Биологични рисунки в живота на животните. Биология в лицея. Семейство на бионауките

цели

• Образователни: да продължи формирането на знания за биологията като наука; дават понятия за основните раздели на биологията и обектите, които изучават;
• Развитие: формиране на умения за работа с литературни източници, формиране на умения за създаване на аналитични връзки;
• Образователни: разширяване на хоризонтите, формиране на цялостно възприемане на света.

Задачи

1. Разкрийте ролята на биологията сред другите науки.
2. Да се ​​разкрие връзката на биологията с други науки.
3. Определете какво изучават различните клонове на биологията.
4. Определете ролята на биологията в живота човек .
5. Рисувайте Интересни фактисвързани с темата от видеата, представени в урока.

Термини и понятия

• Биологията е комплекс от науки, чийто обект на изследване са живите същества и тяхното взаимодействие с околната среда.
• Животът е активна форма на съществуване на материята, в известен смисъл по-висша от неговите физически и химически форми на съществуване; набор от физични и химични процеси, протичащи в клетката, позволяващи метаболизма и нейното делене.
• Наукатае сфера на човешката дейност, насочена към развитието и теоретичната систематизация на обективни знания за реалността.

По време на часовете

Актуализация на знанията

Спомнете си какво изучава биологията.
Назовете клоновете на биологията, които познавате.
Намерете верния отговор:
1. Изследвания по ботаника:
а) растения
Б) животни
Б) само водорасли
2. Изследването на гъбите се извършва в рамките на:
А) ботаника
Б) вирусология;
Б) микология.
3. В биологията се разграничават няколко царства, а именно:
А) 4
Б) 5
НА 7
4. Човек се отнася в биологията до:
А) Царството на животните
Б) Подклас Бозайници;
В) Род Хомо сапиенс.

С помощта на фигура 1 си спомнете колко царства се разграничават в биологията:

Ориз. 1 Царства на живите организми

Учене на нов материал

За първи път терминът "биология" през 1797 г. е предложен от немския професор Т. Рузом. Но започва да се използва активно едва през 1802 г., след използването на това термин J-B. Ламарк в неговите произведения.

Днес биологията е комплекс от науки, които са независими научни дисциплинизанимаващи се с конкретни обекти на изследване.

Сред "клоновете" на биологията могат да се назоват такива науки като:
- ботаника - науката, която изучава растенията и нейните подраздели: микология, лихенология, бриология, геоботаника, палеоботаника;
- зоология- науката, която изучава животните, и нейните подраздели: ихтиология, арахнология, орнитология, етология;
- екология - наука за връзката на живите организми с околната среда;
- анатомия - наука за вътрешната структура на всички живи същества;
- морфология - наука, която изучава външния строеж на живите организми;
- Цитология - наука, която изучава клетката;
- както и хистология, генетика, физиология, микробиология и др.

Като цяло можете да видите съвкупността от биологични науки на фигура 2:

Ориз. 2 Биологични науки

В същото време се отделят редица науки, които се формират в резултат на тясното взаимодействие на биологията с други науки и се наричат ​​интегрирани. Тези науки могат безопасно да бъдат приписани: биохимия, биофизика, биогеография, биотехнология, радиобиология, космическа биология и други. Фигура 3 показва основните интегрални науки с биологията

Ориз. 3. Интегрални биологични науки

Познаването на биологията е важно за човека.
Задача 1: Опитайте се да формулирате сами какво точно е значението на биологичните знания за човека?
Дейност 2: Гледайте следния видеоклип за еволюцията и определете какви познания по биологична наука са били необходими, за да я създадете

А сега нека си припомним какви знания и защо се нуждае човек:
- за определяне на различни заболявания на тялото. Лечението и профилактиката им изисква познания за човешкото тяло, което означава познаване на: анатомия, физиология, генетика, цитология. Благодарение на постиженията на биологията индустрията започва да произвежда лекарства, витамини и биологично активни вещества;

В хранително-вкусовата промишленост е необходимо да се познават ботаника, биохимия, човешка физиология;
- в селското стопанство са необходими познания по ботаника и биохимия. Благодарение на изучаването на връзката между растителните и животинските организми стана възможно създаването на биологични методи за борба с вредителите по селскостопанските култури. Така например комплексните познания по ботаника и зоология се проявяват в земеделието и това може да се види в кратко видео

И това е просто кратък списък„полезната роля на биологичното познание“ в човешкия живот.
Следното видео ще ви помогне да разберете по-добре ролята на биологията в живота.

Не е възможно знанията по биология да бъдат премахнати от задължителните, защото биологията изучава нашия живот, биологията дава знания, които се използват в повечето области на човешкия живот.

Задача 3. Обяснете защо съвременна биологиянаречена сложна наука.

Затвърдяване на знанията

1. Какво е биология?
2. Назовете подразделите на ботаниката.
3. Каква е ролята на знанията по анатомия в човешкия живот?
4. Познаването на какви науки е необходимо за медицината?
5. Кой пръв идентифицира понятието биология?
6. Погледнете фигура 4 и определете коя наука изучава изобразения обект:

Фиг.4. Каква наука изучава този обект

7. Изучете фигура 5, назовете всички живи организми и науката, която ги изучава

Ориз. 5. Живи организми

Домашна работа

1. Обработете материала на учебника - параграф 1
2. Запишете в тетрадка и научете термините: биология, живот, наука.
3. Запишете в тетрадка всички раздели и подраздели на биологията като наука, накратко ги характеризирайте.

