Supporting materials
Download
Download this article as a PDF
Μετάφραση από: Νεφέλη Γαρούφη (Nefeli Garoufi) – Φοιτήτρια Βιολογίας, ΕΚΠΑ και Παναγιώτη Κ. Στασινάκη (Panagiotis K. Stasinakis) - Εκπαιδευτικός, Βιολόγος, MEd, PhD, Πανελλήνια Ένωση…
Το 1958, ο Crick διατύπωσε το κεντρικό δόγμα της μοριακής βιολογίας: η ροή της πληροφορίας μεταφέρεται από το DNA στο RNA και τέλος στην πρωτεΐνη. Όμως, το ερώτημα παρέμενε: πώς το αλφάβητο των τεσσάρων-γραμμάτων των νουκλεοτιδίων του DNA (A, C, T, G) ή το αντίστοιχο του RNA (A, C, U, G) κωδικοποιούσε το αλφάβητο είκοσι-γραμμάτων των αμινοξέων που απαρτίζουν τις πρωτεΐνες; Ποιός ήταν ο γενετικός κώδικας;
Το 1961, οι Marshall W Nirenberg και Johann H Matthaei αποκρυπτογράφησαν το πρώτο γράμμα του κώδικα, αποκαλύπτοντας ότι η αλληλουχία UUU του RNA κωδικοποιεί το αμινοξύ φαινυλαλανίνη. Ακολούθως, ο Har Gobind Khorana έδειξε ότι η επαναλαμβανόμενη νουκλεοτιδική αλληλουχία UCUCUCUCUCUC κωδικοποιεί μία εναλλασσόμενη σειρά αμινοξέων, σερίνη-λευκίνη-σερίνη-λευκίνη. Μέχρι το 1965, κυρίως χάρη στο έργο των Nirenberg και Khorana, ο γενετικός κώδικας είχε αποκρυπτογραφηθεί πλήρως. Η αποκρυπτογράφηση αποκάλυψε ότι κάθε ομάδα τριών νουκλεοτιδίων (γνωστά και ως κωδικόνια) κωδικοποιούν ένα συγκεκριμένο αμινοξύ, και ότι η σειρά των κωδικονίων καθορίζει την αλληλουχία των αμινοξέων στις τελικές πρωτεΐνες και, συνεπώς, τις χημικές και βιολογικές ιδιότητες τους
Οι Nirenberg και Khorana συνέκριναν μικρές αλληλουχίες του νουκλεϊκού οξέος RNA και των αλληλουχιών των αμινοξέων που προέκυψαν (πεπτίδια). Για να το κάνουν αυτό, ακολούθησαν το πρωτόκολλο που είχε σχεδιάσει ο Nirenberg με τον Matthae
Αυτό συμπεριλάμβανε την τεχνητή σύνθεση μίας συγκεκριμένης αλληλουχίας από RNA νουκλεοτίδια και την ανάμειξή τους με εκχυλίσματα βακτηρίων Escherichia coli, που περιέχουν ριβοσώματα και άλλους κυτταρικούς μηχανισμούς απαραίτητους για την πρωτεϊνοσύνθεση. Οι επιστήμονες, τότε, ετοίμασαν 20 δείγματα του τελικού μείγματος. Σε κάθε δείγμα πρόσθεσαν ένα ραδιενεργά ιχνηθετημένο αμινοξύ και 19 μη-ιχνηθετημένα αμινοξέα και, στη συνέχεια, επέτρεψαν να γίνει η πρωτεϊνοσύνθεση. Κάθε ένα από τα 20 δείγματα περιείχε ένα διαφορετικό ραδιενεργά ιχνηθετημένο αμινοξύ. Αν το πεπτίδιο που σχηματίζονταν ήταν ραδιενεργό, αυτό θα σήμαινε ότι περιείχε το ραδιενεργά ιχνηθετημένο αμινοξύ, επιβεβαιώνοντας ότι η RNA νουκλεοτιδική αλληλουχία κωδικοποιούσε σε κάποιο σημείο το εν λόγω αμινοξύ.
Με συνεχείς επαναλήψεις αυτού του πειράματος με διαφορετικές RNA αλληλουχίες, συγκεντρώνονταν όλο και περισσότερες πληροφορίες για τον γενετικό κώδικα. Αφού είχαν δοκιμαστεί απλές αλληλουχίες, όπως UUUUUU και AAAAAA, περισσότερες επιστημονικές ομάδες δέχτηκαν την πρόκληση, αναλύοντας πιο περίπλοκες αλληλουχίες RNA, επιτρέποντας, με την πάροδο του χρόνου, την αποκωδικοποίηση και των 64 κωδικονίων.
