Некоторые клетки не погибают, если каспазы дезактивированны Повышение МОМР по митохондриальному пути Выход из митохондрий различных белков ДНКаза, эндонуклеаза G, Omi, фактор индукции апоптоза AIF Зрелы е нейро ны Л. с триммером рецепторов Вызванный стимулом Апоптоз Без участия каспаз Агрегация прокаспазы Образование DISC на дАТФ BH3 APAF-1 Необходимо Цитохром с Белки каспазы Через каспазы ЗКГ Аутоиммунные заболевания Инфекционные заболевания Болезни Лиганд Вирусные заболевания Ишемия органов Внешний путь Механизм Лиганд Апоптоз Регуляция BH3 белков уровне транскрипции Недостаток ростового фактора Ассоциация с белком FADD с помощью DD белка и рецептора Связывание DED прокаспазы-8 с DED FADD Связывание Bim антиапоптическими Bcl-2 Холодовой шок, стрессорные воздействия Другое Опухоли Связывание между собой DD Замещение активатора Bim на дерепрессор Bad Тепловой шок гамма- Действие глюкокортикоидов Механизм апоптоза Сигнал индукции апоптоза Omi (HtrA2) Апоптоз Митохондрии теряют свою функцию Повышение MOMP Bak Антагонисты ингибиторов Действие обеспечивает ся AVPI мотивами Действуют после выхода из митохондрий Bim активирует олигомеризацию апоптических Bcl-2: Bak или Bax Эффекторные каспазы -3,-6,-7 Инициаторная какспаза-8 Fas-л. Рецептор Адептор ные белки Необходимо Каспаза 8 Fas Эффекторны е каспазы TRAIL TNF TRAIL-R2 TNFR-1 Приложение 5 Сравнение апоптоза и некроза Условия Распростр анение Изменения клетки Воспал ение физиоло гически й вид смерти генетичес распростр ки аняется только запрограм на отдельные мирован клетки не сопровож дается дистрофи ческими изменения ми клеток некроз возникае тв условия х патологи и некроз развиваетс я под воздейств ием различных поврежда ющих причин и не связан с геномом клетки некрозу предшеств ует дистрофия , имеющая характер некробиоз а возникно вения Способ развития Апоптоз Некроз развиваетс я на территори и ткани и даже целого органа Окончание Восстано вление Активация ферментов не сопров ождает ся воспал ением заканчива ется фагоцитоз ом апоптозны х телец соседними клетками восстана вливают ся клетки, аналогич ные погибши м обязат ельно развив ается воспал ительн ая реакци я заканчива ется аутолизом погибшей ткани на месте некроза обычно разраста ется рубцова я соедини тельная ткань не сопровождает ся активацией внутриклеточ ных гидролитичес ких ферментов развивается с помощью гидролаз Клин. проявлени я нет есть