Наскоро беше открита риба без очи Phreaticthys andruzzii, живееща в подземни пещери, в която вътрешният часовник е настроен не на 24 (както при другите животни), а на 47 часа. За това е виновна мутация, която е изключила всички светлочувствителни рецептори по тялото на тези риби.

Общият брой на биологичните видове, живеещи на нашата планета, се оценява от учените на 8,7 милиона, като в момента не повече от 20% от този брой са открито и класифицирани.

Ледена риба или бяла риба живее във водите на Антарктика. Това е единственият вид гръбначни, който няма червени кръвни клетки и хемоглобин в кръвта си - следователно кръвта на ледените риби е безцветна. Техният метаболизъм се основава само на кислород, разтворен директно в кръвта.

Думата "копеле" идва от глагола "блудствам" и първоначално е означавала само незаконно потомство на чистокръвно животно. С течение на времето в биологията тази дума беше заменена с термина „хибрид“, но стана обидна по отношение на хората.

Списък на използваните източници

1. Урок "Биология - наука за живота" Константинова Е. А., учител по биология, средно училище № 3, Твер
2. Урок „Въведение. Биологията е наука за живота” Ю.И.Титоров, учител по биология, директор на ЦЛ в Кемерово.
3. Урок „Биология - наука за живота“ Никитина О.В., учител по биология, МОУ „Средно училище № 8, Череповец.
4. Захаров В.Б., Козлова Т.А., Мамонтов С.Г. "Биология" (4-то издание) -L .: Академия, 2011.- 512s.
5. Матяш Н.Ю., Шабатура Н.Н. Биология 9 клас - К .: Генеза, 2009. - 253 с.

Редактирано и изпратено от Борисенко I.N.

Работа върху урока

Борисенко И.Н.

Константинова Е.А.

Титорова Ю.И.

Никитина О.В.

Спецификата на биологичния модел за ученици от средното училище

Биологичното рисуване е един от универсално признатите инструменти за изучаване на биологични обекти и структури. Има много добри уроци по този въпрос.

Например в тритомника "Биология" на Грийн, Стаут, Тейлър са формулирани следните правила за биологично рисуване.

1. Необходимо е да се използва хартия за рисуване с подходяща дебелина и качество. Линиите с молив трябва да бъдат добре изтрити от него.

2. Моливите трябва да са остри, твърдост HB (в нашата система - TM), а не цветни.

3. Чертежът трябва да бъде:

- достатъчно голям - колкото повече елементи изграждат изследвания обект, толкова по-голям трябва да бъде чертежът;
- прости - включват контури на конструкцията и други важни детайли, за да покажат местоположението и връзката на отделните елементи;
- рисува се с тънки и отчетливи линии - всяка линия трябва да бъде обмислена и след това да се рисува, без да се вдига моливът от хартията; не се излюпват и не оцветяват;
- надписите да са възможно най-пълни, линиите, идващи от тях, да не се пресичат; Оставете място за надписи около рисунката.

4. Направете два чертежа, ако е необходимо: схематичен чертеж, показващ основните характеристики, и подробен чертеж на малки части. Например при малко увеличение начертайте план на напречно сечение на растение, а при голямо увеличение - подробна структура на клетките (голяма нарисувана част от чертежа е очертана върху плана с клин или квадрат).

5. Трябва да рисувате само това, което наистина виждате, а не това, което мислите, че виждате, и, разбира се, не копирайте рисунката от книгата.

6. Всеки чертеж трябва да има заглавие, указание за увеличението и проекцията на образеца.

Страница от книгата "Въведение в зоологията" (немско издание края на XIXвек)

На пръв поглед е доста просто и не предизвиква възражения. Наложи се обаче да ревизираме някои тези. Факт е, че авторите на такива ръководства разглеждат спецификата на биологичното рисуване вече на ниво институт или старши класове на специални училища, техните препоръки са адресирани до доста възрастни хора с аналитично (вече) мислене. В средните (6-8-и) класове - както обикновени, така и биологични - нещата не са толкова прости.

Много често лабораторните скици се превръщат във взаимно „мъчение“. Грозните и малко разбираеми рисунки не се харесват от самите деца - те просто още не знаят как да рисуват, нито от учителя - защото онези детайли от структурата, заради които всичко е започнато, много често се пропускат от повечето деца. Само артистично надарените деца обикновено се справят с подобни задачи (и не започвайте да ги мразите!) Накратко, проблемът е, че има предмети, но няма адекватна техника. Между другото, учителите по рисуване понякога се сблъскват с обратния проблем - има техника и е трудно с подбора на обекти. Може би трябва да се обединим?

В 57-то московско училище, където работя, отдавна съществува и продължава да се развива в момента интегриран курс по биологично рисуване в средните класове, в рамките на който учителите по биология и рисуване работят по двойки. Разработили сме много интересни проекти. Техните резултати са многократно излагани в московските музеи - Зоологическия Московски държавен университет, Палеонтологичния, Дарвин, на различни фестивали на детското творчество. Но основното е, че обикновените деца, които не са избрани нито за часовете по изкуство, нито за биология, са щастливи да изпълняват тези дизайнерски задачи, гордеят се със собствената си работа и, както ни се струва, започват да надникват в света на живите. много по-отблизо и обмислено. Разбира се, не всяко училище има възможност учителите по биология и изкуство да работят заедно, но някои от нашите открития вероятно ще бъдат интересни и полезни, дори ако работите само в рамките на програма по биология.

