Тематическое планирование и рабочая программа по элективному курсу по биологии Биологические мембраны и транспорт веществ

Рабочая программа

Элективного курса по биологии

«Биологические мембраны и транспорт веществ в живых организмах»

для 10 класса

учителя биологии

Титаевой Юлии Аркадьевны

Рассмотрено и принято

на заседании

педагогического совета

протокол №1 от

« 26 » августа 2015 г.

2015 г.

Пояснительная записка

В предлагаемую программу курса включены разделы, знакомящие учащихся с особенностями строения и функционирования биологических мембран и мембран­ных транспортных систем, их ролью в обеспечении жиз­недеятельности организмов разных систематических групп, некоторыми нарушениями в их работе и возни­кающими вследствие этого заболеваниями человека, а также способами лечения таких заболеваний.

В имеющихся в настоящее время учебниках по физио­логии и общей биологии для средней школы биологиче­ским мембранам практически не уделяется внимания, хо­тя именно мембраны и мембранные ферменты обеспечи­вают поддержание постоянства внутренней среды как в одноклеточных, так и в многоклеточных организмах. В курсе предполагается познакомить школьников с об­щими представлениями об организации биологических мембран, с основными принципами переноса веществ через мембраны, с мембранными белками - каналами, переносчиками и насосами, которые транспортируют че­рез мембраны разные классы веществ.

Особое внимание в курсе уделено рассмотрению конк­ретных примеров: возникновению мембранного потен­циала на плазматической мембране живых клеток, элект­рическим явлениям на мембранах возбудимых клеток; роли трансмембранных потоков кальция в регуляции мы­шечного сокращения, секреции соляной кислоты в же­лудке; всасыванию Сахаров и аминокислот в кишечнике, обратному всасыванию веществ и воды в почках; обеспе­чению печенью барьерной функции; транспорту воды и органических соединений в растениях и др.

Планируется познакомить школьников с некоторыми заболеваниями, возникающими при нарушении работы мембранных транспортных систем, и способами их лече­ния. Это позволит учащимся получить общее представ­ление о тех молекулярных механизмах, которые лежат в основе функционирования органов и тканей живых орга­низмов и человека в частности.

Курс базируется на обязательных учебных предметах и затрагивает вопросы, находящиеся на стыке биологии, химии и физики, а также позволяет продемонстрировать связь фундаментальной биологии с медициной.


Цель курса

Формирование у учащихся научного понимания осо­бенностей структурной организации и функционирова­ния биологических мембран и мембранных транспорт­ных систем, которые обеспечивают поступление в клетки разных организмов необходимых для их жизнедеятель­ности веществ, удаление продуктов обмена и регуляцию функциональной активности клеток и тканей.

Задачи курса
Углубить и расширить знания учащихся о живых клет­ках и организмах как об открытых системах, постоянно обменивающихся веществом и энергией с окружающей средой, и о роли биологических мембран в жизнедеятель­ности клеток.

Познакомить учащихся с разными классами липидов и особенностями строения биологических мембран.

Дать учащимся базовые представления о транспорте веществ через биологические мембраны и тех мембранных ферментах и переносчиках, которые этот транспорт обеспечивают.

На конкретных примерах объяснить механизмы воз­никновения некоторых заболеваний, связанных с нару­шением работы мембранных транспортных систем, и способы их лечения.

Основные требования к знаниям и умениям Учащиеся должны знать:

• особенности структурной организации биологических мембран;

• связь структуры мембран с выполнением ими барьер­ной функции;

• характеристики проницаемости биологических мемб­ран для газов, воды и веществ гидрофильной и гидрофоб­ной природы;

• физико-химические основы переноса веществ через мембраны по градиенту их концентрации (простая диф­фузия и облегченная диффузия);

• физико-химические основы переноса веществ через мембраны против градиента их концентрации (активный и вторично активный транспорт);

• основные типы мембранных транспортных систем (каналы, переносчики и насосы) и принципы их работы:

• роль мембранного транспорта в жизнедеятельности кле­ток и в выполнении клетками разных тканей их функций;

• последствия нарушения работы мембранных транс­портных систем и способы их коррекции.

