Программа: авторская.
Автор: С.М. Глаголев.
Год утверждения (начало апробации): 2005
Курс преподает канд. биол.наук С.М. Глаголев.

Объяснительная записка

Тема "Межклеточные взаимодействия" как тема курса для биологического класса выбрана не случайно.

Во-первых, эта тема напрямую связывает основные курсы, изучаемые в 8 и 9 классах биологического профиля - цитологию и физиологию человека. Данный курс опирается на уже изученный гимназистами курс «Введение в биологию», включающий основные разделы цитологии и краткое знакомство с биохимией и генетикой. Изучается же он параллельно с курсом «Анатомия и физиология человека». Изучение данного курса позволяет сопоставить и связать между собой процессы, происходящие на клеточном и организменном уровне.

Есть и вторая причина: именно изучение межклеточных взаимодействий и внутриклеточной передачи сигналов - одна из актуальнейших и интереснейших задач современной клеточной биологии. С ней самым непосредственным образом связаны фундаментальные научные проблемы, которые предстоит разрешить биологии в текущем веке - это прежде всего проблема становления сложной формы в онтогенезе и проблема функционирования мозга. С той же тематикой связано и разрешение важнейших прикладных медицинских задач, среди которых - лечение рака и СПИДа, а также лечение и предупреждение наследственных заболеваний человека.

Таким образом, главная цель курса - профориентационная. На рубеже 9-10 классов школьники обычно решают, будут ли они выбирать биологию в качестве специальности, и знакомство с наиболее интересными (и в то же время достаточно сложными) проблемами современной биологии должно помочь сделать правильный выбор.

Главная задача курса - на немногих конкретных примерах достаточно подробно разобраться в сложных биологических процессах на современном научном уровне.

Курс построен в форме двухчасовых лекционно-семинарских занятий. Основные формы обратной связи и контроля усвоения - решение задач в ходе занятий курса и короткие самостоятельные работы в конце каждого занятия, посвященные его содержанию (с использованием записей в тетрадях). Предусматривается также подготовка коротких докладов учащимися и написание ими кратких рефератов (энциклопедических статей) на заданную тему.

Спецкурс рассчитан на одно полугодие (17 занятий по два академических часа, всего 34 часа).

Структура программы

Общие принципы межклеточных взаимодействий. Взаимодействие генов и их продуктов как основа взаимодействия клеток (10 часов).
Межклеточные взаимодействия в нервной и эндокринной системе. Механизмы действия медиаторов и гормонов (6 часов).
Межклеточные взаимодействия и механизмы действия генов в развитии (8 часов).
Генетические основы иммунитета. Межклеточные взаимодействия в иммунной системе (8 часов).
Заключение (2 часа).

Содержание программы

Общие принципы межклеточных взаимодействий. Взаимодействие генов и их продуктов как основа взаимодействия клеток.

Межклеточные взаимодействия у одноклеточных (бактерий и протистов). Возникновение многоклеточности – специализация и кооперация клеток. Межклеточные взаимодействия как необходимая основа этих процессов. Примеры онтогенеза и жизненные циклы протистов (инфузории, вольвокс, диктиостелиум). Онтогенез многоклеточных как реализация генетической программы и как результат взаимодействия клеток.

Формирование межклеточных контактов и механические взаимодействия. Электрическая передача сигналов. Обмен химическими сигналами. Аутокринная, паракринная, эндокринная и синаптическая передача сигналов.

Общие принципы регуляции (повторение). Положительные и отрицательные обратные связи, их роль в регуляции функций. Регуляция транскрипции у прокариот (повторение) и у эукариот. Химические модификации ДНК и гистонов как распространенный механизм регуляции. Сплайсинг и его механизмы. Альтернативный сплайсинг как механизм увеличения разнообразия белков. Роль малых РНК в сплайсинге. Другие посттранскрипционные модификации иРНК. Регуляция трансляции. Роль нетранслируемых участков иРНК в регуляции трансляции. Различная скорость деградации РНК как механизм регуляции трансляции. РНК-интерференция и ее роль в естественной и искусственной регуляции трансляции. Белок как элементарный признак. Взаимодействие генов на организменном уровне.

Общие принципы химической регуляции. Связь времени реакции с периодом полужизни сигнальной молекулы. Посредники, проникающие сквозь мембрану. Прямое действие NO на внутриклеточный фермент. Связывание стероидных и тиреоидных гормонов с внутриклеточными рецепторами и регуляция транскрипции. Посредники, действующие на мембранные рецепторы. Действие нейромедиаторов и гормонов на ионотропные рецепторы. Механизмы возбуждения и торможения при действии на ионотропные рецепторы.

