Esplorare Il DNA E Il Codice Genetico- Unità Di Apprendimento

Fonte

Condivido l'unità di apprendimento "Esplorare Il DNA E Il Codice Genetico", da me scritta per il sito Didatticare.it.

Il percorso di apprendimento è destinato ad una classe 3° secondaria di 1° grado.

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Compito unitario.

Realizzare una ricerca sulle “impronte genetiche”. Descrivere come sono rilevate e in quali altri settori della scienza vengono impiegate. Documentarsi su Internet e su riviste specializzate.

Obiettivi formativi. L’alunno:

   - descrive la struttura e la funzione di geni e cromosomi;
   - illustra graficamente le strutture del DNA e dell’RNA e le spiega verbalmente;
   - descrive il codice genetico e ne spiega il funzionamento;
   - comprende e descrive i meccanismi di trasmissione dei caratteri ereditari e le leggi di Mendel;
   - descrive come avviene la trasmissione di alcune malattie ereditarie.

Attività laboratoriali. La tematica affrontata dall’UA è indubbiamente complessa, ma altrettanto interessante, e in grado di stimolare la curiosità degli allievi se l’insegnante avrà cura di allestire un setting adatto e motivante. In questa fase ideativo-progettuale, si darà pertanto ampio spazio ad attività laboratoriali adatte a catturare l’attenzione degli allievi e a mobilitarne le capacità personali. Si fornisce un esempio di percorso articolato in sei fasi.

Fase 1. Poniamoci alcune domande per cominciare.

Si darà inizio al percorso di apprendimento, sottoponendo all’attenzione degli alunni alcuni quesiti su cui farli riflettere per formulare delle ipotesi:
   - perché due genitori bruni possono avere figli biondi?
   - Perché siamo alti o bassi di statura?
   - Perché molti più maschi che femmine non distinguono bene i colori?
   - Da che cosa dipendono il colore dei nostri occhi, i colori di una farfalla o di un fiore, l’altezza di un albero?

Si faranno osservare immagini riferite a ragazzi e ragazze provenienti da varie parti del mondo per far rilevare le differenti caratteristiche del volto: il colore della pelle, il tipo di capelli, la forma degli occhi.
Che cosa determina queste differenze? Esistono davvero le razze umane?
Vagliate le ipotesi e sollecitata la curiosità dei ragazzi, si proseguirà nell’indagine (ricorrendo a varie risorse anche con l’apporto del collega di storia e italiano) considerando spunti come quelli proposti di seguito:
   - la svolta storica intorno alla metà del 1800 nel campo delle scienze biologiche ( la teoria cellulare, la teoria dell’evoluzione, lo studio dell’ereditarietà);
  - un famosissimo romanzo di Michael Crichton e un ancor più famoso film, Jurassik Park, che si basano sulle conoscenze dovute a una scienza relativamente nuova, la genetica.

Fase 2. Alla scoperta dei cromosomi, dei geni e del DNA.

La visione del film, Jurassik Park, farà conoscere ai ragazzi termini quali clonazione e DNA. Attingendo a conoscenze acquisite in precedenza dagli allievi grazie allo studio delle cellule e della riproduzione, si parlerà di trasmissione delle caratteristiche fisiche e comportamentali, o caratteri, dai genitori ai figli attraverso le informazioni contenute nei cromosomi, minuscoli corpiccioli presenti nel nucleo di tutte le cellule e costituiti da geni, a loro volta formati da DNA. Si affronteranno i significati di: cromosomi omologhi, individuo omozigote ed eterozigote, allele dominante e recessivo, genotipo e fenotipo.
Ricorrendo a plastici, animazioni, filmati e risorse internet, si analizzerà la struttura della molecola di DNA e dei suoi quattro nucleotidi:

P – D – G

P – D – A

P – D – C

P – D – T

Dove il simbolo P indica l’acido fosforico, D il desossiribosio, A – G – C  – T rispettivamente le basi azotate adenina, guanina, citosina e timina.
Si allestiranno diverse attività operative grazie alle quali i ragazzi saranno guidati a comprendere che le caratteristiche di un individuo sono determinate dal tipo di geni che si trovano sui cromosomi contenuti nelle sue cellule. Ad esempio, quelle che appaiono grandi differenze tra i gruppi umani, come il colore della pelle, sono il risultato di piccolissime variazioni dei geni: quindi, tra un africano e un giapponese non esistono sostanziali differenze genetiche. Per tal motivo, è più corretto parlare di “gruppi etnici”, riferendosi all’area geografica, alla lingua e alla cultura, anziché di razze.
Non saranno trascurati, inoltre, gli approfondimenti storici sulla scoperta del DNA e dei geni:
    - 1911, teoria cromosomica dell’ereditarietà enunciata dallo statunitense Morgan;
    - 1929, trasformazione genetica di una particolare specie di batteri grazie ad un “agente trasformante”, scoperto dal microbiologo inglese Griffith;
    - 1944, scoperta del DNA dovuta al batteriologo americano Avery;
    - 1953, modello spaziale della molecola del DNA realizzato da Watson e Crick;
    - 1961, Niremberg e Ochoa scoprono che ogni tripletta di nucleotidi codifica per uno specifico amminoacido;
    - 1986, Renato Dulbecco propone di decifrare il codice genetico umano per sconfiggere il cancro;
    - 1989, viene avviato ufficialmente il Progetto Genoma Umano sotto la guida di James Watson.