Учащиеся должны уметь:

• объяснять особенности структуры биологических мембран, связь структуры с выполняемыми мембранами функциями;

• объяснять принципы, лежащие в основе переноса че­рез мембраны разных классов веществ;

• владеть терминологией и знать основные понятия в области биохимии и биофизики мембран;

• ориентироваться в научно-популярной информации в области мембранологии и трансмембранного переноса веществ.

Содержание курса

Общее количество часов - 34

Введение (1 ч)

Живые организмы как открытые системы. Поддержа­ние постоянства внутренней среды и обмен веществом и энергией с окружающей средой - основа поддержания жизни одноклеточных и многоклеточных организмов. Взаимосвязи клеток в многоклеточных организмах.

Демонстрация фотографий и схем строения клеток представителей разных царств живых организмов.

Вода и ее свойства (2 ч)

Вода. Структура молекулы воды. Вода как диполь. Во­дородные связи. Теплопроводность воды. Теплота испа­рения. Участие воды в химических реакциях. Роль воды в возникновении и поддержании жизни на Земле.

Гидрофильные и гидрофобные вещества. Основные классы питательных веществ, необходимые человеку, и их характеристика с точки зрения растворимости в воде.

Гидратные оболочки полярных веществ и биологиче­ских макромолекул. Свободная и связанная вода. Законы диффузии. Понятие о «полупроницаемой мембране». Ос­мос. Тургор растительных клеток.

Демонстрация формул воды и основных классов орга­нических веществ; схем, описывающих осмотические яв­ления.

Структура биологических мембран (5 ч)

Представление о разных классах липидов. Нейтраль­ные жиры. Стероиды. Холестерин и его роль в образовании стероидных гормонов и желчных кислот. Атероскле­роз и механизм его возникновения. Жирорастворимые витамины.

Фосфолипиды и их роль в формировании биологиче­ских мембран. Насыщенные и ненасыщенные жирные кислоты. Влияние жирнокислотного состава фосфолипидов на физико-химические свойства мембран. Разные классы фосфолипидов.

Амфифильная природа фосфолипидов. Формирова­ние мицелл, везикул и бислоев. Биологические мембра­ны. Мембранные белки и их свойства. Барьерная функ­ция биологических мембран.

Строение клеток прокариот и эукариот. Связь липидного состава мембран с условиями обитания организмов. Мембранные органоиды, их структура и функции. Поня­тие о внутриклеточной компартментализации. Специ­ализация клеток и тканей в многоклеточных организмах.

Демонстрация таблиц с формулами основных классов липидов; схем строения молекулы фосфолипида, мицелл, везикул, бислоев, биологических мембран; электронных микрофотографий клеток прокариот и эукариот, мемб­ранных клеточных органоидов; таблиц с липидным со­ставом плазматических и внутриклеточных мембран раз­ных организмов.

Транспорт веществ через мембраны (8ч)

Транспорт низкомолекулярных веществ через мембра­ны. Растворимость газов в липидах. Газообмен однокле­точных и многоклеточных организмов с окружающей средой.

Проницаемость мембран для воды и низкомолекуляр­ных соединений. Связь проницаемости мембран для раз­ных классов веществ с коэффициентом распределения этих веществ в системе «вода - органический раствори­тель».

Транспорт веществ через мембраны по градиенту кон­центрации. Простая диффузия, облегченная диффузия.

Транспорт веществ через мембраны против градиента концентрации и его потребности в энергии. Роль АТФ. Активный и вторично активный транспорт.

Обзор мембранных транспортных белков: каналы, пере­носчики, ионные насосы (транспортные АТФазы). Ион­ные каналы, их классификация и свойства. Переносчики. Принципы работы каналов и переносчиков. Симпорт и ан­типорт. Примеры ионных каналов и переносчиков.

Мембранные АТФазы. Структура АТФаз разных клас­сов, механизм их работы. Роль АТФаз в создании на био­логических мембранах ионных градиентов. Использова­ние ионных градиентов во вторично активном транспор­те и регуляции клеточных функций.

Демонстрация таблиц и рисунков, описывающих принципы структурной организации и работы разных классов мембранных транспортных систем.

Ионный состав цитоплазмы клеток и мембранный электрический потенциал (2ч)

Сравнение ионного состава тканевой жидкости и ци­топлазмы животных клеток. Ионные градиенты на плаз­матической мембране. Мембранный потенциал. Уравне­ние Нернста.

