Teaching molecular biology to medical university preparatory department foreign students

Full Text

На подготовительном отделении в Санкт-Петербургском государственном педиатрическом медицинском университете проходят обучение слушатели из более 30 стран Азии, Африки, Латинской Америки и Европы, которые в значительной степени отличаются от отечественных студентов по уровню подготовки по всем разделам биологии. Молекулярная биология — одно из приоритетных и стремительно развивающихся направлений современной науки, и изучение вопросов молекулярной генетики в медицинском университете заслуживает особого внимания.

В процессе обучения слушателей преподавателю необходимо учитывать следующие особенности:

• недостаточность базовых знаний;
• языковой барьер, поскольку преподавание проводится на русском языке;
• сложность изучаемых процессов;
• применение теоретического материала для решения задач по молекулярной генетике;
• развитие представлений в области молекулярной биологии в связи с постоянным обновлением данных;
• дистанционное обучение (в ряде случаев).

На кафедре медицинской биологии накоплен значительный опыт преподавания биологии как студентам, так и слушателям подготовительного отделения (ПО) [1–3]. Для оценки исходного уровня знаний по молекулярной генетике на кафедре проводится компьютерное тестирование по следующим темам: «Знание международной терминологии», «Строение нуклеиновых кислот, их свойства и функции», «Реакции матричного синтеза в клетке: репликация, транскрипция, трансляция».

Изучение клеточных процессов на молекулярном уровне невозможно без базовых представлений об органоидах клетки и других клеточных структурах, что учитывается при составлении тестовых заданий [4, 11, 12, 14]. Тестирование подготовлено преподавателями кафедры с использованием приложений Adit Testclient, Adit Testdesk Editor, Adit Testdesk Reporter по материалам методических пособий, изданных коллективом кафедры [5, 6].

Проведенный нами анализ результатов тестирования исходного уровня знаний иностранных слушателей подготовительного отделения выявил низкий уровень знаний (в среднем около 30 баллов по стобалльной шкале) [7]. Анализ индивидуальных результатов служит основой дальнейшего дифференцированного подхода к обучению. Интерактивная форма обучения позволяет выявить индивидуальные особенности каждого учащегося — способность к ассоциативному мышлению, установлению логических связей, работе с визуальными образами, концентрации внимания на решении биологических заданий. Индивидуальный подход способствует выравниванию уровня знаний обучающихся и развитию способностей каждого из них.

Недостаточное владение русским языком создает определенные трудности у слушателей подготовительного отделения при изучении курса биологии. Широкое использование международной терминологии в разделе «Молекулярная биология» значительно облегчает восприятие материала. Наряду с официальными языками своих государств некоторые слушатели, прежде всего из стран Северной и Центральной Африки, Ближнего Востока, владеют европейскими языками, в том числе французским и английским. Трудности использования русского языка при изучении биологии учащимся помогают преодолеть биологические словари (бумажные или электронные носители). По каждой теме преподавателями нашей кафедры разработаны мини-словари (русско-англо-французские), с основными терминами для описания биологических процессов, протекающих в клетке (табл. 1).

 

Таблица 1. Пример краткого русско-англо-французского словаря по теме «Биосинтез белка», составленного для иностранных слушателей подготовительного отделения [7]

Table 1. An example of a short Russian-English-French dictionary on the topic “Protein Biosynthesis”, compiled for foreign students [7]

Русский / Russian	Английский / English	Французский / French
аминокислота	aminoacid	acide aminé
белок	Protein	Albumen
ДНК	DNA	AND
наследственный	hereditary	héréditair
основание	Base	Foundation
РНК	RNA	ARN

 

Особую проблему для слушателей создает восприятие информации на слух. Использование на практических занятиях разнообразного наглядного материала, разработанного сотрудниками нашей кафедры, позволяет преодолеть языковой барьер.

Сложность изучаемых процессов определяет специфику методики преподавания этого раздела на ПО. В начале общения следует научить слушателей ПО правильно работать с текстами, конспектами, методическими пособиями и предложить разнообразные формы освоения материала. Выполнение заданий с использованием интерактивной доски и приложения АctivInspire значительно расширяет возможности преподавателя. Преподавателями подготовлены задания для учащихся на установление соответствия или последовательности; выбор трех правильных ответов из шести; выбор позиций, «выпадающих» из общего списка. В презентациях на экран выводятся адаптированный текст, анимации, изображения в формате GIF, многочисленные иллюстрации в виде схем, рисунков и таблиц, многие из которых составлены сотрудниками кафедры (рис. 1).

 

Рис. 1. Схема экспрессии белок-кодирующих и РНК-кодирующих генов. © Абдукаева Н.С., и др. 2022. Источник: заимствовано из [8] (схема разработана сотрудниками кафедры медицинской биологии). Все права защищены.