Мотивация: емоциите на първо място

Разбира се, рисуваме, за да изучаваме и разбираме по-добре структурни особености, да се запознаят с многообразието на тези организми, които изучаваме в уроците. Но каквато и задача да дадете, не забравяйте, че за децата на тази възраст е много важно емоционално да уловят красотата и целесъобразността на обекта, преди да започнат работа. Опитваме се да започнем работа по нов проект с ярки впечатления. За това е най-подходящ или кратък видеоклип, или малка (не повече от 7-10!) селекция от слайдове. Нашите коментари са насочени към необичайността, красотата, невероятността на обектите, дори ако това е нещо обикновено: например зимните силуети на дървета при изучаване на разклоненията на издънките - те могат да бъдат мразовити и да напомнят за корали, или подчертани графични - черно върху бял сняг. Такова въведение не трябва да е дълго - само няколко минути, но е много важно за мотивацията.

Напредък: Аналитично изграждане

След това се преминава към формулирането на задачата. Тук е важно първо да се подчертаят онези характеристики на структурата, които определят външния вид на обекта, и да се покаже тяхното биологично значение. Разбира се, всичко това трябва да бъде написано на дъската и записано в тетрадка. Всъщност в момента вие поставяте работна задача на учениците - да видят и покажат.

И след това, на втората половина на дъската, описвате етапите на изграждане на чертеж, допълвайки ги с диаграми, т.е. описват методологията и процедурата. По същество вие сами бързо изпълнявате задачата пред децата, като запазвате на дъската цялата поредица от спомагателни и междинни конструкции.

На този етап е много добре да показвате на децата завършени рисунки, било то от художници, изобразяващи същите обекти, или от предишни ученици, които са завършили успешно работата си. Постоянно трябва да се подчертава, че добрата и красива биологична рисунка е по същество изследване – т.е. отговорът на въпроса как работи обектът и с течение на времето научете децата сами да формулират тези въпроси.

Изграждане на чертеж - и изследване на обекта! - започвате, като установите неговите пропорции: съотношението на дължината към ширината, частите към цялото, не забравяйте да зададете доста твърд формат за картината. Това е форматът, който автоматично ще определи степента на детайлност: на малки голямброят на частите, голям ще изисква насищане с детайли и следователно повече време за работа. Помислете предварително какво е по-важно за вас във всеки отделен случай.

1) начертайте ос на симетрия;

2) изградете две двойки симетрични правоъгълници - за горните и долните крила (например водни кончета), като първо определите техните пропорции;

3) поберете в тези правоъгълници извитите линии на крилата

Ориз. 1. 7 клас. Тема "Отряди насекоми." Мастило, химикал върху молив, от сатен

(Спомням си една забавна, тъжна и обикновена история, която се случи, когато за първи път направих тази работа. Едно момче от седми клас първо разбра думата „вместване“ като лесна за поставяне вътре и нарисува извити кръгове вътре в правоъгълниците – и четирите са различни! След това , след моето подканяне, какво да въведе - означава докосване на помощните линии, той донесе пеперуда с правоъгълни крила, само леко изгладени в ъглите. И едва тогава се досетих да му обясня, че вписаната крива докосва всяка страна на правоъгълника само в един момент. И трябваше да повторим чертежа отново ...)

4) ... Тази точка може да се намира в средата на страната или на разстояние една трета от ъгъла и това също трябва да се определи!

Но колко щастлив беше, когато рисунката му стигна до училищната изложба - за първи път - успя! И сега произнасям всички етапи от нашите мъки с него в описанието на „Ход на работата“.

По-нататъшното детайлизиране на чертежа просто ни води до обсъждане на биологичното значение на много характеристики на обекта. Продължавайки примера с крилата на насекомите (фиг. 2), обсъждаме какви са вените, как са подредени, защо непременно се сливат в една мрежа, как естеството на жилката се различава при насекоми от различни систематични групи (например в древни и новокрили), защо най-крайната жилка на предните крила е удебелена и др. И се опитайте да дадете повечето от вашите инструкции под формата на въпроси, на които децата трябва да намерят отговор.

Ориз. 2. "Водно конче и лъв". 7 клас, тема "Отряди насекоми." Мастило, химикал върху молив, от сатен

Между другото, опитайте се да вземете повече предмети от същия тип, като дадете избор на момчетата. В края на работата класът ще види и биоразнообразиегрупи и важни общи характеристики на структурата и накрая различните способности за рисуване при децата няма да бъдат толкова важни.

За съжаление, училищният учител не винаги има на разположение достатъчен брой различни предмети от една и съща група. Може би нашият опит ще ви бъде полезен: когато изучавате група, първо правим фронтална рисунка на лесно достъпен обект от живота, а след това индивидуално - рисунки на различни обекти от снимки или дори от рисунки на професионални художници.

Ориз. 3. Скариди. 7 клас, тема "Ракообразни". Молив, от природата

Например, в темата „Ракообразни“ в лабораторната работа „Външна структура на ракообразни“, всички първо рисуваме скариди (вместо раци), закупени замразени в магазин за хранителни стоки (фиг. 3), а след това, след като гледаме кратък видеоклип, поотделно - различни ларви на планктонни ракообразни (фиг. 4), изобразени в "Животът на животните": на големи (А3) листове, оцветени с акварел в студени сиви, сини, зеленикави тонове; тебешир или бял гваш, обработка на фини детайли с мастило и химикал. (Обяснявайки как да предадем прозрачността на планктонните ракообразни, можем да предложим най-простия модел - стъклен буркан с предмет, вграден в него.)