Роль ионных каналов и ионных насосов в создании и поддержании мембранного потенциала. Na-, К-АТФаза. Вакуолярные АТФазы растительных клеток. Проведение нервного импульса. Передача возбуждения в нервно-мы­шечном синапсе.

Демонстрация таблиц и схем, описывающих возник­новение и поддержание мембранного потенциала.

Мышечное сокращение (Зч)

Особенности строения поперечно-полосатой, сердечной и гладкой мышцы. Белки сократительного аппарата. Саркоплазматический ретикулум. Роль кальция в мы­шечном сокращении.

Электромеханическое сопряжение в разных типах мышц. Кальциевые каналы и Са-АТФазы плазматиче­ской мембраны и эндоплазматического ретикулума и их роль в регуляции мышечного сокращения.

Молекулярные механизмы регуляции работы сердца. Механизм гормональной регуляции. Действие кофеина. Сердечные гликозиды (дигиталис) и механизм их действия.

Демонстрация электронно-микроскопических фото­графий разных типов мышц; схем и рисунков, показы­вающих особенности строения мембранных структур, участвующих в электромеханическом сопряжении в раз­ных типах мышц.

Секреция соляной кислоты в желудке (3 ч)

Строение желез желудка. Обкладочные клетки желу­дочных желез и особенности их строения. Роль Н-АТФа-зы, ионных каналов и переносчиков в секреции соляной кислоты.

Молекулярные механизмы нервной и гуморальной ре­гуляции секреции желудочного сока. Блуждающий нерв. Гастрин и гистамин; механизм их действия. Роль разных классов рецепторов в регуляции секреции соляной кис­лоты.

Кислотозависимые заболевания желудочно-кишечного тракта, механизм их развития и способы лечения. Создание лекарств нового поколения (омепразол и его производные) на основе данных биохимии и молекулярной биологии.

Демонстрация рисунков и схем, иллюстрирующих рабо­ту обкладочных клеток желудочных желез, механизм обра­зования соляной кислоты, пути регуляции этого процесса; формул лекарственных веществ и механизм их действия.

Транспорт через эпителий (3 ч)

Особенности строения эпителиальных клеток. Барьер­ная роль эпителия. Апикальная и базолатеральная мембраны эпителиальных клеток, различия в составе входя­щих в них мембранных транспортных систем и функци­ональная роль этих различий. Межклеточные контакты, их типы и роль. Заболевания человека, связанные с нару­шением эпителиального транспорта.

Поглощение глюкозы и аминокислот в кишечнике. Работа мембранных переносчиков. Роль обезвоживания организма при кишечных инфекциях на примере холеры и способы борьбы с обезвоживанием. Роль инсулина в поглощении клетками глюкозы. Механизм развития ди­абета.

Работа почек. Механизм образования первичной и вторичной мочи. Состав мочи. Механизмы поглощения воды в почечных канальцах. Роль обратного всасывания воды у разных животных. Энергообеспечение работы по­чек. Регуляция работы почек. Выведение почками ле­карств и продуктов их обмена.

Демонстрация рисунков и схем по обсуждаемым темам.

Работа печени (2ч)

Печень - депо гликогена в организме. Особенности поглощения глюкозы клетками печени. Гормональная регуляция синтеза и распада гликогена в печени. Понятие о вторичных посредниках.

Барьерная функция печени. Роль мембранных фер­ментов в обезвреживании ксенобиотиков. Механизм уда­ления вредных веществ с желчью. Множественная лекар­ственная устойчивость и мембранные АТФазы. Труднос­ти, возникающие при лечении рака печени.

Демонстрация рисунков и схем по обсуждаемым темам.

Транспортные системы мембран растительных клеток (1ч)

Поглощение растениями воды и минеральных солей. Транспорт веществ в растении. Ксилема и флоэма, особенности их строения и функционирования. Фотосинтез и работа устьичного аппарата.

Демонстрация фотографий, рисунков и схем, иллюст­рирующих особенности строения растительных клеток и тканей.

Заключение (2ч)

Итоговая конференция «Транспорт веществ через мем­браны и его значение для жизнедеятельности клетки».


Рекомендуемая литература

1. Антонов В. Ф. Мембранный транспорт //Соросовский об­разовательный журнал. 1997, № 6. С. 14-20.

