Ekspresja genu - podstawy

Zagadnienia

• Ekspresja genu
• Transkrypcja DNA
• Synteza białka
• Komórki
• Stochastyka oddziaływań molekularnych

Opis

Wyraź siebie poprzez swoje geny! Zobacz, czy potrafisz wygenerować i zebrać trzy rodzaje białka, a następnie przejdź do zbadania, jakie czynniki wpływają na syntezę białek w komórce.

PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder, https://phet.colorado.edu Na licencji CC BY 4.0

W opracowaniu niniejszego poradnika wykorzystano materiały PhET: Strona źródłowa symulacji, Teacher Tips (Rouinfar i Dalton, sierpień 2023)

W szablonie strony wykorzystano kod html/css: phydemo.app.

Poziom

Szkoła podstawowa, szkoła średnia

Przykładowe cele nauczania

• Wyjaśnij główną sekwencję zdarzeń zachodzących w komórce, która prowadzi do syntezy białek.
• Przewiduj, jak zmiana stężeń i interakcji biomolekuł wpływa na produkcję białek.
• Wyjaśnij, w jaki sposób produkcja białka w pojedynczej komórce odnosi się do ilości wytwarzanej przez zbiór komórek.

Przykładowe materiały teoretyczne

• Budujemy białko (ZPE)
• Ogólne zasady regulacji genów u Prokaryota i Eukaryota (ZPE)
• Etapy ekspresji genu u prokariontów i eukariontów (ZPE)
• Różnice w ekspresji genów u różnych organizmów (ZPE)
• Poziomy kontroli ekspresji genów u Eukaryota (ZPE)
• Regulacja inicjacji transkrypcji (ZPE)
• Transpozony – ruchome elementy genetyczne (ZPE)
• Struktura i sposoby regulacji operonów prokariotycznych (ZPE)
• Centralny dogmat (od DNA przez RNA do białka) (Khan Academy)
• Ekspresja genu i jej regulacja (Khan Academy)
• Ekspresja genu (Wikipedia)

Sterowanie symulacją

Ekran Ekspresja (link bezpośredni)

Poznaj główną sekwencję zdarzeń zachodzących w komórce, która prowadzi do syntezy białek. Wytwarzaj i zbieraj trzy rodzaje białek.

Ekran mRNA (link bezpośredni)

Poznaj czynniki wpływające na transkrypcję, w tym stężenie i powinowactwo pozytywnych i negatywnych czynników transkrypcyjnych (aktywatory i represory) oraz powinowactwo polimerazy RNA.

Ekran Wiele komórek (link bezpośredni)

Zbadaj czynniki wpływające na syntezę białek w komórce i powiąż produkcję białka w pojedynczej komórce z ilością wytwarzaną przez zbiór komórek.

Opcje dostosowywania

Poniższe parametry query umożliwiają dostosowanie symulacji i można je dodać, dołączając znak '?' do adresu URL symulacji i oddzielając każdy parametr query znakiem '&'. Ogólny wzorzec adresu URL to: …html?queryParameter1&queryParameter2&queryParameter3

Na przykład, jeśli w symulacji Ekspresja genu - podstawy chcesz uwzględnić tylko pierwszy i drugi ekran (screens=1,2), z domyślnie otwartym drugim ekranem (initialScreen=2), użyj: https://www.edukator.pl/tik_edukator/gene-expression-essentials_all.html?screens=1,2&initialScreen=2

Aby uruchomić to w języku polskim (locale=pl), adres URL będzie wyglądał następująco: https://www.edukator.pl/tik_edukator/gene-expression-essentials_all.html?locale=pl&screens=1,2&initialScreen=2

Parametr query i opis	Przykładowe linki
screens - określa, które ekrany są włączone do symulacji i jaka jest ich kolejność. Każdy ekran powinien być oddzielony przecinkiem. Więcej informacji można znaleźć w Centrum pomocy.	screens=2,1 screens=3
initialScreen - otwiera kartę SIM bezpośrednio na określonym ekranie, z pominięciem ekranu głównego.	initialScreen=1 initialScreen=2
locale - określa język symulacji przy użyciu kodów ISO 639-1. Dostępne wersje językowe można znaleźć na stronie symulacji w zakładce Tłumaczenia. Uwaga: działa to tylko wtedy, gdy adres URL symulacji kończy się na “_all.html”.	locale=pl (polski) locale=fr (francuski)
allowLinks - jeśli false, wyłącza linki, które prowadzą uczniów do zewnętrznego adresu URL. Domyślnie jest true.	allowLinks=false

Ułatwienia dostępu

Tryb pełnoekranowy

Po kliknięciu logo PhET (na dole po prawej) pojawia się okno zawierające informacje dotyczące symulacji. Możemy tu zmienić sposób jej wyświetlania.

