Урок 86. Механізми диференціації клітин
Матеріал
Урок 86. Механізми диференціації клітин
Місце уроку в темі: другий урок, що розкриває молекулярну суть процесу диференціації. Логічне продовження уроку про індукцію та передумова до теми стовбурових клітин.
Проблема уроку: Як однаковий текст інструкцій (ДНК) може давати тисячі різних практичних результатів (типи клітин)?
Очікувані результати для вчителя:
Очікувані результати для учнівства:
Ключові слова:
- диференціація
- детермінація
- експресія генів
- транскрипційний фактор
- епігенетична регуляція
- альтернативний сплайсинг
План уроку
- Вступ
- Мотивація
- Повторення
- Тобі може знадобитися
- Життєва ситуація
- Попрактикуй самостійно
- Рефлексія
Дружня порада для вчителя
Тривалість: 5 хв.
🛠 Як провести:
- Вчитель фіксує ідеї учнів.
- Вчитель фіксує ідеї учнів. Акцент на тому, що всі клітини мають повний набір «креслень» (генів), але кожна «цеха» активує для роботи лише свою частину.
- Підвести до питання “як і що контролює диференціацію?”
- Сьогодні ми зануримося у «молекулярну кухню» клітини і з’ясуємо, які саме механізми стоять за цими фактами.
Факт 1. Ядро клітини шкіри жаби, пересаджене в енуклейовану яйцеклітину, дає початок нормальному пуголовку.
Факт 2. У клітинах печінки та нервових клітинах однієї миші активні різні набори генів, хоча ДНК ідентична.
Факт 3. Людський організм має ~20 000 генів, але клітина печінки використовує лише ~5 000 з них.
- Якщо ДНК однакова, чому ядро шкіри «забуває» свою спеціалізацію в яйцеклітині?
- Як клітина «вирішує», які гени їй читати, а які — ні?
- Спробуйте сформулювати проблему, яку ми сьогодні досліджуватимемо.
Дружня порада для вчителя
Тривалість: 5 хв.
- Адаптуйте рівень обговорення відповідно до підготовленості класу.
- Заохочуйте учнів пояснювати, чому вони обрали саме таку послідовність, своїми словами.
- Важливо, щоб учні побачили логіку процесу, а не просто запам’ятали визначення.
Завдання: Розташуйте терміни у логічній послідовності — від «плану в сейфі» до «готового робітника».
| № | Науковий термін | Код | Логічне визначення (сутність) |
|---|---|---|---|
| 1 | Транскрипція | А | «Спеціалізація»: клітина стає майстром своєї справи (нейроном, м’язом тощо). |
| 2 | Трансляція | Б | «Вибір професії»: Клітина вже знає, ким буде, але зовні ще не змінилася. |
| 3 | Детермінація | В | «Зняття копії»: Переписування інструкції з ДНК на мобільний носій (РНК). |
| 4 | Диференціація | Г | «Будівництво»: Збирання робочого білка на «фабриці»-рибосомі за інструкцією. |
| 5 | Експресія гена | Д | «Робота інструкції»: Загальний процес від відкриття книги ДНК до появи білка. |
Дружня порада для вчителя
Тривалість: 5 хв.
- Виведіть цей блок на екран або роздрукуйте як пам’ятку для кожної групи.
- Повертайтеся до цих понять під час групової роботи та узагальнення.
Довідковий блок
Транскрипційний фактор — це білок, який зв’язується з певними ділянками ДНК (промоторами, енхансерами) і регулює активність генів (вмикає або вимикає їх).
Епігенетична регуляція — зміна активності генів без зміни самої послідовності ДНК (метилювання, модифікація гістонів).
Альтернативний сплайсинг — процес, за якого з одного гена може утворюватися кілька варіантів мРНК, а отже, і кілька різних білків.
Порада для вчителя:
- Виведіть цей блок на екран або роздрукуйте як пам’ятку для кожної групи.
- Повертайтеся до цих понять під час групової роботи та узагальнення.
Дружня порада для вчителя
Тривалість: 25 хв.
- Підготовка простору: Забезпечте можливість для груп зібратися окремо. Підготуйте роздруковані картки чи файли з доступом до них.
- Таймінг: Суворо контролюйте час на підготовку (10-12 хв) та презентацію (2 хв на групу). Використовуйте таймер на екрані.
- Ролі в групах: Запропонуйте учням розподілити ролі: «спікер», «секретар», «хронометрист», «аналітик»
- Фіксація: Таблиця на дошці має бути заповнена чітко й охайно. Вона стане опорою для подальшого узагальнення.
- Заохочуйте питання: Після кожної презентації запитуйте інші групи: «Чи є питання до колег?», «Чи згодні ви з таким аналізом?»
Організація: Клас обєднується в 4 групи. Кожна група отримує картку з описом молекулярних механізмів диференціації певного типу клітин.
Завдання для груп (спільне для всіх):
Проаналізуйте надану інформацію та підготуйте міні-презентацію (2 хв) за планом:
- Сигнал: Який зовнішній фактор запускає диференціацію?
- Перемикач: Який транскрипційний фактор активується?
- Гени-мішені: Які конкретно гени вмикає цей фактор?
- Продукт: Який білок синтезується?
- Результат: Як змінюється структура та функція клітини?
КАРТКА 1. ГРУПА “НЕЙРОНИ”
| Етап | Опис |
|---|---|
| Сигнал | Білок FGF (фактор росту фібробластів) |
| Рецепція | Сигнал сприймається рецептором на мембрані → запуск каскаду реакцій |
| Транскрипційний фактор | NeuroD1 — білок, що вмикає нейрональні гени |
| Гени-мішені | Ген нейрофіламентів (структура), ген іонних каналів (Na⁺, K⁺), ген синтази нейромедіаторів |
| Синтез білків | Структурні білки нейрона, білки-канали, ферменти для синтезу нейромедіаторів |
| Результат | Формування нейрона: відростки (аксон, дендрити), здатність генерувати імпульс |
Додаткове питання для групи: Чому без NeuroD1 нейрон не сформується?
КАРТКА 2. ГРУПА “КЕРАТИНОЦИТИ”
| Етап | Опис |
|---|---|
| Сигнал | Білок BMP (кістковий морфогенетичний білок) |
| Рецепція | Сигнал передається через Smad-білки в ядро |
| Транскрипційний фактор | p63, AP-2 |
| Гени-мішені | Ген кератину 5/14 (ранній), ген кератину 1/10 (пізній), гени білків десмосом |
| Синтез білків | Кератини (проміжні філаменти), білки міжклітинних контактів |
| Результат | Міцний цитоскелет із кератинових філаментів, щільні контакти з сусідами, багатошаровість епітелію |
Додаткове питання для групи: Чому кератиноцити утворюють міцний захисний шар? Які білки це забезпечують?
КАРТКА 3. ГРУПА “МІОЦИТИ”
| Етап | Опис |
|---|---|
| Сигнал | Білок Wnt |
| Рецепція | Вихід β-катеніну в ядро |
| Транскрипційний фактор | Родина MyoD, Myf5, міогенін (каскадна активація) |
| Гени-мішені | Ген актину (тонкі філаменти), ген міозину (товсті філаменти), ген тропоніну, гени білків злиття клітин |
| Синтез білків | Актин, міозин, тропонін, білки злиття мембран |
| Результат | Багатоядерне м’язове волокно, поперечносмугаста структура, здатність до скорочення |
Додаткове питання для групи: Чому для формування м’яза потрібен не один транскрипційний фактор, а ціла родина (MyoD, міогенін…)?
КАРТКА 4. ГРУПА “ЕРИТРОЦИТИ”
| Етап | Опис |
|---|---|
| Сигнал | Гормон еритропоетин (ЕРО) |
| Рецепція | Активація рецептора ЕРО на поверхні клітини-попередниці |
| Транскрипційний фактор | GATA-1 |
| Гени-мішені | Ген глобіну (α та β ланцюги), гени ферментів синтезу гема, ген спектрину |
| Синтез білків | Гемоглобін (головний білок!), спектрин (цитоскелет) |
| Додаткова функція GATA-1 | Одночасно пригнічує гени інших спеціалізацій (наприклад, мієлоїдних клітин) |
| Результат | Заповнення гемоглобіном, втрата ядра (у ссавців), двояковгнута форма |
Додаткове питання для групи: Як GATA-1 одночасно і вмикає потрібні гени, і вимикає непотрібні? Чому еритроцит втрачає ядро?
Кожна група презентує результати аналізу (до 2 хв).
Учитель організовує обговорення та фіксує на дошці спільне і відмінне:
| Спільне для всіх типів клітин | Відмінне |
|---|---|
Така має вийти таблиця
| Спільне для всіх типів клітин | Відмінне |
|---|---|
| Процес починається із зовнішнього сигналу | Різні сигнали (FGF, BMP, Wnt, ЕРО) |
| Сигнал активує транскрипційний фактор | Різні транскрипційні фактори (NeuroD1, p63, MyoD, GATA-1) |
| Транскрипційний фактор вмикає групу специфічних генів | Різні набори генів-мішеней |
| Синтезуються специфічні білки | Різні білки (кератин, актин/міозин, гемоглобін тощо) |
| Клітина набуває унікальної структури та функції | Різна кінцева форма та функція клітини |
Висновок: Диференціація — це не просто «вмикання» випадкових генів, а жорстко регульований каскад подій: сигнал → транскрипційний фактор → набір генів → набір білків → структура/функція.
1. Тести на закріплення (оберіть правильну відповідь):
- Яке явище найкраще пояснює, що спеціалізація клітини залежить від того, які саме гени в ній активні?
а) Мутація
б) Вибіркова експресія генів
в) Реплікація ДНК
г) Фотосинтез - Що таке транскрипційний фактор у процесі диференціації?
а) Фермент, що розщеплює ДНК
б) Білок, який «вмикає» конкретні гени в певній клітині
в) Гормон, що стимулює поділ клітини
г) Частина рибосоми - Чому диференціацію вважають переважно незворотним процесом для більшості клітин?
а) Бо клітини втрачають ДНК
б) Бо клітини старіють
в) Бо зміни в активності генів і структурі клітини фіксуються, що заважає поверненню в стан стовбурової
г) Бо організм більше не потребує стовбурових клітин
Дружня порада для вчителя
Тривалість: 5 хв.
Як провести:
- Швидке коло відповідей: Оберіть 2-3 учнів, які поділяться своїми відповідями.
Жестова рефлексія: Попросіть учнів показати пальцем рівень розуміння (👍 🤔 👎). Якщо багато учнів обрали 🤔 або 👎, варто за можливості зробити узагальнення складних моментів.
Закінчіть речення:
- Сьогодні я дізнався/дізналася, що…
| __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ |
- Найцікавішим для мене було…
| __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ |
- Питання, яке у мене залишилося, це…
| __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ |
Оцініть свій рівень розуміння (жестова рефлексія):
👍 – Все зрозуміло, можу пояснити іншому.
🤔 – Дещо зрозумів(ла), але є питання.
👎 – Мені було складно, потрібно ще пояснення.
Створіть ментальну карту «Механізми диференціації клітин», яка включає всі рівні регуляції: сигнал → транскрипційний фактор → епігенетична регуляція → альтернативний сплайсинг → кінцевий білок → функція клітини.
Урок 86. Механізми диференціації клітин
Місце уроку в темі: другий урок, що розкриває молекулярну суть процесу диференціації. Логічне продовження уроку про індукцію та передумова до теми стовбурових клітин.
Проблема уроку: Як однаковий текст інструкцій (ДНК) може давати тисячі різних практичних результатів (типи клітин)?
Очікувані результати для учнівства:
Ключові слова:
- диференціація
- детермінація
- експресія генів
- транскрипційний фактор
- епігенетична регуляція
- альтернативний сплайсинг
План уроку
- Вступ
- Мотивація
- Повторення
- Тобі може знадобитися
- Життєва ситуація
- Попрактикуй самостійно
- Рефлексія
Факт 1. Ядро клітини шкіри жаби, пересаджене в енуклейовану яйцеклітину, дає початок нормальному пуголовку.
Факт 2. У клітинах печінки та нервових клітинах однієї миші активні різні набори генів, хоча ДНК ідентична.
Факт 3. Людський організм має ~20 000 генів, але клітина печінки використовує лише ~5 000 з них.
- Якщо ДНК однакова, чому ядро шкіри «забуває» свою спеціалізацію в яйцеклітині?
- Як клітина «вирішує», які гени їй читати, а які — ні?
- Спробуйте сформулювати проблему, яку ми сьогодні досліджуватимемо.
Завдання: Розташуйте терміни у логічній послідовності — від «плану в сейфі» до «готового робітника».
| № | Науковий термін | Код | Логічне визначення (сутність) |
|---|---|---|---|
| 1 | Транскрипція | А | «Спеціалізація»: клітина стає майстром своєї справи (нейроном, м’язом тощо). |
| 2 | Трансляція | Б | «Вибір професії»: Клітина вже знає, ким буде, але зовні ще не змінилася. |
| 3 | Детермінація | В | «Зняття копії»: Переписування інструкції з ДНК на мобільний носій (РНК). |
| 4 | Диференціація | Г | «Будівництво»: Збирання робочого білка на «фабриці»-рибосомі за інструкцією. |
| 5 | Експресія гена | Д | «Робота інструкції»: Загальний процес від відкриття книги ДНК до появи білка. |
Довідковий блок
Транскрипційний фактор — це білок, який зв’язується з певними ділянками ДНК (промоторами, енхансерами) і регулює активність генів (вмикає або вимикає їх).
Епігенетична регуляція — зміна активності генів без зміни самої послідовності ДНК (метилювання, модифікація гістонів).
Альтернативний сплайсинг — процес, за якого з одного гена може утворюватися кілька варіантів мРНК, а отже, і кілька різних білків.
Порада для вчителя:
- Виведіть цей блок на екран або роздрукуйте як пам’ятку для кожної групи.
- Повертайтеся до цих понять під час групової роботи та узагальнення.
Організація: Клас обєднується в 4 групи. Кожна група отримує картку з описом молекулярних механізмів диференціації певного типу клітин.
Завдання для груп (спільне для всіх):
Проаналізуйте надану інформацію та підготуйте міні-презентацію (2 хв) за планом:
- Сигнал: Який зовнішній фактор запускає диференціацію?
- Перемикач: Який транскрипційний фактор активується?
- Гени-мішені: Які конкретно гени вмикає цей фактор?
- Продукт: Який білок синтезується?
- Результат: Як змінюється структура та функція клітини?
КАРТКА 1. ГРУПА “НЕЙРОНИ”
| Етап | Опис |
|---|---|
| Сигнал | Білок FGF (фактор росту фібробластів) |
| Рецепція | Сигнал сприймається рецептором на мембрані → запуск каскаду реакцій |
| Транскрипційний фактор | NeuroD1 — білок, що вмикає нейрональні гени |
| Гени-мішені | Ген нейрофіламентів (структура), ген іонних каналів (Na⁺, K⁺), ген синтази нейромедіаторів |
| Синтез білків | Структурні білки нейрона, білки-канали, ферменти для синтезу нейромедіаторів |
| Результат | Формування нейрона: відростки (аксон, дендрити), здатність генерувати імпульс |
Додаткове питання для групи: Чому без NeuroD1 нейрон не сформується?
КАРТКА 2. ГРУПА “КЕРАТИНОЦИТИ”
| Етап | Опис |
|---|---|
| Сигнал | Білок BMP (кістковий морфогенетичний білок) |
| Рецепція | Сигнал передається через Smad-білки в ядро |
| Транскрипційний фактор | p63, AP-2 |
| Гени-мішені | Ген кератину 5/14 (ранній), ген кератину 1/10 (пізній), гени білків десмосом |
| Синтез білків | Кератини (проміжні філаменти), білки міжклітинних контактів |
| Результат | Міцний цитоскелет із кератинових філаментів, щільні контакти з сусідами, багатошаровість епітелію |
Додаткове питання для групи: Чому кератиноцити утворюють міцний захисний шар? Які білки це забезпечують?
КАРТКА 3. ГРУПА “МІОЦИТИ”
| Етап | Опис |
|---|---|
| Сигнал | Білок Wnt |
| Рецепція | Вихід β-катеніну в ядро |
| Транскрипційний фактор | Родина MyoD, Myf5, міогенін (каскадна активація) |
| Гени-мішені | Ген актину (тонкі філаменти), ген міозину (товсті філаменти), ген тропоніну, гени білків злиття клітин |
| Синтез білків | Актин, міозин, тропонін, білки злиття мембран |
| Результат | Багатоядерне м’язове волокно, поперечносмугаста структура, здатність до скорочення |
Додаткове питання для групи: Чому для формування м’яза потрібен не один транскрипційний фактор, а ціла родина (MyoD, міогенін…)?
КАРТКА 4. ГРУПА “ЕРИТРОЦИТИ”
| Етап | Опис |
|---|---|
| Сигнал | Гормон еритропоетин (ЕРО) |
| Рецепція | Активація рецептора ЕРО на поверхні клітини-попередниці |
| Транскрипційний фактор | GATA-1 |
| Гени-мішені | Ген глобіну (α та β ланцюги), гени ферментів синтезу гема, ген спектрину |
| Синтез білків | Гемоглобін (головний білок!), спектрин (цитоскелет) |
| Додаткова функція GATA-1 | Одночасно пригнічує гени інших спеціалізацій (наприклад, мієлоїдних клітин) |
| Результат | Заповнення гемоглобіном, втрата ядра (у ссавців), двояковгнута форма |
Додаткове питання для групи: Як GATA-1 одночасно і вмикає потрібні гени, і вимикає непотрібні? Чому еритроцит втрачає ядро?
Кожна група презентує результати аналізу (до 2 хв).
Учитель організовує обговорення та фіксує на дошці спільне і відмінне:
| Спільне для всіх типів клітин | Відмінне |
|---|---|
Висновок:
| ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ |
1. Тести на закріплення (оберіть правильну відповідь):
- Яке явище найкраще пояснює, що спеціалізація клітини залежить від того, які саме гени в ній активні?
а) Мутація
б) Вибіркова експресія генів
в) Реплікація ДНК
г) Фотосинтез - Що таке транскрипційний фактор у процесі диференціації?
а) Фермент, що розщеплює ДНК
б) Білок, який «вмикає» конкретні гени в певній клітині
в) Гормон, що стимулює поділ клітини
г) Частина рибосоми - Чому диференціацію вважають переважно незворотним процесом для більшості клітин?
а) Бо клітини втрачають ДНК
б) Бо клітини старіють
в) Бо зміни в активності генів і структурі клітини фіксуються, що заважає поверненню в стан стовбурової
г) Бо організм більше не потребує стовбурових клітин
Закінчіть речення:
- Сьогодні я дізнався/дізналася, що…
| __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ |
- Найцікавішим для мене було…
| __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ |
- Питання, яке у мене залишилося, це…
| __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ |
Оцініть свій рівень розуміння (жестова рефлексія):
👍 – Все зрозуміло, можу пояснити іншому.
🤔 – Дещо зрозумів(ла), але є питання.
👎 – Мені було складно, потрібно ще пояснення.
Створіть ментальну карту «Механізми диференціації клітин», яка включає всі рівні регуляції: сигнал → транскрипційний фактор → епігенетична регуляція → альтернативний сплайсинг → кінцевий білок → функція клітини.
Ділись та обговорюй важливе