Fase 3. Esploriamo la duplicazione del DNA e il codice genetico.

Tenendo in considerazione le conoscenze pregresse degli allievi circa i processi di mitosi e meiosi, si proporranno le seguenti schede operative, dopo aver trattato il processo di duplicazione del DNA e il codice genetico. Si farà comprendere agli allievi come le caratteristiche di una cellula siano scritte nel linguaggio delle basi azotate costitutive dei geni, mentre le proteine, che formano le cellule e attivano le reazioni che rendono possibile la vita, sono scritte nel linguaggio degli amminoacidi; si farà notare inoltre come il codice genetico si basi sulla corrispondenza tra una o più sequenze di tre basi azotate e un singolo amminoacido e come il lettore del codice sia la molecola di RNA.

1° Scheda operativa. La duplicazione del DNA nella mitosi e nella meiosi.

Osservare i due Schemi A e B e, sapendo che il simbolo “2n” rappresenta un patrimonio genetico completo normale, tipico delle cellule somatiche, rispondere alle domande:
    - Quale dei due schemi rappresenta una mitosi? Quale una meiosi?
    - Che cosa s’intende per “4n”? Che cosa è avvenuto nel passaggio dalla cellula “2n” a quella “4n”?
    - Che cosa s’intende per “n”? Quali tipi di cellule presentano tale patrimonio genetico? Perché?

2° Scheda operativa. Proviamo a costruire il codice genetico.

Sapendo che per codificare un amminoacido occorre la combinazione di tre nucleotidi (una tripletta), provare a costruire il codice genetico utilizzando le quattro lettere, A, C, G, T corrispondenti alle basi azotate presenti nei nucleotidi, considerando che si devono ottenere almeno venti combinazioni possibili (i venti aminoacidi presenti in natura). Completare le tabelle e rispondere alle domande.

   - Quante combinazioni di una sola lettera si possono formare? Quali?

Si può constatare come non sia possibile che un nucleotide codifichi da solo per un amminoacido perché esisterebbero in natura quattro tipi di amminoacidi soltanto.

   - Quante combinazioni di due lettere si possono ottenere?

Neppure in questo caso è possibile perché con le combinazioni di due nucleotidi si possono ottenere solo sedici aminoacidi (4^2 = 16)

- Quante combinazioni di tre lettere si possono ottenere?

In questo caso, si ottengono invece 64 aminoacidi (4^3 = 64). In natura, però questo non accade perché alcune triplette servono come segnale d’inizio o fine della proteina e molte di esse codificano lo stesso aminoacido.

Fase 4. E adesso esploriamo la sintesi delle proteine… 
Si avrà cura di far comprendere agli alunni le due fasi della sintesi proteica, la trascrizione e la traduzione, mettendo in evidenza il diverso ruolo svolto dai tre tipi di RNA:
   - l’RNA messaggero ( o mRNA);
   - l’RNA ribosomale (o rRNA);
   - l’RNA di trasferimento (o tRNA);

allestendo attività operative mirate, di cui si fornisce un’esemplificazione.

Attività. Un lavoro certosino!

Materiale: una tabella degli amminoacidi con il codice genetico dell’mRNA (si può reperire facilmente in un manuale).

Procedimento:
   - osservare con attenzione la sequenza di triplette in un segmento di DNA.
   - Scrivere sotto ciascuna di esse la corrispondente sequenza di triplette “trascritte” sull’RNA.
   - Far corrispondere a ogni tripletta il suo amminoacido.
   - Rispondere, quindi, alle seguenti domande:

   1. Quanti tipi di RNA vengono impiegati?
   2. In quale organulo della cellula avviene la traduzione?
  3.  Quale sequenza di amminoacidi viene costruita?
  4. Quante copie di questa sequenza possono essere costruite?

Fase 5. Indagine sui meccanismi dell’ereditarietà.

Si ricorrerà a materiali di tipo diverso, tra cui simulazioni interattive digitali reperite in Internet, per far comprendere agli alunni come la trasmissione dei caratteri umani segua le tre leggi di Mendel:
   - la legge della dominanza;
   - la legge della segregazione;
   - la legge dell’indipendenza dei caratteri.