Ο γενετικός κώδικας είναι από μόνος του ένα σημαντικό στοιχείο στο μάθημα της βιολογίας, παρέχοντας μία μοριακή εξήγηση για τις δράσεις των γονιδίων (για παράδειγμα, για τη μετάλλαξη, την εξέλιξη και τη γονιδιακή έκφραση). Επιπλέον, ο τρόπος με τον οποίον οι Nirenberg και Khorana έσπασαν τον γενετικό κώδικα –συγκρίνοντας μικρές αλληλουχίες RNA με τις προκύψασες αλληλουχίες αμινοξέων- μπορεί να επαναληφθεί ως ερευνητικό ερώτημα (διερευνητική μάθηση) σε μία σχολική δραστηριότητα. Χρησιμοποιώντας τις αλληλουχίες που τους παρέχονται από τον διδάσκοντα, οι μαθητές θα δουλέψουν σε ομάδες ώστε να:
Η δραστηριότητα, έτσι, προσφέρει ένα μοντέλο για την διδασκαλία της φύσης της επιστημονικής γνώσης: μία προσωρινή γενική παραδοχή της κοινότητας με συμπεράσματα ποικίλης ισχύος, βασισμένη σε μερικά δεδομένα.
Αυτή η δραστηριότητα είναι κατάλληλη για μαθητές 14 – 18 χρονών, σε ομάδες των 3-4, και διαρκεί περίπου δύο ώρες, χωρισμένη σε τέσσερα στάδια, συν μίας τελικής συζήτησης. Είναι σχεδιασμένη ως μία εισαγωγή στη μοριακή βιολογία, πριν εξηγηθεί το οτιδήποτε σχετικά με τον γενετικό κώδικα ή το κεντρικό δόγμα της μοριακής βιολογίας.
Οι μαθητές ζητούνται να «σπάσουν» έναν κώδικα αποτελούμενο από διαφορετικές αλληλουχίες των γραμμάτων (Α, C, T, G), χρησιμοποιώντας τα μηνύματα που κωδικοποιούν (π.χ. AspHisTrp…) αυτοί οι κώδικες. Σε κάθε ένα από τα τρία πρώτα βήματα, δίνεται στην κάθε ομάδα ένα διαφορετικό σετ αλληλουχιών και τα αντίστοιχα μηνύματα. Σε κάθε βήμα, θα χρειαστεί να επανεκτιμήσουν τα συμπεράσματα των προηγούμενων βημάτων και να διαφοροποιήσουν τη λύση τους για τον κώδικα.
Εξηγείστε ότι όλες οι ομάδες θα δουλεύουν για να αποκρυπτογραφήσουν τον ίδιο κώδικα, χρησιμοποιώντας διαφορετικά παραδείγματα. Μην αναφέρετε στους μαθητές για τη βιολογική φύση των αλληλουχιών (DNA και αμινοξέα): θα πρέπει να συγκεντρωθούν στην εύρεση μοτίβων και σχέσεων.
Οι Nirenberg και Khorana χρησιμοποίησαν αλληλουχίες RNA για την αποκρυπτογράφηση του κώδικα. Σε αντίθεση, η δραστηριότητα χρησιμοποιεί αλληλουχίες DNA (μεταγραφόμενο κωδικόνιο, με κατεύθυνση 5΄προς 3΄). Το κύριο σημείο της δραστηριότητας είναι η ύπαρξη του κώδικα παρά οι λεπτομέρειες της μεταγραφής και της μετάφρασης, οι οποίες μπορούν να συζητηθούν σε επόμενα μαθήματα.
Μετά από κάθε βήμα, μπορείτε να ζητήσετε από ένα μαθητή από κάθε ομάδα να γίνει μέλος μία διαφορετικής ομάδας. (Αυτό μιμείται τις σχέσεις του πώς η επιστημονική γνώση αποκτάται και μοιράζεται, για παράδειγμα σε συνέδρια ή μέσω δημοσιεύσεων). Αλλιώς, οι ομάδες μπορούν να ανταλλάξουν πληροφορίες μόνο όταν τους προτείνεται. (Αν μία ομάδα κολλήσει και απογοητευθεί, μπορεί ρωτώντας κάποια άλλη ομάδα αντί του καθηγητή, να προκαλέσει καλύτερη κινητοποίηση).
Αφήστε τουλάχιστον 10-15 λεπτά στους μαθητές σας, για να συζητήσουν το κάθε βήμα. Όταν όλες οι ομάδες αισθάνονται πως έχουν λάβει όλες τις δυνατές πληροφορίες από τις αλληλουχίες τους, προχωρήστε στο επόμενο βήμα.