2. Барсуков Л. И. Как собрать мамбрану (солюбилизация и реконструкция мембран) // Соросовский образовательный журнал. 2004. № 1. С. 10-16.

3. Болдырев А. А. Введение в биохимию мембран. М.: Выс­шая школа, 1986.

4. Болдырев А. А. Регуляция активности мембранных фер­ментов//Соросовский образовательный журнал. 1997. №6. С. 21-27.

5. Болдырев А. А. Na/K-АТФаза - свойства и биологическая роль//Соросовский образовательный журнал. 1998. №4. С. 2-9.

6. Владимиров Ю. А. Кальциевые насосы живой клетки // Со­росовский образовательный журнал. 1998. № 3. С. 20-27.

7. Левицкий Д. О. Кальций и биологические мембраны. М.: Высшая школа, 1990.

8. Марри Р. и др. Биохимия человека. М.: Мир, 1993.

9. Опритов В. А. Электричество в жизни животных и расте­ний //Соросовский образовательный журнал. 1996. №9. С. 40-46.

Интернет-сайт

journal.issep.rssi.ru - сайт Соросовского образовательного журнала (все статьи в свободном доступе)

Учебно-тематический план

№ п/п

Наименование курсов, разделов, тем

Количество часов

Дата проведения

Примечание

По плану

По факту

Введение (1 ч)

1

Живые организмы как открытые системы.

Вода и ее свойства (2 ч)

2

Вода. Структура молекулы воды. Вода как диполь. Во­дородные связи.

3

Гидратные оболочки полярных веществ и биологических макромолекул.

Структура биологических мембран (5 ч)

4

Представление о разных классах липидов. Нейтраль­ные жиры. Стероиды.

5

Фосфолипиды и их роль в формировании биологиче­ских мембран.

6

Амфифильная природа фосфолипидов. Формирова­ние мицелл, везикул и бислоев.

7

Биологические мембра­ны. Мембранные белки и их свойства.

8

Строение клеток прокариот и эукариот

Транспорт веществ через мембраны (8ч)

9

Транспорт низкомолекулярных веществ через мембра­ны.

10

Растворимость газов в липидах.

11

Проницаемость мембран для воды и низкомолекуляр­ных соединений.

12

Транспорт веществ через мембраны против градиента концентрации и его потребности в энергии.

13

Роль АТФ. Активный и вторично активный транспорт.

14

Обзор мембранных транспортных белков: каналы, пере­носчики, ионные насосы (транспортные АТФазы).

15

Принципы работы каналов и переносчиков

16

Мембранные АТФазы. Структура АТФаз разных клас­сов, механизм их работы.

Ионный состав цитоплазмы клеток и мембранный электрический потенциал (2ч)

17

Сравнение ионного состава тканевой жидкости и ци­топлазмы животных клеток.

18

Роль ионных каналов и ионных насосов в создании и поддержании мембранного потенциала

Мышечное сокращение (Зч)

19

Особенности строения поперечно-полосатой, сердечной и гладкой мышцы.

20

Электромеханическое сопряжение в разных типах мышц.

21

Молекулярные механизмы регуляции работы сердца.

Секреция соляной кислоты в желудке (3 ч)

22

Строение желез желудка.

23

Молекулярные механизмы нервной и гуморальной ре­гуляции секреции желудочного сока.

24

Кислотозависимые заболевания желудочно-кишечного тракта, механизм их развития и способы лечения.

Транспорт через эпителий (4 ч)

25

Особенности строения эпителиальных клеток.

26

Поглощение глюкозы и аминокислот в кишечнике

27

Работа почек.

28

Регуляция работы почек. Выведение почками ле­карств и продуктов их обмена.

Работа печени (3ч)

29

Печень - депо гликогена в организме.

30

Барьерная функция печени.

31

Механизм уда­ления вредных веществ с желчью.

Транспортные системы мембран растительных клеток (1ч)

32

Поглощение растениями воды и минеральных солей.

Заключение (2ч)

33

Итоговая конференция «Транспорт веществ через мем­браны и его значение для жизнедеятельности клетки».

34

Итоговая конференция «Транспорт веществ через мем­браны и его значение для жизнедеятельности клетки».