Ориз. 4. Планктон. 7 клас, тема "Ракообразни". Тонирана хартия (формат А3), креда или бял гваш, черно мастило, от сатен

В 8 клас, когато изучаваме риба, в лабораторната работа „Външна структура на костна риба“ първо рисуваме обикновена хлебарка, а след това момчетата рисуват в акварел представители на различни разреди риби от великолепните цветни таблици „Търговски риби“, които имаме в училище.

Ориз. 5. Скелет на жаба. 8 клас, тема "Земноводни". Молив, с учебна подготовка

Когато първо изучавате земноводните - лабораторна работа"Структура на скелета на жаба", рисуване с обикновен молив (фиг. 5). След това, след гледане на кратък видеоклип, рисунка с акварел на различни екзотични жаби, катерещи се по листата и т.н. (Ние рисуваме от календари с висококачествени снимки, за щастие сега те не са рядкост.)

С такава схема доста скучните рисунки с молив на един и същи обект се възприемат като нормален подготвителен етап за ярки и индивидуални произведения.

Важно: техника

Изборът на техника е много важен за успешното завършване на работата. В класическата версия трябва да вземете обикновен молив и бяла хартия, но .... Нашият опит казва, че от гледна точка на децата такава рисунка ще изглежда недовършена, те ще останат недоволни от работата.

Междувременно е достатъчно да направите скица с молив с мастило и дори да вземете тонирана хартия (често използваме цветна хартия за принтери) - и резултатът ще се възприема съвсем различно (фиг. 6, 7). Усещането за незавършеност често се създава именно от липсата на детайлен фон и най-лесно този проблем ще се реши с помощта на тонирана хартия. Освен това, като използвате обикновена креда или бял молив, можете почти моментално да постигнете ефект на отблясъци или прозрачност, което често е необходимо.

Ориз. 6. Радиолария. 7 клас, темата "Най-простото". Тонирана хартия (формат А3) за акварел (с груба текстура), туш, пастел или креда, от сатен

Ориз. 7. Пчела. 7 клас, тема "Отряди насекоми." Туш, химикал върху молив, обем - с четка и разреден туш, дребни детайли с химикал, от сатен

Ако ви е трудно да организирате работа със спирала, използвайте меки черни лайнери или ролери (в най-лошия случай гел химикалки) - те дават същия ефект (фиг. 8, 9). Използвайки тази техника, не забравяйте да покажете колко много информация се дава чрез използване на линии с различна дебелина и натиск - както за подчертаване на най-важното, така и за създаване на ефект на обем (преден план и заден план). Можете също да използвате умерено и леко засенчване.

Ориз. 8. Овесени ядки. 6 клас, тема "Разнообразие от цъфтящи растения, семейство Житни." Мастило, тонирана хартия, от хербариума

Ориз. 9. Полски хвощ и клубен мъх. 6 клас, тема "Спорови растения". Мастило, бяла хартия, от хербариума

Освен това, за разлика от класическия научни рисунки, ние често работим в цвят или използваме светло тониране, за да покажем обем (фиг. 10).

Ориз. 10. Лакътна става. 9 клас, тема "Опорно-двигателен апарат". Молив, с помощта на гипс

От цветните техники пробвахме много – акварел, гваш, пастел и накрая се спряхме на меки цветни моливи, но винаги на груба хартия. Ако решите да опитате тази техника, трябва да имате предвид няколко важни неща.

1. Вземете меки качествени моливи от добра компания, като Kohinoor, но не давайте на децата голяма гама от цветове (достатъчно основни): в този случай те обикновено се опитват да вземат готов цвят, който разбира се не успява. Покажете как да получите правилния нюанс чрез смесване на 2-3 цвята. За да направите това, трябва да работите с палитра - лист хартия, върху който избират желаните комбинации и натиск.

2. Грубата хартия значително ще улесни задачата за използване на слаби и силни цветове.

3. Леките къси удари трябва сякаш да извайват формата на обекта: т.е. повторете основните линии (и не рисувайте, противно на формата и контурите).

4. След това се нуждаете от финалните сочни и силни щрихи, когато правилните цветове вече са избрани. Често си струва да добавите акценти, което значително ще оживи рисунката. Най-лесният начин е да използвате обикновен тебешир за това (върху тонирана хартия) или да преминете с мека гума (на бяло). Между другото, ако използвате свободни техники - креда или пастел - можете след това да фиксирате работата с лак за коса.

Когато овладеете тази техника, ще можете да я използвате в природата, с липса на време, буквално „на коляно“ (просто не забравяйте за таблетките - достатъчно е само парче опаковъчен картон!).

И, разбира се, за успеха на нашата работа ние определено организираме изложби - понякога в класната стая, понякога в коридорите на училището. Доста често докладите на децата по една и съща тема са насрочени за изложбата - както устни, така и писмени. Като цяло такъв проект оставя у вас и децата усещане за голяма и красива работа, за която си струва да се подготвите. Вероятно при контакт и взаимен интерес с учител по рисуване можете да започнете работа в уроците по биология: аналитичният подготвителен етап на изучаване на обект, създаване на скица с молив и да го завършите в техниката, която сте избрали заедно - в неговите уроци.

Ето един пример. Ботаника, тема "Бягство - пъпка, разклоняване, структура на летораста." Клон с пъпки - големи на преден план, на заден план - силуети на дървета или храсти на фона на бял сняг и черно небе. Техника - туш, бяла хартия. Клони - от природата, силуети на дървета - от снимки или рисунки от книги. Името е "Дървета през зимата", или "Зимен пейзаж".