Общие принципы внутриклеточной передачи сигналов. Каскадные реакции как основа усиления сигнала. Действие медиаторов на метаботропные рецепторы. Адренорецепторы как пример рецепторов, сопряженных с G-белками (повторение). Роль цАМФ и ионов кальция как вторичных посредников. Рецепторы, активирующие фосфолипазу С, и роль трифосфоинозитола и диацилглицерола как вторичных посредников. Рецепторы с тирозинкиназной активностью и пути передачи сигнала от них. Протеинкиназы как основная группа "передатчиков" сигналов. Принципы регуляции работы клеточных рецепторов.

Межклеточные взаимодействия в нервной и эндокринной системе. Механизмы действия медиаторов и гормонов.

Особенности нервной и эндокринной регуляции – сходства и различия. Эволюционное и морфо-функциональное единство нервной и эндокринной систем. Нейроэндокринные клетки, их роль в организме человека. Механизмы работы нейрона (повторение). Химическое и биологическое разнообразие медиаторов. Механизмы действия медиаторов на нервные клетки.

Рефлекторный принцип работы нервной системы. Сложность задач, решаемых ЦНС при осуществлении рефлексов. Совместная работа нервных клеток: распознавание цветов и запахов. Простейшие механизмы научения и памяти (на примере сенситизации).

Влияние нервной системы на секрецию гормонов (на примере гипоталамо-гипофизарной системы). Влияние гормонов на работу мозга (на примере окситоцина и вазопрессина).

Межклеточные взаимодействия и механизмы действия генов в развитии

Формы клеточной активности в ходе развития. Дифференцировка клеток и морфогенез как относительно независимые процессы. Комбинация регуляторных белков как основа детерминации. "Клеточная память" – необходимое условие дифференцировки. "Ключевые гены" – регуляторы развития. Роль модельных организмов в изучении развития. Методы изучения механизмов онтогенеза. Типы мутаций, влияющих на ход онтогенеза. Мутации «потери функции» и «избытка функции».

"Детерминированное" и "регулятивное" развитие. Межклеточные взаимодействия как основа регулятивного развития. Индукционные взаимодействия в развитии позвоночных. "Первичная эмбриональная индукция" и ее механизмы. Другие примеры индукционных взаимодействий. Роль индукционных взаимодействий в поддержании целостности организма и в эволюционных преобразованиях.

Формирование пространственной организации и его генетическая основа у дрозофилы и позвоночных.

Гипотезы о механизмах установления связей в ЦНС. Эксперименты Сперри, доказавшие специфичность установления связей. Примеры «поиска пути» аксонами и его механизмы.

Генетические основы иммунитета. Межклеточные взаимодействия в иммунной системе

Иммунная система: органы и клетки (повторение). Виды иммунитета (повторение). Различия неспецифического и специфического иммунитета. Toll-рецепторы и "неспецифический" иммунитет. Общая схема воспалительной реакции – роль нейтрофилов, тучных клеток и комплемента. Выработка антител как основа специфического иммунитета. Строение и биологические функции антител (повторение).

Роль презентации белков в различении своего и чужого. Центральная роль антиген-презентирующих клеток в иммунном ответе. Взаимодействия клеток иммунной системы.

Развитие иммунной системы: подавление иммунной реакции на "свое". Генетические механизмы генерации разнообразия антител.

Онкологические заболевания как следствие мутаций и как нарушение нормальных межклеточных взаимодействий. Роль иммунной системы в подавлении роста опухолей. Использование механизмов иммунитета в лечении рака.

Требования к знаниям, умениям и навыкам учащихся

Учащиеся должны знать

определения основных терминов и понятий: онтогенез, жизненный цикл; аутокринная, паракринная, эндокринная и синаптическая передача сигналов; положительная и отрицательная обратная связь; ген, мутация, белок; транскрипция, трансляция; промотор, РНК-полимераза; сплайсинг, альтернативный сплайсинг; фосфорилирование, метилирование, ацетилирование; гормон, нейромедиатор; щелевой контакт, десмосома, адгезивный контакт; рецептор, ионотропный рецептор, метаботропный рецептор; G-белок, вторичный посредник, каскадная реакция, протеинкиназа; аксон, дендрит, синапс; гипоталамо-гипофизарная система; потенциал покоя, потенциал действия (нервный импульс); рефлекс, сенситизация, десенситизация; детерминация, дифференцировка, апоптоз, морфогенез; «клеточная память», «ключевой ген», «потеря функции», «избыток функции»; детерминированное развитие, регулятивное развитие; индукция, первичная эмбриональная индукция; иммунитет, специфический иммунитет, неспецифический иммунитет; система комплемента, антитело (иммуноглобулин); нейтрофил, макрофаг, тучная клетка, дендритная клетка, В-лимфоцит, Т-лимфоцит; острая воспалительная реакция; онкологические заболевания, онкоген, антионкоген, злокачественная трансформация, метастазирование.