Fig. 1. The scheme of expression of protein-coding and RNA-coding genes. © Abdukaeva N.S., et al. 2022. Source: borrowed from [8] (the scheme was made by the staff of the Department of Medical Biology). All rights reserved.

 

Слушателям ПО адресовано учебное пособие «Деление клетки. Генетика. Молекулярная биология», изданное в серии Библиотека педиатрического университета [9]. В текстах учтен ограниченный словарный запас слушателей и максимально использованы международные термины и слова, представленные в мини-словарях.

Пример: Транскрипция — это синтез РНК на матрице ДНК (в результате транскрипции синтезируются все виды РНК).

В процессе транскрипции строится комплементарная копия одной из цепей ДНК — транскрибируемой. Вторая цепь ДНК, называемая кодирующей, как матрица не используется.

Кодирующая ДНК (смысловая):

5'- АТГ ТТТ ЦЦГ ТАА ТГТ -3'

Транскрибируемая ДНК (антисмысловая):

3'- ТАЦ ААА ГГЦ АТТ АЦА -5'

иРНК: 5'- АУГ УУУ ЦЦГ УАА УГУ -3'

Транскрипцию осуществляет фермент РНК–полимераза.

Изучение молекулярной биологии на подготовительном отделении направлено на углубление знаний в области общих закономерностей молекулярно-генетических процессов и на развитие навыков решения задач.

Пример решения и оформления задач [10].

Задача: Участок гена, кодирующего полипептид, состоит из последовательности нуклеотидов: 3'- ТАЦ ААА ГГЦ АЦА АТТ ТЦЦ -5'. Составьте схему трансляции на рибосоме.

Решение: Фрагмент ДНК начинается с 3'-конца, значит, это транскрибируемая ДНК. По принципу комплементарности находим иРНК (мРНК):

ДНК: 3'- ТАЦ ААА ГГЦ АЦА АТТ ТЦЦ -5'

иРНК: 5'- АУГ УУУ ЦЦГ УГУ УАА АГГ -3'

По таблице генетического кода находим последовательность аминокислот в полипептиде:

иРНК: 5'- АУГ УУУ ЦЦГ УГУ УАА АГГ -3'

Полипептид: мет – фен – про – цис, так как УАА — стоп-кодон.

Схема трансляции

Во фрагменте мРНК присутствует старт-кодон АУГ, и схема начинается с этапа инициации трансляции.

I. Инициация — начало синтеза полипептида (рис. 2).

 

Рис. 2. Схема инициации трансляции. © Абдукаева Н.С., и др. 2019. Источник: заимствовано из [10] (схема разработана сотрудниками кафедры медицинской биологии).

Fig. 2. The scheme — initiation of translation. © Abdukaeva N.S., et al. Source: borrowed from [10] (the scheme was made by the staff of the Department of Medical Biology).

 

С мРНК соединяется малая субъединица рибосомы и тРНК, несущая метионин, который соответствует старт-кодону АУГ. Между комплементарными нуклеотидами старт-кодона АУГ мРНК и антикодона УАЦ тРНК образуются временные водородные связи.

Затем к этому комплексу присоединяется большая субъединица, и формируется работающая рибосома.

II. Элонгация — удлинение полипептида.

В рибосоме формируются активные центры. Старт-кодон оказывается в пептидильном центре рибосомы, а в аминоацильном центре находится кодон УУУ. К нему подходит вторая тРНК с антикодоном ААА и аминокислотой фенилаланин. Между комплементарными нуклеотидами кодона и антикодона образуются временные водородные связи. В рибосоме с мРНК оказываются связаны две т-РНК. Между аминокислотами образуется пептидная связь. Далее рибосома перемещается на один триплет от 5'-конца к 3'-концу мРНК. Т-РНК, которая принесла метионин, отделяется от мРНК и уходит из рибосомы (рис. 3).

 

Рис. 3. Схема элонгации трансляции 2. © Абдукаева Н.С., и др. 2019. Источник: заимствовано из [10] (схема разработана сотрудниками кафедры медицинской биологии).

Fig. 3. The scheme – elongation of translation 2. © Abdukaeva N.S., et al. Source: borrowed from [10] (the scheme was made by the staff of the Department of Medical Biology).

 

Последовательно в аминоацильный центр рибосомы будут подходить различные тРНК и приносить аминокислоты. Между аминокислотами будут образовываться пептидные связи. Оставив аминокислоту, т-РНК будут покидать рибосому, а рибосома будет перемещаться на один триплет от 5'-конца к 3'- концу мРНК.

Процесс роста полипептидной цепи (элонгация) продолжается.