Друг пример. Когато изучаваме темата „Отряди насекоми“, изпълняваме кратка работа „Формата и обемът на бръмбарите“. Всяка техника, която предава chiaroscuro и акценти (акварел, мастило с вода, четка), но монохромна, за да не се разсейва от разглеждането и изображението на формата (фиг. 11). По-добре е да изработите детайлите с писалка или гел химикал (ако използвате лупа, лапите и главата ще се окажат по-добре).

Ориз. 11. Бръмбари. Туш, химикал върху молив, обем - с четка и разреден туш, дребни детайли с химикал, от сатен

Достатъчни са 1-2 красиви творби на четвърт - и рисуването на живо същество ще зарадва всички участници в този труден процес.

Науките за живота преминават от големи към малки. Съвсем наскоро биологията описва само външните характеристики на животни, растения, бактерии. Молекулярната биология изучава живите организми на ниво взаимодействие между отделните молекули. Структурна биология – изучава процесите в клетките на ниво атоми. Ако искате да научите как да „виждате“ отделни атоми, как работи и „живее“ структурната биология и какви инструменти използва, вие сте тук!

Генерален партньор на цикъла е компанията: най-големият доставчик на оборудване, реактиви и консумативи за биологични изследвания и производство.

Една от основните мисии на "Биомолекула" е да стигне до самите корени. Ние не просто разказваме какви нови факти са открили изследователите - ние говорим за това как са ги открили, опитваме се да обясним принципите на биологичните методи. Как изваждате ген от един организъм и го вкарвате в друг? Как да последваме съдбата на няколко малки молекули в огромна клетка? Как да възбудим една малка група неврони в огромен мозък?

И така решихме да поговорим за лабораторни методипо-систематично, да съберем в една рубрика най-важните, най-модерните биологични техники. За да е по-интересно и ясно, сме илюстрирали статиите дебело и дори сме добавили анимации тук-там. Искаме статиите от новата рубрика да са интересни и разбираеми дори за случаен минувач. И от друга страна, те трябва да бъдат толкова детайлни, че дори професионалистът да може да открие нещо ново в тях. Събрахме методите в 12 големи групи и въз основа на тях ще направим биометодологичен календар. Очаквайте актуализации!

Защо структурна биология?

Както знаете, биологията е наука за живота. Тя се появи в началото на XIXвекове и първите сто години от съществуването му е чисто описателен. Основната задача на биологията по това време се смяташе за откриване и характеризиране на възможно най-много видове различни живи организми, а малко по-късно - за идентифициране на семейни връзки между тях. С течение на времето и с развитието на други области на науката, от биологията се появиха няколко клона с представката "молекулярна": молекулярна генетика, молекулярна биологияи биохимия - науки, които изучават живите същества на ниво отделни молекули, а не според външен видорганизъм или неговото относително положение вътрешни органи. И накрая, съвсем наскоро (през 50-те години на миналия век) се появи такава област на знанието като структурна биология- наука, която изучава процесите в живите организми на ниво промяна пространствена структураотделни макромолекули. Всъщност структурната биология е на кръстопътя на три различни науки. Първо, това е биологията, защото науката изучава живите обекти, второ, физиката, тъй като се използва най-широкият арсенал от физически експериментални методи, и трето, химията, тъй като промяната на структурата на молекулите е обект на тази конкретна дисциплина.

Структурната биология изучава два основни класа съединения - протеини (основното "работно тяло" на всички известни организми) и нуклеинова киселина(основните "информационни" молекули). Благодарение на структурната биология знаем, че ДНК има структура на двойна спирала, че тРНК трябва да бъде изобразена като старинна буква "G" и че рибозомата има голяма и малка субединица, състояща се от протеини и РНК в определена конформация .

глобална целструктурната биология, както всяка друга наука, е да "разбере как работят нещата". Под каква форма е сгъната протеиновата верига, което кара клетките да се делят, как се променя опаковката на ензима по време на химичния процес, който извършва, на кои места си взаимодействат хормонът на растежа и неговият рецептор - това са въпросите, на които отговаря тази наука . Освен това отделна цел е да се натрупа такъв обем данни, че на тези въпроси (за обект, който все още не е изследван) да може да се отговори на компютър, без да се прибягва до скъп експеримент.

Например, трябва да разберете как работи системата за биолуминесценция в червеите или гъбите - те дешифрираха генома, въз основа на тези данни намериха желания протеин и предсказаха неговата пространствена структура заедно с механизма на работа. Вярно е, че си струва да се признае, че засега такива методи съществуват само в начален стадий и все още е невъзможно точно да се предскаже структурата на протеин, като има само неговия ген. От друга страна, резултатите от структурната биология имат приложение в медицината. Както много изследователи се надяват, знанията за структурата на биомолекулите и за механизмите на тяхната работа ще позволят разработването на нови лекарства на рационална основа, а не чрез проба и грешка (високопроизводителен скрининг, строго погледнато), както е най-често готово сега. И това не е научна фантастика: вече има много лекарства, създадени или оптимизирани с помощта на структурна биология.

История на структурната биология

Историята на структурната биология (фиг. 1) е доста кратка и започва в началото на 50-те години на миналия век, когато Джеймс Уотсън и Франсис Крик, въз основа на данните на Розалинд Франклин за рентгенова дифракция върху ДНК кристали, сглобиха от ретро дизайнер модел, известен сега на всички двойна спирала. Малко по-рано Линус Полинг изгражда първия правдоподобен модел на спиралата, един от основните елементи на вторичната структура на протеините (фиг. 2).