Учащиеся должны уметь

объяснять основные процессы, механизмы, явления и закономерности, связанные с тематикой курса: механизмы отрицательной и положительной обратной связи в работе генов, клеток и организма; сущность и причины мутаций, их возможные последствия для работы белков; основные механизмы регуляции транскрипции и трансляции, роль химических модификаций ДНК и гистонов в этих процессах; роль фосфорилирования как механизма регуляции работы белков; роль различных типов межклеточных контактов (десмосомы, адгезивные контакты, щелевые контакты) в обеспечении взаимодействия клеток; роль гормонов и нейромедиаторов в регуляции работы клеток; различные механизмы действия гормонов и нейромедиаторов на клетки; механизмы передачи сигналов внутри клеток, роль вторичных посредников в усилении сигнала; механизмы возникновения потенциала покоя и потенциала действия, распространения нервного импульса по аксону; рефлекторный принцип работы нервной системы; механизмы сенситизации и десенситизации клеток; роль «клеточной памяти» в различных процессах и устройство простейших внутриклеточных «запоминающих устройств»; роль взаимодействия клеток в процессах восприятия и обучения; роль процессов детерминации и дифференцировки клеток, клеточной подвижности, изменения формы клеток, апоптоза в процессах развития; роль индукционных взаимодействий в процессах развития, их механизмы; роль различных гуморальных и клеточных факторов в реакциях специфического и неспецифического иммунитета; механизм генерации разнообразия антител и биологические функции антител; механизмы и роль межклеточных заимодействий в иммунном ответе; причины и механизмы развития злокачественных опухолей.

строить логические цепочки и выявлять причинно-следственные связи, объясняющие результаты различных воздействий на клетку и организм; анализировать и оценивать различные гипотезы, выдвигать и формулировать гипотезы; интерпретировать результаты мысленных экспериментов и предлагать схемы мысленных экспериментов для проверки гипотез; составлять и интерпретировать схемы, иллюстрирующие внутриклеточную передачу сигнала и регуляцию работы генов; устанавливать взаимосвязи между процессами, происходящими на клеточном и организменном уровне, в том числе между различными формами клеточной активности и механизмами морфогенеза, между внутриклеточными изменениями нейронов и механизмами памяти, между механизмами регуляции работы генов и ответной реакцией клеток на сигналы и т.п.; сравнивать различные системы регуляции (например, нервную и эндокринную), механизмы воздействия на клетку различных веществ, детерминированное и недетерминированное развитие, детерминацию и дифференцировку клеток, автономную и неавтономную дифференцировку, специфические и неспецифические механизмы иммунитета, злокачественные и доброкачественные опухоли и другие рассмотренные явления и процессы; осуществлять самостоятельный поиск информации в различных источниках (учебных текстах, справочниках, научно-популярных изданиях, ресурсах Интернет) и грамотно применять ее в собственной учебной деятельности; делать устные сообщения, составлять краткие рефераты, оформлять их в компьютерной форме, в том числе в виде статей энциклопедии «Википедия»; использовать полученные знания для научного объяснения причин заболеваний, выявлять факторы риска развития заболеваний.

Литература для учащихся

Основная

Албертс Б. и др. Молекулярная биология клетки (в 3-х т.). 2-е издание. М., Мир, 1994.

Дополнительная

1. Беркинблит М.Б., Глаголев С.М., Фуралев В.А. Общая биология. Учебник для 10 класса средней школы. - В 2 ч. - М., МИРОС, 1999.
2. Гилберт С. Биология развития (в 3-х т.) М., Мир, 1993.
3. Современное естествознание: Энциклопедия: в 10 т. М., Издательский дом МАГИСТР-ПРЕСС, 2000. т.2 - Общая биология; т.8 - Молекулярные основы биологических процессов.
4. Ченцов Ю.С. Введение в биологию клетки. М., Наука, 2004.