III. Терминация — конец синтеза полипептида.

Когда в аминоацильном центре оказывается стоп-кодон, синтез полипептида прекращается, фактор терминации вызывает диссоциацию комплекса на иРНК, тРНК, полипептид и субъединицы рибосомы (рис. 4).

 

Рис. 4. Схема терминации трансляции. © Абдукаева Н.С., и др. 2019. Источник: заимствовано из [10] (схема разработана сотрудниками кафедры медицинской биологии).

Fig. 4. The scheme — initiation of translation. © Abdukaeva N.S., et al. Source: borrowed from [10] (the scheme was made by the staff of the Department of Medical Biology).

 

Для ознакомления слушателей ПО с новыми данными молекулярной биологии и высокотехнологичными методами, перспективными в медицине, на кафедре медицинской биологии разрабатываются различные наглядные материалы, в том числе анимации. Для развития творческого мышления и мотивации к изучению нового создаются анимации, в разработке которых участвуют студенты (рис. 5).

 

Рис. 5. Рисунок из анимации «Острейшие ножницы генетики — прыжок в будущее».

Fig. 5. Picture from animation “The sharpest scissors of genetics — a leap into the future”.

 

Пример такой анимации — работа студентов А.А. Малаховой, А.А. Котлова, А.С. Васнецовой, посвященная системе CRISPR/Cas9 (от clustered regularly interspaced short palindromic repeats/ CRISPR associated protein 9) [13].

В анимации представлены персонажи, возникшие как авторские ассоциации с работой системы CRISPR/Cas9. Создание 2D-анимации проводилось в несколько этапов:

1. Создание графических изображений на бумаге.
2. Перенос изображений с бумажного носителя в цифровой формат в векторной форме.
3. Анимирование цифровых изображений в программе SONY Vegas Pro 13.
4. Озвучивание анимации.
5. Форматирование анимации из среды программного интерфейса в визуальный формат.

Изложение материала в доступной форме знакомит будущих врачей с передовыми технологиями геномного редактирования, которые, по мнению специалистов, могут изменить жизнь человечества в XXI в. Использование подобных анимаций в учебном процессе повышает интерес к изучаемому материалу, способствуя усилению мотивации к освоению новых знаний.

Успехи в освоении материала придают слушателям подготовительного отделения ощущение уверенности в собственных силах, способствуют выработке самостоятельного мышления, развитию интереса и расширению кругозора. Активность в познавательной деятельности играет значительную роль в адаптации слушателя подготовительного отделения к обучению в другой стране.

Обучение слушателей ПО Санкт-Петербургского педиатрического государственного медицинского университета направлено на приобретение необходимой и достаточной суммы знаний для дальнейшего обучения и освоения программ специалитета, обеспечивающих формирование общекультурных, профессиональных и общепрофессиональных компетенций в соответствии с федеральным государственным образовательным стандартом. В образовательном процессе произошел поворот к личности учащегося, и наметилась тенденция рассматривать его не как объект педагогической деятельности (пассивный слушатель), а как субъект познавательного процесса (активный участник). Мощным стимулом к самообразованию является познавательный интерес, который служит важным критерием успешной адаптации учащегося к обучению в вузе.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Вклад авторов. Все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией.

Источник финансирования. Авторы заявляют об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования.

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Оригинальность. При создании настоящей работы были использованы фрагменты собственного текста и иллюстрации, опубликованные ранее ([ISBN 978-5-907649-27-9; ISBN 978-5-907184-05-3], распространяется с разрешения правообладателя).

ADDITIONAL INFO

Authors’ contribution. All the authors made a significant contribution to the development of the concept, research and preparation of the article, read and approved the final version before publication.

Funding source. This study was not supported by any external sources of funding.

Competing interests. The authors declare that they have no competing interests.

Originality. Fragments of our own text and illustrations published earlier were used in the creation of this work ([ISBN 978-5-907649-27-9; ISBN 978-5-907184-05-3], distributed with permission of the copyright holder).

About the authors

Nelly S. Abdukaeva

Saint Petersburg State Pediatric Medical University

Author for correspondence.
Email: nellbio@mail.ru
ORCID iD: 0009-0000-3552-0880
SPIN-code: 3375-0772

PhD, Associate Professor, Head of Department of Medical Biology

Russian Federation, Saint Petersburg

Natalia S. Kosenkova

Saint Petersburg State Pediatric Medical University

Email: nataliakos@inbox.ru
ORCID iD: 0009-0008-9779-8755
SPIN-code: 4391-2559

PhD, Associate Professor, Department of Medical Biology

Russian Federation, Saint Petersburg

Nina V. Vasilyeva

Saint Petersburg State Pediatric Medical University

Email: ninavasilieva@inbox.ru
SPIN-code: 9784-6210

Senior Lecturer, Department of Medical Biology

Russian Federation, Saint Petersburg

References

Supplementary files