Пет години по-късно, през 1958 г., е определена първата в света протеинова структура - миоглобин (протеин от мускулни влакна) на кашалота (фиг. 3). Разбира се, тя не изглеждаше толкова красива, колкото съвременните структури, но беше важен крайъгълен камък в развитието на съвременната наука.

Фигура 3b. Първата пространствена структура на протеинова молекула.Джон Кендрю и Макс Перуц демонстрират пространствената структура на миоглобина, сглобен от специален конструктор.

Десет години по-късно, през 1984–1985 г., първите структури са идентифицирани чрез ядрено-магнитна резонансна спектроскопия. От този момент се случиха няколко ключови открития: през 1985 г. те получиха структурата на първия комплекс на ензима с неговия инхибитор, през 1994 г. те определиха структурата на АТФ синтазата, основната "машина" на електроцентралите на нашите клетки (митохондрии), а още през 2000 г. те получиха първите пространствени структурни "фабрики" от протеини - рибозоми, състоящи се от протеини и РНК (фиг. 6). През 21-ви век развитието на структурната биология върви скокообразно, придружено от експлозивен растеж на броя на пространствените структури. Получени са структурите на много класове протеини: хормонални и цитокинови рецептори, G-протеин свързани рецептори, toll-подобни рецептори, протеини на имунната система и много други.

С появата на нови технологии за записване и обработка на изображения от криоелектронна микроскопия през 2010 г. се появиха много сложни структури от мембранни протеини в ултрависока резолюция. Напредъкът на структурната биология не остава незабелязан: 14 Нобелови награди, от които пет са вече в 21 век.

Методи на структурната биология

Изследванията в областта на структурната биология се извършват с помощта на няколко физични метода, от които само три позволяват да се получат пространствените структури на биомолекулите в атомна резолюция. Методите на структурната биология се основават на измерване на взаимодействието на изпитваното вещество с различни видове електромагнитни вълни или елементарни частици. Всички техники изискват значителни финансови ресурси - цената на оборудването често е невероятна.

Исторически първият метод на структурната биология е рентгеновият дифракционен анализ (XRD) (фиг. 7). Още в началото на 20-ти век се установява, че по рентгеновата дифракционна картина върху кристали могат да се изследват свойствата им – вида на клетъчната симетрия, дължината на връзките между атомите и т.н. , има органични съединения, тогава е възможно да се изчислят координатите на атомите и, следователно, химичната и пространствена структура на тези молекули. Така през 1949 г. е получена структурата на пеницилина, а през 1953 г. структурата на двойната спирала на ДНК.

Изглежда, че всичко е просто, но има нюанси.

Първо, необходимо е по някакъв начин да се получат кристали, като размерът им трябва да е достатъчно голям (фиг. 8). Ако това е осъществимо за не много сложни молекули (помнете как кристализира готварската сол или синия витриол!), тогава кристализацията на протеините е много трудна задача, която изисква неочевидна процедура за намиране на оптимални условия. Сега това се прави с помощта на специални роботи, които подготвят и наблюдават стотици различни разтвори в търсене на „покълнали“ протеинови кристали. Въпреки това, в ранните дни на кристалографията, получаването на протеинов кристал може да отнеме години ценно време.

Второ, въз основа на получените данни („сурови“ дифракционни модели; ориз. 8) трябва да "изчислите" структурата. Сега това също е рутинна задача, но преди 60 години, в ерата на ламповата технология и перфокартите, далеч не беше толкова просто.

Трето, дори ако е възможно да се отгледа кристал, изобщо не е необходимо да се определи пространствената структура на протеина: за това протеинът трябва да има една и съща структура във всички места на решетката, което далеч не винаги е случай.

И четвърто, кристалът е далеч от естественото състояние на протеина. Изучаването на протеини в кристали е като изучаване на хора, като напъхате десет от тях в малка, опушена кухня: можете да разберете, че хората имат ръце, крака и глава, но поведението може да не е съвсем същото като в удобна среда. Рентгеновият дифракционен анализ обаче е най-разпространеният метод за определяне на пространствени структури и 90% от съдържанието на PDB се получава с помощта на този метод.

SAR изисква мощни източници на рентгенови лъчи - електронни ускорители или лазери на свободни електрони (фиг. 9). Такива източници са скъпи - няколко милиарда щатски долара - но обикновено един източник се използва от стотици или дори хиляди групи по целия свят срещу доста номинална такса. В нашата страна няма мощни източници, затова повечето учени пътуват от Русия до САЩ или Европа, за да анализират получените кристали. Можете да прочетете повече за тези романтични изследвания в статията " Лаборатория за напреднали изследвания на мембранни протеини: от гена до ангстрьома» .

Както вече споменахме, рентгеновият дифракционен анализ изисква мощен източник на рентгенови лъчи. Колкото по-мощен е източникът, толкова по-малък е размерът на кристалите, с които можете да се справите, и толкова по-малко болка ще трябва да понесат биолозите и генните инженери, опитвайки се да получат злощастните кристали. Рентгеновото лъчение се получава най-лесно чрез ускоряване на електронен лъч в синхротрони или циклотрони - гигантски пръстеновидни ускорители. Когато един електрон изпитва ускорение, той излъчва електромагнитни вълни в желания честотен диапазон. IN напоследъксе появиха нови свръхмощни източници на радиация - лазери на свободни електрони (XFEL).

Принципът на работа на лазера е доста прост (фиг. 9). Първо, електроните се ускоряват до високи енергии с помощта на свръхпроводящи магнити (дължината на ускорителя е 1–2 km), след което преминават през така наречените ондулатори - набори от магнити с различна полярност.