Αλληλουχία | Μήνυμα | Οι μαθητές ανακάλυψαν ότι… |
---|---|---|
ATGTTAGGTAGTAAAGATGCT | MetLeuGlySerLysAspAla | Ο κώδικας βασίζεται σε τριπλέτες και η κάθε τριπλέτα αντιπροσωπεύει ένα από τα στοιχεία τριών γραμμάτων, π.χ. Met. |
ATGCATGAAGCTATTTATGAT | MetHisGluAlaIleTyrAsp | |
ATGGGTAGTGATGAAGCTTAT | MetGlySerAspGluAlaTyr |
Αλληλουχία | Μήνυμα | Οι μαθητές ανακάλυψαν ότι… |
---|---|---|
ATGGTTTCGTACACTGCGTCA | MetValSerTyrThrAlaSer | Κάποια στοιχεία μπορούν να κωδικοποιηθούν από περισσότερες από μία τριπλέτες, π.χ. Ser. |
ATGCCGTACACATGTGTCACA | MetProTyrThrCysValThr | |
ATGACGAGTGCGTTGTGCGAT | MetThrSerAlaLeuCysAsp |
Αλληλουχία | Μήνυμα | Οι μαθητές ανακάλυψαν ότι… |
---|---|---|
TGTCATGCATCCGTCATCACTGAC | – | Η ATG τριπλέτα καθορίζει την αρχή του μηνύματος και ότι η TGA τριπλέτα το τέλος της. |
TGCGTGACTATGGACACAGTCGT | MetAspThrVal | |
ATGTGTCGATGACTGATCATG | MetCysArg | |
ATGTGCGTACACATTTGAGTC | MetCysValHisIle | |
ATGCTGTACACATGATGCACAGT | MetLeuTyrThr |
Ζητήστε από τους μαθητές σας να σκεφτούν τις παρακάτω ερωτήσεις
Μετά τη συζήτηση, εξηγήστε στους μαθητές σας ότι οι αλληλουχίες ήταν αλληλουχίες DNA και αμινοξέων και ότι μόλις είχαν αναπαράγει ένα πολύ σημαντικό πείραμα της μοριακής βιολογίας. Οι μαθητές σας θα πρέπει να θέλουν, πλέον, να μάθουν περισσότερα για το γενετικό κώδικα και το κεντρικό δόγμα της μοριακής βιολογίας, συμπεριλαμβανομένου και το πόσο παρόμοια ήταν η δραστηριότητά τους με τον τρόπο με τον οποίο αποκρυπτογραφήθηκε ο γενετικός κώδικας.
Θα πρέπει να επαναλάβετε τη δραστηριότητα, υπενθυμίζοντας στους μαθητές σας αυτά που ανακάλυψαν οι ίδιοι: μαθητές σας αυτά που ανακάλυψαν οι ίδιοι:
(Να σημειωθεί ότι η δραστηριότητα θα μπορούσε να προκαλέσει τη λάθος εντύπωση ότι οι πρωτεΐνες αποτελούνται, συνήθως, από έξι ή εφτά αμινοξέα, οπότε αυτό θα χρειαστεί να ξεκαθαριστεί).
Εξηγήστε ότι ο τρόπος εργασίας των μαθητών, σε συνεργαζόμενες ή/και ανταγωνιστικές ομάδες, με τα μέλη των ομάδων να αλλάζουν συνεχώς και με την ανταλλαγή πληροφοριών μεταξύ των ομάδων, αντικατοπτρίζει τον τρόπο με τον οποίο δουλεύουν οι επιστήμονες στην πραγματική ζωή.
Για να κάνετε τη δραστηριότητα πιο εύκολη, μπορείτε να δώσετε στους μαθητές σας πιο πολλές αλληλουχίες σε κάθε βήμα (π.χ. τα σετ αλληλουχιών για τις δύο ομάδες). Εναλλακτικά, θα μπορούσατε να παραλείψετε το 3ο βήμα, και να εξηγήσετε με απλό τρόπο τους ρόλους των κωδικονίων έναρξης και λήξης μετά το πέρας της δραστηριότητας.
Οι παιδαγωγικοί προβληματισμοί σχετικά με τη δραστηριότητα που περιγράφεται σε αυτό το άρθρο αποτελούν μέρος της ερευνητικής ομάδας της γλώσσας και του πλαισίου της επιστημονικής εκπαίδευσης (llenguatge i contextos en educació científica, LICEC) του Autonomous University of Barcelona (αναφορά 2014SGR1492), που χρηματοδοτείται από το ισπανικό Υπουργείο Οικονομικών και Ανταγωνιστικότητας (αναφορά EDU2015-66643-C2-1-P).
Αυτό το άρθρο προσφέρει μία στρατηγική που βοηθάει τους διδάσκοντες να εξερευνήσουν, απλά και με προσιτό τρόπο, ένα από τα πιο δύσκολα σημεία της επιστημονικής παιδείας: το να βοηθήσουν τους μαθητές τους να εκτιμήσουν και να κατανοήσουν πώς λειτουργεί πραγματικά η επιστήμη. Η απόκτηση γνώσης απαιτεί από τους επιστήμονες να θέτουν ορθά ερωτήματα, να σχεδιάζουν και να διεξάγουν καλά πειράματα και να συνεργάζονται για να αντιμετωπίσουν την αβεβαιότητα. Αυτό ακριβώς είναι που χρειάζεται να κάνουν οι μαθητές σε αυτή τη δραστηριότητα, για να σπάσουν το γενετικό κώδικα.
Αναμένω ότι οι διδάσκοντες αντικειμένων πέραν της βιολογίας (ιδιαίτερα μαθηματικών και χημείας) θα βρουν αυτό το άρθρο εξίσου βοηθητικό. Θα ήταν, επίσης, μία πολύ καλή δραστηριότητα για κάποια έκθεση επιστήμης.
Betina Lopes, Πορτογαλία
Download this article as a PDF