Klikając Pełny ekran przechodzimy do trybu pełnoekranowego (powrót - klawisz escape).

Wersje offline, niewymagające połączenia z internetem

Dostępne są również wersje symulacji niewymagające połączenia z internetem.

Aplikacja PhET Desktop zawiera wszystkie symulacje HTML5 i Java, w tym ich tłumaczenia, do użytku offline w systemach Windows i macOS (dostępne po zalogowaniu tu). Symulacje HTML5 nie wymagają dodatkowego oprogramowania, natomiast do uruchamiania dowolnych symulacji Java w aplikacji komputerowej jest wymagany Java SE Development Kit 8.

Za symboliczną opłatą możemy pobrać w postaci jednej aplikacji wszystkie materiały PhET, które zostały opublikowane w html5. Telefony, tablety i Chromebooki (z systemem Android): Google Play. iPhone'y i iPady (aplikacja na iOS): App Store

Darmową wersję desktopową tej aplikacji pobierzemy bezpośrednio klikając tu - wersja _pl zawiera polską (domyślną) i angielską wersję językową i tu - wersja _all zawiera angielską (domyślną) i wszystkie inne dostępne wersje językowe lub ze strony PhET (klikając przycisk ze strzałką przy wybranej wersji językowej):

Spostrzeżenia na temat korzystania z aplikacji przez uczniów

• Jednym z celów edukacyjnych ekranu Wiele komórek jest doprowadzenie uczniów do dostrzeżenia różnicy między średnim poziomem białka wyrażanym przez pojedynczą komórkę i wiele komórek. Uczniowie prawdopodobnie będą musieli zwrócić uwagę na poziom fluktuacji na dynamicznym wykresie poziomu białka, aby zrozumieć to połączenie.
• Na ekranie mRNA rozważ poproszenie uczniów o opisanie czynników wpływających na produkcję mRNA lub najpierw poproś ich o jak najszybsze wyprodukowanie mRNA.

Uproszczenia / założenia modelu

• Przedstawiony proces nie pokazuje mRNA przemieszczającego się poza jądro, a zatem zasadniczo pokazuje komórkę prokariotyczną, a nie eukariotyczną.
• Polimeraza RNA i czynniki transkrypcyjne poruszają się w sposób pseudolosowy, kierując się w stronę regionu genu.
• Rybosomy są dostępne dla użytkownika w formie "wstępnie zmontowanej", co oznacza, że duże i małe podjednostki są już razem, a nie, że podjednostki łączą się ze sobą, gdy rozpoczyna się transkrypcja mRNA.
• Transkrybowane geny są znacznie krótsze (pod względem liczby par zasad) niż rzeczywiste geny. Średnio prawdziwy gen w organizmie prokariotycznym ma 1000 par zasad, podczas gdy geny w tej symulacji zawierają mniej niż 100 par zasad.
• Dla uproszczenia niektóre aspekty ekspresji genów/syntezy białek nie zostały przedstawione - w tym poszczególne aminokwasy, składanie białek i tRNA.
• Na ekranie Wiele komórek modelowanym białkiem jest białko zielonej fluorescencji (GFP).
• Rozmiary i kształty biomolekuł zostały zainspirowane ilustracjami z książki "The Machinery of Life" autorstwa Davida S. Goodsella.
• Więcej informacji dotyczących założeń modelu można uzyskać tu (en)

Sugestie dotyczące wykorzystania

Wskazówki dotyczące wszystkich symulacji zawarte są w informacjach ogólnych.

Więcej porad dotyczących korzystania z symulacji z uczniami można znaleźć na stronach PhET w sekcji Wskazówki dotyczące korzystania z PhET.

Przykładowe polecenia

• Zsyntetyzuj i zbierz wszystkie trzy rodzaje białek dostępnych w symulacji.
• Porównaj i skontrastuj trzy geny.
• Wyjaśnij, co się dzieje, gdy negatywny czynnik transkrypcyjny (represor) wiąże się z genem.
• Przewiduj, jak zmiana stężenia i powinowactwa biomolekuł wpływa na produkcję białek.
• Określ sposób (a) syntezy dużej ilości mRNA, (b) syntezy małej ilości mRNA i (c) całkowitego zablokowania syntezy mRNA.
• Maksymalizuj średni poziom białka w grupie komórek.

Zobacz wszystkie opublikowane na stronach PhET aktywności dla Ekspresja genu - podstawy tutaj (dostęp do materiałów wymaga zalogowania).