Фигура 9. Принципът на работа на лазер на свободни електрони.Електронният лъч се ускорява, преминава през ондулатора и излъчва гама лъчи, които попадат върху биологични проби.

Преминавайки през ондулатора, електроните започват периодично да се отклоняват от посоката на лъча, изпитвайки ускорение и излъчвайки рентгенови лъчи. Тъй като всички електрони се движат по един и същи начин, радиацията се усилва поради факта, че други електрони в лъча започват да абсорбират и повторно излъчват рентгенови вълни със същата честота. Всички електрони излъчват синхронно излъчване под формата на свръхмощна и много кратка светкавица (с продължителност под 100 фемтосекунди). Мощността на рентгеновия лъч е толкова висока, че една кратка светкавица превръща малък кристал в плазма (фиг. 10), но за няколко фемтосекунди, докато кристалът е непокътнат, може да се получи изображение с най-високо качество благодарение на висок интензитет и кохерентност на лъча. Цената на такъв лазер е 1,5 милиарда долара, а в света има само четири такива инсталации (разположени в САЩ (фиг. 11), Япония, Корея и Швейцария). През 2017 г. се планира пускането в експлоатация на петия – европейски – лазер, в изграждането на който участва и Русия.

Фигура 10. Трансформация на протеини в плазма за 50 fs под действието на свободен електронен лазерен импулс.Фемтосекунда = 1/1000000000000000 от секундата.

Около 10% от пространствените структури в базата данни на PDB са определени с помощта на NMR спектроскопия. В Русия има няколко тежкотоварни чувствителни ЯМР спектрометри, които се използват за работа от световна класа. Най-голямата лаборатория за ЯМР не само в Русия, но и в цялата област източно от Прага и западно от Сеул се намира в Института по биоорганична химия на Руската академия на науките (Москва).

ЯМР спектрометърът е чудесен пример за триумфа на технологията над разума. Както вече споменахме, за използването на метода на ЯМР спектроскопията е необходимо мощно магнитно поле, така че сърцето на устройството е свръхпроводящ магнит - намотка от специална сплав, потопена в течен хелий (−269 ° C). Течният хелий е необходим за постигане на свръхпроводимост. За да се предотврати изпаряването на хелия, около него е изграден огромен резервоар с течен азот (−196 °C). Въпреки че е електромагнит, той не консумира електричество: свръхпроводящата намотка няма съпротивление. Магнитът обаче трябва постоянно да се "захранва" с течен хелий и течен азот (фиг. 15). Ако не го следвате, тогава ще настъпи „гасене“: намотката ще се нагрее, хелият ще се изпари експлозивно и устройството ще се счупи ( см.видео). Също така е важно полето в проба с дължина 5 cm да бъде изключително равномерно, така че устройството съдържа няколко дузини малки магнити, необходими за фина настройка на магнитното поле.

Видео. Планираното "гасене" на 21,14-тесла ЯМР спектрометър.

За да извършите измервания, ви е необходим сензор - специална намотка, която едновременно генерира електромагнитно излъчване и регистрира "обратен" сигнал - трептене магнитен моментпроба. За да се подобри чувствителността с коефициент 2-4, сензорът се охлажда до -200 °C, като по този начин се отървава от топлинния шум. За да направят това, те изграждат специална машина - криоплатформа, която охлажда хелия до желаната температура и го изпомпва близо до детектора.

Има цяла група методи, базирани на явлението разсейване на светлината, рентгенови лъчи или неутронни лъчи. Въз основа на интензитета на радиация/разсейване на частици под различни ъгли, тези методи правят възможно определянето на размера и формата на молекулите в разтвора (фиг. 16). Разсейването не може да определи структурата на една молекула, но може да се използва като помощно средство при използване на друг метод, като например ЯМР спектроскопия. Инструментите за измерване на разсейването на светлината са сравнително евтини, струвайки "само" около $100 000, докато други методи изискват ускорител на частици под ръка, който може да създаде лъч неутрони или мощен лъч рентгенови лъчи.

Друг метод, чрез който не може да се определи структурата, но могат да се получат някои важни данни, е резонансен флуоресцентен трансфер на енергия(ФРЕТ) . Методът използва явлението флуоресценция - способността на определени вещества да абсорбират светлина с една дължина на вълната, излъчвайки светлина с различна дължина на вълната. Възможно е да се избере двойка съединения, в едно от които (донор) светлината, излъчвана по време на флуоресценция, ще съответства на характерната дължина на вълната на поглъщане на втория (акцептор). Облъчете донора с лазер с желаната дължина на вълната и измерете флуоресценцията на акцептора. Ефектът FRET зависи от разстоянието между молекулите, така че ако въведете донор и акцептор на флуоресценция в молекулите на два протеина или различни домени (структурни единици) на един протеин, можете да изучавате взаимодействията между протеините или взаимното разположение на домейните в протеин. Регистрацията се извършва с помощта на оптичен микроскоп, следователно FRET е евтин, макар и неинформативен метод, чието използване е свързано с трудности при интерпретацията на данните.

И накрая, не може да не споменем "метода на съня" на структурните биолози - компютърна симулация(фиг. 17). Идеята на метода е да използва съвременните познания за структурата и поведението на молекулите, за да моделира поведението на протеин в компютърен модел. Например, използвайки метода на молекулярната динамика, е възможно да се проследят движенията на молекулата или процеса на „сглобяване“ (сгъване) на протеина в реално време за едно „но“: максималното време, което може да бъде изчислено, не надвишава 1 ms, което е изключително кратко, но освен това изисква огромни изчислителни ресурси (фиг. 18) . Възможно е да се изследва поведението на системата за по-дълго време, само че това се постига с цената на неприемлива загуба на точност.

Компютърното моделиране се използва активно за анализ на пространствените структури на протеините. Докингът се използва за търсене на потенциални лекарства, които имат висока склонност да взаимодействат с целевия протеин. В момента точността на прогнозите е все още ниска, но докингът може значително да стесни кръга от потенциално активни вещества, които трябва да бъдат тествани за разработването на ново лекарство.

Основната област на практическо приложение на резултатите от структурната биология е разработването на лекарства или, както сега е модерно да се казва, дизайн на лекарства. Има два начина за разработване на лекарство въз основа на структурни данни: можете да започнете от лиганд или от целеви протеин. Ако вече са известни няколко лекарства, действащи върху целевия протеин, и са получени структурите на комплексите протеин-лекарство, е възможно да се създаде модел на "идеалното лекарство" в съответствие със свойствата на "джоба" на свързване върху повърхността на протеиновата молекула, подчертайте необходимите характеристики на потенциалното лекарство и потърсете сред всички известни естествени и не толкова съединения. Можете дори да изградите връзки между свойствата на структурата на лекарството и неговата активност. Например, ако една молекула има лък отгоре, тогава нейната активност е по-висока от тази на молекула без лък. И колкото повече се зарежда лъкът, толкова по-добре действа лекарството. И така, от всички известни молекули, трябва да намерите съединение с най-голям зареден лък.

Друг начин е да използвате целевата структура на компютъра, за да търсите съединения, които са потенциално способни да взаимодействат с нея на правилното място. В този случай обикновено се използва библиотека от фрагменти - малки части от вещества. Ако намерите няколко добри фрагмента, които взаимодействат с целта на различни места, но близо един до друг, можете да изградите лекарство от фрагментите, като ги „зашиете“ заедно. Има много примери за успешно разработване на лекарства с помощта на структурна биология. Първият успешен случай датира от 1995 г., когато дорзоламид, лекарство за глаукома, е одобрен за употреба.

Общата тенденция в биологичните изследвания все повече клони към не само качествено, но и количествено описание на природата. Структурната биология е отличен пример за това. И има всички основания да се смята, че ще продължи да носи полза не само фундаментална наукано също и медицина и биотехнологии.

Календар

Въз основа на статиите от специалния проект решихме да направим календар "12 метода на биологията" за 2019 г. Тази статия представлява март.

Литература

1. Биолуминесценция: Възраждане;
2. Триумфът на компютърните методи: предсказване на структурата на протеините;
3. Heping Zheng, Katarzyna B Handing, Matthew D Zimmerman, Ivan G Shabalin, Steven C Almo, Wladek Minor. (2015).

Какво е биология? Биологията е наука за живота, за живите организми, които живеят на Земята.

Снимка 3 от презентация "Наука"към уроци по биология на тема "Биология"

Размери: 720 x 540 пиксела, формат: jpg. Безплатно изтегляне на снимка урок по биология, щракнете с десния бутон върху изображението и щракнете върху „Запазване на изображението като...“. За да покажете снимки в урока, можете също така да изтеглите безплатно цялата презентация "Science.ppt" с всички снимки в zip архив. Размер на архива - 471 KB.

Биология

"Методи на изследване в биологията" - Историята на развитието на биологията като наука. Планиране на експеримента, избор на методология. План на урока: За решаването на какви глобални проблеми на човечеството са необходими познания по биология? Тема: Гранични дисциплини: Задача: Морфология анатомия физиология систематика палеонтология. Значението на биологията. Биологията е за живота.

"Учен Ломоносов" - Подчерта значението на изследването на Северния морски път, развитието на Сибир. 19 ноември 1711 - 15 април 1765 (53 години) 10 юни 1741 г. Открития. Той развива атомни и молекулярни идеи за структурата на материята. Идеи. Флогистонът е изключен от броя на химичните агенти. работа. Като привърженик на деизма, материалистично разглежда природните явления.

"Ботаник Вавилов" - Всесъюзен институт по приложна ботаника. През 1906 г. Вавилов Николай Иванович. 1924 г., завършили: Роксана Бабичева и Людмила Жданова, ученички от 10 Б клас. Авторитетът на Вавилов като учен и организатор на науката нараства. В Мертън (Англия), в генетичната лаборатория на Института по градинарство. Н. И. Вавилов е роден на 26 ноември 1887 г. в Москва.

"Проектна дейност" - Алексеева Е.В. План на лекцията. Учителят става автор на проекта. Преглед на допълнителни ресурси. Технологизация на информационния модел учебен процес. Проектиране на урок по биология. Проектна дейност. Теория и практика. (Метод на проекта). Етапи от работата на учителя. Теория и практика. Основни блокове в проекти.

"Наука за дивата природа" - Дизайн на работни тетрадки. 3. Биология - наука за живата природа. Биологията е наука за живата природа. бактерии. гъби. Те се състоят от една клетка и нямат ядро. Марк Цицерон. Биологията изучава живите организми. Имат хлорофил и се образуват на светлина органична материяосвобождаване на кислород. Въпрос: Какво изучава биологията?

"Математика в биологията" - "Идентифициране на плоски стъпала." Четене на диаграми. Понятието симетрия; Видове симетрия. Концепцията за графика на функция. Обща биология, 10 клас. „Строителство вариационна серияи крива. Допирните точки ще бъдат уши. Кръг, овал. Общоприето е мнението, че математиката принадлежи към точните науки. Пропорционалност.

Общо в темата има 14 презентации