Si propone un’esperienza che può risultare coinvolgente e utile.

Esperienza. La trasmissione dei caratteri ereditari… in classe!

Materiale: carta e penna.

Procedimento:
   - esaminare attentamente il fenotipo dei compagni di classe.
   - Utilizzare le informazioni contenute nella tabella per individuare quanti compagni di classe presentano un carattere dominante e quanti un carattere recessivo.

    - Rispondere alle seguenti domande:
    
1. Quanti sono i compagni con i capelli scuri? E quanti con i capelli biondi?
2. Ci sono ragazzi mancini? Quanti?
3. E’ possibile che da due genitori, entrambi con il lobo dell’orecchio attaccato, nasca un figlio con il lobo dell’orecchio staccato?

Fase 6. La genetica nella specie umana.

A completamento del percorso di apprendimento, si tratterà del genoma umano, della determinazione genetica del sesso di un individuo e di alcune malattie ereditarie. Attraverso le diverse piste offerte, gli alunni giungeranno, con i propri stili di apprendimento e le proprie capacità, alla conquista dell’apprendimento unitario. Risulterà significativo, per la concettualizzazione e la sintesi di quanto appreso, realizzare collettivamente una mappa concettuale.
Per lo svolgimento del compito unitario, oltre alle diverse attività prima indicate, sarà utile approfondire la tematica, esplorando le seguenti risorse Internet:

www.gene-abc.ch

www.genome.gov

www.telethon.it

Verifica, valutazione, monitoraggio. Le conoscenze e le abilità acquisite, strumentali all’apprendimento delle competenze attese, saranno opportunamente monitorate in itinere con strumenti specifici (osservazioni sistematiche, interviste, questionari o check-list, discussioni collettive) sia durante le attività laboratoriali che durante lo svolgimento del compito unitario in situazione. Si propongono, pertanto, degli esempi di test e quesiti come ulteriore verifica complessiva di fine UA. Il livello di accettabilità si ritiene raggiunto quando sono stati svolti tutti gli esercizi previsti, con imprecisioni e inesattezze non superiori al 40%. Tutti gli esercizi concorrono a verificare complessivamente gli obiettivi formativi.

Conoscenze

1. Nella cellula, i geni si trovano:
  - nei ribosomi
  - nel citoplasma
  - nei mitocondri
  - nei cromosomi

2. Quale delle seguenti malattie non è genetica?
   - La corea di Huntington
   - La malaria
   - La talassemia
   - La sindrome di Down

3. Associa ad ogni definizione il termine corrispondente.
- Caratteristiche visibili del patrimonio genetico allele          allele
- Gene con due alleli diversi eterozigote                            eterozigote
- Gene con due alleli uguali fenotipo                                 fenotipo
- Patrimonio genetico di un individuo gene                         gene
- Segmento di DNA contenuto in un cromosoma genotipo     genotipo
- Variante di un gene omozigote                                      omozigote

4. Un gene è:
    - una sequenza di triplette
   -  un segmento di RNA messaggero
   -  un particolare RNA di trasporto
   -  un segmento di DNA che codifica per una proteina

Abilità

1. Una forma di anemia, chiamata morbo di Cooley, determina la presenza di globuli rossi più piccoli della norma (microcitemia). La malattia è causata da un gene recessivo “c”.

   - Definisci i fenotipi corrispondenti ai seguenti genotipi (individuo sano, malato, portatore sano):

- Utilizzando le seguenti tabelle, trova i possibili genotipi, fenotipi e le relative percentuali nel caso dell’unione di un portatore sano con una donna sana.    

2. Usando i seguenti simboli, rappresenta in modo schematico un filamento di DNA.

Per le competenze

1. Aggiungi al tuo glossario di inglese i seguenti termini, specificandone il significato e l’etimologia:

    - chromosome;
   -  translation;
   - inheritance;
   - sex chromosome;
   - transcription;
   - replication.

2. Con l’aiuto della tabella del codice genetico, stabilisci quanti e quali amminoacidi sono codificati nella seguente sequenza di mRNA:

UCGUUUCACAAA

3. Una coppia di genitori, Mario e Giovanna, entrambi con i capelli neri, ebbero una figlia albina, Luisa. Questa, diventata adulta, sposò Andrea, un giovane con i capelli neri. La coppia di giovani ebbe una figlia dai capelli neri, Ilaria.
Rispondi alle seguenti domande:

    - Luisa era omozigote o eterozigote?
    - Mario e Giovanna erano albini sani o portatori?
    - Perché da Luisa e Andrea è potuta nascere una bambina dai capelli neri?
    - Sapresti indicare i genotipi di Mario, Giovanna, Luisa, Andrea